중국 과학자, 전고체 리튬 배터리 연구에서 획기적인 성과 달성

스마트폰 배터리가 더 안전하고 작을 뿐만 아니라 한 번 충전으로 훨씬 더 오래 지속된다면 얼마나 놀라울까요! 최근 중국 과학 아카데미 칭다오 바이오에너지 및 바이오공정 기술 연구소의 연구팀이 전고체 리튬 배터리 분야에서 새로운 돌파구를 마련했습니다. 이 발전은 소형화되고 오래 지속되는 전자 기기의 꿈을 현실로 만들 수 있습니다. 이 연구 결과는 7월 31일 국제 학술지 Nature Energy에 게재되었습니다.

스마트폰, 노트북 및 기타 전자 기기에 전원을 공급하는 리튬 이온 배터리는 일반적으로 액체 전해질을 사용하여 에너지를 저장하고 방출합니다. 이제 과학자들은 새로운 유형의 배터리인 전고체 리튬 배터리를 연구하고 있습니다. 기존 배터리와 달리 이 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하여 더 안전하고 누출이나 화재가 발생할 가능성이 적습니다.

전고체 리튬 전지는 이상적으로 들리지만, 개발에는 여러 가지 어려움이 있습니다. 가장 큰 문제는 전지의 양극 내에서 다양한 재료 간의 완벽한 화학적, 물리적 호환성을 달성하는 데 어려움이 있다는 것입니다. 이는 에너지 밀도와 수명에 영향을 미칠 수 있는 다양한 계면 문제를 일으킵니다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 새로운 재료인 균일한 양극 재료(리튬 티타늄 게르마늄 인 황 셀레늄, LTGPSSe)를 개발했습니다.

이 새로운 소재는 기존 소재에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다.

1. 높은 전도성: 이 새로운 소재는 높은 이온 및 전자 전도성을 자랑하며, 기존의 양극 소재(층상 산화물 양극 소재)보다 1,000배 이상 뛰어납니다. 즉, 전도성 첨가제에 의존하지 않더라도 양극이 효율적으로 충전-방전 프로세스를 완료하여 전체 배터리 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.

2. 높은 방전 용량: 새로운 소재의 방전 용량은 250mAh/g에 이르며 현재 사용 중인 고니켈 양극 소재를 능가합니다. 이를 통해 배터리는 동일한 무게나 부피로 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 충전 간 작동 시간을 늘리고 더 컴팩트한 장치를 설계할 수 있습니다.

3. 낮은 부피 변화: 충전 및 방전 사이클 동안 새로운 소재는 1.2%의 부피 변화만 경험하는데, 이는 기존 소재(층상 산화물 양극 소재)에서 볼 수 있는 50%보다 훨씬 낮습니다. 이러한 최소한의 부피 변화는 구조적 안정성을 유지하는 데 도움이 되어 배터리 수명을 연장합니다.

4. 높은 에너지 밀도: 이 새로운 소재를 사용한 전고체 리튬 전지의 에너지 밀도는 390Wh/kg에 도달하여 현재 보고된 장주기 전고체 리튬 전지보다 1.3배 높습니다.

5. 긴 수명: 이 소재로 만든 전고체 리튬 배터리는 긴 사이클 수명으로 10,000회 이상의 사이클을 달성할 수 있습니다. 5,000회 충전 후에도 배터리는 초기 용량의 80%를 유지하여 더 오랜 기간 동안 충분한 전력을 제공합니다.

이 연구는 고에너지 밀도, 장수명 에너지 저장 장치를 개발하고, 전기 자동차, 에너지 저장 그리드, 심해 및 심우주 장비에 안전하고 내구성 있는 전원을 제공하는 데 중요한 기술 지원을 제공합니다. 또한 새로운 에너지 저장 시스템을 개발하는 데 중요한 의미를 갖습니다.