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이상적인 배터리를 위한 무질서 만들기: 무질서하지만 고도로 대칭적인 구조

2021-06-16
주제:
배터리 기술, 분자 물리학, University of Geneva
2020년 10월 12일 제네바 대학교



붕산염 결정에서 나트륨 이온 확산의 3차원 표면. 이 새로운 재료는 무질서하면서도 고도로 대칭적인 구조를 형성하여 상업용 배터리의 리튬과 유사한 나트륨의 이동성을 허용합니다. 크레딧: © UNIGE/Brighi

지정학적으로 안정적인 자원을 사용하는 더 안전하고 강력한 배터리를 제조하려면 고체 전해질과 리튬을 나트륨으로 대체해야 합니다. 화학 솔루션은 현재 배터리 개발자에게 제공되고 있습니다.

전자 장치 및 전기 자동차에 전원을 공급하는 리튬 배터리에는 여러 가지 단점이 있습니다. 전해질(전자와 양전하가 전극 사이를 이동할 수 있게 하는 매체)은 가연성 액체입니다. 게다가 리튬은 주요 지정학적 문제의 초점인 제한된 자원입니다.

UNIGE(University of Geneva)의 결정학 전문가들은 실온에서 작동하는 불연성 고체 전해질을 개발했습니다. 그것은 리튬 대신 지구상의 모든 곳에서 발견되는 나트륨을 수송합니다. 더 강력한 배터리를 제조할 수 있음을 의미하는 성공적인 조합입니다.

이러한 "이상적인" 배터리의 특성은 붕소와 수소로 구성된 붕산수소산염인 전해질의 결정 구조를 기반으로 합니다. UNIGE 연구팀은 배터리 개발자를 위한 고체 전해질 제조 전략이 포함된 실제 도구 상자를 Cell Reports Physical Science 저널에 게재했습니다.

에너지를 저장하는 문제는 지속 가능성 이니셔티브에서 매우 중요합니다. 실제로 온실 가스를 배출하지 않는 전기 자동차의 개발은 강력하고 안전한 배터리의 존재에 달려 있습니다. 마치 태양열과 풍력과 같은 재생 에너지의 개발이 에너지 저장 용량에 달려 있는 것과 같습니다. 리튬 배터리는 이러한 문제에 대한 현재의 해답입니다. 불행히도 리튬은 액체 전해질이 필요하며 누출 시 폭발성이 높습니다. “더군다나 리튬은 지구상의 모든 곳에서 발견되지 않으며 석유를 둘러싸고 있는 것과 유사한 지정학적 문제를 야기합니다. 나트륨은 리튬에 가까운 화학적 및 물리적 특성을 갖고 모든 곳에서 발견되기 때문에 이를 대체하기에 좋은 후보라고 UNIGE 과학부의 박사후 연구원인 Fabrizio Murgia는 주장합니다.

너무 높은 온도

나트륨과 리튬이라는 두 원소는 주기율표에서 서로 가까이에 있습니다. “문제는 나트륨이 사촌 리튬보다 무겁다는 것입니다. 이는 배터리 전해질에서 이동하는 데 어려움이 있음을 의미합니다.”라고 UNIGE의 박사후 연구원이자 이 연구의 첫 번째 저자인 Matteo Brighi가 덧붙입니다. 따라서, 나트륨과 같은 양이온을 수송할 수 있는 전해질의 개발이 필요하다. 2013년과 2014년에 일본과 미국의 연구 그룹은 붕산수소산염을 120°C 이상에서 좋은 나트륨 전도체로 확인했습니다. 언뜻 보기에 이것은 일상적인 배터리 사용에 대한 과도한 온도입니다. 그러나 Geneva 연구소에게는 신의 선물입니다!
수소 저장과 같은 응용 분야에 사용되는 붕산수소산염에 대한 수십 년의 전문 지식을 바탕으로 Geneva 결정학자들은 전도 온도를 낮추기 위한 작업에 착수했습니다. “배터리와 호환되는 우수한 특성으로 매우 좋은 결과를 얻었습니다. 상온에서 섭씨 250도까지 안전 문제 없이 붕산수소산염을 전해질로 사용하는 데 성공했습니다. 게다가, 더 높은 전위차에 저항하기 때문에 배터리가 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.”라고 UNIGE의 결정학 연구소 교수이자 프로젝트 리더인 Radovan Cerny가 말합니다.

해결책: 장애

광물학, 물리학, 화학 사이에 위치한 과학인 결정학은 화학 물질의 구조를 분석 및 이해하고 그 특성을 예측하는 데 사용됩니다. 결정학 덕분에 재료를 설계할 수 있습니다. 이 결정학적 접근 방식은 제네바에 기반을 둔 3명의 연구원이 발표한 제조 전략을 구현하는 데 사용되었습니다. "우리 기사는 붕수소산염을 생성하고 파괴하는 데 사용할 수 있는 구조의 예를 제공합니다."라고 Murgia는 말합니다. 붕산수소산염의 구조는 붕소 구체와 음전하를 띤 수소가 나타나도록 합니다. 이 구형 공간은 양전하를 띤 나트륨 이온이 통과할 수 있는 충분한 공간을 남깁니다. "그렇지만 음전하와 양전하가 서로 끌어당기기 때문에 구조에 무질서를 생성하여 붕산수소산염을 파괴하고 나트륨이 이동할 수 있도록 해야 합니다."라고 Brighi는 말합니다.

참조: Matteo Brighi, Fabrizio Murgia 및 Radovan ÄŒerný의 "신종 상온 고체 전해질로서의 클로소-하이드로보레이트 나트륨 염", 2020년 10월 7일, Cell Reports Physical Science.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100217

이 기사는 배터리 개발자를 위해 설계된 툴킷입니다. 더 안정적이고 더 강력한 차세대 배터리를 제공해야 합니다. 스위스는 뒤벤도르프에서 UNIGE와 EMPA 간의 긴밀한 협력 덕분에 진정한 전문 지식의 고향입니다. 두 기관은 현재 2019년에 출시된 3V보다 더 강력할 견고한 4V 나트륨 배터리를 만들기 위해 노력하고 있습니다. 정통 Made in Switzerland 제품!