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재설계된 전류 컨덕터로 리튬 이온 배터리 효율성 및 안전성 향상

2022-01-07

폴리머를 추가하고 배터리 집전체에 내화 처리를 하면 더 가볍고 안전하며 약 20% 더 효율적입니다.

 

리튬 이온 배터리를 더 가볍고 안전하며 효율적으로 만드는 완전히 새로운 접근 방식으로 스탠포드 대학과 에너지부 SLAC 국립 가속기 연구소의 과학자들은 가장 무거운 배터리 구성 요소 중 하나인 구리 시트 또는 전류 수집기로 알려진 알루미늄 호일을 사용하여 무게가 80% 가벼워지고 타오르는 화재를 즉시 꺼냅니다.

 

연구원들은 이 기술이 채택되면 배터리 연구의 두 가지 주요 목표인 전기 자동차의 주행 범위를 확장하고 노트북, 휴대폰 및 기타 장치가 폭발할 위험을 줄일 수 있다고 말했습니다. 이것은 배터리가 초고속으로 충전될 때 특히 중요하여 화재로 이어질 수 있는 배터리 손상 유형이 더 많이 발생합니다.

연구팀은 그들의 작업을 다음과 같이 설명했습니다.

 

SLAC 및 스탠포드 교수이자 스탠포드 재료 연구소(Stanford Institute for Materials) 조사관인 Yi Cui는 "전류 수집기는 항상 고정 중량으로 간주되어 왔으며 지금까지 배터리 성능을 향상시키기 위해 성공적으로 활용되지 않았습니다."라고 말했습니다. 연구를 주도한 에너지 과학(SIMES).

 

â그러나 우리 연구에서 수집기를 80% 더 가볍게 만들면 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도(주어진 무게에 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있는지)가 16~26% 증가했습니다. 이는 최근 몇 년간 달성한 평균 3% 증가와 비교하면 큰 도약입니다.

오늘날의 리튬 이온 배터리의 집전 장치와 비교할 때 Stanford와 SLAC 과학자들이 설계한 새로운 버전은 배터리를 더 가볍고 에너지 효율적이며 안전하게 만듭니다. 또한 구리를 더 저렴한 폴리머로 대체하고 재활용을 위한 배터리 운송 비용을 줄임으로써 비용을 절감할 수 있습니다. 출처: Greg Stewart/SLAC 국립 가속기 연구소

 

필사적으로 체중 감량을 추구

 

실린더 형태이든 파우치 형태이든 상관없이 리튬 이온 배터리에는 각 전극에 하나씩 두 개의 집전 장치가 있습니다. 그들은 전극으로 흐르거나 전극 밖으로 흐르는 전류를 분배하며 일부 고전력 또는 초박형 배터리 무게의 15%에서 최대 50%를 차지합니다.

 

배터리 무게와 가연성을 줄이는 것은 또한 재활용 배터리의 운송 비용을 낮추어 재활용에 큰 영향을 미칠 수 있다고 Cui는 말했습니다.

 

배터리 업계의 연구원들은 전류 집전체를 더 얇게 만들거나 다공성을 더 많이 만들어 무게를 줄이려고 노력해 왔지만, 이러한 시도는 배터리를 더 약하게 만들거나 화학적으로 불안정하게 만들거나 더 많은 전해질을 필요로 하여 비용을 높이는 등의 원치 않는 부작용이 있었습니다. , 방문 학자 Lien-Yang Chou와 함께 실험을 수행한 Cuiâ 연구실의 박사후 연구원 Yusheng Ye는 말했습니다.

 

안전성 문제에 대해서는 “사람들이 가연성 부분인 배터리 전해액에 난연제를 첨가해보기도 했지만 점성이 생겨 더 이상 이온 전도가 잘 되지 않을 때까지만 첨가하면 된다”고 말했다. ä

폴리머 호일 샌드위치 설계

 

문제를 브레인스토밍한 후 Cui, Ye와 대학원생 Yayuan Liu는 불에 강하고 빠른 배터리 충전으로 생성된 고온을 견디는 경량 폴리머인 폴리이미드를 기반으로 전류 수집기를 만들고 테스트하기 위한 실험을 설계했습니다. 난연제인 트리페닐 포스페이트(TPP)가 폴리머에 삽입된 다음 매우 얇은 구리 층으로 양면에 코팅되었습니다. 구리는 전류를 분배하는 일반적인 역할을 할 뿐만 아니라 폴리머와 그 난연제를 보호합니다.

 

이러한 변화로 전류 수집기의 무게가 오늘날의 버전에 비해 80% 감소했다고 Ye는 말했습니다. 이는 다양한 유형의 배터리에서 에너지 밀도가 16~26% 증가한 것으로 해석되며 일반 전류와 마찬가지로 전류를 전도합니다. 성능 저하가 없는 수집기.

 

라이터의 화염에 노출되었을 때 오늘날의 상용 전류 수집기로 만든 파우치 배터리에 불이 붙었고 모든 전해질이 타버릴 때까지 격렬하게 연소되었다고 Ye는 말했습니다. 그러나 새로운 난연성 집열기가 장착된 배터리에서는 불이 실제로 꺼지지 않아 매우 약한 불꽃이 몇 초 안에 꺼지고 과학자들이 다시 불을 붙이려고 해도 다시 타오르지 않았습니다.

 

이 접근법의 가장 큰 장점 중 하나는 구리의 일부를 저렴한 폴리머로 대체하기 때문에 새로운 컬렉터가 제조하기 쉽고 저렴해야 한다는 것이라고 Cui는 말했습니다. 따라서 상업적 생산을 위해 규모를 확장하면 "매우 실행 가능해야 합니다."라고 그는 말했습니다. 연구원들은 Stanford를 통해 특허를 신청했으며 Cui는 가능성을 탐색하기 위해 배터리 제조업체에 연락할 것이라고 말했습니다.

 

참조: "고에너지 및 고안전 리튬 이온 배터리를 위한 초경량 및 소화 전류 수집기" by Yusheng Ye, Lien-Yang Chou, Yayuan Liu, Hansen Wang, Hiang Kwee Lee, Wenxiao Huang, Jiayu Wan , Kai Liu, Guangmin Zhou, Yufei Yang, Ankun Yang, Xin Xiao, Xin Gao, David Thomas Boyle, Hao Chen, Wenbo Zhang, Sang Cheol Kim 및 Yi Cui, 2020년 10월 15일,
DOI: 10.1038/s41560-020-00702-8

이 작업은 XCEL(eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Lithium-ion Batteries) 프로그램에 따라 DOE의 에너지 효율 및 재생 에너지 사무소, 차량 기술 사무소의 지원을 받았습니다.