치약 성분으로 전기자동차의 주행거리 확장 가능

[이매진]

치약 성분으로 전기자동차의 주행거리 확장 가능

https://scitechdaily.com/toothpaste-ingredient-could-extend-the-range-of-electric-cars/

Toothpaste Ingredient Could Extend the Range of Electric Cars

주제:아르곤 국립 연구소배터리 기술암사슴차량

작성자: 아르곤 국립연구소(ARGONNE NATIONAL LABORATORY) 2023년 9월 4일

아르곤국립연구소 과학자들이 리튬이온을 넘어 차세대 배터리 성능을 향상시키는 불화물 전해질을 발견했다. 이 새로운 전해질은 에너지 밀도를 향상시키고 배터리 수명을 연장하여 잠재적으로 전기 자동차 산업에 혁명을 일으킬 수 있습니다.

새로운 불소 함유 전해질은 고성능, 오래 지속되는 배터리의 길을 열었습니다.

많은 치약에는 충치로부터 치아를 보호하기 위해 불소 화합물인 불화나트륨이 함유되어 있습니다. 그러나 불소를 함유한 화합물에는 예상치 못한 추가 용도가 있습니다. 미국 에너지부 산하 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory) 연구원들은 미래의 배터리 성능 저하를 방지할 수 있는 불소 전해질을 확인했습니다.

Argonne의 화학 과학 및 엔지니어링 부문 그룹 리더인 Zhengcheng (John) Zhang은 “리튬 이온을 뛰어넘는 전기 자동차용 배터리 유형의 흥미롭고 새로운 세대가 곧 다가오고 있습니다.”라고 말했습니다.

비리튬 이온 배터리의 화학적 특성은 리튬 이온 배터리에 비해 주어진 부피나 무게에서 두 배 이상의 에너지를 저장합니다. 그들은 훨씬 더 먼 거리를 이동할 수 있는 자동차에 전력을 공급할 수 있으며 언젠가는 장거리 트럭과 항공기에 전력을 공급할 수도 있습니다. 이러한 배터리의 광범위한 사용은 기후 변화 문제를 해결하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다. 가장 큰 문제는 충전과 방전이 반복되면서 높은 에너지 밀도가 급격히 감소한다는 점이다.

주요 경쟁자 중 하나는 리튬 이온 배터리에 일반적으로 사용되는 흑연 대신 리튬 금속으로 만든 양극(음극)을 가지고 있습니다. 그래서 '리튬 금속' 배터리라고 불립니다. 음극(양극)은 니켈, 망간, 코발트(NMC)를 함유한 금속 산화물입니다. 리튬 이온 배터리로 가능한 에너지 밀도의 두 배 이상을 제공할 수 있지만, 그 뛰어난 성능은 100회 미만의 충전-방전 주기 내에 빠르게 사라집니다.

연구팀의 해결책은 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동하여 충전과 방전을 구현하는 액체인 전해질을 바꾸는 것이었습니다. 리튬 금속 배터리에서 전해질은 용매에 용해된 리튬 함유 염으로 구성된 액체입니다. 짧은 사이클 수명 문제의 원인은 전해질이 처음 몇 사이클 동안 양극 표면에 적절한 보호층을 형성하지 못하기 때문입니다. 고체 전해질 간기(SEI)라고도 불리는 이 층은 보호 장치 역할을 하여 리튬 이온이 양극 안팎으로 자유롭게 통과하여 배터리를 충전하고 방전할 수 있게 해줍니다.

불화 양이온을 함유한 전해질을 사용한 리튬 금속 배터리 설계(중앙 원자 구조) "계면" 영역은 양극 표면과 음극 표면에 형성되는 불소가 포함된 층을 나타냅니다. 출처: 아르곤 국립 연구소

연구팀은 수백 사이클 동안 견고한 보호층을 유지하는 새로운 불소 용매를 발견했습니다. 이는 양전하를 띤 불소화 성분(양이온)과 음전하를 띤 다른 불소화 성분(음이온)을 결합합니다. 이 조합은 과학자들이 이온성 액체(양이온과 음이온으로 구성된 액체)라고 부르는 것입니다.

"우리의 새로운 전해질의 주요 차이점은 이온성 액체의 양이온 부분의 고리형 구조에서 수소 원자를 불소로 대체한다는 것입니다."라고 Zhang은 말했습니다. ​"이는 테스트용 리튬 금속 셀에서 수백 사이클 동안 고성능을 유지하는 데 있어 큰 변화를 가져왔습니다."

원자 수준에서 이러한 차이 뒤에 숨은 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해 팀은 DOE Office of Science 사용자 시설인 ALCF(Argonne Leadership Computing Facility)의 고성능 컴퓨팅 리소스를 활용했습니다.

Zhang이 설명했듯이, ALCF의 Theta 슈퍼컴퓨터에 대한 시뮬레이션에서는 충전-방전 주기 전에 불소 양이온이 양극과 음극 표면에 달라붙고 축적되는 것으로 나타났습니다. 그런 다음 사이클링 초기 단계에서 이전 전해질로 가능한 것보다 우수한 탄력성 SEI 층이 형성됩니다.

Argonne 및 Pacific Northwest National Laboratory의 고해상도 전자 현미경을 통해 양극과 음극의 높은 보호 SEI 층이 안정적인 사이클링을 유도한다는 사실이 밝혀졌습니다.

연구팀은 리튬염에 대한 불소 용매의 비율을 조절해 너무 두껍지도 얇지도 않은 SEI 두께를 포함해 최적의 특성을 지닌 층을 만들 수 있었다. 이 층으로 인해 수백 번의 충전 및 방전 중에 리튬 이온이 전극 안팎으로 효율적으로 흐를 수 있습니다.

팀의 새로운 전해질은 다른 많은 장점도 제공합니다. 여러 단계가 아닌 간단한 한 단계로 매우 높은 순도와 수율로 만들 수 있어 비용이 저렴합니다. 휘발성이 있고 환경에 오염 물질을 방출할 수 있는 용매를 훨씬 적게 사용하기 때문에 환경 친화적입니다. 그리고 불에 타지 않기 때문에 더욱 안전합니다.

Zhang은 “우리의 불화 양이온 전해질을 사용한 리튬 금속 배터리는 전기 자동차 산업을 상당히 발전시킬 수 있습니다.”라고 말했습니다. ​"그리고 이 전해질의 유용성은 의심할 여지 없이 리튬 이온을 넘어선 다른 유형의 첨단 배터리 시스템으로 확장됩니다."

참고 자료: Qian Liu, Wei Jiang, Jiayi Xu, Yaobin Xu, Zhenzhen Yang, Dong-Joo Yu, Krzysztof Z. Pupek, Chongmin Wang, Cong Liu의 "불소화 양이온은 고전압 리튬 금속 배터리를 가능하게 하는 새로운 간상 화학을 도입합니다." , Kang Xu 및 Zhengcheng Zhang, 2023년 6월 21일, Nature Communications .
DOI: 10.1038/s41467-023-38229-7

이 연구에 대한 논문은 Nature Communications 에 게재되었습니다 . Zhang 외에도 Argonne의 저자로는 Qian Liu, Wei Jiang, Jiayi Xu, Zhenzhen Yang, Doo-Joo Yu, Krzysztof Z. Pupek 및 Cong Liu가 있습니다. 다른 기여자로는 Pacific Northwest National Laboratory의 Chongmin Wang과 Yaobin Xu, 미 육군 연구소의 Kang Xu가 있습니다.

이 작업은 DOE 에너지 효율 및 재생 에너지 사무국, 차량 기술 사무국의 지원을 받았습니다. ALCF의 컴퓨팅 시간은 DOE의 ASCR 리더십 컴퓨팅 챌린지를 통해 부여되었습니다.