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리튬 이온 배터리의 âFoundersâ는 그의 발명품으로 40년 동안 지속된 문제를 해결하는 데 도움을 줍니다.

2021-12-18

리튬 이온 배터리의 "Founding Father"는 SNS 중성자를 사용하여 리튬이 없는 니오븀 산화물(밝은 녹색)로 코팅된 음극 재료(파란색)를 확인하여 첫 번째 주기 용량 손실을 크게 줄이고 장기 용량을 개선했습니다. 크레딧: Jill Hemman/ORNL

 

1970년대 후반 M. Stanley Whittingham은 충전 가능한 리튬 이온 배터리의 개념을 처음으로 설명했으며, 이 업적으로 2019년 노벨 화학상을 공동 수상하게 되었습니다. 그러나 그도 이 배터리가 세계의 휴대용 전자 장치에 전원을 공급하게 되면서 발생할 복잡한 재료 과학 문제를 예상하지 못했습니다.

 

한 가지 지속적인 기술적 문제는 장치에 새 리튬 이온 배터리를 설치할 때마다 장치를 처음으로 재충전하기 전에 에너지 용량의 약 1/5이 손실된다는 것입니다. 배터리가 노트북, 카메라, 손목시계 또는 새 전기 자동차에 설치되어 있는지 여부는 사실입니다.

 

그 원인은 저장된 에너지가 방전되는 배터리의 양극( ) 면인 니켈이 풍부한 음극에 형성되는 불순물입니다.

 

손실된 용량을 유지하는 방법을 찾기 위해 Whittingham은 Binghamton에 있는 뉴욕주립대학교(SUNY Binghamton)의 동료와 에너지부(DOE's) Brookhaven의 과학자를 포함하는 연구원 그룹을 이끌었습니다. (BNL) 및 오크 리지 국립 연구소(ORNL). 팀은 X-선과 중성자를 사용하여 NMC 811이라는 적층형 니켈-망간-코발트 물질인 주요 음극 물질을 리튬이 없는 니오븀 산화물로 처리하면 배터리 수명이 더 길어지는지 여부를 테스트했습니다.

 

연구 결과 "리튬 이온 배터리용 니켈이 풍부한 층상 산화물 음극에서 Nb의 역할은 무엇입니까?"

â우리는 리튬이 없는 니오븀 산화물이 표면에 나노 크기의 리튬 니오븀 산화물 코팅을 형성하여 리튬 이온을 전도하고 음극 물질에 침투할 수 있도록 예측한 후 층상 산화물 양극 물질에서 NMC 811을 테스트했습니다. 현재 SUNY 저명한 교수이자 SUNY Binghamton이 이끄는 DOE 에너지 프론티어 연구 센터인 NECCES(Northeast Center for Chemical Energy Storage)의 책임자인 Whittingham은 말했습니다.

 

리튬 배터리에는 리튬과 니켈이 풍부한 산화물 물질(적어도 하나의 산소를 함유하는 화합물

 

그러나 음극의 니켈은 상대적으로 불안정하므로 다른 원소와 쉽게 반응하여 첫 번째 충전-방전 주기 동안 배터리의 저장 용량을 10-18%까지 감소시키는 바람직하지 않은 불순물로 음극 표면을 뒤덮습니다. 니켈은 또한 음극 구조의 내부에 불안정성을 유발할 수 있으며, 이는 장기간의 충전 및 방전 기간 동안 저장 용량을 더욱 감소시킵니다.


니오븀이 니켈이 풍부한 음극 재료에 미치는 영향을 이해하기 위해 과학자들은 ORNL의 Spallation Neutron Source(SNS)에 있는 VULCAN 엔지니어링 재료 회절계에서 중성자 분말 회절 연구를 수행했습니다. 그들은 순수한 NMC 811과 니오븀 수정 샘플의 중성자 회절 패턴을 측정했습니다.

 

NECCES의 배터리 시설 관리자인 Hui Zhou는 "중성자는 음극 물질에 쉽게 침투하여 니오븀과 리튬 원자가 있는 위치를 밝혀냈으며, 이는 니오븀 변형 공정이 어떻게 작동하는지 더 잘 이해할 수 있도록 했습니다."라고 말했습니다. â중성자 산란 데이터는 니오븀 원자가 표면을 안정화시켜 첫 번째 주기 손실을 줄이는 반면, 더 높은 온도에서는 니오븀 원자가 장기 용량 유지를 개선하기 위해 음극 재료 내부의 더 깊은 망간 원자 일부를 대체함을 시사합니다.

 

실험 결과 첫 번째 사이클 용량 손실이 감소하고 250회 충전-방전 사이클에 걸쳐 93% 이상의 장기 용량 유지율이 개선된 것으로 나타났습니다.

 

"전기화학적 성능과 구조적 안정성이 향상되어 니오븀으로 수정된 NMC 811은 전기 자동차와 같은 고에너지 밀도 응용 분야에 사용하기 위한 음극 소재 후보가 되었습니다."라고 Whittingham은 말했습니다. 니오븀 코팅과 망간 원자 대신 니오븀 원자를 결합하는 것이 초기 용량과 장기 용량 유지를 모두 증가시키는 더 좋은 방법일 수 있습니다. 이러한 수정은 NMC 재료에 대한 현재의 다단계 제조 공정을 사용하여 쉽게 확장할 수 있습니다."

 

Whittingham은 연구가 이 연구의 목표를 지원한다고 덧붙였습니다.Battery500 컨소시엄DOE의 에너지 효율 및 재생 에너지 사무국을 위해 DOE의 태평양 북서부 국립 연구소가 이끄는 다중 기관 프로그램입니다. 이 프로그램은 현재 평균 킬로그램 당 약 220와트 시간에 비해 킬로그램 당 최대 500와트 시간을 제공하는 차세대 리튬 금속 배터리 셀을 개발하기 위해 노력하고 있습니다.

 

참조: "리튬 이온 배터리용 니켈이 풍부한 층상 산화물 음극에서 Nb의 역할은 무엇입니까?" Fengxia Xin, Hui Zhou, Yanxu Zong, Mateusz Zuba, Yan Chen, Natasha A. Chernova, Jianming Bai 작성 , Ben Pei, Anshika Goel, Jatinkumar Rana, Feng Wang, Ke An, Louis F. J. Piper, Guangwen Zhou 및 M. Stanley Whittingham, 2021년 3월 18일,
DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00190

 

이 연구는 DOE 에너지 효율 및 재생 에너지 사무소, 차량 기술 사무소의 지원을 받았으며 BNL의 NSLS-II(National Synchrotron Light Source II) 및 ORNL의 Spallation Neutron Source에서 리소스를 사용했습니다.

 

SNS 및 NSLS-II는 DOE Office of Science 사용자 시설입니다. UT-Battelle LLC는 DOE Office of Science의 ORNL을 관리합니다. Office of Science는 미국에서 물리 과학의 기초 연구를 지원하는 최대 단일 기관이며 우리 시대의 가장 시급한 문제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다.