차기작 소설 준비

2022년 12월 23일

칭화대학교 출판부

리튬 이온 배터리의 성능은 청정 전환을 더 저렴하고 쉽게 만드는 데 필수적이며, 결과적으로 해당 배터리의 양극용 차세대 재료가 필요합니다. 가장 성능이 좋은 옵션 중 하나인 일산화규소-탄소 복합재는 일련의 원치 않는 화학 반응을 겪습니다. 이 양극재를 위한 새로운 준비 기술이 마침내 문제를 해결한 것으로 보입니다.

리튬 이온 배터리의 양극용 차세대 재료를 찾는 과정에서 전통적으로 사용되는 흑연 대체품 중 다수에 대한 일련의 기생 화학 반응으로 인해 오랫동안 어려움을 겪어 왔습니다. 일산화규소-탄소 복합 재료를 위한 새로운 제조 기술은 원치 않는 부반응 없이 원하는 효율 향상을 최종적으로 제공할 것으로 보입니다.

이 과정을 설명하는 논문은 Nano Research 저널에 게재되었습니다.

1990년대 후반부터 대부분의 리튬 이온 배터리 제조업체에서는 석탄을 대신하여 흑연을 배터리의 양극(전류가 배터리에 유입되는 음극 단자)으로 사용해 왔습니다. 코크스에서 탄소의 한 형태인 흑연으로의 전환은 여러 번의 재충전 및 방전 주기에 걸친 장기적인 안정성으로 인해 이루어졌습니다.

그러나 리튬 이온 배터리 성능을 더욱 향상시키려면(그리고 이를 통해 화석 연료에서 벗어나는 것이 더 저렴하고 실현 가능하도록) 배터리 제조업체에는 훨씬 더 나은 양극이 필요합니다.

흑연에 대한 널리 알려진 양극 재료 대체품 중 하나는 높은 비용량(방전 속도)과 지각에 풍부하기 때문에 실리콘 기반 화합물입니다. 특히 일산화규소는 차세대 고전력 리튬 이온 배터리에 대한 큰 가능성을 보여주었습니다.

이러한 가능성에도 불구하고 일산화규소 자체에는 일련의 단점이 있습니다. 특히 본질적으로 전도성이 낮고 재충전 및 방전 주기 동안 크기(부피)가 크게 변하는 등의 문제가 있습니다. 최대 300%에 달하는 이러한 부피 변화는 양극 재료의 파괴 ​​및 벗겨짐을 초래하여 성능을 근본적으로 저하시킵니다.

그러나 일산화규소가 탄소와 복합 재료로 결합되면 기존 흑연 양극 재료와 차세대 실리콘 기반 양극 사이의 일종의 매쉬업이 될 수 있다고 Zhengwen Fu는 말했습니다. 연구의 공동 저자이자 푸단대학교 상하이 핵심 분자 촉매 및 혁신 재료 연구소의 전기화학자입니다. "복합재료는 두 세계의 장점을 모두 제공합니다. 하지만 여기에서도 극복해야 할 장애물이 많습니다."

탄소는 높은 전기 전도성과 앞서 언급한 구조적 안정성이라는 이점을 제공하며, 사이클링 중에 부피 팽창이 훨씬 적습니다. 유연성과 윤활 능력은 실리콘의 부피 팽창을 억제하는 역할도 합니다. 전반적으로 복합 양극은 우수한 용량과 높은 사이클링 성능을 제공합니다.

불행하게도 한 세트의 문제를 해결하면 또 다른 문제가 발생합니다. 즉, 일산화규소-탄소 복합 양극은 상대적으로 낮은 쿨롱 효율로 인해 어려움을 겪습니다. 전류 효율이라고도 불리는 쿨롱 효율은 배터리에서 추출된 총 전하 대비 배터리에 투입된 총 전하의 비율을 나타냅니다. (쿨롱은 전하의 단위를 설명하는 데 사용되는 용어입니다.) 넣는 것보다 빼는 것이 항상 적지만, 이러한 불가피한 손실을 최소한으로 제한하는 것이 목표입니다.

쿨롱 효율은 성능을 향상시키고 차량을 전기화하고 풍력 및 태양열과 같은 다양한 재생 에너지원을 백업하는 에너지 저장 시스템에 필요한 막대한 양의 배터리 비용을 줄이는 데 특히 중요합니다.