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새로운 코팅 기술은 차세대 리튬 배터리 양극에서 응용 프로그램을 찾습니다.

2022-04-15

Lisa Zyga, Phys.org 작성


(Phys.org)─예루살렘의 히브리 대학교 환경 화학 및 건강 교수인 Ovadia Lev와 그의 연구팀은 몇 년 전에 새로운 코팅 기술을 개발했을 때 흥미로운 연구 결과라고 생각했습니다. 과산화수소 용액. 그러나 그들은 그래핀-주석 산화물 복합물과 같은 새로운 리튬 이온 배터리 양극 재료를 합성하는 간단한 방법을 찾고 있는 연구팀을 만나기 전까지는 그것으로 무엇을 해야 할지 확신하지 못했습니다.

Lev는 Phys.org에 "몇 년 동안 저의 연구실은 전 박사후 과정 학생이자 현재 연구 파트너인 Petr Prikhodchenko 박사와 협력하여 과산화수소가 풍부한 용액에서 졸-겔 화학을 연구해 왔습니다."라고 말했습니다. "이 연구의 결과 중 하나는 나노미터 금속 산화물 도트로 미립자를 코팅하는 기술이었습니다. 우리는 코팅 절차의 이점을 밝힐 수 있는 매력적인 시연 응용 프로그램을 찾기 시작했습니다. 어떤 면에서 우리는 약이 있었고 적합한 질병을 찾고 있습니다.

"그런 다음 제 연구실은 CREATE 프로그램: 에너지 및 물 관리를 위한 나노물질에 따라 싱가포르 국립 연구 재단이 지원하는 이스라엘과 싱가포르 간의 협력에 참여하게 되었으며, 싱가포르 파트너는 곧 리튬 이온 배터리 양극이 미립자 코팅 접근 방식의 유연성과 단순성."

배터리 연구자들은 그래핀-주석 산화물이 세 가지 주요 이유로 리튬 이온 배터리의 양극 재료로 매력적이라는 것을 발견했습니다. 이론적 충전 용량이 높고, 그래핀이 높은 전도도를 가지며, 그래핀 산화물과 주석 산화물 나노 결정이 밀접하게 접촉하고 있습니다.

문제는 그래핀 산화물 시트에 산화주석 나노결정의 초박막 코팅을 포함하는 이러한 복합재 합성이 이전에는 고가의 고온 공정이었다는 점이다. 그러나 연구진은 새로운 코팅 기술을 사용함으로써 복잡한 인프라 없이 저렴한 비용으로 환경 친화적인 방법으로 상온에서 그래핀-주석 산화물 복합재를 합성할 수 있음을 발견했습니다.

Lev, Prikhodchenko 및 이스라엘, 러시아 및 싱가포르 기관의 공동 저자는 Nanotechnology 최근 호에 향상된 합성 방법에 대한 연구를 발표했습니다.

연구원들이 설명하듯이 새로운 미립자 코팅 기술은 과산화수소를 사용하여 그래핀 산화물에 주석 산화물 나노 결정의 형성 및 증착을 유도합니다. 이전 연구에서 연구원들은 과산화수소가 결합 촉진 및 입자 응집 방지와 같은 여러 화학적 메커니즘을 통해 주석 산화물 코팅 형성을 촉진한다는 사실을 발견했습니다.

이 코팅 기술을 사용하여 연구원들은 이전에 달성한 4nm 크기보다 훨씬 작은 2.5nm의 평균 주석 산화물 나노결정 크기를 달성했습니다. 작은 크기는 리튬 합금으로 인한 변형을 감소시켜 충전/방전 주기 성능을 향상시킵니다.

배터리에서 복합재의 성능을 입증하기 위해 연구원들은 그래핀-주석 산화물을 사용하여 두 가지 유형의 리튬 이온 양극, 즉 주석 산화물 코팅이 있는 산화 그래핀과 주석 산화물과 주석으로 코팅된 산화 그래핀을 준비했습니다. 두 애노드는 예측된 이론적 용량을 초과하는 고용량(약 1500mAhg-1에서 시작)을 나타내었지만, 90사이클 후 약 700mAhg-1로 떨어졌습니다. 두 양극 모두 전도성 그래핀과 매우 작은 주석 산화물 나노결정 사이의 긴밀한 접촉으로 인해 안정적인 충전/방전 순환성을 나타냈다. 주석이 없는 합성물은 더 높은 충전 용량을 나타내었지만, 산화주석과 주석으로 코팅된 합성물과 비교하여 확장된 충전/방전 주기 후에 약간 더 낮은 안정성을 나타냈는데, 연구원들은 조성의 차이보다는 열처리의 차이에 기인한다고 생각합니다.

Lev는 그래핀-주석 산화물 양극이 현재 리튬 이온 배터리 연구의 큰 그림에 어떻게 부합하는지 설명했습니다.

"리튬 이온 배터리는 충전 용량, 특정 에너지 밀도, 충전 및 방전 속도, 배터리 수명 및 전하 페이딩, 배터리 안전성, 무엇보다 배터리 비용의 개선을 목표로 여러 병렬 방향으로 개발되었습니다. 저렴한 원자재"라고 말했다. "충전 가능한 배터리의 각 응용 프로그램은 서로 다른 셀 구성을 초래하는 서로 다른 최적화 대상 기능을 가져야 합니다. 예를 들어 장난감과 스마트폰에서 충전 페이딩이 다르게 용인되며 두 개의 서로 다른 소비자 집단은 추가 배터리에 대해 서로 다른 비용을 기꺼이 지불할 것입니다. 삶.

"우리의 새로운 접근 방식은 흑연 양극의 두 배 이상인 우수한 충전 용량과 저렴한 원자재 및 습식 화학 처리에서 나타나는 저비용이라는 두 가지 측면만을 목표로 합니다."


앞으로 과학자들은 과산화수소 졸-겔 공정의 이점을 얻을 수 있는 다른 전극 구성으로 연구를 확장할 계획입니다.