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공업화학 전망, 제23권 제6호, 2020
중국과학 기술대학 연구팀: 인 복합체 음극 이용, 몇 분 안에 충전되며 오래 지속되는 전기 자동차용 고속 충전 배터리 개발
매년 전기차의 주행 거리가 늘어나지만, 배터리를 재충전하는 데 걸리는 시간은 점점 길어지고 있다. 최 근 중국과학 기술대학의 Hengxing Ji 교수와 동료 연구자들은 2D 흑린을 기반으로 한 배터리 전극이 600 마일 동안 자동차에 전력을 공급하고, 10분 이내에 충전할 수 있는 배터리를 만드는 데 사용될 수 있다고 보고했다. 오늘날 전기 자동차 배터리에 사용되는 배터리 소재는 높은 에너지 밀도, 높은 리튬이온 이동도 및 긴 배터리 안정성이 필요하다. 이 세 가지 지표를 모두 최대화하는 배터리 개발이 필요하나, 일반적으로 하나의 특성을 개선하는 것은 다른 특성의 희생을 수반한다.
배터리 연구진들은 전기 자동차의 주행 거리를 확장해야 하는 필요성을 우선시하여 배터리 양극을 개선 에 수년을 보냈고, 최근 음극재와 충전속도로 초점이 이동되었다. 현재 사용하고 있는 흑연은 낮은 리튬 이 온의 이동도로 인해 충전속도가 늦고, 리튬을 많이 보유할 수 없으므로 에너지 밀도가 낮다. UCLA의 Ji, Xiangfeng Duan과 동료들은 새로운 음극인 흑린을 제안했다. 전도성이 높은 본 재료는 실리콘과 마찬가지 로 에너지 밀도는 상당히 높지만 충전 중에 다량의 리튬 이온을 흡수하기 때문에 급격히 부풀어 오르고 결 국 외부 응력에 의해 성능이 퇴화된다. 따라서 Ji 교수는 지금까지 만들어진 다양한 흑색 인 기반 음극은 아직 재료의 잠재력을 충족시키지 못했다고 한다.
최근 John B. Goodenough 교수와 동료들은 폴리아닐린 젤로 코팅된 흑린과 흑연 복합체 기반으로 음 극을 만들었으나, 일반적으로 나노플레이크 형태의 흑린 입자는 가장자리가 변형되는 경향이 있어 리튬 이 온의 이동을 방해한다. 그러나 Ji 교수팀이 개발한 물질은 흑린과 탄소 원자 사이의 공유 결합으로 인해 더 강한 구조를 갖고서 이온 수송을 용이하게 하고, 폴리아닐린은 전해질을 흡수해 음극에 얇고 안정적인 보 호층을 형성한다. 또한, 리튬과 같은 전도성이 낮은 무기물의 형성과 축적을 방지하고, 음극재의 충방전중 의 부피 변화를 억제했다.
새로 개발된 음극을 기반으로 기존 양극재를 이용해, 배터리에서 테스트를 한 결과, 13 A/g의 높은 전류 밀도에서 500 mAh/g의 충전 용량을 보였으며 2000번 충전 사이클 후에도 이 용량의 90%를 유지했다. 또 한, 본 재료는 몇 분 만에 충전되는 리튬 이온 배터리의 제작으로 이어질 수 있으며, 현재 최고의 배터리의 수준보다 50% 높은 에너지 밀도를 제공해, 한번 충전 시 600마일까지 주행할 수 있다. 새로운 음극재에 대해 Drexel 대학의 재료공학자인 Yury Gogotsi 교수는 “흑린은 흑연이나 실리콘에 비해 제조하기가 더 어렵다. 즉, 실용적인 배터리 셀 제조를 위해서 그와 매칭되는 고전
류밀도 양극의 개발이 어려울 수 있습니다.”라고 한다. 그럼에도 불 구하고, Gogotsi 교수는 “본 연구는 실리콘 기반 음극에 대한 대안 으로서 스마트 엔지니어링을 보여줍니다. ”라고 했다.
본 연구성과는 AAAS 출판 그룹의 Science 온라인판에 게재되었 다(Science, 2020, DOI: 10.1126/ science.aav5842).
출처: Chemical & Engineering News (October 9, 2020) (https://cen.acs.
org/energy/energy-storage/Electrodeenable-electric-cars-charge/
98/web/2020/10) 작성: 손 희 상 (광운대학교)
Figure. 폴리아닐린(파란색)으로 코팅된
