과학자들이 알루미늄을 개발하다

Jul 08, 2023

By University of Freiburg2023년 8월 17일

연구진이 흑연보다 높은 용량을 보이는 유기 산화환원 고분자를 이용해 알루미늄 이온 배터리용 양극 소재를 개발했다. 전극 소재는 5,000번의 충전 사이클을 성공적으로 거쳤으며 10C에서 용량의 88%를 유지하여 알루미늄 배터리 개발에 획기적인 발전을 가져왔습니다.

알루미늄 이온 배터리는 리튬과 같이 조달이 어렵고 재활용이 어려운 재료에 의존하는 기존 배터리의 잠재적인 후속 제품으로 떠오르고 있습니다. 이러한 변화는 지각 내 알루미늄의 풍부함, 재활용성, 리튬에 비해 상대적인 안전성과 비용 효율성에 기인합니다.

그럼에도 불구하고, 연구자들은 적절한 저장 용량을 제공할 수 있는 적절한 전극 재료를 여전히 찾고 있기 때문에 알루미늄 이온 배터리의 발전은 초기 단계에 머물러 있습니다. 이 분야의 돌파구는 최근 울름 대학의 Birgit Esser 박사와 프라이부르크 대학의 Ingo Krossing 교수 및 Anna Fischer 박사가 이끄는 연구팀에 의해 이루어졌습니다. 고티에 스튜더. 연구팀은 페노티아진을 기반으로 한 유기 산화환원 고분자로 구성된 양극 소재를 개발했다.

실험에서 이 전극 재료를 사용한 알루미늄 배터리는 이전에 달성할 수 없었던 그램당 167밀리암페어 시간(mAh/g)의 용량을 저장했습니다. 유기 산화환원 고분자는 지금까지 배터리 전극 소재로 주로 사용되어온 흑연의 용량을 능가한다. 결과는 에너지 및 환경 과학 저널에 게재되었습니다.

전극 물질은 배터리 충전 중에 산화되어 복합 알루미네이트 음이온을 흡수합니다. 이러한 방식으로 유기 산화환원 폴리머 폴리(3-비닐-N-메틸페노티아진)은 충전 중에 두 개의 [AlCl4]- 음이온을 가역적으로 삽입합니다. 연구진은 염화알루미늄이 첨가된 전해질로 이온성 액체인 에틸메틸이미다졸륨 염화물을 사용했습니다.

배터리의 개략도는 전극 물질이 산화되고 알루미네이트 음이온이 증착되는 산화환원 과정을 보여줍니다. 출처: Birgit Esser / 프라이부르크 대학교

"알루미늄 배터리 연구는 미래 에너지 저장 시스템에 대한 큰 잠재력을 지닌 흥미로운 연구 분야입니다."라고 Gauthier Studer는 말합니다. “우리의 초점은 고성능과 가역적 특성을 나타내는 새로운 유기 산화환원 활성 물질을 개발하는 데 있습니다. 클로로알루미네이트 기반 이온성 액체에서 폴리(3-비닐-N-메틸페노티아진)의 산화환원 특성을 연구함으로써 페노티아진 기반 전극 재료에 대한 가역적 2전자 산화환원 공정을 최초로 시연함으로써 획기적인 발전을 이루었습니다. ”

폴리(3-비닐-N-메틸페노티아진)은 0.81V 및 1.65V의 전위에서 [AlCl4]- 음이온을 증착하고 최대 167mAh/g의 특정 용량을 제공합니다. 이에 비해 알루미늄 배터리의 전극재료인 흑연의 방전용량은 120mAh/g이다. 5,000번의 충전 사이클 후에도 연구팀이 제시한 배터리는 여전히 10C에서 용량의 88%, 즉 6분의 충전 및 방전 속도를 유지합니다. 낮은 C 비율, 즉 충전 및 방전 시간이 길어지면 배터리는 원래 용량으로 그대로 돌아갑니다.

Birgit Esser는 "높은 방전 전압과 특정 용량은 물론 빠른 C 속도에서 탁월한 용량 유지 기능을 갖춘 전극 재료는 재충전 가능한 알루미늄 배터리 개발과 그에 따른 고급스럽고 저렴한 에너지 저장 솔루션 개발에 큰 진전을 나타냅니다."라고 Birgit Esser는 말합니다. .

참고: Gauthier Studer, Alexei Schmidt, Jan Büttner, Maximilian Schmidt, Anna Fischer, Ingo Krossing 및 Birgit Esser의 "양극으로 2전자 페노티아진 산화환원 폴리머를 사용한 고용량 알루미늄 배터리에 대해", 2023년 5월 22일, 에너지 & 환경 과학.DOI: 10.1039/D3EE00235G

이 프로젝트는 독일 연구 재단(DFG)(SPP 2248 – 폴리머 기반 배터리, POLiS – EXC 2154, livMatS – EXC 2193 내의 AMPERE 프로젝트)과 Deutsche Bundesstiftung Umwelt, bwForCluster JUSTUS 2, Eva의 자금 지원을 받았습니다. Mayr-Stihl-Stiftung(Saltus!) 및 Land Baden-Württemberg(bwHCP).