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과학적 변칙의 코드 해독: 수십 년 동안 풀리지 않은 리튬 이온 배터리 저장의 미스터리

2021-06-16
주제:
배터리 기술, 에너지, 재료 과학, 인기 있는, University of Texas at Austin, 리튬 이온 배터리
2020년 9월 2일 오스틴의 텍사스 대학교


첨단 전극 재료 개발을 위한 Dr. Yu’ Lab의 배터리 테스트 시스템. 크레딧: 오스틴에 있는 텍사스 대학교

수년 동안 연구자들은 가능한 것보다 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 신비한 능력 때문에 차세대 리튬 이온 배터리의 핵심 재료로서의 가능성을 보여주는 금속 산화물 그룹에 대해 더 많이 배우는 것을 목표로 삼았습니다. 텍사스 대학(University of Texas at Austin)이 공동으로 이끄는 국제 연구팀은 이 과학적 이상 코드를 해독하여 초고속 배터리 에너지 저장 시스템 구축에 대한 장벽을 허물었습니다.

팀은 이러한 금속 산화물이 고전적인 전기화학적 저장 메커니즘을 넘어 에너지를 저장하는 독특한 방법을 가지고 있음을 발견했습니다. 네이처 머티리얼즈(Nature Materials)에 발표된 연구에 따르면 오늘날 상업적으로 이용 가능한 리튬 이온 배터리에서 흔히 볼 수 있는 재료와 비교하여 최대 3배의 에너지 저장 능력을 가진 여러 유형의 금속 화합물이 발견되었습니다.

이 미스터리를 해독함으로써 연구원들은 더 큰 에너지 용량을 가진 배터리의 잠금을 해제하는 데 도움을 주고 있습니다. 이는 스마트폰에서 전기 자동차에 이르기까지 모든 것을 빠르게 충전할 수 있는 더 작고 더 강력한 배터리를 의미할 수 있습니다.

"거의 20년 동안 연구 커뮤니티는 이론적인 한계를 넘어서는 비정상적으로 높은 용량의 이러한 물질에 대해 당혹스러워했습니다."라고 Cockrell School of Engineering의 Walker 기계 공학과 부교수인 Guihua Yu가 말했습니다. 그리고 프로젝트의 리더 중 한 명. "이 연구는 추가 전하가 공간 전하 저장 메커니즘을 통해 이러한 물질 내부에 물리적으로 저장된다는 것을 보여주는 최초의 실험적 증거를 보여줍니다."



첨단 전극 재료 개발을 위한 Dr. Yu’ Lab의 배터리 테스트 시스템. 크레딧: 오스틴에 있는 텍사스 대학교

이 현상을 입증하기 위해 팀은 시간이 지남에 따라 요소가 어떻게 변하는지 모니터링하고 측정하는 방법을 찾았습니다. UT, 매사추세츠 공과 대학, 캐나다 워털루 대학, 중국 산둥 대학, 중국 칭다오 대학, 중국 과학원의 연구원들이 프로젝트에 참여했습니다.

발견의 중심에는 철, 니켈 및 아연과 같은 전이 금속과 결합된 산소를 포함하는 화합물인 전이 금속 산화물이 있습니다. 리튬 이온이 이러한 물질 안팎으로 이동하거나 에너지 저장을 위해 결정 구조를 변환하는 일반적인 방법과 달리 에너지는 금속 산화물 내부에 저장될 수 있습니다. 그리고 연구자들은 일련의 전통적인 전기화학적 공정 동안 형성된 철 나노입자의 표면에 추가적인 전하 용량이 저장될 수 있음을 보여주었다.

연구에 따르면 광범위한 전이 금속이 이 추가 용량을 해제할 수 있으며 고밀도 전자를 수집하는 능력이라는 공통된 스레드를 공유합니다. Yu는 이러한 자료가 아직 전성기를 맞이할 준비가 되지 않은데 그 이유는 주로 이에 대한 지식이 부족하기 때문이라고 Yu가 말했습니다. 그러나 연구원들은 이러한 새로운 발견이 이러한 물질의 잠재력을 밝히는 데 큰 도움이 될 것이라고 말했습니다.

현장 자기계라는 이 연구에 사용된 핵심 기술은 재료의 내부 전자 구조의 진화를 조사하기 위한 실시간 자기 모니터링 방법입니다. 자기 변화를 측정하여 충전 용량을 정량화할 수 있습니다. 이 기술은 많은 기존 특성화 도구의 기능을 넘어서는 매우 작은 규모의 전하 저장을 연구하는 데 사용할 수 있습니다.

"가장 중요한 결과는 물리학자들이 일반적으로 사용하지만 배터리 업계에서는 매우 드물게 사용하는 기술에서 얻은 것입니다."라고 Yu가 말했습니다. "이것은 물리학과 전기화학의 아름다운 결합을 보여주는 완벽한 쇼케이스입니다."

참조: Qiang Li, Hongsen Li, Qingtao Xia, Zhengqiang Hu, Yue Zhu, Shishen Yan, Chen Ge, Qinghua Zhang, Xiaoxiong Wang이 작성한 "전이 금속 산화물 리튬 이온 배터리의 추가 저장 용량이 현장 자기계측법으로 밝혀짐" , Xiantao Shang, Shuting Fan, Yunze Long, Lin Gu, Guo-Xing Miao, Guihua Yu 및 Jagadeesh S. Moodera, 2020년 8월 17일, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y