소금을 이용한 내염 리튬 이온 배터리

[아름이]

소금을 이용한 내염 리튬 이온 배터리
날짜:
2022년 12월 7일
원천:
DOE/SLAC 국립 가속기 연구소
요약:
폴리머 기반 전해질은 화씨 140도 이상으로 가열해도 계속 작동하고 불이 붙지 않는 배터리를 만듭니다.

충전식 리튬 이온 배터리는 전화, 노트북, 기타 개인용 전자 제품 및 전기 자동차에 전원을 공급하고 태양 전지판에서 생성된 에너지를 저장하는 데에도 사용됩니다. 그러나 이러한 배터리의 온도가 너무 높아지면 작동을 멈추고 화재가 발생할 수 있습니다.

이는 부분적으로 배터리가 충전 및 방전될 때 두 전극 사이에서 리튬 이온을 운반하는 내부의 전해질이 가연성이기 때문입니다.

"배터리 업계에서 가장 큰 문제 중 하나는 이 안전 문제이므로 안전한 배터리 전해액을 만들기 위해 많은 노력을 기울이고 있습니다. 11월 30일 Matt 에 발표된 보고서 .

Huang은 에너지부의 SLAC 국립 가속기 연구소 및 스탠포드 대학교에서 19명의 다른 연구원들과 함께 리튬 이온 배터리용 불연성 전해질을 개발했습니다. 그들의 작업은 이 전해질을 포함하는 배터리가 화재를 일으키지 않고 고온에서 계속 작동한다는 것을 보여주었습니다.

그들의 비밀? 더 많은 소금.

솔티 세이프티

기존의 리튬 이온 배터리 전해질은 에테르 또는 탄산염과 같은 액체 유기 용매에 용해된 리튬염으로 만들어집니다. 이 용매는 리튬 이온의 이동을 도와 배터리 성능을 향상시키지만 잠재적인 발화제이기도 합니다.

배터리는 작동하면서 열을 발생시킵니다. 그리고 배터리에 구멍이 나거나 결함이 있으면 빠르게 가열됩니다. 화씨 140도 이상의 온도에서 전해질의 작은 용매 분자는 증발하기 시작하여 액체에서 기체로 변하고 풍선처럼 배터리를 팽창시킵니다. 가스에 불이 붙고 모든 것이 화염에 휩싸일 때까지입니다.

지난 30년 동안 연구원들은 이온을 이동시키기 위해 고전적인 염 용매 용액 대신 폴리머 매트릭스를 사용하는 폴리머 전해질과 같은 불연성 전해질을 개발했습니다. 그러나 이러한 안전한 대안은 액체 용매만큼 효율적으로 이온을 이동시키지 못하므로 성능이 기존 전해질만큼 측정되지 않았습니다.

팀은 안전성과 성능을 모두 제공할 수 있는 폴리머 기반 전해질을 생산하기를 원했습니다. 그리고 Huang은 아이디어를 냈습니다.

그녀는 스탠포드 대학의 박사후 연구원이자 논문의 공동 제1저자인 Jian-Cheng Lai가 설계하고 합성한 폴리머 기반 전해질에 LiFSI라는 리튬 염을 최대한 많이 추가하기로 결정했습니다.

Huang은 "얼마나 더 추가하고 한계를 테스트할 수 있는지 확인하고 싶었습니다."라고 말했습니다. 일반적으로 폴리머 기반 전해질 중량의 50% 미만이 소금입니다. Huang은 그 수치를 63%로 끌어올려 지금까지 가장 염도가 높은 폴리머 기반 전해질 중 하나를 만들었습니다.

다른 폴리머 기반 전해질과 달리 이 전해질에는 인화성 용매 분자도 포함되어 있습니다. 그러나 SAFE(Solvent-Anchored non-Flammable Electrolyte)로 알려진 전체 전해질은 리튬 이온 배터리에서 테스트하는 동안 고온에서 불연성임이 입증되었습니다.

SAFE는 용매와 소금이 함께 작동하기 때문에 작동합니다. 용매 분자는 이온 전도를 도와 기존 전해질을 포함하는 배터리와 비슷한 성능을 제공합니다. 그러나 대부분의 리튬 이온 배터리처럼 고온에서 작동하지 않는 대신 SAFE가 포함된 배터리는 화씨 77-212도 사이의 온도에서 계속 작동합니다.

한편, 다량의 첨가된 염은 용매 분자의 앵커 역할을 하여 증발 및 발화를 방지합니다.

"이 새로운 발견은 폴리머 기반 전해질 설계에 대한 새로운 사고 방식을 지적합니다."라고 Huang에게 조언을 제공하는 스탠포드 대학의 교수이자 SIMES(Stanford Institute for Materials and Energy Sciences)의 연구원인 Zhenan Bao가 말했습니다. "이 전해질은 에너지 밀도가 높고 안전한 미래 배터리를 개발하는 데 중요합니다."

끈끈한 체재

폴리머 기반 전해질은 고체 또는 액체일 수 있습니다. 중요한 점은 SAFE의 용매와 염이 폴리머 매트릭스를 가소화하여 기존 전해질과 마찬가지로 점액 같은 액체로 만든다는 것입니다.

한 가지 이점: 끈적끈적한 전해질은 등장한 다른 불연성 전해질과 달리 기존의 상업적으로 이용 가능한 리튬 이온 배터리 부품에 적합할 수 있습니다. 예를 들어, 고체 세라믹 전해질은 특별히 설계된 전극을 사용해야 하므로 생산 비용이 많이 듭니다.

"SAFE를 사용하면 제조 설정을 변경할 필요가 없습니다."라고 Huang은 말했습니다. "물론 생산에 사용되는 경우 전해질이 생산 라인에 맞도록 최적화가 필요하지만 작업은 다른 시스템보다 훨씬 적습니다."

SLAC 및 Stanford의 교수이자 SIMES 연구원이자 Huang에게 조언을 제공하는 Yi Cui는 "이 매우 흥미로운 새 배터리 전해질은 기존 리튬 이온 배터리 셀 기술과 호환되며 가전 제품 및 전기 운송에 큰 영향을 미칠 것입니다. "

SAFE의 한 가지 응용 분야는 전기 자동차에 있을 수 있습니다.

전기 자동차의 여러 리튬 이온 배터리가 서로 너무 가까이 있으면 서로 가열되어 결국 과열 및 화재로 이어질 수 있습니다. 하지만 전기 자동차에 SAFE와 같이 고온에서 안정적인 전해질을 채운 배터리가 있으면 과열 걱정 없이 배터리를 촘촘하게 포장할 수 있습니다.

이는 화재 위험을 줄이는 것 외에도 냉각 시스템이 차지하는 공간을 줄이고 배터리를 위한 공간을 더 많이 차지한다는 의미입니다. 배터리가 많을수록 전체 에너지 밀도가 증가하므로 자동차가 충전 사이에 더 오래 갈 수 있습니다.

"따라서 안전상의 이점이 아닙니다."라고 Huang은 말했습니다. "이 전해질은 또한 훨씬 더 많은 배터리를 넣을 수 있게 해줍니다."

다른 배터리 구동 제품이 약간의 SAFE-er를 얻을 수 있는지 시간이 알려줄 것입니다.
출처 : https://www.sciencedaily.com/