알루미늄은 더 안전하고 저렴한 배터리의 가능성을 보여줍니다

Jul 12, 2023

좋은 배터리에는 두 가지가 필요합니다. 즉, 장치에 전원을 공급하기 위한 높은 에너지 밀도입니다. 안정성이 뛰어나 수천 번 이상 안전하고 안정적으로 충전할 수 있습니다. 지난 30년 동안 리튬 이온 배터리는 스마트폰, 노트북, 전기 자동차에서 그 성능을 입증하며 최고의 자리를 차지했습니다.

그러나 배터리 연구자들은 리튬 이온의 한계에 접근하기 시작했습니다. 차세대 장거리 차량과 전기 항공기가 시장에 출시되기 시작하면서 리튬 이온보다 성능이 뛰어난 더 안전하고 저렴하며 강력한 배터리 시스템에 대한 검색이 늘어나고 있습니다.

엔지니어 Matthew McDowell이 이끄는 Georgia Institute of Technology의 연구팀은 알루미늄 호일을 사용하여 더 높은 에너지 밀도와 더 높은 안정성을 갖춘 배터리를 만들고 있습니다. Nature Communications에 자세히 설명된 팀의 새로운 배터리 시스템은 한 번의 충전으로 전기 자동차를 더 오래 작동할 수 있게 하고, 제조 비용도 저렴하면서도 환경에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

"알루미늄 양극의 장점 중 하나는 성능 향상이 가능하고 매우 비용 효율적이라는 점입니다."

- 맥도웰

이 작업은 미국 국립과학재단(National Science Foundation)의 지원을 받는 국립 나노기술 조정 인프라(National Nanotechnology Coordinated Infrastructure)의 회원인 조지아 전자 나노기술 기술 연구소(Georgia Tech Institute for Electronics and Nanotechnology)에서 부분적으로 수행되었습니다.

McDowell은 "우리는 항상 전기 자동차가 한 번 충전으로 더 먼 거리를 주행할 수 있게 해주는 더 높은 에너지 밀도를 가진 배터리를 찾고 있습니다."라고 말했습니다. "알루미늄을 배터리 소재로 사용할 수 있는 이유는 알루미늄이 비용 효율적이고 재활용성이 뛰어나며 작업하기 쉽기 때문입니다."

기존 리튬 이온 배터리에 사용하면 알루미늄은 리튬이 재료 안팎으로 이동할 때 팽창 및 수축으로 인해 몇 번의 충전-방전 주기 내에 파손되고 파손됩니다. 개발자들은 알루미늄이 실행 가능한 배터리 재료가 아니라고 결론을 내렸고 그 아이디어는 대부분 포기되었습니다.

이제 전고체 배터리가 등장했습니다. 리튬 이온 배터리에는 화재를 일으킬 수 있는 가연성 액체가 포함되어 있는 반면, 전고체 배터리에는 불연성이 아닌 고체 물질이 포함되어 있어 더 안전합니다. 전고체 배터리는 또한 새로운 고성능 활물질의 통합을 가능하게 합니다.

연구자들은 알루미늄에 소량의 다른 재료를 추가하여 특정 "미세 구조" 또는 다른 재료의 배열을 가진 호일을 만들었습니다. 엔지니어들은 배터리에서 어떻게 작동하는지 이해하기 위해 100개 이상의 다양한 재료를 테스트했습니다.

알루미늄 양극은 기존 양극 재료보다 더 많은 리튬을 저장할 수 있으므로 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 결국 연구진은 잠재적으로 리튬 이온 배터리보다 성능이 뛰어난 고에너지 밀도 배터리를 만들었습니다.

McDowell은 “알루미늄 양극의 장점 중 하나는 성능 향상이 가능하고 매우 비용 효율적이라는 점입니다.”라고 말했습니다. "포일을 배터리 부품으로 직접 사용하면 실제로 배터리 재료를 생산하는 데 일반적으로 필요한 많은 제조 단계가 제거됩니다."

단거리 전기 항공기는 여러 회사에서 개발 중이지만 제한 요소는 배터리입니다. 오늘날의 배터리는 약 150마일 이상의 거리를 비행하는 항공기에 전력을 공급할 만큼 충분한 에너지를 보유하지 않습니다. 새로운 배터리 화학이 필요하며 팀의 알루미늄 양극 배터리는 보다 강력한 배터리 기술의 문을 열 수 있습니다.