스웨덴 찰머스 공과대학(Chalmers University of Technology)의 연구 그룹은 이제 소위 대용량 에너지 저장 분야에서 세계 최고의 발전을 선보이고 있습니다. 구조적 배터리는 노트북의 무게를 절반으로 줄이고 휴대폰을 신용 카드만큼 얇게 만들 수 있습니다.1회 충전으로 전기차 주행거리를 ​​최대 70%까지 늘릴 수 있다.

"우리는 배터리를 만드는 데 성공했습니다.탄소섬유알루미늄만큼 단단하고 상업적으로 사용할 수 있을 만큼 에너지 밀도가 높은 복합재입니다.마치인간의 해골배터리에는 동시에 여러 가지 기능이 있습니다."라고 최근 논문의 첫 번째 저자인 Chalmers 연구원 Richa Chaudhary는 말합니다.출판됨~에첨단소재.

구조용 배터리에 대한 연구는 Chalmers에서 수년 동안 진행되어 왔으며 일부 단계에서는 스웨덴 스톡홀름에 있는 KTH 왕립 기술 연구소의 연구원들과 함께 진행되었습니다.Leif Asp 교수와 동료들은2018년 첫 결과 발표얼마나 단단하고 강한 탄소 섬유가 전기 에너지를 화학적으로 저장할 수 있는지에 대한 발전은 큰 관심을 끌었습니다.

탄소섬유가 전극 역할을 할 수 있다는 소식리튬 이온 배터리널리 퍼졌고 이 성과는 Physics World가 선정한 올해의 10대 혁신 중 하나로 선정되었습니다.

무게가 가벼워지면 더 적은 에너지가 필요합니다.

그 이후로 연구팀은 강성과 에너지 밀도를 모두 높이는 개념을 더욱 발전시켰습니다.이전 이정표는 2021년에 도달했습니다.배터리의 에너지 밀도가 킬로그램당 24와트시(Wh/kg)일 때 이는 동급 리튬 이온 배터리의 약 20% 용량을 의미합니다.

이제는 최대 30Wh/kg입니다.이는 오늘날의 배터리보다 여전히 낮지만 조건은 상당히 다릅니다.배터리가 구조의 일부이고 경량 소재로 제작될 수 있으면 차량의 전체 중량이 크게 줄어듭니다.예를 들어, 전기 자동차를 운행하는 데는 그다지 많은 에너지가 필요하지 않습니다.

"에너지를 절약하고 미래 세대를 생각하려면 가볍고 에너지 효율적인 자동차에 투자하는 것은 당연한 일입니다. 우리는 전기 자동차에 대한 계산을 통해 현재보다 최대 70% 더 오래 운전할 수 있다는 것을 보여주었습니다.경쟁력 있는 구조 배터리를 가지고 있었습니다."라고 Chalmers의 산업 및 재료 과학과 교수이자 연구 리더인 Leif Asp는 말합니다.

물론 차량의 경우 안전 요구 사항을 충족할 만큼 충분히 강한 디자인에 대한 요구가 높습니다.그곳에서 연구팀의 구조적 배터리 셀은 강성, 즉 기가파스칼(GPa) 단위로 측정되는 탄성 계수를 25에서 70으로 크게 높였습니다. 이는 이 소재가 알루미늄과 마찬가지로 하중을 견딜 수 있음을 의미합니다.하지만 무게는 더 가볍습니다.

2007년부터 구조용 배터리를 연구해 온 Leif Asp는 "다기능적 특성 측면에서 새 배터리는 이전 배터리보다 두 배나 우수하며 실제로 세계 최고 수준입니다"라고 말합니다.

상용화를 향한 몇 가지 단계

처음부터 기술 상용화가 가능한 성능을 내는 것이 목표였다.연구가 현재 계속되고 있다는 사실과 병행하여 스웨덴 보레스에 본사를 두고 새로 설립된 Chalmers Venture 회사 Sinonus AB를 통해 시장과의 연계가 강화되었습니다.

그러나 배터리 셀이 소규모 실험실 제조에서 기술 기기나 차량용으로 대규모 생산으로 전환되기까지는 아직 수행해야 할 엔지니어링 작업이 많이 남아 있습니다.

"상상할 수 있지.신용카드- 현재의 절반 정도 무게가 나가는 얇은 휴대폰이나 노트북이 시간적으로 가장 가깝습니다.자동차나 비행기의 전자 장치와 같은 구성 요소는 구조용 배터리로 구동될 수도 있습니다.운송 산업의 까다로운 에너지 요구 사항을 충족하려면 대규모 투자가 필요하지만 기술이 가장 큰 변화를 가져올 수 있는 부분이기도 합니다."라고 자동차 및 항공우주 산업에서 많은 관심을 받고 있는 Leif Asp는 말합니다.

연구 및 구조용 배터리에 대한 추가 정보

구조용 배터리는 에너지를 저장하는 것 외에도 하중을 운반할 수 있는 소재입니다.이러한 방식으로 배터리 소재는 제품의 실제 구성 소재의 일부가 될 수 있으며, 이는 예를 들어 전기 자동차, 드론, 휴대용 도구, 노트북 및 휴대폰에서 훨씬 더 낮은 무게를 달성할 수 있음을 의미합니다.

이 분야의 최신 발전 사항은 "다기능 탄소 섬유 구조 배터리 공개"라는 기사에 게재되었으며 저자는 Chalmers 공과 대학의 Richa Chaudhary, Johanna Xu, Zhenyuan Xia 및 Leif Asp입니다.

개발된 배터리 개념은 복합재료를 기반으로 하며 양극과 음극 모두 탄소섬유를 사용하며, 양극은 인산철리튬으로 코팅되어 있다.이전 배터리 컨셉이 제시됐을 때는 양극의 코어가 알루미늄 호일로 만들어졌다.

전극 재료에 사용되는 탄소 섬유는 다기능입니다.양극에서는 보강재 역할을 할 뿐만 아니라 전기 집전체 및 활성 물질로도 작용합니다.음극에서는 보강재, 전류 수집기 및 리튬이 쌓이는 발판 역할을 합니다.

탄소 섬유는 전자 전류를 전도하기 때문에 구리나 알루미늄 등으로 만들어진 집전체의 필요성이 줄어들어 전체 무게가 더욱 줄어듭니다.선택한 전극 설계에는 코발트나 망간과 같은 소위 충돌 금속도 필요하지 않습니다.

배터리에서 리튬 이온은 액체 전해질 대신 반고체 전해질을 통해 배터리 단자 사이를 이동합니다.고성능이를 위해서는 더 많은 연구가 필요합니다.동시에 화재 위험을 줄여 배터리 셀의 안전성을 높이는 데에도 기여합니다.