배터리는 스마트폰부터 전기 자동차까지 모든 것에 전력을 공급하며, 그 성능은 전극과 전해질 사이의 중요한 인터페이스에 달려 있습니다.Penn State와 업계 연구진은 더 높은 해상도에서 이 인터페이스를 관찰하는 방법을 개발했으며, 이는 잠재적으로 배터리 효율성과 수명을 향상시키는 새로운 방법을 밝힐 수 있습니다.

그들출판됨그들의 결과는미국 화학 학회지.

전극은 금속 막대나 판과 같은 도체로, 전기가 배터리에 들어오고 나갈 수 있도록 하는 일종의 관문 역할을 합니다.배터리에는 두 가지 유형이 있습니다. 음극인 양극과 양극인 음극입니다.전해질은 전도하는 액체 매질입니다.이온양극과 음극 사이에 전류의 흐름을 가능하게 합니다.

전극…전해질계면은 고체 전극과 액체 전해질이 만나는 경계이다.이 인터페이스는 이온과 용매 분자가 전하를 축적, 고갈 및 전달하는 방식에 영향을 미쳐 배터리 성능에 중요한 역할을 합니다.

에너지 및 광물 공학 대학원 연구 조교이자 해당 연구의 제1저자인 Jianwei Lai에 따르면 이 인터페이스, 특히 전기 이중층(EDL)의 동작을 이해하는 것은 보다 효율적이고 내구성이 뛰어난 배터리를 설계하는 데 필수적이라고 합니다.

"EDL은 배터리에서 전기화학 반응을 가능하게 하는 이온 이동과 전자 전달을 관리합니다"라고 Lai는 말했습니다."그래서 이중층을 연구하는 것이 최우선 과제입니다. 이는 배터리 성능에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다."

그러나 문제는 이 전극-전해질 이중층이 초미세 규모로 존재하고 매우 역동적이며 인가된 전압에 따라 구조가 변한다는 점이다.전압이 변하면 층의 이온과 분자 배열이 이동합니다.

전극-전해질 층의 변화는 배터리 효율성을 떨어뜨리고, 에너지 저장을 감소시키며, 수명을 단축할 수 있습니다. 예를 들어 이온이 잘못된 지점에 갇혀 원활한 전기 흐름을 늦추는 경우는 교통 체증으로 인해 자동차 속도가 느려지는 것과 유사합니다.고속도로에서.

"EDL은 대략 나노미터 규모이므로 특성화하기가 매우 어렵습니다"라고 Lai는 설명했습니다."그리고 구조는 정적이지 않습니다. 적용된 전하에 크게 의존하기 때문에 직접 연구하기가 매우 어렵습니다."

과거에 과학자들은 EDL의 구조를 이해하기 위해 이론적인 모델을 사용해 왔습니다.전압전류법, 전기모세관 현상, 전기화학적 임피던스 분광법과 같은 기존 측정 방법은 간접적이지만 부정확한 단서를 제공할 수 있습니다.이는 배터리가 더 많은 에너지를 저장하고 방출하는 데 도움이 되는 복잡한 염 용액을 포함하는 오늘날의 배터리의 더 복잡한 시스템의 경우 특히 문제가 된다고 Lai는 말했습니다.

이러한 장애물을 극복하기 위해 Lai와 팀은 새롭고 향상된 전기 모세관 현상 버전을 개발했습니다.이 기술은 전압이 가해질 때 인터페이스의 표면 장력이 어떻게 변하는지 측정합니다.

연구진의 새로운 접근 방식은 고급 센서와 장비를 사용하여 전극-전해질 경계면의 빠른 변화를 포착합니다.그들은 또한 전반적인 것뿐만 아니라 평가할 수 있는 새로운 분석 방법도 개발했습니다.계면 장력뿐만 아니라 인터페이스에서의 이온의 구체적인 분포와 잠재적인 변화를 통해 배터리 성능에 대한 보다 명확하고 자세한 이해를 제공합니다.

Lai는 이러한 측정을 통해 전례 없는 세부사항으로 이중층 구조와 잠재적 프로필을 매핑할 수 있다고 말했습니다.

Lai는 "전통적인 방법에 비해 우리의 고해상도 접근 방식은 데이터 해상도를 50~100배 향상시킵니다."라고 말했습니다."우리는 이중층이 각각의 개별 전압이나 전위를 어떻게 보는지 파악할 수 있습니다. 이러한 동적 특성은 기존 방법으로는 포착할 수 없었던 것입니다."

연구원들은 안전하고 저렴하기 때문에 배터리 생산에 점점 더 인기를 얻고 있는 아연 배터리 전해질을 탐색하기 위해 첨단 기술을 사용했습니다.그러나 전해질 표면이 전극과 어떻게 상호 작용하는지, 그리고 이온이 이 표면을 통해 어떻게 이동하는지 알아내는 것은 어려웠다고 Lai는 말했습니다.

이온이 표면에서 이동하는 방식은 배터리 작동 효율에 영향을 미치므로 이러한 상호 작용을 이해하면 더 나은 배터리 개발에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.연구팀은 새로운 기술을 통해 이중층에 더 많은 아연 이온이 모여 배터리가 더 빠르고 효율적으로 충전된다는 사실을 발견했습니다.

그들의 분석에 따르면 아연 이온은 염화물 이온에 의해 올바른 위치로 유도되며, 이는 전극 표면에 밀접하게 달라붙어 더 많은 아연 이온을 올바른 지점으로 유도하는 데 도움이 됩니다.

Lai는 "이 전략은 충전 및 방전 중에 아연 이온이 더 빠르게 이동하도록 도와 충전 속도를 높이고 배터리를 더욱 효율적으로 만듭니다."라고 말했습니다."이제 우리는 이 배열이 얼마나 독특한지, 전반적인 성능을 어떻게 향상시켜 배터리를 더욱 효과적이고 안정적으로 만드는지 확인할 수 있습니다."

Lai에 따르면, 과학자들은 배터리의 이러한 부분이 어떻게 함께 작동하는지 더 명확하게 파악함으로써 전극과 전해질 사이의 작은 상호 작용을 더 잘 측정하고 포착할 수 있으며 이를 통해 특정 전해질 구성 요소나 이온 설계가 개선될 수 있는 이유를 이해할 수 있습니다.배터리성능.본질적으로 이 기술은 전해질이 더 잘 작동하는 이유를 이해하는 보편적인 플랫폼 역할을 할 수 있으며, 이는 미래에 보다 효율적인 배터리 설계를 안내할 수 있습니다.

Lai는 "이 중요한 인터페이스를 이해하는 것은 에너지 저장을 위한 더 우수하고 효율적이며 신뢰할 수 있는 전해질을 설계하는 데 필수적입니다."라고 말했습니다.

"개별 이온 구성과 계면 전위 프로파일을 모두 알면 계면이 어떻게 구조화되어 있는지 실제로 이해할 수 있습니다. 이는 기존 기술로는 결코 불가능했던 것입니다."

이러한 전례 없는 수준의 통찰력으로 무장한 Lai는 전해질 공학에서 상당한 발전을 이룰 수 있으며 결과적으로 미래의 청정 에너지 기반 기술이 요구할 개선된 배터리를 개발할 수 있다고 믿습니다.

"전기모세관의 현대화는 전기화학 분야의 중요한 도약을 의미합니다."라고 Lai는 말했습니다."직접적이고 정확한 연구 방법을 제공함으로써전극ㅡ전해질인터페이스, 이 기술을 통해 연구자들은 배터리 내에서 발생하는 중요한 프로세스를 더 잘 이해하고 최적화할 수 있습니다.

"고성능 배터리에 대한 수요가 지속적으로 증가함에 따라, 이번 연구는 혁신을 주도하고 배터리 성능을 개선하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.에너지 저장미래의 솔루션."