Li에서 크래킹

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전 세계 연구자들은 주로 에너지 밀도를 높이고 충전 시간을 줄이는 것을 목표로 추가 배터리 기술을 열심히 추구하고 있습니다. 미시간 대학교 과학자 팀의 연구에 따르면 리튬 이온 배터리 양극의 균열이 배터리 충전 시간을 줄이는 데 도움이 될 수 있다는 중요한 진전이 있었습니다.

일반적으로 배터리 수명을 단축시키는 것으로 알려진 균열에 대한 인식은 신경과학에서 영감을 받은 기술을 사용하여 해결되었습니다. 이는 균열이 배터리 수명을 단축시킨다고 믿는 많은 전기 자동차 제조업체의 믿음과 모순됩니다.

"많은 회사들이 깨지지 않는 입자를 사용하여 '백만 마일' 배터리를 만드는 데 관심이 있습니다. 불행하게도 균열이 제거되면 균열로 인한 추가 표면적이 없으면 배터리 입자가 빠르게 충전될 수 없습니다."라고 말했습니다. 재료 과학 및 공학 조교수 Yiyang Li는 대학의 성명에서 이렇게 말했습니다.

이 연구는 에너지 및 환경 과학 저널에 게재되었습니다.

연구원들은 그들의 연구가 양극(또는 음극)이 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 또는 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물로 형성된 수십억 개의 작은 입자로 구성된 모든 전기 자동차 배터리의 절반 이상에 적용될 것이라고 추정합니다.

"이론적으로 음극이 충전되는 속도는 입자의 표면 대 부피 비율에 따라 달라집니다. 작은 입자는 부피에 비해 표면적이 더 크기 때문에 큰 입자보다 더 빨리 충전되어야 합니다. 따라서 리튬 이온은 더 짧은 거리를 가지게 됩니다. 그들을 통해 확산됩니다."

그러나 기존 기술로는 개별 음극 입자의 충전 특성을 직접 감지할 수 없었고 배터리 음극을 구성하는 모든 입자의 평균만 감지할 수 있었습니다. 이러한 제약으로 인해 충전 속도와 음극 입자 크기 사이의 일반적으로 믿어지는 연관성은 단지 가정일 뿐입니다.

"우리는 음극 입자가 균열되어 있으며 외부 표면뿐만 아니라 입자 균열 내부에서도 리튬 이온을 흡수할 수 있는 더 많은 활성 표면을 가지고 있음을 발견했습니다. 배터리 과학자들은 균열이 발생한다는 것을 알고 있지만 균열이 충전에 얼마나 많은 영향을 미치는지는 측정하지 않았습니다. 속도가 빠르다"고 이번 프로젝트에 참여한 재료공학과 박사과정 민진홍 씨는 말했다.

개별 음극 입자의 충전 속도를 측정하는 것은 음극 균열의 이점을 결정하는 데 중요했습니다. 연구팀은 신경과학자들이 개별 뇌 세포가 전기 충격을 전달하는 방식을 분석하기 위해 일상적으로 사용하는 장치에 입자를 도입하여 수행했습니다.

팀은 최대 100개의 마이크로 전극을 갖춘 2x2cm 크기의 장치인 어레이를 설계했습니다. 인간의 머리카락보다 70배 더 가는 바늘을 사용하여 장치 중앙에 여러 개의 음극 입자를 분산시킨 후 단일 입자를 어레이의 전극으로 이동시켰습니다. 입자가 제자리에 놓인 후 어레이에서 한 번에 최대 4개의 개별 입자를 충전 및 방전할 수 있었으며, 이 특정 조사에서는 21개의 입자를 모니터링했습니다.

실험을 통해 음극 입자의 충전 속도는 크기와 무관하다는 사실이 밝혀졌습니다. 이 놀라운 행동에 대한 가장 그럴듯한 설명은 더 큰 입자가 부서질 때 더 작은 입자의 클러스터처럼 행동한다는 것입니다. 또 다른 이론은 리튬 이온이 음극 입자를 구성하는 나노 크기 결정 사이의 미세한 틈인 결정 경계에서 매우 빠르게 이동한다는 것입니다. Li는 배터리의 전해질(리튬 이온이 이동하는 액체 매체)이 이러한 한계를 관통하여 균열을 형성하지 않는 한 이것이 불가능하다고 믿습니다.

연구팀에 따르면 깨지지 않는 단결정 입자로 오래 지속되는 배터리를 구성할 때는 균열이 있는 소재의 장점을 고려해야 한다. 빠르게 충전하려면 이러한 입자가 오늘날의 유해한 음극 입자보다 작아야 할 수도 있습니다. "대안은 리튬을 더 빠르게 이동할 수 있는 다양한 재료로 단결정 음극을 만드는 것입니다. 그러나 이러한 재료는 필요한 금속 공급으로 인해 제한되거나 에너지 밀도가 더 낮을 수 있습니다"라고 Li는 말했습니다.