옥수수, 리튬-황 배터리 성능 향상에 기여

워싱턴 주립 대학의 연구자들은 옥수수 단백질을 사용하여 리튬-황 배터리의 성능을 개선하는 방법을 시연했습니다. 이 발견은 전기 자동차, 재생 에너지 저장 및 기타 응용 분야에서 고에너지, 경량 배터리의 사용을 확대하는 데 희망을 줍니다.

리튬-황 배터리는 일반적으로 사용되는 리튬 이온 배터리보다 동일한 양의 에너지를 사용하면서도 더 가볍고 환경 친화적이지만, 수명을 단축시키는 기술적 장벽으로 인해 상업적 채택이 제한되었습니다.

WSU 연구팀은 Journal of Power Sources 에 게재된 연구에서 옥수수 단백질로 만든 보호막과 일반적으로 사용되는 플라스틱을 함께 사용했을 때 단추 크기의 리튬-황 배터리의 성능이 크게 향상되었음을 보여주었습니다. 연구진은 이 배터리가 500회 이상의 충전 사이클을 유지할 수 있음을 확인했는데, 이는 분리막이라고 불리는 옥수수 보호막이 없는 배터리에 비해 상당한 성능 향상을 보였습니다.

"이 연구는 배터리 성능 향상을 위한 기능성 분리막을 제조하는 간단하고 효율적인 접근법을 보여주었습니다."라고 기계재료공학과 교수이자 본 논문의 교신저자인 케이티 종은 말했습니다. "결과는 매우 훌륭합니다."

리튬-황 배터리는 다양한 분야에서 리튬 이온 배터리의 잠재적인 대안으로 여겨집니다. 이론적으로 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있기 때문에 자동차나 비행기에 사용하려면 기존 배터리보다 훨씬 작고 가벼운 배터리가 필요합니다. 또한, 리튬-황 배터리는 양극으로 황을 사용하는데, 황은 풍부하고 저렴하며 무독성이기 때문에 기존 배터리보다 환경 친화적입니다. 리튬 이온 배터리의 양극은 금속 산화물로 만들어지며 코발트나 니켈과 같은 독성 중금속을 포함합니다.

그러나 리튬-황 배터리는 두 가지 주요 문제를 안고 있습니다. 셔틀 효과라고 불리는 이 문제는 배터리의 황 성분이 액체 부분으로 스며들어 리튬 쪽으로 이동하여 배터리가 매우 빠르게 작동을 멈추게 하는 경향이 있다는 것입니다. 또한 배터리의 리튬 쪽에는 덴드라이트라고 불리는 리튬 금속 스파이크가 자주 발생하여 전기 단락을 유발할 수 있습니다.

연구진은 개념 증명 작업에서 배터리 중앙의 분리막을 덮는 덮개로 옥수수 단백질을 사용하여 두 가지 문제를 모두 예방했습니다.

"옥수수 단백질은 풍부하고, 천연이며, 지속 가능하기 때문에 좋은 배터리 소재가 될 수 있습니다."라고 이 논문의 책임저자이자 기계 및 재료 공학부의 진 류 교수가 말했습니다.

대학원생 Ying Guo, Pedaballi Sireesha 및 Chenxu Wang이 작업을 주도했습니다.

단백질의 구성 요소는 아미노산으로, 배터리 재료와 반응하여 리튬 이온의 이동을 개선하고 셔틀 효과를 억제합니다. 단백질은 자연적으로 자기 위로 접히기 때문에, 연구진은 단백질을 평평하게 만들고 성능을 향상시키기 위해 소량의 유연한 플라스틱을 첨가했습니다.

류 박사는 "우선 단백질을 어떻게 열 것인가에 대해 생각해야 합니다. 그래야 그 상호작용을 이용해 단백질을 조작할 수 있을 것입니다."라고 말했습니다.

연구진은 배터리의 성공을 입증하기 위해 수치 연구와 실험을 모두 수행했습니다. 현재 이 과정이 어떻게 작동하는지, 어떤 아미노산 상호작용이 그 원인인지, 그리고 단백질 구조가 어떻게 최적화될 수 있는지에 대한 추가 연구를 진행하고 있습니다.

"단백질은 매우 복잡한 구조입니다."라고 종은 말했다. "단백질 구조에서 어떤 아미노산이 중요한 셔틀 효과와 수상돌기 문제를 해결하는 데 가장 효과적인지 파악하기 위해 추가 시뮬레이션 연구가 필요합니다."

연구진은 업계 파트너들과 협력하여 더 큰 실험용 배터리를 연구하고 공정 규모를 확대하고자 합니다. 이 연구는 미국 농무부의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250415143638.htm