외신 보도에 따르면 미국 에너지부(DOE) 브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory)의 연구원 그룹이 리튬 금속 음극 배터리의 내부 반응 메커니즘에 대한 새로운 세부 사항을 결정했습니다. , 더 저렴한 전기차 배터리를 위한 중요한 단계.

Brookhaven 국립 연구소의 배터리 연구원 (이미지 출처: Brookhaven 국립 연구소)

리튬 양극의 재생산

스마트폰부터 전기차까지 전통을 엿볼 수 있다. 리튬 배터리는 많은 기술을 널리 사용할 수 있게 했지만 여전히 전기 자동차에 장거리 전력을 제공하는 데 어려움을 겪고 있습니다.

미국 에너지부의 태평양 북서부 국립연구소(PNNL)와 미국 에너지부가 자금을 지원하는 대학 연구원들이 이끄는 연합인 Battery500은 에너지 밀도가 500Wh/kg인 배터리 셀을 만드는 것을 목표로 하고 있습니다. 즉, 오늘날 가장 발전된 배터리의 에너지 밀도의 두 배입니다. 이를 위해 동맹은 리튬 금속 음극으로 만든 배터리에 중점을 둡니다.

리튬 금속 배터리는 리튬 금속을 양극으로 사용합니다. 대조적으로, 대부분의 리튬 배터리는 흑연을 양극으로 사용합니다. 연구진은 “리튬 양극은 Battery500 에너지 밀도 목표를 달성하는 핵심 요소 중 하나”라고 말했다. “에너지 밀도가 기존 배터리의 XNUMX배라는 장점이 있습니다. 첫째, 양극의 특정 용량이 매우 높습니다. 둘째, 더 높은 전압의 배터리를 가질 수 있고 둘의 조합은 더 높은 에너지 밀도를 가질 수 있습니다.”

과학자들은 리튬 양극의 장점을 오랫동안 인식해 왔습니다. 사실, 리튬 금속 애노드는 배터리 캐소드에 연결된 첫 번째 애노드입니다. 그러나 양극의 “가역성”, 즉 가역적 전기화학 반응을 통해 충전하는 능력이 부족하기 때문에 배터리 연구원들은 결국 리튬 금속 음극 대신 흑연 양극을 사용하여 리튬 배터리를 만들게 되었습니다.

이제 수십 년의 발전 끝에 연구원들은 리튬 배터리의 한계를 뛰어 넘는 가역 리튬 금속 양극을 실현할 수 있다고 확신하고 있습니다. 핵심은 인터페이스, 즉 전기화학 반응 동안 배터리 전극에 형성되는 고체 물질층입니다.

“이 인터페이스를 완전히 이해할 수 있다면 가역 리튬 양극의 재료 설계 및 제조에 중요한 지침을 제공할 수 있습니다.”라고 연구진은 말했습니다. “그러나 이 인터페이스를 이해하는 것은 매우 얇은 재료 층이고 두께가 불과 몇 나노미터에 불과하고 공기와 습도에 민감하므로 샘플을 처리하는 것이 까다롭습니다.”

이 인터페이스는 NSLS-II에서 시각화됩니다.

이러한 문제를 해결하고 계면의 화학적 조성과 구조를 “보기” 위해 연구원들은 Brookhaven 국립 연구소의 DOE 과학 사무소의 사용자 시설인 NSLS-II(National Synchrotron Radiation Light Source II)를 사용했습니다. 원자 규모에서 계면의 물질적 특성을 연구하기 위한 초광도 X선.

nSLS-II의 고급 기능을 사용하는 것 외에도 팀은 인터페이스의 모든 구성 요소를 감지할 수 있는 빔 라인(실험 스테이션)을 사용해야 하고 고에너지(단파장) X선을 사용하여 결정질을 감지해야 합니다. 및 비정질 상.

“화학 팀은 빔라인에서 제공하는 두 가지 다른 기술인 X선 회절(XRD) 및 분포 함수(PDF) 분석을 사용하여 XPD 다중 모드 접근 방식을 채택했습니다.”라고 연구원들은 말했습니다. “XRD는 결정상을 연구할 수 있고 PDF는 비정질상을 연구할 수 있습니다.”

XRD 및 PDF 분석 결과 흥미로운 결과가 나타났습니다. 리튬 하이드라이드(LiH)가 계면에 존재합니다. 수십 년 동안 과학자들은 계면에서 LiH의 존재에 대해 논쟁을 벌여왔고, 이로 인해 계면을 형성하는 기본 반응 메커니즘에 대한 불확실성이 생겨났습니다.

“LiH와 불화리튬(LiF)은 결정 구조가 매우 유사합니다. LiH의 발견에 대한 우리의 주장은 우리가 LiF를 LiH로 착각한다고 믿는 일부 사람들에게 의문을 제기했습니다.”라고 연구원이 말했습니다.

연구와 관련된 논란과 LiH와 LiF를 구별하는 기술적 과제를 고려하여 연구팀은 공기 노출 실험을 포함하여 LiH의 존재에 대한 여러 증거를 제공하기로 결정했습니다.

“연구원들은 “LiF는 공기 중에서 안정하지만 LiH는 불안정합니다. 계면을 습한 공기에 노출시키고 시간이 지남에 따라 화합물의 양이 감소하면 실제로 LiF가 아닌 LiH가 표시되고 LiF임을 확인할 수 있습니다. LiH와 LiF를 구별하기 어렵고 공기 노출 실험이 이전에 수행된 적이 없기 때문에 LiH는 많은 문헌 보고서에서 LiF로 오인될 가능성이 가장 높거나 습한 환경에서 LiH 분해로 인해 관찰되지 않습니다. ”

연구원은 계속 말했다. “PNNL이 수행한 샘플 준비 작업은 이 연구에 매우 중요합니다. 실험 전에 샘플이 습한 환경에 노출되었기 때문에 많은 사람들이 LiH를 식별하지 못하는 것으로 의심됩니다.” 샘플을 제대로 채취하지 않으셨다면 샘플을 봉인하고 샘플을 배송해 주시면 LiH를 놓칠 수 있습니다. ”

연구팀은 LiH의 존재를 확인하는 것 외에도 LiF를 둘러싼 또 다른 오랜 미스터리를 풀었다. LiF는 오랫동안 인터페이스의 유익한 구성 요소로 간주되어 왔지만 아무도 그 이유를 완전히 이해하지 못했습니다. 연구팀은 계면 내에서 LiF의 구조적 차이와 LiF 자체의 대부분의 구조적 차이를 결정하고 전자가 양극과 음극 사이의 리튬 이온 수송을 촉진한다는 것을 발견했다.

Brookhaven 국립 연구소, 기타 국립 연구소 및 대학의 배터리 과학자들은 계속 협력하고 있습니다. 연구원들은 이러한 결과가 리튬 금속 음극 개발에 매우 ​​필요한 실용적인 지침을 제공할 것이라고 말했습니다.