리튬 메탈 배터리 (Lithium-metal batteries (LMB) )
January 30, 2025
> 충전 및 방전 속도가 강력하지만 문제가 있는 배터리의 경로를 표시하는 방법
> 향상된 사이클 내구성은 리튬 메탈 배터리 활용에 유망한 방향 제시.
> Li-Metal 배터리의 사이클링 성능에 대한 충전/방전 속도의 영향
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> Li-Metal 배터리의 사이클링 성능에 대한 충전/방전 속도의 영향
경쟁사보다 에너지 밀도가 2~3배 높은 리튬 금속 배터리(LMB)는 오랫동안 고에너지 배터리의 "궁극적인 솔루션"으로 여겨져 왔습니다.
하지만 전기 자동차, 드론, 자동화 항공기, 재생 에너지 저장 및 기타 용도를 만드는 이 이론적 잠재력을 활용하는 것은 문제가 있음이 입증되었습니다. 안전 문제 와 비교적 짧은 배터리 수명 때문에 고에너지 LMB는 시장에서 제외되었습니다.
시카고대 프리츠커 분자공학과(UChicago PME)와 SES AI Corp의 연구원들은 배터리 충전 및 방전 속도를 최적화하는 것이 더 오래 지속되고 강력한 LMB를 생성하는 방법을 보여주는 새로운 경로를 보여주었습니다. ACS Energy Letters 에 최근 게재된 논문에서 , 연구팀은 이러한 속도를 조정하여 1,000회 사이클 후에도 80% 이상의 용량을 유지하는 배터리를 만들어 성능을 크게 향상시켰습니다.
"이 흥미로운 새로운 연구는 충전/방전 속도가 구성 요소 수준에서 상호작용에 미치는 상당한 영향을 밝혀내어 중요한 분해 메커니즘을 밝혀냈습니다." 최근 분자 공학에서 Liew Family 교수로 임명 된 UChicago PME 교수 Shirley Meng이 말했습니다 . "우리가 보여준 향상된 사이클 내구성은 리튬 금속 배터리 활용에 유망한 방향을 제시합니다."
** 충전 및 방전
배터리가 처음 몇 번 충전되고 방전될 때, 고체 전해질 계면(SEI)이라는 얇은 필름이 배터리의 음전하 양극에 증착됩니다. 귀찮은 일이 아니라, 이러한 축적은 실제로 배터리 성능의 핵심으로, 배터리가 더 오래 더 잘 작동하도록 하는 보호층을 형성합니다.
그러나 리튬 금속 배터리는 불안정한 SEI를 형성합니다. 배터리가 작동하면서 리튬 이온은 보호 필름에 계속 도금됩니다. 리튬이 SEI 아래에 증착되면 보호 층을 형성하고 배터리가 원활하게 작동합니다. 그러나 SEI 위에 형성되면 배터리가 더 빨리 부식됩니다. LMB의 불안정한 필름으로는 어떤 일이 일어나고 있는지 알 수 없습니다.
"이상적인 경우 리튬은 고체 전해질 계면인 SEI 아래에 증착되어야 합니다. 그러면 계면이 보호층으로 작용하지만, 때로는 계면 위에 도금될 수 있는데, 이는 좋지 않습니다."라고 Meng's Laboratory for Energy Storage and Conversion 의 UChicago PME 프로젝트 과학자이자 공동 1저자인 Wurigumula Bao가 말했습니다 . "하지만 이 전극 상단의 형태학적 검사로는 이 차이를 알 수 없습니다."
도금층이 잘못된 위치에 배치되면 배터리 수명이 급격히 단축될 수 있습니다.
"리튬 금속 배터리는 에너지 밀도라는 매우 명확한 장점이 있지만, 문제는 사이클 수명이 훨씬 짧다는 것입니다." UChicago Energy Transition Network 의 창립 멤버인 SES AI Corp의 공동 1저자 Yunya Zhang이 말했습니다 . "일반적인 사이클 조건에서 리튬 금속 배터리의 사이클 수명은 리튬 이온 배터리보다 3~5배 더 짧을 것입니다."
연구팀은 충전 속도가 느리지만 방전 속도가 빠른 리튬 금속 배터리가 이런 장벽을 많이 깨는 데 성공했다는 것을 알아냈습니다.
충전 속도가 느리면 리튬 핵 생성과 성장이 촉진되어 SEI에 더 건강한 리튬이 축적됩니다. 빠른 방전은 SEI 아래에 리튬이 축적되도록 돕고 부식 대신 보호막을 형성합니다.
Bao는 "충전 및 방전 속도는 실제로 배터리 성능에 가장 중요한 요소 중 하나이며, 특히 상용화를 향해 나아가면서 더욱 그렇습니다."라고 말했습니다.
** 시장으로 가는 길
리튬 금속 배터리는 단순히 노트북과 휴대폰에 사용되는 리튬 이온 배터리의 더 강력한 버전이 아닙니다.
"다른 것을 바꾸지 않고 리튬 이온 배터리를 리튬 메탈로 간단히 교체할 수는 없습니다." 장이 말했다. "매우 비슷하게 들리지만, 특히 충전/방전 프로토콜 측면에서 매우 다른 시스템입니다. 이는 배터리를 사용하는 방식과 밀접한 관련이 있습니다."
Bao는 이를 위해서는 기술과 법률 모두에서 변화가 필요하다고 말했습니다. 예를 들어, EV 배터리에 대한 현재 규정과 산업 프로토콜은 리튬 이온 배터리에서 작동하는 것에 기반한 충전/방전 속도를 허용합니다. 리튬 금속 배터리는 매우 다른 기술로, 시장에 진출하기 전에 고유한 특수 프로토콜이 필요할 수 있습니다.
바오는 상용화된 리튬 금속 배터리를 향한 다음 단계로는 업계 프로토콜을 형성하고 심층적인 계면 연구를 수행하여 잠재적으로 업계를 바꿀 수 있는 에너지 저장 솔루션을 위한 배터리 성능을 체계적으로 향상시키는 것이 포함된다고 밝혔습니다.
"이 계면 연구는 전해질 구성 및 계면 안정성을 포함한 광범위한 최적화를 포함할 것입니다. 이러한 주요 속성을 매개변수화하고 AI 및 머신 러닝을 활용하여 특히 안전, 빠른 충전 및 사이클 안정성 측면에서 성능을 향상시키는 것을 목표로 합니다."라고 그녀는 말했습니다.
인용: “Li-Metal 배터리의 사이클링 성능에 대한 충전/방전 속도의 영향 공개,” Zhang et al, ACS Energy Letters, 2025년 1월 21일. DOI: 10.1021/acsenergylett.4c03215
Y. Shirley Meng
시카고대 분자공학 프리츠커 스쿨의 분자공학과 리우 가족 교수
연구 및 학술적 관심사: 배터리, 에너지
웹사이트: 에너지 저장 및 변환 연구소(LESC)
연락처: shirleymeng@uchicago.edu
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