새로운 양극은 리튬을 돕는다

이 기사는 IEEE Xplore와 파트너십을 맺은 독점적인 IEEE Journal Watch 시리즈의 일부입니다.

연구원들은 양극을 통해 전자의 흐름을 향상시켜 배터리 용량을 획기적으로 향상시키고 충전에 걸리는 시간을 절반으로 줄이는 새로운 리튬 이온 배터리 설계를 만들었습니다. 이러한 발전은 IEEE Journal on 유연한 전자공학에 4월 14일 발표된 연구에 설명되어 있습니다.

전기 자동차는 온실가스 배출을 잠재적으로 줄일 수 있는 핵심 방법입니다. 그러나 이러한 자동차의 리튬 이온 배터리는 충전하는 데 여전히 시간이 걸리기 때문에 일부 사람들은 기술 채택을 주저할 수 있습니다.

"배터리 수명을 연장하고 빠른 충전 기능을 제공할 수 있는 배터리 혁신이 엄청나게 필요합니다"라고 박사인 Himanaga Emani는 말합니다. Western Michigan University의 전기 및 컴퓨터 공학과 연구 조교이자 연구에 참여한 사람입니다.

현재 전기 자동차에 사용되는 리튬 이온 배터리에는 흑연으로 만들어진 양극이 있지만 연구자들은 그래핀과 같은 다른 재료의 사용을 연구하고 있습니다. 그래핀은 얇은 탄소층으로 구성되어 있어 전기 전도체로서 흑연보다 성능이 뛰어납니다. 그러나 단순히 다른 재료를 사용하는 것만으로는 배터리에 필요한 충전 성능을 향상시키는 데 충분하지 않을 수 있습니다.

연구원들은 마이크로미터 규모의 2차 공극 네트워크(SPN)[왼쪽]를 배터리 양극에 뚫으면 배터리의 전체 충전 속도와 용량 유지가 향상된다는 사실을 발견했습니다.웨스트 미시간 대학교/IEEE

따라서 Emani와 그의 팀은 레이저 구조화를 사용하여 새로운 그래핀 양극을 따라 기공 네트워크를 만들었습니다. 이 작은 구멍을 통해 전자가 양극을 통해 더 쉽게 흐르게 되어 충전 시간이 더 빨라집니다. 오늘날 흑연 양극을 사용하는 상용 리튬 이온 배터리의 이론적 용량은 그램당 372밀리암페어-시간인 반면, 연구진이 제안한 기공이 있는 새로운 그래핀 양극은 700mAh/g 이상의 용량을 제공할 수 있습니다.

연구원들은 실온에서 10분에서 2시간 사이의 충전 시간을 갖는 일련의 실험을 통해 새로운 양극을 테스트했습니다. 그 결과, 1시간 이상의 충전 기간 동안 기공이 있는 새로운 양극은 기존 음극에 비해 배터리 용량에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다. 그러나 충전 시간이 1시간 미만일 때 기공이 있는 그래핀 양극은 기존 양극보다 2배 더 빨랐습니다.

"간단히 말하면, 우리의 결과에 따르면 충전하는 데 한 시간이 걸릴 수 있는 상용 배터리는 30분 이내에 충전될 수 있습니다."라고 Emani는 말합니다.

중요한 점은 새 배터리는 반복 사용 후에도 용량을 유지한다는 것입니다. 일반적으로 배터리는 여러 번의 충전 주기를 거치면서 용량이 감소합니다. 이 연구에서 포자가 있는 셀은 200회 충전 주기 후에 포자가 없는 셀에 비해 38%에 불과한 우수한 용량 유지율(90%에 가까운)을 보여주었습니다.

이 연구는 실온에서 코인 셀 형태의 새로운 양극을 분석했다고 Emani는 말합니다. "시장에 진출하기 전에 우리는 파우치, 원통형, 각형 셀에서 이러한 배터리를 테스트하고 싶습니다. 왜냐하면 이러한 배터리는 전기 자동차에 [사용되는] 배터리 구성의 가장 많이 사용되는 기본 유형이기 때문입니다."

연구팀은 또한 다양한 온도에서 이러한 다공성 양극을 연구하는 데 관심이 있습니다. "전기 자동차에 사용되는 배터리는 지리적 위치, 날씨, 계절에 따라 광범위한 온도를 경험하여 혹독한 조건에서 배터리 성능을 더욱 향상시키기 때문에 이것이 핵심 매개변수입니다."라고 그는 말합니다.