저렴하고 깨끗하며 빠르게 충전되는 배터리의 획기적인 발전

UChicago Pritzker 분자 공학 교수 Y. Shirley Meng의 에너지 저장 및 변환 연구실은 세계 최초의 양극이 없는 나트륨 고체 배터리를 만들었습니다.

이 연구를 통해 UChicago Pritzker School of Molecular Engineering과 University of California San Diego의 Aiiso Yufeng Li 가족 화학 및 나노 공학과의 협력으로 이루어진 LESC는 저렴하고 빠른 충전, 높은 배터리 수명을 실현했습니다. 전기 자동차와 그리드 스토리지를 위한 용량 배터리가 그 어느 때보다 가까워졌습니다.

“이전에 나트륨, 전고체, 무양극 배터리가 있었지만 지금까지 누구도 이 세 가지 아이디어를 성공적으로 결합할 수 없었습니다.”라고 UC 샌디에고 박사과정 후보이자 새로운 논문의 첫 번째 저자인 Grayson Deysher가 말했습니다. 팀의 작업.

오늘 출판된 논문은 자연 에너지는 수백 사이클 동안 안정적인 사이클링을 제공하는 새로운 나트륨 배터리 아키텍처를 보여줍니다. 양극을 제거하고 리튬 대신 저렴하고 풍부한 나트륨을 사용함으로써 이 새로운 형태의 배터리는 보다 저렴하고 환경 친화적으로 생산될 것입니다. 혁신적인 솔리드 스테이트 디자인을 통해 배터리도 안전하고 강력합니다.

이 작업은 과학의 진보이자 세계 경제를 화석 연료에서 벗어나는 데 필요한 배터리 규모 격차를 메우는 데 필요한 단계입니다.

Meng은 “미국을 1시간 동안 계속 운영하려면 1테라와트 시간의 에너지를 생산해야 합니다”라고 말했습니다. “경제 탈탄소화라는 사명을 완수하려면 수백 테라와트 시간의 배터리가 필요합니다. 더 많은 배터리가 필요하며 빠르게 필요합니다.”

지속 가능성과 나트륨

배터리에 일반적으로 사용되는 리튬은 그다지 일반적이지 않습니다. 이는 지각의 약 20ppm을 구성하며, 나트륨은 20,000ppm을 구성합니다.

이러한 희소성과 노트북, 휴대폰, EV용 리튬 이온 배터리에 대한 수요 급증으로 인해 가격이 급등하여 필요한 배터리를 더 이상 구할 수 없게 되었습니다.

리튬 침전물도 집중되어 있습니다. 칠레, 아르헨티나, 볼리비아의 “리튬 삼각지대”는 전 세계 리튬 공급량의 75% 이상을 보유하고 있으며, 호주, 노스캐롤라이나, 네바다에도 다른 매장지가 있습니다. 이는 기후 변화에 맞서기 위해 필요한 탈탄소화 측면에서 일부 국가에 다른 국가보다 도움이 됩니다.

Meng은 “글로벌 조치를 위해서는 매우 중요한 자료에 접근하기 위해 함께 협력해야 합니다.”라고 말했습니다.

리튬 추출은 또한 광석을 분해하는 데 사용되는 산업용 산이나 건조를 위해 표면에 막대한 양의 물을 펌핑하는 보다 일반적인 염수 추출 등 환경에 해를 끼칩니다.

바닷물과 소다회 채굴에서 흔히 발견되는 나트륨은 본질적으로 환경 친화적인 배터리 소재입니다. LESC 연구는 이를 강력한 연구로 만들었습니다.

혁신적인 아키텍처

리튬 배터리의 에너지 밀도를 갖춘 나트륨 배터리를 만들기 위해 팀은 새로운 나트륨 배터리 아키텍처를 발명해야 했습니다.

기존 배터리에는 배터리를 충전하는 동안 이온을 저장하는 양극이 있습니다. 배터리가 사용되는 동안 이온은 양극에서 전해질을 통해 전류 수집기(음극)로 흘러가면서 장치와 자동차에 전력을 공급합니다.

양극이 없는 배터리는 양극을 제거하고 집전체에 직접 알칼리 금속을 전기화학적으로 증착하여 이온을 저장합니다. 이 접근법은 더 높은 셀 전압, 더 낮은 셀 비용, 증가된 에너지 밀도를 가능하게 하지만 그 자체의 과제도 안고 있습니다.

양극이 없는 배터리에서는 전해질과 집전체 사이의 접촉이 양호해야 한다고 Deysher는 말했습니다. “액체가 어디든 흐르고 모든 표면을 적실 수 있기 때문에 액체 전해질을 사용할 때 이것은 일반적으로 매우 쉽습니다. 고체 전해질은 이것을 할 수 없습니다.”

그러나 이러한 액체 전해질은 활성 물질을 꾸준히 소모하면서 고체 전해질 간기라는 축적을 생성하여 시간이 지남에 따라 배터리의 유용성을 감소시킵니다.

흐르는 고체

팀은 이 문제에 대해 새롭고 혁신적인 접근 방식을 취했습니다. 집전체를 둘러싸는 전해질을 사용하는 대신, 전해질을 둘러싸는 집전체를 만들었다.

그들은 액체처럼 흐를 수 있는 고체인 알루미늄 분말로 전류 집전체를 만들었습니다.

배터리를 조립하는 동안 분말은 전해질과 액체와 같은 접촉을 유지하면서 고체 집전체를 형성하기 위해 고압에서 치밀화되어 이 획기적인 기술을 발전시킬 수 있는 저비용 및 고효율 사이클링을 가능하게 했습니다.

“나트륨 전고체 배터리는 일반적으로 먼 미래의 기술로 간주되지만, 이 논문이 실제로 리튬보다 훨씬 더 잘 작동할 수 있음을 입증함으로써 나트륨 분야에 더 많은 활력을 불어넣을 수 있기를 바랍니다. 버전이 있는 경우도 있습니다.”라고 Deysher는 말했습니다.

궁극적인 목표는? Meng은 재생 가능 에너지를 저장하고 사회의 요구에 맞게 확장되는 깨끗하고 저렴한 다양한 배터리 옵션을 통해 에너지 미래를 구상합니다.

Meng과 Deysher는 UC San Diego의 혁신 및 상업화 사무국을 통해 자신의 작업에 대한 특허 신청을 제출했습니다.

자금: 이 작업을 지원하기 위한 자금은 혁신을 위한 파트너십(PFI) 보조금 번호를 통해 국립 과학 재단에서 제공되었습니다. 2044465

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/07/240703131808.htm