단단한

새로운 전고체 리튬 배터리는 표준 리튬 이온 배터리보다 거의 두 배에 달하는 에너지를 저장할 수 있을 뿐만 아니라 현재의 상업용 배터리와 같이 불이 붙는 경향도 없습니다. 이 참신한 프로토타입의 성공 비결은 무엇일까요? 배터리의 일반적인 전극 중 하나를 제거하는 새로운 연구 결과가 나왔습니다.

기존 배터리는 두 전극, 즉 전자가 배터리에서 흘러나오는 음전하 양극과 전자가 배터리로 들어갈 수 있는 양전하 음극 사이의 화학 반응을 통해 전기를 공급합니다. 일반적인 리튬 이온 배터리의 전극은 전기적으로 충전된 리튬 이온을 저장하고 방출할 수 있는 구조를 가진 물질로 만들어집니다. 양극은 흑연으로 구성되는 경우가 많고, 음극은 금속 산화물로 구성되는 경우가 많습니다. 이러한 전극 재료는 생성된 전류를 수집하는 금속 호일에 코팅됩니다. 양극의 경우 이 금속은 대개 구리이고 음극의 경우 알루미늄입니다.

리튬 이온 배터리의 전극은 일반적으로 액체 또는 젤 전해질을 통해 상호 작용합니다. 전고체 배터리는 대신 세라믹 등의 소재로 만든 고체 전해질을 사용한다.

고체 전해질은 액체 또는 젤 전해질보다 더 컴팩트합니다. 이는 전고체 배터리가 동일한 무게나 공간에서 기존 배터리보다 더 많은 에너지를 생산할 수 있다는 의미다. 또한, 전고체 리튬 배터리는 일반적으로 가연성이 있는 유기 액체 전해질을 사용하는 기존 배터리보다 훨씬 안전합니다.

안정적이고 유용한 전고체 배터리를 만드는 최선의 방법은 여전히 ​​불확실합니다. 예를 들어, 이전 연구에서는 황화물 기반 고체 전해질이 많은 에너지를 저장할 수 있는 배터리를 만드는 데 도움이 될 수 있다는 것을 발견했습니다. 그러나 이러한 전해질의 황화물은 두 전극 모두와 반응하여 배터리 내부의 전기 흐름을 방해하는 화합물을 생성할 수 있습니다.

과학자들이 전고체 배터리를 개선하기 위해 노력한 한 가지 방법은 기존의 흑연 양극을 구리박 집전체로만 교체하는 것입니다. 이 전략은 배터리가 보유할 수 있는 에너지의 양을 크게 늘릴 수 있습니다. "실질적으로 배터리 내부 재료의 절반을 제거하는 것입니다."라고 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스의 재료 과학자이자 연구 수석 저자인 David Mitlin은 말합니다. 재료를 적게 사용하면 비용도 절감된다고 그는 덧붙입니다.

그러나 무음극 전고체 배터리 연구가 직면한 주요 과제는 방전과 재충전의 사이클을 안정적으로 거치는 문제이다. 이제 새로운 연구에서 연구자들은 새로운 코팅이 이 문제를 극복할 수 있음을 보여주었습니다.

과학자들은 황화물 기반 고체 전해질을 사용하는 양극이 없는 전고체 배터리를 실험했습니다. 그들은 구리 집전체를 초박형 리튬 활성화 텔루르로 코팅하는 방법을 연구했습니다. 목표는 리튬 금속이 구리 전체에 퍼지거나 "습윤"되는 방식을 제어하는 ​​것이었습니다. 그들은 이 새로운 코팅이 얇고 균일한 층의 구리 집전체로부터 리튬 금속을 증착하고 용해시키는 데 도움이 된다는 것을 발견했습니다.

이 새로운 코팅이 없으면 연구진은 충전 및 방전 중에 구리 호일이 불규칙한 미세 구조로 덮이는 것을 발견했습니다. 여기에는 "양극과 음극 사이에 배터리 단락을 일으킬 수 있고, 이로 인해 배터리 화재가 발생할 수 있는" 뾰족한 수상돌기가 포함됩니다."라고 Mitlin은 말합니다. 또한 배터리 성능을 방해하는 "죽은 금속" 덩어리와 벌집 모양의 물질 껍질도 포함됩니다. "엔진 내부가 두꺼운 녹으로 덮여 있는 것과 같습니다."라고 그는 말합니다.

새로운 배터리는 상용 리튬이온 배터리보다 무게 기준으로 72%, 부피 기준으로 95% 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 연구진은 표준 제조 기술을 사용하여 이러한 구리 집전체에 새로운 코팅을 생성할 수 있다고 지적했습니다. 이는 새로운 배터리의 생산 규모를 쉽게 확대하는 데 도움이 될 수 있다고 그들은 덧붙입니다.