그래핀 배터리란 무엇입니까? [간단한 개요]

요즘 배터리 기술이 많이 발전했습니다. 그러나 사람들이 절대 만족할 수 없는 것이 있다면 배터리 수명 연장에 대한 약속입니다. 한 번 충전으로 노트북과 스마트폰을 일주일 내내 집중적으로 사용할 수 있다면 좋지 않을까요? 또는 전기 자동차가 몇 분 안에 완전히 충전될 수 있다면 어떨까요?

그래핀 배터리로 모든 것이 가능합니다.

그래핀은 현재 가장 많이 연구된 전하 저장 재료입니다. 전 세계의 다양한 실험실에서 얻은 결과는 에너지 저장 산업에 혁명을 일으킬 잠재력을 확인시켜줍니다.

2004년에 발견된 그래핀은 완전히 말릴 수 있는 배터리, 더 작은 커패시터, 고용량 및 고속 충전 장치, 투명 배터리와 같이 향후 10년 동안 에너지 저장 장치를 위한 많은 새로운 기능을 제시할 수 있습니다.

판도를 바꾸는 이 기술에 대해 더 깊이 파고들어 기존 리튬 이온 배터리와 어떻게 다른지, 응용 분야는 무엇이며, 왜 그렇게 중요한지 알아보겠습니다.

그래핀 배터리란 정확히 무엇입니까?

2차원 벌집형 격자로 배열된 탄소 원자 시트인 그래핀은 독특한 특성으로 인해 '경이로운 물질'로 인식되고 있습니다. 열과 전기의 우수한 전도체이며, 놀랍도록 유연하고 거의 투명하며 같은 두께의 강철보다 100배 강하고 매우 가볍습니다.

2차원 벌집 격자로 배열된 그래핀의 원자

또한 이 소재는 친환경적이고 지속 가능하기 때문에 광범위한 응용 분야에서 무한한 가능성을 가지고 있습니다. 그 유망한 응용 분야 중 하나는 차세대 배터리입니다.

그래핀은 다양한 종류의 배터리에 통합될 수 있습니다. 금속-공기, 산화환원 흐름, 리튬-금속, 리튬-황, 그리고 더 중요한 것은 리튬 이온 배터리입니다. 음극 및 양극 모두에 적합한 다양한 버전으로 화학적으로 처리할 수 있습니다.

그래핀으로 만든 배터리는 휴대용 장치와 전기 자동차의 모든 것에 전력을 공급할 수 있습니다. 기존 상용(리튬 이온) 배터리보다 더 많은 전력을 보유하고 수명 주기가 더 깁니다.

배터리로서의 그래핀은 또한 엄청나게 빠르게 충전 및 방전할 수 있는 슈퍼커패시터로 사용될 수 있습니다. 사실, 그들은 문명이 마침내 유해한 화석 연료에서 멀어지도록 도울 수 있습니다.

기존 배터리와 어떻게 다릅니까?

그래핀 배터리 기술은 리튬 이온 배터리와 유사합니다. 두 개의 고체 전극과 이온의 흐름을 가능하게 하는 전해질 용액이 있습니다. 그러나 일부 그래핀 배터리에는 고체 전해질이 있습니다.

주요 차이점은 하나 또는 두 전극의 구성 요소에 있습니다. 기존 배터리에서 양극(양극)은 전체가 고체 물질로 만들어졌습니다. 그러나 그래핀 배터리에서 음극은 그래핀과 고체 금속 물질을 포함하는 하이브리드 구성 요소로 구성됩니다.

전극에 사용되는 그래핀의 양은 고체 물질의 효율성과 성능 요구 사항에 따라 다릅니다. 또한, 양극인 그래핀은 고용량 및 우수한 속도 성능을 제공합니다.

현재 과제

최근 몇 년 동안 연구자들은 상업적으로 이용 가능한 배터리를 능가하는 다양한 그래핀 기반 배터리를 시연했습니다. 그러나 기술은 아직 시장에 진입하지 않았습니다. 두 가지 주요 장애물은 여전히 ​​극복해야 합니다.

<올>

고품질 그래핀을 대량으로 생산하기 위한 효율적인 공정 부재

현재 생산 비용이 엄청나게 높습니다.

그래핀 1kg을 생산하는 데는 수만 달러가 소요됩니다. 재료 품질 요구 사항에 따라 금액이 다릅니다. 현재 슈퍼커패시터에 사용되는 활성탄은 저렴한 가격(kg당 15달러)으로 구할 수 있어 다른 소재의 상용화가 매우 어렵다.

그래핀 배터리의 12가지 새로운 기능

머지 않아 그래핀은 현재 기술로는 불가능한 놀라운 기능을 갖춘 차세대 에너지 저장 장치를 구축할 수 있습니다.

1. AC 라인 필터링 기능이 있는 슈퍼커패시터

수직으로 배향된 그래핀 시트를 기반으로 하는 전기 이중층 커패시터는 매우 빠르게(밀리초 미만) 충전/방전될 수 있습니다. 그래핀 옥사이드, 그래핀-CNT(Carbon NanoTube) 카페트, 그래핀 양자점을 비롯한 수십 가지 재료가 AC 라인 필터링에 대해 테스트되었습니다.

이러한 초고속 슈퍼커패시터는 현재 전자 제품에 사용되는 대형 전해 커패시터를 대체하여 전자 장치를 더 가볍고 작게 만들 수 있습니다.

2. 유연한 에너지 저장 장치

기존의 배터리와 슈퍼커패시터는 딱딱하기 때문에 구부리면 전해액이 새거나 셀이 손상될 수 있다. 그러나 1원자 두께의 2차원 구조를 가진 그래핀은 손상 없이 표면에 수직인 방향으로 변형될 수 있습니다.

이러한 고유한 기계적 유연성 외에도, 경이적인 전기적 특성 및 넓은 표면적은 그래핀을 유연한 배터리의 유망한 재료로 만듭니다.

3. 신축성 배터리 및 슈퍼커패시터

신축성 있는 에너지 저장 장치는 미세 벌집 모양의 그래핀-CNT/활물질 복합 전극의 구조적 신축성과 물리적으로 가교된 겔 전해질을 활용하여 만들 수 있습니다.

신축성 기판 위의 그래핀-CNT/활물질 필름 | 크레딧:ACS 나노

얽힌 탄소 나노튜브와 그래핀 시트를 통해 상호 연결된 활성 물질은 기계적으로 안정적인 다공성 네트워크 프레임워크를 제공하는 반면 벌집 구조의 안쪽으로 돌출된 프레임워크는 변형 시 구조적 스트레칭을 허용합니다.

4. 고속 충전 리튬 이온 배터리

그래핀은 전극에서 더 빠른 이온 및 전자 전달을 가능하게 하기 때문에 그래핀이 장착된 리튬 이온 배터리는 훨씬 짧은 시간에 충방전이 가능합니다.

예를 들어, 나노스케일 LiFePO₄ 가 탑재된 리튬 이온 배터리 음극 및 Li₄ Ti₅ O₁₂ 유연한 그래핀 폼의 양극 물질은 단 18초 만에 완전히 충전될 수 있습니다. 순수한 그래핀은 양극에서도 사용되어 용량과 초고속 충방전 속도를 향상시킬 수 있습니다.

5. 웨어러블 기기용 배터리

동축 및 코어-시스 전극의 최근 발전으로 인해 전극 재료와 집전체를 단일 실로 결합하는 것이 가능해졌으며, 이는 직물로 직접 직조되거나 편직될 수 있습니다.

그래핀은 다기능 극세사 섬유로 효과적으로 조립되어 직물로 짜여질 수 있습니다. 그래핀 코어-시스 마이크로파이버는 기존의 직조 방법을 사용하여 직물에 통합할 수 있는 유연하고 신축성 있는 슈퍼커패시터(높은 면적 커패시턴스 포함)를 시연하는 데 이미 사용되었습니다.

6. 경량 기기용 초박형 집전체

기존 배터리는 전극과 외부 회로 사이의 전자 흐름을 용이하게 하기 위해 두께 20-80 마이크로미터의 금속박 집전체(구리, 알루미늄, 니켈 등)를 사용합니다. 이러한 금속은 전하를 저장하지 않기 때문에 배터리의 전체 에너지 밀도를 감소시킵니다. 또한 부식으로 인해 셀의 내부 저항과 배터리 수명에 부정적인 영향을 미칩니다.

반면에 그래핀은 더 나은 대체 전류 수집기입니다. 높은 전기 전도성, 낮은 밀도를 가지며 극한의 작동 조건에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다. 그래핀은 표면에 잔물결과 주름이 있는 필름으로 쉽게 변형될 수 있어 활성 물질과의 전기적 접촉이 향상됩니다(이는 세포 저항을 더욱 감소시킵니다).

7. 투명 배터리 및 슈퍼커패시터

높은 전도성과 적절한 투명도(최대 97.7% 투과율)로 인해 그래핀은 투명 배터리를 보다 효율적으로 만드는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 투명 에너지 저장 소자 개발뿐만 아니라 스마트 윈도우, 태양전지, 각종 광전자기기 등의 전극소재로 활용될 수 있다.

8. 더 오래 지속되는 배터리

오늘날의 리튬 이온 배터리는 흑연 양극을 사용합니다. 흑연을 그래핀으로 대체하여 에너지 밀도를 높일 수 있습니다.

접힌 그래핀 종이, 다공성 그래핀 필름 및 용매화된 그래핀 프레임워크 형태의 그래핀 전극은 기존 흑연 전극보다 3배 더 많은 용량을 제공하여 전기 자동차의 경우 더 긴 범위와 휴대용 장치의 경우 더 긴 작동 시간을 약속합니다.

용량과 전력 밀도는 그래핀 양극에 질소와 붕소를 도핑하여 더욱 향상될 수 있습니다.

9. 고체 전해질 및 분리막으로서의 산화 그래핀

산화 그래핀은 좋은 전자 절연체입니다. 그것은 살아있는 고체 전해질과 전극 분리기로 동시에 사용될 수 있습니다. 일부 연구에 따르면 고체 전해질로 작용하는 산화 그래핀 필름은 높은 정전용량을 나타내지만 유전체 커패시터와 유사한 감지할 ​​수 없는 이온 확산을 보입니다.

이러한 관찰은 연구원들이 전해질 누출 위험의 원인이 되는 이온 확산을 겪지 않는 초고속, 경량, 에너지 밀도 커패시터를 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.

10. 배터리의 에너지 밀도를 가진 슈퍼커패시터

[다공성 및 조밀한] 그래핀 폼으로 만든 슈퍼커패시터는 납산 배터리에 필적하는 초고에너지 밀도를 갖는 경향이 있습니다. 이 그래핀 폼은 그래핀의 기저면에 작은 구멍을 파고 첨단 유압 장비로 압축하여 만듭니다.

기존 슈퍼커패시터에 비해 그래핀 슈퍼커패시터의 주요 이점은 수용성 전해질로 작동하고 정교한 '건조실' 어셈블리 없이 제조할 수 있다는 것입니다.

11. 반투성 산화 그래핀 막

그래핀 옥사이드 멤브레인은 다양한 고유한 차단 특성을 나타냅니다. 건조한 상태에서 이 막은 수증기를 제외한 모든 것에 대해 불투과성입니다. 물에서 분자체 역할을 하여 큰 이온은 차단하고 작은 이온은 쉽게 이동합니다.

이러한 특징은 슈퍼커패시터, 배터리 및 연료 전지를 위한 차세대 이온 선택성 멤브레인의 개발로 이어질 수 있습니다.

12. 바인더 및 무첨가 전극

바인더와 첨가제를 합하면 전극 질량의 최대 40%를 차지합니다. 전하를 저장하지 않아 전체 에너지 밀도를 감소시키기 때문에 '데드 매스'라고 합니다.

그러나 그래핀은 높은 전기 전도성으로 자립형 2D 및 3D 구조로 조립될 수 있기 때문에 바인더 및 전도성 에이전트를 추가하지 않고 그래핀을 전극에 직접 통합할 수 있습니다.

읽기:솔리드 스테이트 배터리 [간단한 개요]

최근 연구

최근 10년 동안 과학자들은 기존 배터리의 종합적인 전기화학적 성능과 신뢰성을 개선하는 데 집중해 왔습니다. 그들은 그래핀 합성물이 장착된 다양한 버전의 배터리를 개발하고 테스트했습니다.

최적화된 그래핀/실리콘 나노복합체 기반 리튬 이온 배터리

연구원들은 손쉬운 템플릿 자기 조립 방법을 사용하여 최적화된 환원 그래핀 산화물/실리콘 합성물을 제작했습니다. 그래핀은 실리콘 나노입자를 균일하게 지지하여 3차원 네트워크를 형성합니다(분자간 상호작용 강화 및 비표면적 증가로 인해).

최적화된 RGO/Si 합성물의 합성 전략 | 출처:ACS 간행물

전기전도도와 구조적 안정성을 모두 높여주는 안정적인 고체-전해질 계면시트로 사용이 가능합니다.

그래핀 기반 파우치 셀

그래핀 기반 준고체 리튬 산소 배터리는 기존 리튬 이온 폴리머 배터리보다 더 높은 중량 및 체적 에너지 밀도를 제공합니다. 3D 다공성 그래핀 음극, 다공성 그래핀/Li 양극, 산화환원 매개체 변형 겔 고분자 전해질로 구성됩니다.

그래핀 기반 Li-O2 배터리 개략도 | 크레딧:자연

이 연구는 대용량에서 안정적인 사이클링과 낮은 충전 과전위를 갖춘 안전하고 안정적인 리튬-산소 배터리 개발을 위한 새로운 길을 열어줍니다.

용량 에너지 저장용 그래핀 라미네이트 필름

2020년에 연구원 팀은 고효율 기공 활용이 가능한 독립형 그래핀 라미네이트 필름 전극을 설계했습니다. 필름의 층간 간격을 조절하여 기공도 설정이 용이합니다. 모공을 최적으로 활용하기 때문에 체적 커패시턴스가 극대화됩니다.

유연한 그래핀 슈퍼커패시터는 기존 것보다 10배 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다 | 크레딧:유니버시티 칼리지 런던

이러한 유형의 슈퍼커패시터는 5,000사이클 후에 에너지 용량의 97.8%를 유지할 수 있습니다. 또한 매우 유연합니다. 평평하게 누웠을 때와 180도 구부러졌을 때 거의 동일한 성능을 발휘합니다.

레이저 유도 그래핀 기반 전극

과학자들은 단일 펄스 레이저 광자 감소 스탬핑을 통해 유연한 마이크로 슈퍼커패시터를 제작했습니다. 이 방법을 사용하면 초당 1,000개의 공간형 레이저를 생성할 수 있으며 10분 이내에 30,000개 이상의 마이크로 슈퍼커패시터를 생성할 수 있습니다.

1센티미터 정사각형 영역에 30,000개 이상의 MSC가 제작됨 | 출처:Beijing Institute of Technology

이 레이저 유도 그래핀 기반 전극은 뛰어난 비정전용량, 초단시간 시정수, 초고에너지 밀도 및 장기 사이클 가능성을 나타냅니다.

시장

그래핀 연구는 인간의 삶을 더 좋게 만든다는 약속과 함께 향후 10년 동안 계속 확장될 것입니다. 2019년 글로벌 그래핀 배터리 시장의 가치는 4,900만 달러였으며 2027년에는 약 3억 9,900만 달러에 이를 것으로 예상되며 예측 기간 동안 31% 이상의 CAGR(연간 복합 성장률)을 기록합니다.

시장 성장은 전기 자동차, 휴대용 전자 장치의 그래핀 배터리 사용 및 비전통적 에너지 자원의 채택 급증에 의해 주도됩니다. 자동차 부문은 환경 문제로 인해 전기 자동차에 대한 수요가 증가함에 따라 가장 높은 성장률을 보일 것으로 예상됩니다.

읽기:10가지 유형의 배터리 | 설명

지역별로는 아시아태평양 지역이 그래핀 배터리 산업에서 가장 큰 비중을 차지할 것으로 예상된다. 수요 증가에 기여하는 주요 국가는 중국, 일본 및 한국입니다. 유럽은 세계 그래핀 배터리 시장에서 두 번째로 큰 점유율을 차지할 것으로 보입니다.