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엔지니어들은 초저온 배터리를 더 안전하게 만들기 위해 기체 전해질을 안정화시키는 분리막을 개발했습니다.

20 10 월 2021

By hoppt

외국 언론 보도에 따르면 캘리포니아 대학 샌디에고의 나노 엔지니어들은 배터리의 기체 전해질이 증발하는 것을 방지하기 위해 양극과 음극 사이의 장벽 역할을 할 수 있는 배터리 분리막을 개발했습니다. 새로운 다이어프램은 폭풍의 내부 압력이 축적되는 것을 방지하여 배터리가 팽창하거나 폭발하는 것을 방지합니다.

캘리포니아 대학 샌디에이고에 있는 제이콥스 공과 대학의 나노공학 교수인 Zheng Chen은 "기체 분자를 가두어 멤브레인이 휘발성 전해질의 안정제 역할을 할 수 있다"고 말했습니다.

새로운 분리막은 극저온에서 배터리 성능을 향상시킬 수 있습니다. 다이어프램을 사용하는 배터리 셀은 영하 40°C에서 작동할 수 있고 용량은 그램당 500밀리암페어 시간만큼 높을 수 있지만 이 경우 상용 다이어프램 배터리는 전력이 거의 XNUMX입니다. 연구원들은 두 달 동안 사용하지 않아도 배터리 셀 용량이 여전히 높다고 말합니다. 이 성능은 다이어프램이 저장 수명을 연장할 수도 있음을 보여줍니다. 이 발견을 통해 연구자들은 우주선, 위성 및 심해 선박과 같은 얼음이 많은 환경에서 차량에 전기를 공급할 수 있는 배터리를 생산하는 목표를 더 달성할 수 있습니다.

이 연구는 샌디에이고에 있는 캘리포니아 대학의 나노공학 교수인 Ying Shirley Meng의 실험실 연구를 기반으로 합니다. 이 연구에서는 특정 액화 가스 전해질을 사용하여 영하 60°C의 환경에서도 우수한 성능을 유지할 수 있는 배터리를 최초로 개발했습니다. 이 중 액화 가스 전해질은 압력을 가해 액화되는 가스로 기존의 액체 전해질보다 저온에 강하다.

그러나 이러한 종류의 전해질에는 결함이 있습니다. 액체에서 기체로 변경하기 쉽습니다. Chen은 "이 문제는 이 전해질의 가장 큰 안전 문제입니다."라고 말했습니다. 전해질을 사용하기 위해서는 액체 분자를 응축하고 전해질을 액체 상태로 유지하기 위해 압력을 높여야 합니다.

Chen의 연구실은 이 문제를 해결하기 위해 Meng 및 University of California, San Diego의 나노공학 교수인 Tod Pascal과 협력했습니다. Pascal과 같은 컴퓨팅 전문가의 전문성과 Chen 및 Meng과 같은 연구원의 전문성을 결합하여 너무 많은 압력을 가하지 않고 기화된 전해질을 빠르게 액화시키는 방법이 개발되었습니다. 위에 언급된 인력은 샌디에이고 캘리포니아 대학의 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터(MRSEC)에 소속되어 있습니다.

이 방법은 기체 분자가 작은 나노 크기 공간에 갇힐 때 자발적으로 응축되는 물리적 현상에서 차용합니다. 이 현상을 모세관 응축이라고 하며 낮은 압력에서 기체를 액체로 만들 수 있습니다. 연구팀은 이 현상을 이용해 초저온 전지의 전해질을 안정화할 수 있는 전지 분리막을 구축했다. 연구진은 금속-유기 골격(metal-organic framework, MOF)이라고 불리는 다공성 결정질 물질을 사용하여 막을 만들었다. MOF의 독특한 점은 플루오로메탄 가스 분자를 가두어 상대적으로 낮은 압력에서 응축할 수 있는 작은 기공으로 가득 차 있다는 것입니다. 예를 들어, 플루오로메탄은 일반적으로 영하 30°C에서 수축하고 118psi의 힘을 가집니다. 그러나 MOF를 사용하면 같은 온도에서 다공성의 응축 압력은 11psi에 불과합니다.

Chen은 다음과 같이 말했습니다: "이 MOF는 전해질이 작동하는 데 필요한 압력을 크게 줄입니다. 따라서 우리 배터리는 열화 없이 저온에서 많은 양의 용량을 제공할 수 있습니다." 연구원들은 리튬 이온 배터리에서 MOF 기반 분리막을 테스트했습니다. . 리튬 이온 배터리는 탄화불소 음극과 금속 리튬 양극으로 구성됩니다. 플루오로메탄을 액화시키는 데 필요한 압력보다 훨씬 낮은 70psi의 내부 압력에서 기체 플루오로메탄 전해질로 이를 채울 수 있습니다. 배터리는 영하 57°C에서도 실온 용량의 40%를 유지할 수 있습니다. 대조적으로, 동일한 온도와 압력에서 플루오로메탄을 함유한 기체 전해질을 사용하는 상용 격막 전지의 전력은 거의 XNUMX입니다.

MOF 분리막을 기반으로 한 미세 기공은 이러한 미세 기공이 감압 상태에서도 배터리에 더 많은 전해질을 흐르게 할 수 있기 때문에 핵심입니다. 상업용 다이어프램은 기공이 크며 감압하에서 기체 전해질 분자를 보유할 수 없습니다. 그러나 미세다공성이 이러한 조건에서 다이어프램이 잘 작동하는 유일한 이유는 아닙니다. 연구원들이 설계한 격막은 기공이 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 연속 경로를 형성하도록 하여 리튬 이온이 격막을 통해 자유롭게 흐를 수 있도록 합니다. 테스트에서 영하 40°C에서 새로운 다이어프램을 사용한 배터리의 이온 전도도는 상용 다이어프램을 사용한 배터리의 XNUMX배였습니다.

Chen의 팀은 현재 다른 전해질에서 MOF 기반 분리기를 테스트하고 있습니다. Chen은 "우리는 유사한 효과를 보았습니다. 이 MOF를 안정제로 사용하면 휘발성 전해질을 사용하는 기존 리튬 배터리를 포함하여 다양한 전해질 분자를 흡착하여 배터리 안전성을 향상시킬 수 있습니다."라고 말했습니다.

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