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리튬 이온 배터리보다 10배 더 빠르게 충전할 수 있는 새로운 유형의 배터리 개발

2021-06-16
주제:
배터리 기술,화학 공학,에너지,폴리머,인기,리튬 이온 배터리
By ST. Petersburg State University 2021년 4월 9일



새로운 폴리머의 화학식을 상징적으로 표현한 것입니다. 크레딧: Anatoliy A. Vereshchagin.

또한 잠재적인 화재 위험 측면에서 더 안전하고 환경에 미치는 영향이 적습니다.

리튬 이온 배터리가 없는 우리의 일상은 상상하기 어렵습니다. 휴대용 전자기기용 소형 배터리 시장을 장악하고 있으며 전기차에도 많이 사용된다. 동시에 리튬 이온 배터리에는 다음과 같은 심각한 문제가 있습니다. 뿐만 아니라 사용한 배터리 폐기의 상당한 환경 영향.

연구팀의 리더인 St Petersburg University Oleg Levin의 전기화학과 교수에 따르면, 화학자들은 전기화학적 에너지 저장을 위한 재료로서 산화환원 활성 니트록실 함유 폴리머를 탐구해 왔습니다. 이 폴리머는 높은 에너지 밀도와 빠른 산화환원 반응 속도론으로 인한 빠른 충방전 속도를 특징으로 합니다. 이러한 기술의 구현에 대한 한 가지 문제는 불충분한 전기 전도성입니다. 이는 탄소와 같은 전도성이 높은 첨가제를 사용해도 전하 수집을 방해합니다.

이 문제를 극복하기 위한 해결책을 찾기 위해 상트페테르부르크 대학의 연구원들은 니켈-살렌 복합체(NiSalen) 기반의 폴리머를 합성했습니다. 이 금속 중합체의 분자는 에너지 집약적인 니트록실 펜던트가 부착된 분자 와이어로 작용합니다. 재료의 분자 구조로 인해 넓은 온도 범위에서 높은 정전 용량 성능을 달성할 수 있습니다.



상트페테르부르크 대학교 전기화학과 교수 Oleg Levin. 크레딧: SPbU.

2016년에 이 소재의 개념을 내놓았습니다. 당시 기본 프로젝트인 '유기금속 고분자 기반 리튬이온전지용 전극소재' 개발에 착수했습니다. 이것은 러시아 과학 재단의 보조금으로 지원되었습니다. 이 종류의 화합물에서 전하 수송 메커니즘을 연구할 때 우리는 두 가지 주요 개발 방향이 있음을 발견했습니다. 첫째, 이러한 화합물은 기존의 리튬 이온 배터리 재료로 만들어진 배터리의 주 도체 케이블을 덮는 보호 층으로 사용할 수 있습니다. 둘째, 전기화학적 에너지 저장 물질의 활성 성분으로 사용될 수 있다고 Oleg Levin은 설명합니다.

폴리머는 개발하는 데 3년 이상이 걸렸습니다. 첫 해에 과학자들은 새로운 재료의 개념을 테스트했습니다. 개별 구성요소를 결합하여 전기 전도성 백본과 산화환원 활성 니트록실 함유 펜던트를 시뮬레이션했습니다. 구조의 모든 부분이 함께 작동하고 서로를 강화하는지 확인하는 것이 필수적이었습니다. 다음 단계는 화합물의 화학적 합성이었습니다. 프로젝트에서 가장 도전적인 부분이었습니다. 일부 구성 요소는 매우 민감하고 과학자의 작은 실수에도 샘플이 저하될 수 있기 때문입니다.

얻은 여러 폴리머 표본 중에서 하나만이 충분히 안정적이고 효율적인 것으로 밝혀졌습니다. 새로운 화합물의 주쇄는 니켈과 살렌 리간드의 착물에 의해 형성됩니다. 빠른 산화 및 환원(충전 및 방전)이 가능한 안정한 자유 라디칼은 공유 결합을 통해 주쇄에 연결되어 있습니다.

"당사의 폴리머를 사용하여 제조된 배터리는 기존 리튬 이온 배터리보다 약 10배 빠른 속도로 몇 초 만에 충전됩니다. 이것은 이미 일련의 실험을 통해 입증되었습니다. 그러나 현 단계에서는 여전히 용량 면에서 뒤쳐져 리튬이온 배터리보다 30~40% 낮다. 우리는 현재 충방전 속도를 유지하면서 이 지표를 개선하기 위해 노력하고 있습니다.”라고 Oleg Levin은 말합니다.

새 배터리의 음극은 화학 전류 소스에 사용하기 위한 양극으로 제작되었습니다. 이제 음극, 즉 양극이 필요합니다. 사실 처음부터 만들 필요는 없으며 기존 항목에서 선택할 수 있습니다. 함께 짝을 이루면 일부 지역에서는 곧 리튬 이온 배터리를 대체할 수 있는 시스템이 형성될 것입니다.

'새로운 배터리는 낮은 온도에서 작동할 수 있으며 급속 충전이 중요한 곳에서 탁월한 선택이 될 것입니다. 오늘날 널리 사용되는 코발트 기반 배터리와 달리 연소 위험을 초래할 수 있는 것은 없습니다. 또한 환경에 해를 끼칠 수 있는 금속이 훨씬 적습니다. 니켈은 폴리머에 소량으로 존재하지만 리튬 이온 배터리보다 훨씬 적습니다.”라고 Oleg Levin은 말합니다.

참조: Anatoliy A. Vereshchagin, Daniil A. Lukyanov 박사, Ilia R. Kulikov의 "The Fast and Capacious: A [Ni(Salen)]" TEMPO Redox - Conducting Polymer for Organic Batteries", Naitik A. Panjwani 박사, Elena A. Alekseeva 박사, Jan Behrends 교수 및 Oleg V. Levin 교수, 2020년 11월 17일, 배터리 및 슈퍼캡.
DOI: 10.1002/batt.202000220