미국 에너지부(DOE) 산하 아르곤 국립 연구소의 연구원들은 리튬 이온 배터리 분야에서 오랜 기간 선구적인 발견을 해왔습니다. 이러한 연구 성과 중 상당수는 니켈 망간 코발트 산화물(NMC)이라고 불리는 배터리 음극재에 관한 것입니다. 현재 이 음극재를 사용한 배터리가 쉐보레 볼트에 탑재되어 있습니다.
아르곤 연구소 연구진이 NMC 양극재 분야에서 또 하나의 획기적인 성과를 거두었습니다. 연구팀이 개발한 새로운 초소형 양극 입자 구조는 배터리의 내구성과 안전성을 높이고, 초고전압에서도 작동 가능하게 하며, 더 긴 주행 ​​거리를 제공할 수 있을 것으로 기대됩니다.
"이제 우리는 배터리 제조업체들이 고압 환경에서 경계 없는 양극재를 만드는 데 사용할 수 있는 지침을 갖게 되었습니다."라고 아르곤 연구소 명예 연구원인 칼릴 아민이 말했습니다.
"기존의 NMC 양극은 고전압 연구에 있어 큰 걸림돌입니다."라고 구이량 쉬 조교 화학자는 말했습니다. 충방전 사이클을 반복하면 양극 입자에 균열이 생겨 성능이 급격히 저하됩니다. 수십 년 동안 배터리 연구자들은 이러한 균열을 복구하는 방법을 찾아왔습니다.
과거에는 훨씬 작은 입자들이 모여 이루어진 미세한 구형 입자를 사용하는 방식이 있었습니다. 이러한 큰 구형 입자는 다양한 방향으로 배열된 결정 영역을 가진 다결정 구조입니다. 그 결과, 입자 사이에 과학자들이 '결정립계'라고 부르는 것이 존재하게 되는데, 이는 충방전 과정에서 배터리에 균열을 일으킬 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 쉬(Xu)와 아르곤 연구소의 동료들은 이전에 각 입자를 감싸는 보호용 고분자 코팅을 개발했습니다. 이 코팅은 큰 구형 입자와 그 안에 있는 더 작은 입자들을 모두 둘러싸고 있습니다.
이러한 균열을 방지하는 또 다른 방법은 단결정 입자를 사용하는 것입니다. 이 입자들을 전자 현미경으로 관찰한 결과 경계가 없는 것으로 나타났습니다.
연구팀이 직면한 문제는 코팅된 다결정 및 단결정으로 만든 음극이 충방전 과정에서 여전히 균열이 발생한다는 것이었습니다. 따라서 연구팀은 미국 에너지부 산하 아르곤 과학센터의 첨단 광자원(APS)과 나노물질센터(CNM)에서 이러한 음극 재료에 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 분석을 수행했습니다. 전자 현미경과 X선 현미경 관찰 결과 단일 결정으로 여겨졌던 것이 실제로는 내부에 경계면이 존재했던 것으로 밝혀졌습니다. CNM에 대한 주사 전자 현미경 및 투과 전자 현미경 관찰을 통해 이러한 결론이 확인되었습니다.
물리학자 류원준은 "이 입자들의 표면 형태를 살펴보니 단결정처럼 보였다"고 말했다. 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 APS에서 싱크로트론 X선 회절 현미경과 기타 기술을 사용하여 경계가 내부에 숨겨져 있다는 사실을 발견했습니다."
특히, 연구팀은 경계가 없는 단결정을 생산하는 방법을 개발했습니다. 이 단결정 양극을 사용한 소형 셀을 초고전압에서 테스트한 결과, 단위 부피당 에너지 저장 용량이 25% 증가했으며, 100회 테스트 주기 동안 성능 저하는 거의 나타나지 않았습니다. 반면, 다중 계면 단결정 또는 코팅된 다결정으로 구성된 NMC 양극은 동일한 수명 동안 용량이 60%에서 88%까지 감소하는 것으로 나타났습니다.
원자 규모 계산을 통해 음극 용량 감소 메커니즘이 밝혀졌습니다. CNM의 나노과학자 마리아 창에 따르면, 배터리 충전 시 경계면은 경계면에서 멀리 떨어진 영역보다 산소 원자를 잃을 가능성이 더 높습니다. 이러한 산소 손실은 셀 수명 저하로 이어집니다.
"저희 계산 결과에 따르면 경계면에서 고압으로 산소가 방출될 수 있으며, 이는 성능 저하로 이어질 수 있습니다."라고 챈은 말했습니다.
경계를 제거하면 산소 발생이 방지되어 음극의 안전성과 순환 안정성이 향상됩니다. 미국 에너지부 산하 로렌스 버클리 국립 연구소에서 APS와 첨단 광원을 사용하여 수행한 산소 발생 측정 결과가 이를 뒷받침합니다.
아르곤 자연보호연구소 명예연구원인 칼릴 아민은 "이제 배터리 제조업체들이 제약 없이 고압에서 작동하는 양극재를 만들 수 있도록 하는 지침이 마련되었습니다."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.”"이 지침은 NMC 이외의 음극 재료에도 적용되어야 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.
아르곤 나노소재센터 소개 미국 에너지부 산하 5개 나노기술 연구센터 중 하나인 아르곤 나노소재센터(NSRC)는 미국 에너지부 과학국(DOE)의 지원을 받는 학제 간 나노 규모 연구를 위한 최고의 국가 사용자 기관입니다. NSRC는 연구원들에게 나노 규모 소재의 제작, 가공, 특성 분석 및 모델링을 위한 최첨단 기능을 제공하는 상호 보완적인 시설들을 구성하며, 국가 나노기술 이니셔티브(National Nanotechnology Initiative)에 따른 최대 규모의 인프라 투자 사업입니다. NSRC는 아르곤, 브룩헤븐, 로렌스 버클리, 오크리지, 샌디아, 로스앨러모스에 위치한 미국 에너지부 산하 국립 연구소에 자리하고 있습니다. NSRC DOE에 대한 자세한 정보는 https://​science​.osti​.gov/​User​-​F​a​c​i​lit​​​​ies​/​User​-​F​a​c​i​l​iti​ie​ies​-​at​-a​Glance 에서 확인할 수 있습니다.
미국 에너지부 산하 아르곤 국립 연구소의 첨단 광자원(APS)은 세계에서 가장 생산적인 X선 발생 시설 중 하나입니다. APS는 재료 과학, 화학, 응집 물질 물리학, 생명 및 환경 과학, 응용 연구 등 다양한 연구 분야에 고강도 X선을 제공합니다. 이러한 X선은 재료 및 생물 구조, 원소 분포, 화학적, 자기적 및 전자적 상태, 그리고 배터리에서 연료 분사 노즐에 이르기까지 모든 종류의 기술적으로 중요한 엔지니어링 시스템 연구에 이상적입니다. 이러한 시스템은 국가 경제, 기술 및 인체 건강의 근간에 필수적입니다. 매년 5,000명 이상의 연구자들이 APS를 이용하여 2,000편 이상의 논문을 발표하고 있으며, 다른 어떤 X선 연구 센터보다 더 많은 중요한 생물학적 단백질 구조를 규명하고 있습니다. APS의 과학자와 엔지니어들은 가속기 및 광원의 성능 향상을 위한 혁신적인 기술을 개발하고 있습니다. 여기에는 연구자들이 매우 중요하게 여기는 극도로 밝은 X선을 생성하는 입력 장치, X선을 수 나노미터 크기까지 집속하는 렌즈, 연구 대상 샘플과 X선의 상호 작용 방식을 극대화하는 장비, 그리고 APS 발견물의 수집 및 관리 등이 포함됩니다. 연구는 엄청난 양의 데이터를 생성합니다.
본 연구는 미국 에너지부 과학국 산하 사용자 센터인 첨단 광자원(Advanced Photon Source)의 자원을 활용했습니다. 첨단 광자원은 아르곤 국립 연구소가 미국 에너지부 과학국과의 계약(DE-AC02-06CH11357)에 따라 운영하는 시설입니다.
아르곤 국립 연구소는 미국 과학기술 분야의 시급한 과제들을 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 미국 최초의 국립 연구소인 아르곤은 거의 모든 과학 분야에서 최첨단 기초 및 응용 연구를 수행합니다. 아르곤 연구진은 수백 개의 기업, 대학, 그리고 연방, 주, 지방 정부 기관의 연구진과 긴밀히 협력하여 특정 문제 해결, 미국의 과학적 리더십 강화, 그리고 더 나은 미래를 위한 국가적 준비에 기여하고 있습니다. 아르곤에는 60개국 이상의 직원들이 근무하고 있으며, 미국 에너지부 과학국 산하 UChicago Argonne, LLC에서 운영하고 있습니다.
미국 에너지부 과학국은 물리 과학 분야 기초 연구를 가장 적극적으로 지원하는 국가 기관으로서, 우리 시대의 가장 시급한 문제들을 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 더 자세한 정보는 https://energy.gov/science.ience 에서 확인하실 수 있습니다.