배터리 성능을 향상시키는 중공 결정 입자

A*STAR의 연구진은 리튬인산철(lithium iron phosphate)의 중공(中空) 결정 입자들이 리튬 이온을 더 쉽게 유동시킴으로써 리튬-이온 배터리의 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 발견했다.

리튬-이온 배터리는 휴대 전화, 노트북, 기타 휴대용 전자 기기에 폭넓게 사용되고 있고, 전기 자동차에도 점점 더 많이 사용되고 있다. 충전 동안에, 배터리 속의 리튬 이온들은 음극을 떠나고, 액체 전해질을 통해서 이동하고, 양극(주로 탄소로 만들어짐)으로 들어간다. 이런 이온 흐름은 방전 동안에 반전된다.

기존의 음극 재료들은 심각한 단점을 가진다: 예를 들어, 리튬 코발트 산화물은 독성이고 고가이다. 그러나 리튬인산철은 더 저렴하고 비독성이지만 낮은 전기 전도성을 가진다. 이번 연구진은 더 나은 성능을 가진 음극으로 활용될 수 있는 새로운 형태의 리튬인산철 입자들을 개발했다. 다이아몬드 형상의 입자들은 작은 멜론 씨처럼 보이고, 중공이고, 리튬 이온을 더 쉽게 들어올 수 있게 하는 결정질 구조를 가진다.

이번 연구팀은 테트라(에틸린글리콜)(tetra(ethylene glycol), TEG)를 사용해서 이런 입자들을 만들었는데, 이것은 성장하는 결정 속에 철 원자와 결합된 산소 원자들을 포함하였다. 이것은 TEG의 축을 따라서 결정 성장을 확산시키고, 궁극적으로 재료 속에 확산될 때 리튬 이온들이 더 짧은 이동 거리를 가지게 한다. 입자들이 중공을 가지고 있기 때문에, 리튬 이온들은 양극 재료의 내부 및 외부 표면과 상호작용하고, 반응 면적을 증가시킨다.

이번 연구팀은 TEG를 가진 인산이수소리튬(lithium dihydrogen phosphate)과 황산철을 혼합하고 그 후에 수산화리튬을 첨가하고 10 시간 동안 180℃로 혼합물을 가열함으로써 약 3.5 마이크로미터의 길이와 1.5 마이크로미터의 폭을 가지는 입자들을 만들었다.

멜론 씨 모양의 LiFePO4 중공 마이크로 및 서브 마이크로미터 플레이트는 폴리올(polyol) 보조 수열 방법에 의해서 합성되었다. 제조된 LifePO4 중공 재료는 큰 ac 표면을 가진 단일 결정질 쉘(shell)로 구성되었다. 시간 의존성 분석을 기반으로 해서, 성장 메커니즘은 핵생성, 이방성 성장(anisotropic growth), 선택적 에칭, 반전된 재결정화를 포함한다. LiFePO4 재료의 성장을 위한 선구물질의 피딩 시퀀스(feeding sequence), 반응 온도, 피롤 농도의 영향이 조사되었다. LiFePO4 중공 재료의 전기화학적 특성들은 음극 재료로 조사되었다.

주사 전자 현미경(Scanning electron microscopy)과 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy) 관찰로, 입자들이 중공이고 매우 얇은 벽을 가진다는 것을 확인하였다. X-선 회절 실험들은 결정 성장이 예상대로 억제되었다는 것을 증명했다. 배터리 속에서 테스트되었을 때, 이런 입자들은 상용 리튬인산철 나노입자보다 더 우수한 안정성과 유사한 용량을 가진다는 것을 발견했다.

이번 연구진은 더 많은 TEG와 더 높은 온도를 사용해서 더 작은 입자들을 만들 수 있다는 것을 발견했다. 이 입자들은 중공을 가질 가능성이 낮았다. 황산철에 수산화리튬을 추가함으로써, 이번 연구진은 중공이고 더 높은 방전 전압을 가지는 더 작은 입자들(1 마이크로미터의 길이 이하)을 생성했다. “우리의 마이크로 이하의 플레이트는 상용 나노물질과 비교했을 때 더 높은 용량과 유사한 안정성을 가진다”고 Ying은 말했다.

이번 연구팀은 중공 구조와 심지어 더 높은 전기 용량을 가진 리튬 망간 오소실리케이트(lithium manganese orthosilicate)와 같은 다른 음극 재료들을 개발하고 있다. 이 연구결과는 저널 ChemSusChem에 “Hollow Melon-Seed-Shaped Lithium Iron Phosphate Micro- and Sub-Micrometer Plates for Lithium-Ion Batteries”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1002/cssc.201400152).

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 배터리 성능을 향상시키는 중공 결정 입자