아르곤 국립 연구소, 리튬 생산

Oct 17, 2023

아르곤 국립 연구소(Argonne National Lab)의 연구원들은 추위에 제대로 작동하지 않는 리튬 이온 배터리에 대한 솔루션을 가질 수 있다고 믿습니다.

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추운 기후에 살고 전기 자동차를 운전하는 사람들은 자동차의 리튬 이온 배터리가 영하의 기온에서는 제대로 작동하지 않는다는 것을 알고 있습니다. 빠르게 충전되지도 않고 멀리 가지도 않습니다. 문제이지만 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)는 이것이 답을 갖고 있을 수도 있다고 말합니다.

블로그 게시물에서 Argonne의 과학자들은 오늘날의 리튬 이온 배터리에서 배터리가 충전 및 방전될 때 이온이 음극과 양극 사이를 이동하는 경로 역할을 하는 액체 전해질이 영하의 온도에서 얼기 시작한다고 말합니다. . 이러한 조건은 추운 지역과 계절에 전기 자동차 충전의 효율성을 심각하게 제한합니다.

Argonne 및 Lawrence Berkeley 국립 연구소의 과학자 팀은 영하의 온도에서도 잘 작동하는 불소 전해질을 개발하기 위해 협력했습니다. Argonne National Lab의 연구 그룹을 이끌고 있는 John Zhang은 "우리의 연구는 영하의 온도에 대한 새로운 전해질을 설계하기 위해 전해질 용매의 원자 구조를 조정하는 방법을 보여주었습니다."라고 말했습니다.

"우리 팀은 화씨 영하 4도에서도 충전 성능이 떨어지지 않는 부동액 전해질을 발견했을 뿐만 아니라 원자 수준에서 그것이 왜 그렇게 효과적인지 발견했습니다."라고 수석 화학자이자 그룹 리더인 Zhang은 말했습니다. Argonne의 화학 과학 및 엔지니어링 부문. 이 저온 전해질은 전기 자동차의 배터리뿐만 아니라 컴퓨터 및 전화기와 같은 전기 그리드 및 가전 제품의 에너지 저장에도 유용합니다.

일반 자동차를 운전하기 위해 4행정 엔진이 어떻게 작동하는지 알 필요가 없는 것처럼 전기 자동차를 운전하기 위해 배터리가 어떻게 작동하는지 알 필요가 없습니다. 우리 대부분은 아마도 리튬 이온 배터리가 어떻게 작동하는지에 대해 기초적인 이해를 갖고 있을 뿐입니다. Argonne Lab은 오늘날 대부분의 리튬 이온 배터리에 사용되는 전해질은 널리 사용되는 염(육불화인산리튬)과 탄산에틸렌과 같은 탄산염 용매의 혼합물이라고 설명합니다. 용매는 염을 용해하여 액체를 형성합니다.

배터리가 충전되면 액체 전해질은 일반적으로 리튬을 포함하는 산화물인 음극에서 일반적으로 흑연으로 만들어진 양극으로 리튬 이온을 이동시킵니다. 이러한 이온은 음극 밖으로 이동한 다음 양극으로 가는 도중에 전해질을 통과합니다. 전해질을 통해 이동하는 동안 4~5개의 용매 분자 클러스터의 중심에 위치합니다.

처음 몇 번의 충전 동안 이러한 클러스터는 양극 표면에 부딪혀 고체 전해질 간기라고 불리는 보호층을 형성합니다. 일단 형성되면 이 층은 필터처럼 작동합니다. 이는 용매 분자를 차단하면서 리튬 이온만 층을 통과하도록 허용합니다. 이것이 바로 배터리가 충전될 때 양극이 흑연 구조에 리튬 원자를 저장할 수 있게 해주는 것입니다. 방전 단계에서 전기화학 반응은 리튬에서 전자를 방출하여 전기 자동차에 전력을 공급하는 데 사용되는 전기를 생성합니다.

온도가 떨어지면 탄산염 용매가 함유된 전해질이 얼기 시작합니다. 이는 리튬 이온이 용매 클러스터 내에 너무 단단히 결합되어 있기 때문에 충전 중에 리튬 이온을 양극으로 운반하는 능력을 상실하게 합니다. 따라서 이러한 이온은 클러스터를 비우고 인터페이스 층에 침투하는 데 실온에서보다 훨씬 더 높은 에너지가 필요합니다. 과학자들은 추운 날씨에 대한 성능 저하에 대한 해결책은 얼지 않는 더 나은 용매를 찾는 것이라고 믿었습니다.

연구팀은 불소가 주입된 여러 용매를 조사했으며 영하의 온도에서 클러스터에서 리튬 이온을 방출하는 데 가장 낮은 에너지 장벽을 갖는 용매를 식별할 수 있었습니다. 그들은 또한 특정 구성이 왜 그렇게 잘 작동하는지 원자 규모에서 결정했습니다. 이는 각 용매 분자 내의 불소 원자의 위치와 그 수에 따라 달라졌습니다.