깨끗하고 효율적인 에너지 저장 기술은 재생에너지 인프라 구축에 필수적입니다.리튬 이온 배터리는 이미 개인용 전자 장치에서 지배적인 역할을 하고 있으며, 안정적인 그리드 수준 스토리지 및 전기 자동차를 위한 유망한 후보입니다.그러나 충전 속도와 사용 가능한 수명을 개선하려면 추가 개발이 필요합니다.
더 빠르게 충전되고 오래 지속되는 배터리 개발을 지원하기 위해 과학자들은 작동 배터리 내부에서 발생하는 프로세스를 이해하고 배터리 성능의 한계를 식별할 수 있어야 합니다.현재 작동 중인 활성 배터리 재료를 시각화하려면 정교한 싱크로트론 X선 또는 전자 현미경 기술이 필요합니다. 이는 어렵고 비용이 많이 들 수 있으며, 고속 충전 전극 재료에서 발생하는 급격한 변화를 포착할 만큼 신속하게 이미징할 수 없는 경우가 많습니다.결과적으로, 개별 활성 입자의 길이 규모와 상업적으로 관련된 고속 충전 속도에 대한 이온 역학은 아직 대부분 탐구되지 않은 상태로 남아 있습니다.
캠브리지 대학의 연구원들은 리튬 이온 배터리를 연구하기 위한 저렴한 실험실 기반 광학 현미경 기술을 개발하여 이 문제를 극복했습니다.그들은 현재까지 가장 빠르게 충전되는 양극 물질 중 하나인 Nb14W3O44의 개별 입자를 조사했습니다.가시광선은 작은 유리창을 통해 배터리로 보내져 연구원들이 현실적인 비평형 조건에서 활성 입자 내의 동적 과정을 실시간으로 관찰할 수 있게 해줍니다.이는 개별 활성 입자를 통해 이동하는 전면형 리튬 농도 구배를 나타냈고, 이로 인해 일부 입자가 파손되는 내부 변형이 발생했습니다.입자 파손은 배터리의 문제입니다. 파편이 전기적으로 분리되어 배터리의 저장 용량이 줄어들 수 있기 때문입니다."이러한 자발적인 사건은 배터리에 심각한 영향을 미치지만 지금까지는 실시간으로 관찰할 수 없었습니다."라고 케임브리지 캐번디시 연구소의 공동 저자인 Christoph Schnedermann 박사는 말했습니다.
광학 현미경 기술의 높은 처리량 기능을 통해 연구원들은 대규모 입자 집단을 분석할 수 있었으며, 입자 균열은 탈리튬화 속도가 빠르고 입자가 길수록 더 흔하다는 사실을 밝혔습니다."이러한 발견은 이러한 종류의 재료에서 입자 파괴 및 용량 저하를 줄이기 위해 직접 적용할 수 있는 설계 원리를 제공합니다"라고 캠브리지 캐번디시 연구소 및 화학과의 박사과정 학생인 제1저자 Alice Merryweather는 말합니다.
앞으로 빠른 데이터 수집, 단일 입자 분해능, 높은 처리량 기능을 포함한 방법론의 주요 이점을 통해 배터리 고장 시 어떤 일이 발생하고 이를 방지하는 방법에 대한 추가 탐색이 가능해집니다.이 기술은 거의 모든 유형의 배터리 재료를 연구하는 데 적용할 수 있으므로 차세대 배터리 개발의 중요한 퍼즐 조각이 됩니다.
게시 시간: 2022년 9월 17일