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과학자들은 리튬 이온 배터리 수명의 첫 시간에 대해 더 많이 배웁니다.

2021-08-09


과학자들은 특별히 설계된 리튬 이온 배터리를 2차 이온 질량 분석기에 로드하여 배터리가 작동하는 동안 분자 수준에서 고체-전해질 계면의 형성을 볼 수 있습니다. 크레딧: Andrea Starr/PNNL

 

리튬 이온 배터리 수명의 처음 몇 시간이 성능을 결정합니다. 그 순간, 일련의 분자가 배터리 내부의 구조로 자가 조립되어 앞으로 몇 년 동안 배터리에 영향을 미칠 것입니다.

 

고체 전해질 계면 또는 SEI로 알려진 이 구성 요소는 선술집 경비원이 바람직하지 않은 것을 거부하고 반짝이는 것을 허용하는 것처럼 일부 입자를 차단하는 동시에 다른 입자는 통과시키는 중요한 역할을 합니다. 이 구조는 수십 년 동안 그것을 연구해온 과학자들에게 수수께끼였습니다. 연구원들은 더 많은 것을 배우기 위해 여러 기술을 활용했지만 지금까지는 분자 수준에서 생성을 목격한 적이 없었습니다.

 

SEI에 대해 더 많이 아는 것은 더 활기차고 오래 지속되며 더 안전한 리튬 이온 배터리를 만들기 위한 중요한 단계입니다.

 

1월 27일에 발표된 작업

 

리튬 이온 배터리가 작동하는 이유: SEI

 

고체-전해질 계면은 배터리가 처음 제작될 때 존재하지 않는 매우 얇은 물질 필름입니다. 배터리가 처음으로 충전될 때만 분자가 응집하고 전기화학적으로 반응하여 구조를 형성하며, 이는 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 오갈 수 있도록 하는 관문 역할을 합니다. 결정적으로 SEI는 전자가 우회하도록 강제하여 배터리 작동을 유지하고 에너지 저장을 가능하게 합니다.

 

휴대폰, 노트북, 전기 자동차에 전원을 공급하기 위해 리튬 이온 배터리를 사용하는 것은 SEI 때문입니다.

 

그러나 과학자들은 이 관문 구조에 대해 더 많이 알아야 합니다. 리튬 이온 배터리에서 글리터라티와 리프라프를 구분하는 요소는 무엇입니까? 분자가 가장 유용한 SEI 구조를 형성하여 전해질에서 분자를 지속적으로 흡수하여 배터리 성능을 손상시키지 않으려면 전해질에 어떤 화학 물질이 포함되어야 하며 어떤 농도로 분자가 형성되어야 합니까?

 

과학자들은 다양한 재료를 사용하여 최상의 구조를 만들기 위해 어떻게 결합할지 예측합니다. 그러나 고체-전해질 계면이 어떻게 생성되는지에 대한 더 많은 지식이 없으면 과학자들은 재료를 저글링하는 요리사와 같으며 부분적으로만 작성된 요리책으로 작업합니다.


 


Zihua Zhu와 Chongmin Wang은 리튬 이온 배터리의 핵심 구성 요소 생성에 대한 중요한 새로운 정보를 알게 된 팀의 일원입니다. 크레딧: Andrea Starr/PNNL

 

새로운 기술로 리튬 이온 배터리 탐색

 

과학자들이 SEI를 더 잘 이해할 수 있도록 팀은 PNNL의 특허 기술을 사용하여 생성된 구조를 분석했습니다. 과학자들은 활동적인 이온 빔을 사용하여 작동 중인 배터리에서 막 형성되는 SEI로 터널링하여 물질의 일부를 공중으로 보내고 분석을 위해 캡처하면서 표면 장력에 의존하여액체 전해질. 그런 다음 팀은 질량 분석기를 사용하여 SEI 구성 요소를 분석했습니다.

 

현장 액체 2차 이온 질량 분석법 또는 액체 SIMS로 알려진 특허 받은 접근 방식을 통해 팀은 SEI가 형성될 때 전례 없는 모습을 볼 수 있었고 작동하는 리튬 이온 배터리로 인해 발생하는 문제를 피할 수 있었습니다. 이 기술은 PNNL 동료 Xiao-Ying Yu의 이전 SIMS 작업을 기반으로 Zhu가 이끄는 팀에서 만들었습니다.

 

"우리의 기술은 이 복잡한 구조에서 분자 활동에 대한 확고한 과학적 이해를 제공합니다."라고 Zhu는 말했습니다. "이 발견은 잠재적으로 다른 사람들이 더 나은 배터리를 만들기 위해 전해질과 전극의 화학을 맞춤화하는 데 도움이 될 수 있습니다."

 

유.미 육군과 PNNL 연구진이 협력

 

PNNL 팀은 미 육군 연구소 연구원이자 전해질 및 SEI 전문가인 Kang Xu와 연결하여 함께 문제를 해결했습니다.

과학자들은 연구원들이 SEI가 두 개의 층으로 구성되어 있다고 의심했던 것을 확인했습니다. 그러나 팀은 훨씬 더 나아가 각 층의 정확한 화학적 구성을 지정하고 구조를 생성하기 위해 배터리에서 발생하는 화학적 단계를 결정했습니다.

연구팀은 양극 옆에 있는 구조의 한 층이 얇지만 밀도가 높다는 것을 발견했습니다. 이것은 전자를 밀어내지만 리튬 이온은 통과시키는 층입니다. 전해질 바로 옆에 있는 외부 층은 더 두껍고 액체와 SEI의 나머지 부분 사이의 상호 작용을 중재합니다. 덜 익힌 오트밀과 너무 익힌 오트밀의 차이와 같이 안쪽 층은 약간 더 단단하고 나중에 바깥쪽 층은 더 유동적입니다.

 

불화리튬의 역할

 

연구 결과 중 하나는 다음과 같은 분야에서 사용되는 전해질에서 불화리튬의 역할에 대한 더 나은 이해입니다.리튬 이온 배터리. Kang Xu를 포함한 몇몇 연구자들은 리튬 플루오르화물이 더 풍부한 SEI를 가진 배터리가 더 나은 성능을 보인다는 것을 보여주었습니다. 연구팀은 불화리튬이 어떻게 SEI 내부층의 일부가 되는지를 보여주었고, 그 발견은 더 많은 불소를 SEI에 통합하는 방법에 대한 단서를 제공합니다.구조.

 

"이 기술을 사용하면 어떤 분자가 존재하는지뿐만 아니라 어떻게 구조화되어 있는지도 알 수 있습니다."라고 Wang은 말합니다. "그것이 이 기술의 아름다움입니다."