고체 배터리 설계로 몇 분 만에 충전되고 수천 사이클 동안 지속됩니다.

하버드 SEAS(John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences) 연구원들은 다른 파우치 배터리 셀보다 최소 6,000회 충전 및 방전이 가능하고 1회 충전이 가능한 새로운 리튬 금속 배터리를 개발했습니다. 몇 분이면 됩니다.

이 연구는 리튬 금속 양극을 사용하여 고체 배터리를 만드는 새로운 방법을 설명할 뿐만 아니라 잠재적으로 혁명적인 배터리에 사용되는 재료에 대한 새로운 이해를 제공합니다.

이 연구는 자연재료.

“리튬 금속 양극 배터리는 상업용 흑연 양극보다 용량이 10배 더 크고 전기 자동차의 주행 거리를 획기적으로 늘릴 수 있기 때문에 배터리의 성배로 간주됩니다”라고 SEAS의 재료 과학 부교수이자 논문 수석 저자인 Xin Li가 말했습니다. 종이. “우리의 연구는 산업 및 상업용 응용 분야를 위한 보다 실용적인 고체 배터리를 향한 중요한 단계입니다.”

이러한 배터리 설계의 가장 큰 과제 중 하나는 양극 표면에 수상돌기가 형성되는 것입니다. 이러한 구조는 전해질 속으로 뿌리처럼 자라서 양극과 음극을 분리하는 장벽을 뚫고 배터리가 단락되거나 심지어 화재가 발생하는 원인이 됩니다.

이러한 수상돌기는 충전 중에 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하여 도금이라는 과정에서 양극 표면에 부착될 때 형성됩니다. 양극의 도금은 치아의 플라크처럼 고르지 않고 비균질한 표면을 만들어 수상돌기가 뿌리를 내리게 합니다. 방전되면 플라크 같은 코팅을 양극에서 벗겨내야 하며 도금이 고르지 않으면 벗겨내는 과정이 느려지고 다음 충전에서 더욱 고르지 못한 도금을 유발하는 포트홀이 발생할 수 있습니다.

2021년 Li와 그의 팀은 양극과 음극 사이에 다양한 안정성의 다양한 재료를 끼워 넣은 다층 배터리를 설계하여 수상돌기를 처리하는 한 가지 방법을 제시했습니다. 이 다층, 다중 재료 설계는 리튬 수지상 결정을 완전히 차단하는 것이 아니라 제어하고 억제함으로써 리튬 수지상 결정의 침투를 방지했습니다.

이 새로운 연구에서 Li와 ​​그의 팀은 리튬화 반응을 수축하고 두꺼운 리튬 금속 층의 균일한 도금을 촉진하기 위해 양극에 마이크론 크기의 실리콘 입자를 사용하여 수상돌기 형성을 막습니다.

이 설계에서는 충전 중에 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동할 때 리튬화 반응이 얕은 표면에서 수축되고 이온이 실리콘 입자 표면에 부착되지만 더 이상 침투하지는 않습니다. 이는 리튬 이온이 깊은 리튬화 반응을 통해 침투하여 궁극적으로 양극의 실리콘 입자를 파괴하는 액체 리튬 이온 배터리의 화학적 성질과 현저히 다릅니다.

그러나 전고체 배터리에서는 실리콘 표면의 이온이 수축되어 동적 리튬화 과정을 거쳐 실리콘 코어 주위에 리튬 금속 도금이 형성됩니다.

“우리의 설계에서는 리튬 금속이 초콜릿 트러플의 헤이즐넛 코어 주위에 단단한 초콜릿 껍질처럼 실리콘 입자를 감싸게 됩니다”라고 Li는 말했습니다.

이러한 코팅된 입자는 전류 밀도가 고르게 분포되는 균일한 표면을 생성하여 수상돌기의 성장을 방지합니다. 그리고 평평한 표면에서 도금과 박리가 빠르게 일어나기 때문에 배터리는 약 10분 만에 재충전할 수 있습니다.

연구진은 우표 크기의 파우치 셀 버전의 배터리를 제작했는데, 이는 대부분의 대학 연구실에서 만든 코인 셀보다 10~20배 더 큽니다. 이 배터리는 6,000회 주기 후에도 용량의 80%를 유지하여 현재 시중에 나와 있는 다른 파우치 셀 배터리보다 성능이 뛰어납니다. 이 기술은 Harvard Office of Technology Development를 통해 Li와 3명의 Harvard 졸업생이 공동 창립한 Harvard 스핀오프 회사인 Adden Energy에 라이선스가 부여되었습니다. 회사는 스마트폰 크기의 파우치 셀 배터리를 제작할 수 있도록 기술을 확장했습니다.

Li와 그의 팀은 또한 두꺼운 리튬의 균일한 도금을 선호하는 동적 프로세스를 촉진하기 위해 실리콘이 리튬의 확산을 제한할 수 있는 특성을 특성화했습니다. 그런 다음 그들은 그러한 프로세스를 설명하기 위해 고유한 특성 설명자를 정의하고 알려진 모든 무기 재료에 대해 이를 계산했습니다. 이를 통해 팀은 잠재적으로 유사한 성능을 발휘할 수 있는 수십 가지 다른 재료를 공개했습니다.

Li는 “이전 연구에서는 은을 포함한 다른 물질이 고체 배터리 양극에서 좋은 물질로 사용될 수 있다는 것을 발견했습니다.”라고 말했습니다. “우리의 연구는 프로세스의 가능한 기본 메커니즘 중 하나를 설명하고 배터리 설계를 위한 새로운 재료를 식별하는 경로를 제공합니다.”

이 연구는 Luhan Ye, Yang Lu, Yichao Wang 및 Jianyuan Li가 공동 집필했습니다. 이는 에너지부 차량 기술 사무소, 하버드 기후 변화 솔루션 기금 및 하버드 데이터 과학 이니셔티브 기금의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/01/240108153157.htm