책임을 주도하다: 새로운 연구로 에너지 분야의 길을 열다

과학 기술

1940년대부터 과학자들은 보다 효율적인 배터리를 만들기 위해 산화니오븀, 특히 T-Nb2O5로 알려진 산화니오븀의 한 형태를 사용하는 방법을 연구해 왔습니다. 이 독특한 소재는 배터리를 작동시키는 작은 충전 입자인 리튬 이온이 내부에서 빠르게 움직일 수 있도록 하는 능력으로 알려져 있습니다. 이러한 리튬 이온이 더 빠르게 움직일수록 배터리 충전 속도도 빨라집니다.

그러나 이 산화니오븀 물질을 실제 응용에 사용할 수 있을 만큼 품질이 충분히 높은 얇고 평평한 층 또는 "필름"으로 성장시키는 것이 항상 과제였습니다. 이 문제는 T-Nb2O5의 복잡한 구조와 산화니오븀의 많은 유사한 형태 또는 다형체의 존재로 인해 발생합니다.

Nature Materials에 발표된 논문에서 펜실베니아 대학 Andrew Rappe 연구 그룹의 구성원은 Max Planck 연구소 및 캠브리지 대학의 연구자들과 협력하여 고품질의 T-Nb2O5 단결정층 성장을 성공적으로 입증했습니다. 리튬 이온이 훨씬 더 빠르게 움직일 수 있도록 정렬되었습니다.

Rappe는 “이러한 극적인 변화를 통해 고속 배터리 충전부터 에너지 효율적인 컴퓨팅에 이르기까지 다양한 잠재적 애플리케이션이 가능해졌습니다.”라고 말했습니다.

"음극에 리튬을 저장하는 기존 방식은 일반적으로 오늘날의 배터리에서 볼 수 있는 것과 같이 구조를 방해하는 경향이 있는 재결정화 과정에 의존합니다"라고 Rappe Group의 전 박사후 연구원인 공동 저자 Zhen Jiang은 말합니다.

예술 및 과학 대학원생인 Aaron Schankler는 다음과 같이 덧붙입니다. “Max Planck와 캠브리지 대학 팀이 수행한 일은 결정 구조를 방해하지 않는 방식으로 리튬 이온을 이동시키는 방법을 찾은 것입니다. 우리는 T-Nb2O5 박막을 사용하여 이온이 빠르고 가역적으로 들어오고 나갈 수 있는 이유를 합리화하는 데 도움을 주었습니다."

Rappe는 T-Nb2O5를 리튬 이온이 자동차이고 T-Nb2O5의 구조가 개방형 채널 또는 경사로를 형성하여 자동차가 층 사이를 위아래로 이동할 수 있는 다층 자동차 주차 구조에 비유합니다.

“T-Nb2O5를 성장시켜 이러한 채널이 수직으로 또는 '위아래로' 움직이도록 함으로써 우리 팀은 리튬 이온이 훨씬 더 빠르게 움직일 수 있게 했으며, 이를 통해 우리 시스템의 음극 단자에 있는 원자 사이의 리튬 이온입니다.”라고 Max Planck Institute의 제1저자 한현은 말합니다.

Rappe는 캠브리지 대학의 연구원들이 그의 팀과 긴밀히 협력하여 리튬 이온 농도가 변화함에 따라 물질 구조에서 이전에 알려지지 않은 여러 전이를 발견했다고 지적했습니다.

이러한 전이는 재료의 전자적 특성을 변화시켜 절연체에서 금속으로 전환할 수 있도록 합니다. 즉, 전류 차단에서 전도로 전환됩니다. 이것은 극적인 변화입니다. 물질의 저항은 1,000억 배 감소합니다.

Penn 팀은 밀도 함수 이론 계산을 통해 전이의 안정성을 발생시키는 데 필요한 조건을 이론화하는 컴퓨터 작업을 개발했습니다. 밀도 함수 이론 계산은 다체 시스템, 특히 원자, 분자의 전자 구조를 조사하는 데 사용되는 양자 역학적 방법입니다. 응축 단계. Rappe는 이 방법을 사용하여 팀이 다양한 조건에서 재료 거동을 계산하고 예측할 수 있다고 말했습니다.

그는 이론적 계산이 그들이 관찰한 다중 상전이뿐만 아니라 이러한 상이 리튬 이온의 농도 및 결정 구조 내 배열과 어떻게 관련될 수 있는지를 합리화하는 데 도움이 되었다고 말했습니다. 이러한 이해를 통해 연구원들은 T-Nb2O5 박막의 전자 특성을 효과적으로 제어하고 조작할 수 있었습니다.

Rappe Group의 전 박사후 연구원인 Arvin Kakekhani는 "원자 시뮬레이션 계산은 학계의 과학 기초뿐만 아니라 산업의 다양한 기술을 발전시키는 데 큰 이점을 제공합니다."라고 말합니다. "이 연구는 중요한 전고체 배터리와 전자 재료의 전기적 특성에서 리튬 확산의 역할을 밝히면서 이러한 계산이 어떻게 실험을 보완할 수 있는지 보여줍니다."