- 엔지니어는 순수 실리콘 양극으로 고성능 전고체 배터리를 만듭니다.
서울, 한국, 9월 23, 2021 /PRNewswire/ — 엔지니어들은 두 개의 유망한 배터리 하위 필드를 단일 배터리로 엮는 새로운 유형의 배터리를 만들었습니다. 배터리는 고체 전해질과 전체 실리콘 음극을 모두 사용하여 실리콘 전체 고체 배터리입니다. 초기 테스트 라운드에서는 새 배터리가 안전하고 오래 지속되며 에너지 밀도가 높은 것으로 나타났습니다. 그리드 스토리지에서 전기 자동차에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 대한 약속을 가지고 있습니다.
배터리 기술은 24 월, 2021 저널의 발행 과학. 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스 나노엔지니어스가 LG에너지솔루션의 연구원들과 공동으로 연구를 주도했다.
실리콘 양극은 에너지 밀도로 유명하며, 이는 오늘날 상업용 리튬 이온 배터리에 가장 많이 사용되는 흑연 양극보다 10배나 높습니다. 반면에 실리콘 양극은 배터리가 충전 및 방전될 때 팽창 및 수축하는 방식과 액체 전해질로 분해되는 방식으로 악명이 높습니다. 이러한 문제로 인해 고무적인 에너지 밀도에도 불구하고 상용 리튬 이온 배터리에서 전체 실리콘 양극을 사용할 수 없었습니다. 에 발표된 신작 과학 올바른 전해질 덕분에 전체 실리콘 양극에 대한 유망한 경로를 제공합니다.
“이러한 배터리 구성으로 우리는 실리콘과 같은 합금 양극을 사용하는 전고체 배터리의 새로운 영역을 개척하고 있습니다.”라고 말했습니다. 대런 HS 탄, 논문의 주 저자. 그는 최근 UC 샌디에고 제이콥스 공과 대학에서 화학 공학 박사 학위를 마쳤으며 이 기술을 라이선스한 스타트업 UNIGRID 배터리를 공동 설립했습니다.
에너지 밀도가 높은 차세대 고체 배터리는 항상 금속 리튬을 양극으로 사용합니다. 그러나 이는 배터리 충전 속도에 제한을 가하고 충전 중 고온(보통 섭씨 60도 이상)이 필요합니다. 실리콘 양극은 이러한 한계를 극복하여 높은 에너지 밀도를 유지하면서 실온에서 낮은 온도에서 훨씬 빠른 충전 속도를 허용합니다.
팀은 실온에서 500% 용량 유지와 함께 80회 충전 및 방전 주기를 제공하는 실험실 규모의 전체 전지를 시연했으며, 이는 실리콘 양극 및 고체 배터리 커뮤니티 모두에 대한 흥미로운 진전을 나타냅니다.
흑연을 대체할 양극으로 실리콘
물론 실리콘 양극은 새로운 것이 아닙니다. 수십 년 동안 과학자와 배터리 제조업체는 리튬 이온 배터리의 기존 흑연 양극에 혼합하거나 완전히 대체하기 위해 에너지 밀도가 높은 재료로 실리콘을 고려했습니다. 이론적으로 실리콘은 흑연의 저장 용량의 약 XNUMX배를 제공합니다. 실제로, 그러나 에너지 밀도를 높이기 위해 양극에 실리콘을 추가한 리튬 이온 배터리는 일반적으로 실제 성능 문제를 겪고 있습니다. 특히 성능을 유지하면서 배터리를 충전 및 방전할 수 있는 횟수가 충분히 높지 않습니다.
문제의 대부분은 실리콘 양극과 양극이 쌍을 이룬 액체 전해질 사이의 상호 작용으로 인해 발생합니다. 충방전 동안 실리콘 입자의 부피 팽창으로 인해 상황이 복잡해집니다. 이로 인해 시간이 지남에 따라 심각한 용량 손실이 발생합니다.
“배터리 연구원으로서 시스템의 근본 문제를 해결하는 것이 중요합니다. 실리콘 양극의 경우 큰 문제 중 하나가 액체 전해질 계면의 불안정성이라는 것을 알고 있습니다.”라고 UC 샌디에이고 나노공학 교수가 말했습니다. 셜리 멩, 교신저자 과학 UC 샌디에이고 소재 발견 및 디자인 연구소 소장. "우리는 완전히 다른 접근 방식이 필요했습니다."라고 Meng는 말했습니다.
실제로 UC 샌디에고 주도 팀은 다른 접근 방식을 취했습니다. 탄소를 제거하고 바인더는 전체 실리콘 양극과 함께 사용했습니다. 또한 연구진은 일반적으로 많이 사용되는 나노실리콘보다 가공이 적고 가격이 저렴한 마이크로실리콘을 사용했다.
모든 솔리드 스테이트 솔루션
양극에서 모든 탄소와 바인더를 제거하는 것 외에도 팀은 액체 전해질도 제거했습니다. 대신 황화물 기반의 고체 전해질을 사용했습니다. 그들의 실험은 이 고체 전해질이 전체 실리콘 양극이 있는 배터리에서 매우 안정적이라는 것을 보여주었습니다.
"이 새로운 연구는 실리콘 양극 문제에 대한 유망한 솔루션을 제공하지만 더 많은 작업이 필요합니다."라고 교수가 말했습니다. 셜리 멩, “저는 이 프로젝트를 UC 샌디에고에서 배터리 연구에 대한 접근 방식을 검증한 것으로 봅니다. 우리는 가장 엄격한 이론적 및 실험적 작업을 창의성 및 틀을 벗어난 사고와 결합합니다. 우리는 또한 어려운 근본적인 문제를 추구하면서 업계 파트너와 상호 작용하는 방법을 알고 있습니다.”
주로 실리콘 합금 양극의 상용화를 위한 과거의 노력 집중 실리콘-흑연 복합 재료 또는 나노 구조 입자를 고분자 바인더와 결합하여 사용할 수 있습니다. 그러나 그들은 여전히 고생 한 안정성이 좋지 않습니다.
액체 전해질을 고체 전해질로 교체함과 동시에 탄소와 바인더를 제거함으로써 규소 애노드에서 연구원들은 배터리가 기능할 때 애노드가 유기 액체 전해질에 흠뻑 젖을 때 발생하는 일련의 관련 문제를 피했습니다.
동시에, 양극에서 탄소를 제거함으로써 팀은 액체 기반 전해질에서 일반적으로 발생하는 지속적인 용량 손실을 피하면서 고체 전해질과의 계면 접촉(및 원치 않는 부반응)을 크게 줄였습니다.
이 두 부분으로 이루어진 이동을 통해 연구원들은 실리콘의 저비용, 고에너지 및 환경 친화적인 특성의 이점을 완전히 누릴 수 있었습니다.
Impact & Spin-off 상용화
“고체 실리콘 접근 방식은 기존 배터리의 많은 한계를 극복합니다. 이는 특히 그리드 에너지 저장을 위한 더 높은 체적 에너지, 더 낮은 비용, 더 안전한 배터리에 대한 시장 요구를 충족할 수 있는 흥미로운 기회를 제공합니다”라고 말했습니다. 대런 HS 탄, 첫 번째 저자 과학 종이.
황화물 기반 고체 전해질은 종종 매우 불안정한 것으로 여겨졌습니다. 그러나 이것은 액체 전해질 시스템에서 사용되는 전통적인 열역학적 해석을 기반으로 했으며, 이는 고체 전해질의 우수한 운동 안정성을 설명하지 못했습니다. 팀은 이 반직관적인 속성을 활용하여 매우 안정적인 양극을 만들 수 있는 기회를 보았습니다.
Tan은 이러한 실리콘 전고체 배터리에 대한 기술을 라이선스한 스타트업 UNIGRID Battery의 CEO이자 공동 설립자입니다.
이와 동시에 LG 에너지 솔루션과의 추가 연구 협력을 포함하여 UC 샌디에고에서 관련 기초 작업이 계속됩니다.
“LG Energy Solution은 UC 샌디에이고의 배터리 기술에 대한 최신 연구 결과가 미국의 저널에 실린 것을 기쁘게 생각합니다. 과학김명환 LG에너지솔루션 사장 겸 최고구매책임자(CSO)는 “의미 있는 감사의 말씀을 전한다. “최근 발견으로 LG 에너지 솔루션은 전고체 배터리 기술 구현에 훨씬 더 가까워져 배터리 제품 라인업이 크게 다각화될 것입니다.”
김 사장은 “LGES는 배터리 선도기업으로서 차세대 배터리 셀 연구를 선도하는 첨단기술 육성에 지속적으로 노력하겠다”고 말했다. LG에너지솔루션은 UC 샌디에이고와 전고체전지 연구 협력을 더욱 확대할 계획이라고 밝혔다.
이번 연구는 배터리 관련 연구를 적극 지원하는 LG에너지솔루션의 오픈 이노베이션 프로그램의 지원으로 이뤄졌다. LGES는 관련 기술을 육성하기 위해 전 세계 연구원들과 협력하고 있습니다.
논문 제목
"황화물 고체 전해질에 의해 활성화된 무탄소 고부하 실리콘 양극", 9월 24, 2021 ~의 문제 과학.
작성자
대런 HS 탄, 첸 유팅, 양헤디, Wurigumula Bao, Bhagath Sreenarayanan, 장 마리 두, 리 웨이캉, 루빙규, 함소연, 바하락 사야푸르, 조나단 샤프, 에릭 A. 우, 그레이슨 다이셔, 첸 젱 과 잉 셜리 멩 NanoEngineering, 화학 공학 프로그램 및 지속 가능한 전력 및 에너지 센터(SPEC)에서 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스 제이콥스 공과대학; 한혜은, 하회진, 정혜리, 이정범, LG에너지솔루션㈜에서
기금
이 연구는 BIC(Battery Innovation Contest) 프로그램을 통해 LG 에너지 솔루션 회사의 재정적 지원을 받았습니다. ZC는 Jacob School of Engineering의 창업 기금 지원을 인정합니다. 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스. YSM은 Zable Endowed Chair Fund의 자금 지원을 인정합니다.
LG 에너지 솔루션 소개
LG 에너지 솔루션은 전기차 (EV), 모빌리티 및 IT 애플리케이션, 에너지 저장 시스템 (ESS) 용 고급 리튬 이온 배터리를 제공하는 글로벌 리더입니다. 30 년의 첨단 배터리 기술 경험을 바탕으로 지속 가능한 삶의 실현을 향해 빠르게 성장하고 있습니다. 24,000 명 이상의 직원이 미국에 퍼져있는 강력한 글로벌 네트워크 내에서 일하면서 유럽, 아시아및 호주, LG 에너지 솔루션은 미래 에너지를 한발 더 가까이 다가 갈 수있는 혁신적인 기술 개발에 그 어느 때보 다 더 노력하고 있습니다. 자세한 내용은 https://www.lgensol.com.
출처 LG에너지솔루션
관련 링크
https://www.lgensol.com/en/index
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