현재 나노기술 - 보도 자료: 고에너지, 저비용 및 장수명의 배터리를 향한 이전에는 알려지지 않은 경로: 새로 발견된 반응 메커니즘으로 리튬-황 배터리의 급격한 성능 저하를 극복

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황 음극에 촉매가 있는(왼쪽) 및 촉매가 없는(오른쪽) 리튬-황 배터리의 다황화리튬(LiXNUMXS₆)에서 황화리튬(LiXNUMXS)까지 다양한 반응 경로. 출처(이미지 제공: 아르곤 국립 연구소.)

황 음극에 촉매가 있는(왼쪽) 및 촉매가 없는(오른쪽) 리튬-황 배터리의 다황화리튬(LiXNUMXS₆)에서 황화리튬(LiXNUMXS)까지 다양한 반응 경로. 신용 거래
(이미지 제공: 아르곤 국립 연구소.)

요약 :
과학자들은 원자 규모에서 반응을 시각화하여 더 나은 리튬-황 배터리를 만드는 놀라운 경로를 발견했습니다.

기존에 알려지지 않았던 고에너지·저비용·장수명 배터리 개발 경로: 새로 발견된 반응 메커니즘으로 리튬-황 배터리의 급격한 성능 저하 극복

일리노이주 레몬트 | 게시일: 8년 2023월 XNUMX일

실험실의 획기적인 발전부터 실제 기술까지의 길은 멀고 험난할 수 있습니다. 리튬황 배터리가 대표적이다. 이는 현재의 리튬 이온 배터리 구동 차량에 비해 주목할만한 이점을 가지고 있습니다. 그러나 수년에 걸친 강렬한 개발에도 불구하고 아직 시장을 훼손하지 않았습니다.

이러한 상황은 미국 에너지부(DOE) 아르곤 국립 연구소 과학자들의 노력 덕분에 미래에는 바뀔 수 있습니다. 지난 XNUMX년 동안 그들은 리튬-황 배터리와 관련된 몇 가지 중요한 발견을 했습니다. Nature에 발표된 그들의 최근 발견은 배터리의 매우 짧은 수명이라는 주요 단점을 해결하는 이전에 알려지지 않은 반응 메커니즘을 밝혀냈습니다.

Argonne 화학 과학 및 엔지니어링 부서의 화학자인 Gui-Liang Xu는 "우리 팀의 노력으로 미국이 더욱 친환경적이고 지속 가능한 운송 환경에 한 걸음 더 다가갈 수 있게 될 것입니다."라고 말했습니다.

리튬황 배터리는 현재 리튬 이온 배터리에 비해 세 가지 중요한 장점을 제공합니다. 첫째, 주어진 부피에서 XNUMX~XNUMX배 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 차량 주행 거리가 더 길어집니다. 둘째, 유황의 풍부함과 경제성으로 인해 가격이 저렴해 경제적으로 실행 가능합니다. 마지막으로, 이러한 배터리는 향후 부족에 직면할 수 있는 코발트 및 니켈과 같은 중요한 자원에 의존하지 않습니다.

이러한 이점에도 불구하고 실험실 성공에서 상업적 생존 가능성으로 전환하는 것은 어려운 것으로 입증되었습니다. 실험실 셀은 유망한 결과를 보여주었지만, 상업용 크기로 확장되면 반복되는 충전과 방전으로 인해 성능이 급격히 저하됩니다.

이러한 성능 저하의 근본 원인은 방전 중에 음극에서 황이 용해되어 가용성 폴리황화물 리튬(Li2S6)이 형성된다는 점입니다. 이러한 화합물은 충전 중에 리튬 금속 음극(양극)으로 유입되어 문제를 더욱 악화시킵니다. 결과적으로, 음극에서 황이 손실되고 양극 구성이 변경되어 사이클링 중 배터리 성능이 크게 저하됩니다.

최근의 초기 연구에서 아르곤 과학자들은 황 음극에 소량을 첨가하면 본질적으로 황 손실 문제를 제거하는 촉매 물질을 개발했습니다. 이 촉매는 실험실과 상업용 크기의 셀 모두에서 가능성을 보였지만 원자 규모의 작동 메커니즘은 지금까지 수수께끼로 남아 있었습니다.

팀의 가장 최근 연구는 이 메커니즘을 밝혀냈습니다. 촉매가 없으면 리튬 폴리설파이드가 캐소드 표면에 형성되고 일련의 반응을 거쳐 궁극적으로 캐소드가 황화리튬(Li2S)으로 전환됩니다.

"그러나 음극에 소량의 촉매가 존재하면 모든 차이가 발생합니다"라고 Xu는 말했습니다. "중간 반응 단계가 없는 매우 다양한 반응 경로가 이어집니다."

핵심은 촉매 없이는 나타나지 않는 양극 표면에 조밀한 나노 크기의 리튬 폴리설파이드 기포가 형성된다는 것입니다. 이러한 폴리황화리튬은 방전 중에 양극 구조 전체에 빠르게 확산되어 나노크기 결정으로 구성된 황화리튬으로 변환됩니다. 이 공정은 상업용 크기 셀의 황 손실과 성능 저하를 방지합니다.

반응 메커니즘 주변의 이 블랙박스를 풀기 위해 과학자들은 최첨단 특성화 기술을 사용했습니다. DOE Office of Science 사용자 시설인 Advanced Photon Source의 빔라인 20-BM에서 강렬한 싱크로트론 X선 빔을 사용하여 촉매 구조를 분석한 결과 촉매가 반응 경로에서 중요한 역할을 한다는 사실이 밝혀졌습니다. 촉매 구조는 방전 시 최종 제품은 물론 중간 제품의 형태와 구성에도 영향을 미칩니다. 촉매를 사용하면 완전 방전 시 나노결정질 황화리튬이 형성됩니다. 촉매가 없으면 대신 미세한 막대 모양의 구조가 형성됩니다.

"우리 팀의 노력으로 미국은 더욱 친환경적이고 지속 가능한 교통 환경에 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다." — Gui-Liang Xu, Argonne 화학 과학 및 엔지니어링 부문 화학자

Xiamen University에서 개발된 또 다른 중요한 기술을 통해 팀은 테스트 셀이 작동하는 동안 나노 규모에서 전극-전해질 인터페이스를 시각화할 수 있었습니다. 새로 발명된 이 기술은 나노 규모의 변화를 작동 셀의 동작과 연결하는 데 도움이 되었습니다.

Xu는 "우리의 흥미로운 발견을 바탕으로 더 나은 황 음극을 설계하기 위해 더 많은 연구를 수행할 것"이라고 말했습니다. "이 메커니즘이 나트륨-황과 같은 다른 차세대 배터리에도 적용되는지 살펴보는 것도 가치가 있을 것입니다."

이 팀의 최신 혁신을 통해 리튬-황 배터리의 미래는 더욱 밝아지고 운송 산업에 보다 지속 가능하고 친환경적인 솔루션을 제공합니다.

이 연구에 대한 기사는 Nature에 게재되었습니다. Xu 외에도 저자로는 Shiyuan Zhou, Jie Shi, Sangui Liu, Gen Li, Fei Pei, Youhu Chen, Junxian Deng, Qizheng Zheng, Jiayi Li, Chen Zhao, Inhui Hwang, Cheng-Jun Sun, Yuzi Liu, Yu Deng이 있습니다. , Ling Huang, Yu Qiao, Jian-Feng Chen, Khalil Amine, Shi-Gang Sun 및 Hong-Gang Liao.

기타 참여 기관으로는 Xiamen University, Beijing University of Chemical Technology 및 Nanjing University가 있습니다. Argonne 연구는 에너지 효율성 및 재생 에너지 사무국의 차량 기술 사무국(DOE Office of Vehicle Technologies)의 지원을 받았습니다.

고급 광자 소스 정보

아르곤 국립 연구소 (Argonne National Laboratory)에있는 미국 과학부 (US Department of Science)의 고급 광자 소스 (APS)는 세계에서 가장 생산적인 X 선 광원 시설 중 하나입니다. APS는 재료 과학, 화학, 응축 물질 물리학, 생명 및 환경 과학, 응용 연구 분야의 다양한 연구원 커뮤니티에 고휘도 X- 선 빔을 제공합니다. 이 X- 레이는 재료 및 생물학적 구조의 탐색에 이상적입니다. 원소 분포; 화학적, 자기 적, 전자적 상태; 배터리에서 연료 인젝터 스프레이에 이르기까지 광범위한 기술적으로 중요한 엔지니어링 시스템은 모두 국가 경제, 기술 및 물리적 웰빙의 기초입니다. 매년 5,000 명 이상의 연구자들이 APS를 사용하여 충격적인 발견을 자세히 설명하는 2,000 개가 넘는 출판물을 제작하고 다른 엑스레이 광원 연구 시설의 사용자보다 더 중요한 생물학적 단백질 구조를 해결합니다. APS 과학자와 엔지니어는 가속기 및 광원 운영의 핵심 요소 인 기술을 혁신합니다. 여기에는 연구원이 소중히 여기는 X-ray를 생성하는 삽입 장치, X-ray를 몇 나노 미터까지 초점을 맞추는 렌즈, X-ray가 연구중인 샘플과 상호 작용하는 방식을 최대화하는 계측기 및 수집 및 수집 소프트웨어가 포함됩니다. APS의 발견 연구로 인한 대량의 데이터를 관리합니다.

이 연구는 계약 번호 DE-AC02-06CH11357에 따라 Argonne National Laboratory에서 DOE Science of Office를 위해 운영하는 미국 DOE Science Office 사용자 시설 인 Advanced Photon Source의 리소스를 사용했습니다.

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DOE/아르곤 국립연구소 소개
아르곤 국립 연구소는 과학과 기술의 국가적 문제에 대한 해결책을 찾고 있습니다. 미국 최초의 국립 연구소 인 Argonne은 거의 모든 과학 분야에서 최첨단 기본 및 응용 과학 연구를 수행합니다. 아르곤 연구원들은 수백 개의 회사, 대학, 연방, 주 및 지방 기관의 연구원들과 긴밀히 협력하여 특정 문제를 해결하고 미국의 과학적 리더십을 발전 시키며 더 나은 미래를 준비 할 수 있도록 지원합니다. 60 개 이상의 국가에서 온 직원으로 구성된 Argonne은 UChicago Argonne, LLC가 미국 에너지 부 과학 국을 위해 관리합니다.

미국 에너지 부 과학 국 (Office of Science)은 미국 물리 과학 기초 연구의 가장 큰 단일 지원자이며 우리 시대의 가장 시급한 과제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 자세한 내용은 https://energy.gov/science.

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연락처 :
다이애나 앤더슨
DOE / 아르곤 국립 연구소

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