리튬-공기 배터리의 새로운 디자인은 리튬-이온 배터리에 비해 훨씬 더 긴 주행 ​​거리를 제공할 수 있습니다.

[아름이]

리튬-공기 배터리의 새로운 디자인은 리튬-이온 배터리에 비해 훨씬 더 긴 주행 ​​거리를 제공할 수 있습니다.
새로운 배터리는 언젠가 자동차, 비행기, 트럭에 동력을 공급할 수 있습니다.
날짜:
2023년 2월 22일
원천:
DOE/아르곤 국립 연구소
요약:
과학자들은 언젠가는 자동차, 국내 항공기, 장거리 트럭 등에 동력을 공급할 수 있는 리튬 공기 배터리 설계를 천 주기 동안 제작하고 테스트했습니다. 에너지 저장 용량은 리튬 이온 배터리로 가능한 용량을 훨씬 능가합니다.

전체 이야기
많은 전기 자동차 소유자는 한 번 충전으로 1,000마일 이상 차량에 전력을 공급할 수 있는 배터리 팩을 원했습니다. IIT(Illinois Institute of Technology)와 미국 에너지부(DOE) Argonne National Laboratory의 연구원들은 그 꿈을 현실로 만들 수 있는 리튬-공기 배터리를 개발했습니다. 팀의 새로운 배터리 설계는 언젠가는 국내 항공기와 장거리 트럭에도 동력을 공급할 수 있을 것입니다.

이 리튬-공기 배터리의 주요 새 구성 요소는 일반적인 액체 종류 대신 고체 전해질입니다. 고체 전해질을 사용하는 배터리는 과열 및 발화의 위험이 있는 리튬 이온 및 기타 배터리 유형에 사용되는 액체 전해질의 안전 문제가 적용되지 않습니다.

더 중요한 것은 고체 전해질을 사용한 팀의 배터리 화학이 잠재적으로 에너지 밀도를 배터리보다 4배 이상 높일 수 있어 주행 범위가 더 길어진다는 것입니다.

Argonne Distinguished Fellow인 Larry Curtiss는 "10년 이상 동안 Argonne과 다른 곳의 과학자들은 공기 중의 산소를 사용하는 리튬 배터리를 개발하기 위해 초과 근무를 해왔습니다."라고 말했습니다. "리튬-공기 배터리는 리튬-이온을 넘어 차세대 배터리로 고려되는 모든 배터리 기술 중 가장 높은 예상 에너지 밀도를 가지고 있습니다."

과거의 리튬-공기 설계에서 리튬 금속 양극의 리튬은 액체 전해질을 통해 이동하여 방전 중에 산소와 결합하여 음극에서 리튬 과산화물(Li 2 O 2 ) 또는 슈퍼옥사이드 ( LiO 2 ) 를 생성 합니다. 리튬 과산화물 또는 슈퍼옥사이드는 충전 중에 다시 리튬 및 산소 성분으로 분해됩니다. 이 화학적 순서는 필요에 따라 에너지를 저장하고 방출합니다.

연구팀의 새로운 고체 전해질은 나노입자 형태의 비교적 저렴한 원소로 만든 세라믹 고분자 재료로 구성된다. 이 새로운 고체는 방전 시 리튬 산화물(Li 2 O)을 생성하는 화학 반응을 가능하게 합니다.

"리튬 슈퍼옥사이드 또는 과산화물에 대한 화학 반응은 산소 분자당 저장된 1개 또는 2개의 전자를 포함하는 반면, 산화 리튬에 대한 화학 반응은 4개의 전자를 포함합니다."라고 Argonne 화학자 Rachid Amine은 말했습니다. 더 많은 전자가 저장된다는 것은 더 높은 에너지 밀도를 의미합니다.

팀의 리튬-공기 설계는 실온에서 4전자 반응을 달성한 최초의 리튬-공기 배터리입니다. 또한 주변 환경에서 공기가 공급하는 산소로 작동합니다. 공기와 함께 작동하는 기능은 이전 설계의 문제인 산소 탱크 작동의 필요성을 피합니다.

연구팀은 4전자 반응이 실제로 일어나고 있음을 확인하기 위해 다양한 기술을 사용했습니다. 핵심 기술 중 하나는 DOE Office of Science 사용자 시설인 Argonne의 Nanoscale Materials 센터에서 수행된 음극 표면의 방전 생성물에 대한 투과 전자 현미경(TEM)이었습니다. TEM 이미지는 4전자 방전 메커니즘에 대한 귀중한 통찰력을 제공했습니다.

과거의 리튬-공기 테스트 셀은 사이클 수명이 매우 짧았습니다. 연구팀은 반복되는 충전과 방전에 대한 안정성을 입증하면서 1000주기 동안 테스트 셀을 구축하고 작동함으로써 이러한 단점이 새로운 배터리 설계의 경우가 아님을 확인했습니다.

Curtiss는 "추가 개발을 통해 우리는 리튬-공기 배터리에 대한 우리의 새로운 설계가 킬로그램당 1200와트시라는 기록적인 에너지 밀도에 도달할 것으로 기대합니다."라고 말했습니다. "리튬 이온 배터리보다 거의 4배 더 좋습니다."

이 연구는 사이언스 최근호에 실렸습니다 . Argonne 저자로는 Larry Curtiss, Rachid Amine, Lei Yu, Jianguo Wen, Tongchao Liu, Hsien-Hau Wang, Paul C. Redfern, Christopher Johnson 및 Khalil Amine이 있습니다. IIT의 저자로는 Mohammad Asadi, Mohammadreza Esmaeilirad 및 Ahmad Mosen Harzandi가 있습니다. 시카고 일리노이 대학교의 저자로는 Reza Shahbazian-Yassar, Mahmoud Tamadoni Saray, Nannan Shan 및 Anh Ngo가 있습니다.

이 연구는 에너지 저장 연구를 위한 공동 센터를 통해 DOE 차량 기술 사무소와 기본 에너지 과학 사무소에서 자금을 지원했습니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/