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리튬 이온 배터리의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 전해질 설계

2021-08-03

LiF가 풍부한 SEI로 덮인 Si 입자를 보여주는 이미지. 크레딧: Chen et al.


대부분의 기존 리튬 이온 배터리(LIB)는 그램당 약 350밀리암페어시(mAh)의 용량을 갖는 흑연 양극을 통합합니다. 실리콘 양극의 용량은 흑연 양극의 용량보다 거의 10배(그램당 약 2,800mAh) 높기 때문에 이론적으로 더 작고 가벼운 리튬 기반 배터리를 개발할 수 있습니다.

더 높은 용량에도 불구하고 실리콘 양극은 배터리 작동 중에 실리콘이 팽창 및 수축하기 때문에 지금까지 흑연 양극과 경쟁할 수 없었습니다. 따라서 양극의 외부 보호 층이 배터리 작동 중에 쉽게 금이 갈 수 있습니다. 네이처 에너지에 발표된 최근 논문에서 메릴랜드 대학 공원과 육군 연구소의 연구원 팀은 기존 실리콘 양극의 한계를 극복할 수 있는 새로운 전해질 설계를 보고했습니다.
"실리콘 양극과 형성된 고체 전해질 계면(SEI) 보호층은 SEI가 Si에 강하게 결합하기 때문에 배터리 작동 중에 분쇄하기가 더 쉽기 때문에 둘 다 많은 양의 변화를 겪습니다." 연구에서 벗어났다고 Phys.org에 말했습니다.
SEI는 양극 입자가 전해질과 직접 접촉할 때 자연적으로 형성되는 보호층입니다. 이 층은 배터리 내부에서 발생하는 추가 반응을 방지하는 장벽 역할을 하여 양극과 전해질을 분리합니다.
"이 보호 층이 Si 양극 입자 팽창 또는 수축 중에 손상되면 새로 노출된 양극 입자가 배터리 사이클링 중에 소진될 때까지 전해질과 지속적으로 반응합니다"라고 육군 연구소의 연구에 참여한 선임 화학자 Oleg Borodin이 말했습니다. Phys.org.
10년 이상 동안 전 세계의 연구 그룹은 주로 양극과 함께 확장되는 유연하고 유기적인 SEI를 설계함으로써 LIB에서 실리콘 양극의 사용을 방해하는 문제를 극복하기 위해 노력해 왔습니다. 그러나 그들이 개발한 대부분의 솔루션은 완전히 비효율적이거나 약간 효과적인 것으로 판명되어 SEI 손상을 부분적으로만 방지합니다.


왕춘성(Chunsheng Wang) University of the University의 화학 및 생물 분자 공학과 교수는 "LIB 연구 커뮤니티는 오랫동안 Si와 같은 고용량 양극을 만드는 기술을 고안하려고 노력해 왔습니다. 극한 배터리 연구 센터의 UMD 이사이기도 한 메릴랜드(UMD). "이 연구원들은 대부분 값비싼 나노제조 공정을 도입하여 Si 재료 수준에서 작업했습니다. 우리는 고용량 양극에 대한 전해질 및 해당 SEI를 설계하여 이 문제를 다르게 해결하려고 했습니다."

Chen, Borodin, Wang 및 동료들은 LIB에서 마이크로 크기의 실리콘 양극의 성능을 향상시켜 외부 보호 장벽의 손상을 방지할 수 있는 전해질을 설계했습니다. 이전에 제안된 솔루션과 비교하여 그들의 접근 방식은 전해질 열화를 실질적으로 최소화하여 용량을 잃기 전에 훨씬 더 긴 배터리 사이클을 허용합니다.

연구원 연구의 궁극적인 목표는 리튬 기반 배터리용 고용량 양극 개발을 촉진할 수 있는 보편적인 드롭인 솔루션을 식별하는 것이었습니다. 이를 달성하기 위해 그들은 최첨단 염인 LiPF6과 에테르 용매의 혼합물을 사용하여 전해질을 설계하여 매우 견고한 LiF가 풍부한 SEI 보호층을 형성했습니다.

"특수한 용매화 구조(염과 용매 사이의 상호작용)와 염과 용매의 환원 경향 사이의 넓은 갭은 Si에서 고유한 LiF가 풍부한 SEI의 형성을 촉진하여 고용량 사이클링에 매우 도움이 됩니다. Si 양극"이라고 Oleg는 설명했습니다. "우리가 설계한 전해질은 값비싼 공정 없이 현재 LIB 기술에 대한 드롭인 솔루션을 제공하는 동시에 전례 없는 높은 사이클링 안정성과 쿨롱 효율(CE)을 유지합니다."

Chen, Borodin, Wang 및 동료들의 최근 연구는 실리콘 양극을 포함하는 LIB에서 우수한 사이클링 및 높은 CE를 달성하는 것이 실제로 가능하며 이전에 배터리 내부의 전해질을 교체하는 것만으로 간단히 달성할 수 있음을 입증했습니다. 비실용적이거나 완전히 실현 불가능한 것으로 간주됩니다. 전해질 설계의 원리는 이론적으로 모든 고용량 합금 양극에 적용될 수 있습니다. 미래에 이 설계를 통해 흑연 이외의 재료를 기반으로 한 양극을 포함하는 더 나은 성능의 리튬 기반 배터리를 만들 수 있습니다.

Wang은 "우리의 발견은 전해질 설계의 새로운 방향을 제시하고 전 세계 연구팀에게 LIB에 고용량 양극 재료를 적용하는 데 확신을 줄 수 있다"고 말했다. "우리의 다음 단계는 전해질의 전압 창을 개선하고 기술 라이센스를 시도하는 것입니다.