리튬금속전지를 위한 리튬 전착 거동에서 물질 전달의 역할

Abstract

리튬 금속 음극은 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 각광받고 있는 차세대 전지 소재 중 하나이다. 하지만 리튬 수지상의 성장과 전해질과의 높은 반응성 등으로 인해 생기는 단락에 의한 화재 위험성과 낮은 쿨롱 효율 및 수명 등의 문제점들이 리튬 금속 소재의 상용화를 막고 있다. 이를 해결하기 위해 리튬의 수지상 성장을 물리적, 화학적으로 억제하기 위한 많은 연구가 진행되어 왔지만, 그러한 노력에도 불구하고 아직까지 리튬 금속 음극이 가진 여러 장애물들이 완벽히 해결되었다고 보기는 어려운 상황이다. 이는 리튬의 성장 기작에 전극의 형태나 표면뿐 아니라, 전해질에 따른 solid electrolyte interphase(SEI)의 변화, 전지에 가해지는 물리적 압력이나 전류밀도와 용량 등 수많은 요소가 복잡하게 영향을 미치는 데 반해 그에 대한 이해가 아직 완벽하게 이루어지지 못했기 때문으로 해석할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 리튬의 성장에 관여하는 중요한 요소 중 하나가 전극 표면의 리튬 이온 농도라는 점에 착안하여, 전해질의 교반을 통해 전극의 표면에 직접적으로 리튬 이온을 전달시키며 그 영향을 확인해보았다. 먼저 전위 계단 실험의 분석을 통해 전해질의 교반을 통해 물질 전달을 해주는 것이 전착 초기에 리튬 핵 생성 속도를 증가시키는 것을 전기화학적으로 확인해보았으며, 이러한 영향을 SEM 이미지로 관찰하였다. 이후 핵 생성 과정 이후의 전착 과정에서 추가적인 물질 전달 유무에 따른 리튬 입자의 성장을 비교하여 특정 용량 이상의 리튬을 전착시킬 때에는 물질 전달이 전극 표면의 리튬 이온 고갈을 막아 성장 과정에서도 중요한 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 또한 이러한 물질 전달의 영향을 이용하여 제작한 리튬 금속 전극의 수명 특성을 확인하여 음극으로서 그 기능을 확인해보았다.

Lithium metal is considered one of the attractive anode materials due to its high energy density. However, commercialization of lithium metal batteries are hindered by problems such as risk of short circuit and low coulombic efficiency due to the growth of lithium dendrite and its high reactivity with electrolyte. Although there are many studies conducted to physically and chemically inhibit the dendritic growth of lithium, it is difficult to say that the various obstacles of lithium metal have been completely solved. This is because understanding of the complex influence of a number of factors like the change of solid electrolyte interphase(SEI), the physical pressure, the current density, and the capacity applied to the batteries as well as the shape and surface of the electrode has not yet been fully accomplished. In this study, since the concentration of lithium ions of the electrode surface is one of the important factors involved in lithium growth, stirring of electrolyte was used to directly transfer lithium ions to the electrode surface and its mass transfer effect was confirmed. The result of the potential step experiment confirmed that mass transfer through stirring of the electrolyte increases the rate of nucleation in the early stage of lithium deposition, and SEM analysis was conducted to visually confirm this effect. Subsequently, comparing of the growth of lithium particles after the nucleation process with or without additional mass transfer confirmed that mass transfer prevent the depletion of lithium ions on the surface and has an important effect in the growth process above a certain capacity. In addition, cycling test of the lithium metal electrode fabricated under the influence of mass transfer were conducted and its function as an anode was confirmed.