에너지 저장 혁명:고체 전해질 리튬 배터리는 안전성, 용량 및 속도를 제공합니다.

앤드류 코셀리

기계적 압력으로부터 고체 전해질의 결정 구조를 보호하기 위해 표면 아래에 원자 단위로 얇은 은 코팅과 일부 은 원자를 렌더링한 것입니다. (이미지 :자오 조양)

이론적으로 배터리의 반대 전극 사이에 액체가 아닌 고체 전해질을 사용하면 오늘날 시중에서 판매되는 리튬 이온 배터리보다 더 안전하고 훨씬 더 많은 에너지를 담으며 상당히 빠르게 충전되는 충전식 리튬 금속 배터리를 사용할 수 있습니다. 수십 년 동안 과학자와 엔지니어들은 리튬 금속 배터리의 큰 가능성을 실현하기 위해 여러 가지 경로를 탐색해 왔습니다. 연구 중인 고체 결정성 전해질의 주요 문제점은 배터리가 고장날 때까지 사용 중에 커지는 미세한 균열이 형성된다는 것입니다.

스탠포드 연구자들은 이러한 작은 결함이 어떻게 형성되고 확장되는지를 확인한 3년 전에 발표한 연구 결과를 바탕으로 고체 전해질 표면에 극도로 얇은 은 코팅을 어닐링하면 문제가 크게 해결되는 것으로 보인다는 사실을 발견했습니다. 자연 소재에 보고된 대로 , 이 코팅은 기계적 압력으로 인한 파손을 방지하기 위해 전해질 표면을 5배 강화합니다. 또한 기존 결함이 내부에 리튬이 묻어 있을 위험을 훨씬 줄여줍니다. 특히 고속 충전 중에 나노 균열이 나노 균열로 변해 결국 배터리를 쓸모 없게 만드는 경우가 많습니다.

“우리와 다른 사람들이 개선을 위해 노력하고 있는 고체 전해질은 리튬 이온이 쉽게 앞뒤로 이동할 수 있게 해주는 일종의 세라믹이지만 부서지기 쉽습니다.”라고 수석 저자이자 기계공학과 부교수인 Wendy Gu가 말했습니다. “엄청나게 작은 규모로 보면 집에 있는 세라믹 접시나 그릇처럼 표면에 작은 균열이 있는 경우도 있습니다.”

"실제 전고체 배터리는 음극-전해질-양극 시트가 적층된 층으로 구성됩니다. 가장 작은 결함 없이 이를 제조하는 것은 거의 불가능하고 비용이 많이 듭니다."라고 Gu는 말했습니다. "우리는 보호 표면이 더 현실적일 수 있다고 판단했으며, 약간의 은색만으로도 꽤 좋은 효과를 낼 수 있는 것 같습니다."

다른 과학자들의 이전 연구에서는 현재 연구가 효과가 있었던 리튬, 란타늄, 지르코늄 원자와 산소의 혼합으로 "LLZO"로 알려진 동일한 고체 전해질 물질에 금속 Ag 코팅을 사용하는 방법을 조사했습니다. 이전 연구에서는 배터리 성능을 향상시키기 위해 금속 은을 사용했지만, 새로운 연구에서는 전자(Ag+)를 잃은 용해된 형태의 은을 사용했습니다. 이러한 용해되고 충전된 은은 금속성 고체 은과 달리 균열 형성을 방지하기 위해 세라믹을 경화시키는 직접적인 역할을 합니다.

연구진은 LLZO 표면에 3나노미터 두께의 은층을 증착한 다음 샘플을 최대 300°C(572°F)까지 가열했습니다. 가열하는 동안 은 원자는 전해질 표면으로 확산되어 훨씬 작은 리튬 원자와 위치를 20~50나노미터 깊이로 교환했습니다. 은은 금속 은이 아닌 양전하 이온으로 남아 있었는데, 과학자들은 이것이 균열 형성을 방지하는 열쇠라고 생각합니다. 결함이 존재하는 경우 일부 은 이온의 존재는 리튬이 전해질 내부에 침투하여 파괴적인 가지가 자라는 것을 방지합니다.

"우리의 연구는 나노 규모의 은 도핑이 전해질 표면에서 균열이 시작되고 전파되는 방식을 근본적으로 변화시켜 차세대 에너지 저장 기술을 위한 내구성과 고장 방지 고체 전해질을 생산할 수 있다는 것을 보여줍니다"라고 당시 연구 책임자이자 현재 애리조나 주립대학교 공학과 조교수인 Xin Xu가 말했습니다.

여기 독점 기술 요약이 있습니다. Xu와의 인터뷰, 길이와 명확성을 위해 편집됨.

기술 요약 :코팅을 어닐링하는 동안 직면했던 가장 큰 기술적 문제는 무엇이었나요?

쑤 :대답하기 전에 우리가 은에 대해 생각하는 최초의 그룹은 아니라는 점을 분명히 하고 싶습니다. 은 코팅은 주로 리튬 금속과 고체 전해질 사이의 중간층으로 몇 년 동안 전고체 배터리에 사용되어 왔습니다. 분명히 그들은 잘 작동합니다. 그러나 우리는 약간 다른 생각을 가지고 이 문제를 해결했습니다. 우리는 은을 마법의 원소로 생각하기 시작했습니다. 크기가 크고 분극성이 높습니다.

이는 은암이 매우 유연하여 작은 이온이 들어갈 수 없는 곳에 물질을 압착할 수 있음을 의미합니다. 여기서 우리의 가설은 매우 간단합니다. 은이 전해질을 전지 안으로 확산시키거나 압착할 수 있다면 압축 응력이 발생하여 실제로 재료가 단단해질 수 있다는 것입니다. 이렇게 하면 재료가 균열에 더 강해집니다.

처음 이 아이디어를 떠올렸을 때 '얼마나 힘들까? 그냥 거기에 은을 넣어라.' 결과가 너무, 너무 힘들었어요. 가장 큰 기술적 과제는 고체 전해질이 공기에 극도로 민감하다는 점이었습니다. 수분은 CO2와 반응하여 표면에 오염층을 형성합니다. 실험실에서도 이런 일이 너무 쉽게 일어납니다. 전해질 표면에 이러한 오염이 형성되면 은은 우리가 원하는 기능을 수행할 수 없습니다.

결국 우리는 표면의 청결함이 전부라는 것을 깨달았습니다. 따라서 매우 깨끗한 표면을 만들면 은이 전해질 재료로 확산되어 우리가 목표로 하는 압축 응력을 생성할 수 있습니다. 그때부터 우리는 실험실 환경 제어에 매우 집착하게 되었습니다. 우리는 코팅 특성화부터 테스트까지 샘플 준비부터 시작했습니다. 모든 단계는 엄격하게 통제된 공기가 없는 환경에서 이루어졌습니다. 우리는 이 프로젝트를 위해 매우 독특한 맞춤형 공기 없는 이송 용기를 설계했습니다. 심지어 아마존에서도 이것을 판매합니다. 그렇게 하고 나니 결과는 매우 명확했습니다. 매우 흥미롭습니다.

기술 요약 :앞으로의 작업 계획이 있나요?

쑤 :다음 단계를 위해 몇 가지 사항을 염두에 두고 있습니다. 첫째, 이것이 제가 가장 좋아하는 부분인 것 같고, 다른 요소도 시도해 보고 싶습니다. 이러한 결과는 이온 크기가 핵심 요소임을 시사합니다.? 그것이 사실이라면, 은은 은이기 때문에 특별하지 않습니다. 크니까 특별해요. 이는 저렴하지만 큰 요소도 작동할 수 있음을 의미합니다. 예를 들어 나트륨, 칼륨 또는 구리입니다. 사실 우리는 이미 구리를 사용하여 매우 유망한 결과를 얻었습니다.