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차세대 배터리의 성능을 크게 향상시키는 새로운 음극 설계

2021-06-16
주제:
배터리 기술, 에너지, 나노기술
홍콩 과학 기술 대학교 2020년 12월 26일 작성



이중 말단 결합 부위가 있는 거대 다공성 호스트의 설계 전략을 위한 올인원 솔루션입니다. 크레딧: HKUST

HKUST 에너지 연구소 소장이자 기계 및 항공 우주 공학과 교수인 ZHAO Tianshou 교수가 이끄는 팀은 리튬-황(Li-S) 배터리에 대한 새로운 음극 설계 개념을 제안했습니다. 이러한 종류의 유망한 차세대 배터리의 성능을 크게 향상시킵니다.

리튬이온 배터리는 스마트폰, 전기차, 드론 등에 많이 사용되는 리튬이온(Li-ion) 배터리의 매력적인 대안으로 각광받고 있다. 주성분인 황이 풍부하고 가볍고 저렴하며 환경에 무해한 반면 높은 에너지 밀도로 알려져 있습니다.

리튬 배터리는 잠재적으로 500Wh/kg 이상의 에너지 밀도를 제공할 수 있으며, 이는 300Wh/kg에서 한계에 도달하는 리튬 이온 배터리보다 훨씬 우수합니다. 더 높은 에너지 밀도는 리튬 이온 배터리로 구동되는 전기 자동차의 약 400km 주행 거리가 리튬 배터리로 구동되는 경우 600-800km로 상당히 확장될 수 있음을 의미합니다.

Li-S 배터리에 대한 흥미로운 결과가 전 세계의 연구원들에 의해 달성되었지만 실험실 연구와 산업적 규모의 기술 상용화 사이에는 여전히 큰 격차가 있습니다. 한 가지 핵심 문제는 리튬-황 배터리의 다황화물 셔틀 효과로, 음극에서 활물질이 점진적으로 누출되고 리튬이 부식되어 배터리 수명이 단축됩니다. 다른 문제에는 안정적인 배터리 성능을 유지하면서 배터리의 전해질 양을 줄이는 것이 포함됩니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 Zhao 교수 팀은 국제 연구자들과 협력하여 우수한 리튬 배터리 성능을 달성할 수 있는 음극 설계 개념을 제안했습니다.

고도로 배향된 거대 다공성 호스트는 황을 균일하게 수용할 수 있으며 풍부한 활성 부위가 호스트 내부에 매립되어 폴리설파이드를 단단히 흡수하여 셔틀 효과 및 리튬 금속 부식을 제거합니다. 공동 팀은 Li-S 배터리의 황 음극 설계 원칙을 제시함으로써 배터리의 에너지 밀도를 높이고 배터리 산업화를 향한 큰 발걸음을 내디뎠습니다.

Zhao 교수는 "우리는 아직 이 분야에서 기초 연구를 진행 중"이라고 말했습니다. "그러나 우리의 새로운 전극 설계 개념과 이와 관련된 성능의 혁신은 오늘날의 리튬 이온 배터리보다 훨씬 더 강력하고 오래 지속되는 차세대 배터리의 실제 사용을 향한 큰 발걸음을 나타냅니다." €

그들의 연구 작업은 최근 Nature Nanotechnology에 게재되었습니다.

참조: Chen Zhao, Gui-Liang Xu, Zhou Yu, Leicheng Zhang, Inhui Hwang, "양단 결합 부위가 있는 거대다공성 촉매 음극을 통한 고에너지 및 긴 사이클링 리튬" 유황 파우치 셀, Yu-Xue Mo, Yuxun Ren, Lei Cheng, Cheng-Jun Sun, Yang Ren, Xiaobing Zuo, Jun-Tao Li, Shi-Gang Sun, Khalil Amine 및 Tianshou Zhao, 2020년 12월 3일, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-020-00829-5

HKUST의 팀원으로는 Zhao 교수와 현재 박사 과정 학생인 ZHAO Chen, ZHANG Leicheng, 박사 과정 학생이었던 REN Yuxun(2019년 졸업생)이 있습니다. 다른 협력자로는 미국의 Argonne National Laboratory 및 Stanford University, 중국 본토의 Xiamen University, 사우디 아라비아의 Imam Abdulrahman Bin Faisal University의 연구원이 있습니다.