UCLA는 더 나은 리튬을 위한 길을 열었습니다.

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1980년대 John B. Goodenough가 발명한 리튬 이온 배터리는 우리 삶에 없어서는 안 될 부분입니다. 효과적인 전기 에너지 저장 시스템을 구성하며 전자 제품, 장난감, 휴대용 전동 공구, 소형 및 대형 가전 제품, 무선 헤드폰, 전기 자동차 등에 사용됩니다.

하지만 그에 따른 위험과 어려움도 따릅니다. 너무 빨리 충전하면 배터리가 폭발하거나 화재가 발생할 수 있습니다. 매우 높은 전류를 제공할 수 있으며 단락 시 빠르게 방전될 수 있습니다.

실제로, 자전거에 동력을 공급하는 리튬 이온 배터리로 인해 뉴욕시에서 100대 이상의 자전거가 폭발했습니다. 올해에만 13명의 사망자가 발생했다.

리튬 이온 배터리는 또 다른 기술인 리튬 금속 배터리에서 파생된 것입니다. 리튬 금속 배터리는 에너지 용량이 약 2배이므로 폭발 가능성이 더 높습니다.

리튬 이온 배터리는 전극을 코팅하는 새장형 탄소 구조에 양전하를 띤 리튬 원자를 저장합니다. 반면에 리튬 금속 배터리는 전극을 금속 리튬으로 코팅하여 동일한 공간에 10배 더 많은 리튬을 담습니다. 이는 후자에게 더 높은 성능의 배터리를 제공합니다.

그리고 이제 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스(UCLA) 연구팀의 연구에서는 리튬 금속 배터리의 폭발을 막는 방법을 찾았다고 주장합니다. 이는 리튬 이온 배터리보다 성능이 더 뛰어난 안전한 리튬 금속 배터리로 이어질 수 있습니다.

충방전 전류와 배터리 온도만 조절하면 안전하다. 그러나 금속 리튬은 화학 물질과 빠르게 반응하기 때문에 전극과 같은 표면에 금속을 놓으면 즉시 부식될 수 있습니다. 그러나 UCLA 팀은 이러한 부식을 방지하는 기술을 개발했습니다.

연구팀은 부식을 방지하고 리튬 금속 구조가 일반적으로 취하는 '두꺼운' 또는 '기둥 모양' 모양 대신 단일 다면체를 발견했습니다. 팀은 이를 "마름모꼴 십이면체, 12면체"라고 설명합니다. Dungeons and Dragons와 같은 롤플레잉 게임에서 사용되는 주사위와 유사합니다.”라고 보도 자료에 나와 있습니다.

부식이 없는 상태에서 연구팀은 단일 다면체가 리튬의 실제 모양이라고 말했다. 이번 발견은 고성능 에너지 기술에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다.

이번 연구의 공동저자인 Yuzhang Li는 “과학자들과 엔지니어들은 금, 백금, 은을 포함한 금속을 나노큐브, 나노구체, 나노막대와 같은 형태로 합성하는 방법에 대해 20년 넘게 연구를 진행해 왔습니다.”라고 말했습니다. "이제 우리는 리튬의 모양을 알았으니, 배터리의 안전성과 성능을 모두 높이기 위해 촘촘하게 포장할 수 있는 큐브를 형성하도록 튜닝할 수 있느냐는 질문이 있습니다."

이 연구는 동료 심사 저널인 Nature에 게재되었습니다.

연구 개요:

리튬(Li) 금속의 전착은 고에너지 배터리에 매우 중요합니다. 그러나 고체 전해질 간기(SEI)라고 불리는 표면 부식막의 동시 형성은 증착 공정을 복잡하게 만들어 Li 금속 전착에 대한 우리의 부족한 이해를 뒷받침합니다. 여기서 우리는 초고속 증착 전류 밀도에서 SEI 형성을 앞지르는 동시에 대량 운송 제한을 피함으로써 서로 얽힌 두 프로세스를 분리합니다. 극저온 전자 현미경을 사용하여 우리는 금속 Li의 고유 증착 형태가 마름모 십이면체의 형태임을 발견했습니다. 이는 놀랍게도 전해질 화학 또는 집전체 기판과 무관합니다. 코인 셀 아키텍처에서 이러한 마름모 십이면체는 전류 수집기와 거의 점 접촉 연결을 나타내며, 이는 비활성 Li 형성을 가속화할 수 있습니다. 우리는 Li 마름모십이면체를 핵 생성 시드로 활용하여 이 실패 모드를 극복하고 기준선과 비교하여 배터리 성능을 향상시키는 조밀한 Li의 후속 성장을 가능하게 하는 펄스 전류 프로토콜을 제안합니다. Li 증착과 SEI 형성은 과거 연구에서 항상 밀접하게 연관되어 있었지만, 우리의 실험적 접근 방식은 서로 분리된 이러한 프로세스를 근본적으로 이해하고 더 나은 배터리를 설계하기 위한 새로운 통찰력을 가져올 수 있는 새로운 기회를 제공합니다.