리튬의 균열

Aug 22, 2023

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리튬 이온 배터리 양극의 균열은 단순히 해로운 것이 아니라 배터리 충전 시간을 단축시키는 것으로 미시간 대학의 연구에서 밝혀졌습니다.

이는 배터리 수명을 단축시키기 때문에 균열을 최소화하려고 노력하는 많은 전기 자동차 제조업체의 견해와 배치됩니다.

“많은 회사들이 깨지지 않는 입자를 사용하여 '백만 마일' 배터리를 만드는 데 관심이 있습니다. 불행하게도 균열이 제거되면 균열로 인한 추가 표면적이 없으면 배터리 입자가 빠르게 충전될 수 없습니다.”라고 Energy and and 환경 과학.

“도로 여행 중에 우리는 자동차가 충전될 때까지 5시간을 기다리고 싶지 않습니다. 15~30분 안에 충전하고 싶어요.”

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연구팀은 이번 발견이 모든 전기 자동차 배터리의 절반 이상에 적용된다고 믿고 있으며, 양극 또는 음극은 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 또는 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물로 만들어진 수조 개의 미세한 입자로 구성되어 있습니다. 이론적으로 음극이 충전되는 속도는 입자의 표면 대 부피 비율에 따라 달라집니다. 작은 입자는 부피에 비해 표면적이 더 크기 때문에 큰 입자보다 더 빨리 충전되어야 하며, 따라서 리튬 이온이 입자를 통해 확산되는 거리가 더 짧습니다.

그러나 기존 방법으로는 개별 양극 입자의 충전 특성을 직접 측정할 수 없었고, 배터리 양극을 구성하는 모든 입자의 평균만 측정할 수 있었습니다. 이러한 제한은 충전 속도와 음극 입자 크기 사이의 널리 받아들여지는 관계가 단지 가정일 뿐이라는 것을 의미합니다.

Li의 연구실에서 재료 과학 및 공학 박사 과정을 밟고 있는 Jinhong Min은 "우리는 음극 입자가 균열되어 있으며 외부 표면뿐만 아니라 입자 균열 내부에도 리튬 이온을 흡수할 수 있는 활성 표면이 더 많다는 것을 발견했습니다."라고 말했습니다. . "배터리 과학자들은 균열이 발생한다는 것을 알고 있지만 그러한 균열이 충전 속도에 어떤 영향을 미치는지는 측정하지 못했습니다."

개별 음극 입자의 충전 속도를 측정하는 것은 음극 균열의 장점을 발견하는 데 중요했습니다. Li와 Min은 개별 뇌 세포가 전기 신호를 전달하는 방법을 연구하기 위해 신경과학자들이 일반적으로 사용하는 장치에 입자를 삽입하여 달성했습니다.

“제가 대학원에 다닐 때 신경과학을 전공하는 동료가 개별 뉴런을 연구하는 데 사용했던 배열을 보여줬습니다. 뉴런과 크기가 비슷한 배터리 입자를 연구하는 데에도 사용할 수 있는지 궁금했습니다.”라고 Li는 말했습니다.

각 어레이는 최대 100개의 미세 전극을 포함하는 맞춤 설계된 2x2cm 칩입니다. 칩 중앙에 일부 음극 입자를 흩뿌린 후 Min은 사람 머리카락보다 약 70배 얇은 바늘을 사용하여 단일 입자를 어레이의 자체 전극으로 옮겼습니다. 입자가 제 위치에 있으면 Min은 어레이에서 한 번에 최대 4개의 개별 입자를 동시에 충전 및 방전할 수 있었고 이 특정 연구에서는 21개의 입자를 측정했습니다.

실험 결과, 음극 입자의 충전 속도는 크기에 의존하지 않는 것으로 나타났습니다. Li와 Min은 이러한 예상치 못한 행동에 대한 가장 가능성 있는 설명은 더 큰 입자가 깨질 때 실제로 더 작은 입자의 집합처럼 행동한다는 것이라고 생각합니다. 또 다른 가능성은 리튬 이온이 음극 입자를 구성하는 나노 크기 결정 사이의 작은 공간인 결정 경계에서 매우 빠르게 이동한다는 것입니다. Li는 배터리의 전해질(리튬 이온이 이동하는 액체 매체)이 이러한 경계를 관통하여 균열을 형성하지 않는 한 이것이 불가능하다고 생각합니다.