새로운 연구는 배터리 충전 작업 동안 전극(노란색)에 증착되는 나노구조 리튬 원자(파란색)의 진화에 대해 설명합니다. 아이다호 국립 연구소의 이미지 제공
샌디에고의 캘리포니아 대학교와 협력하는 아이다호 국립 연구소의 연구원은 충전 동작이 개선된 것으로 나타났습니다. 연구 결과는 재충전을 강화하고 배터리 수명을 늘릴 전략을 제안합니다. 유리 금속을 만들기 위한 놀라운 연구:
<블록 인용>결정질 리튬과 비교하여 유리질 리튬은 전기화학적 가역성이 뛰어나고 고에너지 충전식 배터리에 바람직한 구조라고 저자는 밝혔습니다.”
Nature Materials에 게재된 연구 작성자:Wang, X., Pawar, G., Li, Y. 외 고성능 충전식 리튬 배터리용 유리 리튬 금속 양극. 내트. 메이터. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-0729-1
<블록 인용>여기서, 극저온 투과 전자 현미경은 핵 생성 및 성장 과정에서 다양한 과도 상태에서 Li 금속 침착물의 진화하는 나노구조를 밝히기 위해 사용되었으며, 여기서 무질서-차수 상전이가 전류 밀도 및 침착 시간의 함수로 관찰되었습니다. . 넓은 공간적 및 시간적 규모에 걸친 원자 상호작용은 역학을 이해하는 데 도움이 되도록 반응성 분자 역학 시뮬레이션에 의해 묘사되었습니다. 결정질 Li에 비해 유리질 Li는 전기화학적 가역성이 뛰어나고 고에너지 충전식 Li 배터리에 적합한 구조를 가지고 있습니다.
우리의 연구 결과는 핵의 결정도와 나노구조 및 형태의 후속 성장을 연관시키고 Li 금속의 메조구조를 제어하고 형성하여 재충전 가능한 Li 배터리에서 고성능을 달성하는 전략을 제공합니다.
—왕 외전체 스토리:
원본 발행:Idaho National Laboratory
배터리 재충전의 처음 몇 순간을 면밀히 조사하던 재료 과학자들은 놀라운 사실을 발견했습니다. 그들의 발견은 기대, 논리 및 경험을 무시했습니다. 더 중요한 것은 더 나은 배터리, 더 빠른 촉매 및 기타 재료 과학 도약의 문을 열 수 있다는 것입니다.
Idaho National Laboratory와 University of California San Diego의 과학자들은 원자 수준에서 리튬 재충전의 초기 단계를 조사했습니다. 놀랍게도 그들은 느린 저에너지 충전으로 인해 리튬 원자가 무질서한 방식으로 전극에 침착되어 충전 거동이 향상된다는 사실을 알게 되었습니다. 이 비결정질 "유리질" 리튬은 관찰된 적이 없으며 이러한 비정질 금속을 만드는 것은 전통적으로 매우 어렵습니다.
이 발견은 배터리 수명을 늘리고 흥미롭게도 다른 응용 분야를 위한 유리 금속을 만들기 위한 재충전 접근 방식을 미세 조정하기 위한 전략을 제안합니다. 이 연구는 이번 주에 온라인 Nature Materials에 게재되었습니다. .
리튬 금속은 가벼우면서도 많은 에너지를 저장해야 하는 고에너지 충전식 배터리에 이상적인 양극으로 간주됩니다. 이러한 배터리를 재충전하려면 양극 표면에 리튬 원자를 증착하는 과정이 포함되며, 이는 원자 수준에서는 잘 이해되지 않습니다.
과학자들은 리튬 금속 양극이 불규칙하게 재충전될 수 있고 결과적으로 많은 재충전 주기를 견딜 수 없다는 것을 알고 있습니다. 리튬 원자가 양극에 증착되는 방식은 재충전 주기마다 다를 수 있으며, 핵 생성으로 알려진 과정인 처음 몇 개 원자의 초기 집합에 의해 영향을 받을 수 있습니다.
"초기 핵 생성은 배터리 성능, 안전성 및 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다."라고 INL 직원 과학자이자 이 논문의 두 명의 수석 저자 중 한 명인 Gorakh Pawar가 말했습니다. "특히 핵 생성의 초기 단계에서 리튬 증착의 기본 메커니즘을 이해하는 것이 중요합니다."라고 적었습니다.
충전 중에 리튬 원자가 처음으로 결합하는 방법을 발견하기 위해 연구원들은 강력한 전자 현미경의 이미지와 분석을 액체 질소 냉각 및 컴퓨터 모델링과 결합했습니다. 선구적인 저온 상태 전자 현미경 접근 방식을 통해 리튬 금속 "배아"의 생성을 볼 수 있었고 컴퓨터 시뮬레이션은 그들이 본 것을 설명하는 데 도움이 되었습니다.
다른 금속과 마찬가지로 리튬은 일반적으로 구조화된 결정질 상에 존재합니다. 결정이 다양한 모양으로 성장할 수 있기 때문에 이러한 "입자" 리튬은 재충전 및 단락을 일관되지 않게 유발할 수 있다고 Pawar는 말했습니다. 한 재충전 주기에서 다른 재충전 주기로 리튬이 지속적으로 성장하지 않으면 모양이 불규칙해지고(수상돌기라고도 함) 배터리 수명이 단축될 수 있습니다.
연구팀이 초기 핵형성 과정을 이해하려고 했을 때, 특정 조건에서 결정성(다이아몬드와 같은)이 아닌 비정질(유리와 같은)인 덜 구조화된 형태의 리튬이 생성된다는 사실을 알고 놀랐습니다.
UC 샌디에이고의 선구적인 극저온 현미경 연구를 이끈 Shirley Meng은 "이 연구에서 재료 과학의 새로운 현상을 발견하는 극저온 이미징의 힘이 보여집니다."라고 말했습니다. 그녀는 획득한 이미징 및 분광 데이터가 종종 복잡하고 복잡하다고 말했습니다. "컴퓨팅 모델링이 복잡성을 해독하는 데 도움이 되었기 때문에 실험 데이터를 자신 있게 해석할 수 있었던 것은 진정한 팀워크입니다."
결정질 리튬과 비교하여 유리질 리튬은 전기화학적 가역성에서 성능이 뛰어나고 고에너지 충전식 배터리에 바람직한 구조입니다."라고 저자는 말했습니다. 순수한 비정질 원소 금속은 이전에 관찰된 적이 없었기 때문에 이 발견은 충격적이었습니다. 그것들은 생산하기가 매우 어려우며 강력한 재료 특성을 부여하는 "유리질" 구성으로 소수의 금속 혼합물(합금)만 관찰되었습니다.
게다가 팀은 유리질 리튬 배아가 성장하는 동안 무정형 구조를 유지할 가능성이 더 높다는 것을 알게 되었습니다. 연구원들이 유리 핵 형성에 유리한 조건을 이해하기 위해 노력하면서 그들은 다시 한 번 충격을 받았습니다.
"우리는 매우 느린 충전 속도로 매우 온화한 조건에서 비정질 금속을 만들 수 있습니다."라고 INL 이사이자 INL 책임자인 Boryann Liaw가 말했습니다. "정말 놀랍네요."
느린 증착 속도는 원자가 정렬된 배열인 입자가 많은 리튬으로 가는 길을 찾을 수 있다고 생각했기 때문에 그 결과는 직관적이지 않았습니다. 그러한 조건에서 유리질 리튬을 찾는 것은 생각할 수 없는 일이라고 Liaw는 말했습니다. 모델링 작업은 반응 역학이 결정화와 경쟁하여 유리질 형성을 유도하는 방법을 설명했습니다. 팀은 배터리 응용 분야에 매력적인 4가지 반응성 금속의 유리질 형태를 만들어 이러한 발견을 확인했습니다.
이 연구는 고에너지 배터리를 재충전하는 동안 유리질 리튬 침전물을 더 잘 달성하는 방법을 제안합니다. 이 결과를 적용하면 연구 자금을 지원한 Department of Energy 이니셔티브인 Battery500 컨소시엄의 목표를 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다. 컨소시엄은 500Wh/kg의 셀 수준 비에너지로 상업적으로 실행 가능한 전기차 배터리를 개발하는 것을 목표로 합니다.
Liaw는 "진정한 혁신은 모든 재료 또는 프로세스에 대한 매우 기본적인 과학적 이해에서 비롯되어야 합니다."라고 말했습니다. 또한, 이러한 새로운 이해는 보다 효과적인 금속 촉매, 보다 강력한 금속 코팅 및 유리 금속의 이점을 얻을 수 있는 기타 응용 분야로 이어질 수 있습니다.
.Li 금속의 결정도와 성능 간의 상관관계(왼쪽) 및 더 나은 성능을 달성하기 위한 전략(오른쪽). 성능(왼쪽)은 높은 쿨롱 효율(CE), 긴 사이클 수명, 낮은 부피 변화 및 Li 덴드라이트의 부재를 포함하여 Li 금속 배터리의 양극으로서 Li 금속의 전기화학적 성능으로 지정됩니다. 구조적 연결은 전하 이동 및 이온 수송을 위한 전자 및 이온 경로를 유지하는 능력이라고 합니다. 열악한 구조적 연결은 손실된 전기화학적 활성을 촉진하고 '죽은' Li를 형성합니다. 전기화학적 가역성은 도금된 Li에 의한 박리된 Li의 함량 비율로 측정되며, 이는 100%에 가까워야 합니다. 이상적인 증착 밀도는 리튬 금속의 이론 밀도(0.534g cm–3)와 일치해야 합니다. 3D 기판 사용, 전류 밀도 변경, 계면 공학 및 전해질 설계와 같은 제안된 전략은 핵 생성 및 성장 동안 EDLi의 에너지 전달 및 물질 전달을 변경하여 EDLi의 다양한 결정도를 초래할 수 있습니다. 왕 등
