에너지
재활용 가능한 배터리가 다가오다: 유기 전해질을 물로 대체
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워터 배터리와 화재 안전
수년 동안 리튬 이온 배터리는 전자제품과 전기차 모두에서 시장을 장악해 왔습니다. 이는 높은 에너지 밀도와 전반적인 안전성 덕분입니다. 그러나 배터리가 고장 나면 대개 격렬한 화재를 일으키며 진압이 어려운 경우가 많습니다. 이는 배터리가 수명 종료에 다다라 재활용이 필요할 때도 문제입니다.
최악의 경우는 하나의 배터리 고장이 인접한 배터리들에 연쇄 화재를 일으키는 상황으로, 대규모 유틸리티 규모 시스템을 위한 리튬 이온 배터리 파크를 구축할 때 매우 현실적인 우려입니다. 리튬 배터리의 화재 위험은 주로 양극과 음극을 연결하는 가연성 유기 전해질에서 비롯됩니다.
Researchers at the 호주 RMIT might have found a solution 전해질을 물로 교체함으로써. The team is led by Prof. Tianyi Ma (left), who worked on the project with Dr. Lingfeng Zhu (right).
출처: RMIT
소위 워터 배터리, 즉 수성 금속 이온 배터리는 화재가 발생하거나 폭발하지 않습니다. 또한 인간과 환경 모두에 대한 독성이 매우 낮습니다.
워터 배터리의 약속
워터 배터리 설계는 아연과 마그네슘과 같은 단순한 원소에 기반하며, 이들은 풍부하고 독성이 낮아 제조 비용을 절감하고 대량 생산을 용이하게 합니다.
실제로 이는 워터 배터리가 여러 형태로 존재할 수 있음을 의미합니다. 예를 들어, magnesium-ion battery 또는 ammonia-ion 형태일 수 있습니다.
그리고 티안이 교수 팀은 지금까지 채택을 방해해 온 세부 사항들을 해결함으로써 이러한 배터리를 상업적으로 실현 가능하게 만들기 위해 노력하고 있습니다.
One example is the improvement of a manganese electrode, creating capacitors using Magnesium and manganese and achieving “128.39 Wh/kg의 초고용량 사이클링 능력과 6000 사이클 후 85% 용량 유지율“
탁월한 전기화학적 특성 및 수성 전해질의 중요한 안전성 함의는 이 수성 MIC가 대규모 에너지 저장 응용 분야에 유망함을 보여줍니다. 또한 양이온-음이온 이중 결함 구축 개념 전략은 재충전 가능한 금속 이온 기반 배터리 제작에 필수적인 통찰을 제공할 것입니다.
덴드라이트 해결
대부분의 배터리가 겪는 또 다른 문제는 배터리 내부에서 덴드라이트가 점진적으로 성장하는 것입니다. 덴드라이트는 뾰족한 금속 구조로, 시간이 지나면 단락을 일으키며(리튬 이온의 경우 화재를 유발) 할 수 있습니다. 워터 배터리 역시 덴드라이트 문제에 취약합니다.
배터리의 금속 부품을 비스무스로 코팅하면 덴드라이트 형성을 차단하는 보호층이 형성됩니다.
이로 인해 새로운 배터리는 리튬 이온 배터리보다 훨씬 내구성이 높아 유틸리티 규모 배터리 팩과 같은 집중적인 사용이나 심지어 상업용 차량에도 적합합니다. 특히 안전성이 크게 향상되어 리튬 이온에 대한 대체 화학 물질 선택을 확대하는 좋은 후보가 됩니다. 특히 유틸리티 규모에 대해(우리는 기사 “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”에서 더 자세히 탐구했으며, 어떤 기업이 상업 규모로 제작하고 있는지도 포함합니다).
“마그네슘 이온 워터 배터리는 단기적으로는 납산 배터리를 1~3년 내에 대체할 가능성이 있으며, 장기적으로는 5~10년 내에 리튬 이온 배터리를 대체할 잠재력을 가지고 있습니다.” Pr Tianyi Ma
워터 배터리가 앞으로 나아갈 길인가?
유틸리티 규모 배터리는 전기차 배터리와 크게 다를 가능성이 높으며, 두 배터리는 동일한 제약 조건에서 작동하지 않기 때문입니다:
- 전기차 배터리는 가볍고 작으며, 매우 높은 에너지 밀도를 가지고 빠르게 충전되어야 합니다.
- 유틸리티 규모 배터리는 저렴하고 매우 내구성이 뛰어나며 안정적/안전하고, 대량으로 확보할 수 있는 풍부한 소재를 사용해야 합니다.
또한 유틸리티 규모 배터리 분야에서도 여러 화학 물질이 수년, 아니면 수십 년 동안 시장을 공유할 가능성이 높습니다.
이는 각각이 자체적인 장점과 사용 사례를 가지고 있기 때문이며, 예를 들어 밤·낮 주기의 에너지 저장이나 몇 주 단위의 저장 등 다양한 시간 프레임에 맞춰 활용됩니다.
게다가 재생 에너지의 대규모 채택은 배터리의 대규모 채택을 의미하며, 소재를 다양화하면 희귀하지도 않고 대량 과잉 공급도 아닌 금속들의 가격 급등을 방지할 수 있습니다. 예를 들어:
- 아연 (아연 배터리)
- 마그네슘 (마그네슘 이온)
- 망간 (금속 수소 배터리)
- 바나듐 (레독스 플로우 배터리)
- 안티모니 (용융 금속 배터리)
- 황 (나트륨-황 배터리)
현재 마그네슘 이온 배터리를 시장에 출시하려는 기업은 없지만, 다양한 다른 화학 조합이 대량 생산을 향해 진행 중이므로 곧 상황이 변할 수 있습니다.
