미생물 합성 전해질 첨가제로 리튬 이온 배터리 안정화

[아름이]

미생물 합성 전해질 첨가제로 리튬 이온 배터리 안정화
날짜:
2022년 11월 30일
원천:
일본 종합과학기술원
요약:
차세대 전자 및 전기 자동차의 에너지 수요를 충족시키기 위해서는 고에너지 밀도 음극이 있는 리튬 이온 배터리가 필요합니다. 그러나 고전압에서는 배터리 전해액이 과도하게 분해되어 음극 성능이 저하됩니다. 이를 해결하기 위해 연구원들은 표면에 패시베이션 층을 형성하고 분해를 억제함으로써 음극을 안정화시키는 바이오 기반의 무독성 첨가제 재료를 합성했습니다. 환경 친화적이고 저렴한 새로운 화합물은 바이오 기반 자원의 더 넓은 활용을 촉진할 수 있습니다.

고에너지 밀도 리튬 이온(Li-ion) 배터리는 전기 및 하이브리드 자동차, 차세대 전자 장치 및 전력망에 전력을 공급하는 데 없어서는 안 될 요소입니다. 이 리튬 이온 배터리에는 전이 금속 산화물을 기반으로 하는 고에너지 밀도 음극이 포함되어 있습니다. 조사된 많은 잠재적인 재료 중에서 LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 음극은 높은 가역 용량을 가진 Li/Li+에 비해 4.5 V의 높은 전위에서 최고의 성능을 제공하는 것으로 나타났습니다.

그러나 이러한 높은 전위에서 상업용 전해질의 카보네이트 종(에틸렌 카보네이트 및 디에틸 카보네이트)은 과도한 산화 분해를 겪습니다. 이는 차례로 음극 표면에 두꺼운 음극 전해질 계면(CEI)을 형성하여 성능을 심각하게 저하시킵니다. 결과적으로 연구원들은 음극 표면을 마스킹하고 안정화함으로써 성능 저하를 제한하는 방법으로 전해질 첨가제를 탐구했습니다. 그러나 현재 사용 가능한 옵션은 안전 및 환경 위험을 초래합니다.

최근 일본과학기술종합연구소(JAIST)의 Noriyoshi Matsumi 교수가 이끄는 연구팀은 미생물로 2,5-디메틸-3,6-비스(4-아미노벤질)피라진(DMBAP)을 합성했습니다. 기반 화합물, LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 음극 을 안정화하기 위한 잠재적인 첨가제 . 그들의 접근 방식을 차별화하는 것은 기존 첨가제와 달리 DMBAP가 지속 가능하고 환경 친화적이며 비용 효율적이며 무독성이라는 사실입니다.

연구팀은 JAIST의 전 선임강사 Rajashekar Badam, 박사후 연구원 Agman Gupta, 박사 과정 학생 Noriyuki Takamori, 일본 Tsukuba 대학의 Naoki Takaya 교수, Masuo 조교수 Shunsuke Masuo 조교수, Hajime Minakawa 전 대학원생으로 구성되었습니다. 그들의 연구 결과는 Scientific Reports 저널에 게재되었습니다.

"비록 바이오매스 유래 물질이 일반적으로 연구자와 사회 모두에게 매력적이지만 리튬 이온 배터리를 포함한 전기 장치에서의 응용은 여전히 ​​제한적입니다. 이 연구는 새로운 미생물 대사 산물, 특히 유전자에서 독특한 피라진 유래 디아민 DMBAP에 초점을 맞춥니다. Masuo 교수와 공동으로 발견한 Pseudomonas fluorescens SBW25 클러스터. 전해질 첨가제로서의 역할은 지속 가능성 및 스마트 셀 산업 분야에 영향을 미칠 수 있습니다."라고 Takaya 교수는 연구 이면의 동기에 대해 설명합니다.

초기 이론 평가에서 DMBAP 분자의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)가 범용 전해질에 비해 높은 위치에 위치하는 것으로 나타났다. 이로 인해 음극 표면에서 쉽게 산화되어 그 위에 보호층을 형성할 수 있었습니다. 또한 DMBAP의 디아민은 CEI의 용해를 방지했습니다.

팀은 추가 분석을 위해 DMBAP의 상세한 전기화학적 평가를 추가로 수행했습니다. HOMO 밴드 에너지는 선형 스윕 볼타메트리를 사용하여 확인되었으며, X선 광전자 분광법은 산화적 전기중합을 나타내는 C-N=C 피크를 나타냈습니다. 순환 전압전류법 및 충전-방전 연구는 DMBAP 첨가제 가 배터리의 속도 성능, 순환 안정성, 쿨롱 효율 및 용량 유지를 개선하여 LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 음극을 안정화시켰음을 보여주었습니다. 또한, 동적 전기화학적 임피던스 분광법 실험은 낮은 계면 저항 CEI의 형성을 입증했습니다.

이러한 결과를 바탕으로 연구팀은 DMBAP가 희생적 산화 분해를 거쳐 음극 표면에 유기 보호막을 형성한다고 결론지었습니다. 이것은 차례로 과도한 전해질 열화를 제한하고 음극에서 전이 금속 산화물의 구조를 안정화했습니다. 사실상, 이 선순환 현상은 LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 음극의 작동 전위 창을 Li/Li+ 대비 4.5V로 증가시킵니다. 또한 배터리 시스템에 대한 DMBAP의 안정화 효과는 하프 셀 및 풀 셀 구성 모두에서 현저했습니다.

"미생물로 제조된 피라진-아민 화합물 DMBAP는 차세대 전기 자동차 및 드론에 필수적인 리튬 이온 이차 전지의 성능을 향상시킬 것입니다. 또한 대규모 자동차 산업에서 바이오 기반 자원의 더 넓은 활용을 촉진할 것입니다. 또한, 에너지 저장 장치용 바이오 기반 재료는 제조 및 작동 중에 이산화탄소 배출량을 두 배로 줄일 것입니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/