과산화물은 리튬을 제공합니다

DOE/아르곤 국립 연구소

이미지: LiO2와 Ir3Li 사이의 격자 일치는 Ir-rGO 음극 물질에서 발견되는 LiO2 방전 생성물의 원인일 수 있습니다.더보기

크레딧: Argonne/Larry Curtiss

리튬 이온 배터리가 우리의 일상 생활을 변화시키는 동안, 연구자들은 현재 훨씬 더 나은 에너지 가능성을 제공할 수 있는 새로운 화학 물질을 찾으려고 노력하고 있습니다. 이러한 화학 물질 중 하나인 리튬 공기는 더 높은 에너지 밀도를 약속할 수 있지만 특정 단점도 있습니다.

이제 미국 에너지부(DOE) 아르곤 국립 연구소의 연구 덕분에 이러한 단점 중 하나가 극복되었을 수 있습니다.

리튬 공기 배터리에 대한 이전의 모든 연구에서는 동일한 현상이 나타났습니다. 즉, 전극의 기공을 막는 고체 침전물인 과산화리튬(Li2O2)이 형성되는 것입니다.

그러나 최근 실험에서 아르곤 배터리 과학자 Jun Lu, Larry Curtiss 및 Khalil Amine은 미국과 한국의 협력자들과 함께 배터리 방전 중에 과산화리튬 대신 안정적인 결정화된 과산화리튬((LiO2)을 생산할 수 있었습니다. 과산화리튬과 달리, 리튬 슈퍼옥사이드는 리튬과 산소로 쉽게 해리될 수 있어 효율성이 높고 사이클 수명이 우수합니다.

Curtiss는 “이 발견은 실제로 새로운 종류의 배터리 개발 가능성을 열어주는 길을 열어줍니다.”라고 말했습니다. "더 많은 연구가 필요하지만 배터리의 수명은 우리가 찾고 있던 것입니다."

Curtiss와 Amine은 슈퍼옥사이드 리튬 기반 배터리의 가장 큰 장점은 적어도 이론상으로는 화학자들이 "폐쇄 시스템"이라고 부르는 리튬-공기 배터리를 만들 수 있다는 점이라고 설명했습니다. 개방형 시스템은 환경으로부터 지속적으로 추가 산소를 섭취해야 하는 반면, 폐쇄형 시스템은 그렇지 않으므로 더욱 안전하고 효율적입니다.

Amine은 “과산화물 상태의 안정화는 리튬 이온의 에너지 밀도를 실제로 5배 제공할 수 있는 잠재력을 가진 리튬 슈퍼산화물을 기반으로 하는 새로운 폐쇄형 배터리 시스템을 개발하는 것으로 이어질 수 있습니다.”라고 말했습니다.

Curtiss와 Lu는 리튬 슈퍼옥사이드의 성장이 실험에 사용된 전극 내 이리듐 원자의 간격에 기인한다고 생각했습니다. Curtiss는 “이리듐이 초과산화물 성장을 위한 좋은 주형 역할을 할 것 같다”고 말했습니다.

"그러나 이것은 단지 중간 단계일 뿐입니다."라고 Lu는 덧붙였습니다. "우리는 리튬 공기 배터리에 관련된 것이 무엇인지 정확히 이해하기 위해 촉매를 설계하는 방법을 배워야 합니다."

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연구진은 Argonne에 위치한 DOE Office of Science User Facility인 Advanced Photon Source에서 제공하는 X선 회절을 사용하여 과산화리튬이 부족함을 확인했습니다. 그들은 또한 DOE Office of Science User Facility이기도 한 Argonne Leadership Computing Facility의 Mira 슈퍼컴퓨터에 대한 시간 할당을 받았습니다. 연구원들은 또한 DOE 과학 사용자 시설 사무국이기도 한 Argonne의 나노크기 재료 센터에서 일부 작업을 수행했습니다.

연구를 기반으로 한 연구는 Nature 1월 11일호에 게재되었습니다.

이 작업은 DOE의 에너지 효율 및 재생 에너지 사무국과 과학 사무국의 자금 지원을 받았습니다.

아르곤 국립 연구소는 과학 기술 분야의 국가적 문제에 대한 해결책을 모색합니다. 국내 최초의 국립 연구소인 Argonne은 거의 모든 과학 분야에서 최첨단 기초 및 응용 과학 연구를 수행합니다. Argonne 연구자들은 수백 개의 기업, 대학, 연방, 주 및 지방자치 기관의 연구자들과 긴밀히 협력하여 특정 문제를 해결하고 미국의 과학적 리더십을 발전시키며 더 나은 미래를 위해 국가를 준비할 수 있도록 돕습니다. 60개국 이상의 직원을 보유한 Argonne은 미국 에너지부 산하 과학 사무실의 UChicago Argonne, LLC에서 관리합니다.

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