UCLA 연구에서 최초로 밝혀진 리튬의 실제 모습

충전식 리튬 이온 배터리는 스마트폰, 전기 자동차, 태양광 및 풍력 에너지 저장 장치 등 다양한 기술에 전력을 공급합니다.

이는 널리 개발되거나 채택되지 않은 또 다른 기술인 리튬 금속 배터리의 후손입니다. 그 이유는 다음과 같습니다. 리튬 금속 배터리는 리튬 이온 배터리보다 약 두 배의 에너지를 저장할 수 있는 잠재력을 갖고 있지만, 화재가 발생하거나 심지어 폭발할 위험도 훨씬 더 높습니다.

이제 UCLA 캘리포니아 나노시스템 연구소(California NanoSystems Institute) 회원들의 연구에서는 오늘날의 리튬 이온 배터리보다 성능이 뛰어난 더 안전한 리튬 금속 배터리를 개발할 수 있는 근본적인 발견이 밝혀졌습니다.연구 결과가 발표되었습니다저널 네이처에서.

금속 리튬은 화학 물질과 매우 쉽게 반응하므로 정상적인 조건에서는 금속이 전극과 같은 표면에 놓이는 동안 거의 즉시 부식이 발생합니다. 그러나 UCLA 연구자들은 부식을 방지하는 기술을 개발했으며 부식이 없을 때 리튬 원자가 놀라운 모양, 즉 던전 앤 드래곤과 같은 롤플레잉 게임에 사용되는 주사위와 유사한 12면체인 마름모 정십이면체로 조립된다는 것을 보여주었습니다. .

"리튬 금속에 관한 수천 개의 논문이 있으며 구조에 대한 대부분의 설명은 '두꺼운' 또는 '기둥 모양'과 같은 정성적입니다."라고 해당 연구의 교신 저자이자 화학 및 생체분자 공학 조교수인 Yuzhang Li는 말했습니다. UCLA Samueli 공과대학 및 CNSI 회원입니다. “우리가 표면 부식을 방지했을 때 이러한 불분명한 모양 대신 금속의 결정 구조를 기반으로 한 이론적 예측과 일치하는 단일 다면체를 보았다는 사실을 발견한 것은 우리에게 놀라운 일이었습니다. 궁극적으로 이번 연구를 통해 우리는 리튬 금속 배터리에 대한 이해 방식을 수정할 수 있게 되었습니다.”

작은 규모의 리튬 이온 배터리는 전극을 코팅하는 새장형 탄소 구조에 양전하를 띤 리튬 원자를 저장합니다. 이와 대조적으로 리튬 금속 배터리는 전극을 금속 리튬으로 코팅합니다. 이는 리튬이온 배터리에 비해 같은 공간에 10배 더 많은 리튬을 담아 성능과 위험이 모두 증가한 이유다.

리튬 코팅을 놓는 공정은 전기와 전해질이라고 불리는 염 용액을 사용하는 200년 이상의 기술을 기반으로 합니다. 종종 리튬은 돌출된 스파이크가 있는 미세한 분지 필라멘트를 형성합니다. 배터리에서 스파이크 중 두 개가 십자형으로 교차하면 단락이 발생하여 폭발로 이어질 수 있습니다.

부식이 없는 리튬의 실제 형태가 밝혀지면 원자가 교차할 수 있는 형태가 아닌 규칙적인 형태로 축적되기 때문에 리튬 금속 배터리의 폭발 위험이 줄어들 수 있음을 시사합니다. 이번 발견은 고성능 에너지 기술에도 상당한 영향을 미칠 수 있다.

“과학자들과 엔지니어들은 금, 백금, 은을 포함한 금속을 나노큐브, 나노구체, 나노막대와 같은 형태로 합성하는 방법에 대해 20년 넘게 연구를 진행해 왔습니다.”라고 Li는 말했습니다. "이제 우리는 리튬의 모양을 알았으니, 문제는 배터리의 안전성과 성능을 모두 높이기 위해 조밀하게 포장할 수 있는 큐브를 형성하도록 조정할 수 있느냐 하는 것입니다."

지금까지는 용액 내 전해질의 선택에 따라 리튬이 표면에 형성하는 모양, 즉 구조가 덩어리 또는 기둥과 유사한지 결정된다는 것이 지배적인 견해였습니다. UCLA 연구진의 생각은 달랐습니다.

이번 연구의 제1저자인 UCLA 박사과정 학생 Xintong Yuan은 "우리는 부식막을 유발하는 반응을 능가할 정도로 리튬을 너무 빨리 증착할 수 있는지 확인하고 싶었습니다."라고 말했습니다. "그러면 우리는 필름이 없을 때 리튬이 어떻게 성장하기를 원하는지 잠재적으로 볼 수 있습니다."

연구진은 부식 형태보다 더 빠르게 리튬을 증착하는 새로운 기술을 개발했습니다. 그들은 전기를 더 빨리 밀어내기 위해 훨씬 더 작은 전극을 통해 전류를 흘렸습니다. 마치 정원 호스의 노즐을 부분적으로 막으면 물이 더 강하게 뿜어져 나오는 것과 비슷합니다.