동굴에서 배터리까지: 종유석, 석순 및 오래가는 배터리

[이매진]

동굴에서 배터리까지: 종유석, 석순 및 오래가는 배터리

https://scitechdaily.com/from-caves-to-batteries-stalactites-stalagmites-and-longer-lasting-batteries/

막스 플랑크 고분자 연구 연구소 2023년 5월 16일

전고체 배터리는 전기 자동차에 사용하는 것을 포함하여 미래에 많은 이점을 제공할 수 있습니다. 크레딧: Xue Zhang / MPI-P

획기적인 연구를 통해 수명이 크게 연장된 배터리를 개발할 수 있는 가능성이 있습니다.

전기 자동차, 휴대폰, 무선 전동 공구와 같은 수많은 일상 기기는 이제 충전식 배터리에 의존합니다. 그러나 이러한 성장 추세에는 몇 가지 문제가 있습니다. 예를 들어 특정 휴대전화는 안전 문제로 인해 기내 반입이 금지되었고 일부 전기 자동차에 화재가 발생한 것으로 보고되었습니다. 이것은 주로 현대 상용 리튬 이온 배터리가 기계적 스트레스에 민감하기 때문입니다.

이러한 문제에 대한 새로운 해결책은 "전고체 배터리"를 사용하는 것일 수 있습니다. 이 배터리는 전해질로 알려진 액체 코어를 세라믹 이온 전도체와 같은 완전히 고체 물질로 대체하여 표준에서 벗어납니다. 따라서 기계적으로 견고하고, 불연성이며, 소형화하기 쉽고, 온도 변화에 강하다는 등 많은 이점을 제공합니다.

그러나 고체 배터리는 여러 번의 충전 및 방전 주기 후에 문제를 나타냅니다. 배터리의 양극과 음극은 처음에는 여전히 전기적으로 서로 분리되어 있지만 결국 내부 배터리 프로세스에 의해 서로 전기적으로 연결됩니다. 수상 돌기”는 배터리에서 천천히 자랍니다. 이러한 리튬 덴드라이트는 두 극이 연결될 때까지 각 충전 프로세스 동안 단계적으로 성장합니다. 결과: 배터리가 단락되어 "죽습니다."

Hans-Jürgen Butt 부서의 Rüdiger Berger가 이끄는 팀은 이제 문제를 해결하고 프로세스를 보다 자세히 조사하기 위해 특수 현미경 방법을 사용했습니다. 그들은 리튬 덴드라이트가 어디에서 자라기 시작하는지에 대한 질문을 조사했습니다. 천장에서 종유석이, 바닥에서 석순이 자라서 중앙에서 합류하여 소위 "석유석"을 형성하는 유석 동굴과 같습니까? 배터리에는 상단과 하단이 없지만 수상돌기는 음극에서 양극으로 또는 양극에서 음극으로 성장합니까? 아니면 양쪽 극에서 똑같이 자랄까요? 아니면 배터리에 핵 생성을 유도한 다음 거기에서 수지상 성장을 일으키는 특별한 장소가 있습니까?

Rüdiger Berger 팀은 특히 세라믹 고체 전해질의 소위 "입자 경계"를 조사했습니다. 이러한 경계는 고체층을 생산하는 동안 형성됩니다. 세라믹 결정의 원자는 기본적으로 매우 규칙적으로 배열됩니다. 그러나 결정 성장의 작고 무작위적인 요동으로 인해 원자가 불규칙하게 배열된 소위 "결정립계"라는 선형 구조가 형성됩니다.

이러한 입자 경계는 날카로운 팁으로 표면을 스캔하는 현미경 방법인 "Kelvin Probe Force Microscopy"로 볼 수 있습니다. Rüdiger Berger와 함께 일하는 박사 과정 학생인 Chao Zhu는 "전고체 배터리가 충전되면 Kelvin Probe Force Microscopy는 특히 음극 근처에서 입자 경계를 따라 전자가 축적되는 것을 확인합니다."라고 말합니다. 후자는 입자 경계가 세라믹 원자의 배열뿐만 아니라 전자 구조도 변경한다는 것을 나타냅니다.

전자(즉, 음극 입자)의 축적으로 인해 고체 전해질에서 이동하는 양전하 리튬 이온은 금속 리튬으로 환원될 수 있습니다. 그 결과 리튬 침전물과 리튬 덴드라이트가 형성됩니다. 충전 과정이 반복되면 덴드라이트는 배터리의 극이 연결될 때까지 계속 커집니다. 덴드라이트 성장을 위한 이러한 초기 단계의 형성은 음극에서만 관찰되었으며 이 극에서도 관찰되었습니다. 반대쪽 양극에서는 성장이 관찰되지 않았습니다.

과학자들은 성장 과정에 대한 정확한 이해를 통해 음극에서 성장을 방지하거나 최소한 제한하는 효과적인 방법을 개발할 수 있기를 희망합니다. 광대역 애플리케이션.