5초 충전 알루미늄-그래핀 배터리는 –40°C ~ 120°C, 250,000사이클에서 작동합니다.

• 엔지니어들이 -40°C~120°C의 온도 범위에서 작동하고 5초 이내에 충전할 수 있는 새로운 배터리를 만들었습니다. 
• 250,000회 충방전 주기 후에도 용량의 91%를 유지할 수 있습니다. 
• 배터리는 10,000회 접을 수 있을 정도로 매우 유연합니다. 

중국 저장대학교 엔지니어들은 특히 충전 시간 측면에서 뛰어난 성능을 자랑하는 초고속, 전천후, 장주기 알루미늄 그래핀 배터리를 개발했습니다. 상업 생산이 시작되면 배터리는 5초 만에 완충되어 2시간 동안 지속된다.

이 배터리를 개발한 재료 및 엔지니어링 연구원들은 이 배터리가 내한성이 더 뛰어나고 인화성이 적으며 -40°C ~ 120°C의 온도 범위에서 작동할 수 있다고 주장합니다. 그러나 이러한 주장에 대해 의심스러운 시선을 던진 업계 전문가는 거의 없습니다.

배터리의 음극은 알루미늄으로, 양극은 그래핀으로 만들어졌습니다. 25만 회 충전-방전 주기 후에도 용량의 91%를 유지할 수 있어 오늘날의 리튬 배터리보다 훨씬 좋습니다. 전천후 에너지 장치용으로 제작되었으며 10,000번의 접힘을 견딜 수 있는 뛰어난 유연성을 갖추고 있습니다.

스마트폰과 통합하면 5초만에 충전이 가능하고 최대 2시간까지 사용할 수 있다. 또한 배터리는 매일 10번씩 충전해도 용량 손실 없이 최대 70년 동안 지속된다.

디자인과 성능

알루미늄 이온 배터리의 양극재를 만들기 위해 그들은 흑연, 그래핀, 황 및 금속 황화물을 선택했습니다. 흑연 탄소는 빠른 충전 및 안정적인 사이클링과 같은 기능을 제공합니다. 이러한 탄소 기반 음극의 경우 엔지니어는 4가지 요구 사항을 처리했습니다 –

1. 고결정화된 그래핀 격자
2. 대전류 전달 및 내부 분극 완화를 위한 연속 전자 전도성 매트릭스
3. 높은 기계적 강도와 영률로 재료 붕괴를 방지합니다.
4. 상호 연결된 채널로 높은 전해질 투과성과 이온 확산을 촉진합니다.

이러한 요구 사항을 충족하기 위해 그들은 습식 방사 또는 캐스트 코팅 산화 그래핀(GO) 액정 용액을 GO 필름으로 만든 다음 화학적 환원을 통해 환원된 GO(rGO) 필름을 형성하고 고온 어닐링하여 제작한 이상적인 그래핀 필름을 구축했습니다.

완벽하게 정렬된 그래핀 시트는 무방향성 그래핀 시트로 구성된 그래핀 폼보다 더 높은 전기 전도성과 기계적 특성을 제공합니다. rGO 필름은 섭씨 2,850도에서 추가로 어닐링되어 원자 결함을 복원하고 길고 연속적인 은색 그래핀 필름으로 전환되었습니다.

배터리의 성능은 주로 음극과 양극 사이에서 전자와 이온이 얼마나 빨리 이동하는지에 따라 달라집니다. 전극 재료는 가능한 한 많은 전자와 이온이 자유롭게 움직일 수 있도록 해야 합니다. 도로가 혼잡하면 성능에 영향을 미칩니다. 이것이 미세 구조의 품질, 방향 및 다공성을 관리해야 하는 이유입니다. 거시구조에는 전도성 네트워크, 이온 전달 채널 및 이온 채널이 있습니다.

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

이러한 설계 원리를 통해 알루미늄-그래핀 배터리는 큰 발전을 이루고 놀라운 성능을 제공할 수 있습니다. 기존 알루미늄 배터리 용량은 60mAh/g 안팎을 맴돌았고, 충방전 주기도 수천 회 미만이었다.

배터리로 ZJU-120 LED 조명 | 이미지 출처:저장대학교

테스트 후, 그래핀 양극 용량은 120mAh/g이며, 2,500만 회 충방전 주기 후에도 여전히 91%의 용량을 유지했습니다. 동시에 111mAh/g의 가역 용량을 유지하면서 1.1초 이내에 급속 충전이 가능했다.

일부 전문가들은 이번 조사 결과에 흥미를 느끼지 않습니다

업계 전문가인 중국 전기 자동차 충전 기술(China Electric Vehicle Charger Technology)의 부국장인 Zheng Jiatu에 따르면, 팀이 발표한 결과는 유망해 보이지 않습니다. "수치는 주의 깊게 읽어야 합니다." 25만 회 충전-방전 주기를 테스트하는 것 자체도 매우 오랜 시간이 걸립니다. 이러한 결과는 프로토타입 테스트가 아닌 시뮬레이션된 데이터 모델에서 수행된 실험일 가능성이 높습니다.

더욱이 상용화에는 명확하지 않은 몇 가지 사항이 필요합니다. 주요 요소에는 비용 성능, 특정 유형의 배터리 에너지 집약도, 안전성, 신뢰성 및 성숙한 비즈니스 모델이 포함됩니다. 그 밖에도 아직 상용화되지 않은 입증되고 준비된 기술이 많이 있습니다.

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그러나 연구팀은 극복해야 할 수많은 장애물이 아직 남아있다고 말했다. 그들은 '슈퍼' 배터리가 리튬이온 배터리보다 훨씬 좋다고 생각하지만, 여전히 개선해야 할 점이 많습니다. 또한 기존의 이온성 액체 전해질은 가격이 상당히 비싸기 때문에 더 저렴한 전해질을 찾을 수 있다면 알루미늄 이온 배터리의 사업 기회는 더 넓어질 것입니다.