그래핀 및 배터리

배터리 기술은 빠르게 발전하고 있으며 수십 가지 경쟁 대체 화학 물질이 리튬 이온 배터리의 지배력에 도전하고 있습니다.

Graphene is a promising material for use in batteries due to its high electrical conductivity and thermal conductivity. A recent discovery by researchers at Swansea University, in collaboration with Wuhan University of Technology and Shenzhen University, could pave the way for the use of graphene in lithium-ion batteries, helping to keep them as the dominant battery technology over alternative chemistries, including graphene-based batteries.

그래핀은 높은 전기 전도성과 열 전도성으로 인해 배터리에 사용되는 유망한 소재입니다. 우한 공과대학교 및 심천대학교와 공동으로 스완지 대학교 연구원들이 최근 발견한 결과, 리튬 이온 배터리에 그래핀을 사용할 수 있는 길을 열어 그래핀을 포함한 대체 화학에 대한 지배적인 배터리 기술로 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 기반 배터리.

The researchers' publication in Nature Chemical Engineering details the first successful protocol for fabricating defect-free graphene foils on a commercial scale. The method can be used to create graphene foils in lengths ranging from meters to kilometers. In a laboratory setting not designed for mass production, they managed to create a 200-meter-long graphene foil with a thickness of 17 micrometers. The foil is also highly resistant and was demonstrated to retain high electrical conductivity even after being bent over 100,000 times, making it suitable for use in flexible electronics, industrial manufacturing, and other applications where the graphene is used to deploy powerful currents.

Nature Chemical Engineering의 연구원 간행물은 상업적 규모로 결함 없는 그래핀 포일을 제조하기 위한 최초의 성공적인 프로토콜을 자세히 설명합니다. 이 방법은 미터에서 킬로미터에 이르는 길이의 그래핀 포일을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 대량 생산을 위해 설계되지 않은 실험실 환경에서 그들은 17마이크로미터 두께의 200미터 길이의 그래핀 포일을 만드는 데 성공했습니다. 호일은 또한 저항성이 뛰어나고 100,000회 이상 구부린 후에도 높은 전기 전도성을 유지하는 것으로 입증되어 유연한 전자 장치, 산업 제조 및 그래핀을 사용하여 강력한 전류를 배포하는 기타 응용 분야에 사용하기에 적합합니다.

The application that the researchers focused on in their study is the use of the graphene foil as a current collector in lithium-ion batteries. Lithium-ion batteries are vulnerable to a key risk, called thermal runaway, which happens when excessive heat accumulates in a part of the battery, leading to battery failure with dangerous fires or explosions. This issue is one of the key reasons many researchers and battery companies are looking beyond lithium-ion with alternative chemistries like sodium-ion. Many alternative solutions are being explored, for example, gel electrolytes.

연구진이 연구에서 중점을 둔 응용 분야는 리튬 이온 배터리의 집전체로 그래핀 호일을 사용하는 것입니다. 리튬이온 배터리는 배터리 일부에 과도한 열이 축적되어 위험한 화재나 폭발로 배터리 고장을 일으키는 열폭주(Thermal Runaway)라는 주요 위험에 취약합니다. 이 문제는 많은 연구자와 배터리 회사가 리튬 이온 대신 나트륨 이온과 같은 대체 화학 물질을 찾고 있는 주요 이유 중 하나입니다. 예를 들어 젤 전해질과 같은 많은 대체 솔루션이 연구되고 있습니다.

Thermal runaway mostly happens at the battery's current collectors, where the most power is concentrated. In current lithium-ion batteries, current collectors are usually made of aluminum or copper. The graphene current collectors developed by the research with their graphene foil can display a thermal conductivity as high as 1,400.8 W m−1 K−1. For reference, this is almost 10x higher than copper and aluminum-based current collectors.

열폭주는 가장 많은 전력이 집중되는 배터리 집전체에서 주로 발생합니다. 현재 리튬이온 배터리에서 집전체는 일반적으로 알루미늄이나 구리로 만들어진다. 그래핀 포일을 이용한 연구로 개발된 그래핀 집전체는 1,400.8 Wm−1 K−1의 높은 열전도율을 나타낼 수 있습니다. 참고로 이는 구리 및 알루미늄 기반 집전체에 비해 거의 10배 높은 수치입니다.

Because the graphene foil shows a very fast heat dissipation, it eliminates the risk of local heat concentration when the current is flowing. In turn, this removes the risks of aluminothermic and hydrogen-evolution reactions which are the critical steps leading to propagation of the battery failure and fire hazard.

그래핀 호일은 매우 빠른 열 방출을 나타내기 때문에 전류가 흐를 때 국부적으로 열이 집중되는 위험을 제거합니다. 결과적으로 이는 배터리 고장 및 화재 위험의 확산으로 이어지는 중요한 단계인 알루미늄열 및 수소 진화 반응의 위험을 제거합니다.

“Our dense, aligned graphene structure provides a robust barrier against the formation of flammable gases and prevents oxygen from permeating the battery cells, which is crucial for avoiding catastrophic failures,”

"우리의 조밀하고 정렬된 그래핀 구조는 가연성 가스 형성에 대한 강력한 장벽을 제공하고 산소가 배터리 셀에 침투하는 것을 방지합니다. 이는 치명적인 고장을 피하는 데 중요합니다."

Dr Jinlong Yang, co-lead author

공동 저자인 양진롱(Jinlong Yang) 박사

Maybe more importantly, the method is already proven to be deployable with mass manufacturing of the graphene foil. So it could be quickly integrated into existing battery manufacturing processes.

아마도 더 중요한 것은 이 방법이 이미 그래핀 포일의 대량 제조에 활용 가능한 것으로 입증되었다는 점일 것입니다. 따라서 기존 배터리 제조 공정에 신속하게 통합될 수 있습니다.

“This is a significant step forward for battery technology. Our method allows for the production of graphene current collectors at a scale and quality that can be readily integrated into commercial battery manufacturing. This not only improves battery safety by efficiently managing heat but also enhances energy density and longevity.”

“이것은 배터리 기술의 중요한 진전입니다. 우리의 방법을 사용하면 상업용 배터리 제조에 쉽게 통합될 수 있는 규모와 품질로 그래핀 집전체를 생산할 수 있습니다. 이는 열을 효율적으로 관리하여 배터리 안전성을 향상시킬 뿐만 아니라 에너지 밀도와 수명도 향상시킵니다.”

Dr Rui Tan, co-lead author

공동 저자인 Rui Tan 박사

The researchers are already looking at ways to reduce the thickness of the graphene foils and further enhance their mechanical properties. They are also looking at how the graphene foil could help design better flow batteries and sodium-ion batteries, in collaboration with another research team at Swansea University, under Pr. Serena Margodonna’s leadership.

연구진은 이미 그래핀 포일의 두께를 줄이고 기계적 특성을 더욱 향상시키는 방법을 찾고 있습니다. 그들은 또한 스완지 대학교(Swansea University)의 다른 연구팀과 협력하여 그래핀 호일이 더 나은 흐름 배터리와 나트륨 이온 배터리를 설계하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 조사하고 있습니다. 세레나 마르고도나의 리더십.

We previously discussed honeycomb lithium-ion batteries that remove the risk of battery failure from dendrite growth. If thermal runaway also can be suppressed thanks to graphene foil, this could make lithium-ion batteries much more safe and durable than the current version.

우리는 이전에 수상돌기 성장으로 인한 배터리 고장 위험을 제거하는 벌집형 리튬 이온 배터리에 대해 논의했습니다. 그래핀 호일 덕분에 열 폭주도 억제할 수 있다면 리튬 이온 배터리를 현재 버전보다 훨씬 더 안전하고 내구성 있게 만들 수 있습니다.

This overall follows the pattern of most innovations in one niche of battery technology to be usable in other designs, helping feed the quick progress of the industry.

이는 전반적으로 배터리 기술의 한 틈새 시장에서 대부분의 혁신 패턴을 따르며 다른 디자인에서도 사용할 수 있어 업계의 빠른 발전을 지원합니다.

(You can also learn more about battery technology in our articles “The Future of Mobility – Battery Tech” and “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.)

(“모빌리티의 미래 – 배터리 기술” 및 “에너지 저장의 미래 – 유틸리티 규모 배터리 기술” 기사에서 배터리 기술에 대해 자세히 알아볼 수도 있습니다.)