친환경 교통수단에 전기를 공급할 차세대 슈퍼커패시터

친환경 교통수단에 전기를 공급할 차세대 슈퍼커패시터

New generation of supercapacitors set to electrify green transportation

 

Scientists have created a new generation of low-cost, high-energy supercapacitors to power electric vehicles.

과학자들은 전기 자동차에 동력을 공급할 새로운 세대의 저비용, 고에너지 슈퍼커패시터를 만들었다.

 

Researchers from Imperial College London and University College London (UCL) have produced a cheaper, more sustainable and energy-dense electrode material for supercapacitors which could pave the way for wider market penetration of this high-power, quick charging electric vehicle technology. 

Imperial College London과 University College London(UCL)의 연구원들은 슈퍼커패시터용 더 저렴하고 지속 가능하며 에너지 밀도가 높은 전극 소재를 생산하여, 이 고출력 급속 충전 전기 자동차 기술의 시장 침투 범위를 넓힐 수 있는 기반을 마련하였다.

 

In the study, published in Advanced Science, the team used lignin, a bio-based by-product of the paper industry, to create free-standing electrodes with enhanced energy storage capacity. 

어드밴스트 사이언스에 발표된 이번 연구에서 연구팀은 제지산업의 바이오 기반 부산물인 리그닌을 활용해 에너지 저장 능력이 강화된 독립형 전극을 만들었다.

 

The researchers say that this could be a game-changer for existing supercapacitor technology, providing a cheaper, more sustainable alternative to current models. The team emphasise the importance of reducing the production cost of carbon-based electrodes and the reliance on critical materials if free-standing supercapacitors are to play a major role in decarbonising the transportation industry alongside batteries and fuel cells.

연구원들은 이것이 기존 슈퍼커패시터 기술의 게임 체인저가 될 수 있으며 현재 모델에 대한 더 저렴하고 지속 가능한 대안을 제공할 수 있다고 말했다. 팀은 독립형 슈퍼커패시터가 배터리 및 연료 전지와 함께 운송 산업을 탈탄소화 하는데 중요한 역할을 하려면 탄소 기반 전극의 생산원가를 줄이는 것이 중요하다고 강조한다.

 

Sustainable materials / 지속 가능한 재료

 

Using lignin in place of expensive graphene-based carbon, the team produced a freestanding structure which is lighter and smaller than current models without compromising energy storage capacity. This makes them ideal for use in short-distance electric vehicles like buses, taxis and trams where they have the capacity to charge in the time it takes for passengers to exit and enter a vehicle.

값비싼 그래핀 기반 탄소 대신 리그닌을 사용하여 팀은 에너지 저장 용량을 손상시키지 않으면서 현재 모델보다 가볍고 작은 독립 구조를 생성했다. 따라서 버스, 택시, 트램과 같은 근거리 전기 자동차에 사용하기에 이상적이다.

 

Co-corresponding author Dr Maria Crespo Ribadeneyra from the Department of Chemical Engineering at Imperial said: “Supercapacitors are an ideal candidate for electric transportation within urban centres, where pollution is an increasingly pressing concern. However, they are often overlooked because of the high cost of production.

임페리얼 화학공학부의 마리아 크레스포 리바데네이라 박사는 다음과 같이 말했다. "슈퍼캐퍼시터는 오염이 점점 더 긴급한 관심사로 떠오르고 있는 도심 내 전기 운송에 이상적인 후보이다. 하지만, 그것들은 높은 생산 비용 때문에 종종 간과되는 경우가 많다.

 

“Our research is based on a low-cost and sustainable bio-based material that can store more energy per unit volume than many other expensive alternatives. This is particularly important in the automotive sector, where optimisation of the space and the costs of the components is crucial.”

“우리 연구는 다른 많은 값비싼 대안보다 단위 부피당 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 저렴하고 지속 가능한 바이오 기반 재료를 기반으로 한다. 이는 공간과 부품 비용의 최적화가 중요한 자동차 부문에서 특히 중요하다.” 

깨끗하고 조밀한 재료에 대한 합성 계획 . © 2021 The Authors. Wiley-VCH GmbH 에서 발행한  Advanced Science

Co-corresponding author Professor Magda Titirici from the Department of Chemical Engineering at Imperial added: “Creating sustainable multifunctional materials from waste biomass streams such as lignin will enable a sustainable and affordable supply chain for energy materials in the future and will eliminate our dependence on critical materials like lithium.

임페리얼 화학공학과 마그다 티티리치 교수는 다음과 같이 덧붙였다. "리그닌과 같은 폐 바이오매스 스트림에서 지속 가능한 다기능성 물질을 만들면 미래에 에너지 물질에 대한 지속 가능하고 저렴한 공급망을 구축할 수 있을 것이며 리튬과 같은 중요한 물질에 대한 의존도를 없앨 것이다.

 

“The idea of pressing several free-standing carbon papers together to store more charge in a small volume is innovative and holds potential for future structural development. Imagine that instead of the electrodes being supported in a phone case or on a car roof, they are the case or roof.”

“작은 부피에 더 많은 전하를 저장하기 위해 여러 개의 독립형 탄소 종이를 함께 누르는 아이디어는 혁신적이며 미래의 구조 개발에 대한 잠재력을 보유하고 있습니다. 전극이 전화 케이스나 자동차 지붕에 지지되는 대신 케이스 또는 지붕이라고 상상해 보십시오.”

 

Tailored microstructures / 맞춤형 미세구조

 

The innovative technique developed by the team in this study used electrospun lignin nanofibre mats which they compressed together into a dense structure. This enabled them to tailor the internal microstructure of the electrodes by reducing the amount of micrometre-sized pores which do not contribute to energy storage, while retaining the porosity of the individual fibres that do store electric charge. This work was made possible by using advanced imaging similar to x-ray to view the internal microstructures in three dimensions.

이번 연구에서 연구팀이 개발한 혁신적인 기술은 전자스푼 리그닌 나노섬유 매트를 함께 압축해 밀도 높은 구조로 만들었다. 이를 통해 에너지 저장에 기여하지 않는 마이크로미터 크기의 공극의 양을 줄이는 동시에 전하를 저장하는 개별 섬유들의 다공성을 유지함으로써 전극의 내부 미세 구조를 조정할 수 있었습니다. 이 작업은 내부 미세구조를 3차원으로 보기 위해 엑스레이와 유사한 첨단 영상촬영을 통해 가능했다.

깨끗하고   밀도가   높은   샘플의   다공성   분석 . © 2021 The Authors. Wiley-VCH GmbH 에서   발행한  Advanced Science

Dr Rhodri Jervis from the Electrochemical Innovation Lab (EIL) at UCL and co-author explained: “Tackling the grand challenge of wide-spread electrification will require a variety of energy storage and conversion devices to work in harmony with each other, using advanced and sustainable materials.

UCL 전기화학혁신랩(EIL)의 Rodri Jervis 박사는 “광범위한 전기화라는 거대한 도전을 해결하려면 발전되고 지속 가능한 소재를 사용하여 서로 조화롭게 작동하기 위해 다양한 에너지 저장 및 변환 장치가 필요할 것"이라고 설명했다.

 

“From batteries to fuel cells to supercapacitors, it is key to understand the microstructure of the materials used in these devices in order to make improvements to the current technologies. In our lab we have been developing advanced imaging approaches to view and assess these microstructures in three dimensions, and this work highlights the benefit of 3D imaging for unravelling the potential of new materials in energy storage.”

"배터리부터 연료전지, 슈퍼커패시터까지, 현재의 기술을 개선하기 위해서는 이러한 장치에 사용되는 물질의 미세구조를 이해하는 것이 중요하다. 저희 연구실에서는 이러한 미세 구조를 3차원으로 보고 평가하기 위한 고급 이미징 접근 방식을 개발해 왔다. 이 작업은 에너지 저장에서 새로운 재료의 잠재력을 해소하기 위한 3D 이미징의 이점을 강조합니다."

 

The research team are now working on ensuring this technology can be made commercially viable. They are currently developing a new supercapacitor with a non-corrosive and more cost-effective electrolyte that could be implementable in commercial devices.

연구팀은 현재 이 기술이 상업적으로 실행 가능하도록 하기 위해 노력하고 있다. 그들은 현재 상용 장치에서 구현할 수 있는 부식성이 없고 비용 효율적인 전해질을 갖춘 새로운 슈퍼커패시터를 개발하고 있다. 

 

‘High-Density Lignin-Derived Carbon Nanofiber Supercapacitors with Enhanced Volumetric Energy Density’ by Servann Hérou, Josh J Bailey, Matt Kok, Philipp Schlee, Rhodri Jervis, Dan J. L. Brett, Paul R. Shearing, Maria Crespo Ribadeneyra and Magdalena Titirici is available in Advanced Science.

체적 에너지 밀도를 높인 고밀도 리그닌 유도 탄소 나노섬유 슈퍼커패시터는' Servann Hérou, 조쉬 J 베일리, 매트 콕, 필립 슐리, 로드리 저비스, 댄 J. L 브렛, 폴 R. 전단, 마리아 크레스포 Ribadeneyra와 막달레나 티티리치등 고급 사이언스에서 이용 가능하다.