주석 나노결정은 차세대 리튬 이온 배터리 성능을 약속합니다

리튬이온 충전 배터리
리튬 이온(Li-Ion) 배터리는 여전히 휴대용 전자 제품과 전기 자동차의 주요 전원으로 사용되고 있습니다. 높은 에너지 밀도, 메모리 효과 없음, 느린 자가 방전 및 환경 안전성(자유 리튬 금속이 없기 때문에)은 작고 가벼운 에너지 저장 장치에 선호되는 선택입니다. 이제 전 세계 연구자들은 이 기술을 발전시켜 더 높은 용량과 더 긴 수명을 제공하는 데 주력하고 있습니다.

전통적으로 리튬 이온 양극은 흑연을 사용하는 반면 음극은 코발트, 니켈, 망간과 같은 전이금속 산화물로 구성됩니다. 그러나 차세대 양극은 원자당 여러 개의 리튬 이온을 수용하여 에너지 저장을 늘릴 수 있는 주석 및 규소와 같은 원소를 탐구하고 있습니다.

나노물질 기반 리튬 이온 배터리
취리히공과대학 무기화학연구소와 Empa의 협력으로 리튬이온 양극을 위한 획기적인 나노물질이 탄생했습니다. 핵심 혁신은 주석 원자당 최대 4개의 리튬 이온을 흡수할 수 있는 초미세 주석 나노결정을 사용하는 것입니다.

이러한 주석 결정은 충전 중에 리튬을 흡수하면 원래 부피의 3배까지 팽창합니다. 방전되면 원래 크기로 다시 수축됩니다. 이러한 상당한 부피 변화는 벌크 주석 전극에 문제를 제기하지만 나노기술은 작은 주석 입자의 매우 균일한 분포를 만들어 문제를 완화합니다. 결정은 기계적 안정성을 제공하고 전자 전달을 촉진하는 다공성 전도성 탄소 매트릭스에 내장되어 있습니다.

제조 공정에는 주석 결정 시드의 핵 생성과 제어된 성장이라는 두 가지 중요한 단계가 포함됩니다. 연구원들은 각 단계의 타이밍과 온도를 정밀하게 조정함으로써 안정적인 배터리 작동에 필요한 최적의 결정 크기와 균일성을 달성했습니다.

향후 개발
추가적인 발전은 고용량과 긴 사이클 수명을 결합한 전극을 만들기 위해 최고의 탄소 매트릭스, 결합제 및 전해질 제제를 선택하는 데 달려 있습니다. 이러한 발전은 전기 자동차 및 휴대용 전자 장치의 에너지 저장에 혁명을 일으킬 수 있는 비용 효율적이고 확장 가능한 재료를 약속합니다.