새로운 모델은 미래를 위한 잠재적인 솔루션을 제공합니다

새로운 연구스탠포드 대학교 연구원들은 더 좋고 안전한 리튬 금속 배터리를 만들기 위한 길을 밝힙니다.

휴대용 전자기기 및 전기 자동차에 널리 사용되는 재충전 가능한 리튬 이온 전지의 가까운 사촌격인 리튬 금속 배터리는 차세대 에너지 저장 장치로서 엄청난 가능성을 가지고 있습니다. 리튬 이온 장치에 비해 리튬 금속 배터리는 더 많은 에너지를 보유하고 더 빨리 충전되며 무게가 상당히 가볍습니다.

그러나 현재까지 충전식 리튬 금속 배터리의 상업적 사용은 제한되어 있습니다. 주된 이유는 리튬 금속이 배터리 내부의 전극에 축적되면서 자라는 얇고 금속성이며 나무와 같은 구조인 "수상돌기"가 형성되기 때문입니다. 이러한 수상돌기는 배터리 성능을 저하시키고 궁극적으로 고장으로 이어지며, 어떤 경우에는 위험할 정도로 화재를 일으킬 수도 있습니다.

새로운 연구는 이론적 관점에서 이 수상돌기 문제에 접근했습니다. Journal of The Electrochemical Society에 게재된 논문에 설명된 바와 같이, 스탠포드 연구자들은 수상돌기 형성과 관련된 물리학과 화학을 통합하는 수학적 모델을 개발했습니다.

이 모델은 특정 특성을 지닌 새로운 전해질(리튬 이온이 배터리 내부의 두 전극 사이를 이동하는 매체)을 교체하면 수상돌기 성장을 늦추거나 심지어 완전히 멈출 수 있다는 통찰력을 제공했습니다.

Daniel Tartakovsky 교수와 Hamdi Tchelepi 교수가 공동 지도한 에너지 자원 공학 박사 과정 학생인 연구 주저자 Weiyu Li는 "우리 연구의 목표는 수명이 더 긴 리튬 금속 배터리의 설계를 안내하는 데 도움을 주는 것입니다."라고 말했습니다. "우리의 수학적 프레임워크는 적절한 규모의 리튬 금속 배터리의 주요 화학적, 물리적 과정을 설명합니다."

"이 연구는 수상돌기가 형성될 수 있는 조건과 수상돌기의 성장을 억제할 수 있는 경로에 대한 구체적인 세부 사항을 제공합니다."라고 스탠포드 대학 지구에너지공학부 에너지 자원 공학과 교수이자 공동 저자인 Tchelepi는 말했습니다. 환경 과학(스탠포드 지구).

실험자들은 수상돌기 형성을 이끄는 요인을 이해하기 위해 오랫동안 노력해 왔지만 실험실 작업은 노동 집약적이며 결과를 해석하기 어려운 것으로 입증되었습니다. 이러한 과제를 인식한 연구진은 배터리의 내부 전기장과 전해질 물질을 통한 리튬 이온의 이동에 대한 수학적 표현과 기타 관련 메커니즘을 개발했습니다.

연구 결과를 바탕으로 실험가들은 물리적으로 그럴듯한 재료와 건축 조합에 집중할 수 있습니다. "우리의 희망은 다른 연구자들이 우리 연구의 지침을 사용하여 올바른 특성을 갖는 장치를 설계하고 실험실에서 수행해야 하는 시행착오, 실험 변형의 범위를 줄일 수 있다는 것입니다."라고 Tchelepi는 말했습니다.

구체적으로, 이번 연구에서 요구되는 전해질 설계를 위한 새로운 전략에는 이방성 재료를 추구하는 것이 포함됩니다. 즉, 서로 다른 방향에서 서로 다른 특성을 나타냅니다. 이방성 재료의 전형적인 예는 나무결 방향으로 더 강한 목재로, 결 반대 방향에 비해 나무에 선으로 표시됩니다. 이방성 전해질의 경우, 이러한 물질은 이온 수송과 계면 화학 사이의 복잡한 상호 작용을 미세 조정하여 수상돌기 형성을 진행시키는 축적을 방해할 수 있습니다. 일부 액정과 젤은 이러한 원하는 특성을 나타낸다고 연구원들은 제안합니다.

이번 연구에서 확인된 또 다른 접근법은 배터리 분리막, 즉 배터리 반대쪽 끝의 전극이 닿거나 단락되는 것을 방지하는 멤브레인에 중점을 두고 있습니다. 리튬 이온이 이방성 방식으로 전해질을 통해 앞뒤로 통과하도록 하는 기공을 특징으로 하는 새로운 종류의 분리막을 설계할 수 있습니다.

팀은 다른 과학 연구자들이 연구에서 확인된 "리드"에 대한 후속 조치를 기대하고 있습니다. 다음 단계에는 실험적인 새로운 전해질 공식과 배터리 아키텍처에 의존하는 실제 장치를 제조한 다음 효과적이고 확장 가능하며 경제적일 수 있는 장치를 테스트하는 것이 포함됩니다.