전극 팽창 방지로 배터리 내 실리콘 활용 확대

Drexel과 아일랜드 트리니티 칼리지의 연구원들은 실리콘 입자 사이에 MXene 시트를 삽입하여 리튬 이온 배터리의 용량을 확장할 수 있는 안정적인 양극을 형성하는 방법을 개발했습니다.

시중에 나와 있는 최신 리튬 이온 배터리는 휴대폰과 전기 자동차의 충전 간 수명을 최대 40%까지 연장할 것으로 예상됩니다. 10년 이상의 점진적인 개선 끝에 이루어진 이러한 도약은 개발자들이 배터리의 흑연 양극을 실리콘으로 만든 음극으로 교체했기 때문에 이루어졌습니다. Drexel 대학과 아일랜드 트리니티 대학의 연구에 따르면 실리콘이 MXene이라는 특수한 유형의 재료로 강화되면 훨씬 더 큰 개선이 이루어질 수 있습니다.

이러한 조정으로 리튬 이온 배터리의 수명을 5배까지 연장할 수 있다고 이 그룹은 최근 Nature Communications에 보고했습니다. 이는 충전 중에 실리콘 양극이 한계점까지 팽창하는 것을 방지하는 2차원 MXene 소재의 능력 때문에 가능합니다. 이 문제는 한동안 사용을 방해했습니다.

"실리콘 양극은 저장되는 에너지 양에 큰 영향을 미치면서 리튬 이온 배터리의 흑연 양극을 대체할 것으로 예상됩니다."유리 고고치 박사 , 석좌대학교 Drexel 공과대학 바흐 교수이자 재료과학 및 공학부 AJ Drexel Nanomaterials Institute 소장이며 이번 연구의 공동저자입니다. "우리는 실리콘 양극에 MXene 물질을 추가하면 배터리에 실제로 사용할 수 있을 만큼 충분히 안정화될 수 있다는 사실을 발견했습니다."

배터리에서는 전하가 전극(음극과 양극)에 보관되어 이온이 양극에서 음극으로 이동할 때 장치로 전달됩니다. 배터리가 재충전되면 이온이 양극으로 돌아갑니다. 더 많은 이온을 보내고 받는 전극의 능력을 향상시키는 방법을 찾아 배터리 수명이 꾸준히 늘어났습니다. 리튬 이온 양극의 주요 재료로 흑연을 실리콘으로 대체하면 각 실리콘 원자가 최대 4개의 리튬 이온을 받아들일 수 있는 반면 흑연 양극에서는 6개의 탄소 원자가 단 하나의 리튬을 흡수하기 때문에 이온 흡수 능력이 향상됩니다. 그러나 충전하면서 실리콘도 최대 300%까지 팽창하여 파손되고 배터리가 오작동할 수 있습니다.

이 문제에 대한 대부분의 해결책은 탄소 재료와 폴리머 바인더를 추가하여 실리콘을 포함하는 프레임워크를 만드는 것과 관련이 있습니다. Gogotsi에 따르면 이를 수행하는 과정은 복잡하며 탄소는 배터리의 충전 저장에 거의 기여하지 않습니다.

대조적으로, Drexel과 Trinity 그룹의 방법은 실리콘 분말을 MXene 용액에 혼합하여 하이브리드 실리콘-MXene 양극을 생성합니다. MXene 나노시트는 실리콘 입자를 감싸면서 무작위로 분포하고 연속적인 네트워크를 형성하여 전도성 첨가제이자 바인더 역할을 동시에 수행합니다. 이온이 도착할 때 이온에 순서를 부여하고 양극이 팽창하는 것을 방지하는 것도 MXene 프레임워크입니다.

"MXenes는 실리콘이 배터리에서 잠재력을 발휘하도록 돕는 열쇠입니다"라고 Gogotsi는 말했습니다. "MXene은 2차원 물질이기 때문에 양극에 이온이 들어갈 공간이 더 많고 더 빠르게 이동할 수 있어 전극의 용량과 전도성이 모두 향상됩니다. 또한 기계적 강도도 우수하므로 실리콘-MXene 양극은 또한 최대 450미크론 두께까지 내구성이 매우 뛰어납니다."

2011년 Drexel에서 처음 발견된 MXene은 MAX 상이라고 불리는 층상 세라믹 재료를 화학적으로 에칭하여 화학적으로 관련된 층 세트를 제거하고 2차원 플레이크 스택을 남기는 방식으로 만들어집니다. 연구원들은 현재까지 30가지 이상의 MXene 유형을 생산했으며 각각은 약간 다른 특성을 가지고 있습니다. 그룹은 종이에 대해 테스트된 실리콘-MXene 양극을 만들기 위해 티타늄 카바이드와 티타늄 탄질화물 중 두 개를 선택했습니다. 그들은 또한 그래핀으로 감싼 실리콘 나노입자로 만든 배터리 양극을 테스트했습니다.

세 가지 양극 샘플 모두 현재 리튬 이온 배터리에 사용되는 흑연 또는 실리콘-탄소 양극보다 더 높은 리튬 이온 용량을 나타냈고 MXene을 첨가할 경우 기존 실리콘 양극보다 100~1,000배 더 높은 우수한 전도도를 나타냈습니다.