미국 에너지부(DOE) 산하 아르곤 국립연구소 연구원들은 리튬 이온 배터리 분야에서 오랜 선구적 발견의 역사를 가지고 있습니다. 이러한 연구 결과의 상당수는 NMC, 니켈 망간, 코발트 산화물이라고 불리는 배터리 양극재에 관한 것입니다. 이 양극재를 사용한 배터리가 현재 쉐보레 볼트에 동력을 공급하고 있습니다.
아르곤 연구진은 NMC 양극 분야에서 또 다른 획기적인 성과를 달성했습니다. 연구팀이 새롭게 개발한 초소형 양극 입자 구조는 배터리의 내구성과 안전성을 높여 매우 높은 전압에서 작동하고 더 긴 주행 ​​거리를 제공할 수 있을 것으로 기대됩니다.
"이제 배터리 제조업체가 고압, 경계 없는 양극 소재를 만드는 데 사용할 수 있는 지침이 생겼습니다." Argonne 명예 펠로우인 칼릴 아민의 말입니다.
"기존 NMC 양극은 고전압 작업에 큰 걸림돌이 됩니다."라고 보조 화학자 구이리앙 쉬(Guiliang Xu)는 말했습니다. 충방전 사이클을 거치면서 양극 입자에 균열이 생겨 성능이 급격히 저하됩니다. 수십 년 동안 배터리 연구자들은 이러한 균열을 복구할 방법을 모색해 왔습니다.
과거에는 훨씬 작은 입자들이 여러 개 모여 이루어진 작은 구형 입자를 사용하는 방법이 있었습니다. 큰 구형 입자는 다결정이며, 다양한 방향의 결정 영역을 가지고 있습니다. 결과적으로, 과학자들이 입자 사이에 입자 경계라고 부르는 것이 존재하게 되는데, 이는 사이클 중 배터리 균열을 유발할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 Xu와 Argonne의 동료들은 이전에 각 입자 주변에 보호 폴리머 코팅을 개발했습니다. 이 코팅은 큰 구형 입자와 그 안의 작은 입자들을 감싸고 있습니다.
이러한 균열을 방지하는 또 다른 방법은 단결정 입자를 사용하는 것입니다. 이 입자들을 전자현미경으로 관찰한 결과, 경계가 없음을 확인했습니다.
연구팀의 문제는 코팅된 다결정과 단결정으로 제작된 양극이 사이클 중에도 여전히 균열이 발생한다는 것이었습니다. 따라서 연구팀은 미국 에너지부 산하 아르곤 과학 센터의 첨단 광자원(APS)과 나노소재 센터(CNM)에서 이러한 양극 소재에 대한 광범위한 분석을 수행했습니다.
다섯 개의 APS 암(11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C, 34-ID-E)에 대해 다양한 X선 분석을 수행했습니다. 전자 현미경과 X선 현미경을 통해 과학자들이 단결정이라고 생각했던 것이 실제로는 내부에 경계면을 가지고 있는 것으로 밝혀졌습니다. CNM에 대한 주사전자현미경과 투과전자현미경을 통해 이 결론을 확인했습니다.
물리학자 웬준 류는 "이 입자들의 표면 형태를 살펴본 결과, 단결정처럼 보였습니다."라고 말했습니다. â�<“但是，当我们에서 APS 使用一种称为同步加速器X ” â� <“但是 ， 当 在 使用 使用 种 称为 同步 加速器 x 射线 显微镜 的 技术 and 其他 时 ， 我们 发现边界 隐藏 에서.”"하지만 APS의 싱크로트론 X선 회절 현미경과 다른 기술을 사용했을 때, 우리는 경계가 내부에 숨겨져 있다는 것을 발견했습니다."
중요한 것은, 이 팀이 경계 없는 단결정을 생산하는 방법을 개발했다는 ​​것입니다. 이 단결정 양극을 사용하여 매우 높은 전압에서 소형 셀을 테스트한 결과, 100회 테스트 사이클 동안 성능 저하가 거의 없이 단위 부피당 에너지 저장량이 25% 증가했습니다. 반면, 다중 계면 단결정 또는 코팅된 다결정으로 구성된 NMC 양극은 동일한 수명 동안 용량이 60%에서 88%까지 감소했습니다.
원자 단위 계산을 통해 양극 정전용량 감소 메커니즘이 밝혀졌습니다. CNM의 나노과학자 마리아 창에 따르면, 배터리가 충전될 때 경계면에서 산소 원자가 손실될 가능성이 더 높습니다. 이러한 산소 손실은 세포 주기 저하로 이어집니다.
Chan은 "저희의 계산에 따르면 경계로 인해 산소가 고압에서 방출될 수 있으며, 이로 인해 성능이 저하될 수 있습니다."라고 말했습니다.
경계를 제거하면 산소 발생이 방지되어 양극의 안전성과 순환 안정성이 향상됩니다. 미국 에너지부 산하 로렌스 버클리 국립연구소의 APS와 고급 광원을 이용한 산소 발생 측정 결과도 이러한 결론을 뒷받침합니다.
Argonne Fellow Emeritus인 Khalil Amin은 "이제 배터리 제조업체가 경계가 없고 고압에서 작동하는 양극 소재를 만드는 데 사용할 수 있는 가이드라인이 생겼습니다."라고 말했습니다. â�<“该指南应适用于NMC는 以외적 其他正极材料입니다.” â�<“该指南应适用于NMC는 以외적 其他正极材料입니다.”"NMC 이외의 양극재에도 가이드라인을 적용해야 합니다."
이 연구에 관한 기사는 Nature Energy 저널에 게재되었습니다. Xu, Amin, Liu 및 Chang 외에도 Argonne의 저자로는 Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng, Inhui Hwang, Chengjun Sun, Tao Zhou, Ming Du 및 Zonghai Chen이 있습니다. 로렌스 버클리 국립 연구소(Wanli Yang, Qingtian Li 및 Zengqing Zhuo), 샤먼 대학교(Jing-Jing Fan, Ling Huang 및 Shi-Gang Sun) 및 칭화 대학교(Dongsheng Ren, Xuning Feng 및 Mingao Ouyang)의 과학자.
Argonne Center for Nanomaterials 소개 미국 에너지부 산하 5개 나노기술 연구 센터 중 하나인 나노물질 센터는 미국 에너지부 과학국(Office of Science)의 지원을 받는 학제간 나노스케일 연구를 위한 최고의 국가 사용자 기관입니다. NSRC는 나노스케일 소재의 제조, 가공, 특성 분석 및 모델링을 위한 최첨단 역량을 연구자들에게 제공하는 상호 보완적인 시설들을 구성하며, 국가 나노기술 이니셔티브(National Nanotechnology Initiative)에 따른 최대 규모의 인프라 투자를 대표합니다. NSRC는 Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia, Los Alamos에 있는 미국 에너지부 산하 국립 연구소에 위치하고 있습니다. NSRC DOE에 대한 자세한 내용은 https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilitieiess-at-a Glance를 방문하세요.
미국 에너지부의 Argonne National Laboratory에 있는 Advanced Photon Source(APS)는 세계에서 가장 생산적인 X선 소스 중 하나입니다. APS는 재료 과학, 화학, 응집 물질 물리학, 생명 및 환경 과학, 응용 연구 분야의 다양한 연구 커뮤니티에 고강도 X선을 제공합니다. 이러한 X선은 재료 및 생물학적 구조, 원소 분포, 화학적, 자기적 및 전자적 상태, 그리고 국가 경제, 기술 및 신체 건강의 기초에 필수적인 배터리부터 연료 분사 노즐에 이르기까지 모든 종류의 기술적으로 중요한 엔지니어링 시스템을 연구하는 데 이상적입니다. 매년 5,000명 이상의 연구자가 APS를 사용하여 중요한 발견을 자세히 설명하고 다른 X선 연구 센터 사용자보다 더 중요한 생물학적 단백질 구조를 해결하는 2,000개 이상의 간행물을 발표합니다. APS 과학자와 엔지니어는 가속기 및 광원의 성능을 개선하기 위한 기반이 되는 혁신적인 기술을 구현하고 있습니다. 여기에는 연구자들이 중요하게 여기는 매우 밝은 X선을 생성하는 입력 장치, X선을 수 나노미터까지 집중시키는 렌즈, X선이 연구 대상 샘플과 상호 작용하는 방식을 극대화하는 장비, APS 발견의 수집 및 관리가 포함됩니다. 연구는 엄청난 양의 데이터를 생성합니다.
이 연구는 미국 에너지부 과학국 사용자 센터인 Advanced Photon Source의 리소스를 활용했습니다. 이 센터는 Argonne National Laboratory에서 운영하며 계약 번호는 DE-AC02-06CH11357입니다.
아르곤 국립연구소는 국내 과학 기술의 시급한 문제 해결을 위해 노력합니다. 미국 최초의 국립연구소로서 아르곤은 거의 모든 과학 분야에서 최첨단 기초 및 응용 연구를 수행합니다. 아르곤 연구원들은 수백 개의 기업, 대학, 그리고 연방, 주, 지방 자치 단체의 연구원들과 긴밀히 협력하여 특정 문제를 해결하고, 미국의 과학 리더십을 강화하며, 더 나은 미래를 위한 국가적 준비를 지원합니다. 아르곤은 60개국 이상에서 직원을 고용하고 있으며, 미국 에너지부 산하 과학국 산하 시카고 아르곤(UChicago Argonne, LLC)에서 운영합니다.
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