미래 배터리용 주석 나노결정

리튬 이온 충전식 배터리
리튬이온(Lithium-Ion) 배터리는 휴대용 전자 제품에서 가장 일반적인 충전식 배터리입니다. 리튬 이온 배터리는 다른 유형의 충전식 배터리에 비해 자유 리튬 금속이 없기 때문에 에너지 밀도가 가장 높고 메모리 효과가 없으며 사용하지 않을 때 전하 손실이 느리고 환경적으로 안전합니다. 충전식 리튬 이온 배터리는 작은 공간에 많은 양의 에너지를 저장하기 위해 선호되는 소형 경량 저장 매체입니다. 전기 자동차, 전기 자전거, 스마트폰 및 노트북에 전력을 공급합니다. 전 세계적으로 연구자들은 현재 성능이 향상된 차세대 배터리를 개발하는 과정에 있습니다. 요즘 대부분의 리튬이온 배터리에서 플러스극은 전이금속 산화물인 코발트, 니켈, 망간으로 구성되며 흑연의 마이너스극이다. 그러나 보다 강력한 차세대 리튬 이온 배터리에서는 주석이나 실리콘과 같은 원소가 음극에 잘 사용될 수 있습니다.
나노소재 기반 리튬 이온 배터리
ETH Zurich와 Empa에 있는 무기 화학 연구소의 연구원들은 이제 나노 물질 기반 리튬 이온 배터리를 개발했습니다.
구조
나노 물질은 배터리 양극으로 작은 주석 결정을 가지고 있습니다. 충전하는 동안 리튬 이온은 이 전극에서 흡수되고 방전되는 동안 다시 방출됩니다. 리튬 이온이 많을수록 전극이 흡수 및 방출할 수 있으므로 배터리에 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 여기에서 각 주석 원자는 적어도 4개의 리튬 이온을 흡수할 수 있지만 부피는 변화합니다. 주석 전극에서 주석 결정은 많은 리튬 이온을 흡수하여 최대 3배까지 커지고 다시 방출할 때 다시 수축하는데, 이는 연구원들에게 도전과제입니다. 전극이 조밀한 주석 블록으로 만들어졌다면 이것은 사실상 불가능했을 것입니다. 이러한 단점을 극복하기 위해 연구원들은 나노기술을 사용하여 가장 작고 균일한 주석 나노결정을 생성하고 다공성의 전도성 투과성 탄소 매트릭스에 많은 수를 삽입합니다.
이상적인 크기와 균일성을 가진 나노물질을 개발하는 동안 연구원들은 성장 단계의 시간과 온도에 영향을 주어 작은 결정핵이 형성되고 이후 성장하는 두 단계를 따릅니다.
향후 개발
최상의 탄소 매트릭스와 전극용 결합제를 선택하고, 전극을 위한 이상적인 미세 구조와 리튬 이온이 두 극 사이를 오갈 수 있는 최적의 안정적인 전해질 액체와 함께 연구원은 에너지 저장 용량과 수명이 증가하여 전극 생산에 적합한 비용 효율적인 기본 재료를 생산할 수 있다고 믿습니다.