배터리에서 돌이킬 수 없는 에너지 손실을 방지하기 위한 새로운 프로세스

배터리가 완전히 충전되었다고 말할 때 종종 배터리 생산의 형성 단계에서 발생할 수 있는 리튬 이온의 영구적인 손실로 인해 용량이 저장 가능한 이론 에너지 밀도의 70-90%에 불과합니다.

이를 극복하고 리튬 이온의 초기 손실을 방지하기 위해 한국과학연구원의 과학자들은 Technology 한국과학기술연구원(KIST)은 흑연-실리콘산화물(SiOx, 0.5 ≤ x ≤ 1.5) 복합 음극에서 이러한 초기 Li 이온 손실을 최소화할 수 있는 전극 전처리 용액을 개발했다.

용액에 담근 후, 50% SiOx로 구성된 양극은 무시할 수 있는 Li 손실을 나타내어 전체 전지가 거의 이상적인 에너지 밀도를 나타낼 수 있게 했습니다.

대부분의 상용 Li 배터리는 흑연 양극을 사용하지만 SiOx는 흑연보다 5-10배 더 큰 고용량으로 인해 상당한 주목을 받고 있습니다. 그러나 SiOx는 흑연보다 XNUMX배 많은 활성 Li를 비가역적으로 소모합니다. 그 결과 흑연과 SiOx의 혼합물로 구성된 복합 전극이 실용적인 차세대 음극의 대안으로 각광받고 있습니다.

더 높은 비율의 SiOx에서 흑연-SiOx 복합 전극의 용량이 상응하는 증가가 있었지만 초기 Li의 손실도 증가했습니다. 결과적으로, 흑연-SiOx 복합 전극에서 SiOx 함량의 비율은 15%로 제한되어야 했으며, 비율을 50%로 증가시키면 초기 Li 손실이 40%가 되기 때문입니다.

이에 대응하기 위해 KIST 연구팀은 SiOx 전극에 의한 Li 소모를 줄이기 위해 전극을 고유한 용액에 담그는 공정을 개발했습니다. 그런 다음 팀은 이 공정을 상당한 상용화 가능성이 있는 흑연-SiOx 복합 재료에 적용했습니다.

연구팀은 이전에 개발된 전처리 솔루션이 흑연의 다양한 삽입 기능으로 인해 Li 이온이 있는 용매 분자가 흑연에 의도하지 않게 삽입될 수 있음을 발견했습니다. 이러한 큰 용매 분자의 삽입은 흑연-SiOx 복합 전극의 구조적 파괴를 초래했습니다. 전극 고장을 방지하기 위해 연구자들은 약용매화 용매를 사용하여 용매와 Li 이온 사이의 상호작용을 줄이는 대체 용액을 개발했습니다. 이 솔루션은 Li 이온을 활물질에 선택적으로 삽입할 수 있게 하여 흑연-SiOx 복합 전극에 추가 Li를 안정적으로 공급할 수 있게 했습니다.

연구팀이 개발한 용액에 1% SiOx 비율에서도 흑연-SiOx 전극을 약 50분간 담근 후 초기 Li 소모를 완전히 방지했다. 결과적으로, 전극은 거의 100%의 높은 초기 효율을 보여 초기 충전에서 무시할 수 있는 Li 손실(≤ 1%)을 나타냅니다. 이 과정을 통해 개발된 전극은 기존 흑연 음극보다 2.6배 높은 용량을 가지면서 87.3회 충방전 후에도 초기 용량의 250%를 유지했다.

KIST 이민아 박사는 “이번 연구의 결과, 흑연-SiOx 복합 양극의 SiOx 함량을 기존의 50%에서 15% 이상으로 높일 수 있게 됐다. 더 큰 용량의 리튬 이온 배터리를 생산하고 미래 EV의 주행 거리를 향상시킬 수 있습니다.”

KIST 홍지현 공동연구원은 “이 기술은 안전하고 양산에 적합해 상용화 가능성이 높다”고 덧붙였다.