미주리 대학의 4D STEM 혁신: 고체 배터리 효율성 향상

요즘은 솔리드 스테이트 배터리가 주목을 받고 있습니다. 가전제품과 전기 자동차에서 꾸준히 인기를 얻고 있으며, 2022년에는 글로벌 솔리드 스테이트 배터리 시장에서 가장 큰 점유율을 차지할 것입니다.

연구원들은 EV 부문의 고체 배터리 응용 분야가 향후 10년 동안 기하급수적으로 성장하여 시장 규모가 4.3에 의한 US $ 2032 billion. 고체 전지가 사용되는 데에는 이유가 있습니다. 준비되어있다 기하급수적 성장을 위해. 본질적으로, 그들은 리튬 이온 기술에서 사용되는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 배터리 기술을 말합니다. 

고체 전지는 양극, 분리막, 양극으로 구성됩니다. 양극은 만들어지다 리튬 이온 배터리와 동일한 화합물을 함유하고 있습니다. 반면, 분리막은 일반적으로 만들어진다 세라믹 또는 고체 폴리머로 전해질 역할도 합니다. 양극 만들어졌다 리튬 금속의. 

충전 시, 이러한 배터리 내부의 리튬 입자는 양극에서 분리막의 원자 구조와 음극의 전기적 접촉을 통해 이동하여 순수한 리튬 고체 층을 형성합니다. 이 공정을 통해 음극은 리튬 입자로만 구성되고 흑연 구조를 가진 리튬 이온 기술 음극보다 부피가 작아집니다. 

이러한 배터리는 아직 개발 단계에 있습니다, 그들은 더 큰 에너지 밀도, 더 긴 수명, 향상된 안전성, 더 작은 크기를 포함하여 현재 배터리에 비해 여러 가지 개선 사항을 약속합니다. 고체 배터리가 제공하는 유망한 전망은 과학자들이 더 탐구하고 무엇을 볼 수 있는지 볼 수 있는 매력적인 공간이 되었습니다. 완료 그것에.

미네소타 대학의 연구에 대한 최근 보도 자료에 따르면 연구자들은 "고체 배터리의 코드 해독.” 다음 부분에서는 이러한 엄청난 주장을 뒷받침하는 이유를 살펴보겠습니다. 

미네소타 대학 연구자들이 이룬 성과

이해라는 제목의 연구 4D-STEM을 통한 고체 리튬 이온 배터리의 양극-전해질 계면 형성¹, SS-LIB 조립이 필요하지 않은 4D-주사 투과 전자 현미경(4D-STEM)을 사용하여 음극-전해질 계면(CEI) 형성을 연구하는 간단한 작업 흐름을 보여줍니다.

고체 리튬 이온 배터리의 고체 전해질과 양극 활성 물질 사이의 접촉 지점에서 계면층이 형성되어 셀 임피던스가 증가합니다. 연구자들은 SS-LIB 조립의 필요성을 제거하고 화학적 탈리튬화제로서 MoCl5:EtOH의 이점과 화학적으로 탈리튬화된 양극 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NMC) 분말을 Li10GeP2S12(LGPS) SE 분말과 접촉시켜 SS-LIB CEI 대용품으로 사용하는 것을 보여줍니다.

연구원들은 4D-STEM, 에너지 분산 X선 분광법(EDS)을 사용하여 CEI 층의 구성 및 구조를 매핑했습니다. 전자쌍 분포 함수 분석 (ePDF). 그들의 연구 결과는 음이온 수송을 차단하고 리튬 이온과 전자 수송을 허용하는 코팅이 계면 형성을 방지하고 SS-LIB의 임피던스를 줄일 수 있음을 시사합니다. 

영은 코팅의 특성을 설명하면서 다음과 같이 말했습니다.

"코팅은 반응을 방지하기에 충분히 얇아야 하지만 리튬 이온 흐름을 차단할 정도로 두꺼워서는 안 됩니다. 우리는 고체 전해질과 양극 재료의 고성능 특성을 유지하는 것을 목표로 합니다. 우리의 목표는 호환성을 위해 성능을 희생하지 않고 이러한 재료를 함께 사용하는 것입니다."

이 모든 것이 너무 기술적으로 들릴지 모르지만, 연구 성과와 관련하여 이해하기 쉬운 관점이 있습니다.

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액체 전해질 문제 처리

리튬 이온 배터리는 액체 전해질에 의존하는데, 손상되거나 과열되면 화재가 발생할 수 있습니다. 미주리 대학 연구자들은 액체 또는 젤 전해질을 고체 전해질로 대체하는 효율적인 기술을 개발하여 이 문제를 해결했습니다.

미주리 대학교 공과대학과 예술과학대학에서 겸임 교수로 재직 중인 마티아스 영 조교수는 자신의 솔루션이 어떻게 작동하는지 설명하면서 다음과 같이 말했습니다.

고체 전해질이 양극에 닿으면 반응하여 약 100나노미터 두께의 계면층을 형성하는데, 이는 머리카락 한 가닥의 굵기보다 1,000배나 얇습니다. 이 층은 리튬 이온과 전자의 원활한 이동을 방해하여 저항을 증가시키고 배터리 성능을 저하시킵니다.

가장 중요한 혁신

그러나 연구팀의 가장 중요한 업적은 4차원 주사 투과 전자 현미경(XNUMXD STEM)을 활용한 것입니다. 이 혁신적인 기술은 배터리를 분해하지 않고도 원자 구조를 관찰할 수 있다는 점에서 의미가 컸습니다. 이를 통해 배터리 내부의 화학 반응을 근본적으로 이해하고 계면층이 초래하는 손상의 정도를 파악할 수 있었습니다. 

이러한 배터리의 잠재적 사용자의 관점에서 볼 때, 이 연구와 그 의미는 엄청난 잠재력을 갖고 있습니다. 

예상되는 실제적 이점

글로벌 자동차 제조업체들은 고체 배터리에 대해 더 큰 안전성과 열 안정성을 제공하기 때문에 흥분하고 있습니다. 방금 논의한 연구는 그 방향으로의 획기적인 진전이며, 엄청나게 의미 있는 진전입니다. 게다가 이 연구는 안전성, 성능, 배터리 수명, 비용 및 환경적 영향의 개선으로 이어질 수 있습니다. 

전 세계의 배터리 과학자들은 이러한 연구의 결과로 등장할 새로운 종류의 고체 배터리가 결국 기존 리튬 이온의 두 가지 주요 단점을 극복할 것이라고 낙관하고 있습니다. 니켈이 풍부한 양극은 배터리 산업이 양극에서 코발트를 덜 사용할 수 있게 해줄 것입니다. 둘째, 고체 화학은 배터리 제조업체가 양극에서 리튬 금속을 사용할 수 있게 해줄 것입니다.

첫 번째 요인은 이 부문의 성장에 결정적입니다. 코발트는 희소하고 비싸며 채굴하기 어렵기 때문입니다. 채굴법이 약한 국가에서 나옵니다. 연구자들은 양극에서 리튬을 사용하는 범위가 에너지 밀도를 높이고 안전성을 증진하기 때문에 중요하다고 생각합니다.

리튬 금속의 사용에 대해 말하자면, 헬레나 브라가포르투갈 포르투 대학의 공학물리학 조교수이자 유명한 연구원이기도 합니다. 노벨상 수상자 존 구너 로프 10년 전 고체 전지에 대해 다음과 같이 말했습니다.

"이것이 우리가 처음에 이 (고체) 여정을 시작한 이유입니다. 리튬 금속을 사용할 수 있기 때문입니다."

이 기술과 연구 기반 기법을 모두 적용하면 향상된 성능과 안전성을 갖춘 개선된 배터리 설계가 가능해져, 향후 3~7년 내에 가전제품과 전기자동차에 영향을 미칠 가능성이 있습니다.

그러나 이러한 연구의 실제 가치는 고체 배터리를 제조하는 회사와 사업체가 이를 얼마나 성공적으로 채택하고 규모를 확대하느냐에 달려 있습니다. 다음 세그먼트에서는 그러한 회사 중 하나를 논의합니다. 솔리드파워(주) (SLDP )전고체 배터리 기술을 전문으로 하며, 보다 안전하고 효율적인 에너지 저장 솔루션에 중점을 두고 있습니다.

솔리드파워(주) (SLDP ) 

Solid Power는 자체 공급업체로 자리매김하고 있습니다. 전고체전지 셀 기술 오늘날의 기존 액체 기반 리튬 이온 기술과 차세대 하이브리드 셀에 비해 높은 에너지, 향상된 안전성, 긴 수명, 비용 절감 등 주요 개선 사항을 제공합니다. 

솔리드 파워의 배터리는 고함량 실리콘 및 리튬 금속과 같은 고용량 전극을 사용하여 고에너지 성능을 달성합니다. 반응성 및 휘발성 액체 및 겔 구성 요소를 제거하여 안전성을 높였습니다. 결과적으로 극한의 고온에서도 견딜 수 있고, 뛰어난 성능을 발휘합니다. 솔리드 파워는 자사 배터리가 기존 리튬 이온 배터리보다 팩 수준에서 15~35%의 비용 절감 효과를 제공할 수 있다고 확신합니다. 

다음 부분에서는 Solid Power의 세 가지 고체 배터리 종류에 대해 살펴보겠습니다. 

실리콘 EV 셀 

이 셀은 높은 충전 속도와 낮은 온도 기능을 제공하는 고함량 실리콘 애노드와 함께 제공됩니다. 이 배터리 전원이 공급됩니다 회사 고유의 황화물 기반 고체 전해질을 사용합니다. 마지막으로, NMC 양극재는 업계 표준을 충족하며 상업적으로 성숙 단계에 도달했습니다. 

리튬 금속

솔리드 파워 리튬 메탈 배터리는 리튬 메탈과 고에너지 애노드가 함께 제공됩니다. 이 배터리 범주 또한 전원이 공급됩니다 Solid Power의 독점적인 황화물 기반 고체 전해질과 산업 표준이며 상업적으로 성숙한 NMC 양극을 사용합니다. 

변환 반응 셀 

마지막으로, 리튬 금속, 고에너지 양극, 황화물 기반 고체 전해질, 초저가, 높은 비에너지 변환형 양극을 갖춘 전환 반응 전지 범주의 배터리에 대해 알아보겠습니다. 

솔리드 파워의 배터리 기술은 황화물 기반 고체 전해질을 가장 강력한 기반 중 하나로 사용합니다. 이 기술은 기존 리튬 이온 배터리에서 가연성 액체 전해질과 폴리머 분리막 층을 완전히 제거합니다. 그리고 대체합니다 얇지만 양극과 음극이 서로 닿지 않도록 장벽 역할을 하는 단단한 층으로 구성되어 있어 배터리가 단락되지 않습니다. 또한 전도성 전해질 역할도 합니다. Solid Power의 황화물 기반 고체 전해질은 전도성, 제조성 및 셀 수준 성능의 최상의 조합을 제공합니다. 

솔리드 파워의 핵심 황화물 기반 고체 전해질 기술은 지구상에 풍부한 재료를 사용합니다. 회사는 800,000년까지 자사의 전고체 배터리 셀을 통해 연간 2028만 대의 전기차에 동력을 공급할 수 있도록 전해질 생산량을 확대할 계획입니다.

SLDP: 최신 업데이트

2024년 XNUMX월, Solid Power는 2025년까지 Ford와의 파트너십 연장. 공동 개발 계약의 세 번째 개정안은 Solid Power와 Ford가 전기 자동차 배터리 성능의 경계를 넓히려는 지속적인 노력을 반영했습니다. 

보도에 따르면, 솔리드 파워는 이번 파트너십 연장을 고체 배터리 기술 상용화를 향한 중요한 진전으로 평가했습니다. 세계적인 자동차 제조업체인 포드와의 파트너십 연장은 솔리드 파워의 기술이 자동차 산업에 미칠 수 있는 잠재적 영향을 강조했습니다.

2025년 XNUMX월에 회사는 미국 에너지부와의 중요한 재정 협정 (DOE). 이 회사는 차세대 배터리에 필수적인 황화물 기반 고체 전해질 소재의 생산 능력을 강화하기 위해 최대 50만 달러의 자금을 확보했다고 발표했습니다.

자금은 1년 2025월 60일부터 발효되는 지원 계약의 일부로 제공되었으며, 이는 Solid Power가 비용 분담 계약의 일환으로 XNUMX만 달러를 기부한다는 것을 규정했습니다. 투자 목표로 삼았다 연속 생산에 필요한 장비의 설치를 지원하는데 있어서, 예상된다 회사의 제조 규모를 강화하기 위해서입니다.

계약의 일환으로 Solid Power 필요했다 특정 보고 요건 및 규정 준수 의무를 준수해야 합니다. 에너지부(DOE)의 지원은 저탄소 경제로의 전환에 필수적인 에너지 저장 및 전기 자동차용 배터리 기술 발전의 중요성을 강조했습니다.

미국 에너지부와 회사의 협력은 고체 배터리의 상용화를 가속화하는 전략적 단계였으며, 고체 배터리는 기존 리튬 이온 배터리에 비해 더 높은 에너지 밀도, 향상된 안전성, 더 긴 수명을 약속합니다.

금융적인 면에서는 솔리드 파워는 20.1만 달러를 전달했습니다. 2024년 매출은 2.7년 대비 2023만 달러 증가했습니다. 운영 비용은 125.5년 2024억 108.0만 달러에서 2023년 2024억 105.3만 달러로 증가했는데, 이는 전해질 및 셀 설계 성능 개선, 전해질 생산, SK On 계약을 지원하는 장비 구매, 한국 사업 설립을 포함한 운영 확장을 위한 연구 개발 비용 증가에 따른 것입니다. 96.5년 운영 손실은 0.54억 XNUMX만 달러였고 순손실은 XNUMX만 달러 또는 주당 XNUMX달러였습니다.

"2025년에 Solid Power는 셀 개발팀의 피드백을 통해 전해질 성능을 개선하고, 파트너 요구 사항과 고객 요청을 실행하고, 전해질과 셀 기술 모두에서 혁신을 지속하고, 개발과 역량에 전략적으로 투자하는 동시에 재무 규율을 유지함으로써 ASSB 기술 개발을 계속 추진할 것입니다."

– Solid Power의 사장 겸 최고경영자인 John Van Scoter

고체 배터리: 미래를 바라보다

고체 배터리의 미래는 혁신 잠재력이 가득한 흥미로운 것으로 보입니다. 예를 들어, 2024년에 하버드 존 A. 폴슨 공학 및 응용 과학 대학(SEAS)의 연구자들은 새로운 리튬 금속 배터리를 개발했습니다. 그 수 청구되다 그리고 최소 6,000번 이상 방전이 가능하며, 이는 다른 파우치형 배터리 셀보다 더 많은 횟수이고, 몇 분 안에 재충전이 가능합니다.

SEAS 재료 과학과 조교수이자 Nature Materials에 게재된 연구 내용을 자세히 설명한 논문의 수석 저자인 Xin Li에 따르면,

“리튬 금속 양극 전지 고려된다 배터리의 성배로 불릴 만한데, 상업용 흑연 양극보다 용량이 10배나 크고 전기 자동차의 주행 거리를 획기적으로 늘릴 수 있기 때문입니다."

Li와 그의 팀은 연구에서 양극에서 미크론 크기의 실리콘 입자를 사용하여 리튬화 반응을 제한하고 두꺼운 리튬 금속 층의 균일한 도금을 용이하게 함으로써 수지상 형성을 중단했습니다. 충전 중에 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동했을 때 리튬화 반응 수축되었다 얕은 표면에서 이온들은 더 이상 침투하지 않고 실리콘 입자의 표면에 부착되었습니다. 

"우리의 디자인에서는 리튬 금속이 실리콘 입자 주위에 감겨 있습니다. 마치 초콜릿 트러플의 헤이즐넛 코어 주위에 단단한 초콜릿 껍질이 있는 것과 같습니다."

– 리

코팅된 입자는 균일한 표면을 형성하여 전류 밀도의 균일한 분포를 보장하고 수지상 성장을 방지했습니다. 그리고 도금과 스트리핑이 균일한 표면에서 빠르게 이루어질 수 있기 때문에 배터리는 약 10분 만에 재충전될 수 있었습니다. 

연구자들은 대부분 대학 연구실에서 만든 코인 셀보다 10~20배 더 큰 우표 크기의 파우치 셀 버전의 배터리를 개발했습니다. 배터리는 80회 사이클 후에도 용량의 6,000%를 유지하여 같은 리그에 속하는 다른 파우치 셀 배터리보다 성능이 우수했습니다. 이 과정에서 연구자들은 다음과 같은 수십 가지의 다른 물질을 발견했습니다. 잠재적으로 비슷한 성능을 보입니다. 리에 따르면:

"이전 연구에서는 은을 포함한 다른 재료가 고체 배터리의 양극에서 좋은 재료로 사용될 수 있다는 것을 발견했습니다."

이 과정을 보편화하기 위해 연구진은 논문을 발표했습니다. 전고체 배터리 셀 성능의 재현성 벤치마킹.² 연구원들은 다음을 관찰했습니다. 전고체 배터리 셀 사이클 성능의 실험실 간 비교 가능성 및 재현성은 제대로 이해되지 않았습니다. 표준화된 설정 및 조립 매개변수가 부족하기 때문입니다.

연구자들은 모든 고체 배터리 사이클 결과를 보고하기 위한 매개변수 세트를 제안했고, 데이터를 2.5부로 보고할 것을 주장했습니다. 예를 들어, Li+/Li에 대한 초기 개방 회로 전압 2.7 및 XNUMXV는 이러한 전기 활성 물질을 사용하는 셀의 성공적인 사이클을 예측하는 좋은 지표였습니다.

고체 배터리 제조의 표준화는 그 사용성이 다양하기 때문에 매우 중요합니다. EV 제조업체는 효율적인 고체 배터리 개발에 가장 관심이 있지만, NASA 연구원들은 진전이 있었다고 보고했습니다. 오늘날 자동차와 대형 전자제품에 일반적으로 사용되는 배터리보다 더 가볍고, 더 안전하며, 성능이 더 뛰어난 혁신적인 배터리 팩을 개발했습니다. 

NASA 연구원들은 혁신적인 신소재를 실험했습니다. 아직 사용되지 않았습니다 배터리에서. 이 팀은 고체 상태 아키텍처를 통해 배터리 구조와 패키징을 변경하여 무게를 줄이는 동시에 에너지 저장 용량을 늘릴 수 있다는 사실을 일찍 깨달았습니다. 그들은 고체 상태 배터리가 킬로그램당 500와트시의 엄청난 용량으로 물체에 전력을 공급할 수 있다는 것을 보여주었습니다. 이는 전기 자동차의 두 배입니다.

“이 설계는 배터리 무게를 30~40% 줄일 뿐만 아니라 저장할 수 있는 에너지를 두 배 또는 세 배로 늘릴 수 있게 해주어 기존 리튬 이온 배터리의 성능을 훨씬 뛰어넘습니다. 고려된다 최첨단이 되다.”

– Rocco Viggiano, SABERS 수석 조사관

SABERS는 NASA의 지정 활동인 '향상된 재충전성과 안전성을 위한 고체 구조 배터리'의 약자입니다.

이름에서 알 수 있듯이, 고체 배터리의 미래는 빠른 재충전성과 안전성이라는 측면에서 번창할 것입니다. 제조업체는 점점 더 안전하지 않은 프로세스 없이 더 빠르게 재충전되는 배터리를 개발하려고 할 것입니다.

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