5초 충전, -40°C~120°C 작동, 25만 사이클 수명의 알루미늄-그래핀 배터리 개발

• 엔지니어들이 -40°C에서 120°C 온도 범위에서 작동하며 5초 만에 충전되는 새로운 배터리를 개발했습니다.
• 25만 회 충방전 후에도 용량의 91%를 유지합니다.
• 배터리는 극도로 유연하여 1만 번 접어도 견딥니다.

중국 저장대학교 엔지니어들이 초고속, 전천후, 장수명 알루미늄-그래핀 배터리를 개발했습니다. 이 배터리는 특히 충전 시간 측면에서 탁월한 성능을 자랑합니다. 상용화되면 5초 만에 완충되어 2시간 동안 사용할 수 있습니다.

배터리를 개발한 소재 및 공학 연구진은 이 배터리가 더 내한성이 강하고, 인화성이 낮으며, -40°C~120°C 온도 범위에서 작동한다고 주장합니다. 그러나 일부 업계 전문가들은 이러한 주장에 의문을 제기하고 있습니다.

배터리의 음극은 알루미늄, 양극은 그래핀으로 만들어졌습니다. 25만 회 충방전 후에도 용량의 91%를 유지하며, 이는 현재 리튬 배터리보다 훨씬 뛰어납니다. 전천후 에너지 장치로 설계되었으며, 1만 번 접어도 견디는 놀라운 유연성을 가졌습니다.

스마트폰에 적용하면 5초 충전으로 2시간 사용이 가능하며, 하루 10회 충전해도 70년 동안 용량 저하 없이 사용할 수 있습니다.

설계 및 성능

알루미늄 이온 배터리의 양극 소재로 흑연, 그래핀, 황, 금속 황화물을 선택했습니다. 그래핀 탄소는 급속 충전과 안정적인 사이클링 특성을 제공합니다. 이러한 탄소 기반 양극을 위해 엔지니어들은 4가지 요구사항을 충족시켰습니다.

1. 고결정성 그래핀 격자.
2. 대전류 수송과 내부 분극 완화를 위한 연속적인 전자 전도 매트릭스.
3. 소재 붕괴를 방지하기 위한 높은 기계적 강도와 영률.
4. 전해질 투과성과 이온 확산을 촉진하는 상호 연결된 채널.

이 요구사항을 충족하기 위해 그래핀 산화물(GO) 액정 용액을 습식 방사 또는 주조 코팅하여 GO 필름을 만든 후, 화학적 환원으로 환원된 GO(rGO) 필름을 형성하고 고온 어닐링을 통해 이상적인 그래핀 필름을 제작했습니다.

완벽하게 정렬된 그래핀 시트는 비정렬 그래핀 시트로 구성된 그래핀 폼보다 더 높은 전기 전도성과 기계적 특성을 보입니다. rGO 필름을 2850°C에서 추가 어닐링하여 원자 결함을 복구, 길고 연속적인 은색 그래핀 필름으로 변환했습니다.

배터리 성능은 주로 음극과 양극 사이에서 전자와 이온이 얼마나 빠르게 이동하는지에 달려 있습니다. 전극 소재는 가능한 많은 전자와 이온이 자유롭게 이동할 수 있어야 합니다. 길이 혼잡하면 성능이 저하되므로, 미세 구조의 품질, 배향, 다공성, 거시 구조의 전도 네트워크, 이온 수송 채널, 이온 채널을 관리해야 합니다.

참고: Sciencemag | DOI: 10.1126/sciadv.aao7233 | 저장대학교

이 설계 원칙 덕분에 알루미늄-그래핀 배터리는 큰 발전을 이루며 놀라운 성능을 제공합니다. 이전 알루미늄 배터리의 용량은 약 60mAh/g에 머물렀고, 충방전 사이클도 수천 회 미만이었습니다.

배터리로 ZJU-120 LED 점등 | 이미지 출처: 저장대학교

테스트 결과, 그래핀 양극 용량 120mAh/g, 2500만 회 충방전 후에도 용량의 91%를 유지했습니다. 동시에 1.1초 만에 급속 충전되며, 111mAh/g의 가역 용량을 유지했습니다.

일부 전문가들은 연구 결과에 회의적

중국 전기차 충전 기술 부문 부국장 정자투(Zheng Jiatu) 등 업계 전문가에 따르면, 연구팀이 발표한 수치는 유망해 보이지 않습니다. "수치는 신중하게 읽어야 한다"며, 25만 회 충방전 테스트 자체도 매우 오랜 시간이 걸리기 때문에, 이 결과는 시제품 테스트가 아닌 시뮬레이션 데이터 모델 실험일 가능성이 높다고 지적합니다.

또한 상용화에는 비용 성능, 배터리 에너지 밀도, 안전성, 신뢰성, 성숙한 비즈니스 모델 등 불확실한 요소들이 많습니다. 이미 검증된 기술들도 아직 상용화되지 못한 경우가 많습니다.

참고 읽기: 마그네슘 이온 배터리, 리튬보다 효율적이고 안전하다

하지만 연구팀은 여전히 넘어야 할 수많은 장애물이 있다고 인정합니다. 이들은 '슈퍼' 배터리가 리튬 이온 배터리보다 훨씬 우수하지만, 아직 개선할 점이 많다고 믿습니다. 또한 기존 이온 액체 전해질이 비싸기 때문에, 더 저렴한 전해질을 찾으면 알루미늄 이온 배터리의 사업 기회가 더 넓어질 것이라고 덧붙였습니다.