리튬 이온 배터리를 위한 새롭고 안전한 전해질

[이매진]

리튬 이온 배터리를 위한 새롭고 안전한 전해질

https://www.techexplorist.com/new-safer-electrolyte-lithium-ion-batteries/60391/

A new and safer electrolyte for lithium-ion batteries

리튬 이온 배터리를 위한 새롭고 안전한 전해질

사계절용 전기차 배터리.

2023년 5월 19일

에 의해아쉬위니 사카르카르

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크레딧: Freepik

전기 자동차의 보급으로 LIB의 지역별, 계절별 성능 차이로 저온 구동이 문제가 되고 있습니다. 비수성 탄산염 전해질은 상업용 리튬 이온 배터리(LIB)에 일반적으로 사용됩니다.

이 필수 배터리 구성 요소는 배터리의 두 전극 사이에서 전하를 운반하는 이온을 이동시켜 배터리가 충전 및 방전되도록 합니다. 그러나 영하의 온도에서는 액체가 얼기 시작합니다. 추운 기후와 겨울 동안 전기 자동차를 충전하는 효율성은 이 문제로 인해 상당히 방해를 받습니다.

이 문제를 해결하기 위해 미국 에너지부(DOE) Argonne 및 Lawrence Berkeley 국립 연구소의 과학자 팀은 영하의 온도에서도 잘 작동하는 불소 함유 전해질을 개발했습니다. 이 새로운 전해질은 -20°C 미만의 저온 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.

전해질을 통해 이동하는 동안 이온은 4개 또는 5개의 용매 분자 클러스터의 중심에 위치합니다. 이 클러스터는 처음 몇 번의 전하 동안 양극 표면을 치고 고체-전해질 계면으로 알려진 보호 층을 만듭니다. 이 레이어는 일단 생성되면 필터 역할을 합니다. 용매 분자가 차단되기 때문에 리튬 이온만 층을 통과할 수 있습니다. 이러한 방식으로 양극의 흑연 구조에 리튬 원자를 저장할 수 있습니다. 방전 후 발생하는 전기화학 반응으로 인해 리튬은 차량에 동력을 공급하는 데 사용할 수 있는 전자를 방출합니다. 

추운 온도에서는 탄산염 용매가 있는 전해질이 얼기 시작하여 이온을 운반하는 능력을 잃습니다. 이는 이온이 용매 클러스터에 강하게 결합되어 이동하고 인터페이스 층에 들어가기 위해 높은 에너지가 필요하기 때문에 발생합니다.

이 연구에서 과학자들은 화학 구조를 맞춤화하여, 즉 불소화 위치와 에틸 아세테이트 용매의 불소화 정도를 변경하여 이 전해질을 달성했습니다. 극도로 낮은 온도에서 클러스터로부터 리튬 이온을 방출하기 위한 가장 낮은 에너지 장벽을 가진 구성이 발견되었습니다. 그들은 또한 특정 혼합물이 원자 수준에서 왜 그렇게 효과적으로 작동하는지 발견했습니다. 이는 각 용매 분자 내에 얼마나 많은 불소 원자가 위치하는지에 따라 다릅니다.

팀의 플루오르화 전해질은 영하 4F에서 400회 충전-방전 주기 동안 실험실 셀로 테스트하는 동안 안정적인 에너지 저장 용량을 유지했습니다. 그 극히 낮은 온도에서도 용량은 주변 온도에서 탄산염 기반 전해질 기반 셀과 비슷했습니다.

Argonne 그룹 리더인 John Zhang은  "따라서 우리의 연구는 영하의 온도를 위한 새로운 전해질을 설계하기 위해 전해질 용매의 원자 구조를 조정하는 방법을 보여주었습니다."라고 말했습니다.

“부동액 전해질에는 보너스 속성이 있습니다. 불이 붙지 않아 현재 사용되고 있는 탄산염계 전해액보다 훨씬 안전하다.

"우리는 저온 및 더 안전한 전해질에 대한 특허를 취득하고 있으며 현재 리튬 이온 배터리 설계 중 하나에 적용할 산업 파트너를 찾고 있습니다 ."

저널 참조: