리튬 배터리 성능 혁신을 제공하는 전해질 첨가제

리튬 배터리 성능 혁신을 제공하는 전해질 첨가제
고전압에서 배터리 성능을 향상시키는 니켈이 풍부한 음극을 위한 보호 표면층에 첨가제 리드
날짜:
2022년 6월 1일
원천:
DOE/Brookhaven 국립 연구소
요약:
화학자들은 전해질 첨가제가 니켈이 풍부한 층상 음극의 안정적인 고전압 순환을 가능하게 한다는 것을 배웠습니다. 그들의 작업은 전기 자동차에 동력을 공급하는 리튬 배터리의 에너지 밀도를 개선할 수 있습니다.

미국 에너지부(DOE)의 Brookhaven 국립 연구소의 화학자들이 이끄는 연구원 팀은 전해질 첨가제가 니켈이 풍부한 층상 음극의 안정적인 고전압 순환을 가능하게 한다는 것을 알게 되었습니다. 그들의 작업은 전기 자동차에 동력을 공급하는 리튬 배터리의 에너지 밀도를 개선할 수 있습니다.

5월 9일 네이처 에너지(Nature Energy) 에 발표된 이 연구 결과는 특히 고전압에서 니켈이 풍부한 음극 재료에 발생하는 악명 높은 열화 문제에 대한 해결책을 제시합니다. 이 연구는 DOE가 후원하는 Battery500 컨소시엄의 일환으로 수행되었으며 DOE의 태평양 북서부 국립 연구소(PNNL)가 주도하고 전기 자동차용 리튬 배터리의 에너지 밀도를 크게 높이기 위해 노력하고 있습니다.

공동 제1저자이자 Ph.D. Brookhaven 연구소의 전기화학적 에너지 저장 그룹과 연구를 수행하고 있는 Stony Brook 대학의 후보자는 원래 첨가제인 리튬 디플루오로포스페이트(LiPO2F2)를 사용하여 배터리의 저온 성능을 개선할 수 있는 방법을 연구하고 있었습니다. 호기심에 그녀는 상온에서 고전압 사이클링을 위해 첨가제를 사용해 보았습니다.

Tan은 "전압을 4.8V까지 높인 경우 이 첨가제가 실제로 음극에 대해 뛰어난 보호 기능을 제공하고 배터리가 우수한 사이클링 성능을 달성한다는 것을 발견했습니다."라고 말했습니다.

배터리 전극 보호

배터리는 두 개의 전기 단자(음극과 양극이라고 하는 전극)로 구성되며, 이 단자는 또 다른 배터리 구성 요소인 전해질에 의해 분리됩니다. 전자는 두 전극을 연결하는 외부 회로를 통과하고 이온은 전해질을 통과합니다. 둘 다 충전-방전 주기 동안 전극 사이를 앞뒤로 왕복합니다.

니켈이 풍부한 층상 양극 재료는 리튬 금속 양극과 짝을 이룰 때 차세대 배터리를 위한 높은 에너지 밀도를 약속합니다. 그러나 이러한 재료는 용량 손실이 발생하기 쉽습니다. 주요 문제 중 하나는 고전압 충방전 주기 동안의 입자 균열입니다. 고전압 작동은 유용한 작동 전압이 증가함에 따라 차량 범위에 중요한 배터리에 저장된 총 에너지가 증가하기 때문에 중요합니다.

또 다른 문제는 음극에서의 전이 금속 용해와 양극에서의 후속 증착입니다. 이 연구를 주도한 Brookhaven 화학자 Enyuan Hu는 이것이 배터리 업계에서 "누화(crosstalk)"로 알려져 있다고 말했습니다. 고전압 충전 동안 캐소드 결정 격자에 있는 소량의 전이 금속이 용해되고 전해질을 통해 이동하여 애노드 측에 침착됩니다. 이런 일이 발생하면 음극과 양극이 모두 열화됩니다. 결과: 배터리 용량 유지 불량.

연구원들은 전해질에 소량의 첨가제를 도입하면 누화를 억제한다는 것을 발견했습니다.

첨가제가 분해됨에 따라 인산리튬(Li3PO4)과 불화리튬(LiF)을 생성하여 사이클링 동안 배터리의 음극에 형성되는 단단한 얇은 층인 매우 보호적인 음극-전해질-계면을 형성합니다.

"음극에 매우 안정적인 계면을 형성함으로써 이 보호층은 음극 표면의 전이 금속 손실을 크게 억제합니다."라고 Hu는 말했습니다. "감소된 전이 금속 손실은 양극에서 이러한 전이 금속의 침착을 줄이는 데 도움이 됩니다. 그런 의미에서 양극도 어느 정도 보호됩니다. 우리는 전이 금속 용해의 억제가 사이클링 성능이 향상되었습니다."

전해질 첨가제는 니켈이 풍부한 층상 캐소드가 고전압에서 순환되어 에너지 밀도를 증가시키고 200회 순환 후에도 초기 용량의 97%를 유지하도록 해준다.

다결정 용액 보존

그러나 개선된 성능만이 연구원들에게 흥미로운 결과는 아니라고 Hu는 말했습니다.

가장 일반적인 니켈이 풍부한 음극은 다결정의 형태로, 1차 입자라고도 하는 많은 나노미터 규모의 결정이 모여서 더 큰 2차 입자를 형성합니다. 이것은 비교적 쉬운 합성 경로를 약속하지만, 다결정 성질은 일반적으로 입자 균열 및 궁극적인 용량 감소를 일으키는 원인이 됩니다.

최근 연구에 따르면 단결정 기반 음극은 입자 균열 형성을 억제하는 데 다결정 음극보다 유리할 수 있습니다. 그러나 이 연구는 적층 공학을 사용하는 것이 다결정 재료의 균열 문제를 효과적으로 해결할 수도 있음을 시사합니다.

"우리 연구는 다결정 재료가 고려 대상에서 제외될 수 없다고 말하고 있습니다. 특히 제조가 ​​더 쉽고 비용이 더 저렴하기 때문입니다." 후가 말했다.

Tan은 "우리의 전략은 전기화학적 성능을 크게 향상시키기 위해 극소량의 첨가제를 사용합니다. 실질적으로 이것은 저렴하고 채택하기 쉬운 솔루션이 될 수 있습니다."라고 덧붙였습니다.

앞으로 연구자들은 양극 물질이 실제 배터리 사용을 위해 더 많은 사이클을 견딜 수 있는지 여부를 조사하기 위해 더 까다로운 조건에서 첨가제를 테스트하기를 원합니다.

고급 분석

첨가제가 음극 표면을 어떻게 분해하고 보호하는지 이해하기 위해 연구자들은 일련의 싱크로트론 실험을 수행했다고 Tan은 말했습니다.

Brookhaven에 있는 DOE Office of Science 사용자 시설인 National Synchrotron Light Source-II(NSLS-II)에 있는 4개의 빔라인은 원자 규모에서 재료 특성을 연구하기 위한 초고휘도 X선을 생성하며 연구에서 서로 다른 역할을 했습니다.

과학자들은 전이 금속 용해 과정을 이해하기 위해 QAS(Quick X-ray Absorption and Scattering) 빔라인을 사용했습니다.

그들은 서브미크론 분해능 X선 분광법(SRX) 빔라인을 사용하여 양극 표면에 증착된 전이 금속의 양을 매핑하여 전이 금속 용해를 억제하는 새로운 계면의 효과를 연구했습니다. 이 실험은 음극-전해질-계면이 첨가제가 작용할 때 전이 금속이 양극으로 이동하는 것을 상당히 방지한다는 것을 보여주었습니다.

연구원들은 또한 In Situ 및 Operando Soft X-ray Spectroscopy(IOS) 빔라인을 사용하여 첨가제가 도입될 때 음극 표면을 특성화하고 강력한 계면 형성을 가능하게 합니다.

그리고 그들은 X선 분말 회절(X-ray Powder Diffraction, XPD) 빔라인을 사용하여 음극의 결정 구조가 여러 주기에 걸쳐 변했는지 확인했습니다.

또한 팀은 프랑스 그르노블에 있는 유럽 싱크로트론 방사선 시설의 빔라인 과학자들과 시간대를 초월하여 조정했습니다. 그곳의 협력자들은 과학자들이 결함과 에너지 밀도를 시각화할 수 있도록 하는 수천 개의 전극 입자의 형태와 화학적 성질을 살펴보기 위해 X선을 사용했습니다.

사이클링 동안 음극의 표면 구조가 어떻게 진화했는지를 영상화하고 전산 분석을 위해 연구원들은 Brookhaven 연구소의 기능성 나노물질 센터의 기능을 활용했습니다. 이러한 이미징 및 계산 연구는 팀이 첨가제가 작동하는 방식에 대한 메커니즘을 식별하는 데 도움이 되었다고 Hu가 말했습니다.

"이 프로젝트는 입자에서 전극에 이르기까지 다양한 수준에서 이 첨가제의 영향에 대한 중요한 통찰력을 제공하기 위해 시설 전반에 걸친 고급 기술과 고급 분석의 완벽한 조합이 필요했습니다."라고 Hu가 말했습니다. "연구의 분석은 통계적으로 신뢰할 수 있고 작동 방식에 대한 설득력 있는 증거를 제공합니다."

Tan 외에 Brookhaven Lab 화학과의 Zulipiya Shadike와 SLAC National Accelerator Laboratory의 박사후 연구원인 Jizhou Li도 이 연구의 공동 제1저자입니다.

연구원들은 또한 미 육군 연구소, PNNL, Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, SLAC National Accelerator Laboratory 및 시애틀 워싱턴 대학의 전문가들과 협력했습니다.

Brookhaven의 전기화학 저장 연구 그룹 리더인 Xiao-Qing Yang은 "Battery 500이 제공하는 훌륭한 플랫폼을 통해 우리는 함께 작업할 수 있는 많은 전문 지식을 보유하고 있습니다. "이것은 Battery500 컨소시엄 안팎의 다른 많은 기관과 함께 하는 정말 놀라운 노력입니다."