차세대 리튬 배터리에는 새로운 유형의 납 기반 양극이 사용됩니다.

리튬 이온 배터리는 스마트폰부터 노트북, 전기차까지 모든 기기에 전원을 공급합니다. 전 세계의 과학자들은 이러한 응용 분야와 기타 응용 분야에 더 나은 배터리를 제조하기 위해 새롭고 향상된 구성 요소를 찾고 있습니다.

미국 에너지부(DOE) 아르곤 국립 연구소의 과학자들은 납과 탄소와 같은 저가 재료를 사용하여 리튬 이온 배터리용으로 설계된 새로운 전극을 보고했습니다. 이 중요한 발견에는 노스웨스턴 대학교, 브룩헤이븐 국립 연구소, 울산 국립과학기술원(UNIST)의 과학자들도 포함되어 있습니다.

아르곤 대학교 화학 공학(CSE) 수석 저자이자 재료 과학자인 이응제 박사는 "우리의 연구는 하이브리드에 전력을 공급할 수 있는 저비용, 고성능, 지속 가능한 리튬 이온 배터리를 설계하는 데 흥미로운 의미를 갖는다"고 말했습니다. 그리고 모든 전기 자동차.".

리튬 이온 배터리의 작동 원리는 충전 중에 리튬 이온을 양극에 삽입하고 방전 중에 제거하는 것입니다. 현재 흑연 음극은 이러한 전하방전 주기를 수천 번 겪을 수 있지만, 에너지 저장 용량 측면에서 한계에 도달한 것으로 보인다.

이 대표는 “음극소재인 흑연을 대체할 납을 연구하게 됐다”며 “납은 가격이 저렴하고 매력적이다. , 완전한 공급망을 보유하고 있으며 미국에서 현재 납 회수율은 99%입니다."

Li는 "우리의 새로운 양극은 현재 납축 배터리 제조 및 재활용에 종사하는 대규모 산업에 새로운 수익원을 제공할 수 있습니다"라고 덧붙였습니다.

팀의 양극은 일반적인 납판이 아니라 복잡한 구조를 가진 셀 수 없이 많은 미세한 입자입니다. 납 나노입자는 탄소 매트릭스에 내장되어 있으며 얇은 납 산화물 껍질로 둘러싸여 있습니다. 이 구조가 복잡해 보이지만 팀은 간단하고 저렴한 제조 방법을 발명했습니다.

이 프로젝트의 주요 연구원이자 CSE Argonne의 뛰어난 연구원인 Christopher Johnson은 "우리의 방법은 큰 산화납 입자를 탄소 분말과 혼합하고 원하는 코어-쉘 구조를 가진 미세한 입자가 형성될 때까지 몇 시간 동안 진동하는 것을 포함합니다."라고 설명했습니다.

100회 이상의 충전 방전 주기를 가진 실험실 배터리에서 수행된 테스트에 따르면 새로운 납 기반 나노복합 양극의 에너지 저장 용량은 현재 흑연 양극(동일 중량에 대해 표준화됨)의 두 배인 것으로 나타났습니다. 작은 입자 크기로 응력을 완화할 수 있어 사이클링 공정 중 안정적인 성능이 가능하며, 탄소 매트릭스는 필요한 전도성을 제공하고 사이클링 공정 중 부피 팽창에 대한 손상을 방지하는 완충 역할을 합니다. 연구팀은 표준 전해액에 플루오르에틸카보네이트를 소량 첨가하면 성능이 크게 향상된다는 점도 발견했다.

연구진은 DOE 과학이용시설실인 아르고나에 위치한 시카고대학교가 운영하는 GeoSoilEnviro Advanced Radiation Source Center(GSECARS)에서 양극의 충전 및 방전 메커니즘을 연구했습니다. 싱크로트론 X선 회절을 통해 충전 및 방전 시 음극 소재의 상전이를 추적할 수 있습니다. 노스웨스턴 대학의 원자 및 나노규모 특성화 센터와 브룩헤이븐에 있는 DOE 사용자 시설 국립 싱크로트론 광원 II에서 수집한 결과와 결합된 이러한 특성화 결과는 충전 및 방전 중에 납과 리튬 이온 사이에서 발생하는 전기화학 반응을 보여줍니다. 이전에는 알려지지 않았습니다.

이 교수는 “이러한 근본적인 통찰은 납과 실리콘 양극 사이의 반응 메커니즘을 이해하는 데 중요할 수 있다”고 말했다.

실리콘 양극은 차세대 리튬 이온 배터리를 위한 또 다른 저비용 및 고성능 선택입니다.

Johnson은 "우리의 발견은 이 전극 재료에 대한 현재의 이해에 도전하고 있습니다"라고 말했습니다. 우리의 발견은 또한 전력망용 백업 전원과 같은 운송 및 고정 에너지 저장을 위한 저비용, 고성능 양극 재료를 설계하는 데 흥미로운 의미를 제공합니다. "

팀의 논문은 최근 출판된 Advanced Functional Materials에 게재되었습니다.