리튬을 넘어서: 마그네슘 이차 전지용으로 유망한 양극 소재

[아름이]

리튬을 넘어서: 마그네슘 이차 전지용으로 유망한 양극 소재
날짜:
2023년 2월 9일
원천:
도쿄이과대학
요약:
마그네슘은 차세대 배터리의 에너지 운반체로서 유망한 후보입니다. 그러나 리튬 이온 배터리를 대체하려면 마그네슘 배터리의 사이클링 성능과 용량을 개선해야 합니다. 이를 위해 연구팀은 스피넬 구조의 새로운 양극 소재에 주목했다. 광범위한 특성화 및 전기화학적 성능 실험을 통해 그들은 고성능 마그네슘 재충전 배터리의 문을 열 수 있는 특정 구성을 발견했습니다.

전체 이야기
리튬 이온 배터리는 휴대용 전자 제품에서 셀룰러 기지국에 이르기까지 모든 분야에서 광범위하게 사용되는 것으로 입증된 바와 같이 여러 응용 분야에서 전반적인 성능 면에서 타의 추종을 불허합니다. 그러나 무시하기 어려운 몇 가지 중요한 단점이 있습니다. 첫째, 리튬은 다소 비싸고 극단적인 속도로 채굴되고 있다는 사실은 도움이 되지 않습니다. 게다가 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 전기 자동차와 중장비에 자율성을 부여하기에 충분하지 않습니다. 이러한 우려는 배터리가 구멍이 나거나 고온에서 매우 안전하지 않다는 사실과 함께 과학자들이 대체 기술을 찾도록 만들었습니다.

재충전 가능한 배터리를 위한 효율적인 에너지 캐리어로 테스트되고 있는 다양한 원소 중에서 마그네슘(Mg)이 유망한 후보입니다. 안전성과 풍부함 외에도 Mg는 더 높은 배터리 용량을 실현할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 몇 가지 문제를 먼저 해결해야 합니다. 여기에는 Mg 이온이 제공하는 저전압 창과 Mg 배터리 재료에서 관찰되는 신뢰할 수 없는 사이클링 성능이 포함됩니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 일본 도쿄 과학 대학의 부총장 겸 교수인 이데모토 야스시(Yasushi Idemoto)가 이끄는 연구팀은 마그네슘 배터리를 위한 새로운 양극 재료를 찾고 있었습니다. 특히 MgV(V:vanadium)계를 기반으로 양극재의 성능을 향상시킬 수 있는 방안을 모색해왔다. 다행스럽게도 2022년 12월 8일에 온라인으로 제공되고 2023년 1월 1일에 Journal of Electroanalytical Chemistry 928권에 발표된 최근 연구에서 보고된 바와 같이 그들은 이제 성공으로 가는 올바른 길을 찾았습니다.

연구원들은 Mg 1.33 V 1.67 O 4 시스템에 초점을 맞추었지만 일정량의 바나듐을 망간(Mn)으로 대체하여 공식 Mg1.33V1.67-xMnxO4(여기서 x는 0.1에서 0.4까지)를 갖는 물질을 얻었습니다. 이 시스템은 높은 이론적 용량을 제공했지만 구조, 순환 가능성 및 음극 성능에 대한 자세한 내용을 분석하여 실제 유용성을 이해해야 했습니다. 따라서 연구원들은 다양한 표준 기술을 사용하여 합성된 음극 물질을 특성화했습니다.

먼저, 그들은 X-선 회절 및 흡수와 투과 전자 현미경을 사용하여 Mg1.33V1.67−xMnxO4 화합물의 조성, 결정 구조, 전자 분포 및 입자 형태를 연구했습니다. 분석 결과 Mg1.33V1.67-xMnxO4는 매우 균일한 조성을 가진 스피넬 구조를 가짐을 보여주었다. 다음으로 연구원들은 다양한 전해질을 사용하고 다양한 온도에서 결과적인 충전/방전 특성을 테스트하여 Mg1.33V1.67−xMnxO4의 배터리 성능을 평가하기 위해 일련의 전기화학 측정을 수행했습니다.

연구팀은 이러한 음극 물질, 특히 Mg 1.33 V 1.57 Mn 0.1 O 4 에서 높은 방전 용량을 관찰했지만 사이클 수에 따라 크게 달라졌습니다. 그 이유를 이해하기 위해 그들은 재료의 바나듐 원자 근처의 국소 구조를 분석했습니다. "바나듐에 의한 많은 양의 전하 보상과 함께 특히 안정적인 결정 구조는 Mg 1.33 V 1.57 Mn 0.1 O 4 에 대해 우리가 관찰한 우수한 충방전 특성으로 이어지는 것으로 보입니다 ."라고 Idemoto 교수는 말했습니다. "종합하여, 우리의 결과는 Mg 1.33 V 1.57 Mn 0.1 O4는 마그네슘 재충전 전지를 위한 좋은 후보 양극 물질이 될 수 있습니다."

현재의 연구 결과에 만족하고 미래에 대한 희망을 품은 Idemoto 교수는 "미래의 연구 개발을 통해 마그네슘 배터리는 전자의 높은 에너지 밀도 덕분에 리튬 이온 배터리를 능가할 수 있습니다."라고 결론지었습니다.

실제로 대체된 MgV 시스템은 결국 대망의 차세대 배터리로 이어질 수 있습니다. 우리의 충전식 배터리 요구 사항에 대해 기대되는 리튬의 대안이 곧 실현되기를 바랍니다!

출처 : https://www.sciencedaily.com/