새로운 보호 코팅으로 리튬 금속 배터리 안전성과 에너지 밀도 향상

캘리포니아주 스탠포드 대학교

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 아고체 전해질을 사용하면 오늘날 시중에서 판매되는 리튬 이온 배터리보다 더 안전하고 훨씬 더 많은 에너지를 저장하며 상당히 빠르게 충전되는 충전식 리튬 금속 배터리를 구현할 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.

이번 연구의 선임저자이자 기계공학과 부교수인 Wendy Gu는 “우리와 다른 사람들이 개선을 위해 노력하고 있는 고체 전해질은 리튬 이온이 쉽게 앞뒤로 이동할 수 있게 해주는 일종의 세라믹이지만 부서지기 쉽습니다.”라고 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. 이 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.

"이 방법은 광범위한 종류의 세라믹으로 확장될 수 있습니다. 초박형 표면 코팅이 빠른 충전 및 압력과 같은 극한의 전기화학적 및 기계적 조건에서 전해질을 덜 부서지기 쉽고 더 안정적으로 만들 수 있음을 보여줍니다."라고 이번 연구의 수석 저자이자 스탠포드 도어 지속 가능성 학교(Stanford Doerr School of Sustainability)의 일부인 프리코트 에너지 연구소(Precourt Institute for Energy) 소장인 스탠포드 대학의 William Chueh 교수 실험실에서 근무한 Xin Xu는 말했습니다.

연구진은 주사전자현미경 내부의 특수 탐침을 사용하여 표면을 파괴하는 데 필요한 힘을 측정했습니다. 은 처리된 고체 전해질은 처리되지 않은 재료에 비해 균열에 거의 5배 더 많은 압력이 필요했습니다. 지금까지 실험은 완전한 배터리보다는 작은 테스트 샘플을 사용하여 수행되었습니다. 연구원들은 이제 전체 리튬 금속 배터리에 은 기반 표면 처리를 적용하여 반복적인 고속 충전 및 장기간 사용과 같은 실제 조건에서 코팅이 얼마나 잘 작동하는지 확인하고 있습니다.

또한 팀은 배터리 수명을 연장할 수 있는 다양한 각도에서 기계적 압력을 사용하기 위한 다양한 전략을 연구하고 있습니다. 그들은 또한 황 기반 전해질과 같은 추가 유형의 고체 전해질의 고장을 방지하는 방법을 연구하고 있으며, 이는 리튬과의 화학적 안정성 향상과 같은 추가 이점을 제공할 수 있습니다. 이러한 발견을 새로운 나트륨 기반 배터리에 적용하는 것은 흥미로운 가능성이며, 이는 리튬 기반 배터리에 대한 공급망 제약을 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

연구원들은 은이 유일한 선택은 아니라고 말했습니다. 구리와 같은 다른 저렴한 금속을 사용한 초기 테스트에서는 고무적인 결과가 나타났습니다. 종합적으로, 이러한 발견은 차세대 배터리에 중요할 수 있는 깨지기 쉬운 재료를 강화하기 위한 새롭고 유연한 접근 방식을 제시합니다.

자세한 내용은 Wendy Gu에게 문의하세요. 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호됩니다. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다.