배터리 기술의 돌파구: 향상된 음극 설계로 전고체 리튬 배터리의 성능 향상

중국 QIBEBT(Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology)의 연구원들은 전고체 리튬 배터리(ASLB)의 음극에 대한 획기적인 변형을 개발하여 에너지 밀도와 수명 주기를 크게 향상시켰다.

연구소의 보도 자료에 따르면 이 연구는 차세대 고성능 배터리 개발에서 중요한 진전을 이뤘다.

세계가 화석 연료에서 전기 운송 수단으로 전환함에 따라 배터리의 역할이 점점 더 중요해지고 있다. 배터리는 수세기 동안 사용되어 왔지만 리튬 이온 배터리는 현재까지 가장 높은 에너지 밀도를 달성했다. 그러나 태양광 및 풍력 발전의 급속한 확장과 전기 자동차에 대한 수요 증가로 인해 리튬 배터리 기술은 한계에 가까워지고 있으며 잠재적으로 친환경 에너지 솔루션으로의 전환에서 병목 현상이 될 수 있다.

리튬 이온 배터리는 효과적이지만 극한의 온도에 대한 민감성, 화재 위험, 상대적으로 짧은 수명 주기 등 몇 가지 단점이 있다. 이러한 과제로 인해 연구원들은 배터리 기술의 개선 사항을 모색하게 되었다. 리튬이온 배터리를 대체할 것으로 예상되는 전고체 배터리는 음극 설계의 한계로 인해 어려움을 겪고 있다.

ASLB 음극의 과제

ASLB의 음극은 일반적으로 전기화학적으로 비활성이지만 전도를 개선하는 데 중요한 역할을 하는 여러 첨가제를 포함하는 이종 복합재로 구성된다. 그러나 이러한 첨가제는 작동 중에 팽창 및 수축하는 층상 산화물 음극과 호환되지 않는다. 이 문제를 해결하기 위해 QIBEBT의 SERGY(Solid Energy System Technology Center)의 연구원들은 Li1.75Ti2(Ge0.25P0.75S3.8Se0.2)3 또는 (LTG0.25PSSe0.2)로 알려진 제로 변형 물질을 사용하여 음극 균질화 전략을 개발했다.

이 물질은 이온 및 전자 전도성이 혼합되어 음극에 추가적인 비활성 첨가제 없이 충전 및 방전 중에 효율적인 전하 수송을 가능하게 한다.

"우리의 음극 균질화 전략은 기존의 이종 음극 설계에 도전합니다"라고 연구에 참여한 QIBEBT의 연구원 Cui Longfei는 설명했다. "비활성 첨가제의 필요성을 제거함으로써 에너지 밀도를 높이고 배터리 수명을 연장합니다."

테스트 및 결과

ASLB의 향상된 성능을 검증하기 위해 연구원들은 균질 음극을 사용하여 광범위한 테스트를 수행했다. 그 결과 표준 리튬 이온 배터리에서 일반적으로 볼 수 있는 그램당 100-200mAh에 비해 그램당 250mAh의 특정 용량이 나타났다.

셀 수준에서 균질 음극은 kg당 390Wh의 높은 에너지 밀도를 제공하여 기존 리튬 이온 배터리의 kg당 200-300Wh를 크게 능가했다. 우수한 용량 외에도 음극은 실온에서 20,000 사이클 동안 1.2%의 부피 변화를 보여주었다.

"이 접근 방식은 ASLB의 게임 체인저입니다"라고 SERSY의 또 다른 연구원인 Zhang Shu는 덧붙였다. "높은 에너지 밀도와 연장된 사이클 수명의 조합은 에너지 저장의 미래에 대한 새로운 가능성을 열어줍니다."

흥미롭게도 이 기술은 리튬 이온 배터리, 리튬 황 배터리, 나트륨 이온 배터리 및 연료 전지를 포함하여 이종 음극에서 유사한 문제에 직면한 다른 배터리 유형에도 적용할 수 있다.

"고에너지 밀도 ASLB의 상용화 잠재력은 이제 더 달성 가능해졌습니다"라고 SERSY의 교수 겸 책임자인 Cui Guanglei는 말했다. "다기능 균질 음극을 설계하기 위한 우리의 보편적인 전략은 에너지 저장의 에너지, 전력 및 수명 장벽을 극복하여 실제 응용 분야를 위한 길을 닦을 수 있습니다."