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Mar 27, 2023

과학자들이 새로운 유형의 배터리를 발명하다

비엔나 공과 대학 2023년 5월 15일 TU의 배터리 프로토타입

비엔나 공과대학교 2023년 5월 15일

TU Wien의 배터리 프로토타입. 크레딧: TU Wien

TU Wien(비엔나)의 연구원들은 뛰어난 내구성을 자랑하고 희귀 원소가 필요 없으며 화재 위험 문제를 해결하는 획기적인 산소 이온 배터리를 개발했습니다.

리튬 이온 배터리는 오늘날 세계에서 흔히 볼 수 있는 배터리(전기 자동차부터 스마트폰까지 모든 장치에 전원을 공급함)가 반드시 모든 애플리케이션에 최적의 솔루션인 것은 아닙니다. TU Wien의 연구원들은 몇 가지 중요한 이점을 제공하는 산소 이온 배터리를 개발하여 획기적인 발전을 이루었습니다. 리튬이온 배터리의 에너지 밀도에는 미치지 못하더라도 저장 용량은 시간이 지나도 되돌릴 수 없을 정도로 감소하지 않으므로 재생이 가능하므로 수명이 매우 길어집니다.

더욱이, 산소 이온 배터리 제조에는 부족한 원소가 필요하지 않으며 불연성 재료가 사용됩니다. 혁신적인 배터리 개념은 이미 스페인의 파트너와 협력하여 특허 출원으로 이어졌습니다. 이러한 산소 이온 배터리는 재생 가능한 에너지원으로부터 전기 에너지를 유지하는 데 필요한 대규모 에너지 저장 시스템에 탁월한 솔루션을 제공할 수 있습니다.

"우리는 꽤 오랫동안 연료 전지에 사용할 수 있는 세라믹 재료에 대해 많은 경험을 갖고 있습니다."라고 TU Wien 화학 기술 및 분석 연구소의 Alexander Schmid는 말했습니다. "그것은 우리에게 그러한 물질이 배터리 제조에 적합한지 여부를 조사하는 아이디어를 주었습니다."

TU Wien 팀이 연구한 세라믹 재료는 이중 음전하를 띤 산소 이온을 흡수하고 방출할 수 있습니다. 전압이 가해지면 산소 이온이 한 세라믹 재료에서 다른 세라믹 재료로 이동한 후 다시 다시 이동하여 전류를 생성할 수 있습니다.

Jurgen Fleig 교수, Tobias Huber, Alexander Schmid(왼쪽에서 오른쪽으로). 크레딧: TU Wien

"기본 원리는 실제로 리튬 이온 배터리와 매우 유사합니다"라고 Jurgen Fleig 교수는 말합니다. "그러나 우리 재료에는 몇 가지 중요한 장점이 있습니다." 세라믹은 가연성이 아니므로 리튬 이온 배터리에서 자주 발생하는 화재 사고가 실질적으로 배제됩니다. 또한, 값이 비싸거나 환경에 유해한 방법으로만 추출할 수 있는 희귀 원소가 필요하지 않습니다.

Tobias Huber는 "이러한 점에서 세라믹 재료를 사용하는 것은 매우 잘 적응할 수 있다는 점에서 큰 이점입니다."라고 말합니다. "구하기 어려운 특정 요소를 비교적 쉽게 다른 요소로 대체할 수 있습니다." 배터리의 프로토타입은 여전히 ​​란타늄을 사용합니다. 이는 아주 희귀하지는 않지만 완전히 흔하지도 않은 원소입니다. 하지만 란타늄마저도 더 저렴한 것으로 대체될 예정이며, 이에 대한 연구가 이미 진행 중입니다. 많은 배터리에 사용되는 코발트나 니켈은 전혀 사용되지 않습니다.

그러나 아마도 새로운 배터리 기술의 가장 중요한 장점은 잠재적인 수명일 것입니다. Alexander Schmid는 "많은 배터리에서는 어느 시점에서 전하 캐리어가 더 이상 움직일 수 없다는 문제가 있습니다"라고 말했습니다. "그러면 더 이상 전기를 생산하는 데 사용할 수 없으며 배터리 용량이 감소합니다. 여러 번 충전하면 심각한 문제가 될 수 있습니다."

그러나 산소 이온 배터리는 아무런 문제 없이 재생될 수 있습니다. 부반응으로 인해 산소가 손실되면 주변 공기의 산소로 손실을 간단히 보상할 수 있습니다.

산소 이온 배터리는 리튬 이온 배터리에 사용되는 에너지 밀도의 약 1/3만 달성하고 200~400°C 사이의 온도에서 작동하기 때문에 새로운 배터리 개념은 스마트폰이나 전기 자동차용으로 고안되지 않았습니다. 하지만 이 기술은 에너지 저장에 있어 매우 흥미롭습니다.

Alexander Schmid는 "예를 들어 태양 에너지 또는 풍력 에너지를 임시로 저장하기 위해 대규모 에너지 저장 장치가 필요한 경우 산소 이온 배터리가 탁월한 솔루션이 될 수 있습니다."라고 말했습니다. "에너지 저장 모듈로 가득 찬 건물 전체를 건설하는 경우 에너지 밀도가 낮고 작동 온도가 높다는 것이 결정적인 역할을 하지 않습니다. 하지만 여기서는 배터리의 강점이 특히 중요합니다. 긴 수명, 대용량 생산 가능성 희귀 원소가 포함되지 않은 이러한 물질의 양과 이러한 배터리에는 화재 위험이 없다는 사실입니다."