﻿X-레이는 더 나은 EV 배터리를 위한 애매한 화학을 밝힙니다.

X-레이는 더 나은 EV 배터리를 위한 애매한 화학을 밝힙니다. 날짜: 2022년 12월 5일 원천: DOE/브룩헤이븐 국립 연구소 요약: 과학자들은 고에너지 X-선을 사용하여 리튬 금속 양극을 안정화하는 데 중요한 배터리의 화학 층인 고체 전해질 계면을 조사했습니다. 화학자들은 에너지 밀도를 높이는 데 중요한 이 복잡한 화학 메커니즘을 풀었습니다. 전 세계의 연구원들은 청정 에너지 혁명의 병목 현상인 배터리를 완화하는 임무를 수행하고 있습니다. 전기 자동차에서 재생 가능한 그리드 규모의 에너지 저장 장치에 이르기까지 배터리는 사회에서 가장 중요한 녹색 혁신의 핵심이지만 이러한 기술을 널리 보급하고 실용적으로 만들기 위해서는 더 많은 에너지를 포장해야 합니다. 이제 미국 에너지부(DOE) Brookhaven 국립 연구소와 PNNL(Pacific Northwest National Laboratory)의 화학자들이 이끄는 과학자 팀이 에너지 밀도를 높이는 데 중요한 배터리 구성 요소의 복잡한 화학적 메커니즘인 계면을 해명했습니다. 그들의 작업은 오늘 Nature Nanotechnology 에 게재되었습니다 . DOE의 Battery500 컨소시엄, 리튬 금속 양극에 집중 스마트폰과 전기 자동차를 포함한 많은 전자 제품은 현재 기존의 리튬 이온 배터리에 의존하고 있습니다. 리튬 이온 배터리는 고효율과 긴 수명으로 인해 보편화되었지만, 이러한 배터리는 장거리 전기 자동차에 전력을 공급하는 것과 같은 보다 까다로운 응용 분야에서 문제에 직면해 있습니다. 전기 자동차용으로 더 나은 배터리를 만들기 위해 여러 국립 연구소와 DOE가 후원하는 대학의 연구원들이 Battery500이라는 컨소시엄을 구성했습니다. PNNL이 이끄는 이 컨소시엄은 킬로그램당 500와트시(Wh)의 에너지 밀도를 가진 배터리 셀을 만드는 것을 목표로 합니다. 이는 오늘날 최첨단 배터리의 에너지 밀도의 두 배 이상입니다. 이를 위해 연구팀은 리튬 메탈 배터리에 집중하고 있다. 리튬 이온 배터리는 흑연 양극에 의존하지만 이 배터리는 리튬 금속 양극을 사용합니다. 리튬 금속 양극은 흑연 양극보다 훨씬 높은 에너지 밀도를 제공하지만 장단점이 있습니다. 현재 과학자들이 직면한 가장 큰 과제 중 하나는 배터리가 충전 및 방전될 때 양극을 안정화하는 방법을 찾는 것입니다. 이러한 방법을 찾기 위해 Brookhaven Lab과 PNNL의 과학자들은 리튬 금속 배터리의 고체-전해질 계면에 대한 심층 연구를 주도했습니다. 계면은 배터리가 충전 및 방전될 때 양극과 전해질 사이에 형성되는 화학층입니다. 과학자들은 계면이 리튬 금속 배터리 안정화의 핵심이라는 사실을 알게 되었지만 복잡한 화학이 있는 매우 민감한 샘플이므로 연구하기 어렵고 따라서 완전히 이해하기 어렵습니다. 연구를 이끈 Brookhaven 화학자 Enyuan Hu는 "간기는 전체 배터리의 순환 가능성에 영향을 미칩니다. 이것은 매우 중요하지만 파악하기 어려운 시스템입니다."라고 말했습니다. "많은 기술이 이 작고 민감한 샘플을 손상시킬 수 있으며 결정상과 비정질상도 모두 가지고 있습니다." 과학계는 계면을 더 잘 이해하기 위해 극저온 전자 현미경을 포함한 다양한 실험 기술을 사용하여 많은 연구를 수행했지만 그림은 여전히 명확하고 완전하지 않습니다. 이번 연구를 공동 주도하고 전해질 개발을 이끈 PNNL 과학자 Xia Cao는 "간기에 대한 포괄적인 이해는 효과적인 간기를 구축하기 위한 토대를 제공한다"고 말했다. "Battery500 컨소시엄은 협업을 강력히 권장합니다. 우리는 많은 과학 프로젝트, 특히 간기를 이해하기 위해 Brookhaven Lab과 긴밀히 협력해 왔습니다." 간기의 복잡하고 애매한 화학에 대해 더 깊이 파고들기 위해 팀은 NSLS-II(National Synchrotron Light Source II)라는 독특한 도구를 사용했습니다. NSLS-II는 계면 화학에 대해 조명합니다. NSLS-II는 물질의 원자 규모 구성을 연구하기 위해 초고휘도 X선을 생성하는 Brookhaven Lab의 과학 사용자 시설의 DOE 사무실입니다. Hu와 동료들은 NSLS-II에서 XPD(X-ray Powder Diffraction) 빔라인의 고급 기능을 활용하여 수년 동안 배터리 화학 분야에서 새로운 발견을 했습니다. 이전의 성공을 기반으로 팀은 XPD로 돌아와 간기에서 가장 정확한 결과를 수집했습니다. "우리는 이전에 고에너지 싱크로트론 X-선이 계면 샘플을 손상시키지 않는다는 것을 발견했습니다."라고 Hu는 말했습니다. "간기를 특성화하는 가장 큰 문제 중 하나는 샘플이 저에너지 X선을 포함한 다른 유형의 방사선에 매우 민감하기 때문에 이것은 매우 중요합니다. 그래서 이 작업에서 우리는 고에너지를 사용하는 두 가지 기술을 활용했습니다. x-선, x-선 회절 및 쌍 분포 함수 분석을 통해 리튬 금속 양극 계면에서 결정상과 비정질상의 화학을 포착합니다." 리튬 금속 배터리를 50회 순환하고 충분한 간기 샘플을 채취한 후 팀은 셀을 분해하고 리튬 금속 표면에서 미량의 간기 분말을 긁어낸 다음 XPD의 고에너지 x-레이를 샘플에 조사하여 그 복잡한 화학. "XPD는 이 연구를 수행할 수 있는 세계에서 몇 안 되는 빔라인 중 하나입니다"라고 XPD의 수석 빔라인 과학자이자 연구의 공동 저자인 Sanjit Ghose는 말했습니다. "빔라인은 이 작업에 세 가지 이점을 제공했습니다: 샘플에 덜 손상을 주는 작은 흡수 단면; 결합된 기술, 실제 공간 정보에 대한 위상 정보 및 쌍 분포 함수를 얻기 위한 X선 회절; 전달을 위한 고강도 빔 추적 샘플의 품질 데이터입니다." 고급 X선 기술의 이 독특한 조합은 간기 구성 요소의 기원, 기능, 상호 작용 및 진화에 대한 자세한 화학 지도를 팀에 제공했습니다. 이 논문의 제1저자인 Brookhaven 박사후 연구원 Sha Tan은 "우리는 간기의 세 가지 다른 구성 요소에 집중했습니다. "첫 번째는 수소화 리튬과 그 형성 메커니즘이었습니다. 우리는 이전에 리튬 수소화물이 계면에 존재한다는 것을 발견했으며 이번에는 수소 소스를 확인했습니다." 구체적으로 연구팀은 리튬 금속 양극에서 자연적으로 발견될 수 있는 수산화리튬이 수소화리튬에 기여할 가능성이 높다는 것을 확인했다. 이 화합물의 구성을 제어하면 과학자들이 가능한 최고의 성능으로 개선된 계면을 설계하는 데 도움이 될 것입니다. "두 번째로, 우리는 전기화학적 성능에 매우 중요한 불화리튬을 연구했으며, 저농도 전해질에서 대규모로 형성될 수 있음을 발견했습니다."라고 Tan은 말했습니다. 이전에 과학자들은 값비싼 염에 의존하는 고농도 전해질을 사용하는 전해질에서만 불화리튬이 형성될 수 있다고 믿었습니다. 따라서 이 작업은 보다 비용 효율적인 저농도 전해질이 잠재적으로 이러한 배터리 시스템에서 잘 작동할 수 있다는 증거를 제공합니다. "셋째, 우리는 수산화리튬이 배터리 순환 동안 어떻게 소비되는지 이해하기 위해 수산화리튬을 조사했습니다. 이것은 모두 매우 새로운 발견이며 계면을 이해하는 데 중요합니다." 결합된 이러한 발견은 이전에 간과된 간기 구성 요소에 빛을 비추는 데 도움이 되며 리튬 금속 배터리에 대해 보다 정확하고 제어 가능한 간기 설계를 가능하게 합니다. 앞으로 이 팀은 Battery500 컨소시엄에 추가 연구를 계속 제공하고 있습니다. Battery500은 현재 2단계로 2026년까지 계속됩니다. 출처 : <a href="https://www.sciencedaily.com/" target="_blank" class="ke-link">https://www.sciencedaily.com/</a>