마그네슘 이온 전고체 배터리:리튬보다 더 안전하고 효율적입니다.

폭발하지 않고 에너지 밀도가 더 높은 전고체 배터리를 약속하는 것은 아직 이르다. 그러나 에너지 저장 연구 공동 센터의 연구원들은 더 많은 에너지 저장 용량을 갖춘 불연성 마그네슘 배터리를 만드는 데 큰 도움이 될 마그네슘 이온 고체 도체를 개발했습니다.

리튬 배터리가 폭발하는 이유는 양극과 음극 사이를 오가며 전하를 운반하는 액체 전해질로 만들어졌기 때문에 잠재적으로 가연성이 있는 물질이기 때문입니다. 그러나 전해질(액체 아님)로 사용할 수 있는 마그네슘 고체 전도체는 내화성이 있습니다. 이는 미래에는 삼성 갤럭시와 아이폰이 산산조각나는 일이 없을 것이라는 의미입니다.

Toyota와 KIT를 포함한 여러 회사는 더 나은 액체 전해질을 만드는 데 중점을 두었지만 배터리의 다른 구성 요소를 부식시키는 경향이 있습니다. 그래서 연구자들은 뭔가 다른 것을 시도하고 싶었습니다. 리튬에 비해 밀도가 높고 자연계에 훨씬 더 풍부한 마그네슘은 어떨까요?

이 기술을 개발하기 위해 연구원들은 마그네슘 스칸듐 셀렌화물 스피넬을 선택했습니다. 이는 리튬 고체 전해질에 필적하는 마그네슘 이동성을 가지고 있습니다. 그들이 어떻게 이를 가능하게 했는지 알아보겠습니다.

MIT와 아르곤의 역할

과학자 팀은 계산 리소스를 제공한 MIT 연구원과 마그네슘 스칸듐 셀렌화물 스피넬 물질의 구조와 기능을 문서화한 아르곤 국립 연구소의 도움을 받았습니다.

Argonne의 연구 화학자인 Baris Key는 마그네슘 이온이 이론적 연구에서 예측한 것만큼 빠르게 물질을 통과할 수 있음을 증명하기 위해 NMR(핵 자기 공명) 분광학 테스트를 수행했습니다. 실험 데이터에는 복잡한 특성을 지닌 알려지지 않은 물질 구조가 포함되어 있어 이해하기가 상당히 어렵습니다.

이러한 발견을 가능하게 하기 위해 고체 NMR 및 싱크로트론 측정과 함께 전통적인 전기화학적 특성 분석이 적용되었습니다.

NMR은 인간의 신경, 근육 및 지방 조직에 있는 물의 수소 원자를 보여주기 위해 의학에서 자주 사용되는 MRI(자기 공명 영상)와 매우 유사합니다. NMR 주파수를 조정하여 배터리 재료에 존재하는 마그네슘이나 리튬 이온과 같은 다른 원소를 식별할 수 있습니다.

출처: 로렌스 버클리 국립 연구소

왜 마그네슘 스칸듐 셀레나이드 스피넬인가?

스피넬 구조는 설계 매개변수에 따라 선택되었습니다. 이러한 구조는 음이온당 높은 부피로 가장 높은 마그네슘 이동도를 갖습니다. 또한 NMR 이완측정법과 임피던스 분광법은 낮은 이동 장벽으로 빠른 마그네슘 이온 운동을 확인합니다. 임피던스 분광법은 혼합 전도 거동을 보여주므로, 실용화 가능한 고체 마그네슘 전해질이 되기 위해서는 전자 전도도를 억제할 수 있는 방안을 강구해야 할 것이다.

고체 마그네슘 전해질 제조에 중대한 영향을 미칠 수 있는 두 가지 기본 현상, 즉 점결함의 역할과 마그네슘 이동도 및 전기화학에 대한 반전의 영향에 대한 두 논문 모두 재료 화학(Chemistry of Materials)에 게재되었습니다.

관찰 결과에 따르면 전자 전도도는 본질적인 결함이나 마그네슘이 포함되지 않은 2차 상으로 인해 발생하는 것으로 나타났습니다. 따라서 마그네슘 스칸듐 셀레나이드 스피넬의 결함 화학을 이해하는 것은 전자 전도성을 줄이는 데 매우 중요합니다. 전자 전도를 우회하는 또 다른 접근법은 표면을 이온 전도성이면서 전자 절연성이 되도록 설계하는 것입니다. 이는 재료의 고체 전해질과 전극 사이의 얇은 계면을 현장에서 형성하거나 다른 재료의 얇은 층을 외부에서 코팅함으로써 달성할 수 있습니다.

전고체전지의 적절한 성능을 위해서는 실제 코팅층이 충분한 마그네슘 이동도를 보여야 합니다. 연구팀은 이성분인 셀렌화마그네슘, 황화마그네슘, 산화마그네슘 등 마그네슘 물질에 대한 주목할만한 전해질 분해 생성물 전반에 걸쳐 마그네슘 확산을 고려했습니다.

그들은 산화마그네슘과 황화마그네슘에서 높은 확산 장벽을 발견한 반면, 마그네슘 셀렌화물은 더 낮은 값을 나타냈습니다. 따라서 잠재적인 마그네슘 고체 전해질(황화물과 산화물로 구성됨)은 이성분 마그네슘 칼코게나이드에 비해 마그네슘 금속에 사용할 때 더 나은 마그네슘 이동성을 갖는 계면 생성물의 생성을 보장해야 합니다.

높은 실온의 마그네슘 이온 전도도를 지닌 최초의 스피넬을 식별한 것 외에도, 연구 작업은 이전에 발견된 빠른 다가 이온 고체 전도체에 대한 설계 규칙을 검증합니다. 이는 전해질 물질이나 전극으로 기능할 수 있는 빠른 마그네슘 이동성을 갖는 더 많은 고체를 발견하는 데 있어 고무적인 단계입니다.

연구 논문: 삼원 스피넬 칼코게나이드의 높은 마그네슘 이동성

효과 및 향후 범위

Shanghai Jiao Tong University의 Bo 조교수에 따르면, 이 연구가 에너지 환경에 주목할만한 영향을 미칠 것이라고 합니다. 이 기술은 초기 단계에 있지만 가까운 미래에 에너지 저장에 혁신적인 영향을 미칠 수 있습니다.

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획기적이고 흥미진진하게 들리지만, 팀은 이 재료가 실제 배터리에 사용되기 전에 여전히 많은 가구 작업이 필요하다고 말합니다. 현재는 제거해야 할 전자 누출량이 적지만, 이온 이동도가 향상되어 보다 안전한 상용 배터리가 가능해졌습니다.