리튬이온 배터리의 고속충전에 새로운 돌파구를 마련한 연구

Tao Gao 미국 유타대학 화확공학과 조교수 - 리튬이온배터리의 특성에 대한 연구

최근에 부쩍 관심이 높아진 전기자동차는 물론, 이에 포함되는 자동차용 배터리에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 아마도 전기자동차를 소유하는데 있어 가장 실망스러운 한계는 배터리를 완전히 충전하는데 걸리는 시간일 지도 모릅니다. 예를 들어, 테슬라(Tesla)의 경우, 가장 강력한 충전소를 이용하여 배터리의 80% 용량까지 충전하는 데 약 40분이 걸립니다.

 

과학자들은 오랫동안 물리학 법칙이 배터리를 안전하게 충전할 수 있는 속도를 제한한다고 생각했지만, 유타대학 화학 공학과 조교수인 Tao Gao의 새로운 연구는 단 몇분 만에 충전할 수 있는 배터리를 만드는 문을 열었습니다.

 

Gao의 연구는 과학 저널인 Joule에 게재된 논문에 자세히 다루어져 있습니다.이 연구는 Gao가 MIT 화학 공학 교수 Martin Z. Bazant의 감독하에 Massachusetts Institute of Technology에서 박사후 연구원으로 재직하는 동안 수행되었습니다.Gao는 현재 유타 대학에서 고속 충전이 가능한 고급 리튬 이온 배터리를 개발하고 있는 연구를 진행하고 있습니다.

 

Gao는 "이러한 이해는 이러한 문제를 해결하는 데 필요한 미래 엔지니어링 작업의 토대를 마련했습니다."라고 말합니다. "이제 우리는 어디로 가야할지 알고 있습니다. 우리는 무엇을해야하는지에 대한 명확한 비전을 가지고 있습니다."

 

리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 낮은 무게 및 긴 수명으로 인해 휴대용 전자 제품 및 모든 전기 자동차에서 인기있는 선택이 되었습니다. 또한 노트북 컴퓨터, 휴대용 전기 제품 및 태양 에너지 저장에도 사용됩니다.

 

[이미지] 단일 흑연입자에서 리튬삽입 및 도금의 상호작용 (출처 : Joule)

그러나 리튬 이온 배터리의 재충전 속도는 리튬 이온이 흑연 입자에 너무 빨리 들어갈 때 발생하는 부반응 인 "리튬 도금"이라는 현상으로 인해 방해를 받습니다. Gao는 리튬 이온 배터리의 작동을 테이블에서 앞뒤로 치는 탁구 공에 비유 합니다. 공, 즉 리튬 이온은 충전 과정에서 양극에서 음극으로 이동합니다. 충전 속도는 공이 이동하는 속도와 비슷합니다. 리튬 도금은 리튬 이온이 너무 빨리 움직여서 배터리의 흑연 입자가 이를 포착하지 못할 때 발생한다고 Gao는 설명합니다. 충전 중에는 위험할 수 있으며 배터리에 불이 붙거나 폭발할 수 있으므로 배터리 재충전 속도가 제한됩니다.또한 배터리를 심각하게 저하시켜 수명을 제한 할 수 있습니다.

 

Gao의 발견은 배터리 충전 중 흑연 입자의 리튬 도금 현상을 제어하고 배터리 작동시 리튬 도금을 예측할 수 있는 중요한 물리학을 보여줍니다.

 

"우리는 충전하는 동안 음극에 일어나는 일을 시각화 할 수있는 실험을 설계했습니다. 음극의 물질인 흑연 입자를 볼 수 있으며, 배터리 충전 중에 일어나는 일을 실시간으로 볼 수 있습니다."라고 그는 말합니다. "이제 우리는 물리학을 이해하고 있습니다. 이것은 우리에게이 한계를 해결하고 배터리 충전 성능을 향상시킬 방향을 제공합니다."

 

Gao는 이러한 새로운 이해를 바탕으로 새로운 기술이 너무 빨리 저하될 위험 없이 정상보다 5배 더 빠르게 또는 10분 만에 완전히 충전 될 수 있는 자동차 배터리를 만들 수 있다고 믿고 있습니다. 가장 빠른 충전기로 일반적으로 30분 이상 걸리는 스마트 폰도 단, 10분 만에 완전히 충전 할 수 있다고 그는 말합니다.

 

Gao와 그의 공동 연구자들은 리튬이온 충전의 과학에 대해 더 잘 알고 있기 때문에, 그는 우리가 3년에서 5년 안에 더 나은 배터리를 가진 휴대폰을 볼 수 있고, 5년에서 10년 안에 모든 전기 자동차에서 볼 수 있을 것이라고 믿고 있습니다.

 

원문출처 : Tech Xplore

관련소스 : Tao Gao 외, 단일 흑연 입자에 대한 리튬 중간 및 도금의 인터플레이, Joule(2021년) DOI: 10.1016/j.joule.2020.12.020

 

 

이편한보청기 청각센터

---

▶▶▶[문의상담 전화연결] ◀◀◀