수십 년 동안 과학자들은 안정적인 리튬 금속 배터리를 만들기 위해 노력해 왔습니다. 이 고성능 저장 전지는 많은 양의 리튬 이온 배터리보다 50% 더 많은 에너지를 보유하고 있지만 더 높은 고장률과 화재 및 폭발과 같은 안전 문제로 인해 상업화 노력이 무산되었습니다. 연구원들은 장치가 실패하는 이유에 대해 가설을 세웠지만 직접적인 증거는 드물었습니다.
이제 온전한 리튬 금속 코인 배터리(버튼 셀 또는 시계 배터리라고도 함) 내부에서 촬영된 최초의 나노 스케일 이미지는 기존 이론에 도전하고 전기 자동차와 같은 미래의 고성능 배터리를 더 안전하고 강력하며 더 오래 만드는 데 도움이 될 수 있습니다. 일종의 튼튼한 나사.
"우리는 리튬 금속에 맞게 조정된 분리막 재료를 사용해야 한다는 것을 배우고 있습니다."라고 Sandia National Laboratories의 리튬 금속 배터리 성능 개선 팀을 이끄는 배터리 과학자 Katie Harrison이 말했습니다.
내부 부산물이 축적되어 배터리를 죽입니다.
연구팀은 전기차가 충전해야 하는 것과 동일한 고강도 전류로 리튬 코인셀을 반복적으로 충방전했다. 어떤 세포는 몇 번의 주기를 거쳤고 다른 세포는 XNUMX번 이상의 주기를 거쳤습니다. 그런 다음 세포는 분석을 위해 오레곤주 힐스보로에 있는 Thermo Fisher Scientific으로 배송되었습니다.
팀이 배터리 내부의 이미지를 검토했을 때 배터리에 걸쳐 있는 바늘 모양의 리튬 침전물이 발견될 것으로 예상했습니다. 대부분의 배터리 연구원은 반복적인 사이클링 후에 리튬 스파이크가 형성되고 양극과 음극 사이의 플라스틱 분리막을 관통하여 단락을 유발하는 브리지를 형성한다고 생각합니다. 그러나 리튬은 부드러운 금속이므로 과학자들은 분리막을 통과할 수 있는 방법을 이해하지 못했습니다.
Harrison의 팀은 놀라운 두 번째 원인을 발견했습니다. 배터리 내부 화학 반응의 부산물로 형성된 단단한 축적물입니다. 배터리가 재충전될 때마다 고체 전해질 계면이라고 하는 부산물이 증가했습니다. 리튬을 덮고 분리막에 구멍을 내어 금속 침전물이 퍼지고 단락을 형성할 수 있는 구멍을 만들었습니다. 함께 리튬 침전물과 부산물은 이전에 믿었던 것보다 훨씬 더 파괴적이어서 바늘처럼 행동하지 않고 제설기처럼 행동했습니다.
연구원은 "분리막이 완전히 파쇄됐다"며 "이 메커니즘은 고속 충전이 필요한 경우에만 관찰됐다"고 덧붙였다. 전기 자동차 기술이지만 느린 충전 속도는 아닙니다.
Sandia 과학자들이 분리막 재료를 수정하는 방법에 대해 생각할 때 연구원은 부산물의 형성을 줄이기 위한 추가 연구가 필요할 것이라고 말합니다.
과학자들은 레이저와 극저온을 결합하여 "멋진" 이미지를 촬영합니다.
코인 배터리의 사망 원인을 결정하는 것은 놀라울 정도로 어렵습니다. 문제는 스테인리스 스틸 케이스에서 비롯됩니다. 금속 껍질은 X선과 같은 진단 장치가 외부에서 볼 수 있는 것을 제한하는 반면 분석을 위해 셀의 일부를 제거하면 배터리 층을 찢어내고 내부에 있을 수 있는 증거를 왜곡합니다.
연구원은 "배터리의 다양한 구성 요소를 연구할 수 있는 다양한 도구가 있지만 실제로 하나의 이미지에서 모든 것을 해결할 수 있는 도구가 없었습니다."라고 말했습니다.
연구원과 동료들은 배터리의 외부 케이싱을 통해 밀링하는 레이저가 있는 현미경을 사용했습니다. 그들은 그것을 화씨 영하 148도에서 영하 184도(각각 영하 100도와 영하 120도)의 온도에서 세포의 액체 전해질을 얼린 상태로 유지하는 샘플 홀더와 짝을 이루었습니다. 레이저는 좁은 전자빔이 감지기에 들어가 다시 반사될 만큼 충분히 큰 구멍을 만들어 배터리 내부 단면의 고해상도 이미지를 다양한 재료를 구별할 수 있을 만큼 충분히 자세하게 제공합니다.
당시 미국에서 유일한 그러한 도구였던 최초의 시연 기기는 제작되었으며 여전히 오리건에 있는 Thermo Fisher Scientific 실험실에 있습니다. 업데이트된 복제본이 이제 Sandia에 있습니다. 이 도구는 Sandia 전체에서 광범위하게 사용되어 많은 재료 및 고장 분석 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다.
