불화물 배터리, 기존 배터리 대비 최대 8배 긴 수명 제공

• 노트북과 휴대폰을 한 달에 두 번만 충전한다고 상상해 보세요.
• 불소의 음이온 기반 배터리가 이를 가능하게 합니다.
• 처음으로 연구자들이 상온에서 제대로 작동하는 충전식 불화물 배터리 개발

현대 기기 요구를 충족하는 높은 에너지 밀도 배터리 탐색은 지속적으로 증가하고 있습니다. 에너지 밀도는 반응에서 전달되는 전자 수, 양극과 음극 간 전위차, 셀 부피, 패러데이 상수에 따라 달라집니다.

이 모든 요소를 고려해 캘리포니아 공과대학(Caltech) 연구자들이 불화물(불소의 음이온) 기반 충전식 배터리 제조 새 방법을 개발했습니다.

이 기술은 노트북이나 휴대폰을 매일 충전할 필요를 없앨 잠재력이 있습니다. 사실 이 요구사항을 한 달에 두 번만으로 줄일 수 있습니다. 불화물 배터리의 에너지 밀도가 리튬이온 배터리보다 상대적으로 높기 때문에 최대 8배 더 오래 지속될 수 있습니다. 그러나 이들은 극도로 반응성이 강하고 부식성이 있으며 작업하기 어렵습니다.

충전식 불화물 배터리

불화물 배터리 실험이 이번이 처음은 아닙니다. 1970년대 과학자들은 고체 모듈을 사용해 충전식 불화물 배터리 개발을 시도했습니다. 하지만 고체 배터리는 제대로 작동하려면 고온이 필요하므로 일상용으로는 사용할 수 없습니다.

이제 연구자들은 액체 모듈을 사용해 상온에서 작동하는 법을 알아냈습니다. 상온에서 제대로 작동하는 최초의 충전식 불화물 배터리를 만들었습니다.

배터리는 양극(양극)과 음극(음극) 사이에서 이온이 드리프트하며 전류를 제공합니다. 액체 용액(리튬 배터리에서 사용)에서 이온은 상온에서 더 쉽게 드리프트합니다.

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

리튬 배터리가 양이온(캐티온)을 사용하는 반면, 이 연구에서 개발된 불화물 배터리는 음전하(애니온)를 가집니다. 배터리에 음이온을 사용하는 것에는 여러 장점이 있지만, 자체 과제도 있습니다.

액체 전해질 용액 도움으로 양극과 음극 사이 이동하는 전하 원자 | 출처: Brett Savoie/퍼듀 대학

배터리를 더 오래 지속시키려면 많은 수의 이온을 이동시켜야 합니다. 양전하 이온(캐티온) 이동은 꽤 어렵지만, 음이온(애니온) 이동으로 비슷한 결과를 얻을 수 있습니다. 이들은 상대적으로 쉽게 이동합니다. 이 메커니즘의 주요 과제는 시스템을 적절한 전압에서 작동하게 만드는 것입니다.

결과

이 연구에서 연구자들은 다가 불화물 변환 반응이 높은 열역학적 반응 전위(3볼트 이상)와 체적 용량(1000Ah/리터 이상)을 가짐을 보였습니다. 따라서 불화물 배터리는 기존 리튬이온 기술의 이론적 값보다 최소 8배인 5000Wh/리터까지 이론적 에너지 밀도를 제공합니다.

불화물 배터리를 액체(고체 대신)에서 제대로 작동하게 만든 핵심 구성요소는 비스(2,2,2-트리플루오로에틸)에테르, 줄여서 BTFE라는 전해질 액체입니다. 불화물 이온을 안정하게 유지해 배터리에서 전자가 앞뒤로 쉽게 이동하게 합니다.

BTFE 분자로 둘러싸인 불화물 이온(분홍) | 출처: Brett Savoie / 퍼듀 대학

왜 이 용액이 작동했을까? BTFE의 어떤 특성이 불화물을 안정화시켰을까? 답을 찾기 위해 연구자들은 컴퓨터 시뮬레이션의 도움을 받았습니다. BTFE 용액을 변경해 첨가제로 수정하면 안정성과 성능을 향상시킬 수 있음을 발견했습니다.

참고: 마그네슘-이온 배터리, 리튬보다 더 효율적이고 안전

결과는 연구자들이 더 오래 지속되는 배터리 개발의 흥미로운 기술을 풀었음을 보여줍니다. 불화물 배터리가 컴백하고 있다고 말해도 틀리지 않을 것입니다.