영하 40도·1000℃ 견디는 차세대 배터리 소재 공개…고분자 전극·금속 젤 개발 [카테고리 설정이 아직되어 있지 않습니다.] 극한 저온과 초고온을 견디는 차세대 베터리 소재가 공개됐다. / 출처 = 픽사베이
극한 저온과 초고온 환경에서도 작동하는 차세대 배터리 소재가 공개됐다.
환경·에너지 전문매체 E&E리더는 19일(현지시각) 텍사스A&M대 연구진이 영하 40도에서도 성능을 유지하는 고분자 기반 배터리와 1000℃ 이상에서도 구조적 안정성을 확보한 ‘금속 젤’ 소재를 개발했다고 보도했다.
영하 40도서 용량 유지…저온 반응 둔화 억제
일반 리튬이온 배터리는 기온이 낮아지면 충전 속도가 떨어지고 사용 가능한 용량도 줄어든다. 전해질 흐름이 둔해지고 이온 이동이 느려지면서 전극 반응이 위축되기 때문이다. 내부 저항이 커져 출력과 효율도 함께 낮아진다. 전기차나 원격 설비, 데이터센터 백업 전원에서는 성능 저하가 곧 운영 리스크로 이어진다.
연구진은 전해질과 전극을 동시에 저온 조건에 맞춰 다시 설계했다. 저온에서도 잘 굳지 않는 에테르계 용매 ‘디글라임(diglyme)’을 적용해 이온 이동을 유지했고, 기존 금속 산화물 대신 유연한 고분자 전극을 채택했다. 저온에서도 전기 반응이 비교적 유지되도록 한 설계다.
실험 결과 0℃에서 대부분의 용량을 유지했고, 영하 40℃에서도 절반 이상의 용량을 확보했다. 출력 저하도 제한적이었다. 전류를 전달하는 금속판 대신 전도성 탄소섬유 직물을 적용해 배터리가 기기 구조 일부를 함께 지지하도록 했다. 저장 장치와 구조체 기능을 결합한 설계다.
연구진은 이번 설계가 혹한 지역의 전기차 운용이나 원격 인프라 전력 공급 환경에서 활용 가능성이 있다고 설명했다.
1000℃ 견디는 ‘금속 젤’…고온 배터리 이동성 확대
금속만으로 구성된 ‘금속 젤’ 소재도 함께 개발했다. 고온에서 일부 금속이 액체로 변하더라도 고체 골격이 이를 붙잡는 구조다. 1000℃를 넘는 환경에서도 형태를 유지한다.
액체금속배터리는 고온에서 작동해 대규모 전력망 저장에 적합하지만, 내부 용융 금속층이 흔들리면 단락이 발생할 수 있다는 한계가 있다. 금속 젤 구조는 액체 금속의 움직임을 억제해 층 분리를 유지하도록 설계됐다.
연구팀은 해당 구조를 적용한 시제품을 제작해 실제 전력 생산에 성공했다고 밝혔다. E&E리더는 극한 온도 조건에서의 에너지 저장 설계 가능성을 넓혔다고 전했다.
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