|
 차세대 축전지의 부품의 발전은 내부구조를 변화시켜 그 성능을 서서히 향상시키는 특별한 재료를 사용함으로써 가능케 된다. 미국 에너지부(The Department of Energy)의 아르곤국립연구소(Argonne National Laboratory)의 나노과학자인 Tijana Raih과 축전지 전문가인 Chirstopher Johnson 연구팀은 이산화티탄(titanium dioxide)로부터 이루어진 나노튜브가 축전지가 사이클(충방전)을 반복함으로써 상을 변화시키는 것이 가능하며, 그 충방전 용량을 서서히 증대하는 것을 발견하였다. 실험결과에서는 이 재료를 이용한 새로운 축전지가 30초 이내에 원래 용량의 50%까지 충전될 수 있다는 것을 알았다.
Rajh 연구팀은 종래 그래파이트(graphite) 어노드를 이산화티탄으로 만든 나노튜브로 전환함으로써 의외의 현상을 발견하였다. 축전지가 충방전 사이클을 반복함에 따라 축전지의 내부구조는 그 성능을 뚜렷하게 개량시키려는 방향으로 스스로 바뀌었다. Rajh는 “이산화티타늄 이라는 새로운 재료를 사용한 연구를 시작했을 때는 이러한 현상이 나타날 것으로는 생각하지 못했다. 어노드가 자발적으로 최적의 구조를 채용하고 있는 것이다”라고 언급하였다. “축전지가 충방전 사이클을 반복함으로써 변화를 가능케 한다. 그 계의 내부적인 가역성과 같은 것이 있다”
새로운 어노드 재료의 개발을 Rajh와 공동으로 실시하고 있던 연구소의 나노과학자인 Hui Xiong는 이산화티타늄이 그래파이드의 대체물로서 가능성이 낮다고 상정하였다. “효과적으로 사용할 수 없을 것으로 생각했던 재료의 연구에서 시작되었지만, 최종적으로 가장 좋은 결과를 얻을 수 있었다” 라고 언급하였다. Rajh 연구팀은 나트륨이온 나노축전지(sodium-ion nanobattery)의 자기개량형 구조를 개발하기 위하여 동일한 방법을 채용하였다. “이것은 상당히 드문 재료의거동이다”라고 연구소의 에너지 저장에서 주요 이니셔티브를 지위하는 화학자 Jeff Chanberlain이 언급하였다. 과학적 지견에서 상당히 흥미가 있고, 나노스케일의 상전이를 관찰하였다. 이것은 전기에너지를 저장하는 시스템에 이용되는 재료의 수수께끼를 풀고, 이러한 재료거동에 대한 보다 깊은 이해이다.
이산화티타늄이 축전지 개발에서 해결책으로 되는 것은 어렵다고 상정된 이유는 비결질성에 있다. 비결질 재료는 내부 질서 결정구조를 가지고 있지 않기 때문에 고질서 결정성 재료가 가진 특이한 전자특성이 없다. 그러나, Rajh에 따르면, 축전지의 충방전 사이클 사이에 비경질성 재료가 이러한 구조 변화를 일으키는 것은 알려지지 않았다. 기존의 축전지 재료의 대부분이 반대로 변화를 일으킨다. 즉, 고결정질부터 시작하여 축전지의 충방전 사이클 후에는 분쇄된 비경질 상태로 변화한다.
그래파이드 대신에 이산화티타늄으로 만든 어노드를 가짐으로써 리튬이온 전지의 신뢰성도 향상된다. 특정 조건하에서 리튬은 용매로부터 그래파이트 아노드에 추출되고 열폭주로 알려진 위험한 연쇄반응을 일으킨다. 연구팀에 의한 이러한 발견은 연구소 주요 사용자 시설인 나노스케일재료연구센터(the Center for Nanoscale Materials, CNM) 및 선진 포톤소스(the Advanced Photon Source, APS) 사이의 협력에 의해 이루어진 것이다. 최첨단 나노퍼블리케이션 기술과 나노튜브 특성을 평가하는 고강도 X선을 조합시켜 이렇게 매우 드문 거동을 관찰할 수 있었다.
나노스케일재료연구센터는 미국에너지부 산하의 나노스케일의 학술적 연구를 실시하는 국립시설인 5개의 나노스케일과학연구센터(the Nanoscale Science Research Centers, NSRCs) 중 하나이다. NSRCs는 일련의 상보적인 시설에 의해 구성되어 있으며, 이러한 시설은 연구자에 대한 나노스케일 재료의 가공, 처리, 특성평가, 모델화를 실시하기 위한 최첨단의 기능을 제공하고 있으며, 국가 나노기술 이니셔티브(National Nanotechnology Initiative, NNI) 중 최대 규모의 인프라 투자를 받고 있다.
(그림) 100% 리튬이온 존재하에서의 FCC 구조의 변화
출처 : http://www.nedo.go.jp/content/100431572.pdf
|