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급속 충전 배터리에서 이동 중인 리튬 이온 추적

2021-08-09



과학자들이 LTO(파란색)의 격자에서 움직이는 리튬 이온(주황색)을 쫓기 위해 만든 미니 전기화학 전지의 개략도. 크레딧: Brookhaven 국립 연구소

 

미국 에너지부(DOE) 브룩헤이븐 국립 연구소와 로렌스 버클리 국립 연구소가 이끄는 과학자 팀은 리튬, 티타늄으로 만든 급속 충전 배터리 전극 재료인 리튬 티타네이트(LTO)에서 리튬 이온이 어떻게 움직이는지 실시간으로 포착했습니다. , 산소. 그들은 LTO "중간체"(초기 상태와 최종 상태 사이에 리튬 농도가 있는 LTO의 구조)에서 리튬과 주변 원자의 왜곡된 배열이 리튬 이온 수송을 위한 "익스프레스 레인"을 제공한다는 것을 발견했습니다. 그들의 발견은 2월 28일자에 보고되었습니다.

 

"자동차의 가스 탱크를 채우는 데 몇 분 밖에 걸리지 않지만 전기 자동차의 배터리를 충전하는 데는 몇 시간이 걸린다고 생각하십시오. "만드는 방법 알아내기리튬 ions move faster in electrode materials is a big deal, as it may help us build better batteries with greatly reduced charging time."

 

리튬 이온 배터리는 전해질이라는 화학 매체를 통해 양극과 음극(음극과 양극) 사이에서 리튬 이온을 섞는 방식으로 작동합니다. 흑연은 일반적으로 최신 기술의 양극으로 사용됩니다.리튬 이온 batteries, but for fast-charging applications, LTO is an appealing alternative. LTO can accommodate lithium ions rapidly, without suffering from lithium plating (the deposition of lithium on the electrode surface instead of internally).

 

LTO는 리튬을 수용함에 따라 원래 상(Li4Ti5O12)에서 최종 상(Li7Ti5O12)으로 변환되며 둘 다 리튬 전도성이 낮습니다. 따라서 과학자들은 LTO가 급속 충전 전극이 될 수 있는 방법에 대해 의아해했습니다. 이 겉보기 역설을 조정하려면 리튬 이온이 LTO의 중간 구조(Li4Ti5O12와 Li4Ti5O12 사이의 리튬 농도를 가진 구조)에서 어떻게 확산되는지에 대한 지식이 필요합니다.

 

이 연구에서 과학자들은 투과전자현미경(TEM) 내부에서 작동하도록 전기화학 셀을 설계함으로써 LTO 나노입자에서 리튬 이온의 이동을 실시간으로 추적할 수 있었습니다. 이 전기화학 셀을 통해 연구팀은 배터리 충전 및 방전 중에 전자 에너지 손실 분광법(EELS)을 수행할 수 있었습니다. EELS에서는 샘플과 상호 작용한 후 전자의 에너지 변화를 측정하여 샘플의 국부적인 화학적 상태에 대한 정보를 나타냅니다. 리튬 이온에 매우 민감한 것 외에도 EELS는 TEM 내부에서 수행될 때 나노 입자에서 이온 수송을 포착하는 데 필요한 공간과 시간 모두에서 높은 분해능을 제공합니다.

 

"팀은 TEM 컬럼의 밀리미터 크기 샘플 공간에 맞을 만큼 충분히 작으면서 일반 배터리처럼 셀 주기를 만드는 전기화학적으로 기능하는 셀을 개발하는 데 있어 여러 가지 과제를 해결했습니다."라고 공동 저자와 Brookhaven의 CMPMS(Condensed Matter Physics and Materials Science) 부서에서 전자현미경 및 나노구조 그룹을 이끄는 선임 과학자 Yimei Zhu는 "리튬에서 나오는 EELS 신호를 측정하려면 일반적으로 요구되는 것 이상으로 매우 얇은 샘플이 필요합니다. TEM에서 전자 탐색의 투명성."

 

생성된 EELS 스펙트럼에는 충전 및 방전이 진행됨에 따라 다양한 LTO 상태에서 리튬의 점유 및 로컬 환경에 대한 정보가 포함되어 있습니다. 정보를 해독하기 위해 Berkeley의 CEDER(Computational and Experimental Design of Emerging Materials Research) 그룹과 Brookhaven의 CFN(Center for Functional Nanomaterials)의 과학자들이 스펙트럼을 시뮬레이션했습니다. 이러한 시뮬레이션을 기반으로 그들은 수천 가지 가능성 중에서 원자의 배열을 결정했습니다. 국부 구조가 이온 수송에 미치는 영향을 확인하기 위해 CEDER 그룹은 양자 역학에 기반한 방법을 사용하여 LTO에서 리튬 이온 이동의 에너지 장벽을 계산했습니다.

 

LTO의 중간 구성에서 "쉬운 경로"를 따라 빠르게 이동하는 리튬 이온. 리튬 이온이 이동해야 하는 경주용 자동차 장애물 코스로 LTO 격자를 상상해 보십시오. 원래 단계(Li4Ti5O12)와 리튬 이온을 수용하기 위해 변환되는 최종 단계(Li7Ti5O12)에서 LTO는 많은 장애물이 있는 원자 구성을 가지고 있습니다. 따라서 리튬 이온은 장애물 코스를 천천히 통과해야 합니다. 그러나 LTO의 중간 구성(예: 영화에 표시된 Li5 xTi5O12)에서는 리튬을 둘러싼 원자 배열의 국부적 왜곡이 이 두 상의 경계를 따라 발생합니다. 이러한 왜곡은 장애물을 약간 치우고 리튬 이온이 통과할 수 있는 "빠른 차선"을 제공합니다. 크레딧: Brookhaven 국립 연구소

 

"리튬이 이 물질을 통해 어떻게 그렇게 빨리 이동할 수 있는지 이해하는 데 계산 모델링이 매우 중요했습니다. Berkeley Lab의 재료 과학 부서. "재료가 리튬을 흡수함에 따라 원자 배열이 매우 복잡해지고 단순한 수송 아이디어로는 개념화하기 어렵습니다. 계산을 통해 리튬 이온이 모여서 이동성이 높아진다는 것을 확인할 수 있었습니다."

 

"이 작업의 중요한 측면은 시뮬레이션이 실험 데이터를 해석하고 기계론적 이해를 개발하는 데 도움이 될 수 있기 때문에 실험과 시뮬레이션의 조합이었습니다."라고 공동 저자인 CFN 이론 및 계산 그룹의 물리학자인 Deyu Lu는 말했습니다. "수년에 걸쳐 CFN에서 개발해 온 전산 분광학의 전문 지식은 EELS의 주요 스펙트럼 지문을 식별하고 원자 구조 및 전자 특성의 물리적 기원을 밝히는 이 공동 사용자 프로젝트에서 중요한 역할을 합니다."

 

팀의 분석에 따르면 LTO는 원자가 국부적으로 일반적인 배열이 아닌 준안정 중간 구성을 가지고 있습니다. 이러한 국부적인 "다면체" 왜곡은 에너지 장벽을 낮추어 리튬 이온이 빠르게 이동할 수 있는 경로를 제공합니다.

 

"본질적으로 빈 용기인 자동차의 가스 탱크로 자유롭게 흐르는 가스와 달리 리튬은 완전히 개방된 구조가 아닌 LTO로 들어가는 길을 "투쟁"해야 합니다."라고 Wang은 설명했습니다. "리튬을 얻기 위해 LTO는 한 구조에서 다른 구조로 변환합니다. 일반적으로 이러한 2상 변환은 시간이 걸리므로 급속 충전 기능이 제한됩니다. 그러나 이 경우 리튬은 예상보다 빠르게 수용됩니다. LTO의 원자 구조는 리튬이 쉽게 통과할 수 있는 더 많은 열린 공간을 만듭니다. 이러한 높은 전도성 경로는 두 단계 사이에 존재하는 풍부한 경계에서 발생합니다."

 

다음으로 과학자들은 실제 응용 분야에서 높은 속도의 사이클링과 관련된 열 생성 및 용량 손실과 같은 LTO의 한계를 탐구할 것입니다. 다양한 주기율로 반복적으로 리튬을 흡수하고 방출한 후 LTO가 어떻게 작동하는지 조사함으로써 그들은 이러한 문제에 대한 해결책을 찾기를 희망합니다. 이 지식은 급속 충전 배터리를 위한 실질적으로 실행 가능한 전극 재료의 개발을 알릴 것입니다.

 

"이 작업에서 현장 분광법, 전기화학, 계산 및 이론을 결합한 기관 간 노력은 미래 연구 수행을 위한 모델을 설정했습니다."라고 Zhu는 말했습니다.

 

"우리는 Brookhaven의 CFN 및 National Synchrotron Light Source II(NSLS-II)에서 강력한 전자 및 X선 현미경에 새로 개발된 전기화학 셀을 장착하여 급속 충전 전극의 수송 거동을 보다 면밀히 조사할 수 있기를 기대합니다."라고 Wang은 말했습니다. "이러한 최첨단 도구를 활용하여 실제 반응 조건에서 실시간으로 순환하는 동안 샘플의 로컬 및 벌크 구조에서 리튬 이동을 완벽하게 볼 수 있습니다."