어떤 신기술이 세상을 극적으로 변화시킬까? 세계 최고의 연구소에서 나오는 놀라운 혁신을 독점 소개합니다.

최근 「Nature Energy」에서 발표된 바와 같이, 리튬 이온 배터리의 집전장치(current collector)에 폴리머와 내화재를 추가하면 배터리가 더 가볍고 안전해짐과 동시에 효율은 20% 상승하는 것으로 나타났다.

스탠포드 대학과 미국 에너지부 소속 과학자들은 집전장치로 알려진 구리 또는 알루미늄 호일 시트 중 하나를 재설계했는데, 무게는 80% 더 가볍고, 발생하는 화재도 즉각 처리되는 것을 확인했다. 이 기술은 배터리 연구의 두 가지 주요 목표를 해결할 수 있다. 전기 자동차의 주행 범위를 확대하고 노트북, 휴대폰 및 기타 장치가 폭발할 위험을 줄이는 것이다. 후자는 특히 더 중요한데 초고속으로 충전될 때 배터리에 손상이 발생해 화재를 일으킬 수 있기 때문이다.

집전장치는 변화가 거의 없는 무게, 즉 데드 웨이트(dead weight, 사하중)로 항상 인식되어 왔고, 지금까지 배터리 성능을 향상시키는 데 집전장치는 큰 역할을 해오지 못했다. 그러나 이 연구에서 집전장치를 80% 더 가볍게 만들면 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 16~26% 증가했다. 이는 최근 몇 년간 달성한 에너지 밀도 평균 3% 증가에 비해 매우 큰 성과라 할 수 있다.

배터리 산업의 연구자들은 집전장치 전체를 더 얇거나 더 다공성으로 만들어 집전장치 무게를 줄이고자 노력해 왔지만 이러한 시도는 배터리 내구성이 약해지고, 화학적으로 더 불안정하게 되는, 그리고 더 많은 전해질을 필요로 하는 비용 상승 문제 등 바람직하지 않은 부작용을 가져왔다.

안전 문제에 관해서는 어떨까? 연구자들은 가연성 부품인 배터리 전해질에 난연제를 첨가하는 시도를 했지만 점성이 생기고 더 이상 이온을 잘 전도하지 못하는 수준까지만 첨가할 수 있었다.

그러나 이 새로운 설계는 폴리이미드(polyimide)라는 경량 폴리머를 기반으로 하여 화재에 강하고 빠른 배터리 충전으로 인한 고온을 견뎌낸다. TPP로 불리는 난연제가 폴리머에 내장되고, 이후 한 양쪽 표면에 초박형 구리층이 코팅되었다. 구리는 전류를 분배하는 일반적 역할을 할뿐만 아니라 폴리머와 난연제를 보호하기도 한다.

이 새로운 접근 방식의 큰 장점 중 하나는 새로운 집전장치가 구리 일부를 저렴한 폴리머로 대체하기 때문에 제조가 쉽고 저렴할 것이란 점이다. 또한 상업적 생산을 위해 규모 확대가 가능할 것이다. 연구자들은 스탠포드대학을 통해 특허를 신청했고, 이 새로운 설계의 가능성을 타진하기 위해 배터리 제조기업들과 연락을 취하고 있다.

References
Nature Energy, October 15, 2020, “Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries,” by Yusheng Ye, et al.  © 2020 Springer Nature Limited. All rights reserved.

To view or purchase this article, please visit:
https://www.nature.com/articles/s41560-020-00702-8
(Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries chr(124)_pipe Nature Energy)

As recently explained in Nature Energy, adding polymers and fireproofing to a lithium-ion battery’s current collectors makes it lighter, safer and about 20 percent more efficient.

Scientists at Stanford University and the U.S. Department of Energy have re-engineered one of the sheets of copper or aluminum foil known as current collectors, so they weigh 80 percent less and immediately quench any fires that flare-up.  This technology could address two major goals of battery research: extending the driving range of electric vehicles and reducing the danger that laptops, cell phones, and other devices will burst into flames. The latter is especially important when batteries are charged super-fast, creating battery damage that can lead to fires.

The current collector has always been considered dead weight, and until now it hasn’t been successfully exploited to increase battery performance.  But in this study, making the collector 80 percent lighter increased the energy density of lithium-ion batteries by 16 to 26 percent. That’s a big jump compared to the average increase of 3 percent in energy density achieved in recent years.

Researchers in the battery industry has been trying to reduce the weight of current collectors by making them thinner or more porous, but these attempts have had unwanted side effects, such as making batteries more fragile, more chemically unstable, or requiring more electrolytes, which raises the cost.

As far as the safety issue goes, “People have also tried adding fire retardant to the battery electrolyte, which is the flammable part, but you can only add so much before it becomes viscous and no longer conducts ions well.”

The design is based on a lightweight polymer called polyimide, which resists fire and stands up to the high temperatures created by fast battery charging.  A fire retardant called TPP was embedded in the polymer, which was then coated on both surfaces with an ultrathin layer of copper.  The copper not only does its usual job of distributing current, but it also protects the polymer and its fire retardant.

One of the big advantages of this approach is that the new collector should be easy to manufacture and be cheaper because it replaces some of the copper with an inexpensive polymer.  Furthermore, d up for commercial production should be very doable. The researchers have applied for a patent through Stanford, and they are contacting battery manufacturers to explore the possibilities.

References
Nature Energy, October 15, 2020, “Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries,” by Yusheng Ye, et al.  © 2020 Springer Nature Limited. All rights reserved.

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(Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries chr(124)_pipe Nature Energy)