배터리는 시간이 지남에 따라 용량이 감소하므로 구형 휴대폰의 전원이 더 빨리 소모됩니다.그러나 이러한 일반적인 현상은 완전히 이해되지 않습니다.

이제 콜로라도 볼더 대학(University of Colorado Boulder)의 엔지니어가 이끄는 국제 연구팀이 이러한 배터리 성능 저하의 기본 메커니즘을 밝혀냈습니다.그들의 발견은 과학자들이 더 나은 배터리를 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.전기 자동차더 멀리, 더 오래 지속되는 동시에 청정 에너지로의 전환을 가속화할 에너지 저장 기술을 발전시킵니다.

연구 결과는 다음과 같습니다출판됨9월 12일자 일기장과학.

논문의 교신저자이자 화학생물공학과 교수인 Michael Toney는 "우리는 리튬 이온 배터리의 분해와 관련된 분자 수준의 과정을 파악함으로써 리튬 이온 배터리의 발전을 돕고 있습니다."라고 말했습니다."에너지 인프라를 화석 연료에서 더 많은 에너지로 전환하려면 더 나은 배터리를 갖는 것이 매우 중요합니다.재생 가능 에너지 원."

엔지니어들은 코발트가 없는 가장 일반적인 유형의 충전식 배터리인 리튬 이온 배터리를 설계하기 위해 수년 동안 노력해 왔습니다.코발트는 값비싼 희귀 광물이며, 그 채굴 과정은 심각한 환경 및 인권 문제와 연관되어 있습니다.전 세계 코발트의 절반 이상을 공급하는 콩고민주공화국에서는 많은 광부들이 어린이들이다.

지금까지 과학자들은 코발트를 대체하기 위해 니켈과 마그네슘과 같은 다른 원소를 사용하려고 노력해 왔습니다.리튬 이온 배터리.그러나 이러한 배터리는 자체 방전율이 훨씬 더 높습니다. 이는 배터리의 내부 화학 반응으로 인해 저장된 에너지가 감소하고 시간이 지남에 따라 용량이 저하되는 현상입니다.자체 방전으로 인해 대부분의 EV 배터리는 교체가 필요할 때까지 수명이 7~10년입니다.

재생 가능 및 지속 가능 에너지 연구소(Renewable and Sustainable Energy Institute)의 연구원이기도 한 Toney와 그의 팀은 자가 방전의 원인을 조사하기 시작했습니다.일반적인 리튬 이온 배터리에서 전하를 운반하는 리튬 이온은 전해질이라는 매개체를 통해 배터리의 한 쪽인 양극에서 다른 쪽인 음극으로 이동합니다.

이 과정에서 이러한 하전 이온의 흐름은전류전자 장치에 전원을 공급하는 것입니다.배터리를 충전하면 충전된 이온의 흐름이 역전되어 양극으로 돌아갑니다.

이전에 과학자들은 충전 시 모든 리튬 이온이 양극으로 돌아가지 않아 전류를 형성하고 전력을 공급하는 데 사용할 수 있는 충전된 이온의 수가 줄어들기 때문에 배터리가 자체 방전된다고 생각했습니다.

연구팀은 일리노이주에 있는 미국 에너지부 산하 아르곤 국립연구소의 강력한 X선 기계인 Advanced Photon Source를 사용하여 배터리 전해질의 수소 분자가 음극으로 이동하여 리튬 이온이 일반적으로 결합하는 지점을 차지한다는 사실을 발견했습니다.에게.결과적으로 리튬 이온이 음극에 결합할 수 있는 곳이 줄어들어 전류가 약해지고 배터리 용량이 감소합니다.

교통은 미국에서 발생하는 온실가스의 가장 큰 단일 배출원으로, 2021년 미국 전체 배출량의 28%를 차지합니다. 배출량을 줄이기 위한 노력의 일환으로 많은 자동차 제조업체는 휘발유 자동차 개발에서 더 많은 EV 생산으로 전환하기로 약속했습니다.

그러나 EV 제조업체는 제한된 주행 거리, 높은 생산 비용, 기존 차량에 비해 짧은 배터리 수명 등 여러 가지 과제에 직면해 있습니다.미국 시장에서 일반적인 순수 전기차는 1회 충전으로 약 250마일을 달릴 수 있는데, 이는 휘발유 자동차의 약 60% 수준이다.새로운 연구는 이러한 모든 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 Toney는 말했습니다.

"모든 소비자는 주행 가능 거리가 넓은 자동차를 원합니다. 코발트 함량이 낮은 배터리 중 일부는 잠재적으로 더 높은 주행 거리를 제공할 수 있습니다.연습장하지만 단기간에 무너지지 않도록 해야 한다”고 말하면서 코발트를 줄이면 비용도 절감하고 인권과 에너지 정의 문제도 해결할 수 있다고 지적했다.엔지니어는 자체 방전 메커니즘을 더 잘 이해함으로써 수소 분자를 차단하기 위해 특수 재료로 음극을 코팅하거나 다른 전해질을 사용하는 등 프로세스를 방지하는 몇 가지 방법을 탐색할 수 있습니다.

"이제 우리는 배터리 성능 저하의 원인을 이해했으므로 배터리를 설계할 때 개선해야 할 사항에 대해 배터리 화학 커뮤니티에 알릴 수 있습니다."라고 Toney는 말했습니다.

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