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초고속 충전이 가능한 알루미늄 배터리


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 더 우수한 배터리를 개발하기 위한 노력은 전 세계 여러 기업과 연구소에서 동시다발적으로 이뤄지고 있습니다. 오늘날 모바일 기기의 천국이 된 것도 전기 자동차나 하이브리드 자동차가 현실이 된 것도 모두 배터리 기술이 발달한 덕분입니다. 배터리 관련 시장은 나날이 더 커지고 있으며 장래에는 더 커질 것으로 예상되고 있습니다.
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 현재 널리 사용되는 리튬 이온 배터리는 이와 같은 배터리 혁명의 주역이지만, 몇 가지 문제점도 가지고 있습니다. 우선 리튬이 우주 전체로는 흔한 원소이지만 지구 지각에는 많지 않으며 자원 분포 역시 편중되어 있습니다. 두 번째는 리튬 이온 배터리가 충방전 횟수가 비교적 적은 편이라는 것입니다. 세 번째는 충전에 시간이 많이 걸린다는 것이며, 마지막으로는 폭발 및 화재의 위험성이 있다는 것입니다.

 이런 문제를 극복하기 위해서 배터리 제조사들은 기존의 리튬 이온 배터리의 성능을 끊임없이 개선하고 있습니다. 동시에 리튬 이외의 원소를 사용한 새로운 배터리의 개발 역시 계속해서 시도되고 있습니다. 이렇게 대안적으로 연구되는 물질 가운데 알루미늄 배터리가 있습니다.
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 알루미늄 - 공기 배터리는 1차 전지로 이미 상용화 되어 있지만 ( http://blog.naver.com/jjy0501/220026102961 참조) 알루미늄을 사용하는 2차 전지는 현재까지는 상용화되지 못하고 있습니다. 하지만 알루미늄이 매우 풍부한 자원이고 가격이 저렴하기 때문에 이를 사용한 2차 전지를 만드려는 연구가 진행되고 있습니다.

 스탠포드 대학의 홍지에 다이(Hongjie Dai, a professor of chemistry at Stanford) 교수가 이끄는 연구팀은 엄청난 속도로 충전이 가능한 알루미늄 배터리를 선보였습니다. 이들이 만든 초고속 충전 알루미늄 이온 배터리(ultrafast rechargeable aluminum-ion battery)는 저널 네이처에 발표되었습니다. 연구팀에 의하면 배터리 충전에 걸리는 시간이 1 분까지 짧아질 수 있다고 합니다.
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(Stanford scientists have invented a flexible, high-performance aluminum battery that charges in about 1 minute. Credit: Mark Shwartz, Precourt Institute for Energy, Stanford University)  ​


(알루미늄과 그래핀. 두가지 형태의 전극을 사용한다.  Stanford Professor Hongjie Dai's lab has invented an ultra-fast aluminum-ion battery with electrodes made of inexpensive aluminum (Al) and sheets of nanocarbon. Credit: Meng-Chang Lin & Hongjie Dai, Stanford University )
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(동영상) ​ 

 이번에 개발된 알루미늄 이온 배터리리는 알루미늄을 양극/산화전극(anode)로 사용하고 흑연 재질의 음극(cathode)를 사용하는 형태입니다. 이 배터리의 가장 큰 장점은 안전성에 있습니다. 스탠포드 대학의 연구자들은 실제로 사용중인 배터리에 드릴을 뚫는 시범을 보여줬는데, 리튬 배터리와는 달리 불이 나지 않았습니다.
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 최근 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에 사용되는 리튬 이온 배터리의 가장 큰 문제 중 하나는 바로 사고시 화재 위험성입니다. 아직은 큰 이슈가 아니지만 점차로 보급 대수가 늘어나고 배터리 용량도 늘어나면 문제가 될 소지는 충분합니다. 알루미늄 배터리의 가장 큰 장점은 바로 안전성이라고 할 수 있습니다.

 두 번째 장점은 쉽게 구부릴 수 있다는 점입니다. 즉 플렉서블 배터리라는 점인데, 점차 웨어러블 기기가 많아지는 시대에 여러번 구부려도 문제 없는 배터리라면 더 응용범위가 커질 수 밖에 없습니다.
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 이번에 개발된 알루미늄 배터리는 기존에 개발되었던 알루미늄 배터리가 100회 가량 충방전 사이클을 지닌데 비해서 무려 7500 회라는 놀라운 수준의 충반전 사이클을 지닌다고 합니다. 이 정도면 기존의 리튬 배터리를 교체할 수 있을 것 같지만, 아직 전압이 다소 낮은 편이고 몇 가지 더 해결할 문제가 있어서 상용화 가능 여부는 지금 당장에 장담할 수 있는 수준은 아닙니다. 하지만 그 가능성은 매우 크게 보여줬기 때문에 네이처 같은 좋은 저널에 실린 것으로 보입니다.
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 알루미늄 이온 배터리는 설령 에너지 밀도가 리튬이온 배터리에 비해 낮고 원가가 매우 저렴하다는 점 때문에 모바일 기기보다는 대용량 배터리가 필요한 영역에 더 알맞습니다. 예를 들어 에너지 저장 시스템(ESS)이나 전기 버스, 전기 자동차가 그 대상이죠. 특히 큰 충격을 줘도 안전하다는 점은 아주 큰 장점으로 부각될 수 있을 것 같습니다.
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 필요는 발명의 어머니라고 했습니다. 앞으로도 계속해서 배터리에 대한 수요는 끊임이 없을 것이고 결국 이는 더 좋은 배터리를 개발하게 만드는 원동력이 될 것으로 생각됩니다.

 참고

  An ultrafast rechargeable aluminum-ion battery, DOI: 10.1038/nature14340
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