더 나은 솔리드를 향한 길

로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)와 플로리다 주립 대학의 팀은 특정 화학 원소, 특히 공급망 문제로 인해 조달하기 어려운 중요한 금속에 덜 의존하는 전고체 배터리에 대한 새로운 청사진을 설계했습니다.그들의 작업이 보고되었습니다최근 사이언스(Science) 저널에서는 효율적이고 저렴한 고체 배터리를 발전시킬 수 있다고 발표했습니다.

높은 에너지 밀도와 탁월한 안전성으로 유명한 전고체 배터리는 전기 자동차 산업의 판도를 바꿀 수 있습니다. 그러나 한 번 충전으로 수백 마일을 주행할 수 있을 만큼 저렴하고 전도성이 있는 제품을 개발하는 것은 오랫동안 극복해야 할 어려운 장애물이었습니다.

“전고체 배터리에 대한 우리의 새로운 접근 방식을 사용하면 성능을 위해 경제성을 포기할 필요가 없습니다. 우리의 연구는 단지 하나의 금속뿐만 아니라 저렴한 금속 팀을 사용하여 고체 전해질을 설계함으로써 이 문제를 해결한 최초의 것입니다.”라고 공동 제1저자이자 Berkeley Lab의 재료 과학 부문 소속 과학자인 Yan Zeng이 말했습니다.

리튬 이온 배터리에서 전해질은 리튬 이온이 전하와 함께 이동하여 장치에 전력을 공급하거나 배터리를 재충전하는 전송 허브처럼 작동합니다.

다른 배터리와 마찬가지로 전고체 배터리는 에너지를 저장한 다음 이를 전원 장치에 방출합니다. 그러나 리튬 이온 배터리에서 사용되는 액체 또는 폴리머 젤 전해질 대신 고체 전해질을 사용합니다.

많은 상업용 배터리용으로 설계된 액체 전해질은 과열, 화재 및 충전 손실이 발생하기 쉽기 때문에 정부, 연구 기관, 학계에서는 전고체 배터리의 연구 개발에 막대한 투자를 해왔습니다.

그러나 지금까지 제작된 전고체 배터리의 대부분은 가격이 비싸고 대량으로 구입할 수 없는 특정 유형의 금속을 기반으로 합니다. 일부는 미국에서는 전혀 발견되지 않습니다.

현재 연구에서 Zeng은 플로리다 주립 대학의 화학 및 생화학 조교수인 Bin Ouyang, 버클리 연구소의 선임 과학자이자 UC Berkeley 재료 과학 및 공학 교수인 수석 저자 Gerbrand Ceder와 함께 새로운 유형을 시연했습니다. 다양한 금속 원소가 혼합되어 이루어진 고체 전해질입니다. Zeng과 Ouyang은 Ceder의 감독 하에 Berkeley Lab과 UC Berkeley에서 박사후 연구를 마치면서 이 작업에 대한 아이디어를 처음 개발했습니다.

새로운 재료는 많은 양의 개별 요소에 덜 의존하는 보다 전도성이 높은 고체 전해질을 만들 수 있습니다.

Berkeley Lab과 UC Berkeley의 실험에서 연구진은 여러 혼합 금속을 사용하여 여러 가지 리튬 이온 및 나트륨 이온 물질을 합성하고 테스트하여 새로운 고체 전해질을 시연했습니다.

그들은 새로운 다중 금속 재료가 단일 금속 재료보다 몇 배 더 빠른 이온 전도도를 나타내면서 예상보다 더 나은 성능을 발휘한다는 것을 관찰했습니다. 이온 전도도는 리튬 이온이 전하를 전도하기 위해 이동하는 속도를 측정한 것입니다.

연구자들은 다양한 유형의 금속을 함께 혼합하면 마치 혼잡한 고속도로에 고속도로를 추가하는 것과 마찬가지로 리튬 이온이 전해질을 통해 빠르게 이동할 수 있는 새로운 경로가 생성된다는 이론을 세웠습니다. 이러한 경로가 없으면 리튬 이온이 배터리의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 전해질을 통해 이동할 때 리튬 이온의 이동이 느리고 제한될 것이라고 Zeng은 설명했습니다.

연구진은 다중 금속 설계 후보를 검증하기 위해 국립 에너지 연구 과학 컴퓨팅 센터(NERSC)의 슈퍼컴퓨터에서 밀도 함수 이론이라는 방법을 기반으로 고급 이론적 계산을 수행했습니다. 연구진은 Molecular Foundry의 주사투과전자현미경(STEM)을 사용하여 각 전해질이 과학자들이 "단일상"이라고 부르는 한 가지 유형의 물질로만 구성되어 있음을 확인했습니다. 이 물질은 비정상적인 왜곡으로 인해 새로운 이온 전달 경로가 생성됩니다. 결정 구조.