기본 콘텐츠로 건너뛰기

초고속 충전이 가능한 알루미늄 배터리


​
 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.
​
 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.
​
 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.
​
​

(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 )
​
​
(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.
​
 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.
​
 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.
​
 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.
​
 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
​


라벨:

댓글

댓글 쓰기

이 블로그의 인기 게시물

중등도 코로나 19 환자에서 제한적인 효과만을 확인한 렘데시비르

   현재 렘데시비르는 인공 호흡기 치료가 필요한 환자 등 중증 코로나 19 환자의 치료제로 사용되고 있습니다. 다만 공급이 부족해서 갑자가 중증 코로나 19 환자가 늘어날 경우 수급 문제가 불거질 수밖에 없습니다. 따라서 이를 중등도 코로나 19 환자 (경증이나 무증상은 당연히 치료가 필요없거나 대증 요법 정도) 사용한다는 것은 지금 당장에 급한 연구는 아니지만, 나중에 수급량이 많아지고 가격이 낮아질 때를 생각하면 의미 있는 연구 결과입니다.   렘데시비르 제조사인 길리어드 사이언스의 다아애나 브레이너드 박사 ( Dr. Diana Brainard of Gilead Sciences )는 병원에 입원이 필요했던 중등도 코로나 19 환자 584명을 렘데시비르 5일, 10일 투여 실험군과 위약을 투여한 대조군으로 나눠 임상 경과, 사망 등 중요한 합병증 발생 등에서 차이를 보이는지 조사했습니다. 연구 대상자의 40% 이상은 당뇨 같은 만성 질환이 있었으며 평균 연령은 57세였습니다.   연구 결과 대조군의 2%, 5일 투여군의 2%, 10일 투여군의 1%가 사망했으나 사망자 수가 4명, 3명, 2명 정도로 통계적 차이를 판단하기에는 사망자 수가 적어 결론을 내리기 어려웠습니다. 연구팀은 5일 투여군에서 임상 경과가 다소 호전되는 것을 판단했으나 10일 투여군에서는 통계적 차이를 검증할 수 없었습니다. 결론적으로 말해 중등도 코로나 19 환자에서 렘데시비르 투여는 확실한 임상적 이득이 없었습니다.     5일 투여량만 해도 가격이 3120달러라는 점을 감안할 때 중등도 환자에서 렘데시비르 투여는 설령 공급이 원활하다고 해도 적절한 치료법이 아닌 것으로 판단됩니다. 더구나 지금처럼 공급이 불안해 중증 환자 투여 물량 확보가 아쉬운 상황에서는 말할 것도 없습니다.  이번 연구는 렘데시비르보다 효과가 뛰어나면서 저렴한 차세대 항바이러스 치료제의 필요성을 다시 보여준 것으로 생각됩니다....
댓글 쓰기
자세한 내용 보기

비타민 D - 우울증 예방 효과는 없다

   다른 비타민과 마찬가지로 비타민 D는 사람이 살아가는데 반드시 필요한 비타민입니다. 비타민 D가 부족한 경우 뼈에 심각한 문제가 생길 수 있습니다. 그런데 한 가지 더 흥미로운 사실은 여러 질병에서 비타민 D 부족이 관찰된다는 것입니다. 예를 들어 우울증의 경우에도 비타민 D 부족이 보고된 바 있습니다. 일부 연구자들은 햇빛을 받아 생성되는 비타민 D 부족이 계절성 우울증 장애 (seasonal affective disorder)의 원인일지 모른다고 생각해왔습니다.   하지만 하버드 의대와 메사추세스 종합 병원(MGH)의 연구팀은 비타민 D3 (cholecalciferol) 보충제를 사용한 대규모 임상 시험에서 비타민 D 복용이 우울증 예방에 특별한 효과가 없다는 사실을 확인했습니다. 이 연구는 종합 비타민제 혹은 단독으로 사용되는 비타민 D 보충제가 질병 예방에 효과가 있는지를 알아보기 위한 것으로 평균 67세의 건강한 성인 남녀 18,353명을 대상으로 진행되었습니다. 연구 참여자들은 두 그룹으로 나뉘어 콜레칼시페롤 (비타민 D3) 2000 IU 혹은 위약을 받아 5년간 복용했습니다. 우울증의 정도는 8-item Patient Health Questionnaire depression scale [PHQ-8]로 측정했습니다.   이 연구에서는 분명한 비타민 D 결핍증이 있는 경우는 제외했는데, 의학적으로 보충이 필요한 정도의 결핍이라면 치료를 하는 게 맞지 위약을 5년이나 주는 것은 윤리적으로 문제가 있기 때문입니다. 따라서 연구의 목표는 비타민이 부족하지 않은 건강한 사람에서 비타민 보충제가 혹시 우울증 예방에 효과가 있는지를 알아보려는 것입니다.   연구 결과 실험군과 대조군 사이에는 통계적으로 유의한 차이가 없었습니다. 우울증 발생률은 두 그룹에서 별로 차이가 없었으며 연구 시작과 종료 시점에 그룹 내에서도 별 차이가 없었습니다. 따라서 비타민 D가 부족하지 않...
댓글 쓰기
자세한 내용 보기

코로나 19 감염 위험성이 큰 동물은?

  ( A new genomic study ranks the potential of the SARS-CoV-2 spike protein to bind to the ACE2 receptor site in 410 vertebrate animals. Old World primates and great apes, which have identical amino acids at the binding site as humans, are predicted to have a very high propensity for binding ACE2 and are likely susceptible to SARS-CoV-2 infection. Credit: Matt Verdolivo/UC Davis )    코로나 19를 일으키는  SARS-CoV-2는 사스 및 메르스와 마찬가지로 박쥐를 자연 숙주로 삼는 베타 코로나바이러스 계통입니다. 따라서 본래 박쥐에 살던 바이러스가 중간 단계를 거쳐 사람으로 넘어온 것으로 추정됩니다. 그런데 이 이야기는 SARS-CoV-2 역시 사람에만 감염되는 것이 아니라 종을 넘어 다른 포유류나 조류, 혹은 척추동물에 감염될 수 있음을 시사합니다. 코로나 바이러스가 침투하는 경로인 ACE2 수용체는 다른 척추동물에서도 볼 수 있기 때문입니다. 다만 SARS-CoV-2와 ACE2 수용체의 결합 수준은 동물마다 큰 차이가 있어 감염 위험도는 모두 다를 수밖에 없습니다.   캘리포니아 대학 데이비스 캠퍼스 (UC Davis)의 조안나 다마스 (Joana Damas)와 그 동료들은 410종의 척추동물에서 ACE2 수용체 유전자를 조사해 코로나 19 감염 위험도를 조사했습니다. 연구팀에 따르면 ACE2 수용체 전체가 아니라 25개의 아미노산 배열이 특히 결합력에 큰 영향을 미쳐 감염 가능성을 결정합니다.   연구 결과 쉽게 예상할 수 있듯이 사람과 가까운 침팬치, 고릴라, 보노보...
댓글 쓰기
자세한 내용 보기