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새로운 전극 설계는 더 강력한 배터리로 이어질 수 있습니다.

2021-11-03




MIT 팀은 미래 배터리의 수명과 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 리튬 금속 양극을 고안했습니다.

 

MIT와 다른 곳의 엔지니어에 의한 새로운 연구는 순수 리튬 금속을 배터리의 두 전극 중 하나인 양극 중 하나로 사용하려는 오랜 목표를 기반으로 파운드당 더 많은 전력을 담을 수 있고 더 오래 지속될 수 있는 배터리로 이어질 수 있습니다.

 

새로운 전극 개념은 Battelle Energy Alliance 원자력 과학 및 공학 교수이자 재료 과학 및 공학 교수인 Ju Li의 연구실에서 나온 것입니다. 오늘 저널에 설명되어 있습니다.

 

이 설계는 배터리의 두 전극 사이에 전해질 물질로 일반적으로 사용되는 액체 또는 폴리머 젤을 사용하지 않고 안전한 전고체 배터리를 개발하기 위한 개념의 일부입니다. 전해질은 리튬 이온이 배터리의 충전 및 방전 주기 동안 앞뒤로 이동할 수 있도록 하며, 전고체 버전은 휘발성이 높고 리튬 배터리 폭발의 원인이 된 액체 전해질보다 안전할 수 있습니다.

 

"리튬 금속 전극과 고체 전해질을 사용하는 고체 배터리에 대한 많은 연구가 있었지만 이러한 노력은 많은 문제에 직면했습니다."라고 Li는 말합니다.

 

가장 큰 문제 중 하나는 배터리가 충전되면 리튬 금속 내부에 원자가 축적되어 팽창한다는 것입니다. 그런 다음 배터리가 사용됨에 따라 방전 중에 금속이 다시 수축합니다. 이러한 금속 치수의 반복적인 변화는 마치 숨을 ​​들이쉬고 내쉬는 과정과 유사하여 고체가 일정한 접촉을 유지하는 것을 어렵게 만들고 고체 전해질이 부서지거나 분리되는 경향이 있습니다.

 

또 다른 문제는 제안된 고체 전해질 중 어느 것도 반응성이 높은 리튬 금속과 접촉하는 동안 진정으로 화학적으로 안정하지 않으며 시간이 지남에 따라 열화되는 경향이 있다는 것입니다.

 

이러한 문제를 극복하기 위한 대부분의 시도는 리튬 금속에 대해 절대적으로 안정적인 고체 전해질 재료를 설계하는 데 초점을 맞추었지만 이는 어려운 것으로 밝혀졌습니다.

 

연구원들은 배터리의 한 전극을 형성하기 위해 고체 리튬 금속이 부분적으로 주입되었지만 각 튜브 내부에 여분의 공간이 남아 있는 벌집 모양의 육각형 MIEC 튜브 배열 형태로 3차원 나노 아키텍처를 개발했습니다. 충전 과정에서 리튬이 팽창하면 튜브 내부의 빈 공간으로 흘러 들어가 고체 결정 구조를 유지하면서도 액체처럼 움직인다. 벌집 구조 내부에 완전히 갇힌 이 흐름은 충전으로 인한 팽창으로 인한 압력을 완화하지만 전극의 외부 치수 또는 전극과 전해질 사이의 경계를 변경하지 않습니다. 다른 재료인 ELI는 MIEC 벽과 고체 전해질 층 사이에서 중요한 기계적 바인더 역할을 합니다.

 

"우리는 벌집과 같은 3차원 전극을 제공하는 이 구조를 설계했습니다."라고 Li는 말합니다. 구조의 각 튜브에 있는 빈 공간은 리튬이 튜브 안으로 "뒤로 살금살금" 들어갈 수 있게 하여 "고체 전해질을 깨뜨리는 응력을 축적하지 않습니다." 이 튜브 내부의 수축 리튬은 실린더 내부의 자동차 엔진 피스톤과 같이 안팎으로 움직입니다. 이러한 구조는 나노 크기(튜브의 직경은 약 100~300나노미터, 높이는 수십 마이크론임)로 제작되기 때문에 결과는 리튬 금속을 작동 유체로 사용하는 100억 개의 피스톤이 있는 엔진과 같습니다. â 리는 말한다.

 

이러한 벌집 모양 구조의 벽은 화학적으로 안정한 MIEC로 만들어지기 때문에 리튬은 재료와의 전기적 접촉을 절대 잃지 않는다고 Li는 말합니다. 따라서 전체 고체 배터리는 사용 주기를 거치면서 기계적으로나 화학적으로 안정적으로 유지될 수 있습니다. 팀은 고체의 균열을 일으키지 않고 100주기의 충전 및 방전을 통해 테스트 장치를 통해 개념을 실험적으로 입증했습니다.

 

 

탄소 세관에서 가역적 Li 금속 도금 및 박리

 

Li는 다른 많은 그룹이 고체 배터리라고 부르는 것에 대해 연구하고 있지만 대부분의 시스템은 실제로 고체 전해질 물질과 혼합된 일부 액체 전해질에서 더 잘 작동한다고 말합니다. â하지만 우리의 경우에는 âitâ가 진정으로 모든 것이 견고하다고 그는 말합니다. 어떤 종류의 액체나 젤도 없습니다.â

 

새로운 시스템은 동일한 양의 저장 용량에 대해 기존의 리튬 이온 배터리에 비해 무게가 1/4에 불과한 안전한 양극으로 이어질 수 있습니다. 다른 전극인 음극의 경량 버전에 대한 새로운 개념과 결합하면 이 작업은 리튬 이온 배터리의 전체 중량을 크게 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 팀은 휴대폰이 더 무겁거나 부피가 커지지 않고 3일에 한 번만 충전될 수 있는 휴대폰으로 이어질 수 있기를 바랍니다.

 

더 가벼운 음극에 대한 한 가지 새로운 개념은 지난 달 저널에 게재된 논문에서 Li가 이끄는 다른 팀에 의해 설명되었습니다.

 

표면층이 폭이 400나노미터인 입자에서 두께가 5~20나노미터에 불과한 매우 얇지만 밑에 있는 물질을 잘 보호합니다. 실온에서 사용되는 배터리의 산소 손실로 인한 파괴적인 영향에 대한 면역과 거의 같습니다.”라고 Li는 말합니다. 현재 버전은 주어진 무게에 대해 저장할 수 있는 에너지의 양을 최소 50% 개선하고 훨씬 더 나은 사이클링 안정성을 제공합니다.

 

팀은 지금까지 작은 연구실 규모의 장치만 구축했지만 "매우 빠르게 확장할 수 있을 것으로 기대합니다."라고 Li는 말합니다. 대부분 망간과 같은 필요한 재료는 다른 시스템에서 사용하는 니켈이나 코발트보다 훨씬 저렴하므로 이러한 음극은 기존 버전의 1/5에 불과할 수 있습니다.

 

연구팀에는 MIT, 홍콩 폴리테크닉 대학교, 센트럴 플로리다 대학교, 오스틴에 있는 텍사스 대학교, 뉴욕 업튼에 있는 브룩헤이븐 국립 연구소의 연구원들이 포함되었습니다. 이 작업은 National Science Foundation의 지원을 받았습니다.