최초로 밝혀진 리튬의 실제 모습

근본적인 발견과 새로운 기술을 통해 더 좋고 안전한 충전식 배터리를 만들 수 있습니다.

캘리포니아 나노시스템 연구소

이미지: UCLA 연구원들은 일반적으로 형성되는 부식층을 피하면서 표면에 리튬 금속을 증착하는 방법을 개발했습니다. 부식이 없으면 금속은 이전에는 볼 수 없었던 작은 12면체 형태를 취합니다.더보기

출처: (이미지 제공: Li Lab/UCLA)

충전식 리튬 이온 배터리는 스마트폰, 전기 자동차, 태양광 및 풍력 에너지 저장 장치 등 다양한 기술에 전력을 공급합니다.

이는 널리 개발되거나 채택되지 않은 또 다른 기술인 리튬 금속 배터리의 후손입니다. 그 이유는 다음과 같습니다. 리튬 금속 배터리는 리튬 이온 배터리보다 약 두 배의 에너지를 저장할 수 있는 잠재력을 갖고 있지만, 화재가 발생하거나 심지어 폭발할 위험도 훨씬 더 높습니다.

이제 UCLA 캘리포니아 나노시스템 연구소(California NanoSystems Institute) 회원들의 연구에서는 오늘날의 리튬 이온 배터리보다 성능이 뛰어난 더 안전한 리튬 금속 배터리를 개발할 수 있는 근본적인 발견이 밝혀졌습니다. 이번 연구는 오늘 네이처 저널에 게재됐다.

금속 리튬은 화학 물질과 매우 쉽게 반응하므로 정상적인 조건에서는 금속이 전극과 같은 표면에 놓이는 동안 거의 즉시 부식이 발생합니다. 그러나 UCLA 연구자들은 부식을 방지하는 기술을 개발했으며, 부식이 없을 경우 리튬 원자가 놀라운 모양, 즉 던전 앤 드래곤(Dungeons and Dragons)과 같은 롤플레잉 게임에 사용되는 주사위와 유사한 12면체인 마름모 정십이면체로 조립된다는 사실을 보여주었습니다. .

"리튬 금속에 관한 수천 개의 논문이 있으며 구조에 대한 대부분의 설명은 '두꺼운' 또는 '기둥 모양'과 같은 정성적입니다."라고 해당 연구의 교신 저자이자 화학 및 생체분자 공학 조교수인 Yuzhang Li는 말했습니다. UCLA Samueli 공과대학 및 CNSI 회원입니다. “우리가 표면 부식을 방지했을 때 이러한 불분명한 모양 대신 금속의 결정 구조를 기반으로 한 이론적 예측과 일치하는 단일 다면체를 보았다는 사실을 발견한 것은 우리에게 놀라운 일이었습니다. 궁극적으로 이번 연구를 통해 우리는 리튬 금속 배터리에 대한 이해 방식을 수정할 수 있게 되었습니다.”

작은 규모의 리튬 이온 배터리는 전극을 코팅하는 새장형 탄소 구조에 양전하를 띤 리튬 원자를 저장합니다. 이와 대조적으로 리튬 금속 배터리는 전극을 금속 리튬으로 코팅합니다. 이는 리튬이온 배터리에 비해 같은 공간에 10배 더 많은 리튬을 담아 성능과 위험이 모두 증가한 이유다.

리튬 코팅을 놓는 공정은 전기와 전해질이라고 불리는 염 용액을 사용하는 200년 이상의 기술을 기반으로 합니다. 종종 리튬은 돌출된 스파이크가 있는 미세한 분지 필라멘트를 형성합니다. 배터리에서 스파이크 중 두 개가 십자형으로 교차하면 단락이 발생하여 폭발로 이어질 수 있습니다.

부식이 없는 리튬의 실제 모습이 밝혀진 것은 원자가 교차할 수 있는 형태가 아닌 규칙적인 형태로 축적되기 때문에 리튬 금속 배터리의 폭발 위험이 줄어들 수 있음을 시사합니다. 이번 발견은 고성능 에너지 기술에도 상당한 영향을 미칠 수 있다.

“과학자들과 엔지니어들은 금, 백금, 은을 포함한 금속을 나노큐브, 나노구체, 나노막대와 같은 형태로 합성하는 방법에 대해 20년 넘게 연구를 진행해 왔습니다.”라고 Li는 말했습니다. "이제 우리는 리튬의 모양을 알았으니, 배터리의 안전성과 성능을 모두 높이기 위해 촘촘하게 포장할 수 있는 큐브를 형성하도록 튜닝할 수 있느냐는 질문이 있습니다."

지금까지는 용액 내 전해질의 선택에 따라 리튬이 표면에 형성하는 모양, 즉 구조가 덩어리와 같은지, 기둥과 같은지 여부가 결정된다는 것이 지배적인 견해였습니다. UCLA 연구진의 생각은 달랐습니다.