배터리 전극의 재질이 성능과 수명에 미치는 영향

2023년 8월 15일 대화상자

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작성자: Dmitrii A. Rakov, Tech Xplore

배터리는 전극이라는 두 물질 사이에서 이온이라는 하전 입자를 이동시켜 에너지를 저장하고 방출하는 장치입니다. 전극은 이온과 기타 분자를 포함하는 전해질이라고 불리는 액체나 젤로 분리됩니다. 배터리를 사용하면 각 전극 표면에 고체 전해질 간기(SEI)라고 불리는 얇은 분자층이 형성됩니다.

리튬 이온 배터리(LIB) 및 나트륨 이온 배터리(SIB)는 전극/전해질 계면에서 산화환원 공정의 가역성이 부족하여 기계적으로 불안정하고 반응성이 있는 SEI가 형성되는 문제가 있습니다. 안정적인 무기물이 풍부한 SEI는 전자 전달을 절연하여 특정 이온만 확산되도록 하여 전해질의 전기화학적 한계를 넘어서는 가역적 사이클링을 지원합니다.

높은 온도(> 100°C)에서 무기 용융염 전해질을 사용하는 전기화학 전지는 안정적인 사이클링 성능을 나타내지만, 일상적인 응용 분야에서는 금속염과 유기 용매를 모두 포함하는 배터리 전해질에 의존합니다. 이 혼합물은 충전된 인터페이스에서 경쟁적 반응을 유발하여 지속적인 전해질 소비와 불균일한 금속 증착(예: 금속 전극의 경우 수상돌기 형성)을 유발하여 배터리 고장을 일으키고 때로는 안전 문제를 초래합니다.

가역 전하 수송을 위해 SEI 화학 및 형태를 최적화하는 가장 실질적으로 확장 가능한 방법 중 하나는 전해질 화학 및 형성 프로토콜(즉, 특정 전류/전압 조건을 사용하는 초기 사이클링 조건)을 함께 선택하는 것입니다. 동시에, SEI 형성의 예비 단계에 대한 고유한 영향에도 불구하고 이 진행에서 전극 재료의 중요성은 눈에 띄게 과소평가되었습니다.

이러한 정보 공백을 메우기 위해 Deakin 대학과 Monash 대학(호주 멜버른)의 연구원들은 이온성 액체와 탄산염 기반 나트륨 전해질을 사용하여 SEI 형성 메커니즘에 대한 전극의 물리화학적 특성의 영향을 조사했습니다. 이 연구는 에너지 및 환경 과학 저널에 게재되었습니다.

실험적 도구와 이론적 도구를 조합하여 우리는 전해질-전극 계면의 구조와 고체-전해질 계면의 특성이 전극의 분극성(유전체 특성)에 의해 실질적으로 영향을 받는다는 것을 입증했으며 이러한 현상을 다음에서 설명했습니다. 전해질 종을 흡착하는 충전된 전극의 능력에 대한 맥락(위 그림 참조).