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 차세대 TV와 같이 차세대 배터리는 미국 화학회의 241회 국가 회의 및 전시회에서 과학자들이 보고했던 것처럼 3차원일 것이다. 이것들은 자동차 딜러 진열장에 최근 나타나고 있는 전기 자동차들을 위해 완벽할 수 있는 3차원 내부 구조를 가진 프로토타입 형태로 이미 선보인 새로운 리튬 이온 배터리이다.
이 3차원 리튬 이온 배터리는 수시간이 아닌 수분 내에 충전되고 주유소에서 가스를 이용하는 자동차가 주유하는 것처럼 빠르게 전기 자동차들이 충전될 수 있는 날들이 더 가까이 다가오고 있다. 이 3차원 형태는 다른 충전 가능한 전자 기기들을 위해 더 강력하고 더 수명이 긴 배터리들로 가는 기초가 될 것이다.
연구 리더 애미 프라에토(Amy Prieto) 박사가 이끄는 연구팀은 일반적인 리튬 이온 배터리가 충전을 위해 2시간이 걸리는 것에 반해 약 12분이면 재충전할 수 있는 휴대폰 배터리 크기의 3차원 프로토타입을 만들었다. 또한, 이 배터리는 고속 방전률로 일반적인 리튬 이온 배터리보다 2배 이상 빨리 방전될 수 있다.
휴대폰, 랩탑과 다른 전자기기들을 충전하기 위해 필요한 시간은 경우에 따라 귀찮은 일이 될 수 있다. 그러나, 이러한 긴 충전시간에도 불구하고 모두가 이러한 제품들을 구입하고 있다. 충전 시간은 아마 전기 자동차들의 경우 훨씬 더 중요한 요소로 작용할 것이다. 이 경우, 고속도로 휴게소에서 휴식을 취할 때 가스 주유소에서 주유하는 것처럼 빠르게 충전하길 원할 것이다. 연구팀은 이를 위해서 차세대 배터리들을 이용할 것이고 3차원 배터리는 선두주자로 자리매김하길 원한다고 말한다. 연구팀의 리더인 애미 박사는 만약 이 배터리가 잘 작동한다면, 아마 전기 자동차를 위한 이상적인 배터리가 될 것이라고 말했다.
콜로라도 주 포트 콜린스(Fort Collins)에 있는 콜로라도 주립 대학에서의 프리에토 연구는 이미 많은 방법들에서 니켈-카드늄(NiCad)을 성능 향상시킨 리튬 이온 배터리들을 향상시키기 위한 더 큰 과학적 탐구의 한 부분이다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리들은 NiCad들에 비해 온스(onece)당 많은 에너지를 두 배 더 넣을 수 있다. 3.6 볼트의 높은 전지 전압은 하나의 전지를 가지고 배터리 팩 디자인들을 가능하게 한다. 이때, 완전히 충전하기 위한 리튬 이온의 성능을 제한하는 메모리(memory) 효과는 없다.
연구팀의 해법은 배터리 내부에서 기본적인 변경을 포함한다. 일반적인 리튬 이온들은 양극(음극)으로 사용하는 탄소의 한 형태인 흑연, 음극(양극)으로 사용하는 리튬 화합물, 전극들을 분리하는 전해질로 이루어져 있다. 리튬 이온들(리튬의 전기적으로 전하를 띤 입자들)은 방전 시 탄소 양극에서 전해질을 통해 리튬 음극으로 이동한다. 여기서 충전 시는 반대로 움직인다. 그러나, 이런 구성은 리튬 이온들의 주된 손실로 작용한다. 그들은 천천히 충전되고 약 2년의 제한된 수명을 가지며 과열을 방지하기 위한 특별한 고유 회로들이 필요하다.
프리에토의 연구팀은 이러한 문제들을 해결하는 시도로 얼마간의 재구성을 했다. 그들은 흑연 양극을 구리와 안티모니(antimony)로 구성된 금속 물질인 구리 안티모나이드(antimonide) 나노 와이어들로 대체했다. 각각이 인간의 머리카락 두께의 1/50000배 크기인 이 나노 와이어들은 엄청나게 큰 표면적을 가지고 있고 부피당 흑연의 같은 양으로 2배의 리튬 이온들을 저장할 수 있다. 또한, 이 나노 와이어들은 흑연보다 화학적으로 안정적이며 열 저항이 더 크다.
이 연구팀의 프로토타입 3차원 배터리는 휴대폰 배터리 크기 정도이다. 이 배터리 내부에, 그들은 머리 빗의 강모들을 모아놓은 꽉 찬 3차원 구조로 이 나노 와이어들을 배열했다. 마지막 구성에서 이 나노 와이어들은 음극으로부터 양극을 분리하는 물질인 전해질 박막으로 코팅되고 리튬으로 만들어진 일반적인 음극으로 둘러싸이게 될 것이다.
연구실 시험들은 아직 맞물려 있지 않은 첫 번째 프로토타입이 표준 리튬 이온 전화 배터리에 경우 2시간에 비해 12분으로 짧은 충전이 가능할 것이라는 것을 보였다. 프리에토는 이 배터리가 현존하는 리튬 이온 배터리들에 2배 넘는 수면을 가질 것이라고 말했다. 이 배터리의 상용화된 형태들은 3차원 형태가 단위 부피당 리튬을 더 많이 가지고 있기 때문에 동등한 리튬 이온 배터리보다 더 얇고 더 가벼워질 수 있을 것이다.
그림1: 3차원 리튬 이온 배터리의 개념도
그림2: 기판 위에 성장된 나노와이어의 전자 현미경 사진들
그림3: 균일한 나노와이어들이 보이는 저배율 전자 현미경 사진
출처 : http://www.nanowerk.com/news/newsid=20800.php
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