연구자들은 음극 열화를 완화하고 리튬이온 배터리 성능을 개선하기 위한 전략을 개발합니다

전기차나 가전제품 등 재생 에너지를 위한 고성능 동력원으로 사용되는 리튬 이온 배터리(LIB)는 배터리 수명을 저해하지 않으면서 높은 에너지 밀도를 제공하는 전극이 필요합니다. 외신 보도에 따르면, 노스웨스턴 대학교를 포함한 기관 연구진이 고에너지 밀도 LIB 배터리 음극 재료에서 열화 원인의 근본 원인을 탐구하고, 열화 메커니즘을 완화하여 LIB 배터리 성능을 개선할 전략을 개발하고 있습니다.

이 연구는 특히 전기차와 풍력, 태양광 등 재생 에너지원의 그리드 규모 에너지 저장 응용 등 많은 신흥 응용 분야에 가치가 있을 수 있습니다.

연구원 마크 허삼은 "LIB 배터리의 대부분의 열화 메커니즘은 전극 표면에서 전해질과 접촉하는 곳에서 일어납니다. 우리는 이 표면에서 일어나는 화학 반응을 이해하고, 그 후 분해 정도를 최소화할 전략을 개발하려고 노력하고 있습니다."

핵심 접근법: NCA 음극 표면 정제

연구진은 표면 화학 특성을 이용해 NCA(니켈, 코발트, 알루미늄) 나노입자 합성 과정에서 남은 수산화물과 탄산염 불순물을 식별하고 환원했습니다. 그들은 LIB 음극 표면을 준비할 때 먼저 적절히 어닐링하여 표면 불순물을 제거하기 위해 음극 나노입자를 가열한 후, 원자층 두께의 그래핀 코팅을 통해 원하는 구조에 고정해야 한다는 것을 발견했습니다.

그래핀 코팅 음극의 성능 장점

LIB 배터리에서는 그래핀으로 코팅된 NCA 나노입자로 만든 음극이 저임피던스, 높은 속도 능력, 높은 부피 에너지 및 전력 밀도, 긴 사이클 수명 등 우수한 전기화학적 성능을 보입니다. 그래핀 코팅은 전극 표면과 전해질 사이의 장벽 역할도 하여 배터리 수명을 더욱 향상시킵니다.

연구진은 처음에 그래핀 코팅만으로도 성능을 향상시킬 수 있다고 믿었습니다. 그러나 결과는 그래핀 코팅을 적용하기 전에 음극 재료의 표면 화학 반응을 최적화하기 위해 사전 어닐링이 매우 중요함을 보여줍니다.

현재 이 연구는 주로 니켈이 풍부한 LIB 음극에 초점을 맞추고 있습니다. 이 방법은 고표면적의 나노구조를 포함하는 나트륨이온 또는 마그네슘 이온 배터리와 같은 다른 유형의 에너지 저장 전극에도 확장될 수 있어, 고성능 나노입자 기반 에너지 저장 장치 개발의 길을 열었습니다.