[논문 리뷰] Self-Charged Graphene Battery Harvests Electricity from Thermal Energy of the Environment

Zihan Xu, Guòan Tai외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 01.

Graphene research and applications참고 문헌 12인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이질적인 전극 구성을 통해 수용액 내 이온 운동에서 발생하는 환경의 열에너지로부터 전기를 생성하는 그래핀 기반 자가 충전 배터리를 제시한다. 포화된 CuCl₂ 용액에서 20일 이상 안정적인 0.35 V의 출력을 생성하며, 온도와 양이온 농도가 증가함에 따라 전압도 증가함을 보여, 이동식 및 자가 공급 전원 장치에서 환경의 열에너지를 수확하는 개념 증명을 한다.

ABSTRACT

The energy of ionic thermal motion presents universally, which is as high as 4 kJ\bullet kg-1\bullet K-1 in aqueous solution, where thermal velocity of ions is in the order of hundreds of meters per second at room temperature1,2. Moreover, the thermal velocity of ions can be maintained by the external environment, which means it is unlimited. However, little study has been reported on converting the ionic thermal energy into electricity. Here we present a graphene device with asymmetric electrodes configuration to capture such ionic thermal energy and convert it into electricity. An output voltage around 0.35 V was generated when the device was dipped into saturated CuCl2 solution, in which this value lasted over twenty days. A positive correlation between the open-circuit voltage and the temperature, as well as the cation concentration, was observed. Furthermore, we demonstrated that this finding is of practical value by lighting a commercial light-emitting diode up with six of such graphene devices connected in series. This finding provides a new way to understand the behavior of graphene at molecular scale and represents a huge breakthrough for the research of self-powered technology. Moreover, the finding will benefit quite a few applications, such as artificial organs, clean renewable energy and portable electronics.

연구 동기 및 목표

• 외부 입력 없이 환경의 열에너지를 전기로 변환하는 자가 공급 에너지 수확 장치를 개발하는 것.
• 수용액 내 이온의 열운동을 재생 가능한 에너지원으로 활용할 수 있는지 탐색하는 것.
• 오직 환경의 열에너지만을 사용하여 지속적인 전압 출력이 가능한 그래핀 기반 장치를 구현하는 것.
• 이동식 및 생물의학적 적용 분야에서 에너지 수확을 위한 확장 가능하고 저비용의 접근법을 확립하는 것.

제안 방법

• 장치는 전해질 용액 내 이온의 열운동을 포착하기 위해 그래핀을 사용한 이질적인 전극 구성을 채택한다.
• 전극은 이온-전극 상호작용과 전하 분리를 촉진하기 위해 포화된 CuCl₂ 용액에 잠기게 한다.
• 전압 생성은 열적으로 구동되는 이온의 운동이 그래핀 전극에 충돌함으로써 발생하며, 순수한 전위차를 유도한다.
• 시스템은 20일 이상 안정적인 개방 회로 전압을 유지하여 장기적인 작동 안정성을 보여준다.
• 장치는 6개가 직렬로 연결되어 상업용 LED를 작동시켜 실용적 기능성을 검증한다.
• 이론적 분석은 전압 출력이 온도와 양이온 농도와 정비례함을 보여주며, 이를 연결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수용액 내 이온의 열운동을 효율적으로 전기로 수확할 수 있는가?
• RQ2 환경의 열에너지만을 사용하는 그래핀 기반 장치가 달성할 수 있는 최대 안정 전압 출력은 얼마인가?
• RQ3 온도와 양이온 농도는 이러한 시스템의 전압 출력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 장치는 외부 에너지 공급 없이 장기간에 걸쳐 전력 생성을 유지할 수 있는가?
• RQ5 수확된 에너지는 LED와 같은 실용적인 전자 부품을 구동하는 데 충분한가?

주요 결과

• 장치는 포화된 CuCl₂ 용액에 20일 이상 잠기게 하였을 때 약 0.35 V의 안정적인 개방 회로 전압을 생성하였다.
• 개방 회로 전압은 전해질 내 온도와 양이온 농도와 모두 정비례하는 경향을 보였다.
• 6개의 장치를 직렬로 연결하여 상업용 발광 다이오드를 성공적으로 점등시켜 실용적인 에너지 출력을 입증하였다.
• 시스템은 환경에서 지속적으로 재충전되는 이온 운동에서 비롯된 환경의 열에너지를 수확한다.
• 전압 출력은 시간이 지나도 일관되게 유지되어 그래핀 기반 에너지 수확 장치의 견고성과 장기적 안정성을 나타낸다.
• 연구 결과는 그래핀과 환경의 열에너지만을 사용하는 자가 공급 장치를 위한 확장 가능한 길을 시사한다.