리튬 이온 배터리의 초고속 충전 기능

[아름이]

리튬 이온 배터리의 초고속 충전 기능
연구자들은 생물 유래 붕산염 폴리머에 내재된 리튬 이온이 흑연 양극의 '초고속 충전' 기능을 향상시킨다는 것을 보여줍니다.
날짜:
2023년 3월 3일
원천:
일본 종합과학기술원
요약:
리튬 이온 배터리는 에너지 저장 장치 중에서 지배적이며 전기 자동차 산업에서 선택되는 배터리입니다. 배터리 성능을 개선하는 것은 이 분야의 현재 연구에 대한 끊임없는 자극입니다. 이를 위해 연구팀은 흑연 음극용 리튬 붕산염계 수용성 고분자 전해질 바인더를 합성했다. 그들의 새로운 바인더는 기존 배터리에 비해 리튬 이온 확산을 개선하고 임피던스를 낮추는 데 도움이 되었습니다.

전체 이야기
현재 사회는 화석 연료에서 재생 가능 자원 및 전기 배터리로 일괄 전환되고 있습니다. 보다 친환경적인 방법으로 전환해야 하는 시급함에도 불구하고 효율성 및 지속 가능성과 관련된 핵심 과제는 극복해야 할 장애물입니다. 예를 들어, 전기 자동차에 사용하기 위한 리튬 이온(Li-ion) 배터리의 대량 시장 채택은 느린 충전 속도로 인해 방해를 받고 있습니다. "매우" 빠른 충전(배터리의 80%가 10분 이내에 충전됨), 높은 에너지 밀도 및 사이클 수명은 자동차 산업이 배터리에서 추구하는 기능의 "성배"입니다.

배터리의 급속 충전 능력을 가능하게 하기 위해 연구원들은 오랫동안 전해질의 물질 전달과 전극의 전하 전달을 향상시키려는 시도를 했으며, 후자에 비해 전자에 대한 광범위한 연구가 수행되었습니다. 이제 일본과학기술종합연구소(JAIST)의 Noriyoshi Matsumi 교수가 이끄는 연구팀의 연구는 활성 물질의 리튬 이온 인터칼레이션을 촉진하는 바인더 물질을 사용하여 급속 충전을 촉진하는 새로운 접근 방식을 보여줍니다. 바인더 재료는 고체 전해질 계면(SEI)과 양극 재료 내에서 탈용매화된 Li 이온의 확산을 개선하고 높은 전도성, 낮은 임피던스 및 우수한 안정성을 제공합니다.

이 팀은 JAIST의 전 선임 강사 Rajashekar Badam, 박사후 연구원 Anusha Pradhan, 전 대학원생 Ryoya Miyairi 및 박사 과정 학생 Noriyuki Takamori로 구성되었습니다. 그들의 연구 결과는 저널 ACS Materials Letters에 게재되었습니다.

"흑연 양극과 같은 전극 내에서 전하 이동을 향상시키기 위해 생체 유래 리튬 붕산염 폴리머를 수성 고분자 전해질 바인더로 사용하는 우리의 현재 전략은 빠른 충전 능력을 보여줍니다."라고 교신 저자인 Profs. JAIST의 Matsumi와 Badam.

전지에 대한 대부분의 연구는 활물질의 설계와 전해질의 향상된 물질 전달에 초점을 맞추고 있지만, 현재 연구는 활물질의 리튬 이온 삽입을 촉진하는 특정 바인더 재료의 설계를 통해 다른 접근 방식을 제공합니다. "결합제 재료는 양극 매트릭스에서 리튬 이온 확산을 개선하는 해리성이 높은 리튬 붕산염을 포함합니다. 또한 이 결합제는 일반 배터리 셀과 비교할 때 매우 낮은 계면 저항을 나타내는 유기 붕소 SEI를 형성할 수 있습니다."라고 Matsumi 교수는 설명합니다.

붕소 화합물(바인더의 4배위 붕소 및 붕소가 풍부한 SEI와 같은)의 역할은 SEI에서 용매 외피로부터 Li + 의 탈용매화의 활성화 에너지를 감소시킴으로써 Li + 이온의 탈용매화를 돕는 것입니다. 또한 높은 확산과 낮은 임피던스로 인터페이스에서 전하 이동과 관련된 과전압이 감소합니다. 논문 제1저자인 JAIST 아누샤 프라단 박사는 “이는 초고속 충전을 결정하는 중요한 요인 중 하나”라고 설명했다.

일반적으로 충전이 삽입 속도를 초과하면 흑연 전극에 Li 도금이 발생합니다. 이는 배터리 수명을 단축하고 고속 충전 기능을 제한하는 바람직하지 않은 프로세스입니다. 이 연구에서 SEI와 전극 내 이온의 향상된 확산은 Li + 이온 의 농도 분극을 제한하여 흑연에 도금이 없도록 합니다.

그들의 연구에서 연구원들은 초고속 충전 배터리와 감소된 계면 저항을 위한 새로운 전략을 제시했을 뿐만 아니라 카페산에서 파생된 바이오폴리머를 사용했습니다. 식물 기반 유기 화합물인 카페산은 지속 가능하고 환경적으로 안전한 물질 공급원입니다. 따라서 이러한 배터리 시장이 엄청나게 성장하는 동안 이러한 배터리에 바이오 기반 자원을 사용하면 이산화탄소 배출량도 줄일 수 있습니다.

Matsumi 교수는 이 연구에 사용된 구조의 핵심 능력을 강조하며 "향후 연구에서 우리의 바인더는 고속 대전 활성 물질과 결합되어 성능 향상에 추가적인 시너지 효과를 낼 수 있습니다."라고 덧붙였습니다.

배터리 성능에 대한 연구가 증가함에 따라 특히 운송 부문에서 우리가 에너지를 사용하는 방식에서 더 친환경적인 옵션을 곧 기대할 수 있습니다. "고속 충전 배터리 기술을 통해 사람들은 전기 자동차와 편리한 모바일 장치를 즐길 수 있습니다. 재생 가능한 자원을 사용하면 화석 자원의 가용성과 높은 사회적 상황의 영향에 관계없이 오랫동안 제품 가용성을 유지할 것입니다."라고 교수는 결론지었습니다. .마츠미.

출처 : https://www.sciencedaily.com/