케임브리지 대학이 이끄는 연구원들은 슈퍼커패시터에 사용되는 다공성 탄소 전극을 연구하기 위해 실험 및 컴퓨터 모델링 기술을 사용했습니다. 그들은 더 무질서한 화학 구조를 가진 전극이 고도로 조직화된 구조를 가진 전극보다 훨씬 더 많은 에너지를 저장한다는 것을 발견했습니다.
울트라커패시터는 에너지 전송을 위한 핵심 기술이며 특정 형태의 대중 교통뿐만 아니라 간헐적인 태양광 및 풍력 발전 관리에도 유용할 수 있지만 낮은 전력 밀도로 인해 채택이 제한되었습니다.
연구진은 사이언스 저널에 발표된 자신들의 결과가 이 분야의 획기적인 발전을 의미하며 순 제로를 위한 중요한 기술 개발에 활력을 불어넣을 수 있다고 말했습니다.
배터리와 마찬가지로 슈퍼커패시터는 에너지를 저장하지만 슈퍼커패시터는 몇 초 또는 몇 분 안에 충전할 수 있지만 배터리는 훨씬 더 오래 걸립니다. 슈퍼커패시터는 배터리보다 내구성이 뛰어나며 수백만 번의 충전 주기 동안 지속될 수 있습니다. 그러나 슈퍼커패시터는 에너지 밀도가 낮아 장기간 에너지 저장이나 지속적인 전력 공급에 적합하지 않습니다.
“울트라커패시터는 배터리를 대체하는 기술이 아니라 보완적인 기술입니다.”라고 그는 말했습니다. 알렉스 포스 박사 케임브리지에서 Youssef Hamid, 화학과, 연구를 주도한 사람입니다. “내구성과 초고속 충전 기능 덕분에 다양한 용도에 유용합니다.”
예를 들어, 슈퍼커패시터로 구동되는 버스, 기차 또는 지하철은 승객이 내리고 타는 데 걸리는 시간에 완전히 충전되어 다음 정류장까지 이동하는 데 충분한 에너지를 제공할 수 있습니다. 이렇게 하면 라인을 따라 충전 인프라를 설치할 필요가 없습니다. 그러나 슈퍼커패시터가 널리 사용되기 위해서는 에너지 저장 능력이 향상되어야 한다.
배터리가 전하를 저장하고 방출하기 위해 화학 반응을 사용하는 반면, 슈퍼커패시터는 구조가 매우 무질서한 다공성 탄소 전극 사이에서 전하를 띤 분자의 이동에 의존합니다. Force는 “매우 조직화된 화학 구조를 가진 그래핀 시트를 생각해 보십시오.”라고 말했습니다. “이 그래핀 시트를 구형으로 자르면 슈퍼커패시터의 전극처럼 불규칙한 엉망이 됩니다.”
전극의 본질적인 혼란으로 인해 과학자들이 전극을 연구하고 성능을 향상시키려고 할 때 어떤 매개변수가 가장 중요한지 결정하는 것이 어려웠습니다. 이러한 명확한 합의가 부족하여 해당 분야가 약간 흔들렸습니다.
많은 과학자들은 탄소 전극에서 발견되는 작은 구멍, 즉 나노 기공의 크기가 에너지 용량을 향상시키는 열쇠라고 믿습니다. 그러나 케임브리지 팀은 상업적으로 이용 가능한 일련의 탄소 나노 전극을 분석한 결과 기공 크기와 저장 용량 사이에 연관성이 없음을 발견했습니다.
Fors와 그의 동료들은 전극 재료를 연구하기 위해 새로운 접근법을 취하고 핵자기공명(NMR) 분광학(배터리용 “자기공명영상”의 일종)을 사용했습니다. 그들은 오랫동안 골칫거리로 여겨졌던 복잡한 재료가 성공의 열쇠라는 사실을 발견했습니다.
핵자기공명 분광학을 사용하여 우리는 에너지 저장 용량이 물질의 무질서와 관련이 있다는 것을 발견했습니다. 물질이 무질서할수록 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 담 클레어 그레이 교수. “혼돈은 측정하기 어렵고 핵자기공명과 새로운 시뮬레이션 기술 덕분에 가능합니다. 이것이 바로 혼돈이 현장에서 간과되는 특징인 이유입니다.”
NMR 분광법을 사용하여 전극 재료를 분석하면 피크와 밸리가 다른 스펙트럼이 생성됩니다. 피크의 위치는 탄소가 얼마나 규칙적이거나 무질서한지를 나타냅니다. 포스는 “이것을 찾으려는 것은 우리 계획이 아니었고 매우 놀랐다”고 말했다. “피크 위치와 에너지 진폭을 그래프로 표시했을 때 놀라운 상관관계가 나타났습니다. 즉, 가장 무질서한 물질은 가장 질서 있는 물질보다 에너지가 거의 두 배나 컸습니다.”
그렇다면 혼돈은 왜 좋은가? Force는 그것이 팀이 작업하고 있는 다음 작업이라고 말했습니다. 더 무질서한 탄소 원자는 나노 기공에서 이온을 더 효율적으로 저장하며, 팀은 이러한 결과를 사용하여 더 나은 슈퍼커패시터를 설계할 수 있기를 희망합니다. 재료의 혼돈은 제조 시점에서 결정됩니다.
Force는 “우리는 에너지 저장 개선 측면에서 혼돈이 얼마나 멀리까지 갈 수 있는지 확인하기 위해 이러한 재료를 만드는 새로운 방법을 살펴보고 싶습니다.”라고 말했습니다. “이것은 한동안 정체되어 있던 분야의 전환점이 될 수 있습니다. Claire와 저는 10여 년 전에 이 주제에 대해 작업을 시작했으며 이전의 많은 중요한 작업이 이제 명확하게 적용되는 것을 보는 것은 매우 흥미롭습니다. “
이 연구는 Cambridge Trusts, 유럽 연구 위원회 및 영국 연구 혁신(UKRI)의 일부 지원을 받았습니다.
참조:
Xinyu Liuet al. “구조적 장애가 탄소 나노입자의 정전용량을 결정합니다.” 과학(2024). 도이: 10.1126/science.adn6242