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리튬의 높은 가격과 희귀성은 에너지 저장에서 미래 요구를 특별히 충족시킬 리튬 이온 배터리의 대체품들을 개발하도록 유도하고 있다고 잠재 대체 배터리에 관하여 기사를 쓴 퍼듀 대학 연구원들이 말했다. 

나트륨 이온 배터리는 나트륨의 낮은 가격과 자연 풍부성으로 인해 가능한 대체품으로 여겨지고 있다. 그러나 중요 진보들이 이런 가능성을 충족시키기 위해 나트륨 이온 기술에 요구된다고 화학 공학과 부교수인 빌라스 폴 박사가 전했다. 

이 기사는 폴 박사와 박사 과정 학생들인 아서 디사르트와 지아리앙 탕에 의해 보고 되었다. 

리튬 이온 배터리는 소비전자제품에서 전기차에 이르는 제품들 내에서 널리 사용되고 있다. 그러나, 대체 배터리에 대한 요구가 전력 그리드에서 사용되기 위한 태양과 바람과 같은 원천들에서 전력을 저장하기 위해 배터리 등이 포함되는 새롭게 확장되는 응용들에 의해 증가되고 있다. 

만약 다중 목표들을 위해 리튬 이온 배터리를 이용하기 시작하려면 이를 지속하기 위해 지구상 리튬이 충분하지 않아서 대체물질들을 찾아야 한다. 

연구원들은 나트륨 대체물질을 기능화하여 리튬 이온 배터리의 표준 국제 성분들을 대체하려고 한다. 

배터리는 양극과 음극으로 불리는 두 개의 전극들을 가지고 있다. 대부분 현재의 리튬 이온 배터리의 양극은 그라파이트라고 불리는 적층된 얇은 그래핀 층들로 만들어진다. 리튬 이온 배터리 내 리튬 이온들은 그들의 작은 크기로 인해 그래핀 층 사이에 쉽게 맞춰질 수 있다. 나트륨 이온 배터리에서 나트륨 이온은 그들의 큰 크기와 부피 특성으로 인해 가역적으로 그라파이트 층 사이를 통과할 수 없다. 나트륨 이온들은 충전 도중 그라파이트 층 내부로 들어가지만 방전 과정 중 되돌아오지 못한다. 

음극 쪽에서, 새로운 물질들은 리튬을 포함하는 물질들을 대체하기 위해 개발되어야 한다. 하나의 선택은 나트륨 코발트 산화물 음극들로 리튬 코발트 산화물 음극들을 대체하는 것이다. 나트륨 이온 배터리의 단점은 리튬 이온 배터리보다 약간 무겁다는 것이다. 그러나 리튬 이온 배터리에 비해 그들의 낮은 단가와 풍부성은 이 문제를 덜고 있다. 

나트륨 이온 배터리 주요 장점은 잠재적인 재정 혜택이다. 리튬은 세계에서 매우 희귀한 원소이어서 사실상 미래 리튬 부족을 경험할 수 있다. 

나트륨은 리튬보다 천 배 더 싸고 더 풍부하며 바닷물에도 존재하고 있다. 

폴 박사는 더 작은 양극과 배터리의 크기와 무게를 줄일 수 있어 양극의 용량을 잠재적으로 두 배 증가시키기 위해 주석과 안티모니와 같은 나트륨 합금 물질들로 결합하고 다양한 조절된 탄소들을 이용하여 나트륨 이온 배터리를 개선하기 위해 퍼듀에서 연구를 지도하고 있다. 

나트륨 합금 물질들을 이용하는 문제는 일단 나트륨 이온들이 높은 에너지 화학 결합을 형성하며 나타나는 큰 부피 팽창 효과이다. 이는 300 퍼센트 이상 확장될 것이고 배터리가 나트륨이 빠져나가 방전되면 축소된다. 이런 큰 팽창과 수축 비율은 장기적으로 양극이 파괴되는 원인이 될 수 있고 이런 확장을 줄이기 위해 구조들을 움직이는 대체 물질들에 대하여 연구하고 있다. 

아마 폐가 호흡을 하는 것과 비슷하게 국부적으로 팽창을 구속할 수 있을 것이다. 폐는 꽤 많이 팽창과 수축을 호흡할 때 일어나지만 겉모습은 팽창하지 않는 것처럼 보인다. 

탄소와 결합한 나트륨 합금 물질들은 일반적인 탄소 양극에서 제한들을 극복하여 더 높은 성능을 보여줄 것이다. 

그림 설명: 이 개략도는 나트륨 이온 배터리의 기능을 묘사하고 있다. 리튬의 높은 가격과 희귀성은 에너지 저장에서 미래 요구를 기본적으로 충족시키기 위해 리튬 이온 배터리의 대체품을 연구하도록 유도하고 있다. 

참고 자료: "Advancement in sodium-ion rechargeable batteries," Current Opinion in Chemical Engineering, Volume 9, August 2015, Pages 34-41, ISSN 2211-3398, dx.doi.org/10.1016/j.coche.2015.08.007 

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2015-09-28






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