University of California San Diego의 엔지니어들은 많은 에너지를 충전하면서 춥고 뜨거운 온도에서 잘 작동하는 리튬 이온 배터리를 개발했습니다.연구원들은 넓은 온도 범위에 걸쳐 다목적이고 견고할 뿐만 아니라 고에너지 양극 및 음극과도 호환되는 전해질을 개발하여 이 위업을 달성했습니다.
내열성 배터리미국 국립과학원회보(PNAS)에 7월 4일자 발표된 논문에 설명되어 있습니다.
이러한 배터리를 사용하면 추운 기후에서 전기 자동차가 한 번 충전으로 더 멀리 이동할 수 있습니다.UC 샌디에고 제이콥스 공과대학의 나노공학 교수이자 이번 연구의 수석 저자인 Zheng Chen은 차량의 배터리 팩이 더운 기후에서 과열되는 것을 방지하기 위해 냉각 시스템의 필요성을 줄일 수 있다고 말했습니다.
“주변 온도가 세 자릿수에 도달하고 도로가 더 뜨거워지는 지역에서는 고온 작동이 필요합니다.전기 자동차에서 배터리 팩은 일반적으로 이러한 뜨거운 도로와 가까운 바닥 아래에 있습니다.”라고 UC 샌디에이고 지속 가능한 전력 및 에너지 센터의 교수이기도 한 Chen이 설명했습니다.“또한 배터리는 작동 중에 전류가 흐르는 것만으로도 예열됩니다.배터리가 이러한 고온을 견딜 수 없으면 성능이 빠르게 저하됩니다."
테스트에서 개념 증명 배터리는 -40 및 50C(-40 및 122F)에서 각각 에너지 용량의 87.5% 및 115.9%를 유지했습니다.또한 이 온도에서 각각 98.2%와 98.7%의 높은 쿨롱 효율을 나타내어 배터리가 작동을 멈추기 전에 더 많은 충전 및 방전 주기를 거칠 수 있습니다.
Chen과 동료들이 개발한 배터리는 전해질 덕분에 추위와 열에 강합니다.그것은 리튬 염과 혼합 된 디부틸 에테르의 액체 용액으로 만들어집니다.디부틸 에테르의 특징은 분자가 리튬 이온에 약하게 결합한다는 것입니다.즉, 전해질 분자는 배터리가 작동하면서 리튬 이온을 쉽게 방출할 수 있습니다.연구자들이 이전 연구에서 발견한 이 약한 분자 상호작용은 영하의 온도에서 배터리 성능을 향상시킵니다.또한, 디부틸 에테르는 고온에서 액체 상태를 유지하기 때문에 쉽게 열을 받을 수 있습니다(끓는점이 141C 또는 286F임).
리튬-황 화학물질 안정화
이 전해질의 특별한 점은 리튬 금속으로 만든 양극과 황으로 만든 음극이 있는 충전식 배터리 유형인 리튬-황 배터리와 호환된다는 것입니다.리튬-황 배터리는 더 높은 에너지 밀도와 더 낮은 비용을 약속하기 때문에 차세대 배터리 기술의 필수적인 부분입니다.그들은 오늘날의 리튬 이온 배터리보다 킬로그램당 최대 2배 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 이는 배터리 팩의 무게를 늘리지 않고도 전기 자동차의 범위를 두 배로 늘릴 수 있습니다.또한 황은 기존 리튬 이온 배터리 음극에 사용되는 코발트보다 더 풍부하고 공급원에 대한 문제가 적습니다.
그러나 리튬-황 배터리에는 문제가 있습니다.음극과 양극 모두 초 반응성입니다.유황 음극은 반응성이 커서 배터리 작동 중에 용해됩니다.이 문제는 고온에서 악화됩니다.그리고 리튬 금속 양극은 배터리의 일부를 관통하여 단락을 일으킬 수 있는 덴드라이트(dendrites)라는 바늘 같은 구조를 형성하는 경향이 있습니다.결과적으로 리튬-황 배터리는 최대 수십 사이클만 지속됩니다.
"고에너지 밀도의 배터리를 원한다면 일반적으로 매우 거칠고 복잡한 화학 물질을 사용해야 합니다."라고 Chen이 말했습니다.“에너지가 높다는 것은 더 많은 반응이 일어난다는 것을 의미합니다. 즉, 안정성이 떨어지고 분해가 더 많이 발생합니다.안정적인 고에너지 배터리를 만드는 것 자체가 어려운 작업입니다. 넓은 온도 범위에서 이를 수행하는 것은 훨씬 더 어렵습니다.”
UC 샌디에고 팀에서 개발한 디부틸 에테르 전해질은 고온 및 저온에서도 이러한 문제를 방지합니다.그들이 테스트한 배터리는 일반적인 리튬-황 배터리보다 수명이 훨씬 더 깁니다.Chen은 "우리의 전해질은 높은 전도성과 계면 안정성을 제공하면서 음극과 양극을 모두 개선하는 데 도움이 됩니다."라고 말했습니다.
연구팀은 또한 황 음극을 폴리머에 접목하여 더 안정적으로 설계했습니다.이것은 더 많은 황이 전해질에 용해되는 것을 방지합니다.
다음 단계에는 배터리 화학을 확장하고 더 높은 온도에서 작동하도록 최적화하고 사이클 수명을 더욱 연장하는 것이 포함됩니다.
논문: "온도에 강한 리튬-황 배터리를 위한 용매 선택 기준."공동 저자에는 Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal 및 Ping Liu가 있으며 모두 UC San Diego에 있습니다.
이 작업은 NASA의 우주 기술 연구 보조금 프로그램(ECF 80NSSC18K1512), UC 샌디에고 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터(MRSEC, 보조금 DMR-2011924)를 통한 국립 과학 재단의 조기 경력 교수 보조금 및 사무실 첨단 배터리 재료 연구 프로그램을 통한 미국 에너지부의 차량 기술(Battery500 컨소시엄, 계약 DE-EE0007764).이 작업은 National Science Foundation(Grant ECCS-1542148)에서 지원하는 National Nanotechnology Coordinated Infrastructure의 회원인 UC San Diego의 San Diego Nanotechnology Infrastructure(SDNI)에서 부분적으로 수행되었습니다.
게시 시간: 2022년 8월 10일