전기자동차의 미래: 저비용 고성능 아연공기전지

전기자동차의 미래: 저비용 고성능 아연공기전지

첨부 파일 논문을 기초로 한 가벼운 축약은 - 공기 아연 배터리는 낮은 비용, 높은 에너지 밀도, 긴 수명 등의 장점으로 차세대 배터리로 주목받고 있다.   높은 왕복 에너지 효율을 달성하기 위해서는 내구성이 뛰어난 이중 기능 공기 전극을 개발하는 것이 중요하다. 저자들은 이 나노 복합체가 이중 기능 산소 전기 촉매로서 뛰어난 활성과 안정성을 제공한다고 주장한다. 연구진은 수열법을 사용하여 나노 복합체를 합성하고 배터리 테스트 시스템을 사용하여 장기간 배터리 충전/방전 성능을 평가했다. 저자들은 이번 연구 결과를 긍정적으로 평가하지만, 이 기술의 실용성과 확장성을 결정하기 위해서는 추가 연구가 필요하다는 점에 유의해야 한다.   - 낮은 비용: 아연은 풍부한 자원으로서, 공기 아연 배터리의 원가 절감에 기여할 수 있다. - 높은 에너지 밀도: 아연은 높은 에너지 밀도를 가진 물질로서, 공기 아연 배터리의 에너지 밀도 향상에 기여할 수 있다. - 긴 수명: 아연은 부식에 강한 물질로서, 공기 아연 배터리의 수명 향상에 기여할 수 있다.   본 리포트에서 제시한 해결 방안들이 성공적으로 개발된다면, 공기 아연 배터리는 차세대 배터리 시장을 선도할 수 있을 것으로 기대된다.

이 기사는 아연-공기 배터리의 잠재력에 대해 낙관적인 관점을 제시한다. 그러나 아연-공기 배터리의 제한 사항에 대한 비판적인 시각도 필요하다.   - 활성물질의 용해도 개선: 아연의 용해도 개선을 위한 연구는 활발히 진행되고 있으나, 아직까지 완전한 해결책이 제시되지는 못했다. 향후 연구에서는 아연의 용해도 개선을 위한 새로운 접근법을 개발하는 데 집중할 것으로 예상된다. - 전극의 부식 방지: 전극의 부식 방지를 위한 연구도 활발히 진행되고 있으나, 아직까지 완벽한 해결책이 제시되지는 못했다. 향후 연구에서는 전극의 부식을 방지하는 효과적인 코팅 기술을 개발하는 데 집중할 것으로 예상된다. - 극한 조건에서의 성능 개선: 극한 조건에서의 성능 개선을 위한 연구도 활발히 진행되고 있으나, 아직까지 완벽한 해결책이 제시되지는 못했다. 향후 연구에서는 온도, 습도 등의 환경적 요인을 고려한 새로운 설계 및 제조 기술을 개발하는 데 집중할 것이다.   전반적으로 아연-공기 배터리는 리튬 이온 배터리와 경쟁할 수 있는 잠재력이 있는 차세대 에너지 저장 장치이다. 그러나 아연-공기 배터리의 제한 사항을 해결하기 위한 추가 연구가 필요하다.

  

[본문]

새로운 ECU 연구에 따르면 아연과 공기로 만든 배터리는 미래에 전기 자동차에 동력을 공급할 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있다. 연구팀은 더 저렴하고 안전하며 지속 가능한 방식으로 공급되는 재료를 조합하여 아연-공기 배터리를 테스트한 결과 수명과 성능을 개선할 수 있었다.

 

 

 

지속 가능한 배터리 시스템의 발전에 대한 에디스 코완 대학교(ECU)의 최근 연구에 따르면 아연-공기 배터리는 리튬을 대체할 수 있는 훌륭한 배터리로 입증되었다.

 

ECU의 무하마드 리즈완 아자르 박사는 전 세계적으로 전기 자동차에 널리 사용되고 있지만 비용, 제한된 자원, 안전 문제로 인해 한계가 있는 리튬 이온 배터리를 발견한 프로젝트를 주도했다.

 

“충전식 아연-공기 배터리(ZAB)는 저렴한 비용, 친환경성, 높은 이론적 에너지 밀도 및 내재된 안전성으로 인해 점점 더 매력적으로 변하고 있다. 차세대 장거리 차량과 전기 항공기가 시장에 등장함에 따라 리튬 이온 배터리의 성능을 능가할 수 있는 더 안전하고 비용 등 효율적인 고성능 배터리 시스템에 대한 요구가 증가하고 있다.”

- 무하마드 리즈완 아자르 박사, 에디스 코완 대학교 -

 

  

아연-공기

 

아연-공기 배터리는 아연으로 만든 음극과 공기로 만든 양극으로 구성된다.

지금까지는 공기 전극의 성능이 좋지 않아 출력이 제한적이고 수명이 짧다는 것이 가장 큰 단점이었다. 하지만 ECU의 혁신 덕분에 엔지니어들은 탄소, 저렴한 철, 코발트 기반 광물 등 새로운 소재를 조합하여 아연-공기 배터리를 재설계할 수 있게 되었다.

 

“새로운 설계는 매우 효율적이어서 배터리의 내부 저항을 억제하고 전압이 이론 전압에 근접하여 높은 피크 전력 밀도와 매우 긴 안정성을 제공한다. 이 혁신은 에너지 저장 산업을 혁신하는 것 외에도 지속 가능한 사회를 구축하고 화석 연료에 대한 의존도를 낮추며 환경에 미치는 영향을 완화하는 데 크게 기여한다.”

 

무하마드 리즈완 아자르 박사는 "호주의 아연과 공기와 같은 천연 자원을 사용함으로써 미래를 위한 이 혁신적인 아연-공기 배터리의 비용 효율성과 실행 가능성을 더욱 높일 수 있다."라고 덧붙였다.

 

실행 가능성과 신뢰성

 

태양열, 풍력, 수력 에너지와 같은 재생 에너지는 친환경 에너지의 미래를 위해 중요하지만, 간헐적인 에너지원이기 때문에 완전히 신뢰할 수 있는 것은 아니다.

 

“호주와 같은 국가에서는 아연이 풍부하고 공기가 어디에나 존재하기 때문에 매우 실용적이고 신뢰할 수 있는 에너지 저장 솔루션이 될 수 있다.”

 

ECU의 아연-공기 배터리 재설계로 호주는 기후 변화를 제한하는데 있어 지속 가능한 에너지 자원의 중요성을 강조하기 위해 2015년 말 제정된 파리 협정에서 정한 유엔 지속가능 개발 목표와 목표 달성에 한 걸음 더 다가서게 되었다.

 

 

저널 참조:

아라파트, Y., 외. (2023). 아연-공기 배터리를 위한 강력한 이중 기능 산소 전기 촉매로 Co-N-C 네트워크를 장식한 CoNiFe-층 이중 수산화물. EcoMat. doi.org/10.1002/eom2.12394.

 

EcoMat - 2023 - Arafat.pdf

3.90MB

 

[논문내용 축약 리포트]

 

제목: 아연-공기전지용 내구성 높은 이중기능성 공기전극 개발

 

소개

아연-공기전지는 높은 에너지 밀도, 낮은 비용, 친환경성 등으로 인해 유망한 에너지 저장 기술로 꼽혀왔다. 하지만 높은 왕복 에너지 효율을 실현하기 위해서는 내구성이 뛰어난 이중기능성 공기 전극의 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 충전식 아연-공기 전지의 효율을 향상시키기 위해 코발트 배위 및 N-도핑 다공성 탄소 네트워크와 CoNiFe 층상 이중 수산화물(LDH)의 나노 복합체를 합성했다.

 

방법론:

이 나노 복합체는 열수법을 통해 합성되었으며, ZIF-67 유래 3D 다공성 네트워크의 표면 위에 CoNiFe-LDH가 현장에서 성장했습니다. LDH의 전자 구조를 변경하기 위해 세 번째 원소(Co)를 CoNiFe-LDH에 도핑했습니다. 주사 전자 현미경(SEM)과 투과 전자 현미경(TEM)을 통해 Co-N-C@ CoNiFe-LDH의 형태를 관찰했습니다. 장기 배터리 충전/방전 성능은 LANHE CT2001A 배터리 테스트 시스템을 사용하여 평가했으며, 기타 전기 화학적 평가는 VSP Biologic 포텐시오스탯을 사용하여 기록했습니다.

 

결과:

나노 복합체의 Co-N-C 네트워크는 전기 전도성을 향상시키는데 기여하고 우수한 산소 환원 반응(ORR) 활성을 제공했다. 반면에 CoNiFe-LDH는 산소 진화 반응(OER) 활성을 부여했다. Co-N-C에 대한 CoNiFe-LDH의 현장 개발은 친밀한 접촉과 구조적 견고성을 제공하여 계면 저항을 억제하고 이온 확산성과 전자 전도도를 촉진했다. 그 결과, Co-N-C@ CoNiFe-LDH 촉매는 알칼리성 매질(0.1M KOH)에서 10mA cm-2에 도달하는데 1.540V만 필요했다.

 

결론:

CoNiFe-LDH와 코발트 배위 및 N-도핑 다공성 탄소 네트워크의 나노 복합체는 이중 기능성 산소 전기 촉매로서 우수한 활성과 뛰어난 안정성을 보여주었다. CoNiFe-LDH와 Co-N-C의 공생 상호 작용은 이종 구조에서 원자 및 전자 구조를 변조하여 충전식 아연-공기 배터리의 효율을 향상시켰다.