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Mark Shwartz 작성
스탠포드 연구원들은 전기 자동차의 주행 거리를 늘릴 수 있는 리튬 금속 배터리용 새로운 전해질을 설계했습니다. 아래 동영상을 시청하세요.
스탠포드 대학 과학자들이 발명한 새로운 리튬 기반 전해질은 차세대 배터리 구동 전기 자동차를 위한 길을 열 수 있습니다.
리튬 금속 배터리용 새 전해질에 대한 가연성 테스트(Stanford ENERGY 제공)
Nature Energy에 6월 22일 게재된 연구에서 , Stanford 연구원들은 그들의 새로운 전해질 설계가 전기 자동차, 노트북 및 기타 장치에 전력을 공급하기 위한 유망한 기술인 리튬 금속 배터리의 성능을 어떻게 향상시키는지 보여줍니다.
연구 공동 저자인 SLAC 국립 가속기 연구소의 재료 과학 및 공학 및 광자 과학 교수인 Yi Cui는 "대부분의 전기 자동차는 에너지 밀도에 대한 이론적인 한계에 빠르게 접근하고 있는 리튬 이온 배터리로 작동합니다."라고 말했습니다. "우리 연구는 리튬 이온 배터리보다 가볍고 잠재적으로 단위 중량 및 부피당 더 많은 에너지를 전달할 수 있는 리튬 금속 배터리에 초점을 맞췄습니다."
스마트폰에서 전기 자동차에 이르기까지 모든 것에 사용되는 리튬 이온 배터리에는 두 개의 전극이 있습니다. 리튬이 포함된 양전하 음극과 일반적으로 흑연으로 만들어진 음전하 양극입니다. 전해액을 사용하면 배터리를 사용할 때와 충전할 때 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 왔다갔다 할 수 있습니다.
리튬 금속 배터리는 오늘날의 기존 리튬 이온 배터리보다 킬로그램당 약 두 배의 전기를 저장할 수 있습니다. 리튬 금속 배터리는 흑연 양극을 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 리튬 금속으로 교체하여 이를 수행합니다.
연구 공동 저자인 Zhenan Bao는 "리튬 금속 배터리는 무게와 부피가 큰 문제인 전기 자동차에 매우 유망합니다."라고 말했습니다. 이공대 교수. “그러나 작동 중에 리튬 금속 양극은 액체 전해질과 반응합니다. 이로 인해 양극 표면에 덴드라이트(dendrites)라고 불리는 리튬 미세 구조가 성장하여 배터리에 불이 붙고 고장날 수 있습니다.”
연구원들은 수상돌기 문제를 해결하기 위해 수십 년 동안 노력해 왔습니다.
공동 저자인 화학 대학원생인 Zhiao Yu는 "전해질은 리튬 금속 배터리의 아킬레스건이었습니다."라고 말했습니다. "우리 연구에서 우리는 유기 화학을 사용하여 이 배터리를 위한 새롭고 안정적인 전해질을 합리적으로 설계하고 만듭니다."
연구를 위해 Yu와 그의 동료들은 일반적으로 상업적으로 이용 가능한 액체 전해질로 안정성 문제를 해결할 수 있는지 조사했습니다.
"우리는 전해질 분자에 불소 원자를 추가하면 액체가 더 안정될 것이라고 가정했습니다."라고 Yu가 말했습니다. “불소는 리튬 전지의 전해질에 널리 사용되는 원소입니다. 우리는 리튬 금속 양극이 전해질에서 잘 기능하도록 하는 새로운 분자를 만들기 위해 전자를 끌어당기는 능력을 사용했습니다.”
그 결과 대량으로 쉽게 생산할 수 있는 새로운 합성 화합물(약칭 FDMB)이 탄생했습니다.
"전해질 디자인은 매우 이국적입니다."라고 Bao는 말했습니다. “일부는 좋은 가능성을 보여주었지만 생산 비용이 매우 비쌉니다. Zhiao가 고안한 FDMB 분자는 대량으로 만들기 쉽고 매우 저렴합니다.”
Stanford 팀은 리튬 금속 배터리에서 새로운 전해질을 테스트했습니다.
결과는 극적이었습니다. 실험용 배터리는 420번의 충전 및 방전 주기 후에도 초기 충전량의 90%를 유지했습니다. 실험실에서 일반적인 리튬 금속 배터리는 약 30사이클 후에 작동을 멈춥니다.
연구원들은 또한 "쿨롱 효율"로 알려진 특성인 충방전 동안 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 얼마나 효율적으로 이동하는지 측정했습니다.
“리튬이온 1,000개 충전하면 방전 후 얼마나 되겠습니까?” 추이가 말했다. “이상적으로는 1000%의 쿨롱 효율을 위해 1,000 중 1,000이 필요합니다. 상업적으로 실행 가능한 배터리 셀은 최소 99.9%의 쿨롱 효율이 필요합니다. 우리 연구에서 우리는 반쪽 세포에서 99.52%, 전체 세포에서 99.98%를 얻었습니다. 놀라운 성능입니다.”
소비자 전자 제품의 잠재적 사용을 위해 Stanford 팀은 양극이 없는 리튬 금속 파우치 셀에서 FDMB 전해질을 테스트했습니다. 이 전지는 양극에 리튬을 공급하는 음극이 있는 상업적으로 이용 가능한 배터리입니다.
재료 과학 및 공학 대학원생인 공저자인 Hansen Wang은 “이 아이디어는 무게를 줄이기 위해 음극 쪽에만 리튬을 사용하는 것입니다. "양극이 없는 배터리는 용량이 80%로 떨어지기 전에 100사이클을 실행했습니다. 이는 500~1,000사이클을 갈 수 있는 동급 리튬 이온 배터리만큼 좋지는 않지만 여전히 최고의 성능을 발휘하는 양극 없는 전지 중 하나입니다."
"이러한 결과는 광범위한 장치에 대한 가능성을 보여줍니다."라고 Bao가 덧붙였습니다. "경량의 양극이 없는 배터리는 드론 및 기타 많은 가전 제품에 매력적인 기능이 될 것입니다."
미국 에너지부(DOE)는 배터리 500이라는 대규모 연구 컨소시엄에 자금을 지원하여 리튬 금속 배터리를 실행 가능하게 만들었습니다. 이 연구는 Stanford와 SLAC를 포함하는 컨소시엄의 보조금으로 부분적으로 지원되었습니다.
배터리500은 양극, 전해질 및 기타 구성 요소를 개선함으로써 리튬 금속 배터리가 전달할 수 있는 전기량을 2016년 프로그램이 시작되었을 때 킬로그램당 약 180와트시에서 킬로그램당 500와트시로 거의 3배 증가시키는 것을 목표로 하고 있습니다. 더 높은 에너지 대 중량 비율 또는 "비에너지"는 잠재적인 전기 자동차 구매자가 종종 갖는 범위 불안을 해결하는 열쇠입니다.
Cui는 “우리 연구실의 무양극 배터리는 킬로그램당 약 325와트시를 달성했으며 이는 상당한 수치입니다. "우리의 다음 단계는 킬로그램당 500와트시라는 컨소시엄의 목표에 접근하는 전지를 구축하기 위해 Battery500의 다른 연구원과 협력하는 것입니다."
더 긴 주기 수명과 더 나은 안정성 외에도 FDMB 전해질은 연구원들이 이 비디오에서 시연한 것처럼 기존 전해질보다 가연성이 훨씬 낮습니다.
"우리 연구는 기본적으로 사람들이 더 나은 전해질을 찾기 위해 적용할 수 있는 설계 원칙을 제공합니다."라고 Bao가 덧붙였습니다. "우리는 단지 한 가지 예를 보여줬을 뿐이지만 다른 많은 가능성이 있습니다."
다른 Stanford 공동 저자는 다음과 같습니다. 진진 , 화학 공학 조교수; 박사후 과정 학자 Xian Kong, Kcheng Wang, Wenxiao Huang, Snehashis Choudhury 및 Chibueze Amanchukwu; 대학원생 William Huang, Yuchi Tsao, David Mackanic, Yu Zheng 및 Samantha Hung; 그리고 학부생 Yuting Ma와 Eder Lomeli. Xiamen University의 Xinchang Wang도 공동 저자입니다. Zhenan Bao와 Yi Cui는 Stanford의 선임 연구원입니다. 프리코트 에너지 연구소 <엠>. Cui는 스탠포드 재료 및 에너지 과학 연구소 , 공동 SLAC/스탠포드 연구 프로그램.
이 작업은 DOE 차량 기술국의 배터리 재료 연구 프로그램에서도 지원되었습니다. Stanford에서 사용되는 시설은 National Science Foundation에서 지원합니다.
"리튬 금속 배터리용 새로운 전해질에 대한 가연성 테스트", Stanford ENERGY 비디오의 주요 이미지 제공
