연구 결과 배터리 수명 향상의 열쇠 발견: 입자 간 상호 작용

외신 보도에 따르면 버지니아 공대 화학과 부교수 Feng Lin과 그의 연구팀은 초기 배터리 감퇴가 개별 전극 입자의 특성에 의해 좌우되는 것으로 보이지만 수십 번의 충전 후에는 이를 발견했습니다. 루핑 후에는 해당 파티클이 어떻게 결합되는지가 더 중요합니다.

“이 연구는 긴 배터리 수명을 위해 배터리 전극을 설계하고 제조하는 방법에 대한 비밀을 밝혀줍니다.”라고 Lin은 말했습니다. 현재 Lin의 연구실에서는 고속 충전, 저비용, 장수명 및 환경 친화적인 전극 아키텍처를 만들기 위해 배터리 전극을 재설계하는 작업을 진행하고 있습니다.

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연구 결과 배터리 수명 향상의 열쇠 발견: 입자 간 상호 작용
GasgooLiu Liting5小时前
외신 보도에 따르면 버지니아 공대 화학과 부교수 Feng Lin과 그의 연구팀은 초기 배터리 감퇴가 개별 전극 입자의 특성에 의해 좌우되는 것으로 보이지만 수십 번의 충전 후에는 이를 발견했습니다. 루핑 후에는 해당 파티클이 어떻게 결합되는지가 더 중요합니다.

“이 연구는 긴 배터리 수명을 위해 배터리 전극을 설계하고 제조하는 방법에 대한 비밀을 밝혀줍니다.”라고 Lin은 말했습니다. 현재 Lin의 연구실에서는 고속 충전, 저비용, 장수명 및 환경 친화적인 전극 아키텍처를 만들기 위해 배터리 전극을 재설계하는 작업을 진행하고 있습니다.

이미지 출처: 펑린

“전극 구조를 통해 각 개별 입자가 전기 신호에 빠르게 반응할 수 있게 되면 배터리를 빠르게 충전할 수 있는 훌륭한 도구 상자를 갖게 될 것입니다.”라고 Lin은 말했습니다. “차세대 저가형 고속 충전 배터리를 이해할 수 있게 되어 기쁘게 생각합니다. ”

이번 연구는 미국 에너지부 산하 SLAC 국립가속기연구소, 퍼듀대학교, 유럽 싱크로트론 방사선 시설과 공동으로 수행됐다. Lin 연구실의 박사후 연구원인 Zhengrui Xu와 Dong Ho도 논문의 공동 저자로서 전극 제조, 배터리 제조 및 배터리 성능 측정을 주도하고 X선 실험 및 데이터 분석을 지원합니다.

스탠포드 싱크로트론 방사선 광원(SSRL) 연구원이자 SLAC 과학자 Yijin Liu는 "기본 빌딩 블록은 배터리 전극을 구성하는 입자이지만 규모가 확대되면 이러한 입자가 서로 상호 작용합니다"라고 말했습니다. “더 나은 배터리를 만들고 싶다면 입자를 어떻게 결합하는지 알아야 합니다.”

연구의 일환으로 Lin, Liu 및 다른 동료들은 컴퓨터 비전 기술을 사용하여 충전식 배터리의 전극을 구성하는 개별 입자가 시간이 지남에 따라 어떻게 분해되는지 연구했습니다. 이번 목표는 개별 입자뿐만 아니라 배터리 수명을 연장하거나 줄이기 위해 함께 작동하는 방식도 연구하는 것입니다. 궁극적인 목표는 배터리 설계의 수명을 연장하는 새로운 방법을 배우는 것입니다.

연구의 일환으로 연구팀은 X선을 이용해 배터리 음극을 연구했습니다. 그들은 다양한 충전 주기 후에 배터리 음극의 3D 사진을 재구성하기 위해 X선 단층촬영을 사용했습니다. 그런 다음 이 3D 사진을 일련의 2D 조각으로 자르고 컴퓨터 비전 방법을 사용하여 입자를 식별했습니다. 연구에는 Lin과 Liu 외에도 SSRL 박사후 연구원 Jizhou Li, Purdue University 기계 공학 교수 Keije Zhao 및 Purdue University 대학원생 Nikhil Sharma가 포함되었습니다.

연구진은 최종적으로 2,000개 이상의 개별 입자를 식별했으며, 크기, 모양, 표면 거칠기 등 개별 입자의 특성뿐만 아니라 입자가 서로 직접 접촉하는 빈도, 입자의 모양이 얼마나 변했는지 등의 특성도 계산했습니다.

다음으로, 각 특성이 어떻게 입자를 분해하는지 살펴보았고, 10번의 충전 주기 후에 가장 큰 요인은 입자의 구형 정도, 표면적에 대한 입자 부피의 비율을 포함한 개별 입자의 특성이라는 사실을 발견했습니다. 그러나 50주기 후에는 두 입자가 얼마나 멀리 떨어져 있는지, 모양이 얼마나 변했는지, 더 길쭉한 축구공 모양의 입자가 유사한 방향을 가지고 있는지 여부와 같은 페어링 및 그룹 특성이 입자 분해를 주도했습니다.

Liu는 “그 이유는 더 이상 입자 자체가 아니라 입자-입자 상호 작용 때문입니다.”라고 말했습니다. 이 발견은 제조업체가 이러한 특성을 제어하는 ​​기술을 개발할 수 있다는 것을 의미하므로 중요합니다. 예를 들어, 자기장이나 전기장을 사용하여 길쭉한 입자를 서로 정렬할 수 있으며, 최근 연구 결과에 따르면 이것이 배터리 수명을 연장할 수 있음을 시사합니다.”

Lin은 다음과 같이 덧붙였습니다. “우리는 고속 충전 및 저온 조건에서 EV 배터리가 효율적으로 작동하도록 하는 방법을 집중적으로 연구해 왔습니다. 우리 연구실에서는 보다 저렴하고 풍부한 원자재를 사용하여 배터리 비용을 절감할 수 있는 신소재를 설계하는 것 외에도 평형을 벗어난 배터리 거동을 이해하려는 노력도 지속적으로 이루어져 왔습니다. 우리는 배터리 소재와 가혹한 환경에 대한 반응을 연구하기 시작했습니다.”