당신의 다음 배터리는 종이에 인쇄될 수 있습니다

공급망 혼란이 반도체에서 시작해 다양한 상품으로 확산되는 것처럼 보입니다. 지정학적 사건들로 인해 상품 및 천연 자원 가격이 많이 변동하고, 전기차에 대한 수요가 증가함에 따라, 세계는 2025년까지 리튬 부족을 겪을 수 있다고 합니다(국제에너지기구의 평가에 따르면). 리튬 수요가 증가함에 따라, 학계 및 산업계의 연구자들은 이러한 도전을 극복하기 위해 대체 배터리 재료를 연구하고 있습니다.

가장 흥미로운 개발 중 하나는 스위스 연방 재료과학기술연구소(Empa)의 연구자들에 의해 이루어졌습니다. 연구 결과는 최근 네이처호에 발표되었습니다. 그들은 종이 한 장에 인쇄할 수 있는 혁신적인 수성 활성 배터리 재료를 발표했습니다. 이론적으로, 이 전기화학적 활성 재료는 플라스틱과 같은 유연한 절연체를 포함한 어떤 기판 재료에도 인쇄될 수 있습니다.

물론 아무도 전기차에 종이 배터리 사용을 제안하는 것은 아니지만, 이 재료는 단일 셀에서 최대 1.2V(니켈-수소 배터리 화학과 비교 가능)를 출력할 수 있습니다. 따라서, 이러한 유형의 재료 스택은 손에 들고 다니는 전자기기나 다른 소형 장치를 위한 소형 일회용 배터리로 사용될 수 있습니다. 이것이 리튬 부족에 대한 마법의 해결책은 아니지만, 이러한 대체 재료는 리튬을 전기차와 같은 훨씬 중요한 분야로 전환할 수 있게 할 수 있습니다.

잉크 기반 배터리 재료

Empa의 연구자들이 개발한 재료는 실제로 그라파이트, 카본 블랙, 아노드로서의 아연, 그리고 소금을 포함하는 탄소 기반 층상 재료입니다. 탄소-소금 기반 화학은 아래에 설명된 대로 물을 적용함으로써 활성화될 수 있습니다. 이 배터리 재료의 층상 구조는 아래 그래픽에서 보여집니다.

그라파이트 + 카본 블랙의 상단 및 하단 층은 배터리의 전기화학 반응에 참여하는 활성 층으로 작용합니다. 소금으로 코팅되어 물에 노출될 때, 발생하는 전기화학 반응은 연결된 회로를 통해 전류가 흐르게 할 수 있습니다.

이 특정 발견은 실제 시스템으로서는 실행 가능하지 않으며, 단지 소형 전자기기를 작동시킬 수 있는 충분한 전력을 생산하는 새로운 화학의 시연에 불과합니다. 전력 출력이 니켈-수소 및 알칼라인 배터리와 호환되는 것은 재료가 전기화학적 관점에서 실행 가능함을 보여줍니다. 상업적 측면은 아래에서 설명하겠습니다.

이것이 우리가 모두 익숙한 표준 배터리 화학을 대체할 것인가요? 아마도 아니지만, 탄소 재료는 리튬 기반 화학에서 음극 재료로 사용되고 있으며, 전기화 시스템에 여러 이점을 제공합니다.

대체 재료 매력적이지만, 장기적인 전망

기존 화학물질(리튬 포함)을 완전히 대체할 대체 배터리 재료에 대한 연구가 진행 중이지만, 이 분야는 장기적인 과제이며 상용화로 가는 길은 위험으로 가득 차 있습니다. 따라서, 배터리 재료 산업은 화학적 구성을 변경하지 않으면서 배터리 작동을 개선하는 유사 재료의 사용을 포함한 배터리 디자인 개선에 초점을 맞추고 있습니다.

왜 배터리 화학변화에 대해 관심을 가져야 할까요? 지속 가능성과 전기화를 보장하여 수요를 충족시킬 수 있는 관점에서 볼 때, 리튬과 비교할 수 있는 대체 화학물질을 찾는 것은 매력적인 방법입니다. 문제는 상용화에서 발생합니다: 리튬 기반 및 기타 금속 기반 화학물질은 잘 이해되어 있으며 이미 안전성 측면에서 검증되었습니다. 이는 기본적인 리튬 기반 화학물질 위에 구축하는 것을 위험 및 책임 관점에서 매력적인 옵션으로 만듭니다. 새로운 화학물질이 개발되고 상용화로 가는 길이 있다면, 새로운 화학물질은 일정 수준의 규제 준수 및 고객에게 신뢰성 증명을 보여줄 필요가 있습니다.

이러한 이유로, 최근 배터리 산업 재료 개발자들 사이의 초점은 기존 배터리 디자인 내에서 점진적 개선을 위해 탄소 재료를 사용하는 것에 맞춰져 있습니다. 배터리 디자이너는 이러한 새로운 배터리 디자인에서 기존 배터리 제조, 테스트 및 품질 관리 지식을 활용할 수 있으며 여전히 탄소 기반 화학의 이점을 받을 수 있습니다.

기존 배터리 화학물질에서 사용되는 탄소 기반 재료의 주요 이점 중 일부는 다음과 같습니다:

리튬 이온 배터리를 개선하기 위해 개발되고 있는 주요 탄소 기반 재료 중 하나는 기능화된 흑연으로, 쉽게 제조되어 리튬 이온 배터리 시스템의 음극을 구축하는 데 사용될 수 있습니다. 또 다른 탄소 기반 재료는 축 방향으로의 높은 탄도 전하 전송으로 이점을 가진 탄소 나노튜브입니다. 배터리 시스템에 통합될 때, 이러한 재료는 이미 신뢰할 수 있는 배터리 화학에서 더 큰 충전/방전 속도와 용량을 제공합니다.

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