수성 배터리의 주요 저장 용량

텍사스 A&M 대학의 연구원들은 금속이 없는 수성 배터리 전극의 저장 용량에서 1,000%의 차이를 발견했습니다.

이 배터리는 코발트를 포함하는 리튬 이온 배터리와 다릅니다. 금속이 없는 배터리를 연구한다는 그룹의 목표는 코발트와 리튬을 아웃소싱하기 때문에 국내 공급망을 보다 잘 제어할 수 있기 때문입니다. 이 더 안전한 화학은 또한 배터리 화재를 예방합니다.

화학 공학 교수인 Jodie Lutkenhaus 박사와 화학 조교수인 Daniel Tabor 박사는 리튬이 없는 배터리에 대한 연구 결과를 발표했습니다. 자연 소재.

Lutkenhaus는 “수성 기반이기 때문에 더 이상 배터리 화재가 없을 것”이라고 말했습니다. “미래에 재료 부족이 예상되면 리튬 이온 배터리의 가격이 훨씬 올라갈 것입니다. 이 대체 배터리가 있으면 여기에서 제조할 수 있기 때문에 공급이 훨씬 더 안정적인 이 화학으로 전환할 수 있습니다. 미국에 있고 그것을 만드는 재료가 여기 있습니다.”

Lutkenhaus는 수성 배터리가 음극, 전해질 및 양극으로 구성되어 있다고 말했다. 음극과 양극은 에너지를 저장할 수 있는 폴리머이고 전해질은 유기염이 섞인 물이다. 전해질은 전극과의 상호 작용을 통해 이온 전도 및 에너지 저장의 핵심입니다.

“만약 전극이 순환하는 동안 너무 많이 부풀어 오르면 전자를 잘 전도할 수 없고 모든 성능을 잃게 됩니다.”라고 그녀는 말했습니다. “팽창 효과 때문에 전해질 선택에 따라 에너지 저장 용량이 1,000% 차이가 난다고 생각합니다.”

그들의 논문에 따르면 산화환원 활성, 비공액 라디칼 폴리머(전극)는 폴리머의 높은 방전 전압과 빠른 산화환원 동역학으로 인해 금속이 없는 수성 배터리의 유망한 후보입니다. 이 반응은 전자, 이온 및 물 분자의 동시 이동으로 인해 복잡하고 해결하기 어렵습니다.

“우리는 일정 범위의 시간 척도에서 소실 모니터링이 있는 전기화학적 석영 크리스탈 마이크로 저울을 사용하여 다양한 무질서/코스모트로픽 특성의 수성 전해질을 조사함으로써 산화환원 반응의 특성을 입증했습니다.”라고 기사의 연구원들은 말했습니다.

Tabor의 연구 그룹은 전산 시뮬레이션 및 분석을 통해 실험적 노력을 보완했습니다. 시뮬레이션은 구조 및 역학의 미세한 분자 규모 그림에 대한 통찰력을 제공했습니다.

“이론과 실험은 종종 이러한 물질을 이해하기 위해 밀접하게 함께 작동합니다. 이 논문에서 계산적으로 수행하는 새로운 작업 중 하나는 실제로 전극을 여러 충전 상태로 충전하고 주변이 이 충전에 어떻게 반응하는지 확인하는 것입니다.” Tabor 말했다.

연구원들은 배터리가 작동할 때 정확히 얼마나 많은 물과 염분이 배터리에 들어가는지 측정함으로써 특정 종류의 염이 있을 때 배터리 음극이 더 잘 작동하는지 거시적으로 관찰했습니다.

“우리는 실험적으로 관찰된 것을 설명하기 위해 그렇게 했습니다.”라고 그는 말했습니다. “이제 우리는 시뮬레이션을 미래 시스템으로 확장하고 싶습니다. 우리는 물과 용제의 주입을 추진하는 힘이 무엇인지에 대한 이론을 확인해야 했습니다.

“이 새로운 에너지 저장 기술을 통해 이것은 리튬이 없는 배터리를 향한 전진입니다. 우리는 일부 배터리 전극이 다른 것보다 더 잘 작동하게 만드는 요소에 대한 더 나은 분자 수준의 그림을 가지고 있으며, 이는 재료에서 앞으로 나아갈 방향에 대한 강력한 증거를 제공합니다. 디자인”이라고 Tabor는 말했습니다.

이 프로젝트는 Texas A&M Engineering Experiment Station을 통해 미국 에너지부와 국립과학재단이 자금을 지원합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/04/230404114200.htm