새로운 프라이밍 방식으로 배터리 수명과 효율성 향상

실리콘 양극 배터리는 기후 목표를 달성하고 전기 자동차의 잠재력을 최대한 활용하는 데 핵심인 에너지 저장 기능을 혁신할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

그러나 실리콘 양극에서 리튬 이온의 비가역적인 고갈은 차세대 리튬 이온 배터리 개발에 큰 제약을 가하고 있습니다.

라이스 대학의 조지 R. 브라운 공과대학(George R. Brown School of Engineering) 과학자들은 실리콘 양극을 안정화된 리튬 금속 입자(SLMP)로 코팅하여 리튬 손실을 완화하고 배터리 수명 주기를 향상시키는 프로세스인 사전 리튬화를 최적화하는 쉽게 확장 가능한 방법을 개발했습니다.

화학 및 생체분자 공학자 Sibani Lisa Biswal의 Rice 연구실은 입자와 계면활성제의 혼합물로 양극을 스프레이 코팅하면 배터리 수명이 22%~44% 향상된다는 사실을 발견했습니다. 더 많은 양의 코팅을 적용한 배터리 셀은 초기에 더 높은 안정성과 수명을 달성했습니다. 그러나 단점도 있었습니다. 최대 용량으로 사이클링할 때 더 많은 양의 입자 코팅으로 인해 리튬이 더 많이 포획되어 후속 사이클에서 배터리가 더 빨리 퇴색됩니다. 이 연구는 ACS Applied Energy Materials에 게재되었습니다.

리튬 이온 배터리에서 흑연을 실리콘으로 대체하면 에너지 밀도, 즉 무게와 크기에 비해 저장되는 에너지의 양이 크게 향상됩니다. 탄소로 만들어진 흑연은 실리콘보다 더 적은 수의 리튬 이온을 담을 수 있기 때문입니다. 리튬 이온 하나당 6개의 탄소 원자가 필요한 반면, 규소 원자 1개만 있으면 최대 4개의 리튬 이온과 결합할 수 있습니다.

"실리콘은 리튬 이온 배터리의 양극 면에 대한 에너지 밀도를 실제로 향상시킬 수 있는 능력을 가진 재료 중 하나입니다"라고 Biswal은 말했습니다. "이것이 현재 배터리 과학에서 흑연 양극을 실리콘 음극으로 대체하려는 추진이 있는 이유입니다."

그러나 실리콘에는 문제가 되는 다른 특성도 있습니다.

"실리콘의 주요 문제점 중 하나는 실제로 리튬을 소비하는 고체 전해질 간기(SEI 층)라고 부르는 것을 지속적으로 형성한다는 것"이라고 Biswal은 말했습니다.

이 층은 배터리 셀의 전해질이 전자 및 리튬 이온과 반응하여 형성되며, 그 결과 나노미터 규모의 염 층이 양극에 침착됩니다. 일단 형성되면, 층은 전해질을 양극으로부터 절연하여 반응이 계속되는 것을 방지합니다. 그러나 SEI는 후속 충전 및 방전 주기 전반에 걸쳐 파손될 수 있으며, 재형성되면서 배터리의 리튬 보유량을 더욱 돌이킬 수 없을 정도로 고갈시킵니다.

"실리콘 양극의 부피는 배터리가 순환됨에 따라 달라집니다. 이로 인해 SEI가 깨지거나 불안정해질 수 있습니다."라고 화학 및 생체분자 공학 박사 과정이자 이번 연구의 주요 저자인 Quan Nguyen은 말했습니다. "우리는 이 층이 배터리의 이후 충전 및 방전 주기 전반에 걸쳐 안정적으로 유지되기를 원합니다."

Biswal과 그녀의 팀이 개발한 사전 리튬화 방법은 SEI 층 안정성을 향상시킵니다. 이는 SEI가 형성될 때 고갈되는 리튬 이온의 양이 적다는 것을 의미합니다.

"사전 리튬화는 실리콘에서 일반적으로 발생하는 리튬 손실을 보상하기 위해 고안된 전략입니다"라고 Biswal은 말했습니다. "벽을 칠할 때 페인트가 잘 붙는지 확인하기 위해 먼저 언더코팅을 해야 하는 것처럼 표면을 프라이밍하는 것과 관련하여 생각할 수 있습니다. 예비리튬화는 양극을 '프라이밍'하여 배터리가 훨씬 더 안정적이고 수명도 길어졌습니다."

이러한 입자와 사전 리튬화는 새로운 것은 아니지만 Biswal 연구소는 기존 배터리 제조 공정에 쉽게 통합되는 방식으로 공정을 개선할 수 있었습니다.

Quan이 개발한 확실히 새로운 공정의 한 측면은 입자 분산을 돕기 위해 계면활성제를 사용하는 것이라고 Biswal은 말했습니다. "이것은 이전에 보고된 적이 없으며 균일한 분산을 가능하게 합니다. 따라서 배터리 내의 다른 포켓에 뭉치거나 쌓이는 대신 균일하게 분산될 수 있습니다."