친환경 전력 급증: 도쿄의 코발트 프리 배터리 기술 혁신

[이매진]

친환경 전력 급증: 도쿄의 코발트 프리 배터리 기술 혁신

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Green Power Surge: Tokyo’s Breakthrough in Cobalt-Free Battery Tech

작성자: 도쿄대학교 2023년 10월 19일

도쿄 대학 연구진은 다양한 전기화학 공정에 잠재적으로 응용할 수 있는 더 나은 성능과 수명을 제공하는 우수한 코발트 프리 리튬 이온 배터리 대안을 소개합니다.

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배터리에서 코발트를 대체하면 환경 및 사회적 영향을 피할 수 있습니다.

고용량의 안정적인 충전용 배터리는 많은 장치는 물론 운송 수단에서도 중요한 구성 요소입니다. 그들은 보다 친환경적인 세상으로 전환하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 생산에는 코발트를 포함하여 다양한 요소가 사용되며, 그 생산은 일부 환경, 경제 및 사회 문제에 기여합니다. 처음으로 도쿄 대학 연구진이 포함된 팀이 어떤 면에서 최첨단 배터리 화학을 능가할 수 있는 실행 가능한 코발트 대안을 제시했습니다. 또한 많은 수의 재충전 주기에도 살아남으며 기본 이론은 다른 문제에도 적용될 수 있습니다.

LIB의 편재성과 과제

아마도 당신은 노트북이나 스마트폰으로 이 글을 읽고 있을 것이고, 그렇지 않다면 적어도 그 중 하나를 소유하고 있을 것입니다. 각 장치 내부에는 리튬 이온 배터리(LIB)가 있습니다. 수십 년 동안 LIB는 휴대용 또는 모바일 전자 장치 및 기계에 전원을 공급하는 표준 방법이었습니다.

세계가 화석 연료에서 전환함에 따라 태양광 패널을 사용하는 사람들을 위한 전기 자동차 및 가정용 배터리에 사용하기 위한 중요한 단계로 간주됩니다. 그러나 배터리에 양극과 음극이 있는 것처럼 LIB에도 양극과 음극이 있습니다.

문제가 있고 희소한 코발트를 더 안전하고 더 풍부한 원소로 대체함으로써 연구원들은 현재 배터리의 일부 문제를 완화합니다. 추가 보너스로, 새로운 배터리 화학은 동일한 무게와 부피의 배터리에 대해 더 큰 에너지 밀도를 제공하므로 전기 자동차와 같은 응용 분야에 매우 유용할 수 있습니다. 출처: ©2023 Yamada et al. CC-BY-ND

우선, LIB는 사용 가능한 가장 전력 밀도가 높은 휴대용 전원 중 하나이지만 많은 사람들은 LIB가 더 큰 에너지 밀도를 제공하여 수명을 연장하거나 훨씬 더 까다로운 기계에 전력을 공급할 수 있기를 바랍니다. 또한 여러 번의 재충전 주기에도 견딜 수 있지만 시간이 지남에 따라 성능도 저하됩니다. 배터리가 더 많은 재충전 주기를 유지하고 용량을 더 오랫동안 유지할 수 있다면 모든 사람에게 더 좋을 것입니다. 그러나 아마도 현재 LIB의 가장 놀라운 문제는 구성에 사용되는 요소 중 하나에 있습니다.

코발트 딜레마

코발트는 LIB의 핵심 부품인 전극에 널리 사용된다. 모든 배터리는 비슷한 방식으로 작동합니다. 하나는 양극, 하나는 음극인 두 개의 전극은 외부 회로에 연결될 때 전해질이라고 불리는 곳에서 리튬 이온의 흐름을 촉진합니다. 그러나 코발트는 희귀한 원소입니다. 사실 매우 드물기 때문에 현재 이 물질의 주요 공급원은 콩고 민주 공화국에 위치한 일련의 광산뿐입니다. 이러한 광산이 환경에 미치는 영향과 아동 노동 착취를 포함한 노동 조건에 대해 수년에 걸쳐 많은 문제가 보고되었습니다. 공급 측면에서도 지역 내 정치·경제적 불안정으로 인해 코발트 공급원이 문제가 되고 있다.

화학시스템공학과 야마다 아츠오(Atsuo Yamada) 교수는 “리튬이온 배터리를 개선하기 위해 코발트 사용을 중단하려는 이유는 여러 가지가 있습니다.”라고 말했습니다. “우리에게 과제는 기술적인 문제이지만 그 영향은 환경, 경제, 사회, 기술에 영향을 미칠 수 있습니다. 우리는 리튬, 니켈, 망간, 실리콘 및 산소를 포함하여 전극에 원소의 새로운 조합을 사용하여 코발트에 대한 새로운 대안을 보고하게 되어 기쁘게 생각합니다. 이 모든 원소는 생산하고 작업하기에 훨씬 더 일반적이고 문제가 덜한 원소입니다.”

유망한 발전

야마다와 그의 팀이 만든 새로운 전극과 전해질은 코발트가 없을 뿐만 아니라 실제로 어떤 면에서 현재 배터리 화학을 개선합니다. 새로운 LIB의 에너지 밀도는 약 60% 더 높아 수명이 길어지고, 일반적인 LIB의 약 3.2~3.7V에 비해 4.4V를 전달할 수 있습니다. 그러나 가장 놀라운 기술 성과 중 하나는 재충전 특성을 개선한 것입니다. 새로운 화학 물질을 사용한 테스트 배터리는 1,000사이클(3년 동안 완전히 사용하고 충전하는 것을 시뮬레이션) 이상 완전히 충전 및 방전할 수 있었지만 저장 용량은 약 20%만 손실되었습니다.

“우리는 지금까지의 결과에 만족하지만 여기까지 오는 데 어려움이 없지는 않았습니다. 이는 배터리 수명을 크게 단축시킬 수 있는 새로운 배터리 화학의 초기 버전에서 발생하는 다양한 바람직하지 않은 반응을 억제하기 위한 노력이었습니다.”라고 Yamada는 말했습니다. “그리고 안전성과 수명을 더욱 향상시키기 위해 완화해야 할 사소한 반응이 남아 있기 때문에 아직 갈 길이 멀습니다. 현재 우리는 이 연구가 많은 응용 분야에서 향상된 배터리로 이어질 것이라고 확신하지만, 극도의 내구성과 수명이 요구되는 일부 응용 분야에서는 아직 만족하지 못할 수도 있습니다.”

Yamada와 그의 팀은 LIB에서의 응용을 모색하고 있었지만 최근 개발의 기초가 되는 개념은 다른 종류의 배터리, 물 분해(수소와 산소 생성), 광석 제련, 전기 코팅을 포함한 다른 전기화학 공정 및 장치에 적용될 수 있습니다. , 그리고 더.

참고 자료: 고성재, Xiao Han, Tatau Shimada, Norio Takenaka, Yuki Yamada 및 Atsuo Yamada의 "코발트가 없는 음극 및 산화규소 양극을 갖춘 리튬 이온 배터리용 전해질 설계", 2023년 10월 19일, Nature Sustainability .
DOI: 10.1038/s41893-023-01237-y