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재설계된 전류 도체로 리튬 이온 배터리 효율성 및 안전성 향상

2021-06-16
주제:
배터리기술,에너지,SLAC국립가속기연구소,리튬이온배터리
2020년 10월 26일 SLAC 국립 가속기 연구소 제공



Stanford와 SLAC의 과학자들은 리튬 이온 배터리를 더 가볍고 안전하며 효율적으로 만들기 위해 전류를 전극과 주고받는 얇은 금속 호일인 전류 전도체를 재설계했습니다. 그들은 전체 구리 도체(가운데)를 초박형 구리로 코팅된 경량 폴리머 층(오른쪽 상단)으로 교체하고 화염을 끄기 위해 폴리머 층에 내장된 난연제(오른쪽 하단)를 교체했습니다. 크레딧: Yusheng Ye/Stanford University

배터리의 집전체에 폴리머와 내화성을 추가하면 배터리가 더 가볍고 안전하며 약 20% 더 효율적입니다.

리튬 이온 배터리를 더 가볍고 안전하며 효율적으로 만드는 완전히 새로운 접근 방식으로 스탠포드 대학과 에너지부의 SLAC 국립 가속기 연구소의 과학자들은 가장 무거운 배터리 구성 요소 중 하나인 구리 시트 또는 구리 시트를 재설계했습니다. 집전 장치로 알려진 알루미늄 호일을 사용하여 무게가 80% 감소하고 타오르는 불을 즉시 끌 수 있습니다.

연구원들은 이 기술이 채택되면 배터리 연구의 두 가지 주요 목표를 해결할 수 있다고 말했습니다. 즉, 전기 자동차의 주행 범위를 확장하고 랩톱, 휴대폰 및 기타 장치가 폭발할 위험을 줄이는 것입니다. 이는 배터리가 초고속으로 충전되어 화재로 이어질 수 있는 배터리 손상 유형이 더 많을 때 특히 중요합니다.

연구팀은 2020년 10월 15일 Nature Energy에 그들의 작업을 설명했습니다.

SLAC 및 Stanford 교수이자 Stanford Institute for Materials의 연구원인 Yi Cui는 "집전체는 항상 사중량으로 간주되어 왔으며 지금까지 배터리 성능을 높이는 데 성공적으로 활용되지 않았습니다"라고 말했습니다. 연구를 이끈 에너지 과학(SIMES).

"그러나 우리 연구에서 집전체를 80% 더 가볍게 만들면 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도(주어진 무게에서 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있는지)가 16-26% 증가했습니다. 이는 최근 몇 년 동안 달성한 평균 3% 증가에 비해 큰 도약입니다.'



오늘날의 리튬 이온 배터리의 집전체와 비교할 때 Stanford와 SLAC 과학자들이 설계한 새로운 버전은 배터리를 더 가볍고 에너지 효율적이며 더 안전하게 만듭니다. 또한 구리를 더 저렴한 폴리머로 교체하고 재활용을 위해 배터리를 운송하는 비용을 줄임으로써 비용을 절감할 수 있습니다. 크레딧: Greg Stewart/SLAC 국립 가속기 연구소

체중 감량을 필사적으로 추구

실린더 또는 파우치 형태로 제공되는 리튬 이온 배터리에는 각 전극에 하나씩 두 개의 집전체가 있습니다. 전극 안팎으로 흐르는 전류를 분배하며 일부 고전력 또는 초박형 배터리 무게의 15%~50%를 차지합니다. 배터리의 무게를 줄이는 것은 그 자체로 바람직하며, 더 가벼운 장치를 가능하게 하고 전기 자동차가 이동해야 하는 무게의 양을 줄입니다. 주어진 무게당 더 많은 에너지를 저장하면 장치와 EV가 충전 사이에 더 오래 갈 수 있습니다.

Cui는 배터리 무게와 가연성을 줄이는 것도 재활용 배터리의 운송 비용을 줄여 재활용에 큰 영향을 미칠 수 있다고 말했습니다.

배터리 업계의 연구원들은 집전체를 더 얇게 또는 다공성으로 만들어 무게를 줄이려고 노력해 왔지만 이러한 시도는 배터리를 더 취약하게 만들거나 화학적으로 불안정하게 만들거나 더 많은 전해질을 필요로 하는 등 원치 않는 부작용이 있어 비용이 증가했습니다. , 방문 학자 Lien-Yang Chou와 함께 실험을 수행한 Cui의 연구실 박사 후 연구원인 Yusheng Ye가 말했습니다.

안전 문제에 관해서는 “사람들이 가연성 부분인 배터리 전해액에 난연제를 첨가하려고 시도했지만 점성이 되어 더 이상 이온을 전도하지 않게 되기 전에만 첨가할 수 있다”고 말했다. €



Stanford와 SLAC의 연구에서 오늘날의 상업용 집전 장치(맨 위 줄)로 만든 리튬 이온 파우치 배터리는 화염에 노출되었을 때 불이 붙었고 모든 전해질이 타버릴 때까지 격렬하게 연소되었습니다. 새로운 난연제 수집기(아래줄)가 장착된 배터리는 약한 불꽃을 생성하여 몇 초 안에 꺼지고 과학자들이 다시 점화하려고 해도 다시 타지 않았습니다. 크레딧: Yusheng Ye/Stanford University

폴리머 호일 샌드위치 디자인

문제를 브레인스토밍한 후 Cui, Ye 및 대학원생 Yayuan Liu는 화재에 강하고 빠른 배터리 충전으로 생성되는 고온에 견디는 폴리이미드라는 경량 폴리머를 기반으로 하는 집전체를 만들고 테스트하기 위한 실험을 설계했습니다. 난연제인 트리페닐 포스페이트(TPP)가 폴리머에 내장되어 있으며, 이 폴리머는 구리의 초박막 층으로 양면에 코팅되었습니다. 구리는 전류를 분배하는 일반적인 작업을 수행할 뿐만 아니라 폴리머와 그 난연제를 보호합니다.
  
이러한 변경으로 인해 현재 버전에 비해 집전체의 무게가 80% 감소했으며, 이는 다양한 유형의 배터리에서 에너지 밀도가 16-26% 증가한 것으로 해석되며 일반 배터리와 마찬가지로 전류를 전도합니다. 성능 저하가 없는 수집가.

Ye는 라이터의 화염에 노출되었을 때 오늘날의 상업용 집전 장치로 만든 파우치 배터리에 불이 붙었고 모든 전해질이 타버릴 때까지 격렬하게 연소했다고 말했습니다. 그러나 새로운 난연성 수집기가 장착된 배터리에서는 불이 실제로 꺼지지 않아 몇 초 안에 꺼진 매우 약한 화염을 생성했으며 과학자들이 다시 불을 붙이려고 해도 다시 타오르지 않았습니다.

Cui는 이 접근 방식의 큰 장점 중 하나는 새로운 수집기가 제조하기 쉽고 일부 구리를 저렴한 폴리머로 대체하기 때문에 더 저렴해야 한다고 말했습니다. 따라서 상업적 생산을 위해 확장할 수 있다고 그는 말했습니다. "매우 실행 가능해야 합니다." 연구원들은 Stanford를 통해 특허를 신청했으며 Cui는 가능성을 조사하기 위해 배터리 제조업체에 연락할 것이라고 말했습니다.

참조: Yusheng Ye, Lien-Yang Chou, Yayuan Liu, Hansen Wang, Hiang Kwee Lee, Wenxiao Huang, Jiayu Wan의 "고에너지 및 고안전 리튬 이온 배터리용 초경량 및 소화 전류 집전체" , Kai Liu, Guangmin Zhou, Yufei Yang, Ankun Yang, Xin Xiao, Xin Gao, David Thomas Boyle, Hao Chen, Wenbo Zhang, Kim Sang Cheol and Yi Cui, 2020년 10월 15일, Nature Energy.
DOI: 10.1038/s41560-020-00702-8

이 작업은 리튬 이온 배터리(XCEL) 프로그램의 극도의 고속 충전 셀 평가 프로그램에 따라 DOE의 에너지 효율 및 재생 에너지 사무국, 차량 기술 사무국의 지원을 받았습니다.