새로운 프라이밍 방식으로 배터리 수명 최대 44% 향상

라이스 대학교 2023년 7월 8일

라이스대학교 연구진은 안정화된 리튬 금속 입자로 실리콘 양극을 코팅하여 배터리 수명을 최대 44% 향상시키는 공정인 사전 리튬화를 사용하여 리튬 이온 배터리의 수명을 향상시키는 확장 가능한 방법을 개발했습니다.

에너지 저장 솔루션을 변화시키는 실리콘 양극 배터리의 잠재력은 기후 목표를 해결하고 전기 자동차의 기능을 완전히 실현하는 데 중추적입니다.

그럼에도 불구하고, 실리콘 음극에서 리튬 이온의 지속적인 손실은 차세대 리튬 이온 배터리 개발에 큰 장애가 됩니다.

라이스 대학의 조지 R. 브라운 공과대학(George R. Brown School of Engineering) 과학자들은 실리콘 양극을 안정화된 리튬 금속 입자(SLMP)로 코팅하여 리튬 손실을 완화하고 배터리 수명 주기를 향상시키는 프로세스인 사전 리튬화를 최적화하는 쉽게 확장 가능한 방법을 개발했습니다.

Quan Nguyen(왼쪽), Sibani Lisa Biswal 및 협력자들은 실리콘 양극을 사용하여 리튬 이온 배터리의 성능을 향상시키는 데 도움이 되는 사전 리튬화 기술을 개발했습니다. 출처: Jeff Fitlow/Rice University

화학 및 생체분자 공학자 Sibani Lisa Biswal의 Rice 연구실은 입자와 계면활성제의 혼합물로 양극을 스프레이 코팅하면 배터리 수명이 22%~44% 향상된다는 사실을 발견했습니다. 더 많은 양의 코팅을 적용한 배터리 셀은 초기에 더 높은 안정성과 수명을 달성했습니다. 그러나 단점도 있었습니다. 최대 용량으로 사이클링할 때 입자 코팅의 양이 많을수록 리튬이 더 많이 포획되어 후속 사이클에서 배터리가 더 빨리 소모됩니다.

이번 연구는 ACS Applied Energy Materials에 게재되었습니다.

Replacing graphite with silicon in lithium-ion batteries would significantly improve their energy density ⎯ the amount of energy stored relative to weight and size ⎯ because graphite, which is made of carbon, can pack fewer lithium ions than silicon. It takes six carbon atoms for every single lithium-ion, while just one silicon atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">원자는 최대 4개의 리튬 이온과 결합할 수 있습니다.

Quan Nguyen은 화학 및 생체분자 공학 박사 졸업생이자 이번 연구의 주요 저자입니다. 출처: Jeff Fitlow/Rice University

"실리콘은 리튬 이온 배터리의 양극 측 에너지 밀도를 실제로 향상시킬 수 있는 능력을 가진 재료 중 하나입니다"라고 Biswal은 말했습니다. "이것이 현재 배터리 과학에서 흑연 양극을 실리콘 양극으로 대체하려는 추진이 있는 이유입니다."

그러나 실리콘에는 문제가 되는 다른 특성도 있습니다.

Biswal은 “실리콘의 주요 문제점 중 하나는 실제로 리튬을 소비하는 고체 전해질 간기 또는 SEI 층을 지속적으로 형성한다는 것입니다.”라고 말했습니다.

이 층은 배터리 셀의 전해질이 전자 및 리튬 이온과 반응하여 형성되며, 그 결과 나노미터 규모의 염 층이 양극에 침착됩니다. 일단 형성되면, 층은 전해질을 양극으로부터 절연하여 반응이 계속되는 것을 방지합니다. 그러나 SEI는 후속 충전 및 방전 주기 전반에 걸쳐 파손될 수 있으며, 재형성되면서 배터리의 리튬 보유량을 더욱 돌이킬 수 없을 정도로 고갈시킵니다.

Quan Nguyen(왼쪽)과 Sibani Lisa Biswal. 출처: Jeff Fitlow/Rice University

“실리콘 양극의 부피는 배터리가 순환됨에 따라 달라지며, 이로 인해 SEI가 깨지거나 불안정해질 수 있습니다.”라고 이번 연구의 주요 저자이자 화학 및 생체분자 공학 박사 학위를 취득한 Quan Nguyen은 말했습니다. "우리는 이 층이 배터리의 이후 충전 및 방전 주기 전반에 걸쳐 안정적으로 유지되기를 원합니다."

Biswal과 그녀의 팀이 개발한 사전 리튬화 방법은 SEI 층 안정성을 향상시킵니다. 이는 SEI가 형성될 때 고갈되는 리튬 이온의 양이 적다는 것을 의미합니다.