새로운 디자인으로 강력한 마이크로 배터리 개발 지원

[아름이]

새로운 디자인으로 강력한 마이크로 배터리 개발 지원
날짜:
2023년 1월 12일
원천:
일리노이 대학교 그레인저 공과대학
요약:
대형 배터리의 전기화학적 성능을 초소형 전원으로 변환하는 것은 오랜 기술 과제였으며, 배터리가 마이크로 장치, 마이크로 로봇 및 이식형 의료 장치에 전력을 공급하는 능력을 제한했습니다. 연구원들은 기존 배터리 설계와 비교할 수 없는 높은 에너지 및 전력 밀도를 가진 고전압 마이크로 배터리(> 9V)를 만들었습니다.

대형 배터리의 전기화학적 성능을 초소형 전원으로 변환하는 것은 오랜 기술 과제였으며, 배터리가 마이크로 장치, 마이크로 로봇 및 이식형 의료 장치에 전력을 공급하는 능력을 제한했습니다. 일리노이 대학교 어바나-샴페인(Urban-Champaign) 연구원들은 기존 배터리 설계와 비교할 수 없는 높은 에너지 및 전력 밀도를 가진 고전압 마이크로 배터리(> 9V)를 만들었습니다.

재료공학부 Paul Braun 교수(Grainger 석좌교수, 재료연구실장), 김성봉 박사(Postdoc, MatSE, 현 육군사관학교 조교수, 공동 제1저자), Arghya Patra(국립대학교 대학원생) MatSE, MRL, 공동 제1저자)는 최근 Cell Reports Physical Science 에 "직렬 통합 고전압 및 고전력 소형 배터리"라는 논문을 게재했습니다 .

팀은 전례 없는 작동 전압, 높은 전력 밀도, 에너지 밀도.

Braun은 "전극 구조를 개선하고 혁신적인 배터리 설계를 제시함으로써 초소형 장치의 잠재력을 최대한 활용하려면 강력한 초소형 배터리가 필요합니다."라고 설명합니다. 문제는 배터리가 작아질수록 패키징이 배터리 부피와 질량을 지배하는 반면 전극 면적은 작아진다는 점이다. 그 결과 배터리의 에너지와 전력이 크게 감소합니다.

강력한 마이크로 배터리의 고유한 설계에서 팀은 양극 및 음극 단자 전류 수집기를 별도의 개체가 아닌 포장 자체의 일부로 사용하는 새로운 포장 기술을 개발했습니다. 이를 통해 배터리의 소형 부피( ≤0.165cm 3 ) 및 낮은 패키지 질량 분율(10.2%)이 가능해졌습니다. 또한 전극 셀을 수직으로 직렬로 쌓아(각 셀의 전압이 더해짐) 배터리의 높은 작동 전압을 가능하게 했습니다.

이러한 마이크로 배터리를 개선하는 또 다른 방법은 에너지 밀도를 제공하는 매우 조밀한 전극을 사용하는 것입니다. 일반 전극은 폴리머와 탄소 첨가제(활성 물질이 아님)가 차지하는 부피의 거의 40%입니다. Braun의 그룹은 완전히 조밀하고 폴리머 및 탄소 첨가제가 없는 중간 온도 직접 전착 기술로 전극을 성장시켰습니다. 이 완전히 조밀한 전극은 상용 제품보다 더 많은 체적 에너지 밀도를 제공합니다. 이 연구의 마이크로 배터리는 Braun의 연구에서 파생된 회사인 Xerion Advanced Battery Corporation(XABC, Dayton, Ohio)에서 제조 한 조밀한 전기 도금된 DirectPlate TM LiCoO 2 전극을 사용하여 제조되었습니다.

Patra는 "지금까지 마이크로 나노 규모의 전극 구조와 셀 디자인은 다공성과 체적 에너지 밀도를 희생한 전력 밀도 설계로 제한되었습니다. 우리의 작업은 다음과 같은 마이크로 규모 에너지원을 성공적으로 만들었습니다. 높은 전력 밀도와 체적 에너지 밀도를 모두 제공합니다."

이러한 마이크로 배터리의 중요한 응용 분야에는 자연 재해, 수색 및 구조 임무, 사람이 직접 접근할 수 없는 위험한 환경에서 귀중한 정보를 얻기 위해 곤충 크기의 마이크로 로봇에 전원을 공급하는 것이 포함됩니다. 공저자인 James Pikul(펜실베이니아 대학교 기계 공학 및 응용 역학 조교수)은 "마이크로 로봇이 운반해야 하는 전자 페이로드를 줄이기 위해서는 고전압이 중요합니다. 9V는 모터에 직접 전력을 공급하고 일부 액추에이터에서 필요한 수백 또는 수천 볼트로 전압을 높이는 것과 관련된 에너지 손실.

Kim은 "우리의 작업은 재료 화학의 교차점에서 지식 격차, 에너지 밀도가 높은 평면 마이크로 배터리 구성을 위한 고유한 재료 제조 요구 사항, 마이크로 액추에이터 및 마이크로 모터."

배터리 소형화 분야의 선구자인 Braun은 "우리의 현재 마이크로 배터리 설계는 고에너지, 고전력, 고전압, 단일 방전 애플리케이션에 매우 적합합니다. 다음 단계는 이 설계를 모든 용도로 변환하는 것입니다. 솔리드 스테이트 마이크로 배터리 플랫폼, 배터리는 본질적으로 액체 셀 대응물보다 더 안전하고 에너지 밀도가 높습니다."

출처 : https://www.sciencedaily.com/