더 나은 배터리 만들기

Nov 20, 2023

과학자들은 리튬 이온 배터리가 휴대폰, 장치, 자동차, 즉 우리 삶에 전력을 공급하기 위해 에너지를 방출하는 이유를 알고 있습니다. 이온이라고 불리는 충전된 리튬 원자는 액체 전해질을 통해 흑연 층으로 이동하여 전자가 흐르고 장치에 전력을 공급할 수 있습니다. 그 과정을 인터칼레이션이라고 합니다.

그러나 과학자들은 그 과정에 대해 많은 것을 이해하지 못하고 있다고 예술과학대학 화학과 부교수인 Scott Warren이 말했습니다. “리튬은 흑연에 어떻게 들어오고 나가나요? 어떻게 충전되나요? 어떻게 배출되나요?”

이러한 질문에 대한 답은 노스캐롤라이나 주 페이엣빌의 화학 전공 3학년 학생인 Miguel Reyna가 워렌의 실험실에서 찾고 있는 것입니다. $5,000의 여름 학부 연구 장학금은 Reyna의 연구를 지원합니다.

Reyna는 다양한 색상을 생성하는 인터칼레이션을 살펴보고 있습니다. 워렌은 “빨간색, 주황색, 노란색, 파란색, 보라색은 변화의 각 단계에 대한 색상입니다.”라고 말했습니다. “해당 단계는 완전히 특성화되지 않았습니다. 각 단계에서 무슨 일이 일어나고 있나요?”

Reyna는 지속적으로 단계를 재현하고 분석함으로써 연구원들의 배터리에 대한 이해를 높이고 개선하는 데 도움을 주기를 희망합니다. 한 가지 목표는 배터리에 더 많은 리튬을 저장하여 배터리 충전 시간을 늘리기 위해 에너지를 늘리는 것입니다.

“이것은 파일 캐비닛 서랍을 최대한 활용하려는 것과 같습니다. 리튬은 종이이다. 서랍에 폴더가 가득 있는데 얼마나 많은 종이를 넣을 수 있는지 궁금합니다. 그래도 작동합니다.”라고 Reyna는 말했습니다.

전압이나 전력을 높이기 위해 같은 공간에 너무 많은 리튬을 채우면 배터리가 부풀어 오르거나 누출되거나 균열이 생기거나 원치 않는 화학 반응이 일어날 수 있다고 워렌은 말했습니다.

Reyna는 두 개의 전극(하나는 양극, 다른 하나는 음극)이 있는 가정용 배터리의 해부학적 구조를 기반으로 장치를 만드는 것으로 실험을 시작합니다. 스펀지가 물을 흡수했다가 누르면 물이 방출되는 것처럼 충전 및 방전 중에 리튬 이온을 저장하고 방출합니다. 일반적으로 용해된 리튬염을 함유한 액체인 전해질은 리튬 이온이 전극 사이를 전도하거나 흐르게 하여 전기 에너지를 저장하고 생성합니다.

유리 실험실 슬라이드는 장치의 기초입니다. Reyna는 스퍼터링 기계를 사용하여 비눗방울처럼 얇고 반짝이는 티타늄 층으로 슬라이드를 코팅합니다. 그는 에폭시로 슬라이드에 테프론 프레임(소형 직사각형 창틀을 생각해 보세요)을 붙입니다. 그는 긴 핀셋을 사용하여 프레임 내부에 사람 머리카락만큼 얇은 흑연 층을 놓은 다음 전압계를 적용하여 전기가 통하는지 확인합니다.

3일 만에 에폭시가 경화되면 산소가 없는 글러브 박스라는 작업 공간으로 넘어갑니다. Reyna는 공기 잠금 장치를 통해 장치를 상자에 넣은 다음 슬라이드를 고정하기 위해 상자 구멍에 부착된 긴 고무 장갑을 끼고 내부에 접근합니다. 그는 액체 형태의 리튬을 추가하고 장치를 밀봉합니다.

그런 다음 그는 장치의 품질을 확인하기 위해 광학 현미경 아래에 장치를 놓습니다. 구조적으로 타당하다면 그는 4시간 동안 인터칼레이션을 녹화하기 시작합니다. 그가 마이그레이션 단계를 색상으로 보기를 희망하는 곳은 바로 여기입니다.

그의 목표는 장치와 실험을 일관되게 재현하고 많은 실험을 통해 표시되는 진행 패턴을 확인하는 것입니다. "우리가 색상을 완벽하게 볼 수 있도록 이 장치를 미세 조정하고 싶습니다." 그가 지속적으로 패턴을 확인하면 팀은 다른 이미징 방법을 사용하여 삽입에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.

Reyna는 "기본 사항을 이해할 수 있다면 이를 보다 효율적으로 만드는 방법을 알아낼 수 있고 어쩌면 배터리에 혁신을 가져올 수도 있습니다"라고 말했습니다.