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Nov 30, 2023

연소를 이용해 더 나은 배터리 만들기

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한 세기가 넘는 기간 동안 세계의 대부분은 화석 연료 연소에 의존해 왔습니다. 이제 기후변화의 위협을 막기 위해 에너지 시스템이 변화하고 있습니다. 특히, 태양열과 풍력 시스템은 전기와 열 생산을 위해 화석 연료 연소를 대체하고 있으며, 배터리는 차량 동력을 위한 내연 기관을 대체하고 있습니다. 에너지 전환이 진행됨에 따라 전 세계 연구자들은 발생하는 많은 과제를 해결하고 있습니다.

Sili Deng은 연소에 관해 생각하며 경력을 쌓았습니다. 현재 MIT 기계 공학과의 조교수이자 1954년 경력 개발 교수인 Deng은 무엇보다도 연소 시스템을 이해하고 제어하여 연소 시스템을 보다 효율적으로 만들고 형성을 제어하는 ​​데 도움이 되는 이론적 모델을 개발하는 그룹을 이끌고 있습니다. 그을음 입자를 포함한 배출물.

"그래서 우리는 연소 분야의 배경을 고려할 때 에너지 전환에 기여할 수 있는 가장 좋은 방법이 무엇인지 생각했습니다." 뎅이 말한다. 가능성을 고려하면서 그녀는 연소가 연소되는 것이 아니라 과정만을 의미한다고 지적합니다. "우리는 일반적으로 연소를 생각할 때 화석 연료를 생각하지만, '연소'라는 용어는 산소를 포함하고 일반적으로 빛과 많은 양의 열을 방출하는 많은 고온 화학 반응을 포함합니다."라고 그녀는 말합니다.

이러한 정의에 따라 그녀는 자신과 팀이 개발한 전문 지식의 또 다른 역할을 보았습니다. 즉, 연소를 사용하여 에너지 전환을 위한 재료를 만드는 방법을 탐구할 수 있었습니다. 세심하게 통제된 조건에서 연소 불꽃은 오염을 일으키는 그을음이 아닌 리튬 이온 배터리 제조에 중요한 일부 물질을 포함하여 귀중한 물질을 생성하는 데 사용될 수 있습니다.

비용 절감을 통한 리튬이온 배터리 개선

리튬이온 배터리에 대한 수요는 향후 수십 년 동안 급증할 것으로 예상됩니다. 점점 늘어나는 전기 자동차에 전력을 공급하고, 태양광 및 풍력 시스템에서 생산된 전기를 나중에 해당 에너지원이 생산되지 않을 때 전달할 수 있도록 저장하려면 배터리가 필요합니다. 일부 전문가들은 리튬 이온 배터리에 대한 전 세계 수요가 향후 10년 동안 10배 이상 증가할 것으로 예상합니다.

이러한 전망을 바탕으로 많은 연구자들은 리튬이온 배터리 기술을 개선할 수 있는 방법을 찾고 있습니다. Deng과 그녀의 그룹은 재료 과학자가 아니기 때문에 새롭고 더 나은 배터리 화학 물질을 만드는 데 집중하지 않습니다. 대신, 그들의 목표는 모든 배터리를 제조하는 데 드는 높은 비용을 낮추는 방법을 찾는 것입니다. 그리고 리튬 이온 배터리를 만드는 데 드는 비용의 대부분은 두 개의 전극 중 하나인 음극을 만드는 데 사용되는 재료를 제조하는 데 사용됩니다.

MIT 연구진은 현재 양극재를 생산하는 데 사용되는 방법을 고려하여 비용 절감 방법을 찾기 시작했습니다. 원자재는 일반적으로 배터리가 충전 및 방전될 때 움직이는 전기적으로 충전된 입자인 이온을 제공하는 리튬을 포함한 여러 금속의 염입니다. 처리 기술은 완성된 배터리에서 최고의 성능을 제공할 특정 결정 구조로 배열된 원자와 함께 각 성분의 혼합물로 구성된 작은 입자를 생성하는 것을 목표로 합니다.

지난 수십 년 동안 기업들은 공침(coprecipitation)이라는 2단계 공정을 사용하여 이러한 양극재를 제조해 왔습니다. 첫 번째 단계에서는 리튬을 제외한 금속염이 물에 용해되어 화학 반응기 내부에서 완전히 혼합됩니다. 혼합물의 산도(pH)를 변경하기 위해 화학 물질을 첨가하면 결합된 염으로 구성된 입자가 용액에서 침전됩니다. 그런 다음 입자를 제거하고, 건조하고, 갈아서 체에 통과시킵니다.

pH의 변화로 인해 리튬이 침전되지 않으므로 두 번째 단계에서 리튬이 첨가됩니다. 고체 리튬은 리튬 원자가 입자에 침투할 때까지 첫 번째 단계부터 입자와 함께 분쇄됩니다. 그런 다음 생성된 물질을 가열하거나 "어닐링"하여 완전한 혼합을 보장하고 목표 결정 구조를 달성합니다. 마지막으로, 입자는 함께 결합된 입자를 분리하는 "해체 장치"를 통과하고 음극 물질이 나옵니다.