다공성 나노 탄소막으로 리튬 배터리 수명 연장

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-06-19 11:37:05
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* 문제 : 몇 번의 충전 사이클 후에 금속 리튬이 바늘 모양의 뾰족한 형태로 양극에 증착
* 이 수상 돌기는 전극 사이의 분리막 관통해 단락을 일으킬 정도로 성장, 떨어져 막힘 형성
* 나노 미터 두께의 다공성 탄소 막을 일종의 필터처럼 분리막에 적용
* 수백 번의 충전/방전 사이클 후 수지상 성장을 감지할 수 없었다.

리튬 메탈 배터리 수명 연장
다공성 나노 막은 파괴적인 수상(樹狀) 돌기 형성을 방지한다.


수상 돌기에 대한 나노 필터 :
과학자들이 리튬 금속 배터리에서 파괴적인 리튬-바늘의 형성을 방지하고 에너지 밀도가 높은 이런 배터리의 수명을 크게 연장할 수 있는 새로운 방법을 발견했다. 이를 위해 나노 미터 두께의 다공성 탄소 막을 일종의 필터처럼 분리막에 적용한다. 이것은 리튬 이온의 흐름을 균질화하고 바늘 모양의 수상 돌기의 성장을 방지한다. 

▲ 다공성 탄소 나노 막은 리튬 금속 배터리의 수명을 연장할 수 있다. © Sathish Rajendran / WSU

리튬 이온 배터리는 여전히 모바일 전원 공급 장치의 핵심이다.
그러나 전기 이동성을 포함해 한계에 도달하는 요구 사항이 있다. 그들의 에너지 밀도는 가볍고 컴팩트한 차량 배터리로 장거리를 운행하기에 충분하지 않다. 이것이 전 세계 연구자들이 더 강력한 대안을 찾는 이유 중 하나다. 리튬 원소 기반 배터리 외에도 리튬-메탈 배터리도 후보로 간주 된다. 여기에서 양극은 흑연이 아니라 금속 리튬으로 만들어진다.

파괴적인 바늘

문제는 리튬 메탈 배터리의 에너지 밀도가 두 배가 되지만 충전이 거의 불가능하다는 것이다. 몇 번의 충전 사이클 후에 금속 리튬이 바늘 모양의 뾰족한 형태로 양극에 증착된다. 이 수상 돌기는 전극 사이의 분리막을 관통해 단락을 일으킬 정도로 성장한다. 수상 돌기 조각도 떨어져서 막힘을 형성할 수 있다. 둘 다 배터리를 파괴한다.

디트로이트(Detroit)에 있는 웨인 주립대학(Wayne State University)의 새티쉬 라젠드란(Sathish Rajendran)과 독일 예나(Jena) 대학의 안드레이 투르카닌(Andrey Turchanin)이 이끄는 팀이 수상 돌기 형성에 대한 해결책을 찾았음에 틀림없다. 알고 있듯이 분리막은 수상 돌기에 결정적인 역할을 한다. 멤브레인의 기공이 비교적 크고 불규칙하면 리튬 이온이 불균일하게 유입되어 수상 돌기의 빠른 성장을 촉진한다.
▲ Fig 3. a) Cu 포일상의 Li 전착 공정의 개략도, b – e) b, c) Celgard 분리기 및 d, e) CNM / Celgard 분리기를 사용하여 Cu 호일에 1 mAh cm − 2 동안 전착 된 Li의 FE-SEM 이미지.(출처:관련논문)

나노 필터는 이온 흐름을 균질화한다.

이를 방지하기 위해 연구팀은 분리막용 필터 유형을 개발했다.
"우리는 분리막에 극도로 얇은 2차원 탄소 막을 적용했으며, 그 기공은 직경이 1nm(나노미터) 미만이다"고 Turchanin은 설명한다. 이 막은 두께가 1.2nm에 불과하고 평균 기공 크기가 0.7nm이다. "이 작은 구멍은 임계 입자 크기보다 작아서 수상 돌기의 성장을 유발하는 핵 생성을 방지한다."

분리기에 탄소 막을 적용하는 것은 정상적인 생산 공정에 통합될 수 있다.
Wayne State University의 선임 저자 리라 모하나 레디 아라바(Leela Mohana Reddy Arava)는 "여기에서 핵심적인 혁신은 현재 배터리 제조 공정을 변경하지 않는 초박막 멤브레인으로 전극-전해질 인터페이스의 안정화다"고 말했다. 배터리의 기능도 손상되지 않는다.

수명이 크게 연장됐다.

첫 번째 테스트에서 연구팀은 이온이 추가 나노 막이 있거나 없는 기존의 Celgard-분리막을 통과한 후 리튬 침전물을 비교했다.
▲ 크기 a) 100, b) 50, c) 25nm의 채널을 사용한 이온 수송 및 수상 돌기 성장 시뮬레이션. 이온 수송 (5 µm2 s-1) 및 반응 속도 (30 µm s-1)는 각 시뮬레이션. 회색 영역은 이온 수송에 참여하지 않는 채널 벽이다. d) Celgard 분리기를 사용한 세포에서의 Li 이온 수송 및 e) CNM / Celgard 분리기를 사용한 세포에서의 조절된 이온 수송의 개략도. (출처: 관련논문 Fig. 4. Inhibition of Lithium Dendrite Formation in Lithium Metal Batteries via Regulated Cation Transport through Ultrathin Sub-Nanometer Porous Carbon Nanomembranes) First published: 17 June 2021

결과 :
막이 없으면 불규칙한 막대 모양의 침전물이 형성되어 수상 돌기의 전구체로 간주된다.
반면에 나노 막을 사용하면 증착이 훨씬 더 균일했다. "수지상 구조를 형성하는 대신 리튬이 양극에 매끄러운 필름으로 증착된다”고 Turchanin은 보고했다.

두 번째 실험에서 연구원들은 추가 멤브레인이 있거나 없는 전체 리튬 금속 배터리의 기능을 테스트했다. 여기에도 분명한 차이점이 있었다. 수상 돌기가 형성됐기 때문에 약 100회 충전 후에 기존 배터리의 성능이 급격히 떨어졌다. 결과적으로 용량은 그램 당 100에서 26mA(밀리 암페어)로 떨어졌다.

멤브레인이 있는 테스트 배터리와는 달랐다.
"수백 번의 충전 및 방전 사이클 후에도 우리는 수지상 성장을 감지할 수 없었다"고 Turchanin의 동료 안토니 조지(Antony George)는 보고했다. 그 결과, 배터리 용량은 400회 충전주기 동안 그램 당 96~69mA로 훨씬 더 느리게 떨어졌다.

새 배터리의 가능성

연구팀에 따르면 그들의 발견은 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 가진 차세대 리튬 배터리를 생산할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 라젠드란(Rajendran)은 "분리막에 있는 나노 미터 두께의 2차원 멤브레인이 배터리 수명에 차이를 만들 수 있는 정도는 놀랍다"고 말했다. 그와 그의 동료들은 이미 그들의 프로세스에 대한 특허를 신청했다.

다음으로 과학자들은 제조 공정에서 2차원 멤브레인의 최적 통합을 연구하고 나노 멤브레인이 다른 유형의 배터리도 최적화 할 수 있는지 여부를 테스트하려고 한다.
(Advanced Energy Materials, 2021; doi : 10.1002 / aenm.202100666)
출처 : Friedrich Schiller University Jena

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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