▲ Ju Li MIT배터리개발자

배터리 구조의 획기적인 발전은 오늘날 사용되는 것보다 훨씬 더 큰 에너지 밀도를 가진 리튬 배터리로 이어질 수 있다.

오늘날 과학자들이 리튬 전지의 성능을 향상시키고자 하는 많은 방법 중 하나는 액체 구성품을 고체 성분으로 바꾸는 것이다. 솔리드 스테이트 배터리로 알려진 이 실험 기기는 내부에 포장된 에너지 밀도를 크게 증가시켜 전기 차량 및 모바일 장치의 수명을 연장할 수 있다. MIT의 과학자들은 현재 설계의 일부 한계를 극복하는 새로운 유형의 솔리드 스테이트 배터리 아키텍처를 보여주면서 이 미래를 향한 흥미로운 진전을 보고하고 있다.

일반 리튬 배터리에서 액체 전해질은 배터리가 충전 및 방전될 때 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 왕복하는 매개체 역할을 한다.한 가지 문제는 이 액체가 휘발성이 강하며 때로는 삼성의 갤럭시 노트7 스마트폰을 괴롭혔던 것과 같이 배터리 발화를 일으킬 수 있다는 점이다.

이 액체 전해액을 고체 물질로 교체하면 배터리를 더 안전하게 만들고 화재 발생 가능성을 줄일 뿐 아니라 배터리의 다른 핵심 구성 요소에 새로운 가능성을 열어줄 수 있다.​ 화학 트렌드에 발표된 최근 연구에 따르면, 오늘날 리튬 배터리의 양극은 구리와 흑연을 혼합하여 만들어지지만, 이를 대신 순수 리튬으로 만든다면 "현재의 리튬 이온 화학의 에너지 밀도 병목 현상"을 타파할 수 있다고 한다.

따라서 순수한 리튬 양극의 거대한 잠재력은 배터리 연구자들 사이에서 높은 우선 순위를 차지하며, 이를 작동시킬 실행 가능한 고체 전해질의 도입이 그 핵심 발판이다. 하지만 여기에도 중대한 장애물이 있다. 배터리가 재충전되면서, 원자가 리튬 금속 내부에 축적되어 사용 중에 팽창하고 감소해 금속을 수축시킨다. 이는 물질 사이의 지속적인 접촉을 거의 불가능하게 만들고 전해질 파쇄를 초래할 수 있다.

이것은 MIT의 새로운 배터리 구조가 극복할 수 있는 문제다.​ 이 배터리 구조는 혼합 이온 전자 전도체(MIEC)와 전자리튬 이온 절연체(ELI)로 알려진 고체 물질의 조합을 포함한다. 이것들은 3차원 벌집 모양의 구조로 지어졌으며, MIEC로 만든 나노 크기의 튜브가 구조물의 중요한 부분을 형성한다.

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튜브들은 고체 리튬 금속을 주입하여 배터리의 양극을 형성한다.​ 그리고 각 튜브 내부에 여분의 공간이 있기 때문에 리튬 금속은 충전 및 방전 중에 팽창하고 수축할 수 있는 여유공간이 생긴다. 이러한 방식으로, 물질은 고체 물질과 액체 물질 사이에서 미세한 선을 그리며 액체처럼 움직이지만 그 과정 내내 고체 결정 구조를 유지한다.

이 모든 것은 벌집구조 양극 내부에서 발생하며, ELI는 튜브의 벽을 코팅하고 이들과 고체 전해질 사이에서 바인더 역할을 한다.​ 즉, 배터리가 충전될 때 리튬 금속의 변동 치수가 구조 내부에 완전히 포함되고 그 외부 치수는 변하지 않는다.

결과 리튬은 고체 전해질과의 전기적 접촉을 잃지 않는 반면, 충전방전 과정을 통해 순환하면서 화학적으로나 기계적으로 안정한 배터리 양극이 나왔다. 연구진 이를 다른 실험용 솔리드 스테이트 배터리에 대한 중요한 진전으로 보고 있다. 이 배터리는 일반적으로 혼합된 액체 전해질에 의존하여 작동한다.

"하지만 우리 배터리의 경우, 전부 고체로 이루어져 있습니다,"라고 MIT의 재료 과학 및 공학 교수 Ju Li는 말한다. "여기에는 어떤 종류의 액체나 젤도 들어있지 않습니다."

​연구팀은 솔리드 스테이트 배터리 아키텍처를 테스트하였으며, 그 결과 파손 흔적없이 100회의 충전방전 사이클을 견딜있다고 보고했다. 더 나아가, 이 기술은 현재 디자인의 약 4분의 1에 달하는 무게지만 동일한 저장 용량을 가진 양극을 만들 수 있다. 연구팀은 다른 첨단 음극 설계와 결합, 무게와 크기가 동일하며 3일에 한 번 충전해도 되는 스마트폰을 개발할 수 있다고 전한다.


A breakthrough in battery architecture could lead to lithium batteries with far greater energy densities than those used today

One of the many ways scientists hope to improve the performance of today’s lithium batteries is by swapping out some of the liquid components for solid ones. Known as solid-state batteries, these experimental devices could greatly extend the life of electric vehicles and mobile devices by significantly upping the energy density packed inside. Scientists at MIT are now reporting an exciting advance toward this future, demonstrating a new type of solid-state battery architecture that overcomes some limitations of current designs.

In a regular lithium battery, a liquid electrolyte serves as the medium through which the lithium ions travel back and forth between the anode and cathode as the battery is charged and discharged. One problem is that this liquid is highly volatile and can sometimes result in battery fires, like those that plagued Samsung’s Galaxy Note 7 smartphone.

Replacing this liquid electrolyte for a solid material wouldn’t just make batteries safer and less prone to fires, it could also open up new possibilities for other key components of the battery. The anode in today’s lithium batteries is made from a mix of copper and graphite, but if it were made of pure lithium instead, it could break the “energy-density bottleneck of current Li-ion chemistry,” according to a recent study published in Trends in Chemistry.

So, the huge potential of a pure lithium anode makes it a high priority among battery researchers, and a key stepping stone is the introduction of a viable solid electrolyte to make it work. But there are significant hurdles with that, too. As the battery is recharged, atoms build up inside the lithium metal causing it to expand, and decrease during use, causing the metal to contract. This makes constant contact between the materials nearly impossible and can result in the electrolyte fracturing.

This is the problem that MIT’s new battery architecture could overcome. It involves a combination of solid materials known as mixed ionic-electronic conductors (MIEC) and electron and Li-ion insulators (ELI). These were built into a three-dimensional honeycomb-shaped architecture, with an array of nanoscale tubes made from MIEC forming the crucial piece of the puzzle.

These tubes are infused with solid lithium metal to form the battery’s anode. And because there is extra space inside each of these tubes, the lithium metal has spare room to expand and shrink during charging and discharging. In this way, the material walks a fine line between a solid and liquid material, moving much like a liquid but maintaining a solid crystalline structure throughout the process.

All of this takes place inside the honeycomb-structured anode, with the ELI coating the walls of the tubes and acting as a binder between them and the solid electrolyte. This means that as the battery charged, the fluctuating dimensions of the lithium metal are entirely contained inside the structure and its external dimensions are unchanged.

The upshot of that is a battery anode that is chemically and mechanical stable as it cycles through the charging and discharging process, while the lithium doesn’t ever lose electrical contact with the solid electrolyte. The team sees this as a significant advance on other experimental solid-state batteries, which typically rely on some kind of liquid electrolyte mixed in to make the thing work.

“But in our case, it’s truly all solid,” says Ju Li, a professor of materials science and engineering at MIT. “There is no liquid or gel in it of any kind.”

The team has conducted experiments putting the solid-state battery architecture to the test, and report that it was able to endure 100 charging and discharging cycles without any signs of fracture. Further down the track, the technology could make for anodes that weigh around a quarter of current designs, but with the same storage capacity. Combined with other cutting-edge designs for the cathode, the team says it could lead to smartphones of the same weight and size, that only need to be charged once every three days.

입력 : 2020.02.14 14:37    출처 : http://www.impactlab.net/2020/02/11/mits-solid-state-battery-breakthrough-may-see-phones-last-for-days
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