이산화티타늄(TiO2)은 차세대 충전식 배터리를 개발하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.

배터리는 미래입니다. 전기 자동차의 증가부터 그리드 규모의 에너지 저장, 더 많은 재생 에너지로의 전환에 이르기까지 더 좋고 더 오래 지속되는 배터리에 대한 요구가 그 어느 때보다 커지고 있습니다.

더 큰 용량으로 더 오래 지속되는 배터리를 만드는 것은 간단하지 않으며 극복해야 할 몇 가지 문제가 남아 있습니다. 아직 상업적으로 사용할 수 있는 솔루션은 아니지만, 연구에 따르면 이산화티타늄은 배터리, 특히 충전식 배터리의 미래에 중요한 역할을 할 수 있는 것으로 나타났습니다.

리튬 이온 배터리

대량의 에너지를 저장하는 데 사용되거나 재충전할 수 있도록 설계된 대부분의 배터리는 리튬 이온 배터리입니다.

이 배터리는 전해질이라는 화학 물질을 통해 음극과 양극(전극) 사이에서 이온을 이동시켜 에너지를 저장하고 방출합니다. 배터리를 충전하면 이온이 음극 쪽으로 이동합니다. 배터리를 사용 중일 때는 이온이 양극 쪽으로 흐르면서 전류를 생성합니다.

일반 배터리에서는 전하를 생성하기 위해 일어나는 과정이 한 방향으로만 한 번만 일어날 수 있습니다. 그러나 충전식 리튬 이온 배터리는 화학적 과정을 되돌릴 수 있어 배터리를 다시 사용할 수 있습니다.

왜 이산화티타늄일까요?

새 배터리의 전극 교체부터 충전 프로세스 속도 향상에 이르기까지 이산화티타늄(TiO2)은 다양한 방식으로 유용함을 입증해 왔습니다.

이 주제에 대한 연구를 수행한 아일랜드 코크 대학교의 콜름 오드와이어 교수는 "충전식 배터리에 유용한 몇 가지 특징이 있습니다."라고 말합니다.

"첫째, 여러 배터리 전해질에서 발견되는 리튬 함유 흑연에 비해 상대적으로 안정적인 리튬과의 가역적 반응이 가능합니다. 매우 오랜 시간 동안 순환할 수 있기 때문에 배터리 재활용의 필요성을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다."

배터리를 재충전할 수 있는 능력은 모바일, 전자 기기의 사용 증가와 효율적인 에너지 저장을 통해 가변적인 태양열 또는 풍력 에너지 생산을 원활하게 할 수 있는 재생 가능한 형태의 에너지로의 전환에 따라 점점 더 중요해지고 있습니다.

나노튜브 배터리

2015년 싱가포르 난양공과대학교(NTU) 연구팀은 이산화티타늄 나노입자를 교반하여 나노튜브로 변환하는 방법을 개발했습니다. 머리카락 굵기의 1000분의 1에 불과한 이 작은 튜브는 입자를 교반하여 튜브 모양으로 길게 만드는 방법으로 만들어집니다.

나노튜브가 포함된 젤을 기존의 흑연 대신 리튬 이온 배터리의 음극에 넣었습니다. 이를 통해 전해질의 화학 반응을 가속화하여 단 2분 만에 용량의 70퍼센트까지 충전할 수 있는 배터리를 만들었으며, 예상 수명은 20년입니다. 이는 배터리로 인한 폐기물을 획기적으로 줄일 수 있음을 의미합니다.

배터리를 사용하면 배터리에 포함된 물질이 분해되기 시작하고 이것이 성능 저하의 원인이 됩니다. 그러나 오드와이어 교수와 그의 연구팀은 2015년에 리튬 이온 배터리에 다공성 이산화티타늄을 추가했을 때 5,000회 이상 충전 및 방전 후에도 배터리 재료가 손상되지 않았다는 사실을 발견했습니다.

"이산화티타늄의 루틸 상 나노 입자의 이러한 3D 배열을 '역 오팔'이라고 하며, 실험실에서 만든 인공 오팔에 활성 배터리 소재를 채워서 형성합니다."라고 오드와이어 교수는 말합니다.

"역오팔 구조는 자연에서 자연적으로 발견됩니다. 이러한 주기적으로 다공성을 띠는 구조는 나비 날개, 공작 깃털, 바구미, 바다쥐의 외골격 구조 등의 다채로운 무지개 빛깔을 이루는 부분을 구성합니다."

배터리에서 다공성 버전의 이산화티타늄은 현재 상용 배터리 전극에 사용되는 첨가제 없이도 전도성이 있습니다.

또한 리튬이 다공성 구조와 효율적으로 반응하여 배터리가 빠르게 재충전됩니다.

TiO2가 포함된 리튬 배터리는 리튬 티타네이트(LTO) 기반 리튬 이온 배터리라고 할 수 있습니다. LTO 기반 리튬 배터리는 충전 속도 향상과 수명 연장 외에도 배터리 구성 성분이 더 안정적이기 때문에 더 안전합니다.

리튬 그 이상

하지만 리튬 이온이 전부는 아닙니다.

리튬 이온이 한 전극에서 다른 전극으로 이동할 때 하나의 전자가 전달됩니다. 그러나 연구자들은 모든 이온에 대해 두 개 이상의 전자가 전달되는 다원 금속으로 알려진 다른 금속을 실험하기 시작했습니다. 반응의 효율성이 더 높으면 배터리 저장 용량을 두세 배 늘릴 수 있습니다.

유일한 문제는 이러한 배터리의 구성 요소에 어떤 종류의 재료를 사용해야 하는지를 알아내는 것입니다.

2015년 9월 영국 배스 대학교 화학과 벤자민 모건 박사 연구팀이 발표한 연구에 따르면 음극을 TiO2로 대체하면 2가 전지가 작동할 수 있다고 합니다.

이는 TiO2를 의도적으로 결함을 도입하여 마그네슘 및 알루미늄(다가 이온)과 같은 이온이 채워질 공간을 제공하여 매번 하나 이상의 전자를 전달할 수 있도록 조정할 수 있기 때문입니다.

이것이 배터리에 미치는 영향은 동등한 크기의 리튬 이온 배터리보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있다는 것입니다.

당시 모건 박사는 "다가 이온에 좋은 전극이 되는 물질을 찾는 등 극복해야 할 기술적 장애물이 꽤 많습니다."라고 말했습니다. "장기적으로 이 개념 증명은 우수한 성능의 '리튬을 뛰어넘는' 배터리로 나아갈 수 있는 단계입니다."

모바일 기기에서 에너지 그리드 저장에 이르기까지 다양한 용도로 활용될 수 있는 새로운 배터리 소재에 대한 연구를 논의하면서 모건 박사는 "화석 연료에서 벗어나 친환경 에너지원을 채택할수록 더 효율적인 배터리가 점점 더 중요해질 것"이라고 말했습니다.

미래

미래의 배터리에 이산화티타늄을 사용하는 한 가지 장점은 풍부하다는 것입니다.

오드와이어는 "TiO2의 형태는 리튬과 주기적으로 반응한 후에도 많은 배터리 전해질에서 매우 안정적이어서 수명이 길어집니다."라고 말합니다.

하지만 몇 가지 과제가 남아 있습니다. "양극(양극)으로 사용되는 TiO2는 현재 사용되는 흑연보다 전압이 높습니다."라고 오드와이어는 말합니다.

일반적으로 전압이 낮을수록 배터리의 출력 전압을 최대화할 수 있기 때문에 더 낮은 전압이 선호됩니다. "모든 충전식 배터리에 이러한 기능이 필요한 것은 아니며, 일부 애플리케이션에서는 안정적인 작동 수명도 중요할 수 있습니다."

따라서 TiO2가 상업용으로 개발되더라도 모든 충전식 배터리 문제에 대한 해답이 될 수는 없지만 일부 문제에 대한 해결책이 될 수 있습니다.

오드와이어 교수는 "예를 들어 전기자동차용 고에너지 밀도 배터리에는 최적의 선택이 아닐 수 있습니다."라고 말합니다.

그러나 그는 TiO2를 사용하면 노트북이나 휴대폰과 같이 "긴 수명 재충전성이 중요한" 다른 애플리케이션의 배터리에 유용할 것이라고 덧붙입니다.

출처: www.tdma.info