에너지 저장의 문제에 대한 새로운 해결책 A soft solution to the hard problem of energy storage

에너지 저장의 문제에 대한 새로운 해결책 

A soft solution to the hard problem of energy storage

  연구원들은 초고속 충전, 오래 지속되는 배터리 및 수퍼 커패시터의 구성 요소로서 원자 수준에서 얇은 나노 물질을 2 차원 재료로 사용하기 위해 노력해 왔다. 그러나 이렇게 하기 위한 기존 기술의 문제점은 물질 층의 두께가 에너지 저장 장치의 산업 표준인 인간 머리카락의 너비인 약 100 마이크론으로 증가할 때 재료가 기능을 상실한다는 것이다.

최근 발표한 연구 결과에 따르면 수퍼 커패시터 전극에 사용할 수 있는 뛰어난 후보 물질을 유지하면서 실질적으로 사용할 수 있는 두께의 필름으로 형상화할 수 있는 2 차원 재료 조작을 위한 새로운 기술이 개발 되었다.

A soft solution to the hard problem of energy storage

https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=50227.php

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저널 네이처 ("Thickness-independent capacitance of vertically aligned liquid-crystalline MXenes")에 발표된 이 연구는 맥신 (MXene) 시트의 자기 조립으로 휴대폰 및 텔레비전의 액정 디스플레이와 유사한 소프트 재료 이용에 맞추고 있다. 맥신은 2011 년 드렉셀 대학에서 발견된 나노 물질로 에너지 저장에 특히 적합하다.

연구팀의 방법은 연질 재료 어셈블리와 기능성 2D 나노 물질 간의 결합에 달려있다. 이에 따른 전극 필름은 빠른 탄소 수송, 뛰어난 속도 조절 및 상업용 탄소 전극과 같거나 그 이상인 전하 저장을 보여준다.

펜실베니아 대학 연구팀은 에너지 밀도 (장치가 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있는지)와 전력 밀도 (장치가 얼마나 빨리 충전 할 수 있는지)를 유지하는 문제에 대해 전하 저장 물질은 물질이 더 큰 크기로 스케일링됨에 따라 이온 이동을 위한 명확한 채널을 유지하는데 있다고 지적했다.

에너지 저장 장치의 이온 확산 문제는 배터리 및 수퍼 커패시터를 포함하여 더 높은 에너지 및 전력 밀도를 갖는 새로운 배터리 및 수퍼 커패시터의 산업 발전을 저해하는 주요 문제 중 하나로 오랫동안 인식되어 왔다. 전통적으로 2 차원 물질은 책의 종이처럼 서로 쌓아 올려 이온 확산 길이가 길어지기 때문에 전극의 두께가 산업 표준에 가까워질 때 성능이 저하된다.

연구팀의 방법은 수직으로 전극에 맥신 플레이크를 올려 놓음으로써 이온 확산을 억제하는 이 스태킹 문제를 피한다. 현미경 수준에서는 실리 퍼티 (silly putty)에 이쑤시게를 세우는 것처럼 보일 수 있다. 수직으로 정렬시키는 것 외에도 연성 재료 기반을 이동하여 방향을 조정할 수도 있다.

이 팀은 연질 물질 어셈블리와 경질 물질의 융합으로 맥신이 에너지 저장 재료로 미래를 향한 유망한 결과를 얻었다.

이 방법에 의해 제조된 맥신 전극은 적어도 200 미크론까지 두께와 거의 독립적인 정규화된 커패시턴스를 보여 주며, 이는 맥신 플레이크가 전극 표면에 평행하게 정렬되는 종래 조립된 전극의 경우는 아니다.

연구팀이 조작할 수 있는 방향으로 물질 내부의 분자를 정렬시키는 과정인 "소프트 물질 자기 조립 (soft matter self-assembly)"은 1970 년대 이후로 진행되어 왔고 현재는 경질 물질들과 결합하는 방법으로 텔레비전, 전화 및 랩톱 디스플레이의 원동력이 되고 있다.

몇 개의 연구 그룹이 하향식 공정을 사용하여 재료의 수직 정렬을 설계할 수 있었지만 이러한 경로는 산업 응용 분야에 맞게 확장하기가 어렵다.

이 과정은 자기 조립을 통해 이루어진다. 따라서 훨씬 저렴해 넓은 면적에서 확장이 가능하다. 결국 흥미로운 정렬 및 정렬을 통해 연성 재료를 사용하여 가장 중요한 돌파구인 흥미로운 나노 구조 및 기능성 재료를 단단한 재료에 정렬시키는 개념이다.

이 과정을 2 차원 물질로 만들기 위해 연구자들은 계면 활성제를 사용하여 맥신 층 사이를 압착하여 액정 상을 형성할 수 있게 했다. 연구팀은 분자에 맥신필름을 수직으로 정렬하도록 기계적 전단 방법을 적용했다. 수직 채널은 물질이 두께가 커지더라도 맥신의 특성을 나타내는 이온이 이동하거나 확산되도록 한다.

액정에는 많은 기본 지식이 있다. 사람들은 그것이 오래된 기술이라고 생각하지만, 이 지식은 실제로 매우 유용하고 새로운 기능성 물질에 적용 가능하다는 것을 재발견한다.

연구원은 실제 장치에서 이 방법을 사용할 수 있기 전에 극복해야 할 다른 문제가 있음을 인정하지만, 연구 결과가 현장에서 흥미 진진한 도약을 제공한다고 믿는다. 장기 목표는 모바일 전자 장치, 전기 자동차 및 재생 가능 에너지 수확 기술에 전력을 공급하기 위해 수퍼 커패시터 및 배터리 전극에 이 방법을 적용하는 것이다.

소프트 물질 자체 조립과 나노 물질 간의 완벽한 결합이며 산업 표준에 부합하고 실제 장치를 만들려고 노력하면서 실제 산업 응용 프로그램에 사용할 수 있는 이 2-D 재료의 새로운 세계를 만들고 있다. 2-D 재료로 10 년이 넘는 작업을 마친 후, 우리는 가장 큰 장벽 중 하나인 방법을 발견하고 실제로 이러한 재료를 업계에 적용하는 가장 합리적인 방법 중 하나인 시스템을 만들고 있다.

ndsl

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