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"무대량" 에너지 저장을 위한 큰 혁신: 모든 이전 버전보다 10배 더 나은 성능을 제공하는 구조용 배터리

2021-06-18
주제:배터리 기술,Chalmers University of Technology,에너지,재료 과학,인기
2021년 3월 24일 CHALMERS 기술 대학



구조용 배터리 복합 재료는 리튬 이온 배터리만큼 많은 에너지를 저장할 수 없지만 차량 및 기타 응용 분야에서 사용하기에 매우 매력적인 몇 가지 특성을 가지고 있습니다. 배터리가 하중 지지 구조의 일부가 되면 배터리의 질량이 본질적으로 '사라집니다'. 출처: Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology.

Chalmers University of Technology의 연구원들은 모든 이전 버전보다 10배 더 나은 성능을 발휘하는 구조적 배터리를 생산했습니다. 그것은 전극, 도체 및 하중 지지 재료로 동시에 작용하는 탄소 섬유를 포함합니다. 그들의 최신 연구 혁신은 차량 및 기타 기술에서 본질적으로 "무대량" 에너지 저장을 위한 길을 열어줍니다.

오늘날 전기 자동차의 배터리는 하중 지지 기능을 수행하지 않고 차량 무게의 큰 부분을 차지합니다. 반면에 구조용 배터리는 전원 및 구조의 일부(예: 차체)로 작동하는 배터리입니다. 이것은 본질적으로 배터리의 무게가 하중 지지 구조의 일부가 될 때 사라지기 때문에 "무질량(massless)" 에너지 저장이라고 합니다. 계산에 따르면 이러한 유형의 다기능 배터리는 전기 자동차의 무게를 크게 줄일 수 있습니다.

Chalmers University of Technology의 구조적 배터리 개발은 특정 유형의 탄소 섬유와 관련된 이전 발견을 포함하여 다년간의 연구를 통해 진행되었습니다. 뻣뻣하고 강할 뿐만 아니라 전기 에너지를 화학적으로 저장하는 능력도 뛰어납니다. 이 작업은 Physics World에서 2018년 10대 과학 혁신 중 하나로 선정했습니다.

구조용 배터리를 만들기 위한 첫 번째 시도는 2007년 초에 이루어졌지만 지금까지 우수한 전기적 및 기계적 특성을 모두 갖춘 배터리를 제조하는 것은 어려운 것으로 나타났습니다.



Chalmers 복합 연구실에서 새로 제조된 구조 배터리 셀을 가지고 있는 Johanna Xu 박사가 Leif Asp에게 이를 보여줍니다. 전지는 탄소 섬유 전극과 유리 섬유 직물로 분리된 인산철 리튬 전극으로 구성되며, 모두 기계적 및 전기적 기능을 결합하기 위한 구조적 배터리 전해질이 함침되어 있습니다. 3개의 구조 배터리가 직렬로 연결되어 더 큰 복합 라미네이트의 일부로 라미네이트되었습니다. 각 구조적 배터리 셀의 공칭 전압은 2.8V입니다. 라미네이트의 총 전압은 8.4V이고 평면의 강성은 28GPa를 약간 넘습니다. 출처: Marcus Folino, Chalmers 공과대학교.

그러나 이제 이 개발은 스톡홀름의 KTH 왕립 공과 대학과 공동으로 Chalmers의 연구원들과 함께 전기 에너지 저장, 강성 및 강도 측면에서 지금까지 볼 수 없었던 특성을 훨씬 능가하는 구조 배터리를 제시함으로써 실질적인 진전을 이루었습니다. . 다기능 성능은 이전의 구조적 배터리 프로토타입보다 10배 더 높습니다.

배터리의 에너지 밀도는 24Wh/kg으로 현재 사용 가능한 유사한 리튬 이온 배터리와 비교하여 약 20% 용량을 의미합니다. 그러나 차량의 무게를 크게 줄일 수 있기 때문에 예를 들어 전기 자동차를 운전하는 데 필요한 에너지가 줄어들고 에너지 밀도가 낮으면 안전성도 높아집니다. 그리고 25GPa의 강성으로 구조용 배터리는 일반적으로 사용되는 다른 많은 건축 자재와 경쟁할 수 있습니다.

"구조적 배터리를 만들기 위한 이전의 시도는 우수한 기계적 특성 또는 우수한 전기적 특성을 갖는 전지를 생성했습니다. 그러나 여기에서 탄소 섬유를 사용하여 경쟁력 있는 에너지 저장 용량과 강성을 모두 갖춘 구조 배터리를 설계하는 데 성공했습니다.”라고 Chalmers 교수이자 프로젝트 리더인 Leif Asp가 설명합니다.



초경량 전기 자전거 및 소비자 전자 제품이 곧 현실이 될 수 있습니다.

새 배터리는 탄소섬유로 만든 음극과 인산철리튬이 코팅된 알루미늄박으로 만든 양극으로 구성됐다. 그들은 전해질 매트릭스에서 유리 섬유 직물로 분리됩니다. 이전의 모든 배터리보다 10배 더 나은 구조적 배터리를 만드는 데 성공했음에도 불구하고 연구원들은 기록을 깨기 위해 재료를 선택하지 않고 재료 구조와 분리막 두께의 영향을 조사하고 이해하기를 원했습니다.

이제 스웨덴 국립 우주국(Swedish National Space Agency)의 자금 지원을 받아 구조용 배터리의 성능이 더욱 향상될 새로운 프로젝트가 진행 중입니다. 알루미늄 호일은 양극의 하중 지지 재료로 탄소 섬유로 대체되어 강성과 에너지 밀도를 증가시킵니다. 유리 섬유 분리기는 초박형 변형으로 교체되어 훨씬 더 큰 효과와 더 빠른 충전 주기를 제공합니다. 새 프로젝트는 2년 이내에 완료될 것으로 예상됩니다.

이 프로젝트를 이끌고 있는 Leif Asp는 이러한 배터리가 75Wh/kg의 에너지 밀도와 75GPa의 강성에 도달할 수 있다고 추정합니다. 이렇게 하면 배터리가 알루미늄만큼 강하지만 상대적으로 훨씬 더 가볍습니다.



Leif Asp, Chalmers University of Technology 산업 및 재료 과학부 교수. 그는 2010년 구조용 배터리에 대한 첫 번째 논문을 발표했으며 이제 이전의 구조용 배터리 프로토타입보다 10배 더 높은 다기능 성능을 시연하는 데 성공했습니다. 출처: Marcus Folino, Chalmers 공과대학교.

“차세대 구조 배터리는 환상적인 잠재력을 가지고 있습니다. 소비자 기술을 살펴보면 무게가 오늘날의 절반에 불과하고 훨씬 더 작은 스마트폰, 노트북 또는 전기 자전거를 제조하는 것이 몇 년 안에 상당히 가능할 수 있다고 Leif Asp는 말합니다.
그리고 장기적으로 전기 자동차, 전기 비행기 및 위성이 구조적 배터리로 설계되고 전원이 공급될 것이라는 것은 절대적으로 생각할 수 있습니다.

“여기서 우리는 상상만으로도 한계가 있습니다. 우리는 해당 분야의 과학 기사 출판과 관련하여 다양한 유형의 회사에서 많은 관심을 받았습니다. 이러한 경량의 다기능 재료에 상당한 관심이 있는 것은 당연합니다.”라고 Leif Asp는 말합니다.

참조: Leif E. Asp, Karl Bouton, David Carlstedt, Shanghong Duan, Ross Harnden, Wilhelm Johannisson, Marcus Johansen, Mats KG Johansson, Göran Lindbergh, Fang Liu, Kevin Peuvot의 "A Structural Battery and its Multifunctional Performance" , Lynn M. Schneider, Johanna Xu 및 Dan Zenkert, 2021년 1월 27일, 고급 에너지 및 지속 가능성 연구.
DOI: 10.1002/aesr.202000093

추가 정보: 구조 배터리에 대한 연구
구조용 배터리는 음극으로 탄소 섬유를 사용하고 양극으로 리튬 인산철 코팅 알루미늄 호일을 사용합니다. 탄소 섬유는 리튬의 호스트 역할을 하여 에너지를 저장합니다. 탄소 섬유는 전자도 전도하기 때문에 구리 및 은 전도체도 필요하지 않아 무게를 더욱 줄일 수 있습니다. 탄소 섬유와 알루미늄 호일은 구조 배터리의 기계적 특성에 기여합니다. 두 전극 재료는 구조적 전해질 매트릭스에서 유리 섬유 직물로 분리되어 유지됩니다. 전해질의 임무는 배터리의 두 전극 사이에서 리튬 이온을 운반하는 것뿐만 아니라 탄소 섬유와 다른 부품 사이에 기계적 부하를 전달하는 것입니다.

이 프로젝트는 Chalmers University of Technology와 스웨덴의 두 개의 가장 큰 기술 대학인 KTH Royal Institute of Technology가 공동으로 운영합니다. 배터리 전해질은 KTH에서 개발되었습니다. 이 프로젝트에는 재료 역학, 재료 공학, 경량 구조, 응용 전기 화학, 섬유 및 고분자 기술의 5가지 다른 분야의 연구원이 참여합니다. 자금은 유럽 위원회의 연구 프로그램인 Clean Sky II와 미공군에서 나왔습니다.