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간단해진 과학: 배터리란 무엇이며 어떻게 작동합니까?

2021-06-16

주제:
배터리, 기술, DOE, 에너지, 리튬 이온 배터리
2021년 5월 9일 미국 에너지부



배터리 및 이와 유사한 장치는 필요에 따라 전기를 수용, 저장 및 방출합니다. 배터리는 다른 많은 일상적인 에너지원과 마찬가지로 에너지를 저장하기 위해 화학적 포텐셜의 형태로 화학을 사용합니다. 예를 들어, 통나무는 연소가 에너지를 열로 변환할 때까지 화학 결합에 에너지를 저장합니다.

가솔린은 자동차 엔진에서 기계적 에너지로 변환될 때까지 화학적 위치 에너지를 저장합니다. 마찬가지로 배터리가 작동하려면 전기가 쉽게 저장되기 전에 화학적 전위 형태로 변환되어야 합니다.

배터리는 음극과 양극이라는 두 개의 전기 단자로 구성되며 전해질이라는 화학 물질로 분리됩니다. 에너지를 수용하고 방출하기 위해 배터리가 외부 회로에 연결됩니다. 전자는 회로를 통해 이동하는 동시에 이온(전하를 띤 원자 또는 분자)은 전해질을 통해 이동합니다.

충전식 배터리에서 전자와 이온은 회로와 전해질을 통해 양방향으로 이동할 수 있습니다. 전자가 음극에서 양극으로 이동할 때 화학 포텐셜 에너지를 증가시켜 배터리를 충전합니다. 다른 방향으로 이동하면 이 화학 위치 에너지를 회로에서 전기로 변환하고 배터리를 방전합니다. 충전 또는 방전 중에 반대 전하를 띤 이온이 전해질을 통해 배터리 내부로 이동하여 외부 회로를 통해 이동하는 전자의 전하 균형을 유지하고 지속 가능한 충전식 시스템을 생성합니다. 일단 충전되면 배터리는 나중에 전기로 사용하기 위해 화학 포텐셜 에너지를 저장하기 위해 회로에서 분리될 수 있습니다.

배터리는 1800년에 발명되었지만 화학적 공정은 복잡합니다. 과학자들은 새로운 도구를 사용하여 배터리의 전기 및 화학 공정을 더 잘 이해하여 차세대 고효율 전기 에너지 저장 장치를 생산하고 있습니다. 예를 들어, 그들은 배터리의 양극, 음극 및 전해질을 위한 개선된 재료를 개발하고 있습니다. 과학자들은 배터리가 충전 및 방전될 때 완전히 역전되지 않기 때문에 충전식 배터리의 프로세스를 연구합니다. 시간이 지남에 따라 완전한 반전이 이루어지지 않으면 배터리 재료의 화학 및 구조가 변경되어 배터리 성능과 안전성이 저하될 수 있습니다.

전기 에너지 저장 사실
. 2019년 노벨 화학상은 "리튬 이온 배터리 개발" 공로로 John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham 및 Akira Yoshino에게 공동으로 수여되었습니다.
. JCESR의 전해질 게놈은 새로운 고급 배터리의 주요 전해질 특성을 계산하는 데 사용할 수 있는 26,000개 이상의 분자가 포함된 컴퓨터 데이터베이스를 생성했습니다.

DOE 과학 및 전기 에너지 저장국
DOE 과학국, 기초 에너지 과학국(BES)이 지원하는 연구는 전기 에너지 저장에서 상당한 개선을 가져왔습니다. 그러나 우리는 배터리가 저장할 수 있는 에너지의 양을 극적으로 향상시킬 수 있는 완전히 새로운 재료를 사용하는 차세대 에너지 저장을 위한 포괄적인 솔루션과는 여전히 거리가 멉니다. 이 저장 장치는 재생 에너지원을 전력 공급에 통합하는 데 중요합니다. 배터리 기술 개선은 플러그인 전기 자동차의 광범위한 사용에 필수적이기 때문에 저장은 운송에 대한 석유 의존도를 줄이는 데도 중요합니다.

BES는 개별 과학자와 다학문 센터의 연구를 지원합니다. 가장 큰 센터는 DOE 에너지 혁신 허브인 에너지 저장 연구 공동 센터(JCESR)입니다. 이 센터는 원자 및 분자 규모의 전기화학 물질과 현상을 연구하고 컴퓨터를 사용하여 새로운 물질을 설계하는 데 도움을 줍니다. 이 새로운 지식을 통해 과학자들은 더 안전하고 오래 지속되며 더 빠르게 충전되고 더 큰 용량을 가진 에너지 저장 장치를 설계할 수 있습니다. BES 프로그램의 지원을 받는 과학자들이 배터리 과학의 새로운 발전을 달성함에 따라 이러한 발전은 응용 연구원과 산업에서 운송, 전력망, 통신 및 보안 분야의 응용 프로그램을 발전시키는 데 사용됩니다.