배터리 기술의 실리콘 양극 근육

By 톰 리키, PNNL

실리콘은 디지털 혁명의 필수 요소로, 바로 이 순간 여러분의 눈에서 불과 몇 인치 떨어진 장치에서 수많은 신호를 전달합니다.

이제 그 풍부하고 값싼 재료가 급성장하는 배터리 사업에서 큰 역할을 할 수 있는 중요한 후보가 되고 있습니다. 특히 배터리의 중요한 부품인 음극에 널리 사용되는 흑연보다 10배나 많은 에너지를 담을 수 있어 매력적이다.

하지만 그렇게 빠르지는 않습니다. 실리콘은 과학자들 사이에서 높은 평가를 받고 있지만, 배터리의 일부가 되면 재료 자체가 부풀어 오른다. 너무 많이 부풀어오르면 양극이 벗겨지고 갈라져 배터리가 충전 능력을 상실하고 결국 고장이 나게 됩니다.

이제 과학자들은 이 과정을 처음으로 목격했습니다. 이는 실리콘을 전기 자동차는 물론 휴대폰, 노트북, 스마트 시계 및 기타 기기용 배터리의 비용, 성능 및 충전 속도를 향상시킬 수 있는 실행 가능한 선택으로 만드는 중요한 단계입니다.

에너지부 과학자 왕종민은 "많은 사람들이 무슨 일이 일어날지 상상했지만 이전에는 실제로 그것을 시연한 사람이 없었다"고 말했다. 퍼시픽 노스 웨스트 국립 연구소. Wang은 최근에 발표된 논문의 교신저자입니다. 자연 나노 기술.

실리콘 양극, 땅콩버터 컵 및 포장된 항공 승객

리튬 이온은 리튬 이온 배터리의 에너지 통화로 전해질이라는 액체를 통해 두 전극 사이를 앞뒤로 이동합니다. 리튬 이온이 실리콘으로 만들어진 양극에 들어갈 때, 마치 뚱뚱한 비행기 승객이 만원 비행기의 가운데 좌석에 비집고 앉는 것처럼, 실리콘 원자를 비스듬히 밀어내며 규칙적인 구조로 힘차게 움직입니다. 이러한 "리튬 압착"으로 인해 양극이 원래 크기의 XNUMX~XNUMX배로 부풀어오르게 됩니다.

리튬 이온이 출발하면 모든 것이 정상으로 돌아오지 않습니다. 빈자리라고 불리는 빈 공간이 남아있습니다. 가운데 승객이 화장실로 향할 때 승객들이 빈 공간을 재빨리 되찾는 것처럼, 변위된 실리콘 원자가 빈 공간의 전부는 아니지만 많은 부분을 채웁니다. 그러나 리튬 이온은 돌아와서 다시 안으로 들어갑니다. 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 앞뒤로 이동하고 실리콘 양극의 빈 공간이 합쳐져 공극 또는 간격을 형성함에 따라 이 과정이 반복됩니다. 이러한 격차는 배터리 고장으로 이어집니다. 과학자들은 수년 동안 이 프로세스에 대해 알고 있었지만 이전에는 배터리 고장이 어떻게 발생하는지 정확하게 목격한 적이 없었습니다. 일부에서는 실패의 원인이 실리콘과 리튬의 손실 때문이라고 생각합니다. 다른 사람들은 고체 전해질 간기(SEI)로 알려진 핵심 구성 요소가 두꺼워지는 것을 비난했습니다. SEI는 양극과 액체 전해질 사이의 중요한 관문인 양극 가장자리의 섬세한 구조입니다.

연구팀은 투과전자현미경을 사용해 리튬이온 배터리가 충전 및 방전되는 동안 내부의 분자작용을 기록했다. 여기에서는 PNNL 과학자 Yaobin Xu가 샘플을 조정합니다. (사진: Andrea Starr | 태평양 북서부 국립 연구소)

두 개의 이미지는 실리콘 양극이 반복적으로 충전 및 방전될 때 분자 변화를 보여줍니다. 왼쪽 이미지는 한 사이클 후 사실상 온전한 양극을 보여줍니다. 실리콘(녹색)은 고체 전해질 간기의 구성 요소(불소, 빨간색)로부터 명확하게 분리됩니다. 오른쪽 이미지는 100회 주기 후의 양극을 보여줍니다. 양극은 실리콘 구조로 거의 인식할 수 없으며 대신 고체 전해질 간기의 실리콘과 불소가 혼합되어 있습니다. (사진 제공: 왕종민|태평양북서부국립연구소) ​

왕종민(사진: Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

PNNL에서 작업은 광범위한 작업의 일부입니다. 실리콘 양극을 탐구하는 연구 프로그램코팅과 같은 독창적인 재료, 장치를 만드는 새로운 방법, 배터리 수명을 늘리는 새로운 전해질 등이 포함됩니다.

Wang 외에도 다른 PNNL 저자들 종이 Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li(교신 저자이기도 함) 및 Ji-Guang(Jason) Zhang이 포함됩니다.

PNNL의 작업 부분은 DOE의 에너지 효율 및 재생 에너지 사무국의 차량 기술 사무국에서 자금을 지원 받았습니다. 국립과학재단(National Science Foundation)도 이 연구를 지원했습니다. 작업의 일부는 두 개의 DOE Office of Science 사용자 시설에서 수행되었습니다. LANL의 통합 나노기술 센터에서는 과학자들이 연구에 사용되는 실리콘 나노와이어를 만들었고, PNNL의 환경 분자 과학 실험실에서는 연구원들이 현미경 검사를 수행하고 분자 구조를 기록했습니다. 상호 작용.

기사 및 이미지 제공 : 퍼시픽 노스 웨스트 국립 연구소

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출처: https://cleantechnica.com/2021/10/16/silicon-anodes-muscle-in-on-battery-technology/