배경:
중국과학원 칭다오 생물에너지 및 생물공정 기술 연구소의 연구진은 전고체 리튬 배터리 분야에서 획기적인 성과를 거두어, 더 작은 전자 기기에서 더 긴 배터리 수명을 실현하려는 꿈을 실현할 가능성을 열었습니다. 이 연구는 7월 31일 국제 학술지 Nature Energy에 게재되었습니다.
휴대폰, 컴퓨터 및 기타 전자 기기에 사용되는 리튬 이온 배터리는 주로 액체 전해질을 통해 에너지를 저장하고 방출합니다. 과학자들은 이제 새로운 배터리 유형인 전고체 리튬 배터리를 탐구하고 있습니다. 이 배터리는 액체 대신 고체 전해질을 사용하여 훨씬 더 안전합니다.
전고체 리튬 배터리는 이상적으로 보이지만, 개발에는 어려움이 있습니다. 주로 배터리 음극 내 재료의 서로 다른 화학적 및 물리적 특성으로 인해 완벽한 호환성이 어려워 여러 인터페이스 문제가 발생하여 에너지 밀도와 수명이 저하됩니다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 새로운 재료인 균질화된 음극 재료(리튬 티타늄 게르마늄 포스포셀레나이드)를 개발했습니다.
기존 재료에 비해 이 화합물은 다음과 같은 장점을 제공합니다: 높은 전기 전도성, 높은 에너지 밀도 및 긴 수명:
높은 전기 전도성: 이 새로운 재료는 높은 이온 및 전자 전도성을 모두 나타내어 기존 배터리 재료(층상 산화물 음극)보다 1000배 이상 뛰어납니다. 이를 통해 전도성 첨가제에 의존하지 않고도 원활한 충전 및 방전 프로세스를 수행할 수 있어 전체 배터리 성능이 크게 향상됩니다.
높은 방전 용량: 새로운 재료는 그램당 250mAh의 높은 방전 용량을 나타내어 현재 사용되는 고니켈 음극 재료를 능가합니다. 동일한 무게 또는 부피에서 이 재료를 사용하는 배터리는 더 많은 전기에너지를 저장할 수 있습니다. 이는 빈번한 재충전 없이 더 오래 지속적인 작동을 가능하게 하여 내구성을 향상시킬 뿐만 아니라 배터리 크기를 줄여 더 컴팩트한 장치 설계를 용이하게 합니다.
낮은 부피 변화: 충전 및 방전 사이클 동안 새로운 재료는 1.2%의 부피 변화를 나타내어 기존 층상 산화물 음극 재료에서 관찰되는 50%보다 훨씬 낮습니다. 이러한 최소한의 부피 변화는 구조적 안정성을 유지하는 데 도움이 되어 배터리의 작동 수명을 연장합니다.
높은 에너지 밀도: 이 새로운 재료를 사용하는 전고체 리튬 배터리는 390Wh/kg의 에너지 밀도를 달성하여 이전에 보고된 장주기 전고체 리튬 배터리보다 1.3배 증가했습니다.
긴 수명: 이 재료를 사용하는 전고체 리튬 배터리는 10,000회 이상의 사이클을 달성합니다. 5,000번의 충전 사이클 후 배터리는 초기 용량의 80%를 유지하여 장기간 충분한 전력을 제공합니다.
이 연구는 고에너지 밀도, 장수명 에너지 저장 장치 개발에 중요한 기술적 지원을 제공하여 신에너지 자동차, 에너지 저장 그리드 및 심해/심우주 장비에 안전하고 내구성이 뛰어난 전원을 제공합니다. 이는 새로운 에너지 저장 시스템 발전에 중요한 의미를 지닙니다.