아연의 장점: 안전성, 풍부함, 비용
리튬은 매우 제한적이고, 물리적으로 집중되어 있으며, 보안상의 문제(열 폭주, 화재)가 많습니다. 아연은 용도가 훨씬 많고 비용도 훨씬 저렴하며 보안 문제도 없습니다.
아연 배터리는 수성 전해질과 총 액체 전해질 용매 가연성에 작용합니다. 이는 유기 용매를 사용하는 리튬{0}}이온 전지와 관련된 보안 위험입니다. 따라서 아연은 높은 이론적 부피 용량(5,855 Ah/L)과 낮은 산화환원 전위를 제공하므로 높은-에너지 밀도 응용 분야에 적합합니다.
수년 동안(몇 년 이상) 아연 기반 충전식 배터리(주로 니켈 아연 및 아연 공기)는 수지상 결정 형성, 반응의 기생 특성으로 인한 수소 발생 및 모양 변화라는 세 가지 주요 문제로 인해 제품이 제한되었습니다.
오래된 장애물: 아연을 가로막는 요인
수상돌기의 형성은 재충전 단계에서 아연과 함께 발생합니다. 아연 배터리를 충전할 때 아연이 고르지 않게 증착되면 아연 셀의 분리막을 통과하여 단락을 일으킬 수 있는 수지상 구조가 생성됩니다.
전지에서 발생하는 전기화학 반응과 수소 가스의 생성은 전지의 수분 손실을 초래하여 사이클 수명이 제한되는 또 다른 부반응입니다.
아연 전극의 모양은 사이클링 과정에서 활성 물질이 재분배되어 용량 손실과 기계적 고장을 초래하므로 변경됩니다.
아연 배터리는 일반적으로 1000 - 2000 사이클을 제공하는 리튬{1}}이온 배터리와 비교하여 200 - 300 딥 사이클 미만으로 사이클 수와 관련하여 제한이 있었습니다.
장벽 깨기: 최근의 혁신
재료과학, 나노공학, 전기화학-을 포괄하는 학제간 연구 -가 이러한 장벽을 체계적으로 허물고 있습니다.
3D 구조의 아연 양극:메릴랜드 대학과 미 육군 연구소의 연구원들은 부피 변화를 수용하고 균일한 증착을 촉진하여 본질적으로 수상돌기 성장을 제거하는 다공성 스폰지{2}}형 아연 양극을 개발했습니다. 이러한 양극은 높은 방전 심도에서 1,500회 이상의 주기를 입증했습니다.
전해질 첨가제 및 "아연-공포성" 코팅:전해질에 미량의 유기 또는 무기 첨가제(예: 도데실황산나트륨, 산화비스무트)를 추가하면 아연 증착 형태가 수정됩니다. 보다 발전된 접근 방식에서는 증착을 평면의 조밀한 층으로 유도하는 "아연{3}}공포성" 코팅을 사용합니다.
고성능-분리기:폴리머-세라믹 복합 분리막에는 새로운 나노셀룰로오스- 또는 MOF(금속{2}}유기 구조(MOF)-강화 분리막이 포함되어 있어 수상돌기 침투를 방지하면서 빠른 이온 전달이 가능합니다.
측면-반응 억제:연구원들은 완충액 pH의 사용을 최적화하고 부식 억제제(예: 인듐 또는 주석 화합물)를 추가함으로써 최근 개발된 프로토타입 수소 배터리에서 작동 쿨롱 효율이 99.7%가 넘는 예상치 못한 전기화학 반응으로 인한 수소 발생이 크게 감소했음을 입증했습니다.
기회: 아연 배터리가 빛나는 곳
이러한 발전으로 충전용 아연 배터리는 EV의 리튬 이온과 -대응하는--것이 아니라 서비스가 부족한 대규모 시장에서 상업적인 최적의 지점을 찾고 있습니다.
1. 고정식 에너지 저장 장치(그리드 및 주거용)
리튬-이온은 킬로와트-사용 시간당 높은 비용으로 인해 장기간 보관(4~12시간)하는 것이 여전히 어려운 문제입니다. 이와 대조적으로, 아연-기반 배터리-, 특히 아연-공기 또는 아연-브롬 화학물질-을 사용하는 배터리는 원자재 비용이 저렴하고 불연성인 것으로 입증되었으므로-유틸리티-규모의 백업 및 태양광-및-저장 애플리케이션에 매우 적합합니다. Eos Energy Enterprises 및 Zinc8 Energy Solutions를 포함한 중국과 미국의 많은 스타트업은 메가와트 규모의{20}}기반 배터리 시스템을 배포하기 시작했습니다.
2. 웨어러블 및 IoT 디바이스
유연한 박막- 아연 배터리는 스마트워치, 의료용 패치, 환경 센서와 같은 기기에 사용하기에 탁월한 후보입니다. 이러한 배터리 내의 수성 전해질은 인간의 피부에 사용해도 안전하며, 유연한 기판에도 배터리를 인쇄할 수 있는 기능은 리튬-이온이 따라올 수 없는 다양한 제조 방법으로 이어질 것입니다. 예를 들어, 싱가포르 국립대학교 연구진은 최근 콘택트렌즈에 충전 가능한 아연 배터리를 인쇄했습니다.
3. 납-산 대체품
납{0}}배터리는 백업 전원, 골프 카트, 지게차 등의 용도로 여전히 널리 사용되는 배터리 유형입니다. 그러나 일반적으로 에너지 밀도가 매우 낮으며 독성으로 인해 환경에 심각한 위협을 가합니다. 반면, 아연 배터리는 납산 배터리에 비해 두 배의 에너지를 저장하는 것으로 밝혀졌으며 일반적으로 납산 배터리보다 수명이 훨씬 길고 납과 관련된 유해 물질 없이 재활용할 수 있습니다. 대부분의 지게차 생산업체는 현재 아연-니켈 배터리 팩을 테스트하고 있습니다.
앞으로의 길: 실험실에서 시장까지
진전이 있는 것은 부인할 수 없지만 상용화는 아직 초기 단계입니다. 남아 있는 주요 과제는 다음과 같습니다.
균일한 전극 제조 규모 확대- 실험실 혁신은 비용을 증가시키는 이국적인 첨가제나 복잡한 처리에 의존하는 경우가 많습니다.
표준화- 잘 정립된 18650/21700 형식의 리튬-이온과 달리-아연 배터리는 업계 전반에 걸친-폼 팩터가 부족합니다.
장기-캘린더 수명- 대부분의 발표된 연구에서는 사이클 수명을 보여 주지만, 부분 충전, 온도 변화 및 간헐적인 사용으로 인한 실제 노화는 아직 입증되지 않았습니다.
그러나 투자는 가속화되고 있다. 2025년에만 아연 배터리 스타트업을 위한 벤처 자금이 4억 달러를 넘어섰고, 미국 에너지부의 "장기 저장 샷"은 특히 아연을 우선순위 화학으로 목표로 삼았습니다. 한편 중국은 에너지 저장을 위한 14차 5개년 계획에 아연{6}}공기 배터리를 포함했습니다.
결론: 경쟁이 아닌 보완적인 미래
아연 배터리는 리튬 이온에 대한 2차- 등급으로 지정되어 있지만 '죽이는' 것은 아닙니다. 리튬에 적합하지 않은 것으로 간주되거나 리튬이 대규모로 너무 비싸거나 소비재에 사용될 때 잠재적으로 위험할 수도 있는 많은 응용 분야를 갖게 될 것입니다. 최근 기술 발전과 함께 아연 배터리의 속성 특성을 활용하여 새롭게 떠오르는 포스트 리튬 에너지 저장 생태계의 두 번째 기반/블록이 될 것입니다.
