미국 에너지부(DOE) 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)의 연구원들은 리튬 이온 배터리 분야에서 오랫동안 선구적인 발견을 해왔습니다. 이러한 결과 중 다수는 NMC, 니켈 망간 및 산화 코발트라고 불리는 배터리 음극에 대한 것입니다. 이 음극을 사용한 배터리가 이제 Chevrolet Bolt에 전원을 공급합니다.
아르곤 연구진은 NMC 음극에서 또 다른 돌파구를 달성했습니다. 팀의 새로운 작은 음극 입자 구조는 배터리의 내구성과 안전성을 높이고 매우 높은 전압에서 작동할 수 있으며 더 긴 이동 범위를 제공할 수 있습니다.
"우리는 이제 배터리 제조업체가 고압의 경계 없는 음극 재료를 만드는 데 사용할 수 있는 지침을 갖게 되었습니다."라고 Argonne Fellow Emeritus인 Khalil Amin이 말했습니다.
“기존 NMC 음극은 고전압 작업에 큰 장애물을 제시합니다”라고 보조 화학자 Guiliang Xu가 말했습니다. 충방전 주기를 거치면 음극 입자에 균열이 생겨 성능이 급격히 저하됩니다. 수십 년 동안 배터리 연구자들은 이러한 균열을 복구할 방법을 모색해 왔습니다.
과거의 한 가지 방법은 훨씬 더 작은 입자들로 구성된 작은 구형 입자를 사용했습니다. 큰 구형 입자는 다양한 방향의 결정 도메인을 갖는 다결정입니다. 결과적으로 과학자들이 입자 사이에 결정립 경계라고 부르는 현상이 생겨 사이클 중에 배터리에 균열이 생길 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 Xu와 Argonne의 동료들은 이전에 각 입자 주위에 보호용 폴리머 코팅을 개발했습니다. 이 코팅은 큰 구형 입자와 그 안에 있는 작은 입자를 둘러싸고 있습니다.
이러한 종류의 균열을 방지하는 또 다른 방법은 단결정 입자를 사용하는 것입니다. 이들 입자의 전자현미경은 경계가 없음을 보여주었다.
연구팀의 문제는 코팅된 다결정과 단결정으로 만든 음극이 사이클링 중에 여전히 균열이 발생한다는 것입니다. 따라서 그들은 미국 에너지부 산하 아르곤 과학 센터의 APS(Advanced Photon Source)와 CNM(Center for Nanomaterials)에서 이러한 음극 물질에 대한 광범위한 분석을 수행했습니다.
5개의 APS 암(11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C 및 34-ID-E)에 대해 다양한 X선 분석이 수행되었습니다. 과학자들이 단결정이라고 생각했던 것이 전자현미경과 X선 현미경으로 관찰한 결과 실제로는 내부에 경계가 있었던 것으로 밝혀졌습니다. CNM의 주사 및 투과 전자 현미경을 통해 이러한 결론이 확인되었습니다.
물리학자 Wenjun Liu는 “이 입자들의 표면 형태를 살펴보면 단결정처럼 보였습니다.”라고 말했습니다. â�<“但是,当我们时,我们发现边界隐藏에서 X 射线衍射显微镜的技术및其他技术时부。” 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 에 있습니다.”"그러나 APS에서 싱크로트론 X선 회절 현미경이라는 기술과 기타 기술을 사용했을 때 경계가 내부에 숨겨져 있음을 발견했습니다."
중요한 것은 팀이 경계 없이 단결정을 생산하는 방법을 개발했다는 ​​것입니다. 매우 높은 전압에서 이 단결정 음극을 사용하여 소형 셀을 테스트한 결과, 100회 테스트 주기 동안 성능 손실이 거의 없이 단위 부피당 에너지 저장량이 25% 증가한 것으로 나타났습니다. 이와 대조적으로 다중 인터페이스 단결정 또는 코팅된 다결정으로 구성된 NMC 음극은 동일한 수명 동안 60%~88%의 용량 감소를 나타냈습니다.
원자 규모 계산을 통해 음극 커패시턴스 감소 메커니즘이 밝혀졌습니다. CNM의 나노과학자인 Maria Chang에 따르면, 배터리가 충전되면 경계는 더 멀리 있는 영역보다 산소 원자를 잃을 가능성이 더 높습니다. 이러한 산소 손실은 세포주기의 저하로 이어집니다.
Chan은 "우리의 계산은 경계가 고압에서 산소 방출로 이어져 성능 저하로 이어질 수 있음을 보여줍니다."라고 말했습니다.
경계를 제거하면 산소 발생이 방지되어 음극의 안전성과 순환 안정성이 향상됩니다. 미국 에너지부 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)에서 APS와 고급 광원을 사용한 산소 발생 측정을 통해 이러한 결론이 확인되었습니다.
Argonne Fellow Emeritus인 Khalil Amin은 "이제 우리는 배터리 제조업체가 경계가 없고 고압에서 작동하는 음극 재료를 만드는 데 사용할 수 있는 지침을 갖게 되었습니다."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 지침을 적용해야 합니다.”
이 연구에 관한 기사는 Nature Energy 저널에 게재되었습니다. Xu, Amin, Liu 및 Chang 외에도 Argonne 저자는 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 Chen. 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.
아르곤 나노재료 센터 소개 미국 에너지부 나노기술 연구 센터 5곳 중 하나인 나노재료 센터는 미국 에너지부 과학국이 지원하는 학제간 나노규모 연구를 위한 최고의 국가 사용자 기관입니다. NSRC는 함께 연구자들에게 나노 규모 물질의 제조, 처리, 특성화 및 모델링을 위한 최첨단 기능을 제공하고 국가 나노기술 이니셔티브(National Nanotechnology Initiative)에 따른 최대 규모의 인프라 투자를 나타내는 일련의 보완 시설을 형성합니다. NSRC는 Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia 및 Los Alamos의 미국 에너지부 국립 연구소에 위치하고 있습니다. NSRC DOE에 대한 자세한 내용을 보려면 https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/ ​Us를 방문하세요.​ 어​-​F​a​c​i​l​즉​​즉​​한눈에​​볼 수 있습니다.
아르곤 국립 연구소에 있는 미국 에너지부의 APS(Advanced Photon Source)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 재료와 생물학적 구조, 원소의 분포, 화학적, 자기적, 전자적 상태, 그리고 국가 경제와 기술에 필수적인 배터리부터 연료 분사기 노즐까지 모든 종류의 기술적으로 중요한 엔지니어링 시스템을 연구하는 데 이상적입니다. . 그리고 신체 건강의 기초. 매년 5,000명 이상의 연구자가 APS를 사용하여 중요한 발견을 자세히 설명하고 다른 X-ray 연구 센터 사용자보다 더 중요한 생물학적 단백질 구조를 해결하는 2,000개 이상의 출판물을 출판합니다. APS 과학자와 엔지니어는 가속기와 광원의 성능을 향상시키는 기반이 되는 혁신적인 기술을 구현하고 있습니다. 여기에는 연구원들이 높이 평가하는 매우 밝은 X선을 생성하는 입력 장치, X선을 몇 나노미터까지 집중시키는 렌즈, X선이 연구 중인 샘플과 상호 작용하는 방식을 최대화하는 장비, APS 발견의 수집 및 관리가 포함됩니다. 연구는 엄청난 양의 데이터를 생성합니다.
이 연구에서는 계약 번호 DE-AC02-06CH11357에 따라 미국 에너지부 과학청의 아르곤 국립 연구소에서 운영하는 미국 에너지부 과학 사용자 센터인 Advanced Photon Source의 리소스를 활용했습니다.
아르곤 국립연구소는 국내 과학기술의 시급한 문제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 미국 최초의 국립 연구소인 Argonne은 거의 모든 과학 분야에서 최첨단 기초 및 응용 연구를 수행합니다. Argonne 연구원들은 수백 개의 기업, 대학, 연방, 주, 지방자치 기관의 연구원들과 긴밀히 협력하여 특정 문제를 해결하고 미국 과학 리더십을 발전시키며 더 나은 미래를 위해 국가를 준비할 수 있도록 돕습니다. Argonne은 60개 이상의 국가에서 직원을 고용하고 있으며 미국 에너지부 산하 Office of Science 산하 UChicago Argonne, LLC에서 운영하고 있습니다.
미국 에너지부 산하 과학부(Office of Science of Science)는 미국 최대의 자연과학 기초 연구 지지자로서 우리 시대의 가장 시급한 문제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 자세한 내용은 https://​energy​.gov/​science​ience를 참조하세요.