배터리 적용은 매우 중요한 의미를 지닙니다. 전력 배터리는 운송 분야의 전동화의 핵심이며, 간접적으로 이산화탄소 배출량의 현저한 감소를 촉진할 수 있습니다. 에너지 저장 분야에서 배터리 적용은 재생 에너지 전력 공급의 안정성과 신뢰성을 보장할 수 있습니다.
하지만 어떻게 하면 배터리를 저렴하고, 높은 에너지 밀도를 가지며, 더 긴 수명을 가질 수 있을까요? 과학자들은 끊임없이 탐구하고 있으며, 다양한 기술 경로도 그 마법을 보여주고 있습니다. 리튬 이온 배터리는 현재 주류입니다.
이제 기존 리튬 이온 배터리의 7배 이상인 배터리 에너지 밀도를 가질 뿐만 아니라, 전기 에너지를 출력하면서 이산화탄소를 탄산염과 탄소로 고정할 수 있는 새로운 기술이 있습니다. 그것은 리튬-이산화탄소 배터리(Li-CO2 배터리)입니다.
리튬-이산화탄소 배터리는 에너지 저장과 탄소 격리의 이중적인 장점을 가지고 있어 '일석이조'라고 할 수 있습니다.
광범위한 응용 전망을 가진 이 새로운 전기화학 에너지 저장 시스템은 처음부터 과학 연구자들의 연구 관심을 끌었습니다.
그러나 새로운 기술의 개발과 적용은 단계별로 구현되어야 합니다. 연구자들은 리튬-이산화탄소 배터리의 개발이 아직 초기 단계에 있다고 말했습니다. 예를 들어, 가장 중요한 촉매의 생산 방법은 여전히 상대적으로 느리고 비효율적입니다. 효율적인 전기 촉매를 찾고 그 반응 메커니즘을 깊이 이해하는 것이 필요합니다.
따라서 서리 대학교, 임페리얼 칼리지 런던, 베이징 대학교는 최근 리튬-이산화탄소 배터리 촉매의 평가 및 개발을 가속화하는 데 도움이 되는 새로운 전기화학 테스트 플랫폼을 개발했습니다. 기존 방법과 비교하여 이 새로운 방법은 매우 비용 효율적이고 효율적이며 제어가 가능하며, 리튬-이산화탄소 배터리 개발 및 적용에 직면한 문제를 극복할 것으로 예상됩니다.
리튬-이산화탄소 배터리의 과거와 현재
현대적 의미의 2차(충전 가능) 리튬 이온 배터리는 1983년에 탄생했으며, 이는 당시 리튬 이온 배터리 개발을 촉진하는 데 핵심적인 역할을 한 아키라 요시노 박사가 노벨 화학상을 수상할 수 있게 했습니다.
이후, 더 많은 장비와 제약 조건의 사용 요구 사항을 충족하기 위해 연구자들은 리튬-산소(Li-O2) 배터리(즉, 리튬-공기 배터리)에 대한 연구에 지속적으로 투자했습니다. 오늘날의 리튬-이산화탄소 배터리도 이를 기반으로 개발되었습니다.
리튬-이산화탄소 배터리는 배터리가 충전될 때 리튬 이온이 배터리의 양극에서 전해질을 통해 음극으로 이동하는 원리로 작동합니다. 음극으로 사용되는 탄소는 많은 미세 기공을 가진 층상 구조를 가지고 있습니다. 음극에 도달한 리튬 이온은 탄소층의 미세 기공에 삽입됩니다. 따라서 삽입된 리튬 이온이 많을수록 충전 용량이 높아집니다.
마찬가지로, 배터리 사용(방전) 중에는 음극의 탄소층에 삽입된 리튬 이온이 빠져나와 양극으로 다시 이동합니다. 양극으로 돌아가는 리튬 이온이 많을수록 방전 용량이 높아집니다.
뛰어난 개발 잠재력을 가진 충전식 배터리인 리튬-이산화탄소 배터리는 매우 높은 에너지 밀도를 가지며, 더 높은 에너지 밀도를 가진 배터리는 단위 부피당 더 많은 전기를 저장할 수 있습니다.
현재 주류 리튬 인산철 배터리의 에너지 밀도는 200Wh/kg 미만이며, 삼원계 리튬 배터리의 에너지 밀도는 200-300Wh/kg 사이인 것으로 알려져 있습니다. 중국 과학원 원사 쑨스강은 현재 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도가 한계에 근접했다고 말했습니다. 리튬-이산화탄소 배터리의 이론적 에너지 밀도는 1876Wh/kg로, 일반 리튬 이온 배터리의 7배 이상입니다.
뿐만 아니라, Li-CO2 배터리의 가역적인 전기화학 반응: 4Li + 3CO2 =2Li2CO3 + C (E0 = 2.80 V vs Li/Li+)는 CO2를 고정하는 새로운 방법이기도 합니다. 기존의 CO2 고정 방법은 지속적인 에너지 공급을 필요로 합니다. 이 에너지 공급이 화석 연료 생산 능력을 기반으로 한다면, 더 많은 CO2가 배출될 것입니다. 이에 비해 리튬-이산화탄소 배터리는 훨씬 더 깨끗한 방식으로 탄소를 격리합니다.
리튬-이산화탄소 배터리는 기후 변화에 대처하는 데 이중적인 기여를 할 수 있는 핵심 배터리 기술이자 중요한 탄소 격리 기술이라고 할 수 있습니다.
하지만 아직 개발 초기 단계에 있습니다. 리튬-이산화탄소 배터리의 성능에 영향을 미치는 많은 요인이 있습니다.
배터리 반응 과정에서 주 방전 생성물인 탄산리튬(Li2CO3)은 광대역 갭 절연체로, 충전 시 분해 속도를 늦추게 합니다. 사이클 동안 Li2CO3는 불완전한 분해와 비가역적 변환을 겪습니다. 음극 표면에 고체 탄산염 물질이 형성되고 축적되면 Li-CO2 배터리의 전기화학적 성능이 현저하게 저하되어 결국 '급사'로 이어집니다.
이 문제를 해결하기 위해 방전 및 충전 중 변환 반응 속도를 가속화하는 양방향 촉매를 개발하는 것이 Li-CO2 배터리의 에너지 효율과 사이클 수명을 향상시키는 핵심입니다.
다기능 전기화학 테스트 플랫폼의 용도는 무엇입니까?
해당 과제를 해결하기 위해 서리 대학교, 임페리얼 칼리지 런던, 베이징 대학교의 연구자들은 여러 작업을 동시에 수행할 수 있는 다기능 온칩 전기화학 테스트 플랫폼을 설계했습니다. 이 플랫폼은 고성능 리튬-CO2 배터리에서 전기 촉매 스크리닝, 작동 조건 최적화, CO2 변환 연구를 용이하게 합니다.
연구자들은 기존의 Li-CO2 배터리 촉매 탐구 방법은 주로 시행착오 방법과 단일 모드 특성화/테스트 기술에 의존하여 시간과 효율성이 떨어진다고 말했습니다.
따라서 촉매를 신속하게 스크리닝하고 짧은 시간과 나노 규모의 공간 해상도로 다중 모드 특성화 테스트를 수행하여 Li-CO2 배터리의 새로운 기술을 보다 포괄적으로 이해하고 개발을 가속화하기 위해 간소화된 다기능 테스트 플랫폼을 구축하는 것이 필요합니다.
연구자들이 개발하고 설계한 '랩온어칩 LCB 플랫폼'은 삼전극 전기화학 테스트, 촉매 스크리닝, 화학 조성 및 형태학적 진화의 현장 감지 기능을 갖추고 있습니다.
이 플랫폼을 사용하여 연구자들은 일련의 후보 촉매가 변환 반응을 촉진할 수 있는 잠재력을 체계적으로 평가하고 가역성 및 반응 경로를 연구했습니다.
후보 촉매에는 고밀도 나노 입자 상태의 백금, 금, 은, 구리, 철 및 니켈이 포함됩니다. 마지막으로 백금 나노 입자를 촉매로 사용하면 배터리가 명확한 최소 분극 성능(0.55 V), 최고 가역성 및 새로운 반응 경로를 보이며 우수한 성능을 나타내는 것으로 밝혀졌습니다. 이 실험 결과는 또한 리튬-이산화탄소 배터리의 개발 잠재력을 보여줍니다.
연구자들은 리튬-이산화탄소 배터리(LCB) 플랫폼이 다음을 포함한 추가 탐구에서 중요한 역할을 할 수 있다고 말합니다:
(1) 마이크로 유체 시스템을 통합하거나 플랫폼에 다양한 준고체 전해질을 패턴화하여 리튬-이산화탄소 배터리 반응에 안정적인 용매를 가진 전해질을 스크리닝합니다.
(2) 리튬-이산화탄소 배터리에 대한 다른 전리튬화된 양극을 탐색하거나 스크리닝합니다.
"음의 배출을 위한 새로운 기술을 개발하는 것은 매우 중요합니다. 우리의 랩온어칩 플랫폼은 이를 달성하는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다. 또한 금속-공기 배터리, 연료 전지 및 광전기화학 전지와 같은 다른 시스템에도 적용될 수 있습니다." 임페리얼 런던의 수석 강사인 Yulong Zhao가 말했습니다.
전반적으로 LCB 플랫폼의 설계는 촉매의 신속한 스크리닝, 반응 메커니즘 연구, 나노 과학에서 최첨단 탄소 제거 기술에 이르기까지 리튬-이산화탄소 배터리 개발에 직면한 문제를 극복할 것으로 예상됩니다.