차세대 리튬황 배터리의 치유가능한 전도성 음극 재료 개발

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This new cathode material for lithium-sulfur materials is structurally healable and highly conductive

차세대 리튬황배터리를 위한 새로운 음극 재료는 구조적으로 치유 가능하고 전도성도 높습니다

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사진출처) David Baillot / UC San Diego Jacobs School of Engineering

 

차세대 배터리로 알려진 리튬황(Li-S) 소재가 전고체(Solid-State) 배터리가 현실화되기 위한 한 걸음을 더 다가갔습니다. 캘리포니아 대학교 샌디에고(UC San Diego) 캠퍼스의 엔지니어들이 이끄는 팀은 전기 전도성이 있고 구조적으로 치유 가능(Healable)한 고체 리튬황 배터리용 새로운 양극 재료를 개발했다고 합니다. 이는 이러한 배터리의 현재 음극의 한계를 극복하는 기능으로 이 연구는 3월 6일 네이처(Nature) 저널에 게재되었습니다.

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네이처는 과학분야에 가장 권위있는 논문 학술지로 현재까지 스마트폰, 전기자동차 등에서 불안정한 리튬이온 배터리를 안전한 전고체 리튬황 배터리로 대체하기 위한 주요 기술 중 하나로 평가 받고 있습니다.

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전고체 리튬황 배터리는 고체 전해질, 리튬 금속으로 만들어진 양극, 황으로 만들어진 음극으로 구성된 이차 전지입니다. 리튬이온 배터리는 값비싼 코발트(Co)를 양극재로 사용하지만, 리튬황 배터리는 자연에서 쉽게 구할 수 있는 황(S)을 사용하여 비용도 낮추고, 황 양극과 리튬 음극의 밀도가 낮고 무게당 용량이 크기 때문에 에너지밀도가 두 배(>500Wh/kg)까지 높아질 수 있어 폭발 가능성이 높은 리튬이온 배터리에 대한 대안으로 유망합니다. 높은 에너지 밀도는 배터리 팩의 무게를 늘리지 않고도 전기 자동차의 주행 거리를 두 배로 늘릴 수 있습니다. 또한, 풍부하고 쉽게 구할 수 있는 재료이기 때문에 경제적이면서도 환경 친화적입니다.

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그러나 리튬황 전고체 배터리 개발은 역사적으로 황 양극재의 고유한 특성으로 인해 어려움을 겪어왔습니다. 황 자체는 전자 전도도가 좋지 않을 뿐만 아니라, 황 음극도 충전 및 방전 중에 상당한 팽창과 수축을 경험하여 구조적 손상을 일으키고 고체 전해질과의 접촉이 줄어듭니다. 이러한 문제는 음극의 전하 이동 능력을 전체적으로 감소시켜 전고체 배터리의 전반적인 성능과 수명을 저하시킵니다.

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이러한 문제를 극복하기 위해 UC San Diego Sustainable Power and Energy Center 의 연구원이 이끄는 팀은 황과 요오드로 구성된 결정인 새로운 음극 물질을 개발했습니다. 연구진은 결정질 황 구조에 요오드 분자를 삽입함으로써 음극 물질의 전기 전도도를 11배까지 대폭 증가시켜 황만으로 만들어진 결정보다 전도성을 1000억 배 더 높였습니다.

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"우리는 이 새로운 물질의 발견에 매우 기대하고 있습니다."라고 UC San Diego의 나노공학 교수이자 지속 가능한 전력 및 에너지 센터 ​​소장인 연구 공동 수석 저자인 Ping Liu 교수는 말했습니다. "황의 전기 전도성이 급격히 증가하는 것은 놀랍고 과학적으로 매우 흥미롭습니다."

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사진출처) David Baillot / UC San Diego Jacobs School of Engineering

 

새로운 크리스탈 소재는 65℃(화씨 149도)의 낮은 녹는점을 갖고 있는데, 이는 뜨거운 커피 머그잔의 온도보다 낮습니다. 이는 배터리를 충전한 후 음극을 쉽게 다시 녹이는 사이클링으로 인해 손상된 인터페이스를 복구할 수 있음을 의미합니다. 이는 충방전을 반복하면서 양극과 전해질 사이의 고체-고체 계면에서 발생하는 누적 손상을 해결하는 중요한 특징이 됩니다.

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"이 요오드화황 음극은 리튬황 배터리 상용화의 주요 장애물로 지적되고 있는 단점을 극복하기 위한 독특한 개념을 제시합니다."라고 UC 샌디에고 제이콥스 공과대학의 나노공학 교수이자 공동 수석 저자인 Shyue Ping Ong 교수는 이와 같이 말했습니다. "요오드는 황 분자를 함께 묶는 분자간 결합을 적절하게 파괴하여 녹는점을 골디락스 구역(상온보다 높지만 용융을 통해 음극이 주기적으로 자가치유 될 만큼 충분히 낮음)까지 낮춥니다."

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Liu 연구 그룹의 전 나노공학 박사후연구원(Post Doctor)이자 연구 공동 제1저자로 이 연구를 담당하고 있는 Jianbin Zhou 박사는 "우리의 새로운 음극 물질의 낮은 녹는점은 이러한 배터리에 대한 오랫동안 모색된 솔루션인 인터페이스 수리를 가능하게 합니다."라고 말했습니다. “이 신소재는 미래의 고에너지 밀도의 전고체 배터리를 위한 솔루션입니다.”

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장갑을 낀 손에는 진한 보라색-빨간색 액체가 들어 있는 약병이 들어 있습니다. 음극 물질은 갈색 분말에서 진한 보라색-빨간색 액체로 녹으면서 폭발하지 않도록 자가 치유됩니다. 새로운 양극재의 효과를 검증하기 위해 연구진은 테스트 배터리를 제작하고 반복적인 충전 및 방전 주기를 거쳤습니다. 배터리는 용량의 87%를 유지하면서 400사이클 이상 안정적으로 유지되었습니다.

 

사진출처) David Baillot / UC San Diego Jacobs School of Engineering

 

연구 공동 저자이자 미국 혼다 연구소(Honda Research Institute USA)의 수석 과학자인 Christopher Brooks는 “이번 발견은 배터리의 유효 수명을 획기적으로 늘려 고체 상태 리튬-황 배터리 도입에 대한 가장 큰 과제 중 하나를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.”라고 말했습니다. "단순히 온도를 높이는 것만으로 배터리가 자가 치유되는 능력은 전체 배터리 수명 주기를 크게 연장하여 전고체 배터리를 실제 적용할 수 있는 잠재적 경로를 마련할 수 있게 되었습니다."

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연구팀은 셀 엔지니어링 설계를 개선하고 셀 형식을 확장하여 고체 리튬-황 배터리 기술을 더욱 발전시키기 위해 노력하고 있습니다.

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Liu 박사는 “실행 가능한 고체 배터리를 제공하기 위해 해야 할 일이 많이 남아 있지만, 우리의 작업은 중요한 단계입니다.”라고 말했습니다. "이 작업은 UC 샌디에이고 팀과 국립 연구소, 학계 및 업계 연구 파트너 간의 훌륭한 협력 덕분에 가능했습니다."

 

사진출처) David Baillot / UC San Diego Jacobs School of Engineering

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※ 기사 내용 참조

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[US San Diego] Healable Cathode Could Unlock Potential of Solid-state Lithium-sulfur Batteries | By Liezel Labios | March 06, 2024 | https://today.ucsd.edu/story/healable-cathode-could-unlock-potential-of-solid-state-lithium-sulfur-batteries

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Nature 논문제목: “Healable and Conductive Sulfur Iodide for Solid-State Li-S Batteries.(고체 Li-S 배터리를 위한 치유가능한 전도성 요오드화황)” 공동저자 Jianbin Zhou*, Manas Likhit Holedevi Chandrappa*, Shen Wang, Haodong Liu, Sicen Yu, Gayea Hyun, John Holoubek, Junghwa Hong, Yuxuan Xiao, Charles Soulen 및 Eric E. Fullerton, 샌디에고 캘리포니아대학교; Sha Tan and Enyuan Hu, 브룩해븐 국립연구소; Chaoshan Wu, Zheng Fan and Yan Yao, 휴스턴대학교; Howie Nguyen and Raphaele J. Clement, 산타바바라 캘리포니아대학교; Canhui Wang and Chao Wang, 존스홉킨스대학교; Quin R. S. Miller, 태평양 북서부 국립 연구소; Christopher J. Brooks, 미국혼다연구소

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