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리튬 이온 배터리용 고전압 음극 생산을 위한 새로운 공정

2022-04-25

기술 대학 뮌헨



이동 중에도 전원이 필요합니다. 배터리 용량이 높을수록 전기 자동차의 범위가 넓어지고 휴대폰과 노트북의 작동 시간이 길어집니다. 뮌헨 공과대학(TUM)의 Jennifer Ludwig 박사는 고품질의 유망한 음극 물질 리튬 코발트 포스페이트를 빠르고 간단하며 비용 효율적으로 생산할 수 있는 공정을 개발했습니다. 화학자는 그녀의 연구로 Evonik Research Prize를 수상했습니다.

희망은 분홍색입니다. Jennifer Ludwig가 조심스럽게 유리 그릇에 붓고 실험실 램프에 비추어 분홍색으로 빛나는 분말은 미래 배터리의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. "리튬 코발트 인산염은 기존의 음극 물질보다 실질적으로 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다."라고 화학자는 설명합니다.

화학자는 혁신 재료의 합성 및 특성화 교수직 책임자인 Tom Nilges 그룹에서 일하면서 최소한의 에너지로 최고 품질의 분홍색 분말을 신속하게 생산하는 공정을 개발했습니다.

배터리 연구원들은 한동안 리튬 코발트 인산염을 미래의 물질로 생각해 왔습니다. 그것은 전통적으로 사용되는 인산철리튬보다 더 높은 전압에서 작동하므로 더 높은 에너지 밀도(600와트시 미만이 아닌 킬로그램당 800와트시)를 달성합니다.

이전 공정: 비용이 많이 들고 에너지 집약적

그러나 이전에는 유망한 고전압 음극 재료를 생산하려면 800°C의 열악한 조건에서 매우 복잡하고 에너지 집약적이며 비효율적인 공정이 필요했습니다. "그리고 이러한 조건에서 형성되는 결정은 크기가 다양하며 에너지 집약적인 두 번째 생산 단계에서 나노 결정 분말로 분쇄되어야 합니다."라고 Ludwig는 보고합니다.



또한 생성된 결정은 한 방향으로만 충분한 이온 전도도를 나타냅니다. 대부분의 표면에서 배터리의 전극 물질과 전해질 사이의 화학 반응은 매우 느리게 진행됩니다.

맞춤형 크리스탈

Jennifer Ludwig가 개발한 마이크로웨이브 합성 프로세스는 이러한 모든 문제를 한 번에 해결합니다. 고급 리튬 코발트 인산염을 얻으려면 마이크로웨이브 오븐과 30분의 시간만 있으면 됩니다.

반응물을 용매와 함께 테플론 용기에 넣은 다음 가열합니다. 결정 형성을 자극하는 데 필요한 250°C를 달성하는 데는 600W만 있으면 충분합니다.

공정에서 생성된 편평한 소판은 직경이 1마이크로미터 미만이고 두께가 수백 나노미터에 불과하며 최대 전도성 축이 표면을 향하고 있습니다. Ludwig는 "이 모양은 리튬 이온이 결정 내에서 짧은 거리만 이동하면 되기 때문에 더 나은 전기화학적 성능을 보장합니다."라고 설명했습니다.



반응을 보고

화학자는 또한 실험 과정에서 또 다른 문제를 해결할 수 있었습니다. 200°C 이상의 온도와 고압에서 원하는 리튬 코발트 인산염 대신 지금까지 알려지지 않은 복잡한 코발트 수산화물 수소 인산 화합물이 때때로 형성됩니다.

제니퍼 루드비히(Jennifer Ludwig)는 반응 메커니즘을 규명하고 화합물을 분리하고 그 구조와 특성을 결정하는 데 성공했습니다. 새로운 화합물은 배터리 재료로 적합하지 않기 때문에 그녀는 원하는 리튬 코발트 인산염만 생성되도록 반응을 수정했습니다.

Nilges 교수는 "이 새로운 생산 공정을 통해 우리는 이제 고품질의 맞춤형 특성을 가진 고성능의 소판 모양의 리튬 코발트 인산염 결정을 만들 수 있습니다."라고 말했습니다. "따라서 새로운 고전압 재료로 가는 길에 또 다른 장애물이 생겼습니다."