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
​


댓글

이 블로그의 인기 게시물

렘 수면이 식이 패턴에 영향을 준다?

  ( Using a techniqu e called optogenetics, the activity of cells in the brain can be specifically suppressed with light pulses. Credit: Pascal Gugler / Insel Gruppe )  수면 중 빠른 안구 운동이 발생하는 렘 (REM) 수면은 아직도 그 기능이 완전히 밝혀지지 않았지만, 수면에서 매우 중요한 부분이라는 사실은 확실합니다. 렘 수면은 꿈과 관련이 깊으며 전체 수면 시간이 부족하지 않더라도 렘 수면 시간이 짧으면 다음날 집중력이 떨어지고 많이 피곤하게 됩니다. 아마도 렘 수면 시간 동안 여러 가지 기능과 작업이 이뤄짐을 시사하는 결과입니다.   베른 대학교 ( University of Bern )의 과학자들은 쥐를 이용한 동물 모델을 통해서 렘 수면이 식이 패턴에 미치는 영향을 조사했습니다. 연구팀은 렘 수면이 외측 시상하부 ( lateral hypothalamus)에 영향을 주어 식욕을 조절할 수 있다는 증거를 발견했습니다. 외측 시상하부는 모든 포유류에서 볼 수 있는 시상하부의 작은 핵으로 식욕을 조절하는데 중요한 역할을 하는 것으로 생각됩니다. 과거 과학자들은 렘 수면 동안 외측 시상하부가 활성화되는 것을 확인했지만, 렘 수면이 실제 식욕을 조절하는지에 대해서는 알지 못했습니다. 렘 수면 동안 외측 시상하부만 차단할 방법이 없었기 때문입니다.   연구팀은 빛으로 살아있는 세포를 조절하는 기술인 광유전학 (optogenetic) 방식으로 렘 수면 중인 쥐의 외측 시상하부 활동을 차단했습니다. 그 결과 쥐의 식욕이 저하되는 것을 확인할 수 있었습니다. 불과 하루 간 차단만으로도 4일 정도 효과가 지속될 정도로 식욕에 대한 영향이 컸습니다. 이는 렘 수면이 식욕을 적절하게 유지하는 데 도움을 준다는 점을 시사합니다.   사실 최근에 다이어트에 대한 수요가 폭발해서 ...

몸에 철이 많으면 조기 사망 위험도가 높다?

 철분은 인체에 반드시 필요한 미량 원소입니다. 헤모글로빈에 필수적인 물질이기 때문에 철분 부족은 흔히 빈혈을 부르며 반대로 피를 자꾸 잃는 경우에는 철분 부족 현상이 발생합니다. 하지만 철분 수치가 높다는 것은 반드시 좋은 의미는 아닙니다. 모든 일에는 적당한 수준이 있게 마련이고 철 역시 너무 많으면 여러 가지 질병을 일으킬 수 있습니다. 철 대사에 문제가 생겨 철이 과다하게 축적되는 혈색소증 ( haemochromatosis ) 같은 드문 경우가 아니라도 과도한 철분 섭취나 수혈로 인한 철분 과잉은 건강에 문제를 일으킬 수 있습니다. 하지만 높은 철 농도가 수명에 미치는 영향에 대해서는 잘 알려지지 않았습니다.   하버드 대학의 이야스 다글라스( Iyas Daghlas )와 임페리얼 칼리지 런던의 데펜더 길 ( Dipender Gill )은 체내 철 함유량에 영향을 미치는 유전적 변이와 수명의 관계를 조사했습니다. 연구팀은 48972명의 유전 정보와 혈중 철분 농도, 그리고 기대 수명의 60/90%에서 생존 확률을 조사했습니다. 그 결과 유전자로 예측한 혈중 철분 농도가 증가할수록 오래 생존할 가능성이 낮은 것으로 나타났습니다. 이것이 유전자 자체 때문인지 아니면 높은 혈중/체내 철 농도 때문인지는 명확하지 않지만, 높은 혈중 철 농도가 꼭 좋은 뜻이 아니라는 것을 시사하는 결과입니다.   연구팀은 이 데이터를 근거로 건강한 사람이 영양제나 종합 비타민제를 통해 과도한 철분을 섭취할 이유는 없다고 주장했습니다. 어쩌면 높은 철 농도가 조기 사망 위험도를 높일지도 모르기 때문입니다. 그러나 임산부나 빈혈 환자 등 진짜 철분이 필요한 사람들까지 철분 섭취를 꺼릴 필요가 없다는 점도 강조했습니다. 연구 내용은 정상보다 높은 혈중 철농도가 오래 유지되는 경우를 가정한 것으로 본래 철분 부족이 있는 사람을 대상으로 한 것이 아니기 때문입니다. 낮은 철분 농도와 빈혈이 건강에 미치는 악영향은 이미 잘 알려져 있기 때문에 철...

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...