리튬 이온이 충전 및 방전 중에 배터리 전극을 드나들 때 약간의 산소가 새어 나오고 배터리의 전압-얼마나 많은 에너지를 전달하는지 측정하는-똑같이 조금씩 사라집니다. 손실은 시간이 지남에 따라 증가하며 결국 배터리의 에너지 저장 용량을 10-15 %까지 떨어 뜨릴 수 있습니다.
이제 연구자들은 전례없는 세부 사항으로이 초 저속 프로세스를 측정하여 산소 원자를 탈출하여 남겨진 구멍 또는 공석이 전극의 구조와 화학을 변화시키고 저장 가능한 에너지를 점차적으로 줄이는 방법을 보여줍니다.
결과는 과학자들이이 과정에 대해 내린 일부 가정과 모순되며이를 방지하기 위해 전극을 엔지니어링하는 새로운 방법을 제안 할 수 있습니다.
연구자들은 수백 번의주기에 걸쳐 아주 작은 정도의 산소가 아주 느리게 흘러 나오는 것을 측정 할 수있었습니다. 연구팀과 함께 실험에 참여한 스탠포드 출신의 연구원. “너무 느리다는 사실도 감지하기 어렵게 만들었다”고 말했다.
양방향 흔들 의자
리튬 이온 배터리는 흔들 의자처럼 작동하여 일시적으로 전하를 저장하는 두 전극 사이에서 리튬 이온을 앞뒤로 움직입니다. 이상적으로, 이러한 이온은 각 전극을 구성하는 수십억 개의 나노 입자를 드나 드는 유일한 것입니다. 그러나 연구자들은 리튬이 앞뒤로 움직일 때 산소 원자가 입자에서 누출된다는 것을 얼마 동안 알고 있습니다. 이러한 누출의 신호가 너무 작아 직접 측정 할 수 없기 때문에 세부 사항을 파악하기가 어려웠습니다.
연구원은 "배터리 충전 및 방전의 500 회 이상주기에 따른 총 산소 누출량은 6 %입니다"라고 말했습니다. "그다지 적은 숫자는 아니지만 각주기 동안 나오는 산소의 양을 측정하려고하면 약 XNUMX 분의 XNUMX %입니다."
이 연구에서 연구원들은 산소 손실이 입자의 화학적 구조와 구조를 어떻게 수정하는지 살펴봄으로써 간접적으로 누출을 측정했습니다. 그들은 가장 작은 나노 입자부터 나노 입자 덩어리, 전극의 전체 두께에 이르기까지 여러 길이 규모로 프로세스를 추적했습니다.
배터리가 작동하는 온도에서 고체 물질에서 산소 원자가 이동하기가 너무 어렵 기 때문에 산소 누출은 나노 입자의 표면에서만 발생한다는 것이 일반적인 통념이라고 연구원은 이것이 논쟁의 여지가 있지만 말했다.
무슨 일이 일어나고 있는지 자세히 살펴보기 위해 연구팀은 배터리를 여러 시간 동안 순환하고 분리 한 다음 로렌스 버클리 국립 연구소의 고급 광원에서 자세한 조사를 위해 전극 나노 입자를 슬라이스했습니다. 그곳에서 특수한 X 선 현미경이 샘플을 스캔하여 고해상도 이미지를 만들고 각 작은 지점의 화학적 구성을 조사합니다. 이 정보는 ptychography라는 계산 기술과 결합되어 XNUMX 억분의 XNUMX 미터 단위로 측정되는 나노 크기의 세부 사항을 나타냅니다.
한편, SLAC의 Stanford Synchrotron Light Source에서 팀은 전체 전극을 통해 X-ray를 촬영하여 나노 수준에서보고있는 것이 훨씬 더 큰 규모에서도 사실임을 확인했습니다.
버스트, 그리고 물방울
실험 결과를 컴퓨터 모델과 비교하여 산소 손실이 어떻게 발생할 수 있는지에 대한 연구팀은 초기 산소 폭발이 입자 표면에서 빠져 나간 다음 내부에서 매우 느린 물방울이 발생한다는 결론을 내 렸습니다. 나노 입자가 함께 빛나서 더 큰 덩어리를 형성하는 경우, 덩어리 중앙 근처의 나노 입자는 표면 근처의 것보다 적은 산소를 잃었습니다.
연구원은 또 다른 중요한 질문은 산소 원자의 손실이 그들이 남긴 물질에 어떤 영향을 미치는지라고 말했습니다. "그것은 실제로 큰 미스터리입니다."라고 그는 말했다. “나노 입자의 원자가 밀집된 구체와 같다고 상상해보십시오. 산소 원자를 계속 빼 내면 구조가 밀집된 상태를 유지하기를 좋아하기 때문에 모든 것이 무너지고 치밀해질 수 있습니다.”
전극 구조의 이러한 측면을 직접 이미지화 할 수 없었기 때문에 과학자들은 다른 유형의 실험 관찰을 다양한 산소 손실 시나리오의 컴퓨터 모델과 다시 비교했습니다. 결과는 공석이 지속되고 (재료가 무너 지거나 고밀도화되지 않음), 배터리의 점진적인 감소에 어떻게 기여 하는지를 보여줍니다.
“산소가 떠날 때 주변의 망간, 니켈 및 코발트 원자가 이동합니다. 모든 원자가 이상적인 위치에서 춤추고 있습니다.”라고 연구원은 말했습니다. “이처럼 금속 이온의 재 배열은 산소 부족으로 인한 화학적 변화와 함께 시간이 지남에 따라 배터리의 전압과 효율을 저하시킵니다. 사람들은이 현상의 측면을 오랫동안 알고 있었지만 메커니즘은 명확하지 않았습니다.”
이제 그는 "우리는이 중요한 소스에 대한 과학적이고 상향식 이해를 가지고 있습니다"라고 말했습니다. 배터리 산소 손실과 그 손상을 완화하는 새로운 방법으로 이어질 수 있습니다.