근본적인 발견과 새로운 기술은 더 좋고 안전한 이차 전지로 이어질 수 있습니다.
UCLA연구원들은 리튬 금속 배터리의 안전성과 효율성을 향상시킬 수 있는 획기적인 발견을 했습니다.연구진은 리튬 증착 과정에서 부식을 방지함으로써 리튬 원자가 독특한 12면체 형태를 형성해 폭발 위험을 줄인다는 사실을 발견했다.이 혁신은 잠재적으로 리튬 배터리 기술을 혁신하여 안전성과 성능을 향상시킬 수 있습니다.
충전식 리튬 이온 배터리는 다른 기술 중에서 스마트폰, 전기 자동차, 태양열 및 풍력 에너지 저장 장치에 전원을 공급합니다.
그들은 광범위하게 개발되거나 채택되지 않은 또 다른 기술인 리튬 금속 배터리에서 유래했습니다.그 이유가 있습니다. 리튬 금속 배터리는 리튬 이온 배터리보다 약 두 배의 에너지를 보유할 수 있는 잠재력이 있지만 화재나 폭발 위험도 훨씬 더 큽니다.
리튬-금속 배터리에 대한 혁신적인 연구
이제 UCLA의 캘리포니아 나노시스템 연구소(California NanoSystems Institute) 회원들의 연구에서 오늘날의 리튬 이온 배터리를 능가하는 더 안전한 리튬 금속 배터리로 이어질 수 있는 근본적인 발견이 밝혀졌습니다.이 연구는 저널에 8월 2일 게재되었습니다.자연.
금속 리튬은 화학 물질과 매우 쉽게 반응하여 정상적인 조건에서 금속이 전극과 같은 표면에 놓이는 동안 거의 즉시 부식이 발생합니다.그러나 UCLA 연구원들은 부식을 방지하는 기술을 개발했고 리튬 원자가 없을 때 리튬 원자가 놀라운 모양으로 조립된다는 것을 보여주었습니다. 마름모꼴 12면체는 Dungeons and Dragons와 같은 롤플레잉 게임에서 사용되는 주사위와 유사한 12면체입니다. .
리튬-금속 배터리의 구조적 측면 이해
"리튬 금속에 대한 수천 개의 논문이 있으며 구조에 대한 대부분의 설명은 '두툼한' 또는 '기둥과 같은'과 같은 정성적입니다. UCLA Samueli 공학 학교 및 CNSI 회원.“우리가 표면 부식을 방지했을 때 이러한 불분명한 모양 대신 금속의 결정 구조를 기반으로 한 이론적 예측과 일치하는 단일 다면체를 발견했다는 사실을 발견한 것은 놀라운 일이었습니다.궁극적으로 이 연구를 통해 리튬 금속 배터리를 이해하는 방식을 수정할 수 있습니다.”
대조적인 리튬 이온 및 리튬 금속 배터리
작은 규모에서 리튬 이온 배터리는 전극을 코팅하는 새장 모양의 탄소 구조에 양전하를 띤 리튬 원자를 저장합니다.대조적으로, 리튬-금속 배터리는 대신 금속 리튬으로 전극을 코팅합니다.이는 리튬 이온 배터리에 비해 동일한 공간에 10배 더 많은 리튬을 담을 수 있어 성능과 위험이 모두 증가합니다.
리튬 코팅 공정은 전기와 전해질이라고 하는 염 용액을 사용하는 200년 이상 된 기술을 기반으로 합니다.종종 리튬은 돌출된 스파이크가 있는 미세한 분지 필라멘트를 형성합니다.배터리에서 두 개의 스파이크가 교차하면 폭발로 이어질 수 있는 단락이 발생할 수 있습니다.
배터리 안전 및 성능에 대한 발견의 의미
부식이 없는 리튬의 실제 모양에 대한 계시는 리튬 금속 배터리의 폭발 위험이 감소될 수 있음을 시사합니다. 원자가 십자 형태가 아닌 질서 있는 형태로 축적되기 때문입니다.이 발견은 또한 고성능 에너지 기술에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
"과학자 및 엔지니어들은 금, 백금 및 은을 포함한 금속을 나노큐브, 나노구 및 나노로드와 같은 형태로 합성하는 데 20년 이상의 가치가 있는 연구를 수행했습니다."라고 Li는 말했습니다."이제 우리는 리튬의 모양을 알고 있으므로 배터리의 안전성과 성능을 모두 높이기 위해 조밀하게 포장할 수 있는 입방체를 형성하도록 리튬을 조정할 수 있습니까?"
리튬 증착 프로세스 재구상
지금까지 지배적인 견해는 용액 내 전해질의 선택이 리튬이 표면에 형성하는 모양(구조가 청크 또는 기둥과 유사한지 여부)을 결정한다는 것이었습니다.UCLA 연구원들은 다른 생각을 가지고 있었습니다.
이 연구의 제1 저자인 UCLA 박사 과정 학생인 Xintong Yuan은 “우리는 리튬을 너무 빨리 증착하여 부식막을 일으키는 반응을 능가할 수 있는지 확인하고 싶었습니다."그런 식으로, 우리는 그 필름이 없을 때 리튬이 어떻게 성장하기를 원하는지 잠재적으로 볼 수 있습니다."
리튬 증착 기술 개선
연구원들은 부식 형태보다 빠르게 리튬을 증착하는 새로운 기술을 개발했습니다.정원 호스의 노즐을 부분적으로 막는 방식으로 물이 더 강하게 분출되는 방식과 매우 유사합니다.
그러나 프로세스 속도를 너무 높이면 단락을 유발하는 동일한 뾰족한 구조로 이어질 수 있으므로 균형이 필요했습니다.팀은 작은 전극의 모양을 조정하여 이 문제를 해결했습니다.
그들은 표준 기술과 새로운 방법 간의 결과를 비교하면서 4가지 다른 전해질을 사용하여 표면에 리튬을 배치했습니다.부식으로 인해 리튬은 4개의 뚜렷한 미세한 형태를 형성했습니다.그러나 부식이 없는 공정을 통해 그들은 네 가지 경우 모두에서 리튬이 200만분의 1미터 또는 단일 박테리아의 평균 길이보다 크지 않은 작은 12면체를 형성한다는 것을 발견했습니다.
Cryo-EM을 사용하여 리튬의 모양 풀기
연구원들은 샘플의 손상을 억제하면서 원자 수준까지 세부 사항을 보여주기 위해 동결된 샘플을 통해 전자를 빔하는 극저온 전자 현미경 또는 극저온 EM이라는 이미징 기술 덕분에 리튬의 모양을 볼 수 있었습니다.
Cryo-EM은 단백질과 바이러스의 구조를 결정하기 위해 생명 과학에서 유비쿼터스가 되었습니다.재료 과학에 대한 사용이 증가하고 있으며 UCLA 연구원은 두 가지 주요 이점을 가졌습니다.
첫째, Li가 대학원생이었을 때 실온에서 전자빔에 노출되면 산산조각이 나는 리튬을 분석하는 데 cryo-EM을 사용할 수 있음을 시연했습니다.(그의 연구는 2017년 사이언스 저널에 발표되었습니다.) 둘째, 팀은 재료 연구에 사용되는 샘플 유형을 수용하도록 맞춤화된 여러 저온 EM 기기가 있는 CNSI의 나노머신용 전자 이미징 센터에서 실험을 수행했습니다. .