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배터리 전쟁에서 리튬 이온 기술은 주머니에서 휴대폰을 작동시킬 뿐만 아니라 도로에서 전기 자동차를 구동시키는 챔피언이다. 그러나, 국제 연구팀이 개발한 새로운 망간 및 나트륨 이온 기반 재료는 차세대 장치와 전기 자동차에 연료로 사용할 수 있는 보다 저렴한 비용으로 친환경적인 옵션을 제공하는 경쟁자가 될 수 있다. 제조업체와 소비자가 더 많은 전기 자동차 (EV)를 요구함으로써 리튬 생산은 수요 증가에 따른 어려움을 겪을 수 있다. 국제 에너지기구 (International Energy Agency)의 최근 보고서에 따르면 2015년 100만대를 돌파한 이후, 2016년 세계 전기 자동차가 200만대를 돌파했다. 보고서에는 정책 환경에 따라 다르지만, 2020년에는 900만 ~ 2000만, 2025년에는 4000만 ~ 7000만대에 이를 것으로 예측하고 있다. 지구 상의 자원이 더 풍부하기 때문에 EV 배터리의 비용 절감 측면에서 나트륨을 사용하는 것이 비용이 적게 들지만 단점이 있다. 리튬은 지구상의 일부 지역에서만 채굴되어 값이 비싸고 제한된 자원이다. 불행히도 나트륨 이온 전지는 리튬을 사용하는 전지보다 저렴하지만 나트륨은 리튬보다 20% 낮은 에너지 밀도를 제공한다. 배터리의 에너지 밀도 또는 에너지 저장 용량은 장치의 실행 시간을 결정한다. 배터리는 양극 또는 음극으로 구성된다. 음극과 양극 사이에 전해질이 있다. 표준 리튬 이온 배터리에서 음극은 리튬, 코발트, 니켈 및 산소로 구성되는 반면 음극은 탄소인 흑연으로 제조된다. 배터리가 충전되면 리튬 이온이 전해액을 통해 양극으로 이동하여 탄소에 부착된다. 방전하는 동안, 리튬 이온은 음극으로 다시 이동하여 장치를 작동시키기 위해 전기 에너지를 공급한다. 몇 년 전에 리튬 이온 배터리 양극에서 망간 산화물을 사용하여 용량을 늘리는데 큰 희망이 있었지만, 불행히도 그 조합은 불안정하다. 연구팀에 의해 개발된 설계에서, 나트륨은 음극에서 리튬의 대부분을 대체하고 코발트와 니켈보다 비싸고 희귀한 원소 대신 망간이 사용된다. 연구자들은 다른 실험 재료의 물리 및 화학 지식에 기초하여 합리적인 재료 설계로 문제를 공략했다. 그들은 컴퓨터 시뮬레이션을 실행하여 실험실에서 재료를 만들고 테스트하기 전에 가장 좋은 원자 구성을 결정했다. 토마스 에디슨 (Thomas Edison)이 전구를 개발하려고 시도했을 때, 그는 필라멘트에 대해 수천 가지의 다른 재료를 사용해 어떤 것이 작동하는지 보았다. 오늘날 우리 사회에서 매우 중요한 공학적 문제를 해결하기 위해 배터리 물질, 오염 제어 물질 등 많은 새로운 물질을 개발할 필요가 있다. 에디슨은 단순히 전구를 완성했지만 우리는 훨씬 더 기술적인 요구를 가지고 있다. 우연히 해결책을 찾으려고 노력할 시간이 없다. |
