알아야 할 주요 사항:
- AIB 발전 Technology: 암모늄 이온 배터리(AIB)는 수지상 성장을 방지하고 배터리 수명을 향상시키는 아세트산 암모늄(NH4Ac)을 사용하여 기존 배터리보다 안전하고 환경 친화적인 대안을 제공합니다.
- 혁신적인 양극 재료: DFT 계산을 통해 탐구된 MXene과 같은 양극 재료의 최근 개발은 유망한 저전압 성능과 높은 에너지 밀도를 보여줍니다.
- 유사 용량성 동작: AIB의 MXene 양극은 NH4Ac와 함께 고유한 유사 용량성 동작을 나타내어 5000주기 이상의 고용량 및 안정성을 달성하며 이는 다른 재료에 비해 상당한 발전입니다.
- 연구 기반 개선 사항: Sun et al. 아세트산암모늄 사용의 이점을 확인하여 AIB의 전반적인 안전성과 효율성을 향상시킵니다.
많은 배터리 아키텍처 이제 엔지니어와 과학자가 전환을 시도하면서 존재합니다. 리튬 이온 배터리 에너지 밀도가 높고, 더 빠르게 충전할 수 있으며, 환경 친화적인 새로운 배터리 시스템을 도입하려고 합니다. 최근에는 수년간의 학문적 발전을 거쳐 많은 새로운 배터리 아키텍처가 상용화되었으며, 다른 새로운 배터리도 학계에서 자리를 잡기 시작했습니다.
이러한 배터리 중 하나는 수성 전해질을 사용하는 암모늄 이온 배터리(AIB)이므로 더 안전하고 열 폭주 가능성이 적습니다. AIB는 저렴한 비용, 고유한 안정성, 우수한 전기화학적 특성을 가지며 환경 친화적입니다. 이는 일부 기존 시스템에 비해 배터리 연구의 새로운 영역이며, 보다 환경 친화적인 배터리를 만들 수 있는 잠재력이 있지만 AIB는 양극 설계 문제로 인해 발목을 잡았습니다.
암모늄 배터리의 잠재력
AIB는 충전식 배터리 암모늄 이온(NH4+)을 전하 운반자로 사용합니다. 전통적인 금속 이온(Li+, Na+, K+, Zn2+ 및 Mg2+)과 비교하여 암모늄 이온은 이온 반경이 더 작고 몰 질량이 더 가볍기 때문에 수성(수성) 전해질에서 빠른 확산 특성을 갖습니다. 또한 암모늄 이온은 많은 것과 달리 종종 배터리 단락의 원인이 되는 수지상 성장을 경험하지 않습니다. 금속 이온 배터리따라서 더 느리게 분해되는 더 안전한 배터리를 만들 가능성이 있습니다. 암모늄 이온 전해질은 금속 이온 배터리에 사용되는 유기 용매보다 환경 친화적이며 가격도 훨씬 저렴합니다. 가장 일반적인 전해질 중 하나는 아세트산암모늄(NH4Ac)입니다.
AIB의 환경적 이점과 작동 안전성을 더욱 강조하기 위해 Sun 등의 연구와 같은 최근 연구에서는 이러한 배터리의 안정성과 용량을 향상시키는 데 있어 아세트산암모늄(NH4Ac) 전해질의 역할을 강조합니다. 기존 전해질과 달리 NH4Ac는 배터리 작동 시 주요 안전 위험이 되는 수상돌기 형성을 방지하는 데 도움이 됩니다. 이러한 특성은 안전성을 향상시킬 뿐만 아니라 배터리 수명 주기를 크게 연장하여 AIB를 장기적으로 보다 지속 가능한 옵션으로 만듭니다.
이러한 모든 특성은 AIB에 많은 잠재력이 있음을 보여줍니다. 특히 이러한 특성은 오늘날 상용 표준이 된 금속 이온 배터리에 비해 장점으로 여겨지기 때문입니다. AIB의 음극 설계에 많은 연구가 진행되었으며 이제 높은 비용량을 달성할 수 있습니다. 음극 예로는 니켈 기반, 망간 기반 및 바나듐 기반 재료가 포함됩니다. 그러나 양극 설계에는 그다지 많은 노력이 투입되지 않았으며, 양극과 전해질 사이의 상호 작용은 여전히 더 개발되어야 하는 영역입니다.
새로운 음극 소재 개발
현재까지 작동 전압이 낮은 양극 재료가 많지 않기 때문에 양극은 현재 AIB의 제한 요소입니다. AIB 양극의 개발은 주로 전이 금속 산화물/황화물 및 유기 폴리머로 제한되었습니다. 전이금속 화합물은 용량이 낮은 경향이 있고, 고분자 양극은 용해율이 높아 순환 안정성이 좋지 않기 때문에 이상적인 재료는 아닙니다. 이로 인해 현재까지 개발된 많은 AIB가 실제 응용에 적합하지 않게 되었습니다.
물질적인 어려움에도 불구하고 새로운 물질이 계속해서 제안되고 시험되고 있습니다. 잠재적인 해결책으로 선전된 재료의 한 종류는 다음과 같습니다. 맥신. MXene은 Mn+2AXn의 일반 공식을 갖는 MAX 상 재료에서 생성된 1D 재료입니다. 이 화학 구조에서 M은 초기 전이 금속이고 A는 13족 또는 14족 원소이며 X는 탄소 또는 질소입니다.
MXene은 전극에 유용한 다양한 특성을 가지고 있습니다. 예를 들어, 전기 전도성이 뛰어나고 표면 활성도가 높으며, 층이 서로 쌓이는 방식은 특히 다른 유형의 나노물질에 비해 이온 저장에 바람직합니다. 따라서 MXene은 AIB의 잠재적인 이점으로 간주되며 현재 실험적으로 더 탐구할 가치가 있는지 확인하기 위해 많은 이론적 작업이 수행되고 있습니다.
암모늄 이온 배터리의 효과적인 양극 재료로서 MXene의 잠재력은 상세한 밀도 함수 이론(DFT) 계산에 의해 뒷받침됩니다. 아래 그림 1에서 볼 수 있듯이 이러한 계산은 MXene 재료, 특히 V2CTx의 낮은 작동 전위와 높은 유사 용량성 동작을 보여주며, 이는 배터리 기술의 고성능 응용 분야에 대한 적합성을 시사합니다.
a V2CTx MXene에 대한 구조 모델의 측면 관점이 묘사되어 있습니다. 회색, 검정색, 주황색으로 표시된 구는 이에 따라 V, C 및 T 종료를 나타냅니다. b c V2CO2 및 V2CF2에 대한 평면 평균 정전기 전위 곡선이 각각 표시됩니다. d 1T-MoS2에 대한 평면 평균 정전기 전위 곡선이 설명되어 있습니다. e 본 연구에서 연구된 2차원 재료의 일함수와 작동 가능성 창 사이의 상관관계가 입증되었습니다.
AIB 응용 분야에 대한 MXene의 적합성을 확증하기 위해 다음 연구에 설명되어 있습니다. 자연 통신 Sun et al. NH2Ac 전해질과 함께 사용할 때 V4CTx MXene의 유사 용량성 특성에 대해 논의합니다. 이러한 소재는 낮은 작업 전위를 보장할 뿐만 아니라 고성능 배터리에 중요한 향상된 안정성과 에너지 밀도를 보여줍니다. MXenes의 고유한 높은 표면 활성은 효율성을 향상시켜 지속 가능한 배터리 기술에서 양극 제조를 크게 발전시킵니다.
DFT 계산을 통해 MXene 양극에 가장 적합한 수성 전해질 제안
밀도 함수 이론(DFT)은 이론 및 과학 분야에서 잘 확립된 기술입니다. 컴퓨터 화학 다양한 재료 시스템의 특성을 모델링하고 조사하여 특정 응용 분야에 적합한지 확인하고 구조를 추론하는 데 자주 사용됩니다. DFT 계산에 따르면 MXene, V2CTx는 다른 바나듐 기반 재료에 비해 작동 가능성 창이 가장 낮으므로 AIB용 유망 양극 재료가 될 가능성이 있습니다.
연구원들은 이제 DFT 계산과 물리적 물질 특성화 방법을 결합하여 MXene 양극이 수성 전해질과 어떻게 상호작용하는지 확인하고 이러한 양극의 성능이 어떤 모습일지 조사하면서 이 MXene 양극을 더 자세히 조사했습니다. 연구진은 이 MXene 양극이 115.9 A g-1에서 1 mAh g-1의 특정 용량과 100 A g-5000에서 5 사이클 후 1%의 용량 유지와 함께 암모늄 이온 저장을 위한 유사 용량성 거동을 나타냄을 발견했습니다.
(NH4)2SO4, NH4Cl, (NH4)2C2O4 및 NH4Me를 포함하여 MXene 양극으로 많은 수성 전해질이 시험되고 있음에도 불구하고 MXene 양극이 이러한 의사 용량성 거동을 보인 유일한 전해질은 NH4Ac 암모늄 아세테이트 전해질을 사용하는 것이었습니다. MXene 양극과 NH4Ac 전해질 사이에 나타난 유사 용량성 거동 성능은 현재까지 AIB의 모든 용량성 유형 전극을 능가합니다.
양극의 특성과 전해질과의 상호작용을 조사하기 위해, 원위치 EQCM(전기화학적 석영 결정 마이크로천칭) 측정을 수행하여 아세트산암모늄 전해질에서 의사 용량성 저장 거동을 생성하는 2단계 전기화학적 과정을 보여줍니다.
실험 결과는 이 전기화학적 과정을 더 잘 이해하기 위해 DFT 계산과 시뮬레이션으로 이어졌습니다. 공정의 첫 번째 부분에는 MXene 표면에 NH4+를 정전기적으로 흡착/증착하는 작업이 포함되었습니다. 공정의 두 번째 단계에서는 양극의 d-V2CTx 그룹과 전해질의 [NH4+(HAc)3] 그룹 사이에서 산화환원 반응이 일어납니다. 이 산화환원 과정 동안 중앙 NH4+ 이온은 유사 양성자 역할을 하여 V2CTx 말단의 교대를 촉진합니다. 그러면 복합체 내 바나듐 이온의 원자가 상태가 변경되어 전하 이동이 촉진됩니다.
MXene 기반 AIB에서 암모늄 아세테이트를 혁신적으로 사용하면 전기화학적 안정성이 향상될 뿐만 아니라 Sun et al.에 의해 자세히 설명된 대로 에너지 저장 용량도 향상됩니다. 이러한 획기적인 발전은 NH4+ 이온과 전해질 사이의 고유한 상호 작용에 기인하며, 이는 효율적인 이온 전달과 강력한 사이클 안정성을 촉진하여 차세대 에너지 저장 솔루션의 토대를 마련합니다.
연구원들은 또한 MoS2 기반(전이 금속 디칼코게나이드 계열의 또 다른 2D 재료) 암모늄 이온 배터리에서 아세테이트 이온 강화 효과를 확인했습니다. 다양한 재료와 함께 사용할 수 있다는 것은 아세테이트 전해질을 다양한 2D 재료와 함께 사용하여 AIB의 용량을 향상시킬 수 있음을 의미합니다. 이 접근 방식은 또한 패러데이(산화환원) 및 비 패러데이(정전기 상호 작용만)의 용량 제한을 깨뜨릴 수 있는 잠재력을 갖고 있으며 다양한 AIB를 개선하고 보다 지속 가능한 배터리를 만드는 방법을 제공할 수 있습니다.
암모늄 이온 배터리의 환경 영향 및 안전 고려 사항
암모늄 이온 배터리(AIB)로의 전환은 기존 배터리 시스템에 대한 기술적 개선일 뿐만 아니라 환경 보존에 있어 중요한 진전입니다. AIB는 덜 유해한 물질을 사용하고 더 안전한 화학 반응을 수반하여 사고 위험을 줄이고 환경 오염을 줄입니다. Sun et al. ~에 자연 통신 아세트산암모늄과 같은 보다 안전한 전해질을 사용하면 열 폭주 및 화학적 침출과 같은 위험이 크게 완화되므로 AIB가 지속 가능한 에너지 저장을 위해 선호되는 선택이 되는 것으로 나타났습니다.
참조 :
Sun Z. et al., 수성 암모늄 이온 배터리의 향상된 유사 용량 용량을 위한 아세테이트 전해질, Nature Communications, 15, (2024), 1934.