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콜로라도 대학교 볼더(Boulder) 소재 Michael Toney와 팀은 시간 경과에 따른 용량 손실에 대해 리튬 이온 배터리 코인 셀을 테스트했습니다.
A new study led by an engineer at the University of Colorado Boulder could help scientists develop better batteries, which would allow electric vehicles to run farther and last longer, while also advancing energy storage technologies that would accelerate the transition to clean energy.
콜로라도 볼더 대학(University of Colorado Boulder)의 엔지니어가 주도한 새로운 연구는 과학자들이 더 나은 배터리를 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이를 통해 전기 자동차는 더 멀리, 더 오래 지속되는 동시에 청정 에너지로의 전환을 가속화할 에너지 저장 기술을 발전시킬 수 있습니다.
Batteries lose capacity over time, which is why older cellphones run out of power more quickly. This common phenomenon, however, is not completely understood. Now, an international team of researchers has revealed the underlying mechanism behind such battery degradation.
배터리는 시간이 지남에 따라 용량이 감소하므로 구형 휴대폰의 전원이 더 빨리 소모됩니다. 그러나 이러한 일반적인 현상은 완전히 이해되지 않습니다. 이제 국제 연구진이 이러한 배터리 성능 저하의 기본 메커니즘을 밝혀냈습니다.
Their discovery is published Sept. 12 in the journal Science.
그들의 발견은 9월 12일 Science 저널에 게재되었습니다.
“We are helping to advance lithium-ion batteries by figuring out the molecular level processes involved in their degradation,” said Michael Toney, the paper’s corresponding author and a professor in the Department of Chemical and Biological Engineering. “Having a better battery is very important in shifting our energy infrastructure away from fossil fuels to more renewable energy sources.”
논문의 교신저자이자 화학생물공학과 교수인 Michael Toney는 “우리는 리튬 이온 배터리의 분해와 관련된 분자 수준의 과정을 파악함으로써 리튬 이온 배터리의 발전을 돕고 있습니다. "에너지 인프라를 화석 연료에서 재생 가능 에너지원으로 전환하려면 더 나은 배터리를 사용하는 것이 매우 중요합니다."
Engineers have been working for years on designing lithium-ion batteries—the most common type of rechargeable batteries—without cobalt. Cobalt is an expensive rare mineral, and its mining process has been linked to grave environmental and human rights concerns. In the Democratic Republic of Congo, which supplies more than half of the world’s cobalt, many miners are children.
엔지니어들은 코발트를 사용하지 않고 가장 일반적인 충전용 배터리 유형인 리튬 이온 배터리를 설계하기 위해 수년 동안 노력해 왔습니다. 코발트는 값비싼 희귀 광물이며, 그 채굴 과정은 심각한 환경 및 인권 문제와 연관되어 있습니다. 전 세계 코발트의 절반 이상을 공급하는 콩고민주공화국에서는 많은 광부들이 어린이들이다.
So far, scientists have tried to use other elements such as nickel and magnesium to replace cobalt in lithium-ion batteries. But these batteries have even higher rates of self-discharge, which is when the battery’s internal chemical reactions reduce stored energy and degrade its capacity over time. Because of self-discharge, most EV batteries have a lifespan of seven to 10 years before they need to be replaced.
지금까지 과학자들은 리튬 이온 배터리에서 코발트를 대체하기 위해 니켈과 마그네슘과 같은 다른 원소를 사용하려고 노력해 왔습니다. 그러나 이러한 배터리는 자체 방전율이 훨씬 더 높습니다. 이는 배터리의 내부 화학 반응으로 인해 저장된 에너지가 감소하고 시간이 지남에 따라 용량이 저하되는 현상입니다. 자체 방전으로 인해 대부분의 EV 배터리는 교체가 필요할 때까지 수명이 7~10년입니다.
Toney, who is also a fellow of the Renewable and Sustainable Energy Institute, and his team set out to investigate the cause of self-discharge. In a typical lithium-ion battery, lithium ions, which carry charges, move from one side of the battery, called the anode, to the other side, called the cathode, through a medium called an electrolyte. During this process, the flow of these charged ions forms an electric current that powers electronic devices.
재생 가능 및 지속 가능 에너지 연구소(Renewable and Sustainable Energy Institute)의 연구원이기도 한 Toney와 그의 팀은 자가 방전의 원인을 조사하기 시작했습니다. 일반적인 리튬 이온 배터리에서 전하를 운반하는 리튬 이온은 전해질이라는 매개체를 통해 배터리의 한 쪽인 양극에서 다른 쪽인 음극으로 이동합니다. 이 과정에서 이러한 하전된 이온의 흐름은 전자 장치에 전원을 공급하는 전류를 형성합니다.
Charging the battery reverses the flow of the charged ions and returns them to the anode.
배터리를 충전하면 충전된 이온의 흐름이 역전되어 양극으로 돌아갑니다.
Previously, scientists thought batteries self-discharge because not all lithium ions return to the anode when charging, reducing the number of charged ions available to form the current and provide power.
이전에 과학자들은 충전 시 모든 리튬 이온이 양극으로 돌아가지 않아 전류를 형성하고 전력을 공급하는 데 사용할 수 있는 충전된 이온의 수가 줄어들기 때문에 배터리가 자체 방전된다고 생각했습니다.
Using the Advanced Photon Source, a powerful X-ray machine, at the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory in Illinois, the research team discovered that hydrogen molecules from the battery’s electrolyte would move to cathode and take the spots that lithium ions normally bind to. As a result, lithium ions have fewer places to bind to on the cathode, weakening the electric current and decreasing the battery’s capacity.
연구팀은 일리노이주에 있는 미국 에너지부 산하 아르곤 국립 연구소의 강력한 X선 기계인 Advanced Photon Source를 사용하여 배터리 전해질의 수소 분자가 음극으로 이동하여 리튬 이온이 일반적으로 결합하는 지점을 차지한다는 사실을 발견했습니다. . 결과적으로 리튬 이온이 음극에 결합할 수 있는 곳이 줄어들어 전류가 약해지고 배터리 용량이 감소합니다.
“This study provides critical insights into the self-discharge behavior of layered cathode materials in lithium-ion batteries and paves the way for the rational design of high-performance and long-lasting batteries for a wide range of applications, including electric vehicles and grid energy storage,” said Argonne scientist Jun-Sang Park, a co-author of the new study.
“이 연구는 리튬 이온 배터리에서 층상 양극재의 자체 방전 거동에 대한 중요한 통찰력을 제공하고 전기 자동차 및 그리드를 포함한 광범위한 응용 분야를 위한 고성능 및 오래 지속되는 배터리의 합리적인 설계를 위한 길을 열어줍니다. 에너지 저장”이라고 새로운 연구의 공동 저자인 아르곤 과학자 박준상이 말했습니다.
Transportation is the single largest source of greenhouse gases generated in the U.S, accounting for 28% of the country’s emissions in 2021. In an effort to reduce emissions, many automakers have committed to moving away from developing gasoline cars to produce more EVs instead. But EV manufacturers face a host of challenges, including limited driving range, higher production costs and shorter battery lifespan than conventional vehicles. In the U.S. market, a typical all-electric car can run about 250 miles in a single charge, about 60% that of a gasoline car.
교통은 미국에서 발생하는 단일 최대 온실가스 배출원으로, 2021년 미국 전체 배출량의 28%를 차지합니다. 배출량을 줄이기 위한 노력의 일환으로 많은 자동차 제조업체는 휘발유 자동차 개발에서 벗어나 더 많은 EV를 생산하기로 약속했습니다. 그러나 EV 제조업체는 제한된 주행 거리, 높은 생산 비용, 기존 차량에 비해 짧은 배터리 수명 등 여러 가지 과제에 직면해 있습니다. 미국 시장에서 일반적인 순수 전기차는 1회 충전으로 약 250마일을 달릴 수 있는데, 이는 휘발유 자동차의 약 60% 수준이다.
The new study has the potential to address all of these issues, Toney said.
새로운 연구는 이러한 모든 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 Toney는 말했습니다.
“All consumers want cars with a large driving range. Some of these low cobalt-containing batteries can potentially provide a higher driving range, but we also need to make sure they don’t fall apart in a short period of time,” he said, noting that reducing cobalt can also reduce costs and address human rights and energy justice concerns.
“모든 소비자는 주행 가능 거리가 넓은 자동차를 원합니다. 이러한 저코발트 함유 배터리 중 일부는 잠재적으로 더 높은 주행 거리를 제공할 수 있지만, 단시간에 분해되지 않도록 해야 합니다.”라고 그는 말했습니다. 그는 코발트를 줄이면 비용도 절감하고 문제도 줄일 수 있다고 지적했습니다. 인권과 에너지 정의 문제.
With a better understanding of the self-discharge mechanism, engineers can explore a few ways to prevent the process, such as coating the cathode with a special material to block hydrogen molecules or using a different electrolyte.
엔지니어는 자체 방전 메커니즘을 더 잘 이해함으로써 수소 분자를 차단하기 위해 특수 재료로 음극을 코팅하거나 다른 전해질을 사용하는 등 프로세스를 방지하는 몇 가지 방법을 탐색할 수 있습니다.
“Now that we understand what is causing batteries to degrade, we can inform the battery chemistry community on what needs to be improved when designing in batteries,” Toney said.
"이제 우리는 배터리 성능 저하의 원인을 이해했으므로 배터리를 설계할 때 개선해야 할 사항에 대해 배터리 화학 커뮤니티에 알릴 수 있습니다."라고 Toney는 말했습니다.
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