미시간 대학 연구에서 Li의 균열 발견

미시간 대학에서 실시한 연구에 따르면, 리튬 이온 배터리 음극의 균열은 단순히 해로운 것이 아니라 배터리 충전 시간을 단축시키는 것으로 나타났습니다. 이는 배터리 수명을 단축시키기 때문에 균열을 최소화하려고 노력하는 많은 전기 자동차 제조업체의 견해와 배치됩니다. 이 연구에 대한 공개 논문은 RSC 저널 에너지 및 환경 과학(Energy & Environmental Science)에 게재되었습니다.

다결정 Li(Ni,Mn,Co)O2(NMC) 2차 입자는 리튬 이온 배터리의 가장 일반적인 양극 재료입니다. 전기화학적(방전)충전 중에 리튬은 벌크를 통해 확산되어 표면의 2차 입자에 들어가거나 나가는 것으로 믿어집니다. 이 모델에 따르면, 더 작은 입자는 더 짧은 확산 길이와 더 큰 표면적 대 부피 비율로 인해 더 빠르게 순환합니다. 이 연구에서 우리는 신경과학의 다중 전극 배열을 사용하여 새로운 처리량 단일 입자 전기화학 플랫폼을 개발함으로써 이러한 광범위한 가정을 평가합니다. 액체 전해질에서 21개의 개별 입자에 대한 반응 및 확산 시간을 측정함으로써 우리는 입자 크기와 반응 또는 확산 시간 사이에 상관 관계가 없음을 발견했습니다. 이는 일반적인 리튬 수송 모델과 극명한 대조를 이룹니다.

우리는 전해질이 균열로 침투하기 때문에 2차 입자 내부에서 전기화학 반응이 일어난다고 제안합니다. 당사의 높은 처리량, 단일 입자 전기화학 플랫폼은 전기화학 시스템에서 개별 입자의 강력하고 통계적인 정량화를 위한 새로운 지평을 열었습니다.

크기 독립적 반응 및 확산 시간을 위한 제안된 메커니즘(ㅏ) 입자 수준 리튬 수송에 대한 표준 모델은 리튬이 2차 입자 표면으로 들어가 벌크로 확산된다고 가정합니다. 결과적으로 유효 확산 길이는 2차 입자 직경에 따라 증가합니다.(비) Min et al. 관련 길이 척도(rEffective)는 2차 입자의 반경보다 훨씬 짧고 2차 입자 직경과 무관하다고 제안합니다. 한 가지 가능성은 입자간 균열로 인해 전해질이 입자에 침투한다는 것입니다. Min et al.

연구팀은 이번 발견이 모든 전기 자동차 배터리의 절반 이상에 적용된다고 믿고 있으며, 음극은 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 또는 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물로 만들어진 수조 개의 미세한 입자로 구성되어 있습니다.

이론적으로 음극이 충전되는 속도는 입자의 표면 대 부피 비율에 따라 달라집니다. 작은 입자는 부피에 비해 표면적이 더 크기 때문에 큰 입자보다 더 빨리 충전되어야 하며, 따라서 리튬 이온이 입자를 통해 확산되는 거리가 더 짧습니다.

그러나 기존 방법으로는 개별 양극 입자의 충전 특성을 직접 측정할 수 없었고, 배터리 양극을 구성하는 모든 입자의 평균만 측정할 수 있었습니다. 이러한 제한은 충전 속도와 음극 입자 크기 사이의 널리 받아들여지는 관계가 단지 가정일 뿐이라는 것을 의미합니다.

개별 음극 입자의 충전 속도를 측정하는 것은 음극 균열의 장점을 발견하는 데 중요했습니다. 연구진은 개별 뇌 세포가 전기 신호를 전달하는 방법을 연구하기 위해 신경과학자들이 일반적으로 사용하는 장치인 다중 전극 배열에 입자를 삽입함으로써 이를 달성했습니다.

다중 전극 어레이의 설계 및 제작(ㅏ) 높은 처리량의 다중 전극 어레이의 개략도. Au 미세전극은 500nm 열 산화물을 사용하여 실리콘 기판에 패턴화됩니다. 각각 약 1mm 크기의 Au 접촉 패드는 어레이의 경계에 패턴화되어 있으며 중앙의 미세 전극에 전기적으로 연결됩니다.(비) 전극의 광학 이미지. 칩에는 2개의 큰 상대/기준 전극과 62개의 작은 작동 미세 전극이 포함되어 있습니다.(씨) NMC 입자가 조립되어 작동하는 4개의 미세 전극의 확대 이미지. 각 Au 미세전극의 크기는 20 x 20 µm입니다. Au 와이어는 50nm의 질화규소로 부동태화됩니다.