새로운 실리콘 고체 상태 배터리
새로운 실리콘 전체 고체 배터리는 고체 전해질과 전체 실리콘 양극을 모두 사용했다.
실리콘 양극은 오늘날 상업용 리튬 이온 배터리에 가장 많이 사용되는 흑연 양극보다 에너지 밀도가 10배 높다. 하지만 배터리가 충전 및 방전될 때 팽창 및 수축하는 방식과 액체 전해질로 분해되는 문제로 악명이 높았다. 이러한 문제로 인해 고무적인 에너지 밀도에도 불구하고 상용 리튬 이온 배터리에서 전체 실리콘 양극을 사용할 수 없었다.
미국 캘리포니아 대학교 샌디에이고(University of California – San Diego) 엔지니어들이 LG 에너지 솔루션의 연구원들과 공동으로 Science에 9월 24일(현지시각) 발표한 새로운 연구는 올바른 전해질 덕분에 전체 실리콘 양극에 대한 유망한 경로를 제공한다.
논문의 주저자인 Darren H. S. Tan은 “이 배터리 구성으로 우리는 실리콘과 같은 합금 양극을 사용하는 전고체 배터리의 새로운 영역을 개척하고 있다”고 말했다. 그는 최근 화학 공학 박사 학위를 마쳤습니다. UC 샌디에고 제이콥스 공과대학에서 이 기술을 라이선스한 스타트업 UNIGRID 배터리를 공동 설립했다.
에너지 밀도가 높은 차세대 고체 배터리는 항상 금속 리튬을 양극으로 사용한다. 그러나 이는 배터리 충전 속도에 제한이 있고 충전 중 고온(보통 섭씨 60도 이상)이 필요하다. 실리콘 양극은 이러한 한계를 극복하여 높은 에너지 밀도를 유지하면서 실온에서 낮은 온도에서 훨씬 빠른 충전 속도를 허용한다.
팀은 실온에서 80% 용량 유지와 함께 500회 충전 및 방전 주기를 제공하는 실험실 규모의 전체 전지를 시연했으며, 이는 실리콘 양극 및 솔리드 스테이트 배터리 커뮤니티 모두에 대한 흥미로운 진전을 나타낸다.
수십 년 동안 과학자와 배터리 제조업체는 리튬 이온 배터리의 기존 흑연 양극에 혼합하거나 완전히 대체하기 위해 에너지 밀도가 높은 재료로 실리콘을 고려했다. 이론적으로 실리콘은 흑연 저장 용량의 약 10배를 제공한다. 그러나 실제로 에너지 밀도를 높이기 위해 양극에 실리콘을 추가한 리튬 이온 배터리는 일반적으로 실제 성능 문제를 겪고 있다. 특히 성능을 유지하면서 배터리를 충전 및 방전할 수 있는 횟수가 충분히 높지 않다.
문제의 대부분은 실리콘 양극과 양극이 쌍을 이룬 액체 전해질 사이의 상호 작용으로 인해 발생한다. 충방전 동안 실리콘 입자의 부피 팽창으로 인해 상황이 복잡해진다. 이로 인해 시간이 지남에 따라 심각한 용량 손실이 발생한다.
교신저자인 UC 샌디에이고 나노공학 교수인 Shirley Meng은 “배터리 연구원으로서 시스템의 근본 문제를 해결하는 것이 중요하다. 실리콘 양극의 경우 큰 문제 중 하나가 액체 전해질 계면의 불안정성이라는 것을 알고 있다”라고 말했다.
실제로 연구팀은 다른 접근 방식을 취했다. 탄소와 전체 실리콘 양극과 함께 사용되는 바인더를 제거했다. 또한 연구진은 더 많이 사용되는 나노실리콘보다 가공이 덜하고 가격이 저렴한 마이크로실리콘을 사용했다.
양극에서 모든 탄소와 바인더를 제거하는 것 외에도 팀은 액체 전해질도 제거했다. 대신 황화물 기반의 고체 전해질을 사용했다. 그들의 실험은 이 고체 전해질이 전체 실리콘 양극이 있는 배터리에서 매우 안정적이라는 것을 보여주었다.
Meng 교수는 “이 새로운 연구는 실리콘 양극 문제에 대한 유망한 솔루션을 제공하지만 해야 할 일이 더 많다”고 덧붙였다.
실리콘 합금 양극을 상업화하려는 과거의 노력은 주로 실리콘-흑연 복합재 또는 나노 구조 입자를 고분자 바인더와 결합하는 데 중점을 둔다. 그러나 그들은 여전히 불안정한 안정성으로 어려움을 겪고 있다.
액체 전해질을 고체 전해질로 교체하고 동시에 실리콘 양극에서 탄소와 바인더를 제거함으로써 연구자들은 일련의 관련 문제를 피할 수 있었다.
동시에 양극에서 탄소를 제거함으로써 팀은 액체 기반 전해질에서 일반적으로 발생하는 지속적인 용량 손실을 방지하면서 고체 전해질과의 계면 접촉(및 원치 않는 부반응)을 크게 줄였다.
제1 저자인 Darren HS Tan은 “고체 실리콘 접근 방식은 기존 배터리의 많은 한계를 극복한다. 이는 우리에게 더 높은 체적 에너지, 낮은 비용 및 특히 그리드 에너지 저장을 위한 더 안전한 배터리에 대한 시장 요구를 충족할 수 있는 흥미로운 기회를 제공한다”고 논문에서 설명했다.
황화물 기반 고체 전해질은 종종 매우 불안정한 것으로 여겨졌다. 그러나 이것은 액체 전해질 시스템에서 사용되는 전통적인 열역학적 해석을 기반으로 했으며, 이는 고체 전해질의 우수한 운동 안정성을 설명하지 못했다. 팀은 이 반직관적인 속성을 활용하여 매우 안정적인 양극을 만들 수 있는 기회를 확인했다.
Tan은 이러한 실리콘 전고체 배터리에 대한 기술을 라이선스한 스타트업 UNIGRID Battery의 CEO이자 공동 설립자다.
