충전식 리튬 이온 배터리는 노트북, 휴대폰, 전기 자동차에 이르기까지 우리 일상 생활의 많은 전자 제품에 전원을 공급하는 데 사용됩니다.오늘날 시중에 나와 있는 리튬 이온 배터리는 일반적으로 셀 중앙에 전해질이라고 불리는 액체 용액을 사용합니다.

배터리가 장치에 전원을 공급할 때 리튬 이온은 음으로 충전된 쪽(양극)에서 액체 전해질을 통해 양으로 충전된 쪽(음극)으로 이동합니다.배터리가 재충전될 때 이온은 음극에서 전해질을 통해 양극으로 반대 방향으로 흐릅니다.

액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 배터리는 심각한 안전 문제를 안고 있습니다. 즉, 과충전되거나 단락되면 화재가 발생할 수 있습니다.액체 전해질에 대한 보다 안전한 대안은 고체 전해질을 사용하여 양극과 음극 사이에 리튬 이온을 운반하는 배터리를 만드는 것입니다.

그러나 이전 연구에서는 고체 전해질이 배터리가 충전되는 동안 양극에 쌓이는 수상돌기(dendrites)라고 불리는 작은 금속 성장을 가져온다는 사실을 발견했습니다.이러한 수상돌기는 낮은 전류에서 배터리를 단락시켜 사용할 수 없게 만듭니다.

수상돌기 성장은 전해질과 양극 사이의 경계에 있는 전해질의 작은 결함에서 시작됩니다.인도의 과학자들은 최근 수상돌기 성장을 늦추는 방법을 발견했습니다.전해질과 양극 사이에 얇은 금속층을 추가함으로써 수상돌기가 양극으로 성장하는 것을 막을 수 있습니다.

과학자들은 이 얇은 금속층을 만들기 위한 가능한 금속으로 알루미늄과 텅스텐을 연구하기로 결정했습니다.알루미늄이나 텅스텐 모두 리튬과 혼합되거나 합금되지 않기 때문입니다.과학자들은 이것이 리튬에 결함이 형성될 가능성을 낮출 것이라고 믿었습니다.선택한 금속이 리튬과 합금된 경우 시간이 지남에 따라 소량의 리튬이 금속층으로 이동할 수 있습니다.이로 인해 리튬에 공극이라는 일종의 결함이 남게 되며, 그 곳에서 수상돌기가 형성될 수 있습니다.

금속층의 효율성을 테스트하기 위해 리튬 양극과 고체 전해질 사이에 얇은 알루미늄 층이 있는 배터리, 얇은 텅스텐 층이 있는 배터리, 금속층이 없는 배터리 등 세 가지 유형의 배터리가 조립되었습니다.

과학자들은 배터리를 테스트하기 전에 주사전자현미경(SEM)이라고 불리는 고성능 현미경을 사용하여 양극과 전해질 사이의 경계를 자세히 관찰했습니다.그들은 금속층이 없는 샘플에서 작은 틈과 구멍을 보았고 이러한 결함이 수상돌기가 성장할 가능성이 있는 장소일 가능성이 있다는 점에 주목했습니다.알루미늄과 텅스텐 층을 갖춘 배터리는 모두 매끄럽고 연속적으로 보였습니다.

첫 번째 실험에서는 24시간 동안 각 배터리에 일정한 전류가 순환되었습니다.금속층이 없는 배터리는 처음 9시간 이내에 단락되어 고장났습니다. 아마도 수상돌기 성장 때문일 것입니다.이 초기 실험에서는 알루미늄이나 텅스텐을 사용한 배터리가 모두 실패했습니다.

어떤 금속 층이 수지상 결정 성장을 더 잘 멈추는지 결정하기 위해 알루미늄과 텅스텐 층 샘플에 대해서만 또 다른 실험을 수행했습니다.본 실험에서는 이전 실험에서 사용된 전류에서 시작하여 각 단계마다 조금씩 증가하면서 전류 밀도를 증가시키면서 배터리를 순환시켰습니다.

배터리가 단락된 전류 밀도는 수지상 결정 성장에 대한 임계 전류 밀도로 여겨졌습니다.알루미늄 층을 사용한 배터리는 시동 전류의 3배에서 고장났고, 텅스텐 층을 사용한 배터리는 시동 전류의 5배 이상에서 고장났습니다.이 실험은 텅스텐이 알루미늄보다 성능이 우수하다는 것을 보여줍니다.

이번에도 과학자들은 주사전자현미경을 사용하여 양극과 전해질 사이의 경계를 검사했습니다.그들은 이전 실험에서 측정된 임계 전류 밀도의 2/3에서 금속층에 보이드가 형성되기 시작하는 것을 확인했습니다.그러나 임계전류밀도의 1/3에서는 보이드가 존재하지 않았다.이는 공극 형성이 수상돌기 성장을 진행한다는 것을 확인시켜 주었습니다.

그런 다음 과학자들은 텅스텐과 알루미늄이 에너지 및 온도 변화에 어떻게 반응하는지에 대해 우리가 알고 있는 정보를 사용하여 리튬이 이러한 금속과 어떻게 상호 작용하는지 이해하기 위해 계산 계산을 실행했습니다.그들은 알루미늄 층이 리튬과 상호작용할 때 실제로 공극이 발생할 가능성이 더 높다는 것을 입증했습니다.이러한 계산을 사용하면 향후 테스트할 다른 ​​유형의 금속을 선택하는 것이 더 쉬워집니다.

이번 연구에서는 전해질과 양극 사이에 얇은 금속층을 추가하면 고체 전해질 배터리의 신뢰성이 더 높아진다는 사실이 밝혀졌습니다.과학자들은 또한 다른 금속 대신에 하나의 금속(이 경우에는 알루미늄 대신 텅스텐)을 선택하면 배터리 수명이 더 길어질 수 있음을 보여주었습니다.이러한 유형의 배터리 성능을 개선하면 현재 시장에 나와 있는 가연성이 높은 액체 전해질 배터리를 대체하는 데 한 단계 더 가까워질 수 있습니다.