일리노이 대학의 Paul Braun 교수 연구실에서 개발되고 있는 배터리는 일반 배터리처럼 보이지만 그 안에는 놀라운 기능이 숨어있다. Braun 교수 연구 그룹은 에너지 축전량을 감소하지 않고 비약적으로 급속 충방전을 실현하는 3D 나노 구조를 개발했다. 급속 충전이 가능한 가전 제품과는 별도로 많은 전력을 축적할 수 빠르게 충방전 할 수 있는 배터리는 전기 자동차, 의료 기기, 레이저 장비, 군사 장비에 적합하다.
재료 과학 및 엔지니어링을 전문으로 하는 Braun 교수는 이렇게 말한다. "우리가 개발한 이 시스템은 배터리와 같은 에너지 양을 캐패시터와 같은 파워로 공급할 수 있는 것이다. 대부분의 캐패시터가 저장할 수 있는 에너지 양은 극히 적다. 캐패시터는 매우 빠르게 방전이 가능하지만, 대량의 에너지를 축적하는 것은 어렵다. 한편, 대부분 배터리는 매우 많은 에너지를 축적할 수가 있지만 급속히 방전 할 수 없다. 우리가 개발한 이 배터리는 둘 다 가능하다 "라고 밝혔다.
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일반적인 리튬 이온 (Li - ion) 충전지와 니켈 수소 (NiMH) 충전지의 경우 빠르게 방전하면 성능이 크게 저하된다. 배터리에 포함된 활성 물질로 박막을 사용하면 빠른 충전 방전이 가능하게 되지만, 활성 물질 양이 부족하고 에너지를 거의 축적 수 없기 때문에 에너지 용량은 거의 제로까지 저하된다. Braun 교수 연구 그룹은 박막에서 감싸인 3D 구조를 만드는 것으로, 대용량의 활성 물질과 고전류 밀도를 모두 달성했다. 이 충방전 속도는 대량 전극과 동일한 배터리보다 10 ~ 100 배 빠르며 기존 장치에 이것을 사용해도 정상적으로 작동한다.

이러한 성능을 가질 경우 휴대 전화는 몇 초, 노트북이라면 몇 분 안에 충전할 수 있다. 교수는 전기 자동차 적용에 박차를 가하고 있다. 전기 자동차 배터리를 적용함에 있어 제품 수명과 충전 시간이 주요 제약이 되고 있다. "몇 시간에 걸쳐 전기 자동차를 충전하지 않고도 급속 충전도 가능하게 되면, 가솔린의 급유 시간과 동등한 충전 시간을 갖는 자동차를 가질지도 모른다. 5 분 충전이 가능하다면 내연 기관 엔진의 연료 공급과 같다고 생각하고 사람들은 충전 스탠드에 가고 자동차를 충전할 것이다. "라고 교수는 말한다.

이 연구 그룹이 이용한 프로세스는 모든 산업계에서 널리 활용되고 있으며, 이 기술은 대규모 생산에도 확장할 수 있을 것으로 기대된다. 이 연구 그룹이 개발한 새로운 3D 구조의 핵심은 자기 조직화이다. 그들은 먼저 작은 구체 표면을 코팅하고 이들을 조밀이 충진하고 격자를 형성시켰다. 다른 방법으로 이러한 균일한 격자를 만들기 위해 많은 시간을 요하고 실현이 어렵지만, 이러한 방법은 저비용으로 가능하다.

그런 다음 연구팀은 배열된 구체 사이의 틈새를 금속으로 메웠다. 이 작은 구체가 용해하면 다공성 스폰지 형태의 3D 금속 뼈대가 남는다. 이렇게 전해 연마법이라는 프로세스에서는 뼈대 표면에 에칭 처리를 가하는 것으로 이 구멍을 크게 하고 숨구멍을 가진 뼈대를 만든다. 마지막으로 연구자들은 활성 물질 박막 (활성 물질로 만든 박막) 프레임 표면을 덮었다. 이 연구 성과는 작은 연결부를 가지고, 서로 연결된 전극 구조이며, 이것은 리튬 이온이 빠르게 이동할 수 있다. 이것은 이 전극이 확산이 빠른 활성 물질을 재료로 한 박막과 뛰어난 전기 전도성을 가진 금속 뼈대로 구성되어 있기 때문이다. 연구팀은 NiMH 배터리와 리튬 이온 배터리에서 모두 입증했지만, 그 구조는 널리 일반적으로 활용할 수 있다. 따라서 금속 골격에 증착 가능한 배터리 재료라면 무엇이든 이용할 수 있다고 생각되고 있다.

출처 : http://www.nedo.go.jp/library/report_1075_index.html