3D printed cement-based Li-ion batteries with hydration-reinforced networks

집의 벽, 다리의 기둥, 혹은 거리의 보도가 단순히 무게를 견디는 것 이상의 역할을 할 수 있는 세상을 상상해 보십시오. 그것들이 전기를 저장하여 조명, 센서, 또는 건물 자체에 전력을 공급하는 거대하고 조용한 배터리 역할을 할 수도 있습니다. '구조적 에너지 저장(structural energy storage)'이라 알려진 이 아이디어는 엔지니어들에게 오랫동안 꿈이었던 것입니다. 문제는 건축에 사용할 만큼 강하면서도 배터리처럼 전하를 보유할 수 있는 재료를 찾는 것이었습니다. 콘크리트와 시멘트는 지구상에서 가장 흔한 건축 자재로, 저렴하고 불에 잘 타지 않으며 매우 내구성이 높습니다. 그러나 이들은 본질적으로 전기가 흐르는 데 필수적인 전기 전도성이 낮습니다. 전통적인 배터리는 플라스틱 결합제에 담긴 섬세한 화학 혼합물에 의존하는데, 이는 구조용 보로 쓰기에는 너무 취약합니다. 수년간 과학자들은 시멘트를 배터리로 바꾸려고 노력해 왔지만, 그 결과는 종종 약하거나 에너지를 거의 저장하지 못하거나 단 몇 번의 사용 후에 성능이 저하되는 경우가 많았습니다. 목표는 바위처럼 단단한 건축 블록이면서 동시에 고성능 에너지 저장 장치가 될 수 있는 재료를 만드는 것이었습니다.

연구팀은 시멘트로 배터리를 3D 프린팅하는 데 성공함으로써 이 현실을 향한 중요한 발걸음을 내디뎠습니다. 표준 배터리 설계를 콘크리트에 억지로 적용하는 대신, 그들은 시멘트의 자연스러운 경화 과정을 이용해 배터리의 내부 구조를 구축하는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 물, 시멘트, 그리고 두 종류의 배터리 재료(양전하를 저장하는 재료와 음전하를 저장하는 재료)로 구성된 특수 잉크를 만들었습니다. 또한 전기가 혼합물 사이를 이동할 수 있도록 미세한 탄소 입자 네트워크를 추가했습니다. 이 잉크가 3D 프린터를 통해 짜여 나올 때 연속적인 형태를 형성합니다. 시멘트가 마르고 굳으면서 '수화(hydration)'라고 불리는 화학 반응이 일어나며, 이는 모든 것을 결합하는 광물 골격을 만듭니다. 이 골격은 강도를 제공하고, 탄소 네트워크는 전기가 자유롭게 흐를 수 있도록 보장합니다. 그 결과, 외관과 촉감은 건설 자재처럼 보이지만 기능적으로는 충전 가능한 리튬 이온 배터리로 작동하는 단단한 출력물이 탄생했습니다.

연구진은 양극과 음극을 모두 프린팅한 후 이를 연결하여 완전한 셀을 만들어 이 새로운 재료를 테스트했습니다. 그 결과 배터리는 놀라울 정도로 잘 작동했습니다. 느린 충전 속도로 테스트했을 때, 양극은 그람당 157.5 단위의 에너지를 저장했고, 음극은 172.3 단위를 저장했습니다. 이 수치들은 많은 표준 상용 배터리와 비교할 만한 수준으로, 시멘트가 배터리 재료의 화학적 활성을 해치지 않았음을 증명합니다. 더 중요한 것은 이 배터리가 믿기지 않을 정도로 튼튼하다는 점이었습니다. 10,000번의 충전과 방전을 거친 후에도 전체 배터리는 원래 에너지 용량의 98.5%를 유지했습니다. 이러한 내구성은 특히 거칠고 다공성인 재료로 만든 배터리에서는 보기 드문 수준입니다. 연구는 시멘트 프레임워크가 배터리 재료를 실제로 보호하여, 사용 중 팽창하고 수축하는 동안에도 안정성을 유지하는 데 도움을 주었다는 것을 보여주었습니다.

이 재료는 단순히 전하를 보유하는 것을 넘어, 실제 건설 현장에 필요한 안전성과 다용성을 입증했습니다. 가연성 액체 화학 물질과 플라스틱 부품을 사용하는 전통적인 배터리와 달리, 이 시멘트 기반 배터리는 불에 타지 않는 광물로 만들어졌습니다. 직접적인 테스트에서 연구진은 프린팅된 배터리에 10분 동안 불꽃을 갖다 댔습니다. 이 물체는 형태를 유지했고, 녹지 않았으며, 불이 붙지도 않았습니다. 이는 플라스틱 기반 배터리가 따라올 수 없는 열 저항성을 보여줍니다. 또한 3D 프린팅 공정은 연구진이 복잡한 모양과 두꺼운 층을 실패 없이 만들 수 있게 해주었습니다. 그들은 전극의 두께를 다르게 하여 프린팅했는데, 두꺼운 층에서도 얇은 층에서와 마찬가지로 전기가 잘 흘렀습니다. 이는 이 배터리들이 표준적인 직사각형 상자에 억지로 맞추는 대신, 건물의 특정 위치에 딱 맞게 커스텀된 커다란 모양으로 제작될 수 있음을 시사합니다.

이 연구는 왜 이 방식이 다른 시도들보다 성공적이었는지에 대해서도 설명합니다. 이전의 시멘트 배터리 시도들은 대개 시멘트가 전기의 움직임을 차단하거나 섬세한 배터리 화학 물질을 분해하기 때문에 실패했습니다. 연구진은 시멘트, 배터리 재료, 그리고 탄소의 혼합 비율을 정밀하게 조절함으로써, 시멘트는 강도를 제공하고 탄소는 전기 고속도로를 제공하는 네트워크를 만들 수 있다는 것을 발견했습니다. 그들은 자신들의 시멘트 기반 잉크를 알루미늄 산화물이나 실리콘 디옥사이드와 같은 다른 결합제를 사용한 혼합물과 비교하였고, 시멘트 버전이 가장 우수한 성능을 보인다는 것을 확인했습니다. 시멘트는 구조를 결합할 뿐만 아니라 이온(에너지를 운반하는 미세한 전하 입자)의 흐름을 개선하는 역할도 하는 것으로 보였습니다. 이러한 독특한 특성의 결합은 이 재료가 단순히 에너지를 담는 수동적인 용기가 아니라, 에너지 시스템의 능동적이고 통합된 일부임을 의미합니다.

이 연구는 건설의 미래를 향한 새로운 길을 제시합니다. 이는 단순히 벽 안에 표준 배터리를 매립한다는 개념을 넘어, 벽 자체가 배터리가 될 수 있다는 제안을 담고 있습니다. 이러한 구조물을 3D 프린팅할 수 있다는 능력 덕분에, 건축가와 엔지니어들은 건물의 특정 형태와 필요에 맞춰 설계된 내장형 전력 저장 장치를 설계할 수 있습니다. 사용된 재료는 저렴하고 널리 구할 수 있으며, 공정은 확장 가능하므로 대량의 에너지 저장 구성 요소를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 비록 이 기술이 아직 연구 단계에 있지만, 결과는 안전성, 강도, 또는 성능을 희생하지 않고도 건설과 에너지 저장을 결합하는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다. 시멘트 기반 배터리는 우리가 세상을 건설하는 데 사용하는 재료가 세상을 움직이는 동력원이 될 수도 있다는 것을 보여주는 개념 증거입니다.