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탄소 충전재를 사용하여 고에너지 리튬 이온 배터리 개선

2021-06-16
주제:
American Institute of Physics, 배터리 기술, 에너지, 리튬 이온, 재료 과학
2020년 11월 12일 AMERICAN INSTITUTE OF 물리학



확장 가능한 에너지 저장 시스템을 위한 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)가 있는 두꺼운 전극. 크레딧: Zhengyu Ju 및 Guihua Yu

리튬 이온 배터리의 전도성 탄소 필러는 가역적 에너지 저장으로 고출력을 가능하게 합니다.

리튬이온 배터리는 전기자동차뿐만 아니라 많은 휴대용 기기의 주요 재충전 가능한 전원이지만 가역적인 에너지 저장과 동시에 높은 출력을 제공하지 못하기 때문에 그 사용이 제한적입니다. AIP Publishing의 Applied Physics Reviews에 보고된 연구는 전도성 필러를 포함하면 배터리 성능이 어떻게 향상되는지 보여줌으로써 솔루션을 제공하는 것을 목표로 합니다.

최적의 배터리 설계에는 두꺼운 전극 구조가 포함됩니다. 이것은 에너지 밀도를 향상시키지만 설계는 이러한 전극 기능의 핵심 단계인 열악한 리튬 이온 수송으로 인해 어려움을 겪습니다. 수직으로 정렬된 채널을 구축하거나 리튬 이온의 수송을 용이하게 하기 위해 적절한 크기의 기공을 만드는 등 다양한 개선 기술이 시도되었습니다.

또 다른 접근 방식은 전기를 전도하는 탄소로 만든 충전제를 사용하는 것입니다. 이 연구에서는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 그래핀 나노시트 및 석유 전구체의 산화 과정에서 생성되는 카본 블랙 입자의 일종인 Super P로 알려진 물질의 세 가지 유형의 충전제를 고려했습니다. Super P는 리튬 이온 배터리에서 가장 일반적으로 사용되는 전도성 필러입니다.

충전재는 니켈, 코발트 및 망간을 포함하는 NCM으로 알려진 유형의 전극 재료에 추가되었습니다. 연구자들은 주사전자현미경으로 합성물을 조사했다. Super P와 NCM 입자는 점대점 접촉 방식으로 배열되어 있는 것으로 밝혀졌다.

그러나 SWCNT는 NCM 입자 주위를 감싸서 전도성 코팅을 형성했습니다. 또한 NCM 입자 사이의 공간에서 상호 연결된 SWCNT의 네트워크가 관찰되었습니다. 그래핀 나노시트도 NCM 전극 입자 주위에 감겼지만 SWCNT만큼 균일하지는 않았다.

SWCNT는 NCM 전극에 가장 적합한 전도성 필러로 밝혀졌습니다.

"측정된 전도도는 침투 이론과 일치합니다." 전기 전도성 필러가 절연 매트릭스에 추가되면 복합재를 통한 첫 번째 전도 경로가 형성되면 전도도가 크게 증가한다고 Guihua Yu가 말했습니다. 작가 중 한 명.

침투는 필러를 통한 완전한 경로가 필요하므로 충분한 양의 전도성 필러가 필요합니다. 따라서 연구자들은 다양한 양의 충전제를 고려하고 NCM 전극을 SWCNT의 0.16중량%로 결합하는 것이 우수한 전기 전도성을 생성한다는 것을 발견했습니다. 이와 같은 결과를 얻기 위해서는 더 많은 양의 Super P와 그래핀이 필요했습니다.

연구자들은 결과 합성물을 연구하기 위해 라만 및 X선 흡수 분광법을 포함한 여러 분광 기술을 사용했습니다.

“이것은 미국 에너지부의 기초 에너지 과학 프로그램이 지원하는 에너지 프론티어 연구 센터인 Center for Mesoscale Transport Properties의 공동 노력입니다. 우리의 연구 결과는 SWCNT를 NCM 전극에 통합하면 이온 및 전하 이동이 용이함을 시사합니다. 이것은 특히 높은 방전율에서 더 높은 전기화학적 활용으로 이어질 것이라고 Yu는 말했다.

참조: Zhengyu Ju, Xiao Zhang, Steven T. King, Calvin D. Quilty, Yue Zhu, Kenneth J. Takeuchi의 "고에너지 저장 시스템용 두꺼운 배터리 전극에서 전도성 필러의 차원 효과 공개", Esther S. Takeuchi, David C. Bock, Lei Wang, Amy C. Marschilok 및 Guihua Yu, 2020년 11월 10일, 응용 물리학 리뷰.
DOI: 10.1063/5.0024123