저렴하고 높은 에너지 밀도와 긴 사이클 수명을 가진 할로겐화물 소재 공개
| Jerry Huang
편집자 주: 에너지 저장 분야에서 전고체 전지는 차세대 에너지 저장 기술의 최고의 솔루션으로 여겨지지만, 전극 소재의 심각한 병목 현상으로 오랫동안 개발에 제약을 받아 왔습니다. 기존의 전고체 전지(ASSB)는 일반적으로 활물질, 고체 전해질, 그리고 전도성 첨가제로 구성된 전극을 사용합니다. 그러나 이러한 비활성 성분(전극 부피의 40~50%를 차지)은 에너지 밀도를 감소시킬 뿐만 아니라 계면 부반응을 유발하고 리튬 이온 수송의 굴곡을 증가시킵니다. 높은 전도도와 전기화학적 활성을 가진 "일체형(All-In-One)" 소재가 이러한 문제를 해결할 수 있지만, 산화물(저용량)이나 황화물(고비용)과 같은 기존 소재는 미래 시장의 요구를 충족하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 할로겐화물은 저비용과 높은 이온 전도도라는 장점을 제공하지만, 전자 전도도와 에너지 밀도가 부족하다는 단점이 있습니다. 따라서 높은 전기화학적 성능, 저렴한 확장성, 그리고 기계적 안정성을 모두 갖춘 일체형 소재 개발이 중요한 과제가 되었습니다.
훌륭한 사례가 있습니다. 캐나다 웨스턴 온타리오 대학교 연구팀은 Nature 연구에서 혁신적인 해답을 제시했습니다. 바로 세계 최초의 할로겐화물 물질인 Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄를 설계한 것입니다. 이 물질은 동적 자가치유 기능과 3-in-1 통합(양극/전해질/도체) 구조를 갖추고 있습니다. 가역적인 Fe²⁺/Fe³⁺ 산화환원 반응과 독특한 취성-연성 전이 메커니즘을 통해 이 물질은 3,000회 사이클 후에도 90%의 용량을 유지하며, 전극 에너지 밀도는 529.3 Wh/kg⁻¹(복합 소재 설계 시 725.6 Wh/kg⁻¹까지 확장 가능)에 달합니다. 더욱 놀라운 점은 기존 전극의 26%에 불과한 비용입니다. 싱크로트론 방사선과 원자 시뮬레이션을 통해 철 이동 유도 자가치유 메커니즘이 최초로 밝혀졌습니다! 이 연구는 전고체 전지의 핵심 소재를 개발할 뿐만 아니라, 재료, 기계, 전기화학을 통합한 일체형 설계에 대한 패러다임 수준의 사례를 제시합니다. 모든 연구진의 헌신적인 노력에 감사드립니다.
추상적인
전고체 전지는 높은 에너지 밀도와 경제성이라는 잠재력을 실현하기 위해 첨단 양극 설계가 필요합니다. 비활성 전도성 첨가제와 이종 계면을 제거하는 일체형 양극은 상당한 에너지 및 안정성 향상을 기대할 수 있지만, 충분한 Li+/e- 전도성, 기계적 견고성 및 구조적 안정성이 부족한 소재로 인해 어려움을 겪고 있습니다. 본 연구에서는 이러한 과제를 극복하는 비용 효율적인 할로겐화물 소재인 Li1.3Fe1.2Cl4를 제시합니다. 가역적인 Fe2+/Fe3+ 산화환원 반응과 빠른 Li+/e- 이동을 통해 Li1.3Fe1.2Cl4는 Li+/Li 대비 529.3 Wh/kg−1의 전극 에너지 밀도를 달성합니다. 중요한 것은 Li1.3Fe1.2Cl4가 사이클 동안 가역적인 국소적 철 이동 및 자가 회복 특성을 부여하는 취성-연성 전이를 포함한 고유한 동적 특성을 보인다는 것입니다. 이를 통해 탁월한 사이클 안정성을 확보하여 5 C의 속도로 3,000회 사이클 동안 90%의 용량 유지율을 유지합니다. Li1.3Fe1.2Cl4를 니켈 함량이 높은 층상 산화물과 결합하면 에너지 밀도가 725.6 Wh/kg−1로 더욱 증가합니다. 일체형 할로겐화물의 유리한 동적 기계적 특성 및 확산 특성을 활용하여, 본 연구는 일체형 할로겐화물을 차세대 전고체 전지에서 에너지 밀도가 높고 내구성이 뛰어난 양극 소재로 개발하는 새로운 길을 제시합니다.
참고문헌
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09153-1