제어 가능한 '결함'으로 리튬 이온 배터리의 성능 향상

[아름이]

제어 가능한 '결함'으로 리튬 이온 배터리의 성능 향상
날짜:
2023년 2월 8일
원천:
노스캐롤라이나 주립대학교
요약:
일부 결함은 양호할 수 있습니다. 새로운 연구에 따르면 리튬 이온 배터리 재료의 레이저 유도 결함이 배터리 성능을 향상시키는 것으로 나타났습니다.

전체 이야기
미국 에너지부 Oak Ridge National Laboratory의 배터리 테스트 연구원과 공동으로 수행한 새로운 노스캐롤라이나 주립 대학 연구에 따르면 고출력 레이저의 극히 짧은 펄스가 리튬 이온 배터리 재료에 작은 결함을 일으킬 수 있습니다. 배터리 성능을 향상시킬 수 있습니다.

나노초 펄스 레이저 어닐링이라고 하는 이 기술은 100나노초 동안만 지속되며 현대 눈 수술에 사용되는 것과 동일한 유형의 레이저로 생성됩니다. 연구원들은 리튬 이온 배터리 양극 또는 양극에 널리 사용되는 재료인 흑연에 대해 이 기술을 테스트했습니다. 그들은 10 펄스와 80 펄스의 배치로 기술을 테스트하고 전류 용량의 차이를 비교했습니다. 전력은 전압에 전류를 곱하여 계산됩니다.

리튬이온 배터리는 휴대용 전자기기와 전기차에 널리 사용되고 있다. 추가 개선을 통해 이러한 배터리는 운송 및 풍력 및 태양열과 같은 재생 가능 에너지원의 저장 장치에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

이 연구는 여러 가지 흥미로운 결과를 보여주었다고 NC 주립대학의 John C. Fan Family 재료 과학 석좌 의장이자 이 작업을 설명하는 논문의 교신저자인 Jay Narayan은 말했습니다. Narayan은 40년 이상에 걸친 작업에서 반도체의 결함을 생성하고 조작하기 위해 레이저를 사용하는 방법을 개척했습니다.

"물질적 결함은 성가신 일이 될 수 있지만 올바르게 엔지니어링하면 이점을 얻을 수 있습니다."라고 그는 말했습니다. "이 기술은 말하자면 리튬 이온을 위한 문을 열어 전류 용량을 향상시킵니다. 흑연 양극은 표면의 계단과 홈으로 구성됩니다. 더 많은 계단을 만드는 것은 리튬 이온이 들어가고 들어갈 수 있는 더 많은 문을 만드는 것과 같습니다. 밖으로, 그것은 유익합니다.

"이 기술은 또한 빈자리라고 하는 결함을 생성하는데, 이는 원자가 누락되어 있고 리튬 이온이 오고 갈 수 있는 더 많은 사이트를 제공하는 데 도움이 되며 이는 현재 용량과 관련이 있습니다."

80 펄스보다 10 펄스에 가까운 최적의 펄스 수를 사용했을 때 전류 용량이 20% 증가했습니다.

이 연구는 또한 흑연 양극의 결함이 너무 많으면 문제가 발생할 수 있으므로 좋은 것도 너무 많으면 나쁠 수 있음을 보여주었습니다.

"리튬 이온은 양전하를 띠기 때문에 전자를 포획하면 리튬 금속이 되고, 당신은 그것을 원하지 않을 것입니다."라고 Narayan은 말했습니다. "리튬 금속은 흑연 양극에서 작은 와이어 덴드라이트를 방출하여 화재를 일으킬 수 있습니다. 따라서 리튬 이온이 금속이 되지 않도록 해야 합니다."

Narayan은 제조업체가 배터리에 포함된 다른 전극인 양극과 음극 모두를 생산할 때 나노초 펄스 레이저 어닐링을 사용할 수 있는 능력을 갖추어야 한다고 말했습니다.

"이러한 고성능 레이저가 존재하며 마이크로초 내에 양극과 음극을 처리할 수 있습니다."라고 Narayan은 말했습니다. "음극 또는 양극은 시트에 만들어져 상대적으로 빠르고 쉽게 처리할 수 있습니다."

University of Texas-Austin의 Narayan과 동료들은 최근 음극 물질에 동일한 레이저 기술을 사용한 또 다른 논문을 발표했습니다. ACS Applied Materials and Interfaces에 발표된 이 연구는 레이저 처리가 음극 재료를 향상시킨 것으로 나타났습니다.

"다음으로 우리는 더 높은 출력과 더 오래 지속되는 배터리를 만들기 위해 배터리 음극에 코발트와 같은 더 비싼 재료를 사용할 필요성을 없애려고 노력하고 있습니다."라고 Narayan은 말했습니다.

이 연구는 Carbon 에 나타납니다 . NC State의 생물 의학 공학 석좌 교수인 Roger Narayan은 제1 저자인 NC State 대학원생인 Nayna Khosla와 함께 이 논문을 공동 집필했습니다. Oak Ridge National Laboratory의 Xiao-Guang Sun과 M. Parans Paranthaman도 이 논문을 공동 집필했습니다. 기금은 보조금 DMR-2016256에 따라 국립 과학 재단에서 제공했습니다. ORNL의 배터리 테스트 연구는 계약 번호 DE-AC05-00OR22725에 따라 미국 에너지부, 과학부, 기초 에너지 과학부, 재료 과학 및 엔지니어링 부서의 지원을 받았습니다. 이 작업은 부분적으로 NC State의 Analytical Instrumentation Facility에서 수행되었습니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/