그래핀과 배터리
벌집 모양의 격자 패턴으로 함께 결합된 탄소 원자 시트인 그래핀은 무수히 많은 놀라운 속성으로 인해 "경이로운 물질"로 크게 인식되고 있습니다. 전기 및 열 에너지의 강력한 전도체이며 화학적으로 매우 가볍고 비활성이며 넓은 표면적과 함께 유연합니다. 또한 다양한 응용 분야에 대한 무한한 가능성으로 친환경적이고 지속 가능한 것으로 간주됩니다.
그래핀 배터리의 장점
배터리 분야에서 기존의 배터리 전극 재료(및 미래의 재료)는 그래핀으로 향상될 때 크게 향상됩니다. 그래핀 배터리는 가볍고 내구성이 있으며 고용량 에너지 저장에 적합할 뿐만 아니라 충전 시간을 단축할 수 있습니다. 전도도를 얻기 위해 물질에 코팅되거나 전극에 첨가되는 탄소의 양과 음으로 연결되는 배터리의 수명을 연장하고 그래핀은 기존 배터리에서 사용되는 탄소의 양을 요구하지 않고 전도도를 추가합니다.
그래핀은 다양한 방식으로 에너지 밀도 및 형태와 같은 배터리 속성을 향상시킬 수 있습니다. 리튬 이온 배터리(및 다른 유형의 충전식 배터리)는 그래핀을 배터리 양극에 도입하고 재료의 전도성과 넓은 표면적 특성을 활용하여 형태 최적화 및 성능을 달성함으로써 향상될 수 있습니다.
하이브리드 재료를 만드는 것도 배터리 향상을 달성하는 데 유용할 수 있다는 것도 발견되었습니다. 산화바나듐(VO2) 및 그래핀은 예를 들어 리튬 이온 음극에 사용할 수 있으며 빠른 충전 및 방전뿐만 아니라 큰 충전 주기 내구성을 부여합니다. 이 경우 VO2 높은 에너지 용량을 제공하지만 열악한 전기 전도도를 제공합니다. 이는 그래핀을 VO를 부착하는 일종의 구조적 "백본"으로 사용하여 해결할 수 있습니다.2 – 향상된 용량과 우수한 전도성을 모두 갖춘 하이브리드 소재를 만듭니다.
또 다른 예로는 충전식 리튬 이온 배터리의 일종인 LFP(Lithium Iron Phosphate) 배터리가 있습니다. 다른 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도는 낮지만 전력 밀도는 높습니다(배터리가 에너지를 공급할 수 있는 비율의 지표). 그래핀으로 LFP 음극을 강화하면 배터리가 가볍고 리튬 이온 배터리보다 훨씬 빠르게 충전되며 기존 LFP 배터리보다 더 큰 용량을 가질 수 있습니다.
그래핀 배터리와 그래핀을 결합한 배터리 시장의 혁신 슈퍼 커패시터 전기 자동차의 주행 범위와 효율성을 향상시킨다는 언급된 개념과 같이 놀라운 결과를 얻을 수 있습니다. 그래핀 배터리는 아직 광범위한 상용화에 이르지 못했지만, 배터리 혁신은 전 세계적으로 보고되고 있습니다.
배터리 기본
배터리는 이동식 전원 역할을 하여 전기로 작동되는 장치를 콘센트에 직접 연결하지 않고도 작동할 수 있습니다. 많은 유형의 배터리가 존재하지만 기능의 기본 개념은 유사하게 유지됩니다. 하나 이상의 전기화학 전지가 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 배터리는 일반적으로 양극 단자(음극), 음극 단자(음극) 및 이온이 이들 사이를 이동할 수 있도록 하는 전해질을 포함하는 금속 또는 플라스틱 케이스로 만들어집니다. 분리막(투과성 고분자 멤브레인)은 양극과 음극 사이에 장벽을 만들어 전기적 단락을 방지하는 동시에 전류가 흐르는 동안 회로를 닫는 데 필요한 이온 전하 운반체의 수송을 허용합니다. 마지막으로 컬렉터는 연결된 장치를 통해 배터리 외부에서 충전을 수행하는 데 사용됩니다.
두 단자 사이의 회로가 완성되면 배터리는 일련의 반응을 통해 전기를 생산합니다. 양극은 전해질에서 나온 둘 이상의 이온이 양극과 결합하여 화합물을 생성하고 전자를 방출하는 산화 반응을 경험합니다. 동시에 음극은 음극 물질, 이온 및 자유 전자가 화합물로 결합하는 환원 반응을 거칩니다. 간단히 말해서, 양극 반응은 전자를 생성하는 반면 음극에서의 반응은 전자를 흡수하고 그 과정에서 전기가 생성됩니다. 배터리는 전극이 반응 생성에 필요한 물질을 모두 소진할 때까지 계속해서 전기를 생산합니다.
배터리 유형 및 특성
배터리는 기본 및 보조의 두 가지 주요 유형으로 나뉩니다. XNUMX차 전지(일회용)는 한 번 사용하면 충전 중에 전극 물질이 비가역적으로 변하기 때문에 무용지물이 됩니다. 일반적인 예로는 장난감, 손전등 및 다양한 휴대용 장치에 사용되는 알카라인 배터리뿐만 아니라 아연-탄소 배터리가 있습니다. 이차 전지(충전식)는 전극의 원래 구성이 기능을 회복할 수 있기 때문에 여러 번 방전 및 충전할 수 있습니다. 예를 들어 차량에 사용되는 납산 배터리와 휴대용 전자 제품에 사용되는 리튬 이온 배터리가 있습니다.
배터리는 셀 수 없이 다양한 목적을 위해 다양한 모양과 크기로 제공됩니다. 다른 종류의 배터리는 다양한 장점과 단점을 보여줍니다. 니켈-카드뮴(NiCd) 배터리는 에너지 밀도가 상대적으로 낮고 긴 수명, 높은 방전율 및 경제적인 가격이 핵심인 곳에 사용됩니다. 그들은 비디오 카메라와 전동 공구에서 찾을 수 있습니다. NiCd 배터리에는 독성 금속이 포함되어 있으며 환경 친화적이지 않습니다. 니켈-금속 수소화물 배터리는 NiCd 배터리보다 에너지 밀도가 높지만 수명이 짧습니다. 응용 프로그램에는 휴대폰 및 노트북이 포함됩니다. 납산 배터리는 무겁고 무게가 핵심이 아니라 경제적인 가격이 중요한 대전력 애플리케이션에서 중요한 역할을 합니다. 그들은 병원 장비 및 비상 조명과 같은 용도에서 널리 사용됩니다.
리튬이온(Li-ion) 배터리는 고에너지와 최소 무게가 중요하지만 기술이 취약하고 안전을 보장하기 위해 보호 회로가 필요한 곳에 사용됩니다. 응용 프로그램에는 휴대폰 및 다양한 종류의 컴퓨터가 포함됩니다. 리튬이온폴리머(Li-ion polymer) 배터리는 주로 휴대폰에 사용됩니다. 리튬 이온 배터리보다 가볍고 슬림한 형태를 자랑합니다. 또한 일반적으로 더 안전하고 수명이 더 깁니다. 그러나 리튬 이온 배터리는 제조 비용이 저렴하고 에너지 밀도가 높기 때문에 널리 보급되지 않은 것 같습니다.
배터리 및 슈퍼커패시터
많은 양의 에너지를 저장할 수 있는 특정 유형의 배터리가 있지만 매우 크고 무겁고 에너지를 천천히 방출합니다. 반면에 커패시터는 빠르게 충전 및 방전할 수 있지만 배터리보다 훨씬 적은 에너지를 보유합니다. 그러나 이 분야에서 그래핀의 사용은 높은 충전 및 방전 속도와 경제적인 경제성과 함께 에너지 저장을 위한 흥미롭고 새로운 가능성을 제시합니다. 그래핀으로 향상된 성능을 통해 기존의 구분선을 흐리게 합니다. 슈퍼 커패시터 배터리.
그래핀 배터리는 배터리와 슈퍼커패시터의 장점을 결합합니다.
그래 핀 강화 배터리가 거의 여기에 있습니다.
그래핀 기반 배터리는 흥미로운 잠재력을 가지고 있으며 아직 완전히 상용화되지는 않았지만 R&D가 집중적이며 장래에 결과를 얻을 수 있기를 바랍니다. 전 세계의 기업(삼성, 화웨이 등)은 다양한 유형의 그래핀 강화 배터리를 개발하고 있으며 그 중 일부는 현재 시장에 진입하고 있습니다. 주요 응용 분야는 전기 자동차 및 모바일 장치입니다.
일부 배터리는 배터리 화학이 아닌 주변 방식으로 그래핀을 사용합니다. 예를 들어 2016년에는 화웨이, 그래핀으로 강화된 새로운 리튬이온 배터리 공개 그래핀을 사용하여 더 높은 온도(기존 60° 제한과 반대되는 50°)에서 기능을 유지하고 작동 시간을 두 배로 제공합니다. 그래핀은 더 나은 방열을 위해 이 배터리에 사용됩니다. 이는 배터리의 작동 온도를 5도까지 낮춥니다.
