엔지니어는 리튬 개선을 위해 NSF CAREER 상을 받았습니다.

May 15, 2023

신용: 어도비 스톡. 판권 소유.

2023년 5월 31일

펜실베이니아주 유니버시티파크 — 리튬 이온 배터리는 스마트폰부터 전기 자동차까지 대부분의 전자 제품에 전력을 공급하며 심지어 집 전체에 전력을 공급하기 위해 에너지를 저장하는 데에도 사용됩니다. 전 세계적으로 마케팅 분석가들은 리튬 이온 배터리 시장이 2021년 659억 달러에서 2030년까지 2,738억 달러로 성장할 것으로 예상합니다. 리튬 이온 배터리 사용이 계속해서 빠른 속도로 증가하고 있지만, 핵심 프로세스를 지배하는 힘에 대해서는 알려진 바가 많지 않습니다. 성능에 영향을 미칩니다.

John and Willie Leone 가족 에너지 및 광물공학과 조교수인 Feifei Shi는 기초 전기화학 모델을 재고하고 잠재적으로 리튬 방식을 변화시키기 위해 국립과학재단(NSF)으로부터 $594,788의 교수 조기 경력 개발 프로그램(CAREER) 상을 받았습니다. - 이온 배터리가 설계되었습니다. 이러한 영향은 소비자 제품에서 그리드 규모 에너지 저장에 이르기까지 용도가 다양한 플로우 배터리, 연료 전지 및 슈퍼커패시터와 같이 액체 전해질을 사용하는 모든 전기화학 응용 분야에서 볼 수 있습니다.

Shi에 따르면, 보다 심층적인 이해의 부족은 부분적으로 액체와 표면이 상호 작용하여 전기적으로 대전된 표면층을 유발할 때 발생하는 전기 현상인 전자 이중층(EDL)의 발견에서 비롯됩니다. 1900년대 초반에 만들어진 초기 모델은 전기화학의 주류였지만 지금까지 이에 대해 더 깊이 연구한 연구자는 많지 않았습니다.

"전기 이중층에 대해 배우는 것은 고전적인 전기화학 수업에서 처음 접하는 몇 안되는 모델 중 하나입니다."라고 Shi는 말했습니다. "모델은 완벽한 구형의 이상적인 이온을 상상하지만 실제로는 그러한 단순성은 존재하지 않습니다. 우리는 이온이 차지하는 크기, 모양 또는 공간을 더 이상 무시할 수 없습니다."

Shi는 계면 특성을 탐구하는 연구에서 EDL을 자주 다루며, 모델에 묘사된 것과 같은 이온을 찾는 것은 그녀의 경험이 아닙니다. 그녀는 이온이 분기되어 배터리 전해질에 눈에 띄는 잔물결이 있다고 설명했습니다. 또한, 유기염 용매의 마이크로시스템은 물과 같은 단순한 용매보다 더 크고, 더 역동적이며, 더 넓은 범위의 기대 특성을 갖습니다. Shi는 이러한 차이에 대한 보다 정확한 물리적 그림을 통해 배터리 연구원과 개발자가 배터리 성능의 계면 역학을 더 잘 이해할 수 있을 것이라고 믿습니다.

Shi는 "모든 것이 EDL을 기반으로 설계되었습니다"라고 말했습니다. "그렇다면 출발점을 100% 이해하지 못한다면 어디서부터 시작해야 할지 어떻게 알 수 있겠습니까? 이러한 중요한 구성 요소를 이해하는 것은 더 좋고 합리적인 배터리 설계에 필수적입니다."

Shi는 EDL에서 발생하는 많은 프로세스가 배터리 성능에 직접적인 영향을 미치며 휴대 전화를 가리키며 모든 사람이 배터리 노화로 인해 경험한 경험과 시간이 지남에 따라 배터리가 오래 충전되지 않거나 더 자주 충전되지 않는다는 점을 언급하면서 말했습니다. 충전. 이러한 전력 감소는 인터페이스 내 패시베이션 층의 부식 또는 축적의 결과라고 그녀는 설명했습니다. 결국 전력이 소모되고 배터리 내부의 액체 전해질이 말라버립니다. 배터리 충전 속도는 전자가 얼마나 빠르고 자유롭게 이동하는지, 인터페이스 간에 이온이 이동하는 방식에 영향을 미치는 EDL의 운동 거동에 따라 결정됩니다. 전기 자동차(EV)의 경우, EDL을 더 잘 이해하면 주행 거리, 충전 속도 등 대부분의 잠재적인 전기 자동차 구매자의 최우선 순위가 향상될 수 있음을 의미합니다.

Shi가 보기에 작업이 시급하다고 그녀는 말했습니다. 그녀는 응용 과학과 공학의 발전이 기초 과학의 발전을 앞지르는 방식에 동기를 부여받습니다. 그녀는 실험과 근본적인 이해를 통해 지식이 축적되기 전에 신제품이 출시되는 것을 자주 봅니다. Shi는 파리협정의 2050년 순 제로 마감일을 배경으로 펀더멘털에 집중할 필요성이 더 중요하다고 말했습니다.

Shi는 "우리는 이해에 대한 새로운 표준이 필요합니다"라고 말했습니다. "이제 기초 연구가 우리 지식의 한계를 뛰어넘어 가능한 한 지속 가능한 방식으로 우리 사회의 에너지 수요를 충족시키는 데 도움이 될 수 있는 새로운 그림이나 새로운 가설에 영감을 줄 때입니다."