배터리의 화학적 구성은 매우 섬세할 수 있습니다. 셀 내의 활성 물질은 에너지 방출 과정에서 함께 작용하며, 어떤 물질을 선택하느냐에 따라 배터리의 효율이 결정될 수 있습니다. 그러나 원치 않는 화학 반응이 발생하여 전지의 안전성과 수명에 영향을 미칠 수도 있습니다. 서로 다른 재료는 수상 돌기 형성, 단락, 열 폭주와 같은 원치 않는 결과를 초래할 수 있으며, 재료의 조합에 따라 전극 성능 저하를 방지하거나 촉진할 수 있습니다.
배터리는 여러 부품으로 구성되며 주요 활성 물질은 양극, 음극, 전해질입니다. 대부분의 배터리 재료 연구 는 이러한 구성 요소에 대한 재료 테스트에 중점을 둡니다. 재료마다 단독으로 사용할 때와 다른 재료와 조합하여 사용할 때의 장단점이 다릅니다. 이 글에서는 세 가지 주요 활성 재료에 대해 사용 중이거나 연구 중인 몇 가지 재료를 다룹니다.
양극
배터리의 양극은 음극으로, 이온을 음극으로 방출하여 전하를 생성합니다. 충전식 배터리에서 양극은 충전 중에 양극이 되어 필요할 때 방출할 이온을 수집하고 저장합니다.
이상적인 양극은 저장 용량이 크고 시간이 지나도 이 용량을 유지할 수 있는 양극입니다. 금속 전극은 가장 많은 수의 이온을 전달하는 것으로 밝혀졌기 때문에 이론상으로는 높은 에너지 용량을 제공하는 순수 금속이 가장 효율적인 양극 소재입니다. 하지만 금속은 반응성이 높아서 작업하기 어려울 수 있습니다. 리튬 금속이 그러한 예 중 하나입니다. 리튬 금속의 문제 중 하나는 리튬이 양극 표면에 고르지 않게 합성되어 분리막을 뚫고 배터리를 단락시킬 수 있는 가지 모양의 구조를 만드는 덴드라이트 형성 과정입니다.
마그네슘 금속은 이론적으로 용량이 큰 또 다른 금속이지만 작업하기 어려울 수 있습니다. 마그네슘 금속은 전해질과 반응하여 전해질이 자연적으로 분해되어 고체 전해질 간상(SEI) 층을 형성합니다. 이는 다른 배터리 구성에서도 발생할 수 있지만, 마그네슘의 경우 이 층은 이온 절연성이 있어 양극이 더 이상 이온을 방출하거나 수신할 수 없으므로 결국 전지를 쓸모없게 만듭니다. 이러한 상황에서는 민감하지 않은 양극 전해질 조합이 더 실용적입니다.
흑연은 풍부하고 자연적으로 전도성이 있으며 수상 돌기 형성의 문제가 없기 때문에 음극으로 선호되는 소재입니다. 현재 리튬 이온 배터리의 일반적인 음극 재료이지만 나트륨이나 마그네슘 이온과 함께 사용할 때는 그다지 성공적이지 못했습니다. A 연구 는 특정 기질에 대한 화학적 결합력이 가장 약해 에너지 용량이 낮기 때문일 수 있다고 설명했습니다. 이는 어떤 물질이 어떤 경우에는 잘 작동하지만 다른 경우에는 잘 작동하지 않을 수 있음을 보여줍니다.
음극
음극은 양극과 반대로 작동합니다. 방전 시에는 양극이 되어 양극에서 이온을 받아들이고, 충전 시에는 음극이 됩니다.
양극과 마찬가지로 이상적인 음극은 용량이 높아야 하며, 충전식 셀에서 배터리를 손상시키지 않고 화학적 과정을 역전시킬 수 있어야 합니다.
코발트는 리튬 이온 배터리의 음극으로 일반적으로 사용되는 소재 중 하나로, 에너지 밀도가 높아 많이 사용됩니다. 하지만 코발트에는 제한된 온도 범위 열 폭주의 위험이 있습니다. 코발트는 중금속이기 때문에 배터리 폐기와 관련하여 환경 문제도 많습니다. 테슬라와 같은 기업들은 코발트가 없는 배터리를 개발하는 데 초점을 맞추고 있습니다.
유황은 풍부하고 전기 화학적 전위가 높기 때문에 양극 소재로 선호되는 물질입니다. 유황은 그 자체로는 전도도가 낮기 때문에 이를 개선하기 위해 탄소 나노튜브와 같은 전도성 물질과 혼합하는 경우가 많습니다. 하지만 부피가 크게 팽창하는 문제도 있습니다. A 연구 에 따르면 황 음극이 사이클링 후 170% 증가한 것으로 나타났습니다. 이로 인해 음극에 기계적 변형이 발생하여 구조에 균열이 생겨 배터리 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
여러 재료와 함께 공기도 음극의 대안으로 연구되고 있습니다. 이 아이디어의 핵심은 화학 공정에서 주변 공기 중의 산소를 사용하는 것입니다. 공기는 유황과 마찬가지로 이론적으로 높은 용량을 가지고 있습니다. 공기가 어떤 물질과 결합하는지에 따라 공기의 단점은 달라집니다. 일반적으로 기판의 표면적은 전지의 실제 용량에 비례합니다. 그러나 리튬 공기 전지의 경우 기공 크기가 더 중요한 것으로 밝혀졌는데, 이는 화학 반응 중에 형성될 수 있는 리튬 산화물 침전물에 의해 작은 기공이 막힐 수 있기 때문입니다.
전해질
전해질은 이온이 음극과 양극 사이를 이동하는 매개체로서 배터리 작동에 있어 중요한 부분입니다. 하지만 전해질은 화학 공정에서 수동적인 역할을 해야 합니다. 따라서 이상적인 전해질 재료는 전도성은 있지만 반응성이 없어야 합니다. 전해질은 전극과 직접 접촉하기 때문에 배터리 성능을 방해하는 원치 않는 화학 반응이 발생할 수 있습니다.
유기 전해질은 전기 화학적 창이 넓기 때문에 선호됩니다. 즉, 분해되지 않고 광범위한 전압 범위에서 안정적으로 유지될 수 있습니다.
이러한 전해질은 일반적으로 용해된 금속염으로 구성됩니다. 그러나 이러한 물질은 유기물이기 때문에 분해될 수 있습니다. 분해 과정에서 생성되는 산물과 가스는 독성이 있으며 세포의 무결성을 손상시킬 수 있습니다.
유기 전해질은 인화성이 있는 것으로도 알려져 있습니다. 수성 전해질은 이 문제를 해결합니다. 한 가지 유형인 소금 전해질의 물은 유기 전해질보다 전기 화학적 창이 넓고 전도도가 높습니다. 이는 더 안전한 배터리를 위한 대안이 될 수 있습니다.
고체 전해질 가 서서히 대체재로 인정받고 있습니다. 이론적으로 낮은 전도도에도 불구하고 솔리드 스테이트 배터리는 안전성과 수상 돌기 형성 억제 등의 장점이 있습니다.
결론
배터리 소재는 배터리 용도에 따라 선택하고 최적화해야 합니다. 음극, 양극 및 전해질 조합에 따라 다음과 같은 결과가 나타날 수 있습니다. 배터리의 한 가지 품질을 향상시키지만 다른 품질이 저하됩니다.. 에너지 용량을 최적화하는 배터리는 더 낮은 비전력으로만 작동할 수 있으며, 다른 경우에는 그 반대의 경우도 있을 수 있습니다. 예를 들어, 그리드 스토리지와 같은 일부 애플리케이션은 큰 에너지 용량이 필요한 반면, 다른 애플리케이션은 전력 출력에 최적화되어야 할 수 있습니다. 대부분의 경우 이러한 원재료는 원치 않는 화학 반응이나 용량 손실을 줄이기 위해 가공되는 경우가 많습니다. 예를 들어, 리튬 배터리는 종종 다음과 같은 과정을 거칩니다. 사전 리라이팅 를 첨가하여 사이클링 과정에서 손실되는 활성 리튬 함량을 보완합니다. 흑연은 표면적과 전체 배터리 용량을 늘리기 위해 불소화 공정을 거칠 수도 있습니다.
연구원들은 안전하고 신뢰할 수 있으며 내구성이 뛰어난 에너지 저장 솔루션을 만들기 위해 끊임없이 배터리 소재의 궁극적인 조합을 찾고 있습니다.
참조: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590049819301201
Arbin이 연구자들이 어떻게 배터리 재료.
