극한의 추위와 더위에도 견딜 수 있는 새로운 리튬이온 배터리 개발에 성공

극한의 추위와 더위에도 견딜 수 있는 새로운 리튬이온 배터리 개발에 성공했습니다.

극한의 추위와 더위에도 견딜 수 있는 새로운 리튬이온 배터리 개발에 성공했습니다. 캘리포니아대학교 샌디에고 캠퍼스 엔지니어들이 극한의 추위와 더위에서도 잘 작동하는 리튬이온 배터리를 개발했고, 극한의 추위와 더위에서도 견딜 수 있는 새로운 리튬이온 배터리 개발에 성공했습니다. 극한의 추위와 더위에도 견딜 수 있는 새로운 리튬이온 배터리 개발에 성공1

최근 캘리포니아대학교 샌디에고캠퍼스(UCSD) 연구진이 새로운 리튬이온 배터리를 개발했다고 합니다. 극한의 추위를 견딜 수 있도록 고온, 고온에서도 성능이 뛰어나면서도 많은 양의 에너지를 저장합니다.

연구자들에 따르면 이러한 '위업'은 새로운 유형의 전해질을 개발함으로써 달성됐다. 이 전해질은 넓은 온도 범위에서 견고하고 내구성이 있을 뿐만 아니라 고에너지 양극 및 음극과도 호환됩니다. 위 연구 결과는 최근 미국국립과학원회보(PNAS)에 게재됐다.

UCSD Jacobs School of Engineering의 나노공학 교수이자 이번 연구의 수석 저자인 Zheng Chen은 이 기술을 기반으로 개발된 차량 배터리는 추운 기후에서도 작동할 수 있다고 말했습니다. 또한 전기 자동차가 더 멀리 이동할 수 있도록 해줍니다. 또한 더운 기후에서 차량 배터리 팩이 과열되는 것을 방지하기 위해 냉각 시스템의 필요성을 줄여줍니다.

첸은 “자동차 배터리의 경우 고온이 가장 큰 문제다. 전기차에서 배터리 팩은 일반적으로 뜨거운 도로에 더 가까운 섀시에 위치한다. 배터리가 이 높은 온도를 견딜 수 없으면 성능이 급격히 저하됩니다."

테스트에서 배터리는 -40°C와 50°C에서 각각 87.5와 115.9의 에너지 용량을 유지했습니다. 이 온도에서는 각각 98.2와 98.7의 높은 쿨롱 효율을 갖습니다. 이는 배터리가 작동을 멈추기 전에 더 많은 충전 및 방전 주기를 거칠 수 있음을 의미합니다.

위에서 언급한 우수한 특성은 모두 첸 박사팀이 개발한 독특한 전해질 덕분이다. 이는 리튬염과 혼합된 디부틸 에테르의 액체 용액으로 만들어집니다. 디부틸 에테르의 한 가지 특징은 분자가 리튬 이온과 약하게 결합되어 있다는 것입니다. 즉, 배터리가 작동 중일 때 전해질 분자는 리튬 이온을 쉽게 방출할 수 있습니다.

이전 연구에서 연구자들은 이러한 약한 분자 상호작용이 영하의 온도에서 배터리 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 발견했습니다. 또한, 디부틸에테르는 고온(끓는점 141°C)에서도 액체 상태를 유지하기 때문에 열을 쉽게 흡수합니다.

추가 장점

또한 이 전해액의 또 다른 특징은 충전식 리튬황 배터리와 호환된다는 점이다. 리튬 금속으로 만들어진 양극과 황으로 만들어진 음극. 리튬-황 배터리는 에너지 밀도가 높고 비용이 저렴하기 때문에 차세대 배터리 기술의 중요한 구성 요소입니다.

리튬-황 배터리는 현재 리튬이온 배터리에 비해 킬로그램당 2배의 에너지를 저장해 배터리 팩 무게를 늘리지 않고도 전기차의 주행거리를 ​​2배로 늘릴 수 있는 것으로 파악된다. 또한 기존 리튬이온 배터리 양극재에 사용되는 코발트보다 황 함량이 더 많다.

그러나 리튬-황 배터리에도 문제가 있다. 음극과 양극은 모두 초활성입니다. 황 음극은 반응성이 매우 높으며 배터리 작동 중에 용해됩니다. 이 문제는 고온에서 더욱 악화됩니다. 리튬 금속 양극은 수상돌기가 발생하기 쉬우며, 이로 인해 배터리 단락이 발생하고 심지어 화재가 발생할 수도 있습니다. 따라서 리튬-황 배터리는 최대 수십 번만 재활용할 수 있습니다.

"에너지 밀도가 높은 배터리를 원한다면 일반적으로 매우 가혹하고 복잡한 화학 물질을 사용해야 합니다."라고 Chen은 말했습니다. "에너지가 높다는 것은 더 많은 반응이 발생한다는 것을 의미합니다. 안정성이 떨어지고 성능이 저하된다는 의미입니다. 안정적인 고에너지 배터리를 만드는 것은 그 자체로 어려운 작업이며 더 넓은 온도 범위에서 이를 수행하는 것은 더욱 어렵습니다.

UCSD 연구진이 개발한 디부틸에테르 전해질은 극한의 온도에서도 이러한 문제를 방지해주며, 테스트한 배터리는 일반적인 리튬-황 배터리보다 수명이 더 길었다고 Chen 씨는 말했습니다. 극한의 추위와 더위에도 견딜 수 있는 새로운 리튬이온 배터리 개발에 성공 극도로 춥고 더운 온도에서도 잘 작동하는 동시에 많은 양의 전기를 저장하는 이온 배터리가 개발되었다고 이번 주 미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 발표된 논문에서는 배터리 교체에 대해 설명합니다.

이러한 배터리를 사용하면 추운 기후에서 전기 자동차를 한 번 충전으로 작동할 수 있다고 UC San Diego Jacobs School of Engineering의 나노공학 교수이자 이번 연구의 수석 저자인 Zheng Chen은 말했습니다. 더운 기후에서 차량의 배터리 팩이 과열되는 것을 방지합니다.

연구원들은 영하의 온도에서 배터리를 테스트합니다. : David Baillot/샌디에이고 캘리포니아 대학

테스트에서, -콘셉트 셀은 -40°C와 50°C에서 각각 87.5와 115.9의 전기 에너지 용량을 유지했으며, 이 온도에서도 98.2%와 98.7의 높은 쿨롱 효율을 나타내어 배터리가 더 많이 충전될 수 있음을 의미합니다.

이번 연구진은 내한성과 고에너지 양극 및 음극과 호환되는 더 나은 전해질을 개발했습니다. 리튬염과 혼합된 디부틸 에테르 용액. 디부틸 에테르의 한 가지 특징은 배터리가 작동할 때 분자가 리튬 이온에 약하게 결합한다는 것입니다. 전해질 분자는 리튬 이온을 쉽게 방출할 수 있습니다. 이 전해질의 특징은 차세대 배터리 기술의 중요한 부분인 리튬-황 배터리와 호환된다는 것입니다. 그러나 리튬-황 배터리의 양극과 음극은 모두 더 높은 에너지 밀도와 더 낮은 비용을 제공합니다. 고온에서 리튬 금속 양극은 배터리의 특정 부분을 뚫을 수 있는 바늘 모양의 구조를 형성하여 결과적으로 리튬-황 배터리만 방전될 수 있습니다. 연구팀은 또한 고온 및 저온에서도 이러한 문제를 방지합니다. 연구팀은 또한 일반적인 리튬-황 배터리보다 수명이 더 길었습니다.

이 연구의 다음 단계에는 배터리 화학을 확장하고 더 높은 온도에서 작동하도록 배터리를 최적화하는 것이 포함됩니다. 극한의 추위와 더위에도 견딜 수 있는 새로운 리튬이온 배터리 개발 성공 3

영하 40°C의 저온과 고온 모두에서 작동하는 새로운 형태의 리튬이온 배터리 50°C. 새로운 배터리 음극은 황으로 만들어져 배터리가 더 많은 에너지를 저장할 수 있게 해줍니다. 이것은 샌디에이고 캘리포니아대학교(UCSD)의 새로운 연구입니다.

이 배터리는 추운 기온에서 전기 자동차의 주행 거리를 늘릴 수 있습니다. 또한 위성, 우주선, 고고도 드론 및 잠수함에도 사용할 수 있습니다. UCSD의 나노공학과 Zheng Chen 교수는 “리튬 배터리의 작동 범위를 크게 확장함으로써 전기 자동차 이상의 응용 분야에 더욱 강력한 전기화학을 제공할 수 있습니다.”라고 말했습니다.

현재 배터리는 흑연 양극과 리튬 금속 산화물 음극을 사용하는데, 이 조합은 극한의 온도를 잘 견디지 못합니다. 고온은 배터리 내부의 이미 활성화된 화학적 환경을 악화시켜 전해질과 기타 배터리 재료를 분해하는 부반응을 유발하여 돌이킬 수 없는 손상을 일으킬 수 있습니다. 동시에 저온에서는 액체 전해질이 두꺼워지기 때문에 리튬 이온이 액체 전해질을 통해 천천히 이동하여 전력 손실과 충전 속도 저하를 초래합니다.

배터리를 내부에서 단열하거나 가열하는 방법은 저온 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.

연구원들은 또한 이전에 배터리의 온도 범위를 확장하기 위해 전해질을 설계했지만 이는 낮거나 높은 온도에서 성능을 향상시킬 수 있지만 둘 다를 향상시킬 수는 없습니다.

Chen Zheng 교수팀의 '내열성 리튬-황 배터리의 용매 선택 기준' 연구 결과가 7월 5일 미국 국립과학원 회보(PNAS)에 게재되었습니다. 저항성 극한 온도 배터리의 핵심은 새로운 전해질을 찾는 것입니다.

디부틸에테르 용매에 리튬염을 녹여 전해질을 만들었다. 기존 배터리에 사용되는 에틸렌카보네이트 용매와 달리 영하 100°C에서도 얼지 않고 쉽게 증발하지 않는 신소재다. 또한 용매 분자는 리튬 이온과 약하게 결합하므로 영하의 온도에서도 리튬 이온이 더 자유롭게 움직입니다.

UCSD팀은 플라스틱 기판에 황을 부착해 황 음극 열화 문제를 해결했다. 동시에, 새로운 전해질은 리튬 이온의 균일한 이동을 허용하므로 서로 달라붙어 수상돌기를 형성할 가능성이 없습니다.

팀 테스트에서 프로토타입 배터리는 200사이클 동안 지속되었으며 -40°C에서 원래 용량의 87% 이상을 유지했습니다. Chen Zheng 교수는 50°C에서 배터리 용량이 15% 증가한다고 말했습니다. 온도가 높을수록 전해질과 전극을 통한 리튬 이온의 전하 이동과 확산이 증가하여 배터리 용량과 에너지 한계가 높아지기 때문입니다.

해당 연구의 제1저자이자 UCSD 나노공학 박사후 연구원인 Guorui Cai는 영하의 온도에서 테스트하기 위해 배터리 파우치 셀을 준비했습니다.

이 전해질의 또 다른 특별한 점은 양극이 리튬 금속이고 음극이 황으로 이루어진 2차 전지인 리튬-황 배터리와 호환된다는 점이다. 리튬-황 배터리는 에너지 밀도가 높고 비용이 저렴하기 때문에 차세대 배터리 기술의 중요한 구성 요소입니다.

현재 리튬 이온 배터리보다 킬로그램당 2배의 에너지를 저장하므로 배터리 팩의 무게를 늘리지 않고도 전기 자동차의 주행 거리를 두 배로 늘릴 수 있습니다. 또한 황은 기존 리튬 이온 배터리 양극에 사용되는 코발트보다 더 풍부한 공급원이며 문제가 적습니다.

그러나 리튬-황 배터리에는 다른 문제도 있습니다. 양극과 양극 모두 너무 활성적입니다. 황 음극은 반응성이 커서 배터리 작동 중에 용해됩니다. 이 문제는 고온에서 더욱 악화됩니다. 리튬 금속 양극은 수상돌기라고 불리는 바늘 모양의 구조를 형성하는 경향이 있는데, 이는 배터리 부품에 구멍을 내서 배터리 단락을 일으킬 수 있습니다. 결과적으로 리튬-황 배터리는 수십 사이클만 지속할 수 있습니다.

"에너지 밀도가 높은 배터리를 원한다면 일반적으로 매우 정확하고 복잡한 화학 물질을 사용해야 합니다"라고 Chen Zheng은 말했습니다. "에너지가 높다는 것은 더 많은 반응이 일어나고 있다는 것을 의미하며 이는 안정성이 떨어지고 성능이 저하된다는 것을 의미합니다. 안정적인 고에너지 배터리를 만드는 것은 그 자체로 어려운 작업입니다. 광범위한 온도에서 이를 시도하는 것입니다. 더 어렵습니다. ”

UCSD 연구팀이 개발한 디부틸에테르 전해질은 고온과 저온에서도 이러한 문제를 방지한다. 테스트한 배터리는 일반적인 리튬-황 배터리보다 수명이 더 깁니다. Chen Zheng은 "우리의 전해질은 높은 전도성과 인터페이스 안정성을 제공하면서 음극과 양극 측면을 개선하는 데 도움이 됩니다."라고 말했습니다.

또한 팀은 이를 폴리머에 접목하여 보다 안정적인 황 음극을 설계했습니다. 이는 더 많은 황이 전해질에 용해되는 것을 방지합니다.

다음 단계에는 배터리 화학적 성질을 확장하고, 더 높은 온도에서 작동하도록 최적화하고, 수명을 더욱 연장하는 것이 포함됩니다.

UCSD 나노공학 교수 Chen Zheng.

용량을 늘리는 것이 반드시 좋은 것은 아니며, 배터리에 과도한 부담을 줄 수도 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 배터리의 화학적 성질을 더욱 개선하여 더 많은 충전 주기 동안 지속될 수 있도록 해야 합니다. 그들은 또한 더 많은 세포 공학을 통해 에너지 밀도를 높일 계획이다. 현재 새로운 배터리는 오늘날의 리튬 이온 배터리보다 밀도가 약간 더 높을 뿐이며 리튬-황의 이론적 가능성과 크게 다르지 않습니다. Chen Zheng은 “우리는 에너지 밀도를 최소한 50%까지 늘릴 수 있습니다.”라고 말했습니다. "이것이 희망이고 약속입니다."