배터리에는 전기가 흐르면서 배터리 내부의 물질이 점차 마모됩니다. 스트레스나 긴장과 같은 물리적인 힘도 이 과정에서 중요한 역할을 하지만, 이것이 배터리 성능과 수명에 미치는 정확한 영향은 완전히 이해되지 않았습니다. 미국 에너지부 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory) 연구원들이 이끄는 연구팀은 고체 배터리(SSB)를 설계할 때 역학을 고려하기 위한 프레임워크를 개발했습니다. 사이언스(Science) 저널에 게재된 그들의 논문은 이러한 요인들이 고체 배터리의 사이클링 과정을 어떻게 바꾸는지 검토합니다.
ORNL의 다중물리 모델링 및 흐름 그룹 소속 과학자인 Sergiy Kalnaus는 "우리의 목표는 배터리 성능에서 역학의 중요성을 강조하는 것입니다."라고 말했습니다. "많은 연구에서 화학적 또는 전기적 특성에 초점을 맞추고 있지만 기본 기계적 특성을 밝히는 데는 소홀합니다."
이 팀은 컴퓨팅, 화학, 재료 과학을 포함하여 ORNL의 여러 연구 분야에 걸쳐 있습니다. 그들은 보다 응집력 있는 그림을 그리기 위해 다양한 과학적 관점에서 SSB에 영향을 미치는 다양한 조건에 대한 포괄적인 연구를 수행했습니다. Kalnaus는 "우리는 학문 간의 격차를 해소하려고 노력하고 있습니다."라고 말했습니다.
고체 전해질: 더욱 안전하고 견고한 대안
배터리에서 하전된 입자는 전해질이라는 물질을 통해 흐릅니다. 대부분의 전해질은 전기자동차에 사용되는 리튬이온 배터리처럼 액체이지만 고체 전해질도 개발되고 있다. 이러한 도체는 일반적으로 유리나 세라믹으로 만들어지며, 이는 더 큰 안전성과 강도와 같은 장점을 제공합니다.
Kalnaus는 "진정한 전고체 배터리에는 내부에 가연성 액체가 들어있지 않습니다."라고 말했습니다. "이것은 오늘날 일반적으로 사용되는 배터리보다 덜 위험하다는 것을 의미합니다."
그러나 고체 전해질은 이러한 신소재가 직면한 과제로 인해 아직 개발 초기 단계에 있습니다. 전고체 배터리 구성 요소는 충전 및 대량 이동 중에 팽창 및 수축하여 시스템을 변경합니다. 전극은 배터리 작동 중에 계속 변형되어 고체 전해질과의 경계면에 박리 및 공극이 생성됩니다. "오늘날 시스템에서 가장 좋은 해결책은 모든 것을 하나로 유지하기 위해 많은 압력을 가하는 것입니다.
고체 전해질은 부서지기 쉬운 재료로 만들어지기 때문에 이러한 치수 변화로 인해 고체 전해질이 손상될 수 있습니다. 그들은 종종 긴장과 압박으로 인해 부서집니다. 이러한 재료를 더욱 연성으로 만들 수 있다면 균열이 아닌 흐름을 통해 응력을 견딜 수 있습니다. 이러한 거동은 세라믹 전해질에 작은 결정 결함을 도입하는 다양한 기술을 통해 달성됩니다.
가공된 양극 및 고체 전해질
전자는 양극을 통해 시스템을 떠납니다. 전고체 배터리에서 양극은 에너지 밀도가 가장 높은 순수 리튬 금속으로 만들 수 있습니다. 이 소재는 배터리 전원 측면에서 장점이 있지만 전해질을 손상시킬 수 있는 응력을 생성할 수도 있습니다.
ORNL의 기계적 특성 및 역학 그룹 책임자인 Erik Herbert는 "충전 과정에서 고르지 않은 도금과 응력 완화 메커니즘의 부재로 인해 응력 집중이 발생할 수 있습니다. 이러한 응력 집중은 상당한 응력을 발생시켜 리튬 금속이 흐르게 할 수 있습니다."라고 말했습니다. “고체전해질 분리막의 성능과 수명을 최적화하기 위해서는 고체전해질 분리막이 파손되지 않고 계면의 기계적 안정성을 유지할 수 있는 차세대 양극과 고체전해질 설계가 필요하다.”
팀의 작업은 SSB 재료를 연구해 온 ORNL의 오랜 역사의 일부입니다. 1990년대 초, 연구실에서는 리튬인산화물(LiPON)이라는 유리 전해질을 개발했습니다. 리튬인산화물은 금속 리튬 양극을 사용하는 박막 배터리의 전해질로 널리 사용되어 왔습니다. 이 구성 요소는 주로 LiPON의 연성 덕분에 여러 번의 충전-방전 주기를 실패 없이 견딜 수 있습니다. 기계적 응력에 노출되면 균열이 생기기보다는 흘러내릴 것입니다.
"최근 몇 년 동안 우리는 LiPON이 화학적 및 전기화학적 내구성을 보완하는 강력한 기계적 특성을 가지고 있다는 것을 알게 되었습니다."라고 이 물질을 개발한 팀을 이끌었던 ORNL 과학자인 Nancy Dudney가 말했습니다.
팀의 노력은 SSB의 연구 부족 측면, 즉 SSB의 수명과 효능에 영향을 미치는 요인을 이해하는 것을 강조합니다. Kalnaus는 "과학계에는 로드맵이 필요합니다."라고 말했습니다. 우리 논문에서 우리는 고체 전해질의 재료 역학에 대한 개요를 제공하고 과학자들이 새로운 배터리를 설계할 때 이러한 요소를 고려하도록 권장합니다. "
Sergiy Kalnaus, Nancy J. Dudney, Andrew S. Westover, Erik Herbert 및 Steve Hackney의 "고체 배터리: 역학의 핵심 역할"을 참조하세요. 2023년 9월 22일, Science.
DOI:10.1126/science.abg5998
컴파일된 소스: ScitechDaily