배터리 기술의 가까운 미래를 엿보세요

브렌트 윌슨 대령이 오아후 캠프 스미스의 기지 사령관이 되었을 때 그는 걸프전과 이라크 전쟁에 배치되어 코소보에서 수많은 방어 작전을 이끌었습니다. 하지만 그가 하와이 기지에서 마주한 적들은 해병대 헬기 조종사로서 전장에서 보았던 적들과는 달랐다. 그는 열대 기후로 인해 정기적으로 짓밟히는 노후화된 에너지 인프라와 싸워야 했습니다.

당시 태평양 전역의 방어 작전을 담당했던 팀의 일원이었던 Wilson은 "전체 전력망이 정기적으로 중단되어 사업이 중단되었습니다."라고 설명합니다. “정말 그럴 리가 없잖아.”

그러나 열악한 기반 시설과의 전쟁에는 활용도가 낮은 동맹도 있었습니다. 바로 햇빛입니다. Wilson은 설치 캠페인을 시작했습니다. 태양 전지 패널 폭풍이 닥쳤을 때 작업의 중요한 부분을 온라인으로 유지할 수 있는 산업용 배터리. 그 경험은 결국 그가 두 번째 경력을 쌓는 데 도움이 되었습니다. 집에 전력망을 통해 전력을 공급할 수 있을 만큼 큰 배터리를 판매하는 것입니다.

배터리 붐

배터리 시장은 지난 수십 년 동안 폭발적으로 성장했으며 향후 5년 동안 12% 더 성장할 것으로 예상됩니다. 모르도르 정보국. 2025년에는 900억 달러 규모의 시장이 될 것입니다. 지난 10년 동안 Tesla, Dyson, Daimler와 같은 회사는 모두 소규모 회사를 인수하거나 새로운 공장을 건설하는 등 업계에 수십억 달러를 투자했습니다. 만약에 그 고전적인 장면 졸업생 오늘 촬영된 영화라면 더스틴 호프먼의 캐릭터에게 주어진 직업에 대한 한 단어 조언은 '플라스틱'이 아니라 '배터리'일 것입니다.

무엇이 그 모든 성장을 촉진할 것인가? 리튬이온 배터리 가격 하락, 개인용 전자기기, 전기차 등이 휘젓고, 그리고 무엇보다도 태양열과 풍력을 저장하려는 주택 소유자와 전력 회사가 늘어나고 있습니다. 에너지.

이러한 성장과 함께 많은 낭비가 발생합니다. 불행하게도 대부분의 배터리는 매립지에 버려집니다. 리튬 이온 전지의 재활용률은 끔찍합니다.

5% 미국과 유럽연합의 경우. 연구자들은 리튬 이온 배터리를 보다 재활용 가능하게 만드는 방법을 찾고 있지만, 그런 일이 발생하더라도 우리는 여전히 재활용해야 합니다. 배터리를 전혀 재활용하지 않고 쓰레기통에 버리는 사람과 기업의 습관을 바꾸세요. 쓰레기.

또한 일부 전문가들은 사용할 수 있는 리튬의 양이 제한되어 있다고 말하지만, 얼마나 제한적인지는 논쟁의 여지가 있습니다. 그것과 코발트(리튬 이온 배터리의 양극에 일반적으로 사용됨)의 채굴은 높은 환경 및 인적 비용. 게다가 코발트 가격은 지난 몇 년 동안 눈에 띄게 상승했습니다.

이 모든 것이 질문을 불러일으킵니다. 더 저렴하고 환경 친화적인 배터리가 있습니까? 더 나은 것을 사용할 수 있을까요? 미래는 어떻게 될까요?

많은 사람들이 연구를 하고 있습니다. 가능성. 1990년대 이후 30만명 이상 배터리 관련 특허 제출되었습니다(2017년에만 30,000건 이상). 이러한 발명품의 상당 부분이 리튬 이온 기술과 관련되어 있지만 고체 전해질, 실리콘 기반 양극, 리튬-공기, 그래핀 및 기타 옵션 중 일부는 환경 친화적이고 일부는 리튬 이온보다 환경적으로 더 나을 수는 없지만 더 나은 옵션도 있습니다. 효율적인.

이러한 새로운 배터리 유형의 대부분은 아마도 (적어도 향후 수십 년 동안) 리튬 이온만큼 널리 판매되지는 않을 것이지만 실제로는 큰 틈새 시장에 서비스를 제공할 수 있습니다. 다음은 인기 있는 것들 중 일부입니다.

인산철리튬

Col 직후. 윌슨은 군에서 은퇴했고, 태양광 패널 회사의 경영진은 그에게 수년간의 에너지 저장 장치 인수에 참여해 달라고 요청했습니다. 지식(군대는 세계에서 배터리를 가장 많이 사용하는 곳 중 하나입니다), 라스베거스의 CES를 방문하고 현재 가정에서 생산되는 작물을 조사합니다. 배터리. 여행이 끝난 후 그는 자신이 본 옵션에 만족하지 못한 이유를 설명하기 위해 거대한 스프레드시트를 만들었습니다. 최고의 배터리는 일반 주택 소유자에 비해 가격이 너무 높거나(30,000달러 이상) 전력이 충분하지 않았습니다. 그 후 그는 함께 일했습니다 네오볼타 일반적으로 매우 낮은 두 자리 수의 비용이 드는 배터리 라인을 생성합니다.

환경에 관심을 갖고 있는 화학자들은 다음과 같이 빠르게 말할 것입니다. 리튬-철-인산염 에너지 저장 장치는 리튬 이온 배터리의 또 다른 유형이지만 몇 가지 주목할만한 장점이 있습니다. 더 밀도가 높은 에너지, 더 긴 수명, 내부가 파열되더라도 불이 붙지 않음(리튬 이온의 경우 발생할 수 있음) 배터리). 단점은? 매우 무겁고(그래서 휴대폰이 아닌 뒷베란다에 두는 것이 더 좋습니다), 케이스에는 여전히 리튬이 들어 있으며 재활용 경로가 불분명합니다.

이처럼 리튬-인산철-인산염 배터리를 채택한 업체는 거의 없어 재활용률이 얼마나 좋은지 파악하기 어렵습니다. 일부 연구자들은 구성 요소를 분해하기가 더 쉽다고 주장합니다.

리튬황

일부 전문가들은 배터리가 더 가볍고 에너지 밀도가 더 높기 때문에 리튬-이온을 대체하기 위해 리튬-황 에너지 저장 장치에 베팅하고 있습니다. 유황도 풍부하고 저렴합니다.

리튬이온 배터리와 리튬황 배터리의 작동 방식에는 어떤 차이가 있나요? 린다 나자르 교수캐나다 워털루 대학교 연구실에서 지난 10년 동안 리튬-황 배터리를 연구해온 그는 주차장 비유를 사용하여 차이점을 설명합니다. 리튬이온 배터리의 충전과 방전은 자동차를 주차장에 들어오고 나가는 것과 비슷하지만, 리튬-황 배터리는 “주차장 구조물 전체를 거의 허물었다가 재충전하면 다시 만드는 수준” 세포."

화학 반응은 완전한 구조적, 화학적 변형이 일어나는 납산 배터리에서 일어나는 것과 유사합니다. 이러한 "변환" 배터리에는 고유한 장점과 문제점이 있습니다. “그들은 더 많은 전자를 저장할 수 있다는 장점이 있습니다.”라고 Nazar는 말했습니다. 반면 황은 전도성이 상대적으로 낮아 방전 후 배터리의 부피가 변한다. 워털루 대학교 연구실 팀은 사이클 수명을 늘리고 배터리 반응을 최적화하기 위해 배터리 구성 요소를 조정하고 있습니다. 배터리 문제 중 일부가 해결되면 Nazar는 배터리가 드론뿐만 아니라 항공에도 사용될 것으로 예상합니다. 그만큼 제퍼 비행기 장거리 전기 비행을 수행한 UAV는 종종 리튬-황 배터리에 의존합니다.

나트륨 이온

알고 보니 심장에 해로운 주기율표의 원소는 배터리에는 꽤 좋습니다. 나트륨 이온 배터리에 대한 연구는 리튬 이온 에너지 저장과 거의 같은 시기인 1970년대에 시작되었습니다. 두 원소는 주기율표에서 이웃합니다. 그런 다음 리튬 이온이 인기를 얻었고 나트륨 이온은 향후 30년 동안 에너지가 덜한 것으로 간주되었습니다.

나트륨 기반 에너지 저장을 연구하고 있는 Nazar는 “이것이 가장 좋은 것 같습니다.”라고 말합니다. “나트륨 이온 배터리는 철, 망간, 티타늄과 같은 물질로 만들어진 양극과 같은 지구에 풍부한 원소를 훨씬 저렴한 비용으로 사용할 수 있는 가능성을 제공합니다. 그러나 리튬과 같지 않기 때문에 그 화학작용을 잘 작동시키는 것은 어려운 일입니다.”

Nazar는 일부 회사에서는 리튬 이온 배터리의 가격이 항상 하락하고 있기 때문에 나트륨 이온 배터리에 투자할 가치가 없다고 생각한다고 지적합니다.

“나트륨 이온 배터리에 많은 자원을 투자할 가치가 있다고 생각합니다.”라고 그녀는 말합니다. "나트륨 이온 배터리가 높은 에너지 밀도로 정말 잘 작동하는 아하 순간이 있다면 그것은 큰 진전이 될 것입니다."

설탕

믿거나 말거나, 마치 어린아이가 케이크 팝에 뛰어오르는 것처럼 설탕으로 배터리를 작동시킬 수 있습니다. 소니는 2007년에 말토덱스트린이 산화되어 에너지를 생성하는 반응에 대한 연구를 처음 발표했습니다. 설탕 배터리는 리튬이온 배터리에 비해 재료 가용성과 친환경성이 훨씬 높지만, 화학 반응에 의해 생성되는 전압은 현저히 낮습니다. 따라서 Tesla에게 Crunchberries 한 상자를 먹이는 것을 보류하고 싶을 것입니다.

원래 컨셉은 2007년에 처음 등장했지만, 설탕 배터리 개념에는 아직 약간의 주스가 남아 있습니다. 2016년, 마이클 스트라노(Michael Strano) 교수가 이끄는 매사추세츠 공과대학 팀은 이전의 설탕 배터리 화신보다 훨씬 효율적이며 상업용 LED에 전력을 공급할 수 있는 Thermopower Wave 빛. 설탕이 매우 풍부하기 때문에 이것은 흥미로운 발전입니다. 따라서 이러한 배터리를 생산할 수 있는 실행 가능한 방법을 찾아낼 수 있다면 아마도 해당 기술을 빠르게 확장할 수 있을 것입니다. 불행하게도 상용화까지는 몇 년이 걸릴 것 같습니다.

흐름

플로우 배터리는 대부분의 다른 배터리와 구조가 다릅니다. 하나의 장치에 여러 반응성 물질을 함께 포장하는 대신 (일반 배터리와 마찬가지로) 플로우 배터리는 반응성 액체를 별도의 용기에 저장한 다음 이를 시스템으로 펌핑하여 생성합니다. 에너지. 또한 거대하고 그리드 에너지 저장용으로 설계되었습니다. 전자 제품이나 손바닥에 편안하게 들어갈 수 있는 물건용이 아닙니다.

원래 흐름 배터리 무게는 1,000파운드에 달하는 것으로 알려졌으며 19세기 후반에 영리하게 동력을 공급하기 위해 발명되었습니다. 프랑스 비행선 이름은 "라 프랑스(La France)"입니다. 모듈식 에너지 ​​저장 장치에 대한 관심은 이후 증가하기도 하고 감소하기도 했습니다. 그 다음에.

“플로우 배터리에 대한 폭발적인 관심과 폭발적인 관심을 불러일으키는 것은 차세대 배터리를 만드는 데 있는 것이 아니라고 생각합니다. 전화나 컴퓨터가 있지만 중대형 규모의 에너지 저장 장치가 필요합니다.”라고 University of University의 화학 교수인 Timothy Cook은 설명합니다. 물소. 따라서 스팀펑크 휴대폰을 제작하지 않는 한, 미세한 펌프로 활성화되는 흐름 배터리를 휴대할 가능성은 거의 없습니다. 그러나 더 많은 가정에서 태양광 발전을 설치함에 따라 "개인화된 에너지" 저장 장치 시장은 성장할 것입니다.

리튬이온 배터리를 더욱 강력하게 만든다는 것은 배터리 크기를 늘리는 것을 의미하지만, 디자인은 플로우 배터리는 액체의 크기를 늘려 에너지를 증가시키는 것이 가능하다. 저수지. San Diego Power and Electric은 최근 전력을 공급할 수 있는 장치를 설치했습니다. 1,000채.

“[화학 반응이 일어나는 곳] 막의 크기를 변경할 필요는 없습니다. 더 많은 양의 액체를 더 오랜 시간 동안 흐르게 하면 그 에너지를 추출할 수 있습니다.”라고 설명합니다. 요리하다. "따라서 확장 또는 축소가 훨씬 더 쉽거나 기본적으로 설치에 맞게 사용자 정의할 수 있습니다."

또한 플로우 배터리는 대부분의 배터리보다 충전 주기가 더 깁니다. 액체를 교체하거나 다른 모듈식 부품을 교체할 수 있다는 것은 배터리의 잠재적 수명이 거의 무한하다는 것을 의미합니다.

현재 기업들이 산업용 크기의 플로우 배터리를 판매하고 있지만 Cook 교수는 향후 5~10년 동안은 널리 보급될 것으로 예상하지 않습니다. 그는 심지어 전기 자동차가 이 기술을 사용할 수 있는 날을 상상하기도 합니다. Cook은 "주유소"에 차를 세우고 사용한 전해질을 배출한 다음 새로 충전된 전해질을 다시 채우는 자동차에 대해 설명합니다. 자동차가 재부팅될 때까지 30분을 기다리는 대신 몇 분 만에 바퀴가 다시 회전할 수 있습니다. 그러나 물론 그 미래는 먼 길을 가고 있습니다.

종이

종이로 배터리를 만들면 많은 장점이 있습니다. 얇고 유연하며 올바른 재료로 제작하면 생분해됩니다. 스탠포드 대학의 한 팀은 탄소와 은 포화 잉크로 얇은 시트를 코팅하여 초기 종이 배터리를 개발했습니다. 최근에는 환경 친화적인 사람들이 Binghamton University에서 개발 중인 배터리에 대해 점점 더 흥미를 갖고 있습니다. 최석현 교수는 침(좀 더 과학적으로는 인간의 타액)으로 구동되는 것과 박테리아로 구동되는 것을 포함하여 몇 가지 다른 구현을 만들었습니다. 최근 최 교수와 오모운미 사딕 교수가 개발한 바이오 배터리의 화신은 폴리를 사용한다. 에너지원을 만들기 위한 (아믹)산과 폴리(피로멜리트산 이무수물-p-페닐렌디아민) 생분해성.

“우리의 하이브리드 종이 배터리는 이전에 보고된 모든 종이 기반 미생물 배터리보다 비용 대비 전력비가 훨씬 더 높았습니다.”라고 최씨는 혁신을 통해 말했습니다. 발표됐다. 친환경 종이전지는 출력이 낮아 상업적 이용이 제한되어 있지만(LED 조명을 켜는 정도) 약 20분), 연구원들은 전자 제품, 무선 장치, 심장박동기, 항공기, 자동차. 최씨는 배터리를 쉽게 구할 수 없는 개발도상국에서 현장 진단 도구의 일회용 전원으로 이를 활용하는 방법에 대한 논문을 작성했습니다.

공기

공기는 실제로 전기적일 수 있습니다. 페라리 스피커에서 필 콜린스의 노래가 흘러나오고 나서 옷깃이 터지는 그 순간만이 아닙니다. 아연공기 배터리스마티(Smarties) 사탕 크기 정도이고 산소와 아연의 반응으로 구동되는 는 수년 동안 보청기에 사용되어 왔습니다. 아연도 가격이 저렴하고 풍부해 기술이 경제적이면서도 친환경적이다.

하지만 이 기술을 만들려고 하면 한계가 있습니다. 충전식. 충전 중에 수지상 결정이 형성되어 배터리가 단락될 수 있습니다. 재료를 물리적으로 교체하여 배터리를 "기계적으로 충전"하는 등 아연을 대체하는 방법이 테스트되었으며, 이는 싱가포르의 전기 버스에서 시도된 접근 방식입니다. 다양한 수준의 에너지 밀도, 전력 수준 및 비용으로 리튬 공기 및 금속 공기 배터리를 사용하여 수많은 다른 실험이 시도되었습니다. 지난 10년 동안 Tesla는 충전과 관련된 여러 특허를 출원했습니다. 리튬공기전지, 따라서 그 잠재력은 보청기 너머에 존재할 수 있습니다.

철

몇 년 전, 아이다호 대학교 화학 교수인 피터 앨런(Peter Allen)은 YouTube에서 배터리 과학에 대한 자신의 매력을 표현하기 시작했습니다. 거의 즉시 그는 시청자들이 배터리 소재에 실제로 반응한다는 것을 알게 되었고, 이는 교육 시연으로 충전식 철 배터리를 만들도록 영감을 주었습니다. 이 프로젝트를 통해 교육용 배터리 프로젝트의 단계, 문제 및 학습 내용을 설명하는 100개 이상의 데모 비디오가 탄생했습니다.

“저는 배터리 전문가라고 자처하고 싶지 않습니다.” 전문 분야가 생화학인 이 교수는 인정합니다. YouTube 동영상을 촬영하면서 그는 상대적으로 저렴한 DIY 배터리를 제작함으로써 배우고 배울 것이 많다는 것을 깨달았습니다.

“철 배터리 기술의 일부는 100년 동안 존재해왔기 때문에 이 기술에 관심을 갖는 많은 사람들이 많은 외국 지식은 '그건 밟힌 땅이군요. 거기서는 아무것도 찾을 수 없습니다'라고 말할 것입니다.”라고 그는 말합니다. "하지만 조금 순진하게 들어가서 '한번 해보자. 어쨌든 흥미로운 걸 찾을 수 있을 거야.'라고 말했어요."

2년 동안 30개 이상의 배터리 변형과 학부생들의 많은 도움을 받은 후 Allen은 최적의 에너지 밀도를 생성하기 위해 액체와 고체 물질의 균형을 맞추는 방법을 배웠습니다. 힘.

"그런 다음 우리는 '작동하는 화학이 있지만 느리게 작동하는 경우 어떻게 속도를 높일 수 있습니까?'라는 전체적인 질문에 빠졌습니다."

팀이 이러한 과제를 해결하더라도 현재 기술에 따르면 철 배터리에 대한 최고의 응용 분야는 다음과 같습니다. 필요한 공간과 에너지 저장 장치에서 전송되는 에너지 속도를 고려하여 인근 마이크로그리드 에너지 저장 장치 또는 태양광 발전소 전력 캡처 단위.

누가 이길까요?

Allen의 철 배터리가 상업적으로 실행 가능할까요? 그는 과학 저널에 발표된 그의 팀의 현재 연구 결과가 목표를 달성할 수 있을지 확신하지 못합니다.

수많은 배터리 발명품을 검토한 결과, 그는 그 중 실제로 시장에 출시될 제품은 극히 일부에 불과하다는 사실을 깨달았습니다. 과학 연구에는 “죽음의 계곡”이 있다고 그는 설명합니다.

“정말 멋진 것을 찾아내는 기초 연구가 있습니다.”라고 그는 말합니다. “상용화할 수 있을지 의문이다. 그리고 그런 질문을 할 돈도 없어요.” 초기 질문에 답할 만큼 충분한 자금을 찾은 연구자는 운이 좋으면 아이디어를 개선하고 상업화하려는 투자자를 찾을 것입니다. "하지만 배터리를 상용화하기 위해 기초 연구와 필요한 정제 사이에는 격차가 있습니다."

2019년에는 벤처캐피탈리스트들이 침몰했다. 배터리 스타트업에 17억 달러 투자, 그 중 14억 개가 리튬이온 관련 연구에 사용됩니다. 그러나 흐름 배터리, 아연 공기, 액체 금속 및 기타 여러 기술도 서면 검사를 받았습니다. 리튬 이온 에너지 저장 장치는 향후 10년 동안 에너지 저장 장치를 장악할 가능성이 크지만, 이미 많은 다른 저장 장치가 죽음의 계곡에서 벗어날 수 있는 전력을 공급할 것으로 보입니다.

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