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 리튬 이온 배터리(lithium-ion battery)를 위해 새로운 전극 디자인으로 현재의 이동 전자 기기에서 발견되는 것에 비해 두 배나 많은 에너지를 저장할 수 있게 되었다. 이들은 또한 저장된 에너지가 모두 소모되었을 때나 이들을 재충전할 때도 망가지지 않는다는 장점을 지니고 있다[Nano Lett., DOI: 10.1021/nl2027684]. 이러한 디자인은 이와 관련된 문제를 해결하는 데 도움을 주어 조만간 시장에 나와 선 보일 수 있을 것이다.
리튬 이온 배터리의 저장 용량이 증가함에 따라 전기 자동차나 스마트 폰 모두 충전할 필요없이 오랫동안 이용이 가능해졌다. 하지만 연구자들은 계속되는 충전으로 지속될 수 있는 것보다 훨씬 오래 기능을 발휘할 수 있는 고에너지 배터리를 만들고자 노력하고 있다. 이러한 노력의 핵심은 많은 양의 에너지를 저장할 수 있고 배터리의 마모가 진행되지 않는 전극을 디자인하는 데 있다. 이에 대해 스탠포드대(Stanford University)의 재료공학과 조교수인 Yi Cui는 연구자들이 상업적으로 이용 가능한 고에너지 양극을 만든 바 있지만 음극에 대해선 아직 만들어내지 못하고 있다고 말했다.
가장 가능성 있는 음극 물질 중의 하나는 많은 양의 에너지를 저장할 수 있고 풍부하며 해롭지 않은 황(sulfur)이라고 Cui는 말한다. 하지만 15년 간의 연구에도 불구하고, 황 음극을 이용한 리튬 이온 배터리는 상업적인 성공을 거두기에는 무기가 있었다. 실제로, Sion Power사는 이러한 황을 이용한 리튬 이온 배터리를 장거리 무인 비행체와 같은 영역에 적용해 보았지만 이들은 오직 50번 가량만의 충전만 가능했었기 때문에 실제 시장에 나오지는 못했다고 그는 덧붙였다.
문제는 음극의 구조적, 그리고 화학적인 불안전성이 배터리의 개발을 어렵게 한다는 점이다. 배터리가 방전되고 또 다시 충전됨에 따라 음극은 음극은 팽창과 수축을 거듭하며 배터리 전해 용액으로부터 리튬을 방출하게 된다. 이러한 물리적인 압력으로 인해 음극은 깨지게 된다. 또한, 음극의 황은 보다 긴 길이의 황화합물을 만들어내기 위해 서로 반응하게 되어 음극으로부터 활성화된 물질을 앗아가 버리게 된다. 또한 이들 긴 황화합물들은 양극으로 들어가 이들과 반응하여 양극도 망가뜨리게 된다.
Cui와 동료 연구자들은 음극의 황을 가두어 둘 필요가 있다고 생각했다. 이를 수행하기 위해 그들은 탄소나노섬유 다발을 만들어 이들을 황 가까이에 두었다. 연구자들은 주형 기술을 이용해 200nm의 직경과 60um의 깊이를 지닌 홀을 포함한 알루미늄 산화물 막(aluminum-oxide membrane) 위에서 탄소나노섬유를 성장시켰다. 그들은 주형을 에칭하기 전에 황으로 이들 탄소튜브들을 가득 채웠다.
충전을 하고 있는 동안, 그들의 음극에 있는 황은 섬유 내부에 있는 빈 공간으로 팽창할 수 있다. 탄소 튜브는 또한 배터리의 리튬과 황이 반응하는 것을 막아줄 수 있다. 실제로 실험 결과, 매우 작은 양의 황이 전해질 용액으로 노출되었다. 현재의 휴대용 전자기기에 이용되고 있는 리튬 이온 배터리와 비교해 볼 때, 새로운 황 전극을 지닌 배터리는 두 배 가량 많은 에너지를 저장할 수 있다. 이러한 저장 능력은 150 가량 충전을 지속해도 안정성을 유지할 수 있는 정도라고 연구진은 말하고 있다.
워터루대(University of Waterloo)의 화학과 교수인 Linda Nazar는 이에 대해 이러한 디자인 속에 내재된 기본 원리나 가능성은 매우 뛰어나지만 이를 생산하는 방법은 제조자들에게는 실용적이지 못하다며 이에 대한 개선이 필요할 것이라고 언급했다.
그림: 연구진이 개발한 탄소나노섬유
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