연구원들은 처음으로 리튬의 실제 모습을 드러내기 위해 부식과 싸우고 있습니다.

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표면의 리튬 원자는 부식으로부터 보호될 때 자연스럽게 마름모 십이면체(d12 주사위와 유사한 12면체 모양)를 형성합니다. 이번 발견은 지금까지 화재 위험을 초래하는 예측할 수 없는 리튬 성장으로 인해 방해를 받아온 안전한 리튬 금속 배터리 개발에 중요한 결과를 가져올 수 있습니다. 해당 연구는 네이처(Nature)에 게재되었습니다.

충전식 리튬 이온 배터리는 거의 모든 가정에서 찾아볼 수 있으며, 스마트폰부터 전기 자동차까지 모든 장치에 전원을 공급합니다. 또한 피크 시간대에 태양광 및 풍력 발전에서 생산된 잉여 에너지를 저장하는 등 산업용 에너지 저장 애플리케이션에도 광범위하게 사용됩니다.

리튬 이온 배터리는 전극을 코팅하는 새장형 탄소 구조에 양전하를 띤 리튬 원자를 저장하여 에너지를 유지합니다. 하지만 리튬이온 배터리가 나오기 전에는 리튬금속 배터리가 있었습니다. 리튬 금속 배터리는 탄소 대신 순수 리튬 금속의 얇은 시트로 전극을 코팅합니다. 이러한 작은 변화로 인해 리튬 이온 배터리에 비해 동일한 공간에 최대 10배 더 많은 리튬을 담을 수 있어 성능이 크게 향상됩니다.

그러나 충전식 리튬 금속 배터리도 훨씬 더 위험합니다. 금속 리튬은 금속이 전극에 증착되는 동안 거의 즉시 부식이 시작될 정도로 반응성이 높습니다. 이로 인해 리튬 원자가 미세한 스파이크와 가지를 형성하여 접촉할 경우 단락이 발생할 수 있습니다.

리튬 금속 배터리에 전해질을 포함하면 표면 리튬이 취하는 모양에도 영향을 미치며, 이는 부분적으로 리튬 금속 배터리가 일부 산업에서 사용하기에 안전한 것으로 간주되는 이유이기도 합니다. 지금까지 전해질 선택은 리튬이 전극 표면에 두툼한 모양, 뾰족한 모양, 기둥 모양 등을 형성할지 여부를 결정하는 주요 요소라는 것이 지배적인 견해였습니다.

이번 연구의 제1저자인 캘리포니아 로스앤젤레스 대학(UCLA) 박사과정 학생 Xintong Yuan은 “우리는 부식막을 유발하는 반응을 능가할 정도로 리튬을 너무 빨리 증착할 수 있는지 확인하고 싶었습니다.”라고 말했습니다. "그러면 우리는 필름이 없을 때 리튬이 어떻게 성장하기를 원하는지 잠재적으로 볼 수 있습니다."

연구진은 기존 방법보다 더 빠르게 리튬을 증착하는 새로운 기술을 개발했습니다. 훨씬 더 작은 전극을 통해 전류를 흐르게 함으로써 연구원들은 부분적으로 막힌 호스를 통해 밀려난 물이 더 강력하게 분출되는 것과 유사하게 효과적으로 전기를 더 빠르게 밀어내고 증착 과정의 속도를 높일 수 있었습니다.

이 기술은 4가지 서로 다른 전해질을 사용하여 리튬 금속을 적층하는 데 사용되었으며, 리튬 침전물의 모양은 저온전자현미경(cryo-EM) 이미징을 사용하여 분석되었습니다. 관찰된 모양은 유사한 조건에서 만든 추가 샘플과 비교되었지만 보다 전통적인 증착 기술을 사용했습니다.

새로운 초고속 증착 기술은 매우 빠른 속도로 리튬의 자연 부식을 능가하는 것으로 밝혀졌습니다.

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부식으로 인해 리튬은 네 가지 뚜렷한 미세한 모양을 형성했습니다. 그러나 초고속 무부식 공정을 사용하면 리튬은 항상 전극 표면에 미세한 12면체 모양을 형성합니다. 연구원들은 이것이 부식이 허용되지 않는 경우 리튬의 "진짜" 모양을 반영할 가능성이 있다고 말합니다.

"리튬 금속에 관한 수천 개의 논문이 있으며, 구조에 대한 대부분의 설명은 '두꺼운' 또는 '기둥 모양'과 같은 정성적입니다."라고 이번 연구의 교신저자이자 화학 및 생체분자 공학 조교수인 Yuzhang Li는 말했습니다. UCLA 사무엘리 공과대학.