불소 기반 배터리는 현재 사용 중인 배터리보다 8배 더 오래 사용할 수 있습니다.

• 노트북과 휴대전화를 한 달에 두 번만 충전한다고 상상해 보십시오.
• 불소의 음전하 이온을 기반으로 하는 배터리가 이를 가능하게 합니다.
• 연구원들은 처음으로 실온에서 제대로 작동하는 충전식 불소 기반 배터리를 만들었습니다.

최신 장치의 요구 사항을 충족하는 데 필요한 높은 에너지 밀도를 제공하는 배터리에 대한 검색이 지속적으로 증가하고 있습니다. 에너지 밀도는 반응에서 전달되는 전자의 수, 양극과 음극 사이의 전위차, 셀 부피, 패러데이 상수에 따라 달라집니다.

이러한 모든 요소를 ​​염두에 두고 California Institute of Technology의 연구원들은 음으로 하전된 불소 이온인 불소를 기반으로 하는 충전식 배터리를 제조하는 새로운 방법을 개발했습니다.

이 기술은 노트북이나 휴대폰을 매일 충전할 필요가 없도록 하는 잠재력이 있습니다. 실제로 이 요구 사항을 한 달에 두 번만 줄일 수 있습니다. 불화물 배터리의 에너지 밀도는 리튬 이온 배터리보다 상대적으로 높기 때문에 최대 8배 더 오래 사용할 수 있습니다. 그러나 매우 반응성이 높고 부식성이 있으며 작업하기가 어렵습니다.

연구 가능한 불소 배터리

누군가가 불소 배터리를 실험한 것은 이번이 처음이 아닙니다. 1970년대에 과학자들은 고체 모듈을 사용하여 충전식 불소 기반 배터리를 개발하려고 시도했습니다. 하지만 전고체 배터리가 제대로 작동하려면 높은 온도가 필요하기 때문에 일상적인 용도로는 사용할 수 없습니다.

이제 연구원들은 액체 모듈을 사용하여 이러한 배터리가 실온에서 작동하도록 하는 방법을 알아냈습니다. 그들은 실온에서 제대로 작동하는 최초의 충전식 불소 기반 배터리를 만들 수 있었습니다.

배터리는 음극(양극)과 양극(음극) 사이에 이온을 드리프트하여 전류를 제공합니다. 액체 용액(리튬 배터리에 사용)에서 이온은 실온에서 더 쉽게 이동합니다.

참조:ScienceMag | doi:10.1126/science.aat7070 | 칼텍

리튬 전지는 양이온(양이온)을 사용하지만, 이번 연구에서 개발된 불화물 전지는 음전하(음이온)를 띠고 있다. 배터리에 음이온을 사용하면 여러 가지 장점이 있지만 나름대로의 문제가 있습니다.

액체 전해질 용액의 도움으로 양극과 음극 사이를 이동하는 전하 원자 | 출처:Brett Savoie/Purdue University

배터리를 더 오래 사용하려면 많은 수의 이온을 이동해야 합니다. 양전하 이온(양이온)을 이동시키는 것은 상당히 어렵지만 비교적 쉽게 이동하는 음이온(음이온)을 이동시켜도 비슷한 결과를 얻을 수 있습니다. 이 메커니즘의 주요 과제는 시스템이 적절한 전압에서 작동하도록 하는 것입니다.

결과

이 연구에서 연구자들은 다가 불화물 전환 반응이 높은 열역학적 반응 전위(3볼트 이상)와 체적 용량(1000Ah/리터 이상)을 가짐을 보여주었습니다. 따라서 불소 배터리는 기존 리튬 이온 기술에 대한 이론 값의 최소 8배인 최대 5000Wh/리터의 이론 에너지 밀도를 제공합니다.

불소 배터리가 액체(고체 대신)에서 제대로 작동하도록 하는 핵심 구성 요소는 비스(2,2,2-트리플루오로에틸)에테르(줄여서 BTFE)라는 전해질 액체입니다. 불소 이온을 안정적으로 유지하여 배터리에서 전자를 쉽게 앞뒤로 이동할 수 있습니다.

BTFE 분자로 둘러싸인 불소 이온(분홍색) | 출처:Brett Savoie / Purdue University

그러나 이 솔루션이 효과가 있었던 이유는 다음과 같습니다. 불소를 안정화시키는 BTFE의 특성은 무엇입니까? 답을 찾기 위해 연구자들은 컴퓨터 시뮬레이션의 도움을 받았습니다. 그들은 BTFE 솔루션을 변경했고 첨가제로 수정함으로써 안정성과 성능을 향상시킬 수 있음을 발견했습니다.

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결과는 연구자들이 더 오래 지속되는 배터리를 개발하는 흥미로운 기술을 발견했음을 보여줍니다. 불소 배터리의 부활이라고 해도 과언이 아닙니다.