배터리 혁신으로 전기 비행 및 장거리 전기 자동차에 힘을 실어줍니다

원래 Berkeley Lab에서 발행

Berkeley Lab에서 개발된 새로운 배터리 기술은 전기 수직 이착륙(eVTOL) 항공기와 과급 안전 장거리 전기 자동차에 비행을 제공할 수 있습니다.

충전식 배터리 추구 한 번 충전으로 수백 마일을 주행할 수 있는 전기 자동차(EV)에 전력을 공급할 수 있는 과학자들은 현재 EV 배터리에 사용되는 흑연 양극을 리튬 금속 양극으로 교체하기 위해 노력했습니다.

그러나 리튬 금속은 EV의 주행 거리를 30~50% 연장하지만 많은 충전 및 방전 주기 동안 리튬 양극에 형성되는 작은 나무 모양의 결함인 리튬 수상돌기로 인해 배터리의 수명도 단축시킵니다. 설상가상으로 수상돌기는 음극과 접촉하는 경우 배터리의 셀을 단락시킵니다.

수십 년 동안 연구자들은 세라믹으로 만든 것과 같은 단단한 고체 전해질이 수상돌기가 세포를 통해 작용하는 것을 방지하는 데 가장 효과적일 것이라고 가정했습니다. 그러나 많은 사람들이 발견한 이 접근 방식의 문제는 자동차 앞유리의 작은 균열이 결국 퍼지는 것처럼 수상돌기 형성 또는 "핵 형성"을 처음부터 막지 못했다는 것입니다.

이제 에너지부의 로렌스 버클리 국립 연구소(버클리 연구소)의 연구원들은 카네기 멜론 대학과 공동으로 폴리머와 세라믹으로 만든 새로운 종류의 부드러운 고체 전해질이 수지상 돌기를 억제한다고 네이처 머티리얼즈 저널에 보고했습니다. 초기 핵 생성 단계에서 전파되어 배터리가 고장나기 전에.

이 기술은 고체 배터리용 재료와 장치를 조립, 특성화 및 개발하기 위한 새로운 아이디어를 개발하기 위해 사용자 시설 전반에 걸친 Berkeley Lab의 다학제적 협력의 한 예입니다.

고체 전극과 고체 전해질을 사용하는 고체 리튬 금속 배터리와 같은 고체 상태 에너지 저장 기술은 우수한 안전성과 결합된 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있지만 기술은 다양한 재료와 가공 문제를 극복해야 합니다.

우리의 수상돌기 억제 기술은 배터리 산업에 흥미로운 영향을 미칩니다.”라고 Berkeley Lab의 Molecular Foundry 직원 과학자인 Brett Helms가 말했습니다. "이를 통해 배터리 제조업체는 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 모두 갖춘 보다 안전한 리튬 금속 배터리를 생산할 수 있습니다."

Helms는 새로운 전해질로 제조된 리튬 금속 배터리가 전기 항공기에 동력을 공급하는 데에도 사용될 수 있다고 덧붙였습니다.

수지상 돌기 억제에 대한 부드러운 접근

이 새로운 연질 고체 전해질 설계의 핵심은 나노 크기의 세라믹 입자로 기공이 ​​채워진 고유 미세 기공의 연질 중합체 또는 PIM을 사용하는 것이었습니다. 전해질은 유연하고 부드럽고 단단한 재료로 남아 있기 때문에 배터리 제조업체는 양극과 배터리 분리막 사이에 라미네이트로 전해질을 사용하여 리튬 호일 롤을 제조할 수 있습니다. 이러한 리튬 전극 하위 어셈블리 또는 LESA는 기존 흑연 양극을 대체할 수 있는 매력적인 제품으로 배터리 제조업체가 기존 조립 라인을 사용할 수 있게 해준다고 Helms는 말했습니다.

Helms 팀은 Berkeley Lab의 Advanced Light Source에서 X선을 사용하여 리튬 금속과 전해질 사이의 계면에 대한 3D 이미지를 생성했습니다. (제공:Brett Helms/Berkeley Lab)

새로운 PIM 복합 전해질의 수상돌기 억제 기능을 시연하기 위해 Helms 팀은 Berkeley Lab의 Advanced Light Source에서 X-선을 사용하여 리튬 금속과 전해질 사이의 계면에 대한 3D 이미지를 생성하고 리튬 도금 및 스트리핑을 시각화했습니다. 고전류에서 16시간까지. 새로운 PIM 복합 전해질이 존재할 때 리튬의 지속적으로 부드러운 성장이 관찰되었으며, 없는 경우 계면은 수지상 성장의 초기 단계의 명백한 징후를 보여주었습니다.

이러한 데이터 및 기타 데이터는 고체 전해질의 화학적 및 기계적 특성을 모두 고려한 리튬 금속의 전착에 대한 새로운 물리적 모델의 예측을 확인했습니다.

2017년에 경질 전해질이 필요하다는 기존의 통념에 우리는 연질 고체 전해질로 새로운 수상돌기 억제 메커니즘이 가능하다는 것을 제안했습니다." 연구에 대한 이론 연구를 주도한 카네기 멜론 대학의 에너지 혁신 연구소. "PIM 복합 재료를 사용하여 이러한 접근 방식을 물질적으로 실현했다는 사실이 놀랍습니다."

ARPA-E(Advanced Research Projects Agency-Energy) IONICS 프로그램의 수상자인 24M Technologies는 EV 및 전기 수직 이착륙 항공기(eVTOL)용 대형 배터리에 이러한 재료를 통합했습니다.

EV 및 eVTOL에 대한 고유한 전력 요구 사항이 있지만 PIM 복합 고체 전해질 기술은 다재다능하고 고전력에서 가능하게 보입니다.”라고 Helms가 말했습니다.

버클리 연구소와 카네기 멜론 대학의 연구원들이 연구에 참여했습니다.

Molecular Foundry 및 Advanced Light Source는 Berkeley Lab에 함께 위치한 DOE Office of Science 사용자 시설입니다.

이 작업은 Advanced Research Projects Agency–Energy(ARPA-E)와 DOE Office of Science의 지원을 받았습니다. DOE의 교사 및 과학자 인력 개발 사무소에서 추가 자금을 제공하여 학부생이 과학 학부 실험실 인턴십 프로그램을 통해 연구에 참여할 수 있도록 했습니다.

뉴질랜드, Wisk eVTOL 비행 택시 테스트

가장 큰 과학적 과제는 팀이 가장 잘 해결할 수 있다는 믿음으로 1931년에 설립된 로렌스 버클리 국립 연구소와 그 과학자들은 13개의 노벨상을 수상했습니다. 오늘날 버클리 연구소의 연구원들은 지속 가능한 에너지 및 환경 솔루션을 개발하고 유용한 신소재를 만들고 컴퓨팅의 최전선을 개척하고 생명, 물질, 우주의 신비를 조사하고 있습니다. 전 세계의 과학자들은 자신의 발견 과학을 위해 연구소의 시설에 의존합니다. Berkeley Lab은 미국 에너지부 산하 과학국을 위해 캘리포니아 대학교에서 관리하는 다중 프로그램 국립 연구소입니다.

DOE의 Office of Science는 미국에서 물리학의 기초 연구를 지원하는 가장 큰 단일 기관이며 우리 시대의 가장 시급한 과제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 자세한 내용은 energy.gov/science를 방문하세요.