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자체 조립 구조의 나노 스케일 분자보기로 가능한 더 나은 리튬 이온 배터리

2021-06-16
주제:
배터리, 기술, DOE, 전기 공학, 리튬 이온, 나노 기술, 태평양 북서부 국립 연구소, 미국 육군연구소
2020년 2월 6일 DOE/PACIFIC 노스웨스트 국립 연구소 제공



과학자들은 특별히 설계된 리튬 이온 배터리를 2차 이온 질량 분석기에 로드하여 배터리가 작동하는 동안 분자 수준에서 고체 전해질 계면의 형성을 볼 수 있습니다. 크레딧: Andrea Starr/PNNL

과학자들은 리튬 이온 배터리 수명의 첫 시간에 대해 자세히 알아봅니다.

리튬 이온 배터리의 수명은 처음 몇 시간 동안 성능이 얼마나 좋은지를 결정합니다. 그 순간에 한 세트의 분자가 배터리 내부의 구조로 자가 조립되어 앞으로 몇 년 동안 배터리에 영향을 미칩니다.



SEI에 대해 더 많이 아는 것은 더 활기차고 오래 지속되며 안전한 리튬 이온 배터리를 만들기 위한 중요한 단계입니다.

2020년 1월 27일 Nature Nanotechnology에 발표된 이 연구는 미국 에너지부의 태평양 북서부 국립 연구소와 미 육군 연구소의 연구원들이 이끄는 국제 과학자 팀에 의해 수행되었습니다. 교신 저자로는 PNNL의 Zihua Zhu, Chongmin Wang, Zhijie Xu, 미 육군 연구소의 Kang Xu가 있습니다.

리튬 이온 배터리가 작동하는 이유: SEI

고체-전해질 간상은 배터리가 처음 만들어질 때 존재하지 않는 매우 얇은 물질막입니다. 배터리가 처음으로 충전된 경우에만 분자가 응집되고 전기화학적으로 반응하여 구조를 형성하며, 이 구조는 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 오가도록 허용하는 게이트웨이 역할을 합니다. 결정적으로, SEI는 전자가 우회하도록 하여 배터리 작동을 유지하고 에너지 저장을 가능하게 합니다.

SEI 덕분에 휴대폰, 노트북 및 전기 자동차에 전원을 공급하는 리튬 이온 배터리가 있습니다.



더 오래 지속되고 더 안전하고 에너지가 넘치는 리튬 이온 배터리를 만드는 것은 PNNL 과학자들의 우선 순위 목록에서 높습니다. 배터리는 오늘날 전기 자동차, 랩톱, 도구 및 휴대 전화에서 어디에나 있습니다.

그러나 과학자들은 이 게이트웨이 구조에 대해 더 많이 알아야 합니다. 리튬 이온 배터리의 글리터라티와 리플을 구분하는 요소는 무엇입니까? 전해질에 어떤 화학 물질이 포함되어야 하고 어떤 농도에서 분자가 스스로를 가장 유용한 SEI 구조로 형성하여 전해질에서 분자를 지속적으로 흡수하여 배터리 성능을 손상시키지 않도록 해야 합니까?

과학자들은 다양한 재료를 사용하여 최상의 구조를 만들기 위해 결합하는 방법을 예측합니다. 그러나 고체 전해질 계면이 어떻게 생성되는지에 대한 더 많은 지식이 없으면 과학자들은 부분적으로만 쓰여진 요리책으로 재료를 저글링하는 요리사와 같습니다.

새로운 기술로 리튬 이온 배터리 탐색

과학자들이 SEI를 더 잘 이해할 수 있도록 팀은 PNNL의 특허 기술을 사용하여 생성된 구조를 분석했습니다. 과학자들은 작동 중인 배터리에서 막 형성되는 SEI로 터널링하기 위해 에너지 이온 빔을 사용하여 액체 전해질을 포함하는 데 도움이 되는 표면 장력에 의존하면서 일부 물질을 공기 중에 보내고 분석을 위해 캡처했습니다. 그런 다음 팀은 질량 분석기를 사용하여 SEI 구성 요소를 분석했습니다.

현장 액체 2차 이온 질량 분석법 또는 액체 SIMS로 알려진 특허 받은 접근 방식을 통해 팀은 SEI가 형성될 때 SEI를 전례 없이 살펴보고 작동 중인 리튬 이온 배터리에서 발생하는 문제를 피할 수 있었습니다. 이 기술은 PNNL 동료 Xiao-Ying Yu의 이전 SIMS 작업을 기반으로 Zhu가 이끄는 팀이 만들었습니다.

"우리의 기술은 우리에게 이 복잡한 구조의 분자 활동에 대한 확실한 과학적 이해를 제공합니다"라고 Zhu가 말했습니다. "이 발견은 잠재적으로 다른 사람들이 전해질과 전극의 화학을 조정하여 더 나은 배터리를 만드는 데 도움이 될 수 있습니다."

미 육군과 PNNL 연구원의 협력

PNNL 팀은 미 육군 연구소의 연구원이자 전해질 및 SEI 전문가인 Kang Xu와 연결되어 함께 문제를 해결했습니다.

과학자들은 SEI가 두 개의 층으로 구성되어 있다는 연구원들이 의심하는 것을 확인했습니다. 그러나 팀은 훨씬 더 나아가 각 층의 정확한 화학적 구성을 지정하고 구조를 가져오기 위해 배터리에서 발생하는 화학적 단계를 결정했습니다.



Zihua Zhu와 Chongmin Wang은 리튬 이온 배터리의 핵심 구성 요소 생성에 대한 중요한 새로운 정보를 배운 팀의 일원입니다. 크레딧: Andrea Starr/PNNL

팀은 양극 옆에 있는 구조의 한 층이 얇지만 조밀하다는 것을 발견했습니다. 이것은 전자를 밀어내지만 리튬 이온은 통과시키는 층입니다. 전해질 바로 옆에 있는 외부 층은 더 두껍고 액체와 나머지 SEI 사이의 상호 작용을 중재합니다. 덜 익힌 오트밀과 너무 익힌 오트밀의 차이처럼 내부 층은 약간 더 단단하고 외부 층은 더 액체입니다.

불화리튬의 역할

연구의 한 결과는 리튬 이온 배터리에 사용되는 전해질에서 불화 리튬의 역할에 대한 더 나은 이해입니다. Kang Xu를 비롯한 여러 연구원들은 SEI가 풍부한 불화 리튬 배터리가 더 나은 성능을 보인다는 것을 보여주었습니다. 팀은 어떻게 불화리튬이 SEI의 내부층의 일부가 되는지를 보여주었고, 그 발견은 구조에 더 많은 불소를 통합하는 방법에 대한 단서를 제공합니다.

"이 기술을 사용하면 어떤 분자가 존재하는지 뿐만 아니라 어떻게 구조화되어 있는지도 알 수 있습니다."라고 Wang은 말합니다. "이것이 바로 이 기술의 아름다움입니다."



과학자들이 리튬 이온 배터리에 대해 더 많이 배우기 위해 사용한 액체 SIMS 기술의 그림. 과학자들은 얇은 질화규소 막 아래에 부착된 양극(주황색)을 통해 터널링하기 위해 에너지 이온 빔(노란색)을 사용합니다. 빔이 고체-전해질 간상(SEI)이 형성되는 전극-전해질 경계면에 부딪히면 분자가 공중에 떠 있어 질량 분석기로 분석할 수 있습니다. 구멍이 너무 좁아 표면 장력이 전해질이 퍼지는 것을 방지합니다. 크레딧: Journal of Physical Chemistry Letters, 2019년 1월 1일의 일러스트레이션 제공. Copyright 2019 American Chemical Society.

참조: Yufan Zhou, Mao Su, Xiaofei Yu, Yanyan Zhang, Jun-Gang Wang, Xiaodi Ren, Ruiguo Cao의 "고체의 실시간 질량 분석 특성 - 리튬 이온 배터리의 전해질 계면", Wu Xu, Donald R. Baer, ​​Yingge Du, Oleg Borodin, Yanting Wang, Xue-Lin Wang, Kang Xu, Zhijie Xu, Chongmin Wang 및 Zihua Zhu, 2020년 1월 27일, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-019-0618-4

Nature Nanotechnology에 게재된 연구의 PNNL 부분은 PNNL, DOE의 에너지 효율 및 재생 가능 에너지 차량 기술 사무소 및 에너지 저장에 관한 미국-독일 협력의 자금 지원을 받았습니다. Kang Xu의 작업은 에너지 저장 연구를 위한 DOE의 과학 공동 센터의 지원을 받았습니다. 액체 SIMS 분석은 PNNL에 위치한 DOE Office of Science 사용자 시설인 Environmental Molecular Sciences Laboratory인 EMSL에서 수행되었습니다.

Xu, Wang 및 Zhu 외에도 PNNL 저자에는 Yufan Zhou, Mao Su, Xiafei Yu, Yanyan Zhang, Jun-Gang Wang, Xiaodi Ren, Ruiguo Cao, Wu Xu, Donald R. Baer 및 Yingge Du가 있습니다.