산업 뉴스

더 나은 성능과 향상된 안전성을 제공하는 "전고체" 배터리

2021-06-16
주제:
배터리 기술, 재료 과학, University of Geneva
2017년 11월 24일 제네바 대학교



고체 나트륨 배터리의 구성. © 엠파

휴대폰, 노트북, 전기차 등 배터리는 어디에나 있습니다. 그리고 오늘날 소비자의 기대에 부응하기 위해 이 배터리는 점점 더 가볍고 강력하며 더 오래 지속되도록 설계되었습니다. 현재 이러한 응용 분야에서 가장 중요한 기술은 리튬 이온 배터리 기술입니다. 그러나 이 기술은 비용이 많이 들고 배터리를 남용할 때 안전 위험을 나타낼 수 있는 인화성 액체를 포함합니다. 신흥 시장(예: 전기 자동차 및 재생 에너지 저장 장치)의 증가하는 수요를 충족하기 위해 Empa, 스위스 연방 재료 과학 및 기술 연구소 및 스위스 제네바 대학(UNIGE)의 연구원들은 새로운 배터리 프로토타입: "전고체"로 알려진 이 배터리는 높은 안전성과 신뢰성 수준을 유지하면서 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 또한 배터리는 리튬의 저렴한 대안인 나트륨을 기반으로 합니다. 에너지 및 환경 과학 저널에서 연구에 대해 자세히 읽어보십시오.

배터리가 작동하려면 양극(음극), 음극(양극) 및 전해질의 세 가지 핵심 구성 요소가 있어야 합니다. 오늘날 우리의 전자 장비에 사용되는 대부분의 배터리는 리튬 이온을 기반으로 합니다. 배터리가 충전되면 리튬 이온이 음극을 떠나 양극으로 이동합니다. 배터리에서 화재를 유발할 수 있는 단락을 유발할 수 있는 미세한 석순의 일종인 리튬 수지상 형성을 방지하기 위해 상업용 배터리의 양극은 금속 리튬이 아닌 흑연으로 만들어집니다. 저장할 수 있는 에너지의 양을 늘립니다.

Empa와 UNIGE 연구원들은 신흥 시장의 증가하는 수요에 대처하고 더 나은 성능을 갖춘 배터리를 만들기 위해 "고체" 배터리의 장점에 초점을 맞췄습니다. 그들의 배터리는 액체 전해질 대신 고체를 사용하여 수상 돌기의 형성을 차단하여 금속 양극을 사용할 수 있으므로 안전을 보장하면서 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.

불연성 고체 나트륨 전지

"그러나 우리는 여전히 무독성일 뿐만 아니라 화학적으로나 열적으로 안정하고 나트륨이 양극과 음극 사이에서 쉽게 이동할 수 있는 적합한 고체 이온 전도체를 찾아야 했습니다."라고 설명합니다. Hans Hagemann, UNIGE 이학부 물리화학과 교수. 연구자들은 붕소 기반 물질인 클로소-보란(closo-borane)이 나트륨 이온을 자유롭게 순환시킬 수 있다는 것을 발견했습니다. 또한 클로소보란은 무기질 전도체이기 때문에 충전 중 배터리에 불이 붙을 위험이 없습니다. 즉, 수많은 유망한 특성을 가진 재료입니다.

"어려움은 배터리의 세 층 사이에 긴밀한 접촉을 확립하는 것이었습니다. 고체 금속 나트륨으로 구성된 양극; 음극, 혼합 나트륨 크롬 산화물; 그리고 전해질인 클로소-보란(closo-borane)은 Empa의 에너지 변환 연구소를 위한 재료 연구원이자 UNIGE 과학 학부의 물리 화학과 박사 과정 학생인 Léo Duchene이 말했습니다. 연구원들은 나트륨 크롬 산화물 분말을 첨가하기 전에 용매에 배터리 전해질의 일부를 용해시켰다. 용매가 증발하면 전해질과 양극이 있는 양극 분말 복합재를 적층하고 다양한 층을 압축하여 배터리를 형성했습니다.

Empa와 UNIGE의 연구원들은 이후 배터리를 테스트했습니다. Empa의 연구원이자 프로젝트 리더인 Arndt Remhof는 "여기에서 사용하는 전해질의 전기화학적 안정성은 3볼트를 견딜 수 있는 반면 이전에 연구된 많은 고체 전해질은 동일한 전압에서 손상됩니다"라고 말했습니다. 이것은 스위스 국립 과학 재단(SNSF)과 열 및 전기 저장에 관한 에너지 연구를 위한 스위스 역량 센터(SCCER-HaE)의 지원을 받습니다. 과학자들은 또한 250회 이상의 충전 및 방전 주기에 걸쳐 배터리를 테스트했으며, 그 후에도 에너지 용량의 85%가 여전히 기능했습니다. "그러나 배터리가 시장에 출시되기까지 1,200 사이클이 필요합니다"라고 연구원들은 말합니다. “또한 아직 배터리를 상온에서 테스트해야 덴드라이트 형성 여부를 확인할 수 있으며 전압을 더욱 높인다. 우리의 실험은 여전히 ​​진행 중입니다.'

간행물: Léo Duchene, et al., "붕산 염 전해질 기반의 안정적인 3V 전고체 나트륨 이온 배터리" Energy & Environmental Science, 2017; DOI: 10.1039/C7EE02420G