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낮은 에너지 밀도는 배터리 및 커패시터의 주요 과제이다. 연구원들은 전기 화학적 에너지 저장 장치의 에너지 밀도를 높이기 위해 끊임없이 새로운 물질을 개발하고 있다. 그러나 이 방법은 에너지 밀도를 매우 제한된 양으로 증가시킨다. 또 다른 방법은 에너지 변환 기술을 에너지 저장 장치와 통합하여 자체 충전이 가능하도록 배터리 및 축전기의 수명을 연장하는 것이다. 최근에는 에너지 저장 장치의 에너지 소비를 보충하기 위해 태양열, 열, 풍력 및 인간 운동의 기계 에너지의 천연 자원을 포함하여 주변 환경으로부터 에너지를 수확할 수 있는 많은 통합 / 공동 시스템이 보고 되었다. 예를 들어 태양 전지와 나노 발전기는 배터리와 커패시터에 통합되어 있다. 그러나 이러한 수확된 에너지는 사용 시나리오에 따라 크게 달라진다. 예를 들어, 태양 전지는 강한 햇빛 조사 하에서는 잘 작동하지만 사용자가 실내 조명 만 사용할 수 있는 경우가 대부분이다. 마찬가지로 나노 발전기는 스포츠 모드에서 주위의 기계 에너지 만 수집할 수 있지만 대부분의 사람들은 정적인 활동을 한다. 그러므로, 환경 및 이용 시나리오에 대한 의존성이 낮은 에너지 수확 기술 또는 시스템을 갖는 것이 매우 유리할 것이다. 연구팀은 '공기 충전' 아연 이온 축전지 / 배터리의 고도로 통합된 시스템을 제안했다. 주위 공기에서 에너지를 얻어 아연 이온 축전지 / 배터리는 추가 전원을 가하지 않아도 편리하고 쉽게 충전될 수 있다. 팀은 어드밴스드 에너지 머터리얼스 (Advanced Energy Materials, 'A Usage Scenario Independent “Air Chargeable” Flexible Zinc Ion Energy Storage Device')에서 연구 결과를 발표했다. 이 시스템은 유연한 이차 기능성 U 자형 전극 (에너지 수확 및 저장의 이중 기능), 중간에 아연 - 금속 전극, 금속 아연 사이에 샌드위치된 두 개의 다른 고분자 전해질 (PAM 및 PANA) 및 전극인 단순한 구조이다. 설계의 개념은 작업 장치가 고갈되고 외부 전원 공급 장치를 사용할 수 없는 경우 자체 충전 아연 공기 구성 요소가 트리거되어 작동 장치를 충전하여 추가 배터리 수명을 제공할 수 있다는 것이다. 외부 전원을 사용할 수 있으면 전체 시스템을 완전히 복구할 수 있다. 장치가 공기 대기에 노출되면, PANa 하이드로 겔을 함유한 한쪽면에서 O2 + 4e- → 4OH-의 환원 반응과 Zn + 4OH- → Zn (OH) 42- + 2e- 산화 반응이 일어나 'U'형 전극의 전위가 높고 아연 금속 전극의 전위가 낮게 된다. 전압 갭은 음극에서의 이온 흡착과 아연 이온 캐패시터의 양극에서의 Zn2 + 증착을 각각 유도한다. 충전된 전압은 공기 전극이 공기에 노출되었을 때 산화 반응과 환원 반응 사이의 전위차인 ~ 1.66V와 동일하다. 아연 이온 캐패시터가 방전되면 밀봉 테이프를 열어 공기가 퍼지도록 하는 간단한 조작만으로 10 분 안에 88 %까지 빠르게 충전할 수 있다. '공기 충전'과정을 반복하는 캐패시터는 60 번 반복되고 전체 시스템이 잘 작동했다. 외부 전원 공급 장치가 사용 가능 해지면 아연 이온 축전기와 충전 구성 요소가 모두 복구될 수 있다. 연구팀의 조사에서 다음 단계는 이 디자인과 개념을 널리 사용되는 리튬 이온 배터리, K- 이온 배터리, Na- 이온 배터리, Al- 이온 배터리 등과 같은 다른 전기 화학 에너지 저장 시스템으로 확대할 것이다. |
