연구는 우리가 매일 사용하는 배터리를 보다 탄력 있고 강력하며 안전하게 만드는 방법을 발견했습니다.
올해는 2018년이고 우리의 일상생활은 이제 전기 또는 배터리에. 배터리로 작동되는 장치 및 장치에 대한 의존도가 엄청나게 증가하고 있습니다. ㅏ 배터리 전기로 변환되는 화학 에너지를 저장하는 장치입니다. 배터리는 외부 장치를 통해 흐르는 에너지로 가득 찬 전자를 생성하는 반응을 하는 미니 화학 반응기와 같습니다. 휴대폰, 노트북, 기타 전기 자동차 등 배터리(일반적으로 리튬 이온)는 이러한 기술의 주요 전원입니다. 기술이 계속 발전함에 따라 보다 작고, 고용량이며, 안전한 2차 전지에 대한 요구가 지속적으로 제기되고 있습니다.
배터리는 길고 영광스러운 역사를 가지고 있습니다. 미국 과학자 Benjamin Franklin은 1749년 연결된 커패시터 세트를 사용하여 전기 실험을 수행하면서 "배터리"라는 용어를 처음 사용했습니다. 이탈리아 물리학자 알레산드로 볼타(Alessandro Volta)는 1800년 소금물에 적신 천으로 분리된 구리(Cu)와 아연(Zn) 디스크를 겹겹이 쌓아 최초의 배터리를 발명했습니다. 가장 오래 지속되고 가장 오래된 충전식 배터리 중 하나인 납산 배터리는 1859년에 발명되었으며 오늘날에도 자동차의 내연 기관을 비롯한 많은 장치에 사용됩니다.
배터리는 먼 길을 왔고 오늘날에는 큰 메가와트 크기에서 다양한 크기로 제공되므로 이론상으로는 태양열 발전소의 전력을 저장하고 미니 도시를 밝힐 수 있거나 전자 시계에 사용되는 것만큼 작을 수 있습니다. , 놀랍지 않습니까. 일차 전지라고 하는 것에서 전자의 흐름을 생성하는 반응은 되돌릴 수 없으며 결국 반응물 중 하나가 소모되면 전지가 방전되거나 죽습니다. 가장 일반적인 XNUMX차 전지는 아연-탄소 전지입니다. 이러한 XNUMX차 배터리는 큰 문제였으며 이러한 배터리 폐기를 처리하는 유일한 방법은 재사용할 수 있는 방법을 찾는 것이었습니다. 즉, 충전식으로 만드는 것입니다. 배터리를 새 것으로 교체하는 것은 분명히 비실용적이었습니다. 강한 그리고 그것을 교체하고 폐기하는 데 드는 비용은 말할 것도 없이 엄청나게 커졌습니다.
니켈-카드뮴 배터리(NiCd)는 알칼리를 전해질로 사용한 최초의 인기 있는 충전식 배터리였습니다. 1989년에는 NiCd 배터리보다 수명이 긴 니켈-금속 수소 배터리(NiMH)가 개발되었습니다. 그러나 여기에는 몇 가지 단점이 있었는데, 특히 최대 속도로 충전했을 때 과충전 및 과열에 매우 민감하다는 점이었습니다. 따라서 손상을 방지하기 위해 천천히 조심스럽게 충전해야 했고, 간단한 충전기로 충전하려면 더 오랜 시간이 필요했습니다.
1980년에 발명된 리튬이온 배터리(LIB)는 소비자 가전에서 가장 일반적으로 사용되는 배터리입니다. 전자 오늘 장치. 리튬은 가장 가벼운 원소 중 하나이며 가장 큰 전기화학적 전위를 가지고 있으므로 이 조합은 배터리 제조에 이상적으로 적합합니다. LIB에서는 리튬 이온이 소금과 전해질로 이루어진 전해질을 통해 서로 다른 전극 사이를 이동합니다. 유기적인 용매(대부분의 전통적인 LIB에서). 이론적으로 리튬 금속은 전기적으로 가장 양극인 금속으로 매우 높은 용량을 가지며 배터리에 가장 적합한 선택입니다. LIB는 충전이 잘 되지 않으면 양으로 대전된 리튬이온이 리튬금속으로 변합니다. 따라서 LIB는 긴 수명과 높은 용량으로 인해 모든 종류의 휴대용 기기에 사용되는 이차전지로 가장 널리 사용되고 있습니다. 그러나 한 가지 큰 문제는 전해질이 쉽게 증발하여 배터리에 단락이 발생하고 이로 인해 화재가 발생할 수 있다는 것입니다. 실제로 LIB는 시간이 지남에 따라 리튬 배치가 불균일해지기 때문에 실제로 불안정하고 비효율적입니다. 또한 LIB는 충전 및 방전 속도가 낮고 안전 문제로 인해 전기 및 하이브리드 전기 자동차와 같은 많은 고전력 및 고용량 기계에 사용할 수 없습니다. LIB는 매우 드물게 우수한 용량과 보유율을 보이는 것으로 보고되었습니다.
따라서 최근 몇 년 동안 많은 배터리가 발화하고 신뢰할 수 없으며 때로는 비효율적이기 때문에 안전하지 않은 것으로 표시되어 배터리 세계에서 모든 것이 완벽하지는 않습니다. 전 세계의 과학자들은 작고 안전하게 충전할 수 있으며 더 가볍고 더 탄력적이며 동시에 더 강력한 배터리를 구축하기 위해 노력하고 있습니다. 따라서 잠재적인 대안으로 고체 전해질로 초점이 옮겨졌습니다. 이것을 목표로 유지하는 많은 옵션이 과학자들에 의해 시도되었지만 안정성과 확장성은 대부분의 연구에서 장애물이었습니다. 고분자 전해질은 안정적일 뿐만 아니라 유연하고 저렴하기 때문에 주요 잠재력을 보여 왔습니다. 불행히도, 이러한 고분자 전해질의 주요 문제는 열악한 전도성과 기계적 특성입니다.
ACS에 발표된 최근 연구에서 나노 편지, 연구원 나노와이어를 추가하면 배터리의 안전성과 기타 여러 특성을 향상시켜 배터리를 더욱 우수하게 만들 수 있음을 보여주었습니다. 중국 절강공과대학 재료과학공학부 연구진은 우수한 기계적 특성과 전도성을 나타내는 붕산마그네슘 나노와이어를 만든 이전 연구를 기반으로 했습니다. 현재 연구에서 그들은 이러한 상황이 배터리에도 적용되는지 확인했습니다. 나노와이어 고체 상태의 고분자 전해질에 첨가됩니다. 고체 전해질을 붕산마그네슘 나노와이어 5, 10, 15 및 20 중량과 혼합하였다. 나노와이어는 이전에 나노와이어가 없는 것과 비교할 때 배터리를 더 견고하고 탄력 있게 만드는 고체 상태 고분자 전해질의 전도도를 증가시키는 것으로 나타났습니다. 전도도의 이러한 증가는 전해질을 통과하고 이동하는 이온 수가 훨씬 더 빠른 속도로 증가했기 때문입니다. 전체 설정은 배터리와 같았지만 나노와이어가 추가되었습니다. 이는 일반 배터리에 비해 더 높은 성능 속도와 증가된 사이클을 보여주었다. 가연성에 대한 중요한 테스트도 수행되었으며 배터리가 타지 않는 것으로 나타났습니다. 휴대 전화 및 랩톱과 같이 오늘날 널리 사용되는 휴대용 응용 프로그램은 최대 및 가장 작은 저장 에너지로 업그레이드해야 합니다. 이것은 분명히 격렬한 방전의 위험을 증가시키며 필요한 배터리의 작은 형식 때문에 그러한 장치에 대해 관리할 수 있습니다. 그러나 배터리의 더 큰 응용 프로그램이 설계되고 시도됨에 따라 안전, 내구성 및 전력이 가장 중요하게 여겨집니다.
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출처
Sheng O et al. 2018. Mg2B2O5 나노와이어는 높은 이온 전도도, 우수한 기계적 특성 및 난연 성능을 가진 다기능 고체 전해질을 가능하게 했습니다. 나노 문자. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
