플로리다 국제대학 (FIU) 공학 및 컴퓨팅 대학의 준교수 빌랄 엘-자합
그 어느 때보다 더 많은 전기 자동차(EV)가 도로를 달리고 있습니다. 그러나 최근의 글로벌 조사에 따르면 일부 EV 소유자(미국에서 약 46%)가 가솔린 차량으로 다시 전환하는 것을 고려한 것으로 나타났습니다. 가장 큰 이유는 충전입니다.
평균 EV 주행 거리는 시간이 지남에 따라 꾸준히 증가했지만 운전자의 기대치는 여전히 현재 리튬 이온 배터리가 제공할 수 있는 수준을 앞지르고 있습니다.
당 대학의 연구진은 리튬 이온을 넘어서는 차세대 배터리 기술로 획기적인 발전을 이루었습니다. 이 기술을 사용하면 언젠가는 전기 자동차를 훨씬 더 편리하게 소유할 수 있을 것입니다.
우리팀은 8년 전에 차세대 배터리 화학에 대한 연구를 시작했습니다. 첫 번째 충전 주기는 훌륭했습니다. 그러나 20번째 주기에는 쓸모없는 금속 덩어리가 되었습니다. 그래서 이후에는 리튬 이온 기술을 넘어서는 기술이자 리튬 이온을 대체할 가장 유망한 기술 중 하나인 리튬-황에 주목했습니다.
리튬 황은 가볍고, 저렴하며, 놀라울 정도로 에너지 밀도가 높아 더 많은 충전을 할 수 있습니다. 이를 통해 EV가 더 멀리 갈 수 있고 노트북, 스마트폰 및 기타 기기가 두 배 더 오래 작동할 수 있습니다.
그러나 배터리의 수명을 늘리는 리튬-황 화학 성분이 결국 배터리의 수명을 단축시켜, 약 50회 정도 완전히 충전하면 배터리를 쓸모없게 만듭니다.
그런데 수 년간의 테스트 끝에 우리 팀은 리튬-황의 수명을 늘리는 솔루션을 발견했습니다. 혼합물에 약간의 금속을 첨가하기만 하면 되었습니다. 백금은 배터리 성능을 안정화하고 저장 용량을 상업적 실행 가능성에 가깝게 높입니다. 이 연구 결과는 최근 Energy and Environmental Materials 에 게재되었습니다 .
500회 충전 사이클 후 92%의 유지율을 달성했는데, 이는 배터리가 거의 새 것과 마찬가지라는 것을 의미합니다. 이는 또한 이 배터리를 상업적 수준으로 끌어올리기 위해 전반적인 성능을 저하시키는 부정적인 반응을 최소화했다는 것을 보여줍니다
모든 배터리는 매우 간단한 방식으로 작동합니다. 이온은 배터리의 한 쪽에서 다른 쪽으로, 그리고 앞뒤로 이동하는데, 이는 배터리가 충전 중이거나 에너지를 방출하는지에 따라 달라집니다.
하지만 리튬-황의 경우 이 과정은 조금 더 복잡합니다. 배터리의 한 면은 리튬으로 만들어졌고, 다른 한 면은 유황으로 만들어졌습니다. 전하를 지닌 리튬 이온이 황 쪽에 도달하면 리튬과 황 사이에 화학 반응이 일어나서 폴리설파이드라고 불리는 리튬 함유 황 화합물이 형성되고, 이 화합물은 충전 중에 리튬 쪽으로 운반됩니다.
시간이 지남에 따라 리튬 쪽에 이끼가 쌓이게 되는데, 이로 인해 에너지 효율이 떨어지고 결국 배터리가 손상되게 됩니다. 우리는 이러한 해로운 화학 반응을 상쇄하기 위해 배터리의 유황 쪽에 백금의 작은 나노입자를 추가했습니다. 안전 관리자가 사고나 막힘을 방지하기 위해 교통을 지휘하는 것처럼 백금은 분자 수준에서 리튬을 안내하여 원활하게 흐르도록 합니다.
전체 배터리의 약 0.02% 정도의 아주 적은 양만으로도 변화를 가져올 수 있었습니다. 배터리에 백금 나노입자를 추가하는 것은 음식에 소금 한 꼬집을 넣는 것과 같습니다. 소량이라도 엄청난 영향을 미칠 수 있습니다.
현재 이 리튬-유황 배터리는 현재 제3자 테스트를 거치고 있습니다. 이 과정이 지나면 라이선스와 상용화 단계로 가게 될 것입니다.
