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X-Ray 이미징을 사용하여 리튬-황 배터리 기술 개선에 도움

2021-06-16
주제:
배터리기술,소재과학,신재생에너지,SLAC국립가속기연구소
작성자: MARK SHWARTZ, SLAC 국립 가속기 연구소 2012년 7월 19일



Johanna Nelson은 강력한 X선 이미징을 사용하여 언젠가는 전기 자동차에 동력을 공급할 수 있는 유망한 기술인 리튬-황 배터리를 연구합니다. Nelson은 SLAC 및 Stanford University의 과학자들과 협력하여 개별 황 입자의 현미경 스냅샷을 찍었습니다. 이는 작동 중인 리튬-황 배터리의 최초 실시간 이미징입니다. 표준 전자 현미경을 사용한 이전 연구에서는 사이클링 후 음극에서 다량의 황이 사라져 배터리가 사망하는 것으로 나타났습니다. 그러나 Nelson의 팀은 황 입자가 대부분 온전한 상태로 남아 있음을 보여주었습니다. 그들의 결과는 과학자들이 전기 자동차용으로 상업적으로 실행 가능한 리튬-황 배터리를 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.

"리튬-황 배터리의 주기 수명은 매우 짧습니다."라고 스탠포드 대학의 SLAC 국립 가속기 연구소의 박사후 연구원인 Johanna Nelson이 말했습니다. "일반적으로 수십 사이클 후에 배터리가 소모되므로 10년 또는 20년 수명 동안 수천 사이클이 필요한 전기 자동차에는 사용할 수 없습니다."

일반적인 리튬-황 배터리는 전도성 유체 또는 전해질로 둘러싸인 두 개의 전극(리튬 금속 양극과 황-탄소 음극)으로 구성됩니다. 여러 연구에 따르면 배터리의 짧은 수명은 황 음극을 고갈시키는 화학 반응 때문입니다.
그러나 Nelson과 그녀의 동료들의 최근 연구는 이전 실험의 타당성에 대한 의구심을 불러일으키고 있습니다. 실제 작동하는 배터리의 고출력 X선 영상을 사용하여 Stanford-SLAC 팀은 음극의 황 입자가 방전 중에 거의 손상되지 않은 상태로 남아 있음을 발견했습니다. JACS(미국 화학 학회지)에 발표된 그들의 결과는 과학자들이 전기 자동차용으로 상업적으로 실행 가능한 리튬-황 배터리를 개발하는 새로운 방법을 찾는 데 도움이 될 수 있습니다.

JACS 연구의 주저자인 Nelson은 "이전 실험에 기초하여 우리는 배터리가 방전될 때 음극에서 황 입자가 완전히 사라질 것으로 예상했습니다."라고 말했습니다. "대신, 우리는 이전 연구에서 발견한 것과 정반대의 입자 크기 변화를 무시할 수 있을 정도였습니다."

Nelson과 그녀의 동료들은 X선 회절과 투과 X선 현미경이라는 두 가지 강력한 이미징 기술을 사용하여 SLAC에서 실험을 수행했습니다. X선 현미경을 통해 연구자들은 방전 전, 방전 중 및 방전 후 개별 황 입자의 나노 크기 스냅샷을 찍을 수 있었습니다. 이는 작동 중인 리튬-황 배터리의 최초 실시간 영상입니다.

"고해상도 이미징을 수행하는 표준 방법은 배터리가 부분적으로 방전된 후 전자 현미경을 사용하는 것입니다"라고 Nelson은 말했습니다. “그러나 전자는 금속과 플라스틱을 잘 투과하지 못합니다. SLAC의 X선 현미경을 사용하면 배터리가 작동하는 동안 일어나는 변화를 실제로 볼 수 있습니다.”

성가신 폴리설파이드

리튬-황 전지는 방전 시 양극의 리튬 이온이 음극의 황 입자와 반응하여 전류가 발생합니다. 이 화학 반응의 부산물은 리튬 폴리설파이드로 알려진 화합물입니다.

다황화물이 전해질로 누출되어 리튬 금속 양극과 영구적으로 결합할 때 문제가 발생할 수 있습니다. "그런 일이 발생하면 폴리설파이드의 모든 황 물질이 손실됩니다."라고 Nelson은 말했습니다. “절대 재활용하지 않습니다. 배터리가 방전될 때마다 활성 유황 물질을 잃고 싶지 않습니다. 여러 번 사용할 수 있는 배터리가 필요합니다.'

이전 실험에서도 방전 단계에서 황화이리튬(Li2S) 결정이 형성되는 것으로 나타났습니다. "결정성 Li2S와 폴리설파이드는 전자와 리튬 이온의 전도를 방지하는 박막을 형성할 수 있습니다"라고 Nelson은 말했습니다. "필름은 배터리가 죽을 수 있는 절연층 역할을 합니다."

전자현미경을 사용한 여러 연구는 다황화물과 결정질 Li2S로 코팅된 전극과 황이 고갈된 음극의 이미지를 생성했습니다. 이러한 이미지를 통해 연구자들은 대부분의 황이 배터리 작동을 방해하는 Li2S-폴리설파이드 시트로 화학적으로 변형되었다는 결론을 내렸습니다.

결함이 있는 발견

그러나 Nelson과 그녀의 동료에 따르면 이전 연구 중 일부는 결함이 있었습니다. Nelson은 "그들이 사용하고 있던 접근 방식이 잘못되었습니다. “일반적으로 배터리를 순환하고 분해하고 전해질을 씻어낸 다음 X선 회절이나 전자 현미경으로 분석합니다. 그러나 그렇게 하면 음극에 느슨하게 갇혀 있는 모든 폴리설파이드도 씻어내게 됩니다. 따라서 음극을 이미지화하면 황 종을 전혀 볼 수 없습니다.'
Stanford-SLAC 팀은 다른 접근 방식을 취했습니다. 연구원들은 배터리가 방전되는 동안 5분마다 작은 황 입자의 여러 이미지를 촬영하기 위해 SLAC에서 투과 X선 현미경을 사용했습니다. 각 입자는 모래 알갱이 크기의 일부였습니다. 결과는 분명했습니다. 모든 입자는 방전 주기 동안 기본 모양과 크기를 유지했습니다.

"우리는 황이 완전히 사라지고 전해질에서 다황화물을 형성할 것으로 예상했습니다"라고 Nelson은 말했습니다. "대신 우리는 대부분의 경우 입자가 원래 위치에 머무르고 질량이 거의 손실되지 않는다는 것을 발견했습니다. 그들은 다황화물을 형성했지만 대부분은 탄소-황 음극 근처에 갇혔습니다. 장치가 작동하는 동안 황 함량을 이미지화할 수 있기 때문에 배터리를 분해하거나 중지할 필요도 없었습니다.”

X선 회절은 또 다른 놀라움을 낳았습니다. "이전 실험에 기초하여, 우리는 결정성 Li2S가 방전 사이클이 끝날 때 형성될 것으로 예상했습니다"라고 그녀는 말했습니다. "하지만 우리는 매우 깊은 방전을 했고 결정 상태의 Li2S를 본 적이 없습니다."

미래 연구

Stanford-SLAC 연구는 리튬-황 배터리의 성능을 향상시킬 수 있는 연구의 새로운 길을 열 수 있다고 SLAC의 Stanford Synchrotron Radiation Lightsource의 재료 과학 부문 책임자인 Michael Toney가 말했습니다.

"우리의 연구는 작동하는 동안 배터리를 연구하기 위해 고출력 X선 기술을 사용하는 것의 중요성을 보여줍니다."라고 Toney는 말했습니다. "공학적인 관점에서, 표준 전자 현미경에 의존하여 재료의 충실도를 테스트하면 기만적인 결과를 얻을 수 있다는 사실을 아는 것이 중요합니다."

여러 연구실에서 음극에 다황화물을 가두는 새로운 방법을 찾고 있습니다. 새로운 전해질과 황으로 코팅된 탄소 나노튜브를 포함한 다양한 기술이 가능성을 보여주었습니다.

그러나 다황화물 문제는 이전 연구에서 제안한 것만큼 어렵지 않을 수 있습니다.

"우리는 극소수의 폴리설파이드가 전해질에 들어가는 것을 발견했습니다"라고 Nelson은 말했습니다. “탄소-황 음극은 실제로 예상보다 더 잘 포획되었습니다. 그러나 소량의 폴리설파이드로도 10사이클 이내에 배터리가 고장납니다. 과학자들이 배터리의 사이클 수명을 개선하려면 거의 모든 폴리설파이드가 전해질로 누출되는 것을 방지해야 합니다. 배터리 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 정말로 알고 싶다면 표준 분석을 사용할 수 없습니다. 그들은 전체 이야기를 말해주는 기술이 필요합니다.'

JACS 연구의 공동 저자는 Nelson 외에도 SLAC 박사후 연구원인 Sumohan Misra와 Stanford 박사 과정 학생 Yuan Yang입니다.

이 연구는 또한 스탠포드의 재료 과학 및 공학 부교수이자 SLAC의 광자 과학 부교수인 Yi Cui가 공동 저술했습니다. 스탠퍼드대 화학과 교수 다이홍지에; 스탠포드의 대학원생 Ariel Jackson과 Hailiang Wang; 및 SLAC의 직원 과학자인 Joy C. Andrews.

이 연구는 에너지부, 국방부 및 스탠포드 대학원 펠로우십의 지원을 받았습니다.

SLAC는 DOE를 위해 스탠포드에서 운영하는 국립 연구소입니다. 이 연구는 Stanford-SLAC 연구 파트너십인 Stanford Institute for Materials and Energy Science와 협력하여 수행되었습니다.