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Aug 02, 2023

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독일 바이로이트 대학교 연구원들은 중국 파트너와 함께 배터리 기술에 획기적인 발전을 이루었습니다. 혁신적인 질산염 기반 첨가제를 사용하여 안정적이고 오래 지속되는 새로운 고체 리튬 금속 배터리를 성공적으로 개발했습니다. 연구팀은 이것이 준고체 전해질을 위한 효과적인 첨가제를 만드는 데 있어 분자 설계의 중요성을 강조한다고 강조합니다.

바이로이트 대학교 전기화학 에너지 시스템 전극 설계 의장인 Francesco Ciucci 교수는 중국의 연구 파트너와 협력하여 준고체 배터리 전해질에서 질산리튬과 1,3-디옥솔란(DOL) 간의 비호환성 문제를 해결했습니다. 새로운 질산염 기반 첨가제. 과거에는 이러한 비호환성 문제로 인해 이러한 배터리를 생성하거나 생산 규모를 확장하기가 매우 어려웠기 때문에 이는 중요한 발전입니다.

연구팀의 발견으로 이제 기존 액체 배터리에 사용되는 제조 방법을 유지하면서 안전성과 내구성이 뛰어나고 생산이 쉬운 고체 리튬 금속 배터리를 개발할 수 있게 되었습니다.

실험에서 그들은 이러한 배터리의 다양한 버전을 만들려고 시도했으며 특정 유형인 리튬-황(Li-S) 셀이 특히 성능이 좋다는 것을 발견했습니다. Li-S 배터리는 매우 높은 에너지 밀도를 가질 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이는 무게에 비해 많은 에너지를 저장할 수 있다는 것을 의미하며, 이는 무게가 중요한 항공이나 전기 자동차와 같은 응용 분야에 특히 유용합니다. 높은 에너지 밀도 외에도 황은 풍부하고 저렴하므로 기술적 문제가 해결되면 Li-S 배터리를 다른 배터리 기술에 비해 더 비용 효율적으로 만들 수 있습니다.

Francesco Ciucci 교수 외, 2023년.

그러나 지금까지 Li-S 셀은 사이클 수명과 안정성이 좋지 않은 문제를 겪었습니다.

"배터리의 고체 특성은 제조가 간단하면서도 높은 수준의 안전성을 보장합니다"라고 Ciucci 교수는 설명했습니다. "우리는 다양한 유형의 리튬 금속 배터리를 만들어 접근 방식의 보편성을 입증했습니다. 특히 제조된 파우치 Li-S 셀은 이전에 문서화된 파우치 Li-S 셀에 비해 우수한 성능을 나타냅니다."라고 그는 덧붙였습니다.

Ciucci 교수와 그의 연구팀은 DOL의 중합을 가능하게 하기 위해 특별히 고안된 새로운 첨가제인 트리에틸렌 글리콜 디니트레이트를 도입했습니다. 연구팀은 중합과 동시에 질소가 풍부한 고체 전해질 계면층을 형성하면 해로운 기생 반응을 억제하고 배터리 효율을 증가시킨다는 것을 보여주었습니다.

연구 결과를 바탕으로 여러 가지 배터리 셀이 개발되었습니다. 그 중 실험실 규모의 버튼형 셀은 2,000회 이상 충전 및 방전이 가능했습니다. 304Wh/kg의 높은 에너지 밀도와 안정적인 사이클링을 갖춘 1.7Ah Li-S 파우치 셀도 제작되었습니다.

이번 발견은 배터리 기술의 큰 진전이다. 이는 더 나은 배터리를 만들기 위해 분자를 올바르게 설계하는 것이 중요함을 보여줍니다. "이 연구는 준고체 전해질을 위한 효과적인 첨가제를 만드는 데 분자 구조 설계의 중요성을 강조합니다. 이는 리튬 금속 배터리에 폴리-DOL 기반 준고체 전해질을 사용하는 실제 타당성에 대한 상당한 발전을 나타냅니다." Ciucci 교수는 설명했습니다.

에너지 및 환경 과학 저널에서 직접 연구 내용을 볼 수 있습니다.

연구 개요:

준고체 전해질(QSSE)의 현장 중합은 확장 가능하고 안전한 고성능 준고체 리튬-금속 배터리를 [개발]하기 위한 유망한 접근 방식으로 떠오르고 있습니다. 이러한 맥락에서, 폴리-DOL 기반 전해질은 넓은 전기화학적 창과 리튬 금속과의 강력한 호환성으로 인해 특히 매력적입니다. 리튬 금속의 안정성을 향상시키기 위해 LiNO3가 리튬 금속 양극 표면에 효과적인 Li3N이 풍부한 고체 전해질 계면을 생성하므로 자주 첨가됩니다. 그러나 LiNO3는 DOL의 개환 중합을 방해하여 두 화합물을 호환되지 않게 만듭니다. 이 문제를 해결하기 위해 이 연구에서는 LiNO3를 대체할 새로운 질산염 기반 첨가제인 트리에틸렌 글리콜 디니트레이트(TEGDN)를 개발했습니다. LiNO3와 마찬가지로 TEGDN은 리튬 표면에 밀도가 높고 질소가 풍부한 고체 전해질 간기를 형성하여 기생 반응으로부터 리튬을 보호합니다. 그러나 LiNO3와 달리 TEGDN은 DOL의 중합을 방해하지 않으므로 실온에서 2.87mS cm-1의 이온 전도도와 4.28V의 산화 안정성 전위를 제공하는 매우 효과적인 전해질을 제조할 수 있습니다. 이 접근법의 실행 가능성을 입증하기 위해 1C에서 2000회 이상 안정적으로 순환하는 Li|LiFePO4 코인형 셀을 제작했습니다. 또한, 초기 비에너지가 304W·h·kg-1이고, 50사이클 후 용량 유지율이 79.9%인 1.7A·h 파우치형 리튬-황 전지를 제조하였다. 요컨대, 본 연구에서는 N이 풍부한 고체 전해질 계면을 형성하여 뛰어난 용량과 안정성을 나타내는 현장 중합 준고체 배터리를 개발하면서 처음으로 폴리-DOL과 LiNO3 비호환성을 해결하기 위한 새로운 첨가제를 제안했습니다.