새로운 연구에서는 배터리 균열의 원인과 완화 전략을 밝힙니다.

시카고 대학교, 일리노이주 시카고 프리츠커 분자 공학 대학

시카고대학교 프리츠커 분자공학대학원 및 아르곤 국립연구소에서 근무하는 박사후 연구원인 징 왕(Jing Wang)은 전기 자동차 및 기타 기술에서 점점 인기를 얻고 있는 배터리 형태에서 균열을 일으킬 수 있는 나노 크기 변형의 근본 원인과 완화 방법을 밝혀낸 새로운 논문의 첫 번째 저자입니다. (이미지 :존 Zich)

아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)와 시카고대학교 프리츠커 분자공학대학원(University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering)의 새로운 연구에서는 용량 저하, 수명 단축, 경우에 따라 화재를 초래하는 주요 배터리 미스터리를 해결했습니다.

Nature Nanotechnology에 게재된 논문에서 , 연구자들은 점점 인기를 얻고 있는 전기 자동차 및 기타 기술용 배터리 형태에서 균열을 일으킬 수 있는 나노 크기 변형의 근본 원인과 완화 방법을 밝혀냈습니다.

교신 저자 중 한 명인 아르곤 특별 연구원이자 시카고 대학교 공동 교수인 칼릴 아민(Khalil Amine)은 "사회의 전기화에는 모든 사람의 기여가 필요합니다. 사람들이 배터리가 안전하고 오래 지속된다고 믿지 않는다면 배터리 사용을 선택하지 않을 것입니다."라고 말했습니다.

음극에 다결정 Ni가 풍부한 재료(PC-NMC)를 사용하는 리튬 이온 배터리의 오랜 균열 문제로 인해 연구자들은 지난 몇 년 동안 단결정 Ni가 풍부한 층상 산화물(SC-NMC)로 방향을 전환했습니다. 하지만 항상 이전 모델과 비슷하거나 더 나은 성능을 보여준 것은 아닙니다.

제1저자인 Jing Wang이 박사 과정에서 수행한 새로운 연구입니다. Shirley Meng 교수의 에너지 저장 및 변환 연구실과 Amine의 첨단 배터리 기술팀이 공동으로 감독한 기간 동안 근본적인 문제가 밝혀졌습니다. 즉, 다결정 음극에서 도출된 가정이 단결정 재료에 잘못 적용되고 있었습니다.

"사람들이 단결정 음극으로 전환하려고 할 때 그들은 다결정 음극과 유사한 설계 원칙을 따르고 있습니다"라고 현재 시카고 대학과 아르곤 대학에서 연구하고 있는 박사후 연구원인 Wang은 말했습니다. "우리의 연구를 통해 단결정 입자의 주요 분해 메커니즘이 다결정 입자와 다르며 이로 인해 구성 요구 사항이 달라지는 것으로 나타났습니다."

Argonne에 본사를 둔 에너지 저장 연구 연합(ESRA)의 이사이기도 한 Meng은 "새로운 설계 전략이 필요할 뿐만 아니라 단결정 음극 배터리가 잠재력을 최대한 발휘할 수 있도록 다양한 재료도 필요할 것입니다."라고 말했습니다. "다양한 유형의 음극 물질이 어떻게 저하되는지 더 잘 이해함으로써 우리는 전 세계의 에너지 요구 사항에 맞는 고기능 음극 물질 제품군을 설계하는 데 도움을 줄 수 있습니다."

다결정 음극 배터리가 충전 및 방전됨에 따라 작고 겹겹이 쌓인 1차 입자가 부풀고 수축합니다. 이러한 반복적인 팽창과 수축은 반복되는 얼고 녹는 것이 도시 거리에 움푹 들어간 곳을 만드는 것과 유사하게 다결정을 분리하는 결정립 경계를 넓힐 수 있습니다. Wang은 "일반적으로 약 5~10%의 부피 확장 또는 축소가 발생합니다."라고 말했습니다. “팽창이나 수축이 탄성 한계를 초과하면 입자 균열이 발생합니다.”

균열이 너무 커지면 전해질이 들어갈 수 있으며, 이로 인해 원치 않는 부반응과 산소 방출이 발생할 수 있으며, 이로 인해 열 폭주 위험을 비롯한 안전 문제가 발생할 수 있습니다. 그러나 그러한 극적인 상황을 제외하고 일상적인 효과는 용량 저하입니다. 즉, 배터리는 시간이 지남에 따라 성능이 저하되어 새 제품이었을 때와 동일한 충전 성능을 제공할 수 없게 됩니다. 단결정 양극재는 결정을 많이 쌓아 만든 것이 아니기 때문에 이러한 시작 결정립계가 없지만 여전히 성능이 저하되고 있었습니다.

“우리는 단결정 NMC 음극의 열화가 주로 뚜렷한 기계적 고장 모드에 의해 좌우된다는 것을 입증했습니다.”라고 또 다른 교신저자이자 Argonne의 화학자인 Tongchao Liu가 말했습니다. "이번 연구는 이전에 과소평가된 메커니즘을 식별함으로써 재료 구성과 분해 경로 사이의 직접적인 연관성을 확립하고 이러한 재료의 성능 저하 원인에 대한 더 깊은 통찰력을 제공합니다."

다중 규모 싱크로트론 X선 기술과 고해상도 투과 전자 현미경을 사용하여 단결정 음극의 균열이 주로 반응 이질성에 의해 발생한다는 것을 발견했습니다. 입자는 서로 다른 속도로 반응하여 다결정 디자인처럼 많은 결정 사이가 아니라 하나의 결정 내에서 변형을 일으켰습니다.

다결정 음극은 니켈, 망간, 코발트의 균형을 유지하는 역할을 합니다. 코발트는 균열을 일으키지만 Li/Ni 장애라는 별도의 문제를 완화하기 위해 필요했습니다.

연구팀은 니켈-코발트 배터리(망간 없음) 1개와 니켈-망간 배터리(코발트 없음) 1개를 제작하고 테스트함으로써 단결정 음극의 경우 그 반대라는 사실을 발견했습니다. 망간은 코발트보다 기계적으로 더 해로웠으며 코발트는 실제로 배터리 수명을 연장하는 데 도움이 되었습니다.

그러나 코발트는 니켈이나 망간보다 가격이 더 비쌉니다. Wang은 이 실험실 혁신을 실제 제품으로 전환하기 위한 팀의 다음 단계는 코발트의 좋은 결과를 복제하는 저렴한 재료를 찾는 것이라고 말했습니다.

“발전은 주기적으로 이루어집니다.”라고 Amine이 말했습니다. "문제를 해결한 후 다음 단계로 넘어갑니다. 이 공동 논문에 설명된 통찰력은 미래의 연구자들이 미래의 배터리를 위한 더 안전하고 오래 지속되는 재료를 만드는 데 도움이 될 것입니다."

자세한 내용은 Khalil Amine(이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호됩니다)으로 문의하세요. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다.