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연구진은 리튬 이온 배터리 셀에서 전류가 어떻게 열 흐름을 생성하는지 연구했습니다. 열은 전류와 반대로 흐르기 때문에 전류가 셀에 유입되는 쪽의 온도가 더 높아집니다.

신용
일리노이 대학교 어바나-샴페인 대학교 그레인저 공과대학

요약 :
배터리는 일반적으로 전압 및 전류와 같은 전기적 특성을 통해 연구되지만, 새로운 연구에 따르면 전기와 함께 열이 어떻게 흐르는지 관찰하면 배터리 화학에 대한 중요한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

열을 통해 배터리 화학에 대해 알 수 있는 것: 펠티에 효과를 사용하여 리튬 이온 셀 연구

일리노이주 어바나 | 게시일: 8년 2024월 XNUMX일

일리노이 대학교 어바나-샴페인(University of Illinois Urbana-Champaign) 연구진은 전류로 인해 시스템이 열을 끌어내는 펠티에 효과(Peltier effect)를 활용하여 리튬 이온 배터리 셀의 화학적 특성을 연구하는 방법을 시연했습니다. 물리 화학 화학 물리학(Physical Chemistry Chemical Physics) 저널에 보고된 이 기술을 통해 리튬 이온 배터리 설계에 직접적으로 영향을 줄 수 있는 열역학적 특징인 리튬 이온 전해질의 엔트로피를 실험적으로 측정할 수 있었습니다.

"우리의 연구는 용해된 리튬 이온의 기본적인 열역학을 이해하는 것입니다. 이는 더 나은 배터리 전해질 개발을 안내할 정보입니다"라고 일리노이대학교 재료 과학 및 공학 교수이자 프로젝트 책임자인 David Cahill은 말했습니다. "펠티에 효과에서 전하와 열의 결합된 이동을 측정하면 용해된 이온의 화학 구조 및 배터리의 다른 부분과 상호 작용하는 방식과 밀접하게 관련된 양인 엔트로피를 추론할 수 있습니다."

펠티에 효과는 냉각 및 냉동에 사용되는 고체 시스템에서 잘 연구되었습니다. 그러나 리튬 전해질과 같은 이온 시스템에서는 아직 탐구되지 않은 상태로 남아 있습니다. 그 이유는 펠티에 가열과 냉각에 의해 발생하는 온도차가 다른 효과에 비해 작기 때문입니다.

이러한 장벽을 극복하기 위해 연구진은 섭씨 10만분의 1도를 분해할 수 있는 측정 시스템을 사용했습니다. 이를 통해 연구진은 전지의 두 끝 사이의 열을 측정하고 이를 사용하여 전지 내 리튬 이온 전해질의 엔트로피를 계산할 수 있었습니다.

Cahill 연구 그룹의 대학원생이자 이번 연구의 공동 저자인 Rosy Huang은 “우리는 거시적인 특성을 측정하고 있지만 이는 여전히 이온의 미세한 거동에 대한 중요한 정보를 드러냅니다.”라고 말했습니다. “펠티에 효과와 용액의 엔트로피 측정은 용매화 구조와 밀접하게 연결되어 있습니다. 이전에 배터리 연구자들은 에너지 측정에 의존했지만 엔트로피는 시스템에 대한 보다 완전한 그림을 제공하는 정보에 대한 중요한 보완을 제공할 것입니다.”

연구진은 리튬 이온 농도, 용매 유형, 전극 재료 및 온도에 따라 펠티에 열 흐름이 어떻게 변하는지 조사했습니다. 모든 경우에 그들은 열 흐름이 용액의 이온 전류와 반대 방향으로 진행되는 것을 관찰했는데, 이는 리튬 이온의 용해로 인한 엔트로피가 고체 리튬의 엔트로피보다 작음을 의미합니다.

리튬 이온 전해질 용액의 엔트로피를 측정하는 능력은 이온의 이동성에 대한 중요한 통찰력을 제공하고, 배터리의 재충전 주기를 제어하며, 배터리 수명의 중요한 요소인 용액이 전극과 상호 작용하는 방식을 알려줍니다.

Cahill은 "배터리 설계에서 과소평가된 측면은 액체 전해질이 전극과 접촉할 때 화학적으로 안정적이지 않다는 것입니다."라고 말했습니다. “그것은 항상 고체 전해질 간기라고 불리는 것을 분해하고 형성합니다. 긴 주기에 걸쳐 배터리를 안정적으로 만들려면 해당 간기의 열역학을 이해해야 하며, 이것이 우리 방법이 수행하는 데 도움이 됩니다.”

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Zhe Cheng은 이 연구의 두 번째 공동 저자입니다. Beniamin Zahiri, Patrick Kwon 및 I. 재료 과학 및 공학 교수 Paul Braun도 이 작업에 기여했습니다.

연구진의 기사 "리튬이온 전해질의 이온성 펠티에 효과"는 온라인에서 볼 수 있습니다. DOI: 10.1039/d3cp05998g

미 육군 건설 공학 연구소와 미국 에너지부, 기초 에너지 과학실, 재료 과학 및 공학부에서 지원을 제공했습니다.

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연락처 :
카산드라 스미스
일리노이대학교 그레인저 공과대학

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