연구원들이 고체 배터리 충전 및 방전을 관찰할 수 있는 X선 단층 촬영

이제 모바일 전자 제품에서 전기 자동차에 이르기까지 모든 분야에 널리 사용되는 리튬 이온 배터리는 충전 및 방전 주기 동안 배터리 내의 전극 사이에서 이온을 앞뒤로 운반하기 위해 액체 전해질에 의존합니다. 액체가 전극을 균일하게 코팅하여 이온의 자유로운 움직임을 허용합니다.

빠르게 발전하는 전고체 배터리 기술은 대신 고체 전해질을 사용하므로 에너지 밀도를 높이고 미래 배터리의 안전성을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 그러나 전극에서 리튬을 제거하면 인터페이스에 공극이 생겨 안정성 문제가 발생하여 배터리 작동 시간이 제한될 수 있습니다.

연구원들은 X선 단층 촬영을 사용하여 충전 및 방전될 때 고체 리튬 배터리 내부 물질의 내부 진화를 관찰했습니다. 연구에서 얻은 상세한 3차원 정보는 기존 리튬 이온 배터리의 가연성 액체 전해질을 고체 재료로 대체하는 배터리의 신뢰성과 성능을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

Operando 싱크로트론 X-선 컴퓨터 마이크로 단층 촬영 영상은 리튬/고체 전해질 계면에서 전극 물질의 동적 변화가 어떻게 고체 배터리의 거동을 결정하는지 보여주었습니다. 연구원들은 배터리 작동으로 인해 계면에 공극이 형성되어 접촉 손실이 발생하여 셀 고장의 주요 원인이라는 것을 발견했습니다.

연구팀은 약 2mm 너비의 특수 테스트 셀을 구축하고 5일 동안 배터리 구조의 변화를 연구했습니다. 테스트 기기는 다른 방향에서 이미지를 찍었습니다. 시간이 지남에 따라 배터리의 3D 이미지를 제공하기 위해 컴퓨터 알고리즘을 사용하여 이미지를 재구성했습니다.

리튬은 매우 가볍기 때문에 X선으로 이를 이미징하는 것은 어려울 수 있으며 테스트 배터리 셀의 특수 설계가 필요합니다. 사용된 기술은 의료용 컴퓨터 단층 촬영(CT) 스캔에 사용되는 것과 유사합니다. 실험의 한계 때문에 연구자들은 한 번의 사이클을 통해서만 배터리의 구조를 관찰할 수 있었습니다. 향후 작업에서 그들은 추가 주기 동안 어떤 일이 발생하는지, 그리고 구조가 보이드의 생성 및 채우기에 어떻게든 적응하는지 확인하기를 원합니다. 결과는 다른 전해질 제형에 적용될 수 있으며 특성화 기술은 다른 배터리 공정에 대한 정보를 얻는 데 사용될 수 있습니다.

전기 자동차용 배터리 팩은 예상 수명 150,000마일 동안 최소 1,000번의 사이클을 견뎌야 합니다. 리튬 금속 전극이 있는 솔리드 스테이트 배터리는 주어진 크기의 배터리에 대해 더 많은 에너지를 제공할 수 있지만, 그 이점은 비슷한 수명을 제공할 수 없다면 기존 기술을 극복하지 못할 것입니다.