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연구팀은 리튬 대체 물질로 저렴하고 풍부한 칼륨을 기반으로 하는 재충전 가능 배터리를 개발하고, 오래된 타이어에서 배터리 전극으로 탄소를 추출하는 방법을 개발하였다. 전자 장치, 전기 자동차 및 전력망 응용 분야의 충전식 배터리 성장은 리튬의 지속 가능성과 비용에 대한 우려로 지난 10년 동안 나트륨과 칼륨과 같은 금속 이온 배터리에 대한 조사가 활발히 진행되었다. 간헐적인 태양과 바람 에너지는 그리드를 위한 새로운 에너지 저장 시스템을 필요로 한다. 그러나, 리튬 자원의 세계적 이용과 비싼 추출 비용으로 대규모 에너지 저장을 위해 리튬 이온 배터리를 사용하기 힘들기 때문에 지구상에 풍부한 요소를 기반으로 하는 대체 에너지 저장 장치가 필요하다. 칼륨은 리튬보다 약 8 배 풍부하고 비용은 1/10로 싸다. 연구진은 탄소 나노 섬유를 칼륨 이온 전지의 양극으로 사용하였고, 이 양극을 가진 배터리는 최대 1,900 번의 충/방전 사이클 동안 훌륭한 성능을 보여 주었다. 탄소 나노 섬유는 전기 방사(electrospinning)로 만들어지는데, 고전압은 두 개의 전극 사이에 대전 폴리머 용액을 끌어당기고, 폴리머 섬유는 탄소 섬유로 바뀐다. 이 배터리는 단 6 분만 충전한 후 '합리적인 용량'을 보여 주었으며, 용량은 110 밀리 암페어/그램으로 기존 리튬 이온 배터리 충전 10 시간 후 용량의 1/3을 차지했다. 탄소 나노 섬유는 이온이 매우 짧은 거리만 이동해야 하기 때문에 배터리를 훨씬 빨리 충전할 수 있다. 이 방법은 흑연 분말을 고정시키는 '바인더' 또는 고분자 젤이 필요 없다. 나노 섬유 네트워크는 칼륨 입자를 저장하고 있으며, 배터리 무게를 감소시킬 수 있다. 또한, 새로운 유형의 칼륨 이온 전지를 만들기 위해 MXENE이라 불리는 세라믹 전기 전도성 물질의 판 모양 구조가 사용되었다. 충전 과정에서 이온이 삽입되는데, 이는 전류가 탄소 음극층 사이를 이동하여 전하를 쌓는 것을 의미한다. 칼륨은 리튬보다 더 큰 원자 직경을 가지고 있기 때문에 삽입하기가 더 어렵다. 그러나, 연구팀은 티타늄 탄질화물 (carbonitride)이라는 MXene으로 만들어진 판 모양 전극 구조를 개발하였다. MXene은 벽돌과 같은 구조를 가지고 있기 때문에 충전 중 이 벽돌 사이에 이온을 삽입할 수 있다. 물질의 형태와 구조를 조정하면 칼륨이 효과적으로 방전되고 방전되는 것을 보여준다. 칼륨을 사용하면 양극의 '전류 수집 장치'로서 알루미늄을 구리로 대체하여 값이 싼 배터리를 개발할 수 있다. 이와 함께 칼슘 이온 배터리용 탄소 양극을 만들기 위해 폐타이어에서 탄소를 추출했다. 타이어는 열분해라고 하는 절차가 뒤따르는 화학 처리 공정을 통해 경질 탄소라 불리는 탄소 형태로 환원되었다. 경질 탄소에서, 탄소층은 무작위로 배열되고, 이러한 무질서 배열은 칼륨 이온의 인터칼레이션 (intercalation)을 용이하게 한다. 이 연구는 탄소의 물질 공학이 칼륨 이온 인터칼레이션의 부피로 인한 몇 가지 문제를 어떻게 해결할 수 있는지를 보여 주며, 앞으로 이 배터리의 성능을 향상시킬 수 있는 전략을 제시할 것이다. |
