기후 변화에 맞서 싸우는 가장 큰 과제 중 하나는 에너지 저장입니다.화석 연료는 본질적으로 그 자체의 화학 결합 안에 에너지가 잠겨 있는 상태로 스스로를 저장합니다.하지만 바람과 태양의 힘처럼 보다 지속 가능하지만 일시적인 형태의 에너지를 어떻게 저장합니까?

재료 과학 및 공학(MSE) 부교수인 Eric Detsi의 대답은 배터리입니다. 배터리는 미래의 에너지 수요를 충족할 만큼 충분히 강력하다는 경고가 있습니다. 국제 에너지 기구에서는 2030년까지 전 세계 배터리 용량이 6배로 증가해야 한다고 예상합니다.아직 존재하지 않습니다.

오늘날 사용되는 대부분의 배터리에는 알람시계와 같은 가전제품의 일회용 알카라인 배터리부터충전식 리튬 이온 배터리하이브리드와전기 자동차, 이온이 흐르는 전극은 일반적으로 다음과 같이 만들어집니다.고체 재료좋다금속 산화물또는 흑연.그러나 Detsi가 지적한 것처럼, 배터리를 충전하고 방전할 때마다 전극이 최대 300%까지 팽창 및 수축하기 때문에 재료가 손상됩니다. 이는 심지어 충전식 배터리도 점차 용량을 잃어 결국 고장이 나는 이유 중 하나입니다..

Detsi는 “고성능 배터리에 사용하기 위해 다량의 리튬, 나트륨 및 마그네슘을 저장할 수 있는 재료가 필요합니다.”라고 말했습니다."문제는 배터리 소재가 리튬, 나트륨, 마그네슘을 더 많이 저장할 수 있을수록 충방전 시 더 많이 팽창하고 수축하여 부피 변화가 크다는 것입니다."

리튬 이온 배터리의 아버지 중 한 명인 2019년 말 노벨상 수상자 존 구디너프(John Goodenough)를 포함한 일부 연구자들은 최근 부피 변화에도 파손되지 않는 액체 전극을 갖춘 배터리 개발에 시작했습니다.그러나 액체 전극은 또 다른 과제, 즉 물풍선처럼 작동하는 배터리를 안전하게 제조하고 사용하는 것이 어렵다는 문제를 안고 있습니다.즉, 단지 더 크거나 액체 배터리를 만드는 것만으로는 효과가 없을 것입니다. 미래의 배터리를 설계하려면 연구자들은 완전히 새로운 재료를 만들어야 합니다.

게다가 리튬, 코발트 등 대량 생산되는 2차 전지에 일반적으로 사용되는 많은 원소들은 배터리 수요가 증가함에 따라 인권 유린에 얽매이는 것은 물론이고 점점 더 비싸지고 있습니다.(지난해 노팅엄 대학교 교수인 시다스 카라(Siddarth Kara)는 콩고민주공화국의 열악한 노동 관행에 대해 폭로한 "코발트 레드: 콩고의 피가 우리 삶에 힘을 주는 방법"을 출판했습니다.-세계 코발트의 4분의 1.)

"신흥시장에 고성능 배터리 필요"에너지 저장그리드 규모의 저장 장치 및 전기 자동차와 같은 응용 분야로 인해 배터리 재료를 연구하게 되었습니다."라고 Detsi는 말합니다.

이를 위해 그의 그룹은 나트륨과 마그네슘이 지각에 풍부하기 때문에 저렴하고 윤리적으로 덜 문제가 되는 나트륨과 마그네슘으로 주로 만들어진 배터리를 연구해 왔습니다.더 중요한 것은 미국에는 나트륨과 마그네슘 자원이 풍부하다는 것입니다. 예를 들어, 미국 지질조사국(USGS)에 따르면 전 세계 탄산나트륨(소다회) 매장량의 68.8%, 세계 염화나트륨(소금) 매장량의 14.5%를 차지합니다.나트륨을 만드는 데 필요한 나트륨은 미국에서 발견됩니다.

Detsi 그룹은 이러한 금속을 사용하여 충전 주기 동안 손상을 방지하면서도 제조가 용이하도록 액체 상태와 고체 상태 사이를 이동하는 전극을 개발하고 있습니다.

Detsi는 "재료가 고체상에 있을 때 전하 저장 중에 발생하는 엄청난 부피 변화로 인해 품질이 저하되기 시작합니다."라고 말했습니다."그러나 물질이 고체에서 액체로 변할 때 부피 변화로 인한 분해로부터 회복하여 스스로 '치유'됩니다."

처음에 Detsi는 디마그네슘 펜타갈리드(Mg)로 만들어진 양극(충전 중에 이온을 수집하는 전극)을 사용하여 이 접근법의 타당성을 입증했습니다.₂가₅), 마그네슘과 갈륨의 혼합물로, 후자는 녹는점이 낮아 이러한 합금이 고체에서 액체로 쉽게 전환됩니다.

2019년에 Detsi의 연구실은 MSE, 기계 공학 및 응용 역학(MEAM) 및 생명 공학(BE) 분야의 Eduardo D. Glandt 회장의 석좌 교수인 Vivek Shenoy의 연구실과 함께 Mg로 만들어진 자가 치유 양극을 보여주었습니다.2_가5_{1,000회 이상의 충전 주기를 견딜 수 있음} .Detsi는 "우리 작업 전에는 최첨단 마그네슘 이온 배터리 양극의 사이클 수명이 200사이클에 불과했습니다"라고 말합니다.

즉, 자가치유형 양극을 추가하면 마그네슘이온 배터리의 초기 수명이 5배로 늘어난 셈이다.

올해 초 Detsi의 연구실에서는 상온에서 녹는 갈륨-인듐 양극을 사용하여 잠재적으로 상용 응용 분야의 문을 열었습니다.실험용 양극은 91%의 배터리 용량을 유지하면서 2,000회 충전 주기를 견뎌냈습니다.Detsi는 "이것은 전례가 없는 일입니다."라고 말했습니다.맥락상, iPhone 15는 80%의 배터리 용량을 유지하면서 1,000회의 충전 주기를 유지할 수 있습니다.

프로젝트를 진행하기 위해 Detsi와 그의 공동 저자인 Lin Wang과 Alexander Ng(최근 Ph.D.)졸업생과 박사후 연구원인 Roxana Family는 X선 회절, X선 산란, X선 분광학, 극저온 주사 전자 현미경 등 물질이 고체에서 액체로 변하는 과정을 더 잘 이해하기 위해 다양한 고급 이미징 기술을 사용했습니다.후자의 기술은 자가 치유 과정을 더 잘 연구하기 위해 다양한 단계에서 액체 금속 양극을 동결시키는 것과 관련이 있습니다.2023년 논문에 출판됨ACS 에너지 편지.

거의 10년 전, Detsi와 그의 그룹이 자가 치유 나트륨 및 마그네슘 이온 배터리 개념을 탐구하기 시작했을 때 그의 아이디어를 진지하게 받아들이는 사람은 거의 없었습니다.

Detsi는 "나트륨 이온 배터리에 대한 우리 제안 중 하나를 검토한 사람이 나트륨 이온 배터리가 그렇게 훌륭하다면 왜 상용화되지 않는지 묻는 것을 기억합니다."라고 말합니다."당시에는 나트륨이온 배터리를 개발하는 스타트업 회사가 단 하나뿐이었습니다. 지금은 전 세계에 많은 회사가 있습니다."