캘리포니아 대학교 샌디에고 캠퍼스의 엔지니어들은 많은 에너지를 담으면서도 영하의 추위와 뜨거운 기온에서 잘 작동하는 리튬 이온 배터리를 개발했습니다.연구진은 넓은 온도 범위에서 다재다능하고 견고할 뿐만 아니라 고에너지 양극 및 음극과도 호환되는 전해질을 개발함으로써 이러한 위업을 달성했습니다.
온도에 강한 배터리PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 7월 4일 주에 발표된 논문에 설명되어 있습니다.
이러한 배터리를 사용하면 추운 기후에서 전기 자동차를 한 번 충전하면 더 멀리 이동할 수 있습니다.또한, 더운 기후에서 차량의 배터리 팩이 과열되는 것을 방지하기 위해 냉각 시스템의 필요성을 줄일 수 있다고 UC San Diego Jacobs School of Engineering의 나노공학 교수이자 이번 연구의 수석 저자인 Zheng Chen은 말했습니다.
“주변 온도가 세 자릿수에 도달하고 도로가 더욱 뜨거워지는 지역에서는 고온 작동이 필요합니다.전기 자동차에서 배터리 팩은 일반적으로 뜨거운 도로와 가까운 바닥 아래에 있습니다.”라고 UC San Diego Sustainable Power and Energy Center의 교수이기도 한 Chen은 설명했습니다.“또한 작동 중에 전류가 흐르는 것만으로도 배터리가 예열됩니다.배터리가 고온에서 이러한 예열을 견딜 수 없으면 성능이 빠르게 저하됩니다.”
테스트에서 개념 증명 배터리는 각각 -40 및 50C(-40 및 122F)에서 에너지 용량의 87.5% 및 115.9%를 유지했습니다.또한 이 온도에서 각각 98.2%와 98.7%의 높은 쿨롱 효율을 나타냈습니다. 이는 배터리가 작동을 멈추기 전에 더 많은 충전 및 방전 주기를 거칠 수 있음을 의미합니다.
Chen과 동료들이 개발한 배터리는 전해질 덕분에 내한성과 내열성이 모두 뛰어납니다.이는 리튬염과 혼합된 디부틸 에테르의 액체 용액으로 만들어집니다.디부틸 에테르의 특별한 특징은 분자가 리튬 이온과 약하게 결합한다는 것입니다.즉, 배터리가 작동하면서 전해질 분자가 리튬 이온을 쉽게 방출할 수 있다는 것입니다.연구원들이 이전 연구에서 발견한 이 약한 분자 상호 작용은 영하의 온도에서 배터리 성능을 향상시킵니다.또한 디부틸 에테르는 고온에서 액체를 유지하기 때문에 쉽게 열을 흡수할 수 있습니다(끓는점은 141C 또는 286F).
리튬-황 화학 안정화
이 전해액의 또 다른 특징은 리튬-황 배터리와 호환된다는 점이다. 리튬-황 배터리는 양극이 리튬 금속이고 음극이 황으로 이루어진 2차 전지의 일종이다.리튬-황 배터리는 더 높은 에너지 밀도와 더 낮은 비용을 약속하기 때문에 차세대 배터리 기술의 필수적인 부분입니다.이는 오늘날의 리튬 이온 배터리보다 킬로그램당 최대 2배 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 이는 배터리 팩의 무게를 늘리지 않고도 전기 자동차의 주행 거리를 두 배로 늘릴 수 있습니다.또한 황은 전통적인 리튬 이온 배터리 양극에 사용되는 코발트보다 더 풍부하고 공급에 문제가 적습니다.
하지만 리튬-황 배터리에는 문제가 있다.음극과 양극 모두 반응성이 매우 높습니다.황 음극은 반응성이 커서 배터리 작동 중에 용해됩니다.이 문제는 고온에서 더욱 악화됩니다.그리고 리튬 금속 양극은 배터리의 일부를 관통하여 단락을 일으킬 수 있는 덴드라이트라고 불리는 바늘 모양의 구조를 형성하기 쉽습니다.결과적으로 리튬-황 배터리는 최대 수십 사이클까지만 지속됩니다.
Chen은 “에너지 밀도가 높은 배터리를 원한다면 일반적으로 매우 가혹하고 복잡한 화학 물질을 사용해야 합니다.”라고 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. 넓은 온도 범위에서 이를 수행하는 것은 훨씬 더 어렵습니다.”
UC San Diego 팀이 개발한 디부틸 에테르 전해질은 고온 및 저온에서도 이러한 문제를 방지합니다.테스트한 배터리는 일반적인 리튬-황 배터리보다 수명이 훨씬 더 깁니다.Chen은 “우리의 전해질은 높은 전도성과 계면 안정성을 제공하면서 음극과 양극 측면을 모두 개선하는 데 도움이 됩니다.”라고 말했습니다.
연구팀은 또한 황 음극을 폴리머에 접목시켜 더욱 안정적이도록 설계했습니다.이는 더 많은 황이 전해질에 용해되는 것을 방지합니다.
다음 단계에는 배터리 화학적 성질을 확장하고, 훨씬 더 높은 온도에서 작동하도록 최적화하고, 사이클 수명을 더욱 연장하는 것이 포함됩니다.
논문: "온도 복원력이 있는 리튬-황 배터리를 위한 용매 선택 기준."공동 저자로는 Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal 및 Ping Liu가 있으며 모두 UC San Diego에 있습니다.
이 연구는 NASA의 우주 기술 연구 보조금 프로그램(ECF 80NSSC18K1512), UC 샌디에고 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터(MRSEC, 보조금 DMR-2011924)를 통한 국립 과학 재단 및 Office of the Office의 초기 경력 교수 보조금의 지원을 받았습니다. 첨단 배터리 재료 연구 프로그램(Battery500 컨소시엄, DE-EE0007764 계약)을 통해 미국 에너지부의 차량 기술.이 작업은 국립과학재단(ECCS-1542148 부여)의 지원을 받는 국립 나노기술 조정 인프라의 회원인 UC 샌디에고의 SDNI(샌디에이고 나노기술 인프라)에서 부분적으로 수행되었습니다.
게시 시간: 2022년 8월 10일