소식

리튬 티타네이트 나노플라워(브룩헤이븐 국립 연구소)

리튬 배터리의 작동 원리는 충전 시 리튬 이온이 양극(캐소드)과 음극(애노드) 사이를 이동하고, 방전 시에는 리튬 이온이 반대 방향으로 이동한다는 것입니다. 현재 스마트폰, 노트북, 전기 자동차에 사용되는 리튬 배터리는 일반적으로 흑연 음극을 사용합니다. 충전 시에는 리튬 이온이 흑연 음극으로 이동하고, 사용 시에는 리튬 이온이 배터리에서 빠져나갑니다.

흑연은 수백, 심지어 수천 번의 충방전을 견딜 수 있지만, 에너지 집약적인 용도에는 충분한 용량을 저장할 수 없습니다. 예를 들어, 전기 자동차의 주행 거리는 충분히 길지 않습니다. 또한, 흑연은 높은 속도(전력)로 충방전할 수 없습니다. 따라서 과학자들은 대체 음극 소재를 찾아왔습니다.

리튬 티타네이트(LTO)는 리튬, 티타늄, 산소로 구성된 유망한 음극 소재입니다. LTO는 높은 충방전 속도뿐만 아니라 우수한 사이클 안정성과 대용량 리튬 이온을 수용할 수 있는 충분한 공간을 제공합니다. 그러나 LTO의 낮은 전도성은 소재 내 리튬 이온의 확산 속도를 느리게 만들 수 있습니다.

외신 보도에 따르면, 스토니브룩 대학교 재료과학 및 화학공학과 겸임교수이자 화학과 조교수인 에이미 마스칠록은 순수 LTO의 가용 용량은 적당하지만 전기를 빠르게 전송할 수는 없다고 밝혔습니다. 에이미 마스칠록은 미국 에너지부 산하 브룩헤이븐 국립연구소의 메조스케일 수송 특성 센터(Center for Mesoscale Transport Properties) 부소장이자 에너지 저장 부문 관리자 겸 과학자이기도 합니다. 그녀는 또한 고속 배터리 소재가 전기 자동차, 휴대용 전동 공구, 그리고 몇 분 안에 에너지를 빠르게 저장해야 하는 비상 전력 시스템과 같은 분야에 매우 매력적이라고 말했습니다.

마르칠록은 또한 2014년부터 LTO 연구에 협력해 온 브룩헤이븐 국립 연구소 스토니 크릭 팀의 일원입니다. 최근 연구에서 이 팀은 도핑 과정을 통해 LTO에 염소를 첨가하여 용량을 12%만큼 증가시켰습니다.

석시대학교 화학과의 뛰어난 교수이자 학생 연구팀의 중요한 연구원인 스타니슬라우스 웡은 제어된 도핑 공정이 재료의 전자적 및 구조적 특성을 변화시킬 수 있다고 주장했습니다. 저희 연구팀은 화학적 지식을 활용하여 유리한 구조적 특성 상관관계를 설계하는 데 관심을 두고 있습니다. LTO의 경우, 도핑된 원자를 추가하면 전도도를 향상시키고 격자를 확장하며 리튬 이온 전달 채널을 넓힐 수 있습니다. 과학자들은 다양한 유형의 도펀트를 시험해 보았지만, 염소에 대한 연구는 많지 않았습니다.

염소로 도핑된 LTO를 제조하기 위해 연구팀은 수열 합성이라는 용액법을 사용했습니다. 수열 합성 과정에서 과학자들은 관련 전구체(원하는 생성물을 생성하는 데 사용되는 반응 물질)가 포함된 용액을 물에 첨가하고, 혼합물을 밀봉된 용기에 넣고, 비교적 적당한 온도와 압력에서 일정 시간 동안 방치했습니다. 이 경우, 실험 규모를 확장하기 위해 과학자들은 이전 반응에서 사용된 고체 티타늄 호일 대신 액체 티타늄 전구체를 선택했습니다. 순수 LTO와 염소로 도핑된 LTO를 36시간 동안 수열 합성한 후, 과학자들은 필요한 물질을 분리하기 위해 추가적인 화학 처리 단계를 수행했습니다. 연구팀은 또한 브룩헤이븐 국립 연구소의 기능 나노물질 센터(CFN) 전자 현미경 시설에서 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 이미징 연구를 수행했으며, 두 샘플 모두 꽃 모양의 나노 구조를 가지고 있음을 발견했는데, 이는 화학 처리 과정이 물질의 원래 구조를 손상시키지 않았음을 나타냅니다.

웡은 우리의 새로운 합성법이 빠르고 균일하며 효율적인 반응을 촉진하여 이러한 3D 나노플라워의 대량 생산을 가능하게 한다고 밝혔습니다. 이 독특한 구조는 넓은 표면적을 가지고 있으며, 꽃잎이 중앙에서 바깥쪽으로 방사형으로 뻗어 있어 리튬 이온이 재료 내부로 유입되는 여러 경로를 제공합니다.

과학자들은 염소, 리튬, 전구체의 농도, 전구체의 순도, 그리고 반응 시간을 변화시킴으로써 고결정 나노물질을 생성하는 최적의 조건을 발견했습니다. 과학자들은 최적화된 샘플을 사용하여 여러 차례 전기화학적 실험을 수행한 결과, 배터리를 30분 동안 고속으로 방전했을 때 염소가 도핑된 LTO가 높은 가용 용량을 나타냈으며, 이 성능은 100회 이상의 충방전 사이클 이후에도 유지됨을 확인했습니다.

성능 향상의 원인을 이해하기 위해 연구팀은 계산 이론을 사용하여 염소 도핑으로 인한 구조적 및 전자적 변화를 모델링했습니다. 염소로 도핑된 LTO의 가장 안정적인 기하학적 구조를 계산하는 과정에서 연구팀은 염소가 LTO 구조에서 산소의 위치를 대체하는 것을 선호한다는 것을 발견했습니다.

다음으로, 연구팀은 3D 나노플라워의 형태가 리튬 이온 수송에 어떤 영향을 미치는지 연구할 것입니다. 또한, 리튬 이온 수송을 개선하기 위해 원자 수준의 양극 및 음극에 사용되는 대체 소재도 연구하고 있습니다.