Surface engineering of lithium metal anode for stable lithium metal battery

Abstract

Batteries constitute a core technology in modern society. Batteries are found in many devices, including smartphone, smart watch, laptop, and electric vehicle, all commonly used in daily life. As the demand for batteries has increased, various studies on batteries have been conducted. One of the major topics in this field is the expansion of battery capacity, which corresponds to a key consumer concern. In order to increase capacity, it is necessary to use an electrode material of high capacity. However, the graphite-based negative electrode material continues to impose various constraints in commercialized battery production. Lithium (Li) metal is emerging as a promising next-generation material for negative electrodes with its superior capacity, low electrochemical potential, and low density. Attempts have been made to use Li metal, but obstacles remain, such as stability and safety issues. Li metal is a hostless material, so instead of maintaining the solid electrolyte interphase (SEI) layer, it will continually expand volumetrically and break. Retention of a stable SEI layer is thus a key element in implementation of Li metal as a negative electrode. Li ion flux is concentrated on the broken gap and dendrite growth, causing an internal short circuit or increasing surface resistance due to an accumulation of electrolyte decomposition, ultimately decreased cycle stability. This paper deals with three studies of SEI layer stabilization. The first part presents a method of uniformly distributing the current density by applying a 3D structure to the Li metal surface. The second part introduces a method of polymer protective coating on the Li metal surface applied by thermal curing. The third part consists of a method of imparting a lithium fluoride layer to the Li surface through thermal curing. These methods have shown to improve the stability of the Li metal surface and thus the safety of the Li metal battery.

배터리는 현대사회의 핵심 기술이다. 우리가 일상생활에서 흔히 사용하는 스마트폰, 스마트워치, 노트북에서부터 전기 자동차에 이르기까지 대부분의 소자에 배터리를 사용하고 있다. 소비자는 한번 충전했을 때 더 오랜 시간 사용하기를 원하는데 배터리 기술에서 용량은 가장 중요한 부분을 차지한다. 배터리는 음극과 양극, 전해질과 분리막으로 나눌 수 있는데, 용량을 높이기 위해서는 음극과 양극에서 높은 용량을 갖는 전극 물질을 사용해야 한다. 리튬 금속은 음극 물질 중에서도 이론 용량이 가장 높고 전기화학 전위가 낮아 차세대 고용량 전지의 물질로 각광을 받고 있다. 하지만 리튬 금속의 표면 안정성 문제는 상업화의 걸림돌이 되어 여전히 흑연 기반의 음극 물질에 머무르고 있다. 이 논문에서는 리튬 금속 표면을 제어하기 위한 세 가지 연구를 다룬다. 첫 번째 연구는 리튬 금속 표면에 스테인리스강 성분의 3차원 구조를 적용하는 것이다. 3차원 구조는 리튬 금속 표면에서 부피 팽창하는 힘을 완화시켜주고 전류 밀도를 분산시켜 주기 때문에 리튬이 수지상으로 성장하는 것을 막아준다. 그리고 전자 이동 경로를 제공하여 높은 쿨롱 효율을 유지할 수 있도록 도와준다. 이를 리튬 금속 전지를 제작하여 적용했을 때 향상된 수명 특성을 보여주었다. 두 번째 연구는 열 경화를 통해 리튬 금속 표면에 고분자 층을 형성하는 것이다. 사용한 고분자는 ethylene oxide unit을 갖고 있기 때문에 리튬 금속 표면에서 리튬 이온을 전달해 주는 역할과 동시에 리튬 금속의 부피 팽창을 억제해 준다. 전기화학 특성 실험을 통해 제작된 고분자 보호막 층이 리튬 금속 표면을 안정화 시켜준다는 것을 확인하였다. 얇고 가벼운 고분자 층을 사용하기 때문에 전지 시스템에서 에너지 밀도 손실을 최소화로 줄여준다. 세 번째 연구는 열 경화를 통해 리튬 표면에 lithium fluoride (LiF) 층을 부여하는 것이다. LiF 는 solid electrolyte interphase (SEI) 층의 주요 구성 성분으로 전기화학적으로 가장 안정하기 때문에 리튬 금속에 LiF 층이 형성되면 SEI 층을 보다 안정하게 유지시킬 수 있다. LiF를 리튬 금속 표면에 적용하는 방법이 복잡한 이전 연구와는 다르게 리튬 금속 표면에 보호막 층을 코팅하여 열을 가하기만 하면 형성되는 매우 간단한 방식으로 제작되었다. 이 보호막 층은 리튬 금속 전지에서 우수한 특성을 보여준다. 이 논문에서 제시된 연구들은 공정이 간단하면서도 더 얇고 더 가볍게 제작되어 보호막의 근본적인 단점이라고 할 수 있는 에너지 밀도 손실을 최소화하는 방향으로 실험이 진행되었다. 이 기술들은 리튬 금속 음극을 상용화할 수 있는 가능성을 제시해 준다.