리튬 란타늄 티타네이트 입자는 마이크로미터 크기에서도 높은 출력 밀도를 가능하게 함 - Nature Communications에 게재
원본은 Karlsruhe Institute of Technology(KIT)에 게시됨
중국 장춘에 있는 KIT(Karlsruhe Institute of Technology) 및 Jilin University의 연구원들이 미래의 고성능 배터리용으로 매우 유망한 양극 재료인 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 리튬 란타늄 티타네이트(LLTO)를 조사했습니다. 연구팀이 Nature Communications 저널에 보고한 바와 같이 LLTO는 마이크로에서 나노 스케일로 입자 크기를 감소시키지 않고도 배터리의 에너지 밀도, 전력 밀도, 충전 속도, 안전성 및 사이클 수명을 향상시킬 수 있습니다. (DOI:10.1038/s41467-020-17233-1)
지속 가능한 에너지 공급을 보장하는 스마트 그리드에 대한 수요 증가와 함께 전기 자동차에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 이러한 기술과 기타 이동식 및 고정식 기술에는 적합한 배터리가 필요합니다. 가능한 한 가장 작은 공간에 가능한 한 많은 에너지를 가능한 한 가장 가벼운 무게로 저장하는 것 – 리튬 이온 배터리(LIB)는 여전히 이 요구 사항을 가장 잘 충족합니다. 이 연구는 이러한 배터리의 에너지 밀도, 전력 밀도, 안전성 및 사이클 수명을 개선하는 것을 목표로 합니다. 여기서 전극 재료는 매우 중요합니다. 리튬 이온 배터리의 양극은 집전체와 여기에 적용된 활물질로 구성되어 화학 결합 형태로 에너지를 저장합니다. 대부분의 경우 흑연이 활물질로 사용됩니다. 그러나 흑연으로 만들어진 음극은 충전율이 낮다. 또한, 그들은 안전 문제와 관련이 있습니다. 대체 활물질 중 리튬티타네이트옥사이드(LTO)는 이미 상용화됐다. LTO가 있는 음극은 더 높은 충전 속도를 나타내며 흑연으로 만든 음극보다 더 안전한 것으로 간주됩니다. 단점은 리튬 티타네이트 산화물이 포함된 리튬 이온 배터리가 에너지 밀도가 더 낮은 경향이 있다는 것입니다.
출처:리튬 란타늄 티타네이트 페로브스카이트를 리튬 이온 배터리용 양극으로 사용
도식적 결정 구조; b 분말 XRD를 기반으로 한 Rietveld 정제; c [100] 영역 축을 따른 LLTO 페로브스카이트의 넓은 영역 HAADF 이미지. 스케일 바:5 nm; d LLTO의 HAADF-STEM 이미지. 스케일 바:2 nm; e ABF-STEM 이미지; f HAADF-STEM의 확대; g ABF-STEM 확대. e 및 g의 녹색, 파란색 및 빨간색 공은 각각 La, Ti 및 O의 원자를 나타냅니다.
KIT의 IAM-ESS(Institute for Applied Materials – Energy Storage Systems) 소장인 Helmut Ehrenberg 교수 팀은 이제 또 다른 매우 유망한 양극 재료인 페로브스카이트 결정 구조(LLTO)를 갖는 리튬 란타늄 티타네이트를 조사했습니다. 중국 장춘의 길림대학 과학자들과 중국 및 싱가포르의 다른 연구 기관과 공동으로 수행한 연구에 따르면 LLTO 양극은 상용화된 LTO 양극에 비해 전극 전위가 낮아 더 높은 전지 전압을 얻을 수 있습니다. 더 높은 용량을 제공합니다. <블록 인용>셀 전압과 저장 용량은 궁극적으로 배터리의 에너지 밀도를 결정합니다.”라고 Ehrenberg는 설명합니다. "미래에는 LLTO 양극을 사용하여 수명이 긴 특히 안전한 고성능 전지를 만들 수 있습니다."
이 연구는 POLiS 우수 클러스터도 포함하는 세계 최대 배터리 연구 플랫폼 중 하나인 전기화학 저장 연구 플랫폼인 CELEST(Center for Electrochemical Energy Storage Ulm &Karlsruhe)의 작업에 기여합니다.
에너지 밀도, 전력 밀도, 안전 및 사이클 수명 외에도 충전 속도는 까다로운 애플리케이션에 대한 배터리의 적합성을 결정하는 또 다른 요소입니다. 원칙적으로 최대 방전 전류와 최소 충전 시간은 고체 내부와 전극과 전해질 재료 사이의 계면에서 이온 및 전자 수송에 따라 달라집니다. 충전 속도를 향상시키기 위해 전극 재료의 입자 크기를 마이크로에서 나노 스케일로 줄이는 것이 일반적입니다. KIT 연구진과 협력 파트너가 Nature Communications 저널에 발표한 이 연구는 페로브스카이트 구조의 LLTO에서 크기가 수 마이크로미터인 입자라도 LTO 나노입자보다 더 높은 전력 밀도와 더 나은 충전 속도를 특징으로 하는 것으로 나타났습니다. 연구팀은 이것을 소위 LLTO의 유사 정전용량(pseudocapacitance)이라고 합니다. 이 양극 물질에는 개별 전자가 부착되어 있을 뿐만 아니라 약한 힘에 의해 결합되어 양극으로 전하를 가역적으로 전달할 수 있는 하전된 이온도 있습니다. "더 큰 입자 덕분에 LLTO는 기본적으로 더 간단하고 비용 효율적인 전극 제조 공정을 가능하게 합니다."라고 Ehrenberg는 설명합니다.
원본(오픈 액세스):
Lu Zhang, Xiaohua Zhang, Guiying Tian, Qinghua Zhang, Michael Knapp, Helmut Ehrenberg, Gang Chen, Zexiang Shen, Guochun Yang, Lin Gu &Fei Du:리튬 란타늄 티타네이트 페로브스카이트를 리튬 이온 배터리의 양극으로 사용합니다. 네이처 커뮤니케이션즈, 2020. DOI:10.1038/s41467-020-17233-1
특집 이미지:리튬 란타늄 티타네이트의 페로브스카이트 결정 구조에 대한 도식적 표현. (그림:Fei Du/Jilin University)
추가 자료:
Nature Communications에 게재:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17233-1
KIT 에너지 센터 언론 제공
