나노기술은 물질의 원자 또는 분자 수준에서 작동하는 나노 규모의 과학입니다. 나노미터는 눈으로 보이지 않는 10억분의 1미터입니다. 나노기술은 의학, 환경, 기술, 에너지 저장 등 다양한 분야에서 혁신에 활용되고 있습니다. 나노과학의 개념은 1959년 물리학자 리처드 파인만(Richard Feynman)이 개별 원자와 분자를 조작하고 제어하는 것에 대해 이야기하면서 처음 시작되었습니다. 현재 우리가 알고 있는 이 분야는 1981년 주사 터널링 현미경이 개발되면서 과학자들이 개별 원자를 보고 나노 규모에서 연구를 시작할 수 있게 되면서 시작되었습니다. 배터리 산업에서는 많은 기업들이 재료 채굴과 배터리 성능 및 용량을 향상시키기 위해 나노기술을 배터리 및 배터리 생산 공정에 통합하기 위해 노력하고 있습니다.
나노기술은 재료 채굴을 어떻게 개선합니까?
리튬은 현재 배터리에 가장 많이 사용되는 소재입니다. 휴대용 기술과 전기차의 지속적인 성장과 에너지 저장에 대한 필요성이 증가함에 따라 분석가들은 리튬에 대한 수요가 다음과 같이 증가할 것으로 예측합니다. 2029년까지 10배 증가리튬은 현재 배터리에 필요한 가장 탐나는 소재입니다. 휴대용 기술과 EV의 지속적인 성장과 에너지 저장에 대한 수요 증가로 인해 분석가들은 2029년까지 리튬 수요가 10배 증가할 것으로 예측합니다. 리튬의 70%는 염분이 풍부한 물을 일련의 증발 연못으로 펌핑하는 염수 추출을 통해 채굴됩니다. 물은 증발하고 결국 연못에서 순수한 리튬이 추출됩니다. 그러나 이 과정은 물 집약적일 뿐만 아니라 인근 주민과 농부에 대한 물 공급에 영향을 미칠 뿐만 아니라 사용 가능한 리튬의 30-50%만 추출합니다.
한 회사는 나노 기술을 활용하여 이 공정의 효율성을 개선하기 위해 노력하고 있습니다. EnergyX는 금속 유기 프레임워크(MOF)라는 나노 기술을 사용하여 다음과 같은 목표를 달성합니다. 리튬을 다른 재료와 분리 한 회사는 이 프로세스의 효율성을 향상시키기 위해 나노기술을 활용하기 위해 노력하고 있습니다. EnergyX는 MOF(Metal Organic Framework)라는 나노 기술을 사용하여 물 속의 다른 물질에서 리튬을 분리합니다. MOF는 케이지와 같은 구조를 형성하는 금속 이온과 유기 리간드로 구성된 다공성 물질입니다. 그들은 물질을 분리하는 체와 같은 역할을 할 수 있으며, 이것이 EnergyX가 이를 활용하는 방식입니다. MOF의 작은 기공은 리튬이 통과할 수 있도록 하지만 마그네슘이나 칼슘과 같은 다른 이온을 차단하여 리튬을 추출하는 보다 효율적인 방법을 허용합니다. 이 회사는 현재의 염수 연못 시스템에 통합하여 채굴 공정을 극대화하도록 기술을 설계했습니다. 보다 효율적이고 지속 가능하며 환경 친화적인 채굴 공정을 만드는 것은 리튬 및 기타 배터리 재료에 대한 수요를 충족하는 데 큰 도움이 될 수 있습니다.
나노기술은 배터리를 어떻게 개선합니까?
현재 나노기술을 사용하여 더 나은 배터리를 만드는 수많은 프로젝트가 있습니다. 이는 용량을 늘리기 위해 전극의 표면적을 늘리는 것부터 배터리의 안전성과 안정성을 향상시키는 것까지 다양합니다.
첨단 소재 기업인 트루스핀 나노머티리얼 이노베이션은 실리콘 나노 섬유 첨단 소재 회사인 TruSpin Nanomaterial Innovation은 실리콘 나노섬유를 사용하여 리튬 이온 배터리의 에너지 용량을 늘립니다. 실리콘은 높은 이온 운반 용량으로 인해 오랫동안 배터리 양극으로 선호되어 왔습니다. 그러나 충전/방전 주기 동안 팽창하고 부서지는 경향이 있기 때문에 제조업체는 이를 배터리에 통합하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 나노기술은 이 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. TruSpin은 나노섬유를 사용하여 이러한 확장 문제를 해결하고 제조 공정을 확장성과 비용 효율적으로 만들 수 있습니다.
앰프리우스는 나노 기술을 활용하여 실리콘을 배터리에 더 유용하게 만드는 또 다른 회사입니다. 이들은 다음을 설계했습니다. 달걀 모양의 캡슐 Amprius는 나노기술을 활용하여 실리콘을 배터리에 더 유용하게 만드는 또 다른 회사입니다. 그들은 실리콘이 전해질과 부정적으로 반응하는 것을 방지하기 위해 계란 모양의 캡슐을 설계하여 양극이 비전도성 고체-전해질 상간층을 형성하고 용량을 감소시킵니다. 이 구조는 또한 실리콘이 안전하게 팽창 및 수축할 수 있는 공간을 제공합니다. 그들의 설계에서 실리콘 나노입자는 리튬 이온이 통과할 수 있는 전도성이 높은 탄소 껍질로 둘러싸여 있습니다. 이 구성을 통해 팀은 양극이 1000번의 충전/방전 사이클 후에도 여전히 용량의 74%를 유지한다는 것을 발견했습니다.
순수 리튬 금속은 선호도가 높은 배터리 소재이기도 합니다. 하지만 반응성이 매우 높기 때문에 수상돌기 는 양극 표면에 나뭇가지와 같은 구조물을 형성하여 배터리를 뚫고 손상시킬 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 라이스 대학교의 과학자들은 다음을 활용했습니다. 탄소 나노 튜브 필름 순수 리튬 금속도 매우 선호되는 배터리 소재입니다. 그러나 반응성이 높기 때문에 양극 표면에 수상돌기가 형성되어 배터리를 뚫고 손상시킬 수 있는 가지 모양의 구조를 만드는 경향이 있습니다. 이에 대응하기 위해 라이스 대학의 과학자들은 탄소 나노튜브 필름을 사용하여 리튬 금속 포일을 코팅했습니다. 코팅은 리튬 이온이 리튬 금속 양극에 달라붙는 것을 방지하고 수상돌기 성장을 방지합니다.
나노 기술은 아주 작은 크기에도 불구하고 배터리 개발, 연구 및 제조 분야에서 큰 파장을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 우수한 고품질 배터리 테스트 장비 작은 크기에도 불구하고 나노기술은 배터리 개발, 연구 및 제조에 큰 파장을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 우수한 고품질 배터리 테스트 장비를 통해 연구자들은 배터리 성능의 패턴과 격차를 알아차리고 나노기술이 잠재적으로 메우는 데 도움이 될 수 있는 영역을 발견할 수 있습니다.
