산업 뉴스

더 오래 지속되고 더 강력한 리튬 이온 배터리를 가능하게 하는 새로운 디자인

2021-06-16
주제:
배터리, 기술, 에너지, 리튬 이온, MIT
작성자: DAVID L. 챈들러, 매사추세츠 공과대학 2021년 3월 26일



새로운 전해질을 사용하면 고급 금속 전극과 더 높은 전압을 허용하여 용량과 사이클 수명을 늘릴 수 있습니다.

리튬 이온 배터리는 휴대성을 당연시하는 경량 전자 장치와 전기 자동차 생산의 급속한 확장을 가능하게 했습니다. 그러나 전 세계의 연구원들은 기존 장치의 성능을 개선하고 잠재적으로 새로운 장치를 가능하게 하기 위해 더 큰 에너지 밀도(주어진 질량의 물질에 저장할 수 있는 에너지의 양)를 달성하기 위해 계속해서 한계에 도전하고 있습니다. 장거리 드론 및 로봇과 같은 응용 프로그램.

한 가지 유망한 접근 방식은 음극에서 더 높은 충전 전압을 갖는 기존 흑연 대신 금속 전극을 사용하는 것입니다. 그러나 이러한 노력은 전극을 분리하는 전해질과 함께 발생하는 다양한 원치 않는 화학 반응으로 인해 방해를 받았습니다. 이제 MIT와 다른 곳의 연구원 팀은 이러한 문제를 극복하고 사이클 수명을 희생하지 않으면서 차세대 배터리의 중량당 전력에서 상당한 도약을 가능하게 할 수 있는 새로운 전해질을 발견했습니다.

이 연구는 MIT 교수 Ju Li, Yang Shao-Horn 및 Jeremiah Johnson의 논문으로 Nature Energy 저널에 보고되었습니다. 박사후 연구원 Weijiang Xue; MIT의 19명, 국립 연구소 2곳 등. 연구원들은 이번 발견으로 현재 일반적으로 킬로그램당 약 260와트시를 저장할 수 있는 리튬 이온 배터리가 킬로그램당 약 420와트시를 저장할 수 있다고 말합니다. 이는 전기 자동차의 더 긴 범위와 휴대용 장치의 더 오래 지속되는 변화로 해석됩니다.



Brookhaven 국립 연구소에서 촬영한 X선 단층 촬영 이미지는 기존 전해질을 사용하는 배터리 셀의 한 전극에서 입자의 균열을 보여줍니다(왼쪽 참조). 연구원들은 새로운 전해질을 사용하면 이러한 균열의 대부분을 방지할 수 있음을 발견했습니다(오른쪽). 신용: 연구원의 의례

이 전해질의 기본 원료는 저렴하고(중간 화합물 중 하나는 사용이 제한되어 있기 때문에 여전히 고가임) 만드는 과정이 간단합니다. 따라서 이러한 발전은 비교적 빠르게 구현될 수 있다고 연구원들은 말합니다.

전해질 자체는 새로운 것이 아니라고 화학 교수인 Johnson은 설명합니다. 몇 년 전에 이 연구팀의 일부 구성원에 의해 개발되었지만 다른 응용 프로그램을 위해 개발되었습니다. 배터리 에너지 밀도를 극대화하기 위한 궁극적인 장기적 솔루션으로 여겨지는 리튬-공기 배터리를 개발하려는 노력의 일환이었습니다. 그러나 그러한 배터리의 개발에는 여전히 많은 장애물이 있으며 그 기술은 아직 몇 년이 걸릴 수 있습니다. 한편, 그 전해질을 금속 전극이 있는 리튬 이온 배터리에 적용하는 것은 훨씬 더 빨리 달성할 수 있는 것으로 밝혀졌습니다.

이 전극 재료의 새로운 응용은 리튬 공기 배터리 개발을 목표로 하는 협력 벤처에서 Shao-Horn, Johnson 및 다른 사람들이 몇 년 전에 처음 개발한 후 "다소 우연하게" 발견되었습니다.

"좋은 충전식 리튬 공기 배터리를 허용하는 것은 아직 아무것도 없습니다."라고 Johnson은 말합니다. 그러나 "우리는 사용되는 기존 액체 전해질과 비교하여 안정성을 부여할 수 있기를 희망하는 이러한 유기 분자를 설계했습니다." 그들은 산화 및 기타 분해에 대해 상당히 내성이 있는 세 가지 다른 설폰아미드 기반 제형을 개발했습니다. 효과. 그런 다음 Liâ € ™ 그룹과 협력하여 박사 후 연구원 Xue는보다 표준적인 음극으로이 물질을 시도하기로 결정했습니다.

일부 코발트와 망간을 함유한 산화니켈인 이 전해질과 함께 현재 사용하고 있는 배터리 전극의 유형은 "오늘날 전기 자동차 산업의 원동력"이라고 원자력 과학 교수인 Li가 말했습니다. 및 공학 및 재료 과학 및 공학.
 
전극 물질은 충방전되면서 이방성 팽창 및 수축을 하기 때문에 기존 전해액과 함께 사용 시 균열 및 성능 저하가 발생할 수 있습니다. 그러나 Brookhaven 국립 연구소와 공동으로 실시한 실험에서 연구원들은 새로운 전해질을 사용하면 이러한 응력 부식 균열 저하가 크게 감소한다는 사실을 발견했습니다.

문제는 합금의 금속 원자가 액체 전해질에 용해되어 질량을 잃고 금속에 균열이 생기는 경향이 있다는 것입니다. 대조적으로, 새로운 전해질은 그러한 용해에 대해 극도로 내성이 있습니다. Brookhaven 테스트의 데이터를 보면 Li는 "전해질만 바꾸면 이 모든 균열이 사라진다는 사실에 일종의 충격을 받았습니다."라고 말했습니다. 그들은 전해질 물질의 형태가 다음과 같다는 것을 발견했습니다. 훨씬 더 강력하고 전이 금속은 이러한 새로운 전해질에서 "그냥 많은 용해도를 갖지 않습니다".

그는 재료가 여전히 리튬 이온이 쉽게 통과할 수 있도록 하기 때문에(배터리가 충전 및 방전되는 필수 메커니즘인) 전이 금속으로 알려진 다른 양이온이 들어가는 것을 차단하기 때문에 놀라운 조합이라고 말했습니다. 많은 충방전 사이클 후에 전극 표면에 원치 않는 화합물의 축적이 표준 전해질에 비해 10배 이상 감소되었습니다.

기계 공학 및 재료 과학 및 공학 교수인 Shao-Horn은 "전해질은 고에너지 니켈이 풍부한 재료의 산화에 대해 화학적으로 내성이 있어 입자 골절을 방지하고 사이클링 동안 양극을 안정화합니다."라고 말했습니다. "전해질은 또한 리튬 금속의 안정적이고 가역적인 박리 및 도금을 가능하게 하며, 이는 최첨단 리튬 이온 배터리보다 2배 더 높은 에너지로 충전식 리튬 금속 배터리를 가능하게 하는 중요한 단계입니다. 이 발견은 고체 상태 전해질에 필적하는 리튬-금속 배터리용 액체 전해질의 추가 전해질 검색 및 설계를 촉진할 것입니다.”

다음 단계는 생산을 확장하여 저렴하게 만드는 것입니다. "우리는 쉽게 구할 수 있는 상업적 출발 물질로부터 아주 쉬운 반응으로 그것을 만듭니다"라고 Johnson은 말합니다. 현재로서는 전해질 합성에 사용되는 전구체 화합물이 고가이지만, “이것이 가전제품의 훌륭한 전해질이라는 것을 세상에 보여줄 수 있다면 더 스케일 업하려는 동기가 가격 인하.'

이것은 본질적으로 기존 전해질에 대한 "드롭 인(drop-in)" 교체이고 전체 배터리 시스템을 재설계할 필요가 없기 때문에 신속하게 구현될 수 있고 몇 년 이내에 상용화될 수 있다고 Li는 말합니다. “고가의 원소는 없고 탄소와 불소뿐입니다. 따라서 리소스에 제한이 있는 것이 아니라 프로세스일 뿐이라고 그는 말합니다.

참조: Weijiang Xue, Mingjun Huang, Yutao Li, Yun Guang Zhu, Rui Gao, Xianghui Xiao, Wenxu의 "설폰아미드 기반 전해질로 활성화된 실용적인 Li 금속 배터리의 초고전압 Ni 풍부한 층상 음극" Zhang, Sipei Li, Guiyin Xu, Yang Yu, Peng Li, Jeffrey Lopez, Daiwei Yu, Yanhao Dong, Weiwei Fan, Zhe Shi, Rui Xiong, Cheng-Jun Sun, Inhui Hwang, Wah-Keat Lee, Yang Shao-Horn, Jeremiah A. Johnson 및 Ju Li, Nature Energy.
DOI: 10.1038/s41560-021-00792-y

이 연구는 미국 에너지부와 국립 과학 재단의 지원을 받았으며 브룩헤이븐 국립 연구소와 아르곤 국립 연구소의 시설을 활용했습니다.