아르곤 국립 연구소, 리튬-황 배터리 성능 향상

더 가볍고, 더 작고, 더 강력하고, 더 저렴한 배터리에 대한 연구가 전 세계 연구 기관에서 진행되고 있습니다. 일리노이주의 아르곤국립연구소(Argonne National Lab)가 그 중 하나입니다. 많은 연구 프로젝트 중 하나는 더 나은 리튬-황 배터리를 만드는 방법을 조사하는 것입니다.

왜 귀찮게? 유황은 값싸고 풍부하기 때문입니다(보통 두 가지가 함께 사용됩니다). 배터리 비용을 줄이는 것이 보다 저렴한 전기 자동차를 제조하는 열쇠 중 하나가 될 것입니다. 또한 주어진 공간에서 2~3배 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 이는 현재 배터리와 동일한 범위를 제공하는 더 긴 범위 및/또는 더 작은 배터리 팩을 의미합니다.

또 다른 장점은 황을 사용하면 오늘날 전기 자동차와 그리드 규모 에너지 저장 시스템에 전력을 공급하는 데 사용되는 배터리에 코발트나 니켈이 필요하지 않다는 것입니다. 이러한 물질에 대한 탐구는 이를 채굴하는 데 드는 사회적 비용에 대한 우려를 불러일으켰습니다. 혼합물에서 코발트와 니켈을 제거하면 이러한 우려가 사라집니다.

그렇다면 리튬-황 배터리가 일반적으로 사용되지 않는 이유는 무엇입니까? 왜냐하면 실험실에서는 잘 작동하지만 실제 세계에서는 몇 번의 충전/방전 주기 후에 실패하는 괴로운 경향이 있기 때문입니다. 아르곤 국립 연구소(Argonne National Lab)의 연구원들은 이 문제를 해결할 수 있을 것이라고 말합니다. 어떤 맥락에서 아르곤 대학의 연구가 10년 동안 진행되어 왔다는 점을 이해하십시오. 이러한 일에는 시간이 걸리며 지구 온난화라는 요정을 다시 병에 담기를 원한다면 시간은 우리 인간이 거의 갖지 못하는 것 중 하나입니다.

이러한 성능 저하의 근본 원인은 방전 중에 음극에서 황이 용해되어 가용성 폴리황화물 리튬(Li2S6)이 형성된다는 점입니다. 이러한 화합물은 충전 중에 리튬 금속 음극(양극)으로 유입되어 문제를 더욱 악화시킵니다. 결과적으로, 음극에서 황이 손실되고 양극 구성이 변경되어 사이클링 중 배터리 성능이 크게 저하됩니다. 아르곤 라고.

최근 아르곤 과학자들은 황 음극에 소량을 첨가하면 황 손실 문제를 본질적으로 제거하는 촉매 물질을 개발했습니다. 이 촉매는 실험실 및 상업용 크기 셀 모두에서 가능성을 보였지만 원자 규모에서 작동하는 방식은 지금까지 수수께끼로 남아 있었습니다. 추가 연구는 그 과정을 설명하는 데 도움이 되었습니다. 이러한 연구 결과는 9월 6일자 저널에 게재되었습니다. 자연.

촉매가 없으면 리튬 폴리설파이드가 캐소드 표면에 형성되고 일련의 반응을 거쳐 궁극적으로 캐소드가 황화리튬(Li2S)으로 전환됩니다. “그러나 음극에 소량의 촉매가 존재하면 모든 차이가 발생합니다.”라고 말했습니다. ​”중간 반응 단계가 없는 매우 다양한 반응 경로가 이어집니다.”

핵심은 촉매 없이는 나타나지 않는 양극 표면에 조밀한 나노 크기의 리튬 폴리설파이드 기포가 형성된다는 것입니다. 이러한 폴리황화리튬은 방전 중에 양극 구조 전체에 빠르게 확산되어 나노크기 결정으로 구성된 황화리튬으로 변환됩니다. 이 공정은 상업용 크기 셀의 황 손실과 성능 저하를 방지합니다.

필요한 답을 얻기 위해 과학자들은 고급 특성화 기술을 사용했습니다. DOE Office of Science 사용자 시설인 Advanced Photon Source에서 강렬한 싱크로트론 X선 빔을 사용하여 촉매 구조를 분석한 결과 촉매가 반응 경로에서 중요한 역할을 한다는 사실이 밝혀졌습니다. 촉매 구조는 방전 시 최종 제품은 물론 중간 제품의 형태와 구성에도 영향을 미칩니다. 촉매를 사용하면 완전 방전 시 나노결정질 황화리튬이 형성됩니다. 촉매가 없으면 대신 마이크로 크기의 막대 모양 구조가 형성됩니다.

리튬-황 연구는 글로벌하다

리튬-황 배터리가 전성기를 누리기까지는 얼마나 걸릴까요? 누가 알아? 몇 달, 몇 년, 심지어 수십 년이 될 수도 있습니다. 여기서 중요한 교훈 중 하나는 연구가 진공 상태에서 진행되지 않는다는 것입니다.

수석 연구원인 Gui-Liang Xu 외에도 Shiyuan Zhou, Jie Shi, Sangui Liu, Gen Li, Fei Pei, Youhu Chen, Junxian Deng, Qizheng Zheng, Jiayi Li, Chen Zhao, Inhui Hwang, Cheng-Jun이 포함되었습니다. Sun, Yuzi Liu, Yu Deng, Ling Huang, Yu Qiao, Jian-Feng Chen, Khalil Amine, Shi-Gang Sun 및 Hong-Gang Liao. 그 목록에는 Smiths and Joneses가 많지 않죠?

아르곤국립연구소 외에 샤먼대학교, 베이징화공대학교, 난징대학교 등이 참여 기관으로 참여하고 있다. 마지막 세 곳은 현재 미국과 다소 냉담한 관계를 맺고 있는 중국에 위치하고 있습니다. 많은 미국인들은 중국이 국가를 파괴하고 철권으로 세계를 지배할 수 있는 새로운 러시아라고 믿고 있습니다. 어쩌면 시진핑이 나키타 흐루시초프의 환생일까요?

단순한 진실은 과열된 행성의 위기가 마음에 들지 않으며 정치에 덜 관심을 가질 수 있다는 것입니다. 그것은 우리가 현재로서는 어렴풋이 이해할 수 있는 방식으로 우리가 알고 있는 지구상의 삶을 뒤집어 놓을 것입니다. 기후 변화로 인한 피해를 제한하기 위해 재생 에너지로 모든 것을 전기화하려면 배터리 저장이 매우 중요합니다. 미국 혁명의 대사를 빌리자면, “우리는 모두 함께 살아야 합니다. 그렇지 않으면 우리는 모두 따로 떨어져야 합니다.”

과학을 말하다

언어는 지식을 전파하는 데 장애가 될 수 있습니다. 어느 날 난해한 기술 혁신에 대한 과학자들의 증언을 들었던 두 명의 상원의원(공화당 의원과 한 명의 민주당 의원)에 대한 도시 전설이 있습니다. 마지막에 한 사람이 다른 사람을 돌아보며 말했습니다. “이것 좀 이해하셨나요?” 그의 동료는 “아니요. 한 마디도 안 해요.”

위에서 논의된 내용은 아르곤 국립 연구소의 이 연구를 과학자가 아닌 사람들도 접근할 수 있도록 하기 위한 것입니다. 에 발표된 논문의 초록 자연 오히려 해독하기가 어렵습니다.

높은 에너지 밀도(2,600Wh/kg)와 저렴한 비용의 이점을 지닌 리튬-황(Li-S) 배터리는 고급 에너지 저장 시스템의 유망한 후보로 간주됩니다. 리튬 폴리설파이드의 오랜 셔틀 효과를 억제하려는 엄청난 노력에도 불구하고 나노 규모에서 리튬 폴리설파이드의 계면 반응에 대한 이해는 여전히 어렵습니다. 이는 주로 의 한계 때문입니다. 현장에서 높은 시간-공간 분해능에서 불안정한 폴리황화리튬의 액체-고체 전환을 추적하는 특성화 도구입니다.

Li-S 배터리 내부의 결합 현상, 특히 리튬 폴리설파이드의 동적 분포, 응집, 증착 및 용해를 이해하는 것이 시급합니다. 여기에서는 현장 액체 셀 전기화학 투과 전자 현미경을 사용하여 원자 규모에서 전극 표면 위의 리튬 폴리설파이드의 변환을 직접 시각화했습니다.

특히, 리튬 폴리설파이드의 예상치 못한 집합 유도 집단 전하 이동이 나노클러스터 활성 중심 고정 표면에 포착되었습니다. 이는 또한 리튬 폴리설파이드의 조밀한 액체상으로부터 비평형 Li2S 나노결정의 순간 증착을 유도했습니다. 활성 중심의 중재 없이 반응은 고전적인 단일 분자 경로, 즉 리튬 폴리설파이드가 Li2S2 및 Li2S로 단계적으로 전환되는 방식을 따랐습니다.

분자 역학 시뮬레이션은 활성 중심과 리튬 폴리설파이드 사이의 장거리 정전기 상호 작용이 Li+ 및 Sn2-(2 < n ≤ 6)로 구성된 조밀한 상의 형성을 촉진하고 조밀한 상의 집단 전하 이동이 다음과 같이 추가로 검증되었음을 나타냅니다. 처음부터 분자 역학 시뮬레이션. 집단적 계면 반응 경로는 새로운 변환 메커니즘을 공개하고 Li-S 배터리에 대한 근본적인 이해를 심화시킵니다.

에너지 밀도가 최대 2,600Wh/kg에 달하는 리튬-황 배터리는 지구상의 모든 인간에게 영향을 미칠 수 있는 방식으로 배터리 저장 장치를 변화시킬 것이라고만 말하면 충분합니다. 새로운 기술이 실험실에서 상업 생산으로 전환되는 데 걸리는 일반적인 시간은 10년입니다. 이는 세계 초강대국이 그 전에 우리 모두를 산산조각 내지 않았다면 약 2034년에 리튬 황 배터리를 장착한 최초의 자동차와 트럭을 볼 수 있다는 것을 의미합니다. .