산업 뉴스

새로운 배터리는 리튬-공기 배터리의 주요 단점을 극복할 수 있습니다

2021-06-16
주제:
배터리 기술,재료과학,나노과학,나노기술,핵,인기
데이비드 L. 챈들러, MIT 뉴스 2016년 7월 26일



배터리 음극에 대한 새로운 개념에서는 리튬과 산소 화합물로 구성된 나노미터 크기의 입자(빨간색과 흰색으로 표시)를 스폰지 같은 산화 코발트 격자(노란색)에 삽입하여 안정적으로 유지합니다.

MIT의 엔지니어들은 새로운 리튬-산소 배터리 재료가 기존의 밀폐형 배터리와 매우 유사하면서도 무게에 비해 훨씬 더 많은 에너지를 제공하는 배터리에 포장될 수 있다고 제안합니다.

리튬-공기 배터리는 무게에 비례하여 높은 에너지 출력을 제공할 수 있는 잠재력 때문에 전기 자동차 및 휴대용 전자 장치에 대한 매우 유망한 기술로 간주됩니다. 그러나 이러한 배터리에는 몇 가지 매우 심각한 단점이 있습니다. 주입된 에너지의 대부분을 열로 낭비하고 상대적으로 빠르게 열화됩니다. 또한 기존의 밀폐형 배터리와 매우 다른 개방형 셀 구성에서 산소 가스를 안팎으로 펌핑하기 위해 값비싼 추가 구성 요소가 필요합니다.

그러나 기존의 완전히 밀봉된 배터리에 사용할 수 있는 배터리 화학의 새로운 변형은 이러한 모든 단점을 극복하면서 리튬-공기 배터리와 유사한 이론적 성능을 약속합니다.

나노리튬 캐소드 배터리라고 하는 새로운 배터리 개념은 MIT의 Battelle Energy Alliance 원자력 과학 및 공학 교수인 Ju Li의 논문으로 Nature Energy 저널에 설명되어 있습니다. 박사후 연구원 Zhi Zhu; MIT, 아르곤 국립 연구소, 중국 북경 대학교의 다른 5명.

Li는 리튬 공기 배터리의 단점 중 하나가 배터리 충전 및 방전과 관련된 전압 간의 불일치라고 설명합니다. 배터리의 출력 전압은 배터리를 충전하는 데 사용되는 전압보다 1.2볼트 이상 낮으며, 이는 각 충전 주기에서 발생하는 상당한 전력 손실을 나타냅니다. “전기 에너지의 30%를 충전 시 열로 낭비합니다. "너무 빨리 충전하면 실제로 화상을 입을 수 있습니다."라고 그는 말합니다.

견고하게 유지

기존의 리튬-공기 배터리는 외부 공기로부터 산소를 끌어들여 방전 사이클 동안 배터리의 리튬과 화학 반응을 일으키고 이 산소는 충전 사이클의 역반응 동안 대기로 다시 방출됩니다.

새로운 변형에서는 충전 및 방전 중에 리튬과 산소 사이에서 동일한 종류의 전기화학 반응이 발생하지만 산소가 기체 형태로 되돌아가지 않도록 합니다. 대신, 산소는 고체 내부에 머물면서 세 가지 산화환원 상태 사이에서 직접 변형되며, 유리 형태로 함께 혼합되는 세 가지 다른 고체 화합물인 Li2O, Li2O2 및 LiO2의 형태로 결합됩니다. 이렇게 하면 전압 손실이 1.2V에서 0.24V로 5배 감소하므로 전기 에너지의 8%만 열로 전환됩니다. "이것은 배터리 팩에서 열을 제거하는 것이 안전 문제가 덜하고 에너지 효율성이 높기 때문에 자동차의 더 빠른 충전을 의미합니다."라고 Li가 말했습니다.

이 접근 방식은 리튬-공기 배터리의 또 다른 문제를 극복하는 데 도움이 됩니다. 충전 및 방전과 관련된 화학 반응이 산소를 기체 형태와 고체 형태로 전환함에 따라, 물질은 구조의 전기 전도 경로를 방해할 수 있는 거대한 부피 변화를 거쳐 수명을 심각하게 제한할 수 있습니다. .

새로운 제형의 비밀은 나노미터 규모(10억분의 1미터)의 미세한 입자를 생성하는 것입니다. 이 입자는 유리 형태의 리튬과 산소를 ​​모두 포함하고 산화 코발트 매트릭스 내에 단단히 갇힙니다. 연구원들은 이러한 입자를 나노리시아(nanolithia)라고 부릅니다. 이 형태에서 LiO2, Li2O2, Li2O 사이의 전이는 전적으로 고체 물질 내부에서 일어날 수 있다고 그는 말했다.

나노리시아 입자는 일반적으로 매우 불안정하기 때문에 연구자들은 나노리튬 입자를 직경이 몇 나노미터에 불과한 스펀지와 같은 물질인 산화코발트 매트릭스 내에 삽입했습니다. 매트릭스는 입자를 안정화하고 변형을 위한 촉매 역할도 합니다.

기존의 리튬-공기 배터리는 수분이나 이산화탄소를 처리할 수 없기 때문에 "실제로 리튬 건식 산소 배터리"라고 설명합니다. 배터리. “이산화탄소와 물을 제거하려면 대규모 보조 시스템이 필요하고, 이를 하기가 매우 어렵습니다.” 그러나 외부 공기를 전혀 끌어들일 필요가 없는 새로운 배터리는 이 문제를 우회합니다.

과충전 없음

새로운 배터리는 본질적으로 과충전으로부터 보호된다고 팀은 말합니다. 이 경우 화학 반응은 자연적으로 자체 제한적이기 때문입니다. 과충전되면 반응이 더 이상의 활동을 방지하는 다른 형태로 전환됩니다. "일반적인 배터리의 경우 과충전하면 되돌릴 수 없는 구조적 손상을 일으키거나 심지어 폭발할 수도 있습니다."라고 Li가 말했습니다. 그러나 나노리튬 배터리의 경우 "15일 동안 배터리 용량의 100배에 달하는 과충전을 했지만 손상은 전혀 없었습니다."

사이클링 테스트에서 실험실 버전의 새 배터리는 120번의 충전-방전 주기를 거쳤으며 용량 손실이 2% 미만으로 나타났습니다. 이는 이러한 배터리가 수명이 길 수 있음을 나타냅니다. 그리고 이러한 배터리는 리튬-공기 배터리에 필요한 보조 구성 요소 없이 기존의 고체 리튬 이온 배터리와 같이 설치 및 작동할 수 있기 때문에 기존 설치 또는 자동차, 전자 제품, 전자 제품에 대한 기존 배터리 팩 설계에 쉽게 적용할 수 있습니다. 또는 그리드 규모의 전력 저장.

이러한 "고체 산소" 캐소드는 기존의 리튬 이온 배터리 캐소드보다 훨씬 가볍기 때문에 새로운 디자인은 주어진 캐소드 무게에 대해 두 배나 많은 에너지를 저장할 수 있다고 팀은 말했습니다. 그리고 디자인이 더욱 정교해지면 새로운 배터리가 궁극적으로 그 용량을 다시 두 배로 늘릴 수 있다고 Li는 말합니다.

Li에 따르면 이 모든 것은 값비싼 구성 요소나 재료를 추가하지 않고 수행됩니다. 이 배터리에서 액체 전해질로 사용하는 탄산염은 "가장 저렴한 종류의 전해질"이라고 그는 말합니다. 그리고 산화 코발트 성분의 무게는 나노리시아 성분의 50% 미만입니다. 전반적으로 새로운 배터리 시스템은 리튬 공기 배터리보다 "매우 확장 가능하고 저렴하며 훨씬 안전합니다"라고 Li는 말합니다.

팀은 약 1년 이내에 이 실험실 규모의 개념 증명에서 실용적인 프로토타입으로 이동할 것으로 예상합니다.

"이것은 산소 기반 배터리의 패러다임을 바꿀 수 있는 근본적인 돌파구입니다"라고 이 작업에 참여하지 않은 오리건 주립 대학의 화학 조교수 Xiulei Ji가 말했습니다. “이 시스템에서 상업용 탄산염 기반 전해질은 용매화된 과산화물 셔틀과 매우 잘 작동하며 이는 매우 인상적이며 이 밀봉된 시스템에 기체 O2가 없는 것과 관련이 있을 수 있습니다. 사이클링 동안 음극의 모든 활성 질량은 고체이며, 이는 에너지 밀도가 클 뿐만 아니라 현재 배터리 제조 인프라와의 호환성을 나타냅니다.”

연구팀에는 MIT 연구 과학자인 Akihiro Kushima와 Zongyou Yin이 포함되었습니다. 북경 대학의 루 치; 그리고 일리노이에 있는 Argonne 국립 연구소의 Khalil Amine과 Jun Lu. 이 작업은 국립과학재단과 미국 에너지부의 지원을 받았습니다.
간행물: Zhi Zhu 외, "Li-ion 배터리용 음이온-산화환원 나노리튬 음극", Nature Energy 1, 기사 번호: 16111(2016); doi:10.1038/nenergy.2016.111