숨쉬는 슈퍼 축전지
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-01-19 10:09:04
3'00" 읽기
- 연구원들은 작은 anole 도마뱀에서 영감을 받았다.
- 도마뱀은 머리 주위의 수중 기포의 도움으로 숨을 쉬면서 먹이를 찾기 위해 잠수
- 약 3nm(나노미터) 크기의 기공이 가스층을 수용할 수 있는 다중벽 탄소 나노튜브로 구성
- 방전 시 염소 이온은 다시 염소로 산화, 음극 기공의 가스층이 다시 채워져 전극이 "흡입"
- 전력 밀도 및 내구성 유지
슈퍼 커패시터는 단거리 용이다. 전력 밀도가 높기 때문에 짧은 시간에 높은 전류를 전달할 수 있다. 따라서 병원, 데이터 센터 또는 민감한 전자 장치와 같은 단기 정전 또는 피크 소비를 보상하는 데 자주 사용된다. 전기를 저장하기 위해 석판, 벽돌 또는 직물에 통합될 수도 있다. 제동 에너지로 충전할 수 있는 슈퍼 커패시터는 차량의 전기 절약에도 도움이 된다.
그러나 슈퍼커패시터에는 중요한 단점도 있다. "장거리 주자로서" 형편없다는 것이다. 거의 무한정 방전과 재충전이 가능하지만, 에너지 밀도가 낮기 때문에 이러한 축전 장치는 성능을 오랫동안 유지할 수 없다. 에너지 밀도를 높이고 슈퍼커패시터의 내구성을 높이려는 이전의 시도는 성능을 포기하게 했다.
영감을 얻기 위한 다이빙 아놀 도마뱀
East China 대학의 Xiaotong Fan과 그의 동료들은 이 딜레마에 대한 가능한 해결책을 찾았을 것이다. 그들은 전력 밀도를 희생하지 않고 평소보다 몇 배 더 높은 에너지 밀도를 가진 슈퍼 커패시터를 개발했다. 그들의 시스템은 작은 anole 도마뱀에서 영감을 받았다. 그들은 머리 주위의 수중 기포의 도움으로 숨을 쉬면서 먹이를 찾기 위해 잠수할 수 있다.
새로 개발된 슈퍼커패시터의 음극도 비슷한 방식으로 '호흡'한다. 이것은 약 3nm(나노미터) 크기의 기공이 가스층을 수용할 수 있는 다중벽 탄소 나노튜브로 구성된다. 이 전극을 액체 전해질인 식염수에 담그면 이 기체층이 유지된다. 이는 수퍼커패시터에서 일반적으로 발생하는 전하 이동 외에도 산화환원 반응을 가능하게 한다.
기체에서 용액으로 그리고 다시
새로운 슈퍼 커패시터는 염소 가스를 "호흡 가스"로 사용하고 산화환원 반응을 위한 원료를 사용한다. 시스템이 충전되면 전극은 전자를 염소로 전달하고 일반 염 전해질에 용해되는 염화물 이온으로 환원시킨다. 커패시터는 "숨을 내쉬게 된다." 방전 시 염소 이온은 다시 염소로 산화되고 음극 기공의 가스층이 다시 채워져 전극이 "흡입"된다.
테스트에서 알 수 있듯이 이 빠른 산화환원 반응과 얇은 가스층의 물질 전달은 에너지 밀도의 상당한 증가에 기여한다. 킬로그램당 특정 에너지"라고 Fan과 그의 팀이 보고했다. 이는 일반적인 슈퍼커패시터에 대해 일반적인 것보다 몇 배나 더 높다.
전력 밀도 및 내구성 유지
그럼에도 불구하고 연구원들에 따르면 이 슈퍼커패시터는 킬로그램당 5만W(와트)의 높은 전력 밀도를 유지하고 3만 회 이상의 충전 주기 후에도 테스트에서 용량 손실이 거의 없다. 따라서 Fan과 그의 동료들은 이러한 호흡 시스템을 최적화된 슈퍼커패시터를 위한 유망한 접근 방식으로 보고 있다.
그들이 강조하듯이 그들의 시스템은 독성 염소 가스에도 불구하고 어떠한 위험도 만들지 않는다. 연구팀은 다양한 분석 방법을 사용하여 염소 가스가 전극에서 빠져나가지 않는다는 것을 보여주었다.
(Angewandte Chemie International Edition, 2022; doi: 10.1002/anie.202215342)
출처: 독일 화학자 협회
- 연구원들은 작은 anole 도마뱀에서 영감을 받았다.
- 도마뱀은 머리 주위의 수중 기포의 도움으로 숨을 쉬면서 먹이를 찾기 위해 잠수
- 약 3nm(나노미터) 크기의 기공이 가스층을 수용할 수 있는 다중벽 탄소 나노튜브로 구성
- 방전 시 염소 이온은 다시 염소로 산화, 음극 기공의 가스층이 다시 채워져 전극이 "흡입"
- 전력 밀도 및 내구성 유지
"숨쉬는" 슈퍼 커패시터
가스층에서의 산화 환원 반응은 고성능 전기 저장 장치의 에너지 밀도를 높인다.
도마뱀에서 영감을 받음:
연구자들이 이전 모델보다 더 오래 전기를 공급할 수 있는 슈퍼 커패시터를 개발했다. 이것은 "호흡" 전극 덕분에 가능하다. 팀이 보고한 바와 같이 가스층에서의 산화환원 반응은 추가 에너지를 제공하고 슈퍼커패시터의 에너지 밀도를 몇 배로 증가시킨다. 슈퍼커패시터의 전형적인 높은 전력 밀도와 내구성은 그대로 유지된다.
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| ▲ "호흡하는" 슈퍼 커패시터의 음극은 염소 가스를 보유하는 탄소 나노튜브로 구성된다. 이것은 추가적인 에너지를 가져오는 화학 반응을 가능하게 한다. © Wiley-VCH |
슈퍼 커패시터는 단거리 용이다. 전력 밀도가 높기 때문에 짧은 시간에 높은 전류를 전달할 수 있다. 따라서 병원, 데이터 센터 또는 민감한 전자 장치와 같은 단기 정전 또는 피크 소비를 보상하는 데 자주 사용된다. 전기를 저장하기 위해 석판, 벽돌 또는 직물에 통합될 수도 있다. 제동 에너지로 충전할 수 있는 슈퍼 커패시터는 차량의 전기 절약에도 도움이 된다.
그러나 슈퍼커패시터에는 중요한 단점도 있다. "장거리 주자로서" 형편없다는 것이다. 거의 무한정 방전과 재충전이 가능하지만, 에너지 밀도가 낮기 때문에 이러한 축전 장치는 성능을 오랫동안 유지할 수 없다. 에너지 밀도를 높이고 슈퍼커패시터의 내구성을 높이려는 이전의 시도는 성능을 포기하게 했다.
영감을 얻기 위한 다이빙 아놀 도마뱀
East China 대학의 Xiaotong Fan과 그의 동료들은 이 딜레마에 대한 가능한 해결책을 찾았을 것이다. 그들은 전력 밀도를 희생하지 않고 평소보다 몇 배 더 높은 에너지 밀도를 가진 슈퍼 커패시터를 개발했다. 그들의 시스템은 작은 anole 도마뱀에서 영감을 받았다. 그들은 머리 주위의 수중 기포의 도움으로 숨을 쉬면서 먹이를 찾기 위해 잠수할 수 있다.
새로 개발된 슈퍼커패시터의 음극도 비슷한 방식으로 '호흡'한다. 이것은 약 3nm(나노미터) 크기의 기공이 가스층을 수용할 수 있는 다중벽 탄소 나노튜브로 구성된다. 이 전극을 액체 전해질인 식염수에 담그면 이 기체층이 유지된다. 이는 수퍼커패시터에서 일반적으로 발생하는 전하 이동 외에도 산화환원 반응을 가능하게 한다.
기체에서 용액으로 그리고 다시
새로운 슈퍼 커패시터는 염소 가스를 "호흡 가스"로 사용하고 산화환원 반응을 위한 원료를 사용한다. 시스템이 충전되면 전극은 전자를 염소로 전달하고 일반 염 전해질에 용해되는 염화물 이온으로 환원시킨다. 커패시터는 "숨을 내쉬게 된다." 방전 시 염소 이온은 다시 염소로 산화되고 음극 기공의 가스층이 다시 채워져 전극이 "흡입"된다.
테스트에서 알 수 있듯이 이 빠른 산화환원 반응과 얇은 가스층의 물질 전달은 에너지 밀도의 상당한 증가에 기여한다. 킬로그램당 특정 에너지"라고 Fan과 그의 팀이 보고했다. 이는 일반적인 슈퍼커패시터에 대해 일반적인 것보다 몇 배나 더 높다.
전력 밀도 및 내구성 유지
그럼에도 불구하고 연구원들에 따르면 이 슈퍼커패시터는 킬로그램당 5만W(와트)의 높은 전력 밀도를 유지하고 3만 회 이상의 충전 주기 후에도 테스트에서 용량 손실이 거의 없다. 따라서 Fan과 그의 동료들은 이러한 호흡 시스템을 최적화된 슈퍼커패시터를 위한 유망한 접근 방식으로 보고 있다.
그들이 강조하듯이 그들의 시스템은 독성 염소 가스에도 불구하고 어떠한 위험도 만들지 않는다. 연구팀은 다양한 분석 방법을 사용하여 염소 가스가 전극에서 빠져나가지 않는다는 것을 보여주었다.
(Angewandte Chemie International Edition, 2022; doi: 10.1002/anie.202215342)
출처: 독일 화학자 협회
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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