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연구원들은 차세대 리튬 배터리를 추구하기 위해 새로운 도전에 도전합니다.

2022-04-14

    By Jared Sagoff, Argonne National Laboratory 

차세대 배터리의 생성은 더 큰 저장 용량을 제공하는 재료를 찾는 데 달려 있습니다. 리튬-공기(Li-air) 배터리로 알려진 한 종류는 기존의 리튬-이온 배터리보다 이론적 용량이 훨씬 더 크기 때문에 연구원들에게 특히 매력적입니다.

리튬-공기 배터리 개발은 아직 초기 단계이지만 대부분의 신기술과 마찬가지로 많은 문제에 직면해 있습니다. 이러한 문제 중 하나는 음극 및 전해질과 함께 배터리의 세 가지 주요 구성 요소 중 하나인 양극으로 전하를 전달하는 것과 관련이 있습니다.

새로운 연구에서 미국 에너지부 Argonne National Laboratory의 전기화학자 Di-Jia(D.J.) Liu와 그의 동료들은 배터리가 순환하는 동안 리튬-공기 배터리 내부의 양극 거동을 연구했습니다.

Argonne의 APS(Advanced Photon Source)에서 제공하는 고에너지 집중 X선 빔을 사용하여 Liu와 그의 팀은 양극 미세 구조의 변화를 연구하기 위해 작동 중인 배터리 내부를 비파괴적으로 들여다볼 수 있었습니다. 그들은 수산화리튬(LiOH)의 얇은 고체 코팅이 형성되는 것을 보았는데, 이는 금속이 완전히 수산화물로 전환되어 작업이 중단될 때까지 리튬 금속을 희생시키면서 계속 성장했습니다.

Liu는 "이것은 모두가 알고 싶어했지만 두렵거나 질문하는 방법을 몰랐던 종류의 질문이었습니다."라고 말했습니다. "지금까지 Li-공기 배터리에 관한 거의 모든 문헌은 양극이 완전히 가역적이라고 가정하면서 음극에서의 화학 공정에 초점을 맞췄습니다.
팀의 조사는 여기서 그치지 않았습니다. 수산화리튬은 이온이나 전자 전도성 물질이 아니기 때문에 코팅이 형성되자마자 배터리 순환을 멈추지 않는 방법을 이해하는 것은 수수께끼로 남아 있습니다.

"이 터널은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 이동시키는 이온 전도 채널 역할을 합니다."라고 Liu는 말했습니다. "그들은 Li-공기 배터리 작동을 유지했지만 양극 부식을 멈추지 않았습니다."

Liu는 리튬 수산화물 문제의 주요 원인 중 하나가 두 전극 사이에서 리튬 이온을 운반하는 매체인 배터리 전해질의 파손과 관련될 수 있다고 생각합니다. 전해질의 분해는 음극 근처에서 물을 형성할 가능성이 있으며, 그런 다음 양극으로 이동하여 금속 리튬과 반응할 수 있습니다.

그러나 Argonne 실험에서는 음극 근처에 리튬 수산화물이 나타나지 않았으며, 이는 전해질의 분해로 인해 물이 형성되었을 경우 존재했어야 합니다. 그는 "과학의 흥미로운 부분인 이번 연구를 통해 답만큼 많은 질문을 생성했다고 생각한다"고 말했다.

이 작업은 빔라인 과학자 John Okasinski, Peter Kenesei, Jonathan Almer 및 화학 박사후 연구원 Jianglan Shui 및 Dan Zhao를 포함한 모든 Argonne 팀이 수행했습니다. 미국 에너지부 과학국과 Argonne의 그랜드 챌린지 프로그램의 지원을 받았습니다. 이번 연구는 네이처 커뮤니케이션즈 8월 9일자에 게재됐다.