더 오래 지속되고 더 강력한 리튬 배터리를 가능하게 하는 디자인: 새로운 전해질을 사용하면 고급 금속 전극과 더 높은 전압을 허용하여 용량과 주기 수명을 높일 수 있습니다.

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Brookhaven National Lab에서 촬영한 X선 단층 촬영 이미지는 기존 전해질을 사용하는 배터리 셀의 한 전극에서 입자의 균열을 보여줍니다(왼쪽 참조). 연구진은 새로운 전해질을 사용하면 이러한 균열이 대부분 방지된다는 사실을 발견했습니다(오른쪽).
크레딧:이미지: 연구원 제공

요약 :
리튬이온 배터리는 이제 우리가 당연시하는 휴대성을 가진 가벼운 전자 장치를 가능하게 하고 전기 자동차 생산의 급속한 확장을 가능하게 했습니다. 그러나 전 세계의 연구자들은 기존 장치의 성능을 개선하고 잠재적으로 긴 장치와 같은 새로운 응용 프로그램을 가능하게 하기 위해 더 큰 에너지 밀도(주어진 물질의 질량에 저장할 수 있는 에너지의 양)를 달성하기 위해 계속해서 한계를 뛰어넘고 있습니다. -레인지 드론과 로봇.

디자인은 더 오래 지속되고 더 강력한 리튬 배터리를 가능하게 할 수 있습니다 : 새로운 전해질을 사용하면 고급 금속 전극과 더 높은 전압을 허용하여 용량과 수명을 늘릴 수 있습니다.

메사추세츠 캠브리지 | 게시일: 26년 2021월 XNUMX일

유망한 접근 방식 중 하나는 음극에 더 높은 충전 전압을 사용하여 기존 흑연 대신 금속 전극을 사용하는 것입니다. 그러나 이러한 노력은 전극을 분리하는 전해질과 함께 발생하는 원치 않는 다양한 화학 반응으로 인해 방해를 받았습니다. 이제 MIT와 다른 곳의 연구원 팀은 이러한 문제를 극복하고 사이클 수명을 희생하지 않고도 차세대 배터리의 무게당 전력을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 전해질을 발견했습니다.

이 연구는 MIT 교수인 Ju Li, Yang Shao-Horn 및 Jeremiah Johnson의 논문에서 Nature Energy 저널에 오늘 보고되었습니다. Postdoc Weijiang Xue; MIT, 19개의 국립 연구소 및 다른 곳에서 260명의 다른 사람들. 연구원들은 이 발견으로 현재 일반적으로 킬로그램당 약 420와트시를 저장할 수 있는 리튬 이온 배터리가 킬로그램당 약 XNUMX와트시를 저장할 수 있다고 말했습니다. 그것은 전기 자동차의 경우 더 긴 범위와 휴대용 장치의 더 오래 지속되는 변화로 해석됩니다.

이 전해질의 기본 원료는 저렴하고(중간 화합물 중 하나는 제한적으로 사용되기 때문에 여전히 비싸지만) 제조 공정이 간단합니다. 따라서 이러한 발전은 상대적으로 빠르게 구현될 수 있다고 연구원들은 말합니다.

전해질 자체는 새로운 것이 아니라고 화학 교수인 Johnson은 설명합니다. 그것은 몇 년 전에 이 연구팀의 일부 구성원에 의해 개발되었지만 다른 용도로 사용되었습니다. 배터리 에너지 밀도를 극대화하기 위한 궁극적인 장기 솔루션으로 여겨지는 리튬-공기 배터리 개발 노력의 일환이었습니다. 그러나 그러한 배터리의 개발에는 여전히 많은 장애물이 있으며 그 기술은 아직 몇 년이 더 걸릴 수 있습니다. 한편, 그 전해액을 금속 전극이 있는 리튬 이온 배터리에 적용하면 훨씬 더 빨리 달성할 수 있는 것으로 밝혀졌습니다.

이 전극 재료의 새로운 적용은 리튬-공기 배터리 개발을 목표로 하는 협력 벤처에서 몇 년 전 Shao-Horn, Johnson 및 다른 사람들에 의해 처음 개발된 후 "다소 뜻밖에" 발견되었습니다.

Johnson은 "아직도 우수한 충전식 리튬-공기 배터리를 허용하는 것은 없습니다."라고 말합니다. 그러나 "우리는 사용되는 기존 액체 전해질과 비교하여 안정성을 부여할 수 있기를 바라는 이러한 유기 분자를 설계했습니다." 그들은 세 가지 다른 술폰아미드 기반 제형을 개발했는데, 이는 산화 및 기타 분해 효과에 상당히 저항성이 있음을 발견했습니다. 그런 다음 Li의 그룹과 함께 작업하면서 박사후 연구원인 Xue는 대신 이 물질을 더 많은 표준 음극으로 시도하기로 결정했습니다.

코발트와 망간을 함유한 니켈 산화물인 이 전해질과 함께 현재 사용하고 있는 배터리 전극의 유형은 "오늘날 전기 자동차 산업의 주역"이라고 핵 과학 및 공학 및 재료 과학 및 공학 교수인 Li는 말합니다. .

전극 재료는 충전 및 방전 시 이방성으로 팽창 및 수축하기 때문에 기존 전해액과 함께 사용할 경우 균열 및 성능 저하가 발생할 수 있습니다. 그러나 Brookhaven National Laboratory와의 공동 실험에서 연구원들은 새로운 전해질을 사용하면 이러한 응력 부식 균열 저하가 크게 감소한다는 것을 발견했습니다.

문제는 합금의 금속 원자가 액체 전해질에 용해되어 질량을 잃고 금속에 균열이 생기는 경향이 있다는 것입니다. 대조적으로, 새로운 전해질은 그러한 용해에 매우 강합니다. Brookhaven 테스트의 데이터를 살펴보면 "전해액만 교체하면 이러한 모든 균열이 사라진다는 사실에 충격을 받았습니다."라고 Li는 말합니다. 그들은 전해질 물질의 형태가 훨씬 더 견고하고 전이 금속이 이러한 새로운 전해질에서 "용해도가 많지 않음"을 발견했습니다.

그것은 놀라운 조합이었다고 그는 말했다. 왜냐하면 이 물질은 전이 금속으로 알려진 다른 양이온이 들어가는 것을 차단하면서 배터리가 충전 및 방전되는 필수 메커니즘인 리튬 이온이 여전히 쉽게 통과할 수 있도록 하기 때문입니다. 많은 충방전 주기 후에 전극 표면에 원치 않는 화합물이 축적되는 것이 표준 전해질에 비해 XNUMX배 이상 감소했습니다.

"전해질은 고에너지 니켈이 풍부한 물질의 산화에 대해 화학적으로 저항력이 있어 입자 파괴를 방지하고 순환 중에 양극을 안정화시킵니다."라고 기계 공학 및 재료 과학 및 공학 교수인 Shao-Horn은 말합니다. "전해질은 또한 리튬 금속의 안정적이고 가역적인 박리 및 도금을 가능하게 하며, 이는 최첨단 리튬 이온 배터리보다 두 배의 에너지로 재충전 가능한 리튬 금속 배터리를 가능하게 하는 중요한 단계입니다. 이 발견은 고체 전해질을 사용하는 배터리에 필적하는 리튬 금속 배터리용 액체 전해질의 추가 전해질 검색 및 설계를 촉진할 것입니다.”

다음 단계는 합리적인 가격으로 생산을 확장하는 것입니다. Johnson은 "우리는 쉽게 구할 수 있는 상업적 출발 물질로부터 하나의 매우 쉬운 반응으로 그것을 만듭니다."라고 말했습니다. 당장은 전해질 합성에 사용되는 전구체 화합물이 비싸지만, “이것이 가전제품용으로 훌륭한 전해질이라는 것을 세계에 보여줄 수 있다면 더 규모를 키우려는 동기가 가격을 낮추는 데 도움이 될 것이라고 생각한다”고 말했다. .”

이것은 본질적으로 기존 전해질에 대한 "드롭인" 교체이고 전체 배터리 시스템의 재설계가 필요하지 않기 때문에 신속하게 구현될 수 있고 몇 년 내에 상용화될 수 있다고 Li는 말합니다. “고가의 원소는 없고 탄소와 불소만 있습니다. 따라서 리소스에 의해 제한되지 않고 프로세스일 뿐입니다.”라고 그는 말합니다.

이 연구는 미국 에너지부와 국립 과학 재단의 지원을 받았으며 Brookhaven 국립 연구소와 아르곤 국립 연구소의 시설을 활용했습니다.

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연락처 :
애비 아바 조리 우스
MIT 뉴스 오피스
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