컬럼비아 팀은 질화붕소 나노를 사용합니다.

재료과학 및 공학 조교수 Yuan Yang이 이끄는 Columbia Engineering 팀은 리튬 금속 배터리의 고체 전해질을 안정화하기 위해 질화붕소(BN) 나노 코팅을 삽입하여 배터리 수명을 안전하게 연장하는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들의 연구 결과는 Joule에 발표된 새로운 연구에 요약되어 있습니다.

Li/BN 경계면에서 약 1~2μm PEO 고분자 전해질과 결합하면 Li/Li 대칭 셀은 0.3mA·cm−2에서 500시간 이상의 사이클 수명을 나타냅니다. 이와 대조적으로, 순수 LATP(리튬 알루미늄 티타늄 인산염)를 사용한 동일한 구성은 81시간 후에 소멸됩니다. LiFePO4/LATP/BN/PEO/Li 전고체 배터리는 500회 사이클 후 96.6%의 높은 용량 유지율을 보여줍니다.

질화붕소(BN)의 보호 메커니즘과 BN 나노필름의 특성 규명. 왼쪽 그림은 리튬 금속에 닿은 LATP(리튬 알루미늄 티타늄 인산염) 펠릿이 즉시 환원되는 것을 보여줍니다. 리튬과 고체 전해질 사이의 심각한 부반응으로 인해 여러 주기에 걸쳐 배터리가 작동하지 않게 됩니다. 오른쪽은 인공 BN 필름이 리튬에 대해 화학적으로나 기계적으로 견고하다는 것을 보여줍니다. 이는 리튬으로부터 LATP를 전자적으로 분리하지만 폴리에틸렌 산화물(PEO)이 침투할 때 여전히 안정적인 이온 경로를 제공하여 안정적인 사이클링을 가능하게 합니다. 출처: Qian Cheng/Columbia Engineering.

기존 리튬이온(Li-ion) 배터리는 에너지 밀도가 낮아 배터리 수명이 짧고, 내부에 가연성이 높은 액체 전해질이 들어 있어 합선이 발생하거나 화재가 발생할 수도 있습니다.

리튬 이온 배터리에 사용되는 흑연 양극을 리튬 금속을 대체하여 에너지 밀도를 향상시킬 수 있습니다. 리튬 금속의 이론적 전하량은 흑연보다 거의 10배 더 높습니다. 하지만 리튬 도금 과정에서 덴드라이트(dendrite)가 자주 형성되는데, 이 덴드라이트가 배터리 중앙에 있는 분리막을 뚫고 들어가면 합선이 발생할 수 있어 배터리 안전성이 우려된다.

우리는 고체 세라믹 전해질에 집중하기로 결정했습니다. 이는 리튬 이온 배터리의 기존 가연성 전해질과 비교하여 안전성과 에너지 밀도를 모두 향상시키는 데 큰 가능성을 보여줍니다. 우리는 특히 차세대 에너지 저장 장치로 유망한 충전식 리튬 전고체 배터리에 관심을 갖고 있습니다.

대부분의 고체 전해질은 세라믹이므로 불연성이므로 안전 문제가 없습니다. 또한, 고체 세라믹 전해질은 실제로 리튬 수지상 성장을 억제할 수 있는 높은 기계적 강도를 갖고 있어 리튬 금속을 배터리 양극용 코팅 옵션으로 만듭니다. 그러나 대부분의 고체 전해질은 Li에 대해 불안정하여 리튬 금속에 쉽게 부식되어 배터리에 사용할 수 없습니다.

리튬 금속은 에너지 밀도를 높이는 데 없어서는 안 될 물질이기 때문에 이를 고체 전해질의 음극으로 활용하는 것이 중요합니다. 이러한 불안정한 고체 전해질을 실제 응용 분야에 적용하려면 리튬 양극으로부터 이러한 고체 전해질을 보호하기 위한 화학적, 기계적으로 안정적인 인터페이스를 개발해야 했습니다. 리튬 이온을 운반하려면 인터페이스가 전자적으로 절연성이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 이온 전도성도 있어야 합니다. 또한 배터리의 에너지 밀도가 낮아지는 것을 방지하려면 이 인터페이스가 매우 얇아야 합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 팀은 Brookhaven 국립 연구소 및 뉴욕 시립 대학교의 동료들과 협력했습니다. 연구진은 리튬 금속과 이온 전도체(고체 전해질) 사이의 전기적 접촉을 분리하기 위해 보호층으로 5~10nm 질화붕소(BN) 나노필름을 증착하고 전극에 침투하기 위한 미량의 폴리머 또는 액체 전해질과 함께 증착했다. /전해질 인터페이스. 보호층으로 BN을 선택한 이유는 BN이 리튬 금속과 화학적, 기계적으로 안정하고 높은 수준의 전자 절연성을 제공하기 때문이다.

그들은 BN 층에 리튬 이온이 통과할 수 있는 본질적인 결함을 갖도록 설계하여 우수한 분리막 역할을 할 수 있도록 했습니다. 또한, BN은 화학 기상 증착을 통해 쉽게 제조하여 대규모(~dm 수준), 원자적으로 얇은 규모(~nm 수준) 및 연속 필름을 형성할 수 있습니다.