더 두껍고, 더 밀도가 높으며, 더 우수함: 새로운 전극이 고급 배터리의 열쇠가 될 수 있습니다.

2023년 8월 16일

제이미 오버딕

펜실베니아주 유니버시티파크 — 세계가 에너지 소비를 더욱 전기 구동 시스템으로 전환하고 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고 기후 개선 노력을 우선시함에 따라 특히 전기 자동차에 사용되는 고성능 배터리에 대한 수요가 급증하고 있습니다. 배터리 성능과 생산을 개선하기 위해 Penn State 연구원과 협력자들은 에너지와 전력 수준을 유지하는 보다 효율적인 배터리를 만들 수 있는 새로운 제조 접근 방식을 개발했습니다.

Hongtao Sun에 따르면 배터리 전극을 제조하는 향상된 방법은 보다 에너지 효율적인 전기 자동차를 가능하게 하는 고성능 배터리는 물론 전력망 저장을 향상시키는 등의 이점을 가져올 수 있다고 합니다. Sun은 Penn State의 산업 및 제조 공학 조교수이자 Carbon의 표지에 게재된 이 연구의 공동 교신저자입니다.

Sun은 "현재 배터리를 사용하여 더 먼 거리를 운전할 수 있기를 원하며, 주유소를 채우는 데 걸리는 시간과 비슷한 5분, 10분 안에 자동차를 충전할 수 있기를 원합니다."라고 말했습니다. "우리 작업에서 우리는 능동 구성 요소의 비율을 높이고 수동 구성 요소의 비율을 낮추어 전극과 배터리 셀을 보다 컴팩트하게 만들어 이를 달성할 수 있는 방법을 고려했습니다."

전기 자동차 제조업체는 차량의 주행 거리를 개선하려는 경우 수천 개에 달하는 배터리 셀을 추가합니다. Sun에 따르면 더 작고 가벼울수록 좋습니다.

Sun은 "전기 자동차의 더 긴 주행 거리를 위한 솔루션은 단지 소형 배터리를 추가하는 것인데, 더 조밀하고 두꺼운 전극을 사용하는 것"이라며 이러한 전극이 배터리 구성 요소를 더 잘 연결하고 전력을 공급하여 더 활동적으로 만들 수 있다고 설명했습니다. 이러한 접근 방식은 전극 무게당 배터리 성능을 약간 감소시킬 수 있지만, 배터리 패키지의 무게와 전기 자동차를 움직이는 데 필요한 에너지를 줄여 차량의 전반적인 성능을 크게 향상시킵니다.”

배터리 내 전기의 일종의 관문인 보다 효율적인 전극은 활성 구성 요소의 비율이 더 높은 배터리를 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다.

"배터리 내부의 핵심 부품을 생각해보면 전극만이 배터리 성능에 기여합니다. 패키징, 분리막, 집전체 등과 같은 다른 부품은 모두 무게를 더하고 성능을 향상시키는 수동 부품입니다." 배터리 성능에 전혀 기여하지 않는데, 배터리 성능을 향상시키려면 배터리 전극 재료를 연구하고 배터리 셀 내 중량 비율을 최대화해야 합니다.”

"현재의 배터리를 사용하여 우리는 더 먼 거리를 자동차를 운전할 수 있기를 원하며, 주유소를 채우는 데 걸리는 시간과 비슷한 5분, 10분 안에 자동차를 충전하고 싶습니다."

Penn State 산업 및 제조 공학 조교수 Hongtao Sun

더 나은 전극을 통해 배터리 성능을 향상시키려는 이전 시도는 하나의 측정항목에만 초점을 맞추었는데, 이는 배터리가 다른 균형 측정항목에서 제대로 작동하지 않았기 때문에 효과적이지 않았습니다. 예를 들어, 배터리가 높은 중량 성능(무게에 비해 저장할 수 있는 에너지의 양)을 우선시하면 면적 측정 성능(단위 면적당 저장할 수 있는 전하량) 및/또는 부피 측정 성능( 배터리 크기에 비례하여 전달되는 충전량).

일반적으로 배터리는 두 전류 도체 호일 사이에 배치되고 절연체 분리기로 분리된 양극 및 음극 박막 전극으로 구성됩니다. 이러한 전극의 두께를 늘리면 에너지 저장 및 방출을 위한 더 많은 공간을 제공하여 에너지 저장 용량과 밀도를 향상시킬 수 있습니다. 두꺼운 전극은 더 많은 전하를 저장할 수 있으므로 더 큰 탱크가 더 많은 물을 담을 수 있는 것처럼 더 많은 에너지를 담을 수 있습니다. 그러나 전하 수송이 좋지 않아 전반적인 성능이 저하됩니다.