새로운 양극 소재로 더욱 안전하고 빠른 속도 구현 가능

UC San Diego의 과학자들은 리튬 이온 배터리를 수천 번의 사이클 동안 몇 분 내에 안전하게 재충전할 수 있는 새로운 양극 재료를 발견했습니다. 무질서한 암염으로 알려진 새로운 양극은 일반 식탁용 소금과 비슷한 방식으로 배열되어 있지만 무작위로 배열된 지구에 풍부한 리튬, 바나듐 및 산소 원자로 구성됩니다. 전기 자동차, 진공 청소기 또는 드릴과 같이 높은 에너지 밀도와 높은 전력이 모두 요구되는 상업용 응용 분야에 유망합니다.

Ping Liu 교수와 Shyue Ping Ong 교수 연구실의 나노공학자들이 공동으로 주도한 이 연구는 9월 2일 Nature에 게재되었습니다.

현재 두 가지 재료는 휴대폰, 노트북, 전기 자동차와 같은 품목에 전원을 공급하는 대부분의 상용 리튬 이온 배터리에서 양극으로 사용됩니다. 가장 일반적인 흑연 양극은 에너지 밀도가 매우 높습니다. 흑연 양극이 있는 리튬 이온 배터리는 재충전할 필요 없이 수백 마일 동안 자동차에 전력을 공급할 수 있습니다. 그러나 흑연 양극을 너무 빨리 충전하면 리튬 금속 도금이라는 공정으로 인해 화재 및 폭발이 발생할 수 있습니다. 보다 안전한 대안인 티탄산리튬 양극은 빠르게 재충전할 수 있지만 에너지 밀도가 크게 감소하므로 배터리를 더 자주 재충전해야 합니다.

이 새로운 무질서한 암염 양극인 Li3V2O5는 중요한 중간 지점에 있습니다. 흑연보다 사용이 더 안전하지만 리튬 티타네이트보다 최소 71% 더 많은 에너지를 제공하는 배터리입니다.

Haodong은 "용량과 에너지는 흑연보다 약간 낮지만 더 빠르고 안전하며 수명이 더 깁니다. 전압이 훨씬 낮기 때문에 현재 상용화된 고속 충전 리튬-티타네이트 양극에 비해 에너지 밀도가 훨씬 향상되었습니다."라고 Haodong은 말했습니다. Ping Liu 교수 연구실의 박사후 연구원이자 논문의 첫 번째 저자인 Liu. "따라서 이 물질을 사용하면 에너지 밀도를 너무 많이 희생하지 않으면서 빠르게 충전되고 수명이 길고 안전한 배터리를 만들 수 있습니다."

무질서한 암염 -Li3V2O5의 결정 구조. 빨간색 공은 O를 나타내고 파란색 사면체는 사면체 사이트의 Li를 나타내며 녹색 팔면체는 Li/V 공유 팔면체 사이트를 나타냅니다.

연구진은 이 발견을 상업화하기 위해 Tyfast라는 회사를 설립했습니다. 스타트업의 첫 번째 시장은 전기 버스와 전동 공구가 될 것입니다. Li3V2O5 무질서 암염의 특성으로 인해 재충전을 쉽게 예약할 수 있는 장치에 사용하기에 이상적이기 때문입니다.

Liu 교수 연구실의 연구원들은 이 리튬-바나듐 산화물 양극 재료를 계속 개발하는 동시에 다른 배터리 구성 요소를 최적화하여 상업적으로 실행 가능한 전체 셀을 개발할 계획입니다.

Ping Liu는 "오랫동안 배터리 커뮤니티에서는 안전하고 빠른 충전 리튬 이온 배터리를 가능하게 하기 위해 흑연 바로 위의 전위에서 작동하는 양극 재료를 찾고 있었습니다. 이 재료는 중요한 지식과 응용 격차를 메워줍니다."라고 말했습니다. "이 물질이 오늘날의 리튬 이온 배터리 제조 공정을 위한 드롭인 솔루션이 될 수 있기 때문에 우리는 이 물질의 상업적 잠재력에 대해 기대하고 있습니다."

이 자료를 사용해 보는 이유는 무엇입니까?

연구자들은 6년 전에 처음으로 무질서한 암염을 배터리 음극으로 실험했습니다. 그 이후로 이 물질을 효율적인 음극으로 바꾸기 위해 많은 연구가 이루어졌습니다. Haodong Liu는 UC San Diego 팀이 직감에 따라 이 물질을 양극으로 테스트하기로 결정했다고 말했습니다.

“사람들이 이를 음극으로 사용할 때 물질을 1.5V까지 방전시켜야 합니다.”라고 그는 말했습니다. "그러나 1.5V에서 양극 물질의 구조를 살펴보면 이 물질이 더 많은 리튬 이온을 수용할 수 있는 특별한 구조를 가지고 있다고 생각했습니다. 즉, 훨씬 더 낮은 전압에서도 양극으로 작동할 수 있다는 의미입니다."

연구에서 연구팀은 무질서한 암염 양극이 흑연의 0.1V보다 높은 평균 전압 0.6V에서 두 개의 리튬 이온을 가역적으로 순환할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이는 높은 충전 속도에서 리튬 금속 도금을 제거하여 배터리를 더 안전하게 만듭니다. 리튬-티타네이트가 리튬을 삽입하는 1.5V보다 낮아서 훨씬 더 많은 에너지를 저장합니다.