19배 오래쓸 수 있는 전기차 배터리 개발 가능성?

전기차와 노트북 배터리는 앞으로 훨씬 더 나은 커패시터를 만드는 데 사용할 수 있는 새로운 구조 덕분에 훨씬 더 빨리 충전되고 더 오래 지속될 수 있습니다. 과학자들은 새로운 소재 구조가 전기 자동차나 기기의 커패시터가 에너지를 훨씬 더 오래 저장할 수 있게 함으로써 에너지 저장에 혁명을 일으킬 수 있다고 말합니다.

 

 

연구원들은 새로운 '이종 구조'의 커패시터를 개발하여 빠른 충전 능력에 영향을 주지 않으면서 에너지 소멸 속도를 줄이는 새로운 특성을 가진 커패시터를 개발했습니다. 과학자들은 의도하지 않았고 새로운 전자공학 연구를 기반으로 한 이 새로운 발견은 노트북이나 스마트폰과 같은 소비자 장치에서 배터리 수명을 향상시키고 그리드 규모의 에너지 저장에 더 많은 유연성을 제공할 수 있는 기반이 될 수 있다고 말합니다. 과학자들은 4월 18일 사이언스 저널에 게재된 연구에서 이 연구 결과를 설명했습니다.

배터리는 장기간 에너지를 저장할 수 있지만 전기를 충전하고 방전하는 데 시간이 오래 걸립니다. 커패시터는 전기를 전기장에 저장했다가 필요할 때 빠르게 충전 및 방전하여 전력을 빠르게 이용할 수 있도록 하는 역할을 합니다. 예를 들어 스마트폰은 일반적으로 배터리에서 전원을 사용하지만 카메라 플래시와 같이 짧은 순간에 전원이 필요할 때는 커패시터에서 에너지를 공급받습니다. 각 스마트폰에는 일반적으로 수백 개의 커패시터가 있습니다.

 

일부 커패시터는 강유전체 재료를 사용하여 에너지를 저장합니다. 이러한 소재는 자연적으로 분극되어 있으며 전압을 가하면 분극이 반전될 수 있습니다. 극성이 반전되면 전압이 제거된 후에도 '메모리'처럼 커패시터에 남아 있습니다. 전원을 공급하면 이러한 물질의 극성이 반전되며, 전원이 제거된 후에도 이 극성을 유지할 수 있습니다. 그러나 일반적으로 배터리에 비해 장기간 에너지 유지력이 떨어집니다.

 

새로운 구조는 전도성과 비전도성 사이의 물리적, 화학적 균형에 위치하여 에너지를 더 효과적으로 유지할 수 있습니다. 연구진은 우연히 코어의 작은 틈새가 커패시터의 충전량을 잃는 기간을 설명하는 데 사용되는 용어인 이완 시간을 증가시킨다는 사실을 발견했습니다.

 

 

각각의 헤테로 구조에서 2D 및 3D 재료는 원자 수준에서 라자냐의 파스타 시트처럼 층을 이루며 각 층 사이에 화학적 및 비화학적 결합이 이루어집니다. 전체 구조의 최대 두께는 사람의 머리카락보다 약 30,000배 얇은 30나노미터에 불과합니다.

 

연구원들은 이 기술이 현재 커패시터보다 최대 19배 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있다고 말했습니다. 또한 연구팀은 90% 이상의 효율을 달성하여 이 분야에서 뛰어난 결과를 얻었다고 보고했습니다. 2023년 7월 재료 저널에 발표된 연구에 따르면 새로운 강유전 커패시터의 비슷한 효율은 86.95%에 달합니다.

워싱턴대학교 기계공학과 및 재료과학 조교수인 배상훈은 성명에서 "우리는 유전체 이완 시간이 재료 구조의 아주 작은 틈에 의해 변조되거나 유도될 수 있다는 것을 발견했습니다."라고 말했습니다. "이 새로운 물리적 현상은 이전에는 볼 수 없었던 것입니다. 이를 통해 우리는 유전체 물질이 분극되지 않고 전하 능력을 잃지 않도록 조작할 수 있습니다."

 

이 구조를 대규모로 재현하면 장기 저장의 안정성을 유지하면서 필요할 때 매우 빠르게 에너지에 액세스할 수 있기 때문에 에너지 저장 및 액세스 방식에 변화를 가져올 수 있습니다. 에너지 밀도가 높아지면 차세대 커패시터는 전기차와 같이 장기 저장이 필요한 디바이스에 고속 충전 커패시터를 더 많이 사용할 수 있게 될 것입니다. 또한 커패시터는 그리드 또는 개인 산업용으로 빠른 온디맨드 전력을 제공할 수 있습니다.