접거나 잘라도 이 리튬-황 배터리는 계속 작동합니다.

장난감, 핸드헬드 진공 청소기, 전자 자전거와 같은 휴대용 기기에 전원을 공급하는 대부분의 충전식 배터리는 리튬 이온 기술을 사용합니다. 그러나 이러한 배터리는 수명이 짧을 수 있으며 손상되면 화재가 발생할 수 있습니다. 안정성과 안전 문제를 해결하기 위해 ACS Energy Letters 에 보고한 연구자들은 개선된 황화철 음극을 특징으로 하는 리튬-황(Li-S) 배터리를 설계했습니다. 한 프로토타입은 300회 충전-방전 사이클에서 매우 안정적이며, 다른 프로토타입은 접히거나 절단된 후에도 전원을 공급합니다.

유황은 비용이 저렴하고 리튬 금속 산화물과 기존 이온 기반 배터리에 사용되는 다른 물질보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 잠재력이 있어 리튬 이온 배터리의 재료로 제안되어 왔습니다.

고온에서 Li-S 배터리를 안정적으로 만들기 위해 연구자들은 이전에 탄산염 기반 전해질을 사용하여 두 전극(황화철 양극과 리튬 금속 함유 양극)을 분리하는 것을 제안했습니다. 그러나 양극의 황화물이 전해질에 용해되면서 침투할 수 없는 침전물이 형성되어 셀이 빠르게 용량을 잃습니다.

리핑 왕과 동료들은 기능과 충전성을 떨어뜨리지 않고도 이런 부식을 줄이기 위해 음극과 전해질 사이에 층을 추가할 수 있을지 고민했습니다.

연구팀은 황화철 음극을 다양한 폴리머로 코팅하고, 초기 전기화학적 성능 테스트에서 폴리아크릴산(PAA)이 가장 좋은 성능을 보이며, 300번의 충전-방전 사이클 이후에도 전극의 방전 용량을 유지한다는 것을 발견했습니다.

다음으로, 연구진은 탄산염 기반 전해질, 이온원으로 리튬 금속 호일, 흑연 기반 양극을 포함하는 프로토타입 배터리 설계에 PAA로 코팅된 황화철 음극을 통합했습니다.

그들은 파우치 셀과 코인 셀 배터리 프로토타입을 모두 생산한 후 테스트했습니다.

왕과 동료들은 100회가 넘는 충전-방전 사이클을 거친 후에도 파우치 셀에서 실질적인 용량 감소가 나타나지 않는 것을 관찰했습니다.

추가 실험 결과, 파우치 셀은 접어서 반으로 자른 후에도 여전히 작동하는 것으로 나타났습니다.

코인 셀은 300번의 충전-방전 사이클 후에도 용량의 72%를 유지했습니다.

그런 다음 그들은 다른 금속으로 만든 음극에 폴리머 코팅을 적용하여 리튬-몰리브덴과 리튬-바나듐 배터리를 만들었습니다.

이 전지는 또한 300번의 충전-방전 사이클을 거쳐도 안정적인 용량을 나타냈습니다.

왕의 팀에 따르면, 전반적으로 결과는 코팅된 음극이 수명이 긴 안전한 Li-S 배터리를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 다른 금속 황화물을 사용하여 효율적인 배터리를 생산할 수 있음을 나타냅니다.

저자들은 중국 국가자연과학기금, 중국 쓰촨성 자연과학기금, 베이징 응집물질물리학 국가연구소의 연구비 지원에 감사드립니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/09/240913105258.htm