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네이처에 발표된 논문에서 과학자들은 코발트의 일반적인 대체물인 니켈로 구성된 음극의 열적 및 화학적 기계적 불안정성을 여러 다른 금속 원소를 혼합하여 극복한 방법을 공개했다.
그는 "이러한 성과는 니켈 함량이 높은 배터리 재료에 대한 오랜 안전성 및 안정성 문제를 해결하여 광범위한 상용 응용 프로그램을 위한 길을 열어준다"라고 덧붙였다.
보고서의 저자에 따르면 코발트는 전기 자동차, 트럭 및 배터리가 필요한 기타 전자 장치의 광범위한 채택을 위협하는 가장 중요한 공급망 위험 중 하나이다.
리튬 이온 배터리 양극을 안정화하기 위해 화학적으로 적합한 광물은 가혹하고 비인간적인 조건에서 거의 독점적으로 콩고민주공화국에서 채굴된다.
신 교수는 "전기 자동차 제조업체는 비용 절감뿐만 아니라 광물 채굴에 사용되는 아동 노동 관행에 대응하기 위해 배터리 팩에 코발트 사용을 줄이기를 열망하고 있다"라고 언급했다.
그는 "연구에 따르면 코발트는 고전압에서 산소를 방출하여 리튬 이온 배터리에 손상을 줄 수 있다. 이 모든 것은 대안이 필요함을 나타낸다"라고 주장했다.
연구원들은 다른 전지소재와 함께 음극 표면과 계면(interface)에 사용된 이러한 광물들의 부분 집합과 더불어 구조물 내부에 전이 금속인 마그네슘, 티타늄, 망간, 몰리브덴 및 니오븀을 혼합한 HE-LMNO를 사용하여 구성적으로 복잡한 고엔트로피 도핑(high-Entropy doping)을 통해 이 문제를 해결하고자 했다.
신 교수와 그의 동료들은 일련의 싱크로트론 X선 회절, 투과 전자 현미경 및 3D 나노 단층 촬영 기기를 사용하여 제로 코발트 음극이 반복 사용 중에 전례없는 부피 변화가 0임을 확인했다. 매우 안정적인 구조는 1000회 이상의 사이클과 고온을 견딜 수 있어 니켈 함량이 훨씬 낮은 음극과 비교할 수 있다.
이러한 연구 도구 중 일부를 위해 신 교수는 뉴욕에 있는 미국 에너지부(U.S. Department of Energy, DOE) 브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory, BNL)에 있는 “국립 싱크로트론 광원 II(National Synchrotron Light Source II, NSLS-Ⅱ)”의 연구원들과 협력했다.
NSLS-II는 DOE 과학 사무소(DOE Office of Science) 사용자 시설로서 연구 팀에 새 음극의 내부 구조를 연구하기 위해 빔라인(beamline)이라고 하는 28개의 과학 기기 중 3개에 대한 액세스를 제공했다.
NSLS-II는 뉴욕 업튼에 있는 BNL에 있으며 주로 미국의 DOE 과학사무소에서 자금을 지원하는 국가 사용자 연구 시설이다. NSLS-II는 BNL의 원래 광원인 NSLS보다 1만 더 밝은 X선을 생성하도록 설계된 세계에서 가장 진보된 싱크로트론 광원 중 하나이다. NSLS-II는 에너지 안보, 첨단 재료 합성 및 제조, 환경 및 인간 건강에 대한 기초 및 응용 연구를 지원한다.
NSLS-II 소속 과학자인 밍위안 게(Mingyuan Ge) 공동 저자는 "NSLS II 빔라인에서 서로 다른 방법의 조합은 재료 내부 산소 결손 및 결함의 트래핑 효과를 발견할 수 있게 하여 HE-LMNO 2차 입자의 균열 형성을 효과적으로 방지해 사이클링 동안 이 구조를 매우 안정적으로 만든다"고 주장했다.
신 교수는 "이러한 고급 도구를 사용해 음극의 극적으로 증가된 열 안정성과 부피 변화가 없는 특성을 관찰할 수 있었고 용량 유지 및 주기 수명이 비정상적으로 향상되었음을 입증할 수 있었다. 이 연구는 다음을 설정할 수 있다. 기존 배터리에 대한 에너지 밀도가 높은 대안 개발을 위한 단계이다"라고 밝혔다.
그는 이 작업이 배터리에 사용되는 광물 추출과 관련된 환경 정의 문제(환경 정화 운동)를 해결하는 동시에 청정 운송 및 에너지 저장의 확산을 촉진한다는 이중 목표를 달성하기 위한 단계라고 강조했다.
김세업 글로벌이코노믹 기자
