주제:배터리 기술리튬 이온UCLA
근본적인 발견과 새로운 기술을 통해 더 좋고 안전한 충전식 배터리를 만들 수 있습니다.
UCLA연구진이 리튬금속 배터리의 안전성과 효율성을 향상시킬 수 있는 획기적인 발견을 했습니다. 연구원들은 리튬이 증착되는 동안 부식을 방지함으로써 리튬 원자가 독특한 12면 모양을 형성하여 폭발 위험을 줄이는 것을 발견했습니다. 이러한 혁신은 잠재적으로 리튬 배터리 기술에 혁명을 일으켜 안전성과 성능을 향상시킬 수 있습니다.
충전식 리튬 이온 배터리는 스마트폰, 전기 자동차, 태양광 및 풍력 에너지 저장 장치 등 다양한 기술에 전력을 공급합니다.
이는 널리 개발되거나 채택되지 않은 또 다른 기술인 리튬 금속 배터리의 후손입니다. 그 이유는 다음과 같습니다. 리튬 금속 배터리는 리튬 이온 배터리보다 약 두 배의 에너지를 저장할 수 있는 잠재력을 갖고 있지만, 화재가 발생하거나 심지어 폭발할 위험도 훨씬 더 높습니다.
리튬 금속 배터리에 대한 혁신적인 연구
이제 UCLA 캘리포니아 나노시스템 연구소(California NanoSystems Institute) 회원들의 연구에서는 오늘날의 리튬 이온 배터리보다 성능이 뛰어난 더 안전한 리튬 금속 배터리를 개발할 수 있는 근본적인 발견이 밝혀졌습니다. 이 연구는 8월 2일 저널에 게재되었습니다.자연.
금속 리튬은 화학 물질과 매우 쉽게 반응하므로 정상적인 조건에서는 금속이 전극과 같은 표면에 놓이는 동안 거의 즉시 부식이 발생합니다. 그러나 UCLA 연구자들은 부식을 방지하는 기술을 개발했으며, 부식이 없을 경우 리튬 원자가 놀라운 모양, 즉 던전 앤 드래곤과 같은 롤플레잉 게임에 사용되는 주사위와 유사한 12면체인 마름모 정십이면체로 조립된다는 사실을 보여주었습니다.
리튬금속 배터리의 구조적 측면 이해
"리튬 금속에 관한 수천 개의 논문이 있으며 구조에 대한 대부분의 설명은 '두꺼운' 또는 '기둥 모양'과 같은 정성적입니다."라고 해당 연구의 교신저자이자 UCLA Samueli 공과대학의 화학 및 생체분자 공학 조교수이자 CNSI 회원인 Yuzhang Li는 말했습니다. "표면 부식을 방지하면 이러한 불분명한 모양 대신 금속의 결정 구조를 기반으로 이론적 예측과 일치하는 단일 다면체를 볼 수 있다는 사실을 발견하여 놀랐습니다. 궁극적으로 이번 연구를 통해 리튬 금속 배터리에 대한 우리의 이해 방식을 수정할 수 있게 되었습니다."
리튬 이온 배터리와 리튬 금속 배터리의 대조
작은 규모의 리튬 이온 배터리는 전극을 코팅하는 새장형 탄소 구조에 양전하를 띤 리튬 원자를 저장합니다. 이와 대조적으로 리튬 금속 배터리는 전극을 금속 리튬으로 코팅합니다. 이는 리튬이온 배터리에 비해 같은 공간에 10배 더 많은 리튬을 담아 성능과 위험이 모두 증가한 이유다.
리튬 코팅을 놓는 공정은 전기와 전해질이라고 불리는 염 용액을 사용하는 200년 이상의 기술을 기반으로 합니다. 종종 리튬은 돌출된 스파이크가 있는 미세한 분지 필라멘트를 형성합니다. 배터리에서 스파이크 중 두 개가 십자형으로 교차하면 단락이 발생하여 폭발로 이어질 수 있습니다.
배터리 안전성 및 성능 발견의 시사점
부식이 없는 리튬의 실제 모양이 밝혀진 것은 원자가 교차할 수 있는 형태가 아닌 규칙적인 형태로 축적되기 때문에 리튬 금속 배터리의 폭발 위험이 줄어들 수 있음을 시사합니다. 이번 발견은 고성능 에너지 기술에도 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
Li는 “과학자들과 엔지니어들은 금, 백금, 은을 포함한 금속을 나노큐브, 나노구체, 나노막대와 같은 형태로 합성하는 방법에 대해 20년 넘게 연구를 진행해 왔습니다.”라고 말했습니다. "이제 우리는 리튬의 모양을 알았으니, 문제는 배터리의 안전성과 성능을 모두 높이기 위해 촘촘하게 포장할 수 있는 큐브를 형성하도록 조정할 수 있는가 하는 것입니다."
리튬 증착 공정 재구상
지금까지는 용액 내 전해질의 선택에 따라 리튬이 표면에 형성하는 모양, 즉 구조가 덩어리 또는 기둥과 유사한지 여부가 결정된다는 것이 지배적인 견해였습니다. UCLA 연구진의 생각은 달랐습니다.
이번 연구의 제1저자인 UCLA 박사과정 학생 Xintong Yuan은 "우리는 부식막을 유발하는 반응을 능가할 정도로 리튬을 너무 빨리 증착할 수 있는지 확인하고 싶었습니다."라고 말했습니다. "그러면 우리는 필름이 없을 때 리튬이 어떻게 성장하기를 원하는지 잠재적으로 볼 수 있습니다."
리튬 증착 기술 개선
연구진은 부식 형태보다 더 빠르게 리튬을 증착하는 새로운 기술을 개발했습니다. 그들은 전기를 더 빨리 밀어내기 위해 훨씬 작은 전극을 통해 전류를 흐르게 했습니다. 마치 정원 호스의 노즐을 부분적으로 막으면 물이 더 강하게 뿜어져 나오는 것과 비슷합니다.
그러나 프로세스 속도를 너무 높이면 단락을 유발하는 동일한 뾰족한 구조가 발생하기 때문에 균형이 필요했습니다. 팀은 작은 전극의 모양을 조정하여 이 문제를 해결했습니다.
그들은 표준 기술과 새로운 방법 간의 결과를 비교하면서 4가지 서로 다른 전해질을 사용하여 표면에 리튬을 배치했습니다. 부식으로 인해 리튬은 네 가지 뚜렷한 미세한 모양을 형성했습니다. 그러나 부식 없는 공정을 통해 그들은 네 가지 경우 모두에서 리튬이 200만분의 1미터, 즉 단일 박테리아의 평균 길이보다 크지 않은 작은 십이면체를 형성한다는 것을 발견했습니다.
Cryo-EM을 이용한 리튬의 형태 규명
연구원들은 샘플 손상을 억제하면서 원자 수준까지 세부 사항을 보여주기 위해 냉동 샘플에 전자를 쏘는 극저온 전자 현미경(cryo-EM)이라는 이미징 기술 덕분에 리튬의 모양을 볼 수 있었습니다.
Cryo-EM은 단백질과 바이러스의 구조를 결정하기 위해 생명과학 분야에서 널리 사용됩니다. 재료 과학에 대한 사용이 증가하고 있으며 UCLA 연구원은 두 가지 주요 이점을 가지고 있습니다.
첫째, Li는 대학원생이었을 때 상온에서 전자빔에 노출되면 산산조각이 나는 리튬을 분석하는 데 극저온 전자현미경(cryo-EM)을 사용할 수 있음을 입증했습니다. (그의 연구는 2017년 Science 저널에 게재되었습니다.) 둘째, 팀은 재료 연구에 사용되는 샘플 유형을 수용하도록 맞춤화된 여러 극저온 EM 장비가 있는 CNSI의 나노머신용 전자 이미징 센터에서 실험을 수행했습니다.