토마스 에디슨의 실패한 충전식 배터리가 두 번째 생명을 얻을 수도 있다

미국 - 이크바리 뉴스 통신사

토마스 에디슨의 실패한 충전식 배터리가 두 번째 생명을 얻을 수도 있다

전기 저장 역사의 장을 다시 쓸 만한 개발에서, 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스(UCLA) 연구팀은 유명한 발명가 토머스 에디슨이 세운 선구적인 원칙에 기반한 니켈-철 배터리 프로토타입을 성공적으로 개발했습니다. 에디슨이 20세기 초 이 기술에 대해 가졌던 비전은 전기 자동차를 구동하는 것이었지만, 현대 연구자들은 이제 그 기본 개념이 태양광 및 풍력 발전 시설과 같은 재생 에너지 저장 응용 분야에 훨씬 더 적합하다고 믿고 있습니다.

최근 과학 저널 'Small'에 발표된 이 연구는 단 몇 초 만에 충전되고 12,000회 이상의 충방전 사이클을 견딜 수 있는 혁신적인 배터리 프로토타입을 자세히 설명합니다. 이 놀라운 내구성은 약 30년의 집중적인 일상 사용에 해당하며, 이 재해석된 기술에 대한 매우 긴 수명을 시사합니다. 이 돌파구는 우수한 성능을 위해 나노 규모의 화학 원리를 활용하는 방법에 대한 더 깊은 이해를 반영합니다.

충전식 전기 동력이라는 개념은 에디슨 시대에 완전히 새로운 것은 아니었습니다. 1900년까지 미국 도로에서는 가솔린 차량보다 전기 하이브리드 자동차가 더 많았습니다. 1901년 에디슨은 작동하는 납축전지 자동차 배터리에 대한 특허를 유명하게 취득했으며, 이는 20세기를 완전히 다른 방향으로 이끌 뻔했습니다. 그러나 에디슨의 배터리는 높은 비용과 단 30마일에 불과한 제한된 주행 거리와 같은 상당한 장애물에 직면했으며, 결국 에디슨이 성공적인 니켈-철 후속 배터리 비전을 완전히 실현하기 전에 내연 기관에 패배했습니다.

오늘날, 재생 에너지는 지난 세기 동안의 지속적인 혁신과 화석 연료의 심각한 결과에 대한 인식 증가에 힘입어 세계 에너지 믹스의 초석이 되었습니다. 대부분의 사람들은 오늘날 충전식 리튬 이온 배터리에 익숙하지만, 에디슨의 니켈-철 개념은 완전히 사라지지 않았습니다. UCLA 공학자들은 이 기술이 운송 응용 분야에 직접적으로 적합하지 않을 수 있지만, 태양광 발전소 및 대규모 에너지 저장 시설과 같은 에너지 인프라에서의 사용에 엄청난 가능성을 보여준다고 인정합니다.

연구 공동 저자인 마허 엘-카디(Maher El-Kady) 박사는 이 기술의 기본 원리가 원자 수준의 결합과 나노 규모 공학에 의존함에도 불구하고 놀랍도록 이해하기 쉽다고 설명합니다. 그는 최근 UCLA 프로필에서 "사람들은 종종 현대 나노 기술 도구를 복잡하고 첨단 기술이라고 생각하지만, 우리의 접근 방식은 놀랍도록 간단하고 직관적입니다"라고 말했습니다.

엘-카디 팀은 두 가지 주요 출처에서 영감을 얻었습니다. 바로 기초 화학과 골격 해부학입니다. 예를 들어, 척추 동물의 뼈와 껍질의 형성은 칼슘 기반 화합물을 구축하기 위한 프레임워크로 특정 단백질을 활용하는 것을 포함합니다. 연구 공동 저자인 재료 과학자 릭 카너(Ric Kaner) 박사는 "미네랄을 올바른 방식으로 배열하는 것은 뼈를 튼튼하지만 부서지지 않을 만큼 유연하게 만듭니다. 어떻게 만들어지는지는 사용된 재료만큼 중요하며, 단백질이 그 위치를 안내합니다"라고 설명합니다.

엘-카디와 카너는 칼슘을 니켈과 철로 대체하여 이 생물학적 시스템을 조정할 가능성을 탐구했습니다. 단백질 구성 요소의 경우, 그들은 소고기 가공 부산물을 활용하여 단일 원자 두께의 탄소 및 산소 시트인 산화 그래핀으로 함침시켰습니다. 궁극적으로 그들은 양전하를 띤 니켈 원자와 음전하를 띤 철 원자로 채워진 접힌 단백질 구조를 성공적으로 배양했습니다. 5나노미터 미만의 너비를 가진 이 구조는 인간 머리카락의 너비에 도달하기 위해 10,000 ~ 20,000개의 클러스터가 필요합니다.

산화 그래핀의 산소 원자는 일반적으로 절연체 역할을 하여 배터리 효율을 저해할 수 있습니다. 그러나 팀은 해결책을 고안했습니다. 그들의 창조물을 과열된 물에 담갔을 때, 높은 온도는 모든 산소를 제거하면서 단백질을 탄소로 전환시켰습니다. 동시에, 이 금속 클러스터는 구조 내부에 더욱 통합되었습니다. 결과는 부피 기준으로 거의 99%가 공기인 에어로겔이었습니다. 여기서부터 표면적의 놀라운 역학이 작용합니다.

엘-카디는 "더 큰 입자에서 이러한 극도로 작은 나노 클러스터로 이동함에 따라 표면적이 극적으로 증가합니다. 이는 배터리에 엄청난 이점입니다."라고 설명했습니다. "입자가 그렇게 작을 때, 거의 모든 원자가 반응에 참여할 수 있습니다. 따라서 충전 및 방전이 훨씬 빠르게 일어나고, 더 많은 전하를 저장할 수 있으며, 전체 배터리가 더 효율적으로 작동합니다."

엘-카디의 니켈-철 에어로겔 배터리는 현재 리튬 이온 대안의 저장 용량에는 훨씬 미치지 못하여 전기 자동차에 부적합하지만, 그 중요성은 단순한 화학 실험을 넘어섭니다. 니켈-철 배터리의 빠른 충전, 긴 수명 및 높은 출력은 태양광 발전소에서의 좋은 성능 가능성을 시사합니다. 이 배터리는 낮 동안 잉여 전기를 쉽게 저장하고 밤에 전력을 그리드로 전송할 수 있습니다. 또한 에너지 집약적인 데이터 센터에 백업 전원을 공급하는 데 도움이 될 수 있는 시나리오도 있습니다.

에디슨의 니켈-철 배터리의 부활은 아직 초기 단계에 있지만, 과학적 지식과 엔지니어링 기술은 확실히 존재합니다. 더 중요한 것은, 이 기술은 리튬 이온 배터리의 특징인 희토류 금속에 대한 의존성을 완전히 우회한다는 것입니다.

엘-카디는 "우리는 단순히 일반적인 재료를 섞고, 부드러운 가열 단계를 적용하며, 널리 사용 가능한 원료를 사용합니다."라고 결론지었습니다. 이러한 진술은 과거에서 영감을 얻은 혁신이 현재와 미래의 과제를 해결하는 데 중요한 역할을 하는 에너지 저장에 대한 유망한 미래의 문을 열어줍니다.

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