휴대전화나 컴퓨터의 배터리가 얼마나 오래 지속되는지는 배터리의 음극 물질에 얼마나 많은 리튬 이온을 저장할 수 있는지에 따라 다르다.

배터리에 이러한 이온이 부족하면 장치를 실행하는 데 필요한 전류를 생성할 수 없으며 결국에는 실패한다.

리튬 이온 저장 용량이 더 높은 재료는 현재 배터리에 사용되는 전극 재료인 흑연을 대체하기에는 너무 무겁거나 잘못된 모양이다.

퍼듀 대학교의 과학자들과 엔지니어들은 이러한 재료를 새로운 전극 디자인으로 재구성하여 배터리 수명을 늘리고, 배터리를 더 안정적으로 만들고, 충전 시간을 단축할 수 있는 잠재적인 방법을 도입했다.

Applied Nano Materials 9월호의 표지로 게재된 이 연구는 배터리의 리튬 이온 충전 용량을 향상시키는 것으로 알려진 준금속인 안티몬의 "나노체인"이라고 불리는 그물형 구조를 생성했다.

연구원들은 나노체인 전극을 흑연 전극과 비교하여 나노체인 전극이 있는 코인 셀 배터리가 30분 동안만 충전되었을 때 100회 충방전 주기 동안 두 배의 리튬 이온 용량을 달성했음을 발견했다.

일부 상업용 배터리는 이미 안티몬 금속 음극과 유사한 탄소-금속 복합재를 사용하고 있지만 리튬 이온을 흡수하면 소재가 최대 3배까지 팽창하는 경향이 있어 배터리가 충전되면서 안전 위험이 된다.

“스마트폰 배터리에 이러한 유형의 확장을 수용하기를 원한다. 그렇게 하면 안전하지 않은 물건을 들고 다니지 않게 된다.”라고 퍼듀 화학 공학 부교수인 Vilas Pol이 말했다.

화학 화합물(환원제 및 핵제)을 적용하여 퍼듀 과학자들은 필요한 팽창을 수용할 수 있는 나노체인 모양으로 작은 안티몬 입자를 연결했다.

팀이 사용한 특정 환원제인 암모니아 보란은 팽창을 수용하고 전극 고장을 억제하는 빈 공간(나노체인 내부의 기공)을 만드는 역할을 한다.

팀은 암모니아-보란을 여러 다른 안티몬 화합물에 적용하여 염화안티몬만이 나노사슬 구조를 생성한다는 것을 발견했다.

"나노 입자를 만드는 과정은 사슬 구조를 일관되게 제공한다."라고 퍼듀대학의 유기 화학 교수인 P. V. Ramachandran이 말했다.

또한 나노체인은 리튬 이온 용량을 최소 100회 충방전 주기 동안 안정적으로 유지한다.

Pol은 "기본적으로 사이클 1에서 사이클 100으로의 변화가 없으므로 사이클 102가 동일하지 않을 것이라고 생각할 이유가 없다"고 말했다.

퍼듀의 화학 대학원생인 Henry Hamann은 안티몬 나노체인 구조를 합성했고 퍼듀의 화학 공학 박사후 연구원인 Jassiel Rodriguez는 전기화학 배터리 성능을 테스트했다.

전극 디자인은 더 큰 배터리로 확장할 수 있는 잠재력이 있다고 연구원들은 말한다. 팀은 다음에 파우치 셀 배터리에서 디자인을 테스트할 계획이다.