나트륨 이온 배터리 12.03.2015

화학자들은 우리가 익숙한 리튬 이온 배터리만큼 잘 작동하는 나트륨 이온 배터리를 만들었습니다.

몇 년 전 인류가 임박한 부족에 대해 생각해야 할 때라고 제안했지만, 우리가 일반적으로 두려워하는 석유 및 가스 문제가 아니라 알칼리 금속인 리튬의 부족에 대해 생각해야 합니다. 우리 삶에는 점점 더 많은 전자 장치와 모든 종류의 장치가 있습니다. 그리고 휴대폰부터 전기차까지 모두 배터리에 저장된 전기 에너지를 사용합니다. 이들 중 대부분은 리튬 이온 배터리입니다. 오늘날 가장 일반적인 유형의 충전식 배터리입니다. 그리고 가까운 장래에 리튬 매장량을 둘러싼 전쟁이 일어나지는 않겠지만 비용은 증가할 수 있습니다. 그리고 이것은 다른 셀을 사용하는 더 저렴한 배터리에 대해 생각할 때임을 의미합니다. 개발자들은 주기율표에서 리튬의 가장 가까운 친척인 나트륨에 훨씬 더 일반적이고 저렴한 금속에 베팅하고 있습니다.

왜 배터리의 리튬을 나트륨으로 대체 할 수 없습니까? 그것은 모두 원자 크기에 관한 것입니다. 리튬과 나트륨은 화학적 성질이 매우 유사하지만 나트륨 원자는 리튬 원자보다 훨씬 큽니다. 그리고 그것은 배터리 작동에 중요한 것으로 밝혀졌습니다. 리튬 배터리에는 두 개의 전극이 있습니다. 하나는 탄소 또는 흑연으로 만들어지고 다른 하나는 코발트와 같은 금속 산화물로 만들어집니다. 리튬 이온은 전극 사이의 전하 운반체 역할을 하기 때문에 실제로 리튬 이온 배터리라고 합니다. 재충전 시 금속 산화물 전극에서 리튬 이온이 방출되어 탄소로 이루어진 제XNUMX 전극으로 이동한다.

리튬 원자의 크기는 전극 구조에 쉽게 통합될 수 있는 크기입니다. 이 과정을 인터칼레이션(intercalation)이라고 하며, 그 동안 금속 이온이 흑연의 원자층 사이에서 "압착"됩니다. 방전하는 동안 반대 과정이 발생합니다. 리튬 이온은 흑연 전극을 떠나 두 번째 전극으로 돌아갑니다.

이 전기화학적 공정의 핵심은 전극에 이온을 통합하는 것입니다. 더 빠르고 쉽게 통과할수록 순간 전력은 더 커질 수 있습니다. 프로세스가 느리면 배터리가 장치를 작동하는 데 필요한 전류를 공급할 수 없습니다. 이것이 바로 나트륨 이온 배터리 개발의 어려움이다. 탄소 전극은 크기 때문에 나트륨 이온이 흑연 구조에 통합되는 것을 극도로 꺼리기 때문에 적합하지 않습니다.

그렇기 때문에 전기 화학자들은 기존 전자 제품에 적합한 전극 재료를 찾고 있습니다. 결국, 나트륨 이온으로 배터리를 만드는 것이 가능하며 작동할 것입니다. 요점은 리튬만큼 작고 용량이 크며 강력하지 않다는 것입니다. 그러나 모바일 장치에서 가장 중요한 매개 변수는 전력과 크기입니다.

독일 일메나우 공과대학의 레이용 교수가 이끄는 연구팀이 나트륨 이온 배터리에서 전극을 만드는 데 사용할 수 있는 소재를 개발했다. 그리고 용량.

첫째, 화학자들은 나트륨 이온의 효과적인 도입을 보장하기 위해 전극 물질이 어떤 특성을 가져야 하는지를 분석했습니다. 선택은 trans-stilbene 클래스의 공액 방향족 화합물에 떨어졌습니다. 전하를 이동시키는 능력이 있고, 배터리 충방전 시 안정적이며, 나트륨이 쉽게 도입될 수 있는 분자간 층을 형성합니다.

화학자들은 그러한 재료로 만든 전극이 얼마나 잘 작동하는지 테스트했으며 1A/g의 평균 전류 밀도에서 용량은 160mAh/g이 될 것이며 이는 리튬 이온 배터리보다 결코 열등하지 않습니다. 배터리는 또한 70회 충방전 주기 후에도 400% 용량을 유지하는 내구성 테스트에서 우수한 성능을 보였습니다. 그리고 프로젝트의 상업적 구현은 아직 멀었지만 달성된 결과는 나트륨 이온 배터리가 수명을 가지며 원칙적으로 이미 친숙한 리튬 이온 배터리를 대체할 수 있음을 나타냅니다.