리튬-CO₂ 배터리 혁신, 기기에 전원을 공급하는 동시에 탄소 포집

서리 대학교(University of Surrey)의 엔지니어들이 정상 작동 시 공기 중 이산화탄소를 제거하는 리튬-CO2 배터리를 개발했습니다. 업그레이드된 배터리 설계는 기존 배터리보다 성능이 뛰어나면서도 오염 및 기후 변화 대응에 기여할 수 있는 잠재력을 갖추고 있습니다. 알아두어야 할 사항은 다음과 같습니다.

리튬 이온 배터리가 친환경 에너지 분야에서 부족한 이유

미래는 무선 시대이며, 제조업체들은 깨끗한 배터리 솔루션에 대한 수요가 있음을 인지하고 있습니다. 오늘날 가장 널리 사용되는 배터리는 리튬 이온 배터리입니다. 이러한 배터리는 휴대폰, 전기차, 스마트워치와 같은 일상 기기에서 찾아볼 수 있습니다. 리튬 이온 배터리는 적절한 밀도와 충전 사이클을 제공하며 가격도 저렴합니다. 하지만 지속 가능하지 않으며 전 세계 매립지의 주요 오염원으로 남아 있습니다.

리튬 이온 배터리의 주요 과제: 안전성, 비용 및 폐기물

리튬 이온 배터리에는 그 효과와 효율을 제한하는 몇 가지 문제가 있습니다. 첫째, 값비싼 희토류 재료를 사용해야 합니다. 백금과 같은 자원은 구하기 어렵고 제조 공정 비용을 상당히 증가시킵니다. 또한, 희토류 광물에 대한 수요는 이러한 필수품을 안정적으로 확보하려는 국가들의 안보 우려 사항으로 대두되었습니다.

리튬 이온 배터리는 사이클 수명이 짧다는 단점이 있습니다. 이 배터리는 설계상 충전 사이클마다 약간의 손실이 발생합니다. 따라서 리튬 이온 배터리는 사이클을 거듭할수록 성능이 저하됩니다. 또한, 폐기 비용이 매우 높고, 부적절하게 충전하거나 열 폭주가 발생할 경우 안전 사고의 위험이 될 수 있습니다.

열 폭주는 리튬 이온 배터리 셀이 과열되어 주변 셀도 과열되는 현상을 말합니다. 그 결과, 화재나 폭발을 일으킬 수 있는 대규모 용융이 발생합니다. 이러한 사고로 인한 피해는 이미 잘 알려져 있습니다. 간단한 검색만으로도 전 세계적으로 리튬 이온 배터리 화재의 오랜 역사를 확인할 수 있습니다.

과잉 잠재력

리튬 이온 배터리 사용자들이 우려하는 또 다른 문제는 과전압입니다. 과전압은 화학 반응을 일으키고 배터리를 충전하는 데 사용되는 에너지량을 의미합니다. 리튬 이온 시스템은 높은 과전압으로 인해 어려움을 겪습니다. 하지만 몇몇 독창적인 과학자들 덕분에 이러한 문제가 해결될 것입니다.

리튬-CO₂ 배터리는 무엇이고 어떻게 작동하나요?

리튬-CO2 배터리는 흥미로운 대안으로 부상했습니다. 이 충전식 배터리는 CO2 가스를 에너지 운반체로 사용합니다. 이러한 구조는 성능 향상, 용량 증가, 그리고 더 깨끗한 공기질과 같은 주요 이점을 제공합니다. 결과적으로 많은 사람들은 리튬-CO2 배터리가 미래의 탄소 순배출량 제로 달성을 위한 최선의 선택이라고 생각합니다.

현재 리튬-CO2 배터리의 단점

현재 리튬-이산화탄소 배터리 사용의 주요 단점 중 하나는 신뢰할 수 있고 저렴한 촉매가 부족하다는 것입니다. 이러한 사실을 인지한 엔지니어들은 재료 과학과 컴퓨터 모델링의 최신 기술을 통합한 새로운 버전을 개발했습니다. 이 새로운 접근법은 에너지 사용과 대기 질이라는 두 가지 문제를 동시에 해결할 것으로 기대됩니다.

서리 대학교의 획기적인 리튬-CO₂ 배터리 연구

연구¹"효과적인 산화환원 촉매인 세슘 인산몰리브데이트를 사용하여 충전식 Li-CO2 배터리의 초저 과전압을 구현, Advanced Science에 게재된 "호흡” 배터리. 이 장치는 CO2를 사용하여 특수 제작된 촉매와 상호 작용하여 깨끗한 에너지 루프를 생성합니다.

리튬-CO2 배터리 해체

엔지니어들은 이 과정의 일환으로 다양한 촉매를 사용하는 여러 개의 Li-CO2 배터리를 제작했습니다. 그런 다음 배터리를 수천 번의 충전 사이클에 걸쳐 사용했는데, 이는 수년간 매일 사용하는 것과 같은 수치입니다. 사이클이 끝난 후 배터리를 분해하여 성능 저하, 축적, 기타 성능 저하 요인에 대한 심층적인 분석을 수행했습니다. 특히, 연구팀은 탄산리튬 침전물이 형성되는 것을 발견했으며, 이를 쉽게 제거하여 배터리의 충전 사이클을 개선할 수 있다는 것을 확인했습니다.

출처 - 서리 화학 및 화학 공학 대학 및 첨단 기술 연구소

리튬-CO2 배터리 컴퓨터 모델

연구진은 실험에서 얻은 데이터를 활용하여 정확한 컴퓨터 모델을 개발했습니다. 이 모델은 밀도 함수 이론(DFT)을 사용하여 중요한 세부 사항과 변화를 예측합니다. 이 모델은 사고 실험을 수행하는 팀의 역량을 향상시키고, 총비용을 절감하는 동시에 실험 범위를 확대하는 데 도움이 되었습니다. 연구진의 목표는 이 모델을 활용하여 리튬 배터리의 작동을 뒷받침하는 화학 반응을 지지할 수 있는 안정적인 다공성 구조를 만드는 데 최적의 재료를 찾는 것이었습니다.

세슘 포스포몰리브덴산염(CPM)

몇 가지 테스트를 거친 후, 엔지니어들은 세슘 포스포몰리브덴산염(Cs3PMo12O40, CPM)이 유망한 선택이라는 결론을 내렸습니다. 엔지니어들은 이 CPM을 Li‒CO2 배터리의 촉매로 적용한 후 여러 가지 테스트를 수행했습니다. CPM을 만들기 위해 엔지니어들은 촉매를 합성하고 양극을 코팅했습니다.

이 소재는 많은 전기 활성점을 가지고 있고 산소가 풍부한 표면을 가지고 있어 이상적인 것으로 밝혀졌습니다. 또한, 이 복합재는 독특한 메조포러스 형태를 가지고 있어 충전 사이클 동안 내구성과 성능을 향상시켜, 이전 배터리보다 충전 시 에너지 소모량이 적습니다.

이 CPM 기공은 CO₂ 분자와 Li+ 이온이 활성 부위로 효율적으로 확산되도록 지원하기 때문에 이상적입니다. 또한, 이 기공은 방전 생성물을 수용하는 또 다른 역할을 합니다. 특히, 결정 구조의 크기는 2nm에 불과합니다.

분말 X선 회절(PXRD)

엔지니어들은 분말 X선 회절법을 사용하여 합성된 CPM 촉매의 결정 격자 구조와 조성을 검토했습니다. 이 도구는 구조에 X선을 집중시키고 회절 패턴을 분석하는 방식으로 작동합니다.

푸리에 변환 적외선(FTIR)

다음 단계는 이러한 과정으로 인해 어떤 에너지가 흡수되거나 방출되는지 확인하는 것이었습니다. 엔지니어들은 이 단계를 수행하기 위해 푸리에 변환 적외선 분광법을 사용했습니다. 연구팀은 이 과정에서 케긴 입자의 존재를 확인했는데, 이는 컴퓨터 모델 예측과 일치했습니다.

케긴 유닛

연구팀은 자신들의 작품 표면에 케긴 유닛(keggin unit)이 통합되어 있는지 확인하기 위해 많은 노력을 기울였습니다. 케긴 유닛은 견고성과 구조적 안정성으로 유명한 결정 구조를 의미합니다. 사이클 과정에서도 구조가 유지되므로 배터리에 이상적인 구조입니다.

X 선 광전자 분광법 (XPS)

연구팀은 X선 광전자 분광법을 사용하여 공정 중 및 공정 후 촉매의 화학적 상태를 더욱 깊이 있게 이해했습니다. 표면의 원소 조성을 정확하게 파악하고 이를 조절하여 배터리의 성능과 수명을 최적화했습니다.

열중량분석(TG)

다음 단계는 수분이 시스템에 유입되는지, 아니면 부산물로 생성되는지 확인하는 것이었습니다. 연구진은 열중량 분석을 사용하여 CPM 복합재의 수분 함량을 평가했습니다. 이 실험 결과, 새로운 설계가 고밀도 배터리 개발을 지원할 수 있음이 밝혀졌습니다.

리튬-CO2 배터리 테스트

일련의 실험실 실험을 통해 엔지니어들은 예측을 재확인할 수 있었습니다. 연구팀은 CRR/CER 반응 속도 향상에 있어 CPM 촉매의 전기 촉매적 성능을 평가하기 위해 물리적 시뮬레이션과 컴퓨터 시뮬레이션을 모두 수행했습니다. 그 결과, 이 구조가 촉매로 사용하기에 이상적인 고유한 특성을 가지고 있음을 확인했습니다.

리튬-CO2 배터리 테스트 결과

시험 결과는 놀라웠습니다. 새로운 배터리 구조는 고장 없이 작동했습니다. 연구팀은 100mAh/g의 용량 제한으로 50mA/g에서 1회의 사이클을 수행했습니다. 연구팀은 이 장치가 기존 리튬 이온 배터리보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있고 충전도 더 쉽다는 점을 확인했습니다. 놀랍게도, 업그레이드된 배터리는 500mA/g에서 1mAh/g의 우수한 방전 용량과 15440%의 쿨롱 효율을 보였습니다. 또한, 촉매는 1V의 낮은 과전압을 생성했습니다.

이 데이터는 새로운 설계가 기존 촉매보다 훨씬 효과적임을 보여주었습니다. 특히, 이 설계는 더 높은 방전-충전 용량과 더 낮은 과전압 배터리를 제공합니다. 또한, Li-CO2 배터리 설계는 107 mAh g의 제한된 용량으로 50 mA g−1에서 500회 사이클의 긴 안정성을 지원합니다.

청정 에너지를 위한 리튬-CO₂ 배터리의 주요 이점

리튬-CO2 배터리는 시장에 많은 이점을 제공합니다. 첫째, 매립지에 계속 쌓이는 리튬 이온 배터리에 비해 친환경적인 대안을 제공합니다. 이 새로운 방식은 폐기물과 온실가스 배출을 동시에 줄여 배터리 산업이 오염을 줄이는 동시에 획기적인 기술 업그레이드를 이룰 수 있는 길을 열어줍니다.

더 높은 용량

이 보고서는 리튬-CO2 배터리가 이전 배터리보다 더 높은 용량을 제공할 수 있음을 보여줍니다. 또한, 과전압이 훨씬 낮아 충전 시 에너지 소모량이 훨씬 적습니다. 충전 강도를 낮추어 배터리 성능을 저하시키지 않으면서도 수명을 연장합니다.

리튬-CO2 배터리는 더 저렴합니다.

배터리 제조업체와 소비자에게 리튬-CO2 배터리의 급격한 수요 증가를 예상하게 하는 또 다른 이유는 제조 공정이 더 저렴하기 때문입니다. 제조 비용 절감과 배출량 감소를 고려하면, 리튬-CO2 배터리는 청정 에너지를 저장하는 실용적인 방법으로 보입니다.

리튬-CO2 배터리는 확장성이 더 뛰어납니다.

연구진은 지역 사회의 요구에 맞춰 연구를 확장할 수 있도록 했습니다. 휴대용 기기에 전력을 공급할 청정 에너지 옵션에 대한 수요가 급증하고 있습니다. 엔지니어들은 이 배터리 개발을 비용 절감을 위한 업그레이드로 보고 있으며, 유해한 온실가스인 이산화탄소를 포집한다는 추가적인 이점도 있다고 생각합니다.

리튬-CO2 배터리는 더 효율적입니다.

리튬-CO2 배터리는 다른 배터리 솔루션에 비해 효율성이 뛰어납니다. 이 차세대 전원 공급 장치는 다양한 사용 사례에서 효율적으로 작동할 수 있습니다. 이 장치는 더 큰 에너지 용량을 제공하며, 용도에 맞게 확장하여 사용할 수 있습니다.

희토류 금속 없음

희토류 금속은 한정된 자원이지만 그 가치는 계속 증가하고 있습니다. 세계 강대국들은 희토류 금속에 대한 접근을 보호하기 위해 이미 대규모 관세와 기타 법률을 시행하고 있습니다. 이 엔지니어가 배터리 설계에서 이러한 광물의 필요성을 없애기로 한 결정은 이 기술이 성공하는 주요 원인 중 하나일 수 있습니다.

리튬-CO₂ 배터리의 실제 적용 분야 및 예상 시기

친환경 배터리는 다양한 용도로 활용될 수 있습니다. 세상은 매일 사용되는 무선 시스템의 수를 늘릴 수 있는 친환경 대안을 필요로 합니다. 리튬-CO2 배터리는 언젠가 가정, 자동차, 그리고 다양한 기기에 전력을 공급하는 동시에 유해한 온실가스 감축에도 기여할 수 있을 것입니다.

우주 여행

우주 여행은 이 기술의 또 다른 응용 분야입니다. 과학자들이 심우주와 다른 세계 탐사를 지원할 방법을 끊임없이 모색함에 따라, 새로운 전력 옵션에 대한 연구가 필수적입니다. 이 최신 기술은 대기의 95%가 이산화탄소로 구성되어 있어 화성과 같은 먼 행성에서도 작동할 수 있다는 중요한 장점을 가지고 있습니다.

리튬-CO2 배터리 타임라인

CO5 배터리가 소비자에게 출시되기까지는 약 2년 정도가 걸릴 것으로 예상됩니다. 기술은 이미 완성되었지만, 연구팀은 아직 자신들의 발명품을 시장에 출시할 최적의 방법을 찾아야 합니다. 특히, 탄소 순배출량 제로 의무 이행에 대한 수요가 증가함에 따라 이 일정이 앞당겨지고 리튬-CO2 배터리 도입이 우선순위가 될 수 있습니다.

리튬-CO2 배터리 연구원들

리튬-CO2 배터리 연구는 서리 대학교 화학 및 화학공학과와 첨단기술연구소(Advanced Technology Institute)의 주관으로 진행되었습니다. 이 획기적인 논문에는 시다르트 가드카리(Siddharth Gadkari)와 다니엘 코맨듀어(Daniel Commandeur)가 공동 저자로 참여했습니다. 마샤 마수디(Mahsa Masoudi), 노이비 F. 자비에르 주니어(Neubi F. Xavier Jr), 제임스 라이트(James Wright), 토마스 M. 로즈비어(Thomas M. Roseveare), 스티븐 힌더(Steven Hinder), 블라드 스톨로잔(Vlad Stolojan), 치옹 카이(Qiong Cai), 로버트 CT 슬레이드(Robert CT Slade)의 지원을 받았습니다.

리튬-CO2 배터리의 미래

연구팀은 다른 물질과 이러한 촉매가 전극 및 전해질과 어떻게 상호작용하는지에 대해 더 깊이 연구하고자 합니다. 또한, 케긴형 폴리옥소메탈레이트를 이중 작용성 산화환원 촉매로 더욱 탐구하고자 합니다. 이러한 연구들은 충전식 리튬-이산화탄소 배터리의 가역적 사이클링을 포함한 연구 설계의 주요 측면을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.

배터리 부문에 투자

배터리 시장에는 여러 회사가 참여하고 있습니다. 1등급 유명 제조업체부터 저가형 대체 제품, 심지어 짝퉁까지 다양한 제품이 있습니다. 고품질 배터리에 대한 수요는 여전히 높습니다. 성공을 향해 나아가고 있으며 향후 자사 제품에 리튬-CO2 배터리를 통합할 가능성이 있는 배터리 제조업체를 소개합니다.

솔리드 파워

솔리드 파워 (SLDP ) 2011년 시장에 진출했으며 콜로라도에 본사를 두고 있습니다. 이 회사의 목표는 고성능 고체 전지 대안을 개발하는 것입니다. 출시 이후 솔리드 파워는 시장에서 상당한 지지와 성장을 이루었습니다. 이러한 성장은 주로 혁신적인 정신과 액체 전해질을 황화물 고체 전해질로 대체하는 독창적인 제품 덕분입니다. 이러한 접근 방식은 화재 또는 열 폭주 위험을 줄였습니다.

솔리드 파워는 여러 전기차 제조업체와 전략적 파트너십을 맺고 있습니다. 이러한 파트너십은 혁신을 촉진하고 시장에서 더 안전하고 효율적인 대안을 찾을 수 있도록 지원하기 위해 마련되었습니다. 현재 솔리드 파워는 의료 및 제조 분야를 포함한 다양한 산업 분야의 다양한 제조업체와 협력하고 있습니다.

성장 잠재력이 있는 탄탄한 배터리 주식을 찾고 있다면 SLDP에 대한 추가 조사를 고려해 보는 것이 좋습니다. SLDP의 파트너십과 제품은 많은 애널리스트들의 기대를 모으고 있습니다. 또한, SLDP 서비스에 대한 수요도 증가하고 있어 향후 몇 주 안에 주가 상승으로 이어질 가능성이 있습니다.

최신 솔리드 파워(SLDP) 주식 뉴스 및 동향

리튬-CO2 배터리 – 이동 중에도 깨끗한 에너지

리튬-CO2 배터리는 엔지니어들이 리튬 이온 배터리의 열 폭주로 인한 화재 위험과 손상을 막는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이러한 장치는 어디에나 있으며, 더 안전하고 효율적인 대체재로 교체하면 많은 사람들에게 도움이 될 수 있습니다. 결과적으로 제조업체와 엔지니어들은 오늘날의 배터리 개선에 시간과 비용, 그리고 노력을 끊임없이 투자하고 있습니다. 다행히도 이 최신 제품은 청정 에너지 생산과 더불어 이러한 노력을 극대화합니다.

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참고 연구:

^{1. Masoudi, M., Xavier Jr, NF, Wright, J., Roseveare, TM, Hinder, S., Stolojan, V., Cai, Q., Slade, RCT, Commandeur, D., & Gadkari, S. (2025). 효과적인 산화환원 촉매로서 세슘 인산몰리브덴산염을 사용하여 충전식 Li-CO₂ 배터리의 초저전압을 구현했습니다.. 고급 과학, 12(17), 2502553. https://doi.org/10.1002/advs.202502553}