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Argonne Research는 솔리드 스테이트 배터리를 발전시킵니다
미국 에너지 국 (DOE)의 연구원들이 ACS 자료 서한에 발표 한 연구는 Argonne National Laboratory의 모든 고체 상태 배터리에 대한 고체 전해질을 검사했습니다.이 결과는 더 안전하고 에너지 효율적인 배터리 기술의 개발에 기여합니다.
리튬 이온 배터리는 휴대 전화, 랩톱 및 전기 자동차를 포함한 다양한 장치에 전원을 공급합니다.광범위한 사용을 감안할 때 연구원들은 배터리 안전 및 효율성을 향상시키는 방법을 계속 탐색하고 있습니다.
전해질은 배터리의 양성 및 음성 전극 사이의 리튬 이온 수송을 용이하게하는 막 역할을합니다.액체 전해질을 사용하는 기존의 리튬 이온 배터리와 달리 모든 고고 상태 배터리는 고체 전해질을 사용합니다.이 재료는 휘발성이거나 가연성이 없기 때문에 더 높은 에너지 밀도, 수명이 길고 안전성 향상을 제공합니다.
고체 전해질은 또한 리튬 금속과 반응성이 떨어지므로 액체 전해질에 비해 리튬 금속 전극에 더 적합합니다.리튬 금속은 모든 원자가 전하 및 방전 사이클에 참여하기 때문에 종래의 전극 재료 인 흑연보다 에너지 밀도가 높다.
리튬 란타늄 지르코늄 가넷 (LLZO)은 안정성, 내구성 및 높은 이온 전도도로 인해 유망한 고체 전해질로, 전극 사이의 효율적인 리튬 이온 수송을 가능하게한다.연구원들은 전도도를 향상시키기 위해 알루미늄 또는 갈륨과 같은 요소로 도핑 LLZO를 탐구했습니다.도핑에는 재료의 특성을 수정하기 위해 소량의 다른 요소를 도입해야합니다.
알루미늄 또는 갈륨으로 도핑하면 LLZO가 가장 대칭 구조를 유지하고 리튬 이온 이동을 용이하게하는 빈 부위를 도입하여 전도도를 향상시킵니다.그러나 도핑은 리튬 금속과의 LLZO의 반응성을 증가시켜 배터리주기 수명을 줄일 수 있습니다.
이러한 트레이드 오프를 이해하기 위해 연구원들은 계산 및 실험 방법을 사용하여 도핑 된 LLZO와 금속 리튬 간의 상호 작용을 조사했습니다.그들은 갈륨이 더 이동성이 높고 리튬이있는 합금을 쉽게 형성하여 LLZO와의 고갈로 이어진다는 것을 발견했습니다.이 고갈은 리튬 가넷의 구조를 변경하고 이온 전도도를 줄입니다.대조적으로, 알루미늄 도핑 된 LLZO는 더 안정적으로 유지된다.
갈륨 도핑 된 LLZO는 알루미늄 도핑 된 LLZO보다 더 높은 이온 전도도를 제공하지만 리튬과의 반응성은 분해를 방지하면서 전도도를 유지하기 위해 계면 층이 필요하다는 것을 시사합니다.
이러한 결과는 다른 도펀트가 LLZO의 성능과 안정성에 어떤 영향을 미치는지에 대한 통찰력을 제공하여보다 신뢰할 수있는 솔리드 스테이트 배터리의 개발을 알려줍니다.
계산 및 실험적 접근법을 통합함으로써 연구자들은 도핑 된 재료의 주요 특성을 측정하면서 리튬 금속과 고체 전해질 사이의 상호 작용에 대한 원자 수준의 통찰력을 얻었습니다.
재료에서 원자력 및 전자 행동을 모델링하기위한 계산 방법 인 밀도 기능 이론을 사용하여 도펀트 안정성과 다른 구성 요소와의 상호 작용을 예측했습니다.
배터리 작동에서 전기 화학 반응 동안 고체 전해질-전극 계면을 직접 검사 할 수있는 실험 기술은 거의 없다.Tepavcevic은 이러한 인터페이스가 "매장"되어 있으며 기존의 실험 방법으로 쉽게 접근 할 수 없다고 지적했다.
LLZO의 표면 화학 변화를 분석하기 위해 연구원들은 X- 선 광전자 분광법을 사용했습니다.전기 화학 임피던스 분광법을 사용하여 전해질 내 및 전해질-전극 계면에서 리튬 이온 이동성을 연구 하였다.
또 다른 실험 기술인 중성자 회절을 사용하여 재료의 원자 배열을 결정 하였다.이 방법은 리튬과 상호 작용할 때 갈륨이 덜 안정적이고 반응성이 높아졌지만 알루미늄은 안정적으로 유지되었음을 확인했다.
이 연구는 고품질 LLZO 샘플을 제공 한 산타 바바라 (Santa Barbara)와 같은 캘리포니아 대학과 같은 기관과의 협력으로 이익을 얻었습니다.중성자 회절 실험은 체코 공화국의 체코학 아카데미의 핵 물리 연구소와 독일의 하인즈 마이어-레 리브 니츠 Zentrum에서 수행되었다.
Zapol은 다음과 같이 덧붙였습니다.“미국 독일의 협력의 역할은이 작업에 절대적으로 중요했습니다.앞으로 이러한 결과는보다 안전하고 효율적인 솔리드 스테이트 배터리를 국제적으로 추구하면서 새로운 길을 열었습니다.”
이 연구는 Lithium Batteries에 대한 공동 연구를 촉진하기 위해 DOE의 에너지 효율 및 재생 에너지 사무소에서 설립 한 에너지 저장 에너지 저장에 대한 US-German Cooperation의 지원을 받았습니다.
Argonne 기고자로는 Yisi Zhu, Justin Connell, Zachary Hood, Michael Counihan 및 Matthew Klenk와 Tepavcevic 및 Zapol이 포함됩니다.산타 바바라 (Santa Barbara) 캘리포니아 대학교 (University of California)의 제프 사카모토 (Jeff Sakamoto)는 추가 기여를했다.체코학 아카데미의 핵 물리 연구소의 Charles Hervoches;Heinz Maier-Leibnitz Zentrum의 Neelima Paul과 Ralph Gilles.
리튬 이온 배터리는 휴대 전화, 랩톱 및 전기 자동차를 포함한 다양한 장치에 전원을 공급합니다.광범위한 사용을 감안할 때 연구원들은 배터리 안전 및 효율성을 향상시키는 방법을 계속 탐색하고 있습니다.
전해질은 배터리의 양성 및 음성 전극 사이의 리튬 이온 수송을 용이하게하는 막 역할을합니다.액체 전해질을 사용하는 기존의 리튬 이온 배터리와 달리 모든 고고 상태 배터리는 고체 전해질을 사용합니다.이 재료는 휘발성이거나 가연성이 없기 때문에 더 높은 에너지 밀도, 수명이 길고 안전성 향상을 제공합니다.
고체 전해질은 또한 리튬 금속과 반응성이 떨어지므로 액체 전해질에 비해 리튬 금속 전극에 더 적합합니다.리튬 금속은 모든 원자가 전하 및 방전 사이클에 참여하기 때문에 종래의 전극 재료 인 흑연보다 에너지 밀도가 높다.
리튬 란타늄 지르코늄 가넷 (LLZO)은 안정성, 내구성 및 높은 이온 전도도로 인해 유망한 고체 전해질로, 전극 사이의 효율적인 리튬 이온 수송을 가능하게한다.연구원들은 전도도를 향상시키기 위해 알루미늄 또는 갈륨과 같은 요소로 도핑 LLZO를 탐구했습니다.도핑에는 재료의 특성을 수정하기 위해 소량의 다른 요소를 도입해야합니다.
알루미늄 또는 갈륨으로 도핑하면 LLZO가 가장 대칭 구조를 유지하고 리튬 이온 이동을 용이하게하는 빈 부위를 도입하여 전도도를 향상시킵니다.그러나 도핑은 리튬 금속과의 LLZO의 반응성을 증가시켜 배터리주기 수명을 줄일 수 있습니다.
이러한 트레이드 오프를 이해하기 위해 연구원들은 계산 및 실험 방법을 사용하여 도핑 된 LLZO와 금속 리튬 간의 상호 작용을 조사했습니다.그들은 갈륨이 더 이동성이 높고 리튬이있는 합금을 쉽게 형성하여 LLZO와의 고갈로 이어진다는 것을 발견했습니다.이 고갈은 리튬 가넷의 구조를 변경하고 이온 전도도를 줄입니다.대조적으로, 알루미늄 도핑 된 LLZO는 더 안정적으로 유지된다.
갈륨 도핑 된 LLZO는 알루미늄 도핑 된 LLZO보다 더 높은 이온 전도도를 제공하지만 리튬과의 반응성은 분해를 방지하면서 전도도를 유지하기 위해 계면 층이 필요하다는 것을 시사합니다.
이러한 결과는 다른 도펀트가 LLZO의 성능과 안정성에 어떤 영향을 미치는지에 대한 통찰력을 제공하여보다 신뢰할 수있는 솔리드 스테이트 배터리의 개발을 알려줍니다.
계산 및 실험적 접근법을 통합함으로써 연구자들은 도핑 된 재료의 주요 특성을 측정하면서 리튬 금속과 고체 전해질 사이의 상호 작용에 대한 원자 수준의 통찰력을 얻었습니다.
재료에서 원자력 및 전자 행동을 모델링하기위한 계산 방법 인 밀도 기능 이론을 사용하여 도펀트 안정성과 다른 구성 요소와의 상호 작용을 예측했습니다.
배터리 작동에서 전기 화학 반응 동안 고체 전해질-전극 계면을 직접 검사 할 수있는 실험 기술은 거의 없다.Tepavcevic은 이러한 인터페이스가 "매장"되어 있으며 기존의 실험 방법으로 쉽게 접근 할 수 없다고 지적했다.
LLZO의 표면 화학 변화를 분석하기 위해 연구원들은 X- 선 광전자 분광법을 사용했습니다.전기 화학 임피던스 분광법을 사용하여 전해질 내 및 전해질-전극 계면에서 리튬 이온 이동성을 연구 하였다.
또 다른 실험 기술인 중성자 회절을 사용하여 재료의 원자 배열을 결정 하였다.이 방법은 리튬과 상호 작용할 때 갈륨이 덜 안정적이고 반응성이 높아졌지만 알루미늄은 안정적으로 유지되었음을 확인했다.
이 연구는 고품질 LLZO 샘플을 제공 한 산타 바바라 (Santa Barbara)와 같은 캘리포니아 대학과 같은 기관과의 협력으로 이익을 얻었습니다.중성자 회절 실험은 체코 공화국의 체코학 아카데미의 핵 물리 연구소와 독일의 하인즈 마이어-레 리브 니츠 Zentrum에서 수행되었다.
Zapol은 다음과 같이 덧붙였습니다.“미국 독일의 협력의 역할은이 작업에 절대적으로 중요했습니다.앞으로 이러한 결과는보다 안전하고 효율적인 솔리드 스테이트 배터리를 국제적으로 추구하면서 새로운 길을 열었습니다.”
이 연구는 Lithium Batteries에 대한 공동 연구를 촉진하기 위해 DOE의 에너지 효율 및 재생 에너지 사무소에서 설립 한 에너지 저장 에너지 저장에 대한 US-German Cooperation의 지원을 받았습니다.
Argonne 기고자로는 Yisi Zhu, Justin Connell, Zachary Hood, Michael Counihan 및 Matthew Klenk와 Tepavcevic 및 Zapol이 포함됩니다.산타 바바라 (Santa Barbara) 캘리포니아 대학교 (University of California)의 제프 사카모토 (Jeff Sakamoto)는 추가 기여를했다.체코학 아카데미의 핵 물리 연구소의 Charles Hervoches;Heinz Maier-Leibnitz Zentrum의 Neelima Paul과 Ralph Gilles.