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신축성있는 플라스틱 전해질은 새로운 리튬 이온 배터리 설계를 가능하게 할 수 있습니다.

2022-04-24

글쓴이: Josh Brown, 조지아 공과대학



최근 몇 년 동안 리튬 이온 배터리의 인기가 높아짐에 따라 현재 배터리 설계에 필수적인 두 가지 금속인 코발트와 니켈의 전 세계 공급에 부담이 가해지면서 가격이 급등했습니다.

희소한 금속에 덜 의존하는 리튬 기반 배터리의 대체 설계를 개발하기 위해 Georgia Institute of Technology의 연구원들은 값비싼 금속과 기존의 액체 전해질을 저렴한 전이 금속 불화물로 대체하는 유망한 새 음극 및 전해질 시스템을 개발했습니다. 및 고체 고분자 전해질.

"전이 금속 불화물로 만든 전극은 오랫동안 안정성 문제와 급속한 고장을 보여 차세대 배터리에 사용할 수 있는 능력에 대해 상당한 회의론을 불러일으켰습니다. "그러나 우리는 고체 고분자 전해질과 함께 사용할 때 금속 불화물이 더 높은 온도에서도 놀라운 안정성을 보여 궁극적으로 더 안전하고 가볍고 저렴한 리튬 이온 배터리를 만들 수 있음을 보여주었습니다."

일반적인 리튬 이온 배터리에서 에너지는 두 개의 전극(양극과 음극) 사이에서 리튬 이온이 이동하는 동안 방출되며 음극은 일반적으로 리튬과 코발트, 니켈 및 망간과 같은 전이 금속으로 구성됩니다. 이온은 액체 전해질을 통해 전극 사이를 흐릅니다.

9월 9일자 네이처 머티리얼즈 저널에 발표되고 육군 연구실이 후원한 연구를 위해 연구팀은 불화철 활성 물질과 고체 고분자 전해질 나노복합체로부터 새로운 유형의 음극을 제작했습니다. 불화철은 기존의 코발트 또는 니켈 기반 음극보다 리튬 용량이 두 배 이상 높습니다. 또한 철은 코발트보다 300배, 니켈보다 150배 저렴합니다.

이러한 음극을 만들기 위해 연구진은 조립식 불화철 전극에 고체 고분자 전해질을 침투시키는 공정을 개발했다. 그런 다음 전체 구조를 열간 압착하여 밀도를 높이고 공극을 줄였습니다.


폴리머 기반 전해질의 두 가지 핵심 기능은 순환하는 동안 불화철의 팽윤을 수용하고 구부릴 수 있는 능력과 불화철과 함께 매우 안정적이고 유연한 계면을 형성하는 능력입니다. 전통적으로 이러한 팽창과 막대한 부반응은 이전 배터리 설계에서 불화철을 사용할 때의 핵심 문제였습니다.

Yushin은 "불화철로 만든 음극은 높은 용량, 낮은 재료 비용 및 매우 광범위한 철 가용성 때문에 막대한 잠재력을 가지고 있습니다."라고 말했습니다. "그러나 액체 전해질 및 기타 열화 문제와 함께 순환 중 부피 변화는 이전에 사용을 제한했습니다. 탄성 특성을 가진 고체 전해질을 사용하면 이러한 많은 문제가 해결됩니다."

그런 다음 연구원들은 새로운 고체 배터리의 여러 변형을 테스트하여 화씨 122도의 고온에서 300회 이상의 충전 및 방전 주기 동안 성능을 분석했으며, 이 배터리가 100℃에서 냉각된 경우에도 금속 불화물을 사용하는 이전 설계보다 성능이 우수하다는 점에 주목했습니다. 실온.

연구원들은 향상된 배터리 성능의 핵심이 고체 고분자 전해질임을 발견했습니다. 금속 불화물을 사용하려는 이전 시도에서는 금속 이온이 음극 표면으로 이동하여 결국 액체 전해질에 용해되어 특히 고온에서 용량 손실을 일으키는 것으로 여겨졌습니다. 또한, 금속 불화물은 셀이 화씨 100도 이상에서 작동할 때 액체 전해질의 대량 분해를 촉매했습니다. 그러나 고체 전해질과 음극 사이의 연결부에서는 이러한 용해가 일어나지 않고 고체 전해질이 현저하게 안정적으로 유지되어 이러한 열화를 방지한다고 연구진은 밝혔다.

"우리가 사용한 폴리머 전해질은 매우 일반적이었지만, 다른 많은 고체 전해질과 기타 배터리 또는 전극 구조(코어-쉘 입자 형태 등)는 유사하게 기생 부반응을 극적으로 완화하거나 심지어 완전히 방지하고 안정적인 성능을 달성할 수 있어야 합니다. "라고 Yushin 연구실의 연구 과학자이자 원고의 공동 저자인 Kostiantyn Turcheniuk는 말했습니다.

앞으로 연구원들은 고속 충전이 가능하고 대형 배터리 공장에서 사용되는 기존 셀 제조 기술과 완전히 호환되는 새로운 디자인으로 고체 및 액체 전해질을 결합하기 위해 새롭고 개선된 고체 전해질을 개발하는 것을 목표로 합니다.