방염 리튬

폴리머 기반 전해질은 화씨 140도 이상으로 가열해도 계속 작동하고 불이 붙지 않는 배터리를 만듭니다.

크리스 패트릭

충전식 리튬 이온 배터리는 휴대폰, 노트북, 기타 개인용 전자 제품 및 전기 자동차에 전원을 공급하며 태양 전지판에서 생성된 에너지를 저장하는 데에도 사용됩니다. 그러나 이러한 배터리의 온도가 너무 높으면 작동이 중단되고 화재가 발생할 수 있습니다.

그 이유 중 하나는 배터리가 충전 및 방전될 때 두 전극 사이에 리튬 이온을 운반하는 내부 전해질이 가연성이기 때문입니다.

스탠포드 대학 대학원생이자 논문 제1저자인 Rachel Z Huang은 "배터리 업계의 가장 큰 과제 중 하나는 안전 문제이기 때문에 안전한 배터리 전해질을 만들기 위해 많은 노력을 기울이고 있습니다."라고 말했습니다. 보고서는 11월 30일 Matt에 게재되었습니다.

Huang은 에너지부 산하 SLAC 국립 가속기 연구소 및 스탠포드 대학의 다른 연구원 19명과 함께 리튬 이온 배터리용 불연성 전해질을 개발했습니다. 그들의 연구는 이 전해질을 포함하는 배터리가 화재를 일으키지 않고도 고온에서 계속 작동한다는 것을 보여주었습니다.

그들의 비밀은요? 더 많은 소금.

기존 리튬이온 배터리 전해질은 에테르나 탄산염 같은 액체 유기용매에 리튬염을 용해시켜 만들어졌다. 이 용매는 리튬 이온을 이동시켜 배터리 성능을 향상시키는 동시에 잠재적인 발화 요인이기도 합니다.

배터리는 작동하면서 열을 발생시킵니다. 그리고 배터리에 구멍이 나거나 결함이 있으면 빠르게 뜨거워집니다. 화씨 140도 이상의 온도에서는 전해질에 있는 작은 용매 분자가 증발하기 시작하여 액체에서 가스로 변환되고 배터리가 풍선처럼 팽창합니다. 가스에 불이 붙고 모든 것이 화염에 휩싸일 때까지입니다.

지난 30년 동안 연구자들은 이온을 이동시키기 위해 전통적인 염-용매 용액 대신 고분자 매트릭스를 사용하는 고분자 전해질과 같은 불연성 전해질을 개발했습니다. 그러나 이러한 안전한 대안은 액체 용매만큼 효율적으로 이온을 이동시키지 못하므로 성능이 기존 전해질의 성능까지 측정되지 않았습니다.

연구팀은 안전성과 성능을 모두 제공할 수 있는 폴리머 기반 전해질을 생산하고 싶었습니다. 그리고 황에게는 좋은 생각이 있었습니다.

그녀는 스탠포드 대학의 박사후 연구원이자 논문의 공동 저자인 Jian-Cheng Lai가 설계하고 합성한 폴리머 기반 전해질에 LiFSI라는 리튬염을 최대한 많이 추가하기로 결정했습니다.

황은 "한도를 얼마나 추가하고 테스트할 수 있는지 확인하고 싶었습니다"라고 말했습니다. 일반적으로 폴리머 기반 전해질 중량의 50% 미만이 염입니다. Huang은 그 수치를 63%로 끌어올려 역대 가장 염도가 높은 폴리머 기반 전해질 중 하나를 만들었습니다.

다른 폴리머 기반 전해질과 달리 이 전해질에는 가연성 용매 분자도 포함되어 있습니다. 그러나 SAFE(Solvent-Anchored Non-Flammable Electrolyte)로 알려진 전체 전해질은 리튬 이온 배터리 테스트에서 고온에서 불연성이 입증되었습니다.

SAFE는 용매와 염분이 함께 작용하기 때문에 작동합니다. 용매 분자는 이온 전도를 도와 기존 전해질을 포함하는 배터리와 비슷한 성능을 제공합니다. 그러나 대부분의 리튬 이온 배터리처럼 고온에서 고장이 나는 대신 SAFE가 포함된 배터리는 화씨 77~212도 사이의 온도에서 계속 작동합니다.

한편, 충분히 첨가된 염은 용매 분자의 앵커 역할을 하여 용매 분자가 증발하거나 불이 붙는 것을 방지합니다.

"이 새로운 발견은 폴리머 기반 전해질 설계에 대한 새로운 사고 방식을 지적합니다"라고 Stanford University 교수이자 Stanford Institute for Materials and Energy Sciences(SIMES)의 조사관인 Zhenan Bao는 말했습니다. 그는 Huang에게 조언을 했습니다. "이 전해질은 에너지 밀도가 높고 안전한 미래 배터리를 개발하는 데 중요합니다."