30년 2024월 XNUMX일
(나노 워크 스포트라이트) 재생 가능한 풍력 및 태양광 발전으로의 전환은 저렴한 대규모 에너지 저장 옵션이 부족하다는 점에서 중추적인 장애물에 직면해 있습니다. 비용 효율적인 그리드 수준 배터리가 없으면 변동 및 간헐성 문제로 인해 지속 가능한 발전을 광범위하게 채택하는 것이 비현실적입니다. 태양광 패널, 풍력 터빈과 같은 부품의 생산 비용을 줄이는 진전이 기대되는 가운데, 스토리지 기술이 해결해야 할 마지막 남은 장애물로 떠올랐습니다. 선도적인 배터리 회사의 집중적인 R&D에도 불구하고 널리 사용되는 리튬 이온 화학 물질은 이 응용 분야에 필요한 저렴한 가격, 안전성, 안정성 및 높은 사이클 수명의 조합을 달성하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 나트륨 이온 배터리의 새로운 잠재력은 다시 활력을 불어넣었지만, 그 성공은 희귀하거나 독성이 있는 물질을 과도하게 사용하지 않고 적합한 전극을 개발하는 데 달려 있습니다. 에 발표된 논문에서 고급 기능성 재료 (“차에서 추출한 지속가능한 소재”), Harvard University의 Xingcai Zhang 박사가 이끄는 팀은 폐차잎에서 추출한 혁신적인 재료를 사용하여 고성능 나트륨 이온 배터리 양극 개발을 자세히 설명합니다. 나트륨 이온 배터리를 널리 사용되는 리튬 이온 기술에 대한 실행 가능하고 저렴한 대안으로 만든 최근 발전을 바탕으로 연구원의 바이오매스 공급 양극은 차세대 저렴하고 지속 가능한 그리드 수준 에너지 저장을 가능하게 할 수 있는 특성을 보여줍니다. 나트륨 이온 배터리에 대한 이전 시도는 저렴한 비용을 달성했지만 리튬 이온 우위를 대체하기에는 충전 용량, 수명 및 충전 속도와 같은 성능 영역에서 너무 큰 어려움을 겪었습니다. 이 중 대부분은 나트륨 이온의 크기가 커질수록 배터리 구성 요소 내에서 빠른 움직임이 제한되기 때문에 기본적인 화학 문제에서 비롯됩니다. Zhang 박사의 차 잎 양극의 핵심 발전은 이러한 고유한 한계의 균형을 맞추는 방식에 있습니다. 간단한 1400단계 열분해 과정을 통해 연구원들은 생 차잎 줄기를 나트륨 이온 저장에 최적화된 "경질 탄소" 물질로 전환합니다. 기존 탄소 기반 양극과 비교하여 TS-70-HCl이라고 불리는 팀의 폐차 유래 경질 탄소는 전반적으로 크게 향상된 측정 항목을 제공합니다. 91% 더 높은 초기 용량, 첫 번째 충전/방전 주기에서 7% 더 높은 효율, 9주기 동안 500~1400배 더 긴 수명을 제공합니다. 중요한 점은 TS-XNUMX-HCl은 확장 가능한 산업 공정을 통해 저렴한 기본 구성 요소만을 사용하여 이러한 획기적인 성능을 달성한다는 것입니다.
TS-1400-HCl의 HRTEM 이미지. (Wiley-VCH Verlag의 허가를 받아 재인쇄) 연구원들은 TS-1400-HCl의 용량이 전구체 차잎 줄기와 전략적 산 처리에 의해 가능해진 구조적 향상에 기인한다고 생각합니다. 자연적으로 다공성인 바이오매스 구조는 전해질 침투를 촉진하는 동시에 나트륨 이온 흡착을 위한 충분한 결함과 공극을 유지합니다. 산 세척은 원료 형태의 용량 손실을 초래하는 불순물을 제거합니다. 이 두 가지 접근 방식은 흑연 유사 층 사이의 확장된 간격, 미세 기공과 중간 기공에 걸친 풍부한 흡착 사이트, 반복 충전에 대한 뛰어난 구조적 견고성을 부여하는 최적화된 탄소 양극을 생성합니다. 분광학 분석을 통해 Zhang 박사의 그룹은 TS-1400-HCl의 나트륨 이온 저장이 기공과 결함을 채우는 표면 흡착 공정을 통해 발생하고 벌크 전극에서 더 깊은 흑연 시트 사이에 층간 삽입이 발생함을 확인했습니다. 맞춤형 바이오매스 하드 카본 텍스처의 장점을 활용하는 이 이중 메커니즘은 소재를 최대한 활용하여 고용량과 전기 효율성을 보장합니다. 전체 나트륨 이온 코인 셀의 실제 타당성 테스트를 통해 TS-1400-HCl의 대량 생산 전극으로서의 가능성이 더욱 확고해졌습니다. 안정성을 위해 애노드를 준비하지 않고도 Dr. Zhang의 찻잎 풀 셀은 Na를 함유하고 있습니다.3V2(포4)3 양극은 여전히 상용 리튬 이온 배터리와 경쟁할 수 있는 1000사이클 이상의 뛰어난 수명과 에너지 밀도를 달성했습니다. 특수한 전처리 없이 이러한 준비 상태를 입증하는 것은 TS-1400-HCl의 실행 가능성과 비용 효율성을 강조합니다. 연구원들은 경질 탄소 양극을 생산하는 데 사용되는 저렴한 산 처리 및 어닐링을 통해 규모에 따라 kg당 약 5~7달러 정도의 경쟁력 있는 가격을 책정할 수 있을 것으로 추정합니다. 풍부한 원시 찻잎 자원과 결합하여(중국의 연간 생산량만 1억kg을 초과함) Zhang 박사 그룹은 그들의 바이오매스 접근 방식이 주류의 저렴한 배터리 재료로서 실질적인 지속 가능성과 긍정적인 환경 영향에 대한 강력한 잠재력을 가지고 있다고 믿습니다. 비용 절감 대신 성능 극대화에 초점을 맞춘 보완 양극재에 대한 지속적인 연구를 통해 TS-1400-HCl과 같은 전극을 통합한 나트륨 이온 배터리는 곧 대규모 청정 에너지 저장 및 분배 시스템의 대량 채택을 가능하게 할 수 있습니다. 폐기물을 와트로 전환함으로써 저렴하고 내구성이 뛰어나며 친환경적인 그리드 배터리의 출현이 한 걸음 더 가까워졌습니다.
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마이클
버거
– Michael은 Royal Society of Chemistry에서 다음 세 권의 책을 저술했습니다.
나노 사회 : 기술의 경계를 넓히다,
나노 기술 : 미래는 작다및
나노 엔지니어링 : 기술을 보이지 않게하는 기술과 도구
저작권 ©
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