새로운 전해질은 EV 배터리가 추위를 견디는 데 도움이 될 수 있습니다

수년에 걸쳐 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도가 증가함에 따라 주행 거리가 더 길어진 전기 자동차가 탄생했습니다. 하지만 겨울철 기온에 따라 주행거리는 급격하게 떨어집니다. 이러한 배터리 성능 저하는 고객이 EV 구매를 원하지 않는다고 자주 언급하는 이유 중 하나입니다.

배터리 전해질을 재설계함으로써 연구원들은 이제 -20°C 이하의 온도에서도 작동하는 배터리를 만들었습니다. 지금까지 연구자들이 보고한 다른 방한용 배터리와 비교하면 이 배터리는 수명이 1년이 넘는 기록적인 수명을 자랑합니다.

오늘날의 배터리는 0°C~40°C 사이의 온도에서 잘 작동합니다. 보다 광범위한 배포를 위해 개발자는 -40°C ~ 60°C의 더 넓은 온도 범위에서 작동하는 배터리를 만들기 위해 노력하고 있습니다. 베이징 공과대학(Beijing Institute of Technology)의 Chong Yan은 "낮은 온도에서 리튬 이온 배터리의 높은 에너지 밀도와 긴 수명은 전천후 전기 자동차 개발의 핵심입니다."라고 말했습니다.

오늘날 추운 날씨에도 배터리가 계속 작동하도록 제조업체에서는 외부 절연과 열을 추가합니다. 그러나 이는 또한 부피를 늘리고 추가 중량을 운반하면 주행 거리가 감소합니다. 또한 고고도 드론 및 위성과 같이 무게에 민감한 애플리케이션을 위한 추운 날씨용 배터리에는 적합하지 않습니다.

많은 연구자들은 배터리 전극 사이에서 리튬 이온을 이동시키는 전해질에 초점을 맞춰 저온에서 배터리 성능을 향상시키려고 시도하고 있습니다. 추운 온도는 이러한 전해질을 두껍게 만들어 이온이 더 느리게 이동하여 용량 손실과 느린 충전으로 이어집니다. 일부 팀에서는 최근 저온 용매를 사용하여 전해질을 만들거나 내한성을 향상시키는 데 도움이 되는 전해질의 화학 첨가물을 테스트했습니다. 다른 사람들은 광범위한 온도를 처리할 수 있는 완전히 새로운 전해질을 개발했습니다.

Yan은 Tsinghua University의 Qiang Zhang 및 동료들과 함께 저온 용매 접근 방식에 중점을 두었습니다. 이러한 용제는 추운 날씨에 성능을 발휘하는 데 도움이 되지만 고온에서는 배터리 수명을 단축시키는 가스를 생성하는 것으로 알려져 있습니다. “아직 가스 생성 메커니즘과 이에 상응하는 억제 전략은 아직 알려지지 않았습니다.”라고 Yan은 말했습니다.

Matter 저널에 발표된 논문에서 연구원들은 이제 가스 생성의 메커니즘을 공개하고 이 문제에 대한 해결 방법으로 설계한 새로운 고농도 전해질을 제안합니다.

연구진은 배터리 흑연 양극 표면에 리튬 금속이 축적된 리튬 도금이 가스 발생의 주범이라는 사실을 발견했습니다. 겨울철 기온에서는 리튬 이온이 천천히 이동하기 때문에 전해질에서 흑연으로 들어갈 때 리튬 이온이 붐비는 경향이 있어 결국 일부 리튬 금속이 표면에 쌓이게 됩니다. 연구진은 일반적으로 사용되는 저온 용매인 에틸 아세테이트가 도금된 리튬과 격렬하게 반응해 수소와 에탄 가스를 생성한다는 사실을 발견했습니다. 가스 축적으로 인한 압력으로 인해 결국 전극이 깨지고 배터리가 작동하지 않게 됩니다.

이러한 가스 발생을 막기 위해 연구진은 90% 에틸 아세테이트와 10% 플루오로에틸렌 카보네이트로 구성된 용매에 평소보다 많은 양의 리튬염을 용해시켜 전해질을 만들었습니다.

연구진은 이 전해질, 흑연 양극, 니켈 80%, 코발트 10%, 망간 10%로 구성된 NMC811 음극으로 배터리 셀을 만들었습니다. NMC811 음극은 에너지 밀도가 높고 고가의 코발트 사용이 최소화되어 오늘날의 고성능 리튬 이온 배터리에 사용됩니다.

"우리가 사용하는 모든 재료는 상업적으로 이용 가능하며 제안된 전해질은 대규모로 제조하는 것이 합리적입니다"라고 Yan은 말했습니다. 이를 통해 오늘날의 일반적인 배터리 화학 및 제조 공정에 새로운 접근 방식을 쉽게 적용할 수 있습니다.

연구진은 에틸 아세테이트를 주 용매로 사용하면 배터리 셀이 -40°C까지 낮은 온도에서도 작동할 수 있음을 보여주었습니다. 리튬염은 플루오로에틸렌 카보네이트와 반응하여 양극에 리튬 이온을 전도하는 고체층을 형성하지만 필연적으로 표면을 도금하는 금속 리튬을 보호합니다. 보호층은 도금된 리튬이 에틸 아세테이트와 반응하여 가스를 형성하는 것을 방지합니다.