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* 탄소, 셀룰로오스, 글리세린, 식염 등의 성분으로만 구성된 배터리 개발
* 에코 배터리는 유연한 캐리어 필름, 전도층, 전극 및 전해질의 네 가지 레이어로 구성
* 2개월 후 커패시터는 부품으로 분해되고 탄소만 남아
* 에코 배터리는 "사물 인터넷"의 중요한 구성 요소가 될 것으로 예상

연구원들이 퇴비화 가능한 배터리를 개발했다.
미니 슈퍼 커패시터는 3D 프린팅된 생분해성 부품으로만 구겅돼

생태학적으로 분해 가능한 전기 공급 :
과학자들은 탄소, 셀룰로오스, 글리세린, 식염 등의 성분으로만 구성된 배터리를 개발했다.
연구진이 보고한 바와 같이 4층 미니 커패시터는 3D 프린팅을 사용하여 생산할 수 있으며 견고해 1천 회 이상의 충전주기 동안 안정적으로 유지된다. 이러한 바이오 배터리는 미래에 센서 및 기타 소형 전자 장치에 전기를 공급할 수 있다. 

▲ 지상에서 두 달이 지나면 생분해성 배터리에 석탄이 조금 남는다. © Gian Vaitl / Empa

지금까지 리튬 이온 배터리는 모바일 전원 공급 장치의 표준이었다.
전자 티셔츠에서 운송 물류의 센서 또는 일상적인 물체에 이르기까지 전자 마이크로 장치의 급속한 성장으로 배터리의 필요성도 급격히 증가할 것으로 예상된다. 희소하고 때로는 독성이있는 원료 기반 리튬 배터리보다 환경친화적이고 기후 친화적인 방식으로 생산 및 폐기할 수있는 배터리를 개발하는 것이 더욱 중요하다.

4개의 레이어 및 바이오 기반 구성 요소

Federal Materials Testing and Research Institute Empa의 사비어 애바이(Xavier Aeby) 가 이끄는 연구원들은 최근 그 대안을 개발했다. 그들의 목표는 3D 프린팅을 사용해 쉽게 제조할 수 있고 사용 수명이 지나면 생분해될 수 있는 배터리를 개발하는 것이었다.

그들은 배터리 에너지 밀도의 10%에 불과하지만 내구성이 더 좋고 전력 밀도가 더 높은 전력 저장 장치 슈퍼 커패시터를 선택했다. 이것은 더 빨리 충전 및 방전할 수 있다.

새로운 에코 배터리는 유연한 캐리어 필름, 전도층, 전극 및 전해질의 네 가지 레이어로 구성된다. 이러한 구성 요소의 화학적 구성 요소는 셀룰로오스 나노 섬유 및 셀룰로오스 나노 결정, 그을음, 흑연 및 활성탄 형태의 식염, 글리세린 및 탄소뿐만 아니라 물과 이러한 구성 요소를 젤라틴 인쇄 잉크로 액화시키는 두 가지 유형의 알코올이다.

▲ 미니 커패시터의 4개 레이어가 먼저 인쇄된 다음 접힌다. © Gian Vaitl / Empa

센서 및 기타 소형 장치를 위한 충분한 전력

이를 통해 초소형 슈퍼 커패시터를 만들기 위해 Aeby는 네 가지 기본 구성 요소를 차례로 적용하는 표준 3D 프린터를 사용한다. 구조가 건조되면 전해질이 중간에 자리하도록 샌드위치처럼 접힌다. "쉬운 것 같지만 전혀 그렇지 않았다"고 Aeby는 말했다. 모든 매개 변수가 정확하고 커패시터가 원하는 대로 작동할 때까지 긴 일련의 테스트가 필요했다.

그 결과 1.2 볼트에서 그램 당 약 26패럿(Farad)의 용량을 가진 미니 커패시터의 프로토타입이 탄생했다. 예를 들어 작은 디지털 시계를 구동할 수 있는 것으로 충분하다.
초기 테스트에 따르면 이 소형 장치는 수천 번의 충전 및 방전주기를 견딜 수 있으며, 연구자들이 보고한 것처럼 동결 온도에서도 수년간 보관할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 커패시터는 압력과 진동에 강하다.

 

<이것이 퇴비화 가능한 미니 콘덴서가 만들어지는 방법이다.© Empa>

자연에서 그 자체로 부패

 

소형 전기 저장 시스템의 특징은 분해 가능성이다.
더 필요하지 않을 때는 퇴비에 버리거나 자연에 그대로 둘 수 있다. 2개월 후 커패시터는 부품으로 분해되고 테스트 결과에 따르면 탄소 입자는 몇 개만 남는다. 이는 새로운 미니 커패시터가 재생 가능한 원료로 만들어졌을 뿐만 아니라 환경친화적인 방식으로 폐기될 수도 있음을 의미한다.

연구팀에 따르면 에코 배터리는 이 원칙에 따라 "사물 인터넷"의 중요한 구성 요소가 될 수 있다. "미래에 이러한 커패시터는 전자기장을 사용해 잠시 충전될 수 있으며, 그런 다음 센서 또는 마이크로 송신기에 몇 시간 동안 전기를 공급할 것이다"고 Aeby는 말했다.

이러한 센서는 예를 들어 환경 모니터링, 농업뿐만 아니라 운송 물류 또는 의료자가 테스트 장치에도 사용할 수 있다.
(Advanced Materials, 2021; doi : 10.1002 / adma.202101328)
출처 : Empa-Federal Materials Testing and Research Institute

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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