3D 배터리 이미징으로 리튬 금속 셀의 비밀스러운 실시간 수명을 밝힙니다.

[아름이]

3D 배터리 이미징으로 리튬 금속 셀의 비밀스러운 실시간 수명을 밝힙니다.
날짜:
2023년 3월 9일
원천:
찰머스 공과 대학교
요약:
혁신적인 배터리 연구원들은 유망하지만 변덕스러운 리튬 금속 배터리가 순환할 때 실시간 3D 이미지를 생성하는 코드를 해독했습니다. 한 팀이 셀의 리튬 금속이 충전 및 방전될 때 어떻게 거동하는지 관찰하는 데 성공했습니다. 새로운 방법은 미래의 자동차와 장치에서 배터리 용량을 늘리고 안전성을 높이는 데 기여할 수 있습니다.

전체 이야기
혁신적인 배터리 연구원들은 유망하지만 변덕스러운 리튬 금속 배터리가 순환할 때 실시간 3D 이미지를 생성하는 코드를 해독했습니다. 스웨덴 찰머스 공과대학(Chalmers University of Technology)의 한 팀은 셀의 리튬 금속이 충전 및 방전될 때 어떻게 거동하는지 관찰하는 데 성공했습니다. 새로운 방법은 미래의 자동차와 장치에서 배터리 용량을 늘리고 안전성을 높이는 데 기여할 수 있습니다.

"우리는 미래의 리튬 금속 배터리를 이해하고 장기적으로 최적화하기 위해 새로운 창을 열었습니다. 사이클링 동안 셀의 리튬에 어떤 일이 발생하는지 정확히 연구할 수 있을 때 중요한 정보를 얻을 수 있습니다. 내부 작동에 영향을 미치는 것에 대한 지식"이라고 최근 Nature Communications 에 발표된 과학 연구 책임자이자 Chalmers의 물리학과 교수인 Aleksandar Matic은 말합니다 .

리튬 금속 배터리와 같은 새로운 배터리 개념이 오늘날의 리튬 이온 배터리를 대체할 수 있을 것이라는 큰 기대가 있습니다. 목표는 재정적으로나 환경적으로 더 저렴한 비용으로 더 많은 에너지를 사용하고 더 안전한 배터리를 개발하는 것입니다. 전고체 배터리, 리튬-황 배터리 및 리튬-산소 배터리는 유망한 대안으로 제시되고 있는 배터리 중 하나입니다. 이러한 모든 개념은 배터리 양극이 오늘날의 배터리에 있는 흑연 대신 리튬 금속으로 구성된다는 아이디어를 기반으로 합니다. 흑연이 없으면 배터리 셀이 더 가벼워지고 리튬 금속을 양극으로 사용하면 고용량 양극 재료도 사용할 수 있습니다. 이를 통해 에너지 밀도의 3~5배를 달성할 수 있습니다.

리튬은 바람직하지 않은 미세구조를 형성합니다.

그러나 리튬 금속 배터리에는 한 가지 중요한 문제가 있습니다. 배터리를 충전하거나 방전할 때 리튬이 항상 평평하고 매끄럽게 증착되지는 않는다는 것입니다. 종종 그것은 이끼가 많은 미세구조 또는 수상돌기, 긴 바늘과 같은 구조를 형성하며, 증착된 리튬의 일부는 고립되어 비활성화될 수 있습니다. 또한 수상 돌기는 다른 배터리 전극에 도달하여 단락을 일으킬 위험이 있습니다. 따라서 이러한 구조가 언제, 어떻게, 왜 형성되는지 이해하는 것이 중요합니다.

"차세대 배터리에서 이 기술을 사용할 수 있으려면 전류 밀도, 전해질 선택 및 사이클 수와 같은 요인에 의해 셀이 어떻게 영향을 받는지 확인해야 합니다. 이제 이를 수행할 수 있는 도구가 있습니다. "라고 그의 동료 Shizhao Xiong과 함께 이 새로운 연구의 주 저자인 Chalmers 연구원 Matthew Sadd는 말합니다.

첫눈에 설레는 기다림

작동 셀에서 리튬 미세 구조의 형성을 관찰하기 위한 실험은 스위스 취리히 외곽의 스위스 광원에서 수행되었습니다. 연구원들은 X선 단층 현미경을 사용하여 실시간 및 3D로 리튬이 증착되는 시기를 연구하기 위해 특별히 설계된 배터리 셀을 준비했습니다. 많은 연구자들이 작업 셀에서 리튬 금속을 연구하기를 원했지만 팀이 아는 한 아무도 그렇게 할 수 없었습니다. 만약 그들이 성공한다면, 그것은 세포가 순환된 후 이미지를 분석하는 것과 비교하여 중요한 진전이 될 것입니다.

Matic은 "첫 번째 시도에서 작동하는 것을 직접 눈으로 보았을 때 마법과도 같았습니다."라고 말했습니다. "거대한 바늘과 같은 큰 구조를 만드는 리튬을 관찰했을 때 거의 달 착륙 프로젝트에 있는 것 같았습니다. 우리는 오랫동안 배터리의 내부 작동을 실시간으로 관찰하고 싶었습니다. 이제 가능합니다."

대규모 사용을 위한 퍼즐의 핵심 조각

이제 연구팀은 고급 x-레이 실험을 위한 국가 연구 시설인 스웨덴 MAX IV 연구소와 같이 집에서 더 가까운 곳에서 필요한 이미징 기술을 사용할 수 있기를 바라면서 다른 배터리 개념에 대한 기술을 테스트하는 것을 목표로 합니다.

"우리는 증착 공정 초기에 형성된 보다 상세한 미세 구조를 보기 위해 더 높은 해상도에서 더 빠른 측정을 수행하기 위해 이 방법을 개발하기를 기대하고 있습니다."라고 Matic은 말합니다. "이것은 리튬 금속 배터리를 대규모로 사용하고 안전하게 만들 수 있는 퍼즐의 핵심 조각입니다. 많은 연구팀과 회사가 미래의 프로토타입을 위해 리튬 금속 개념을 검토하고 있습니다."

출처 : https://www.sciencedaily.com/