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리튬 이온 배터리의 내부 작동을 보여주는 새로운 관찰 결과

2021-06-16
주제:
배터리 기술, 리튬 이온, 재료 과학, 나노 소재, 리튬 이온 배터리
작성자: DAVID L. 챈들러, 매사추세츠 공과대학 2014년 6월 9일



그림은 리튬인산철(LFP) 전극의 충방전 과정을 나타낸 것입니다. 충전 과정에서 리튬 이온이 제거됨에 따라 리튬이 고갈된 인산철(FP) 영역이 형성되지만, 그 사이에 무작위로 분포된 일부 리튬 원자를 포함하는 고용체 영역(SSZ, 진한 청록색으로 표시)이 있습니다. 원래의 결정질 물질(하늘색)에 있는 리튬 원자의 규칙적인 배열. 이 작업은 이 SSZ 현상에 대한 최초의 직접적인 관찰을 제공합니다.

MIT 연구원들은 임의의 고용체가 배터리 재료를 통한 이온의 이동에 어떻게 영향을 미치는지 밝혀 리튬 이온 배터리의 내부 작동을 보여줍니다.

MIT 연구원들의 새로운 관찰에 따르면 리튬 이온 배터리에 널리 사용되는 전극 유형의 내부 작동이 밝혀졌습니다. 새로운 발견은 그러한 배터리의 예상외로 높은 전력과 긴 수명을 설명한다고 연구원들은 말합니다.

이번 연구 결과는 MIT 박사후 연구원인 Jun Jie Niu, 연구 과학자인 Akihiro Kushima, Yet-Ming Chiang과 Ju Li 교수 등이 공동 저술한 Nano Letters 저널에 실린 논문에 실렸습니다.

연구된 전극 재료인 리튬 철 인산염(LiFePO4)은 리튬 기반 충전식 배터리에 특히 유망한 재료로 간주됩니다. 전동 공구에서 전기 자동차, 대규모 그리드 스토리지에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 이미 입증되었습니다. MIT 연구원들은 이 전극 내부에서 충전하는 동안 리튬이 풍부한 영역과 리튬이 고갈된 영역 사이의 경계에 고용체 영역(SSZ)이 형성된다는 것을 발견했습니다. 전극의.

Li는 이 SSZ가 "이론적으로는 존재하는 것으로 예측되었지만, 충전 중에 찍은 투과 전자 현미경(TEM) 비디오에서 처음으로 직접 목격했습니다"라고 말합니다.

관찰 결과는 LiFePO4에 대한 오랜 수수께끼를 해결하는 데 도움이 됩니다. 벌크 결정 형태에서 인산철리튬과 인산철(FePO4, 충전 중 리튬 이온이 물질 밖으로 이동할 때 남음)은 이온 및 전기 전도도가 매우 낮습니다. 그러나 도핑 및 탄소 코팅으로 처리되고 배터리의 나노 입자로 사용될 때 재료는 인상적으로 높은 충전 속도를 나타냅니다. “이 [빠른 충방전 속도]가 처음 시연되었을 때 상당히 놀랐습니다.”라고 Li가 말했습니다.

"우리는 수년 동안 [재료 과학자들]을 흥미롭게 했던 이 근본적인 문제를 해결할 수 있는 준안정 무작위 고용체를 직접 관찰했습니다."라고 Battelle Energy Alliance 원자력 과학 및 공학 교수이자 재료 과학 교수인 Li가 말했습니다. 및 엔지니어링.

SSZ는 실온에서 최소 몇 분 동안 지속되는 "준안정" 상태입니다. "전위"라고 불리는 많은 추가 라인 결함을 포함하는 것으로 밝혀진 LiFePO4와 FePO4 사이의 날카로운 인터페이스를 대체하는 SSZ는 완충제 역할을 하여 전기화학 반응 전선과 함께 이동할 전위 수를 줄입니다. "우리는 전위가 보이지 않습니다."라고 Li가 말합니다. 전위의 생성 및 저장이 피로를 유발하고 전극의 주기 수명을 제한할 수 있기 때문에 이는 중요할 수 있습니다.

기존의 TEM 이미징과 달리 Kushima와 Li가 2010년에 개발한 이 작업에 사용된 기술은 배터리 구성 요소가 충전 및 방전될 때 관찰할 수 있어 동적 프로세스를 나타낼 수 있습니다. "지난 4년 동안 배터리 작동을 연구하기 위해 그러한 현장 TEM 기술을 사용하는 것이 폭발적으로 증가했습니다."라고 Li가 말했습니다.

이러한 동적 프로세스를 더 잘 이해하면 전극 재료의 특성을 더 잘 조정할 수 있어 전극 재료의 성능이 향상될 수 있다고 Li가 말했습니다.

현재까지 불완전한 이해에도 불구하고 리튬 인산철 나노입자는 이미 리튬 이온 배터리에 산업적 규모로 사용되고 있다고 Li는 설명한다. "과학은 응용 프로그램보다 뒤쳐져 있습니다."라고 그는 말합니다. “이미 확장되어 시장에서 꽤 성공적입니다. 나노기술의 성공 사례 중 하나입니다.'

"기존의 리튬 이온에 비해 [리튬 철 인산염]은 환경 친화적이며 매우 안정적입니다."라고 Niu는 말합니다. "하지만 이 자료를 잘 이해하는 것이 중요합니다."

SSZ의 발견은 LiFePO4에서 이루어졌지만 Li는 "같은 원리가 다른 전극 재료에도 적용될 수 있습니다. 사람들은 고출력 전극 재료를 찾고 있으며 이러한 준안정 상태는 벌크 형태로 불활성인 다른 전극 재료에 존재할 수 있습니다. … 발견된 현상은 매우 일반적일 수 있으며 이 물질에만 국한된 것은 아닙니다.”

이 연구에 참여하지 않은 태평양 북서부 국립 연구소의 연구 과학자인 왕종민은 이 논문을 "훌륭한 작업"이라고 부릅니다.

"이론적 작업과 실험적 작업을 모두 기반으로 하는 여러 모델이 제안되었습니다."라고 Wang은 말합니다. "그러나 그들 중 어느 것도 결정적인 것으로 보이지 않습니다."

그는 이 새로운 연구가 작동하는 메커니즘의 "확실하고 직접적인 증거를 제공"한다고 말합니다.

이 연구는 국립과학재단의 지원을 받았습니다.

간행물: Junjie Niu, et al., "LiFePO4 전극의 무작위 고용체 영역의 현장 관찰", Nano Letters, 2014; DOI: 10.1021/nl501415b
이미지: Junjie Niu, et al., Nano Letters, 2014; DOI: 10.1021/nl501415b