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전기 자동차(EV) 산업이 성장함에 따라 이를 구동하는 고품질 리튬 이온 배터리의 연구 개발도 함께 진행되고 있습니다.급속 충전 및 방전 기술의 연구 및 확장과 배터리 수명 연장이 개발의 핵심 과제입니다.
전극-전해질 계면 특성, 리튬 이온 확산, 전극 다공성과 같은 여러 요소가 이러한 문제를 극복하고 빠른 충전 및 수명 연장을 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다.
지난 몇 년 동안 2차원(2D) 나노재료(수 나노미터 두께의 시트 구조)가 리튬 이온 배터리의 잠재적인 양극 재료로 등장했습니다.이러한 나노시트는 높은 활성 사이트 밀도와 높은 종횡비를 갖고 있어 빠른 충전과 우수한 사이클링 특성에 기여합니다.
특히 전이금속 이붕화물(TDM)을 기반으로 한 2차원 나노물질이 과학계의 주목을 받았다.붕소 원자와 다가 전이 금속의 벌집형 평면 덕분에 TMD는 리튬 이온 저장 주기의 빠른 속도와 장기 안정성을 나타냅니다.
현재 일본과학기술원(JAIST)의 마츠미 노리요시(Noriyoshi Matsumi) 교수와 인도 공과대학(IIT) 간디나가르(Gandhinagar)의 카비르 자수자(Kabir Jasuja) 교수가 이끄는 연구팀은 TMD 저장의 타당성을 더욱 탐구하기 위해 노력하고 있습니다.
이 그룹은 리튬 이온 배터리용 양극 재료로서 이붕화 티타늄(TiB2) 계층적 나노시트(THNS)의 저장에 대한 첫 번째 파일럿 연구를 수행했습니다.팀에는 전 JAIST 선임 강사인 Rajashekar Badam, JAIST 기술 전문가인 Koichi Higashimin, 전 JAIST 대학원생인 Akash Varma 및 IIT Gandhinagar 학생인 Asha Lisa James 박사가 포함되었습니다.
그들의 연구 세부 내용은 ACS Applied Nano Materials에 게재되었으며 2022년 9월 19일 온라인으로 공개될 예정입니다.
TGNS는 TiB2 분말을 과산화수소로 산화시킨 후 용액을 원심분리하고 동결건조하여 얻어졌습니다.
우리 작업을 눈에 띄게 만드는 것은 이러한 TiB2 나노시트를 합성하기 위해 개발된 방법의 확장성입니다.나노물질을 유형의 기술로 전환하려면 확장성이 제한 요소입니다.우리의 합성 방법은 교반만 필요하며 정교한 장비가 필요하지 않습니다.이는 TiB2의 ​​용해 및 재결정화 거동으로 인해 발생하며, 이는 이 연구를 실험실에서 현장으로 유망하게 연결하는 우연한 발견입니다.
이후, 연구진은 THNS를 음극 활물질로 사용하여 음극 리튬이온 반전지를 설계하고 THNS 기반 음극의 전하 저장 특성을 조사했습니다.
연구진은 THNS 기반 양극이 0.025A/g의 전류 밀도에서 380mAh/g의 높은 방전 용량을 갖는다는 것을 알아냈다.또한, 1A/g의 고전류밀도에서 174mAh/g의 방전용량, 89.7%의 용량유지율, 1000사이클 후 10분의 충전시간을 확인했다.
또한 THNS 기반 리튬 이온 양극은 약 15~20A/g의 매우 높은 전류를 견딜 수 있어 약 9~14초 만에 초고속 충전을 제공합니다.고전류에서는 10,000사이클 후 용량 유지율이 80%를 초과합니다.
이 연구 결과는 2D TiB2 나노시트가 장수명 리튬 이온 배터리의 고속 충전에 적합한 후보임을 보여줍니다.또한 뛰어난 고속 성능, 유사 용량성 전하 저장 및 우수한 사이클링 성능을 포함한 유리한 특성을 위해 TiB2와 같은 나노 규모 벌크 재료의 이점을 강조합니다.
이러한 고속 충전 기술은 전기차의 대중화를 가속화하고, 각종 모바일 전자기기의 충전 대기 시간을 획기적으로 단축할 수 있다.우리의 결과가 이 분야의 추가 연구에 영감을 주어 궁극적으로 EV 사용자에게 편의성을 제공하고 도시 대기 오염을 줄이며 모바일 생활과 관련된 스트레스를 완화하여 우리 사회의 생산성을 높일 수 있기를 바랍니다.
연구팀은 이 놀라운 기술이 곧 전기자동차와 기타 전자제품에 사용될 것으로 기대하고 있습니다.
Varma, A., et al.(2022) 리튬 이온 배터리용 양극 재료로서 이붕화 티타늄을 기반으로 한 계층적 나노시트.나노소재 ACS를 적용하였습니다.doi.org/10.1021/acsanm.2c03054.
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