Fabrication and Electrochemical Properties of High Energy Density Ultra thin Li metal Anode for Next-generation Batteries.
고 에너지밀도의 차세대 전지를 위한 초박형 리튬 메탈 음극 제조 및 전기화학 특성 연구
- 주제(키워드) 리튬 메탈 , 차세대 전지 , 초박형 리튬 음극 , Ultra-thin Li
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 윤우영
- 지도교수 장보윤
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 2
- 학위구분 석사
- 학과 대학원 신소재공학과
- 세부전공 신소재공학 전공
- 원문페이지 90 p
- 비고 한국에너지기술연구원
- UCI I804:11009-000000257557
- DOI 10.23186/korea.000000257557.11009.0001235
- 본문언어 한국어
초록/요약
고 에너지밀도의 차세대 전지를 위한 초박형 리튬 메탈 음극의 제조 및 전기화학 특성 연구 이 형 진 고려대학교 신소재공학과 지도 교수 : 윤우영, 장보윤 초 록 소형 가전제품부터 전기자동차 및 ESS까지의 배터리 시장이 확대됨에 따라, 보다 높은 에너지 밀도의 전지에 대한 수요가 증가하고 있다. 이러한 요구를 충 족시키기 위해 높은 안전성과 에너지 밀도를 가지는 전고체 전지가 주목받고 있 다. 전지의 에너지 밀도를 높일 수 있는 한 방법으로 고 전압의 단위 셀을 적용 하는 것이 있다. 단위 셀의 높은 전압은 적용 제품이 요구하는 구동 전압을 적 은 수의 셀로 충족할 수 있기 때문이다. 따라서 낮은 환원 전위와 높은 이론용 량을 가지는 리튬 음극소재가 차세대 전지의 유망한 후보로 제안되고 있다. 하 지만, 상용화 된 리튬 메탈은 압출 공정 특성 상 한계 두께가 50um 이므로 단 위 셀의 에너지밀도 향상에 어려움이 있다. 따라서, 본 연구에서는 실리콘 나노 입자를 적용하여 초박형 리튬 메탈 제조를 위한 Li host (Seed layer)를 구축하 고 리튬 친화성을 극대화하여 안정적인 전기화학적 리튬 증착을 유도했다. 이를 통해 제작된 초박형 리튬 음극은 10mA/cm2의 전류밀도에서 균일하면서도 5 – 30um의 안정적인 두께 조절이 가능함을 확인하였다. 또한 전기화학적 특성 분 석을 위해 액체전해질 및 고체전해질을 적용하였다. 제작된 초박형 리튬 음극은 Seed layer에 의해 보다 치밀하고 균일한 리튬 층을 형성함으로써 상용 구리 집 전체로 제작된 초박형 리튬에 비해 향상된 셀 수명 특성을 보였으며 상용 리튬 메탈과 동일한 전기화학적 거동을 확인했다. Seed layer를 통해 제작된 초박형 리튬메탈 음극은 향후 고에너지밀도 전지로의 활용될 가능성을 확인했다.
more초록/요약
Fabrication and Electrochemical Properties of High Energy Density Ultra-thin Li metal Anode for Nextgeneration Batteries. Hyeong Jin Lee Department of Materials Science & Engineering Graduate School Korea University Supervised by Prof. Woo Young Yoon, Bo-Yun Jang Abstract Recently, the battery market is explosively growing up as demand for high energy density battery. For a reason of high energy density and safety All solid states battery is one of the novel candidates to meet these requirements. One of the ways to increase battery’s energy density is applying a high voltage unit cell. Because of the high voltage unit cell is could meet the appliance's driving voltage with more less number of cells. The lithium metal anode with the lowest reduction potential and high theoretical capacity is had been suggested as a promising candidate for next-generation batteries. However, since the commercialized lithium metal thickness could be reach only 50 μm due to limit of typical roll-press process, so difficult to improve the energy density of the cell. Therefore, in this research we designed a Lihost (seed layer) to manufacture ultra-thin lithium metal by applying silicon nanoparticles to maximized lithiophilicity for induce stable electrochemical lithium deposition. Applying this process, we found that our ultra-thin lithium anode can be adjust the thickness of Li in range of 5–30 μm while being uniform at a current density of 10 mA/cm2 . Also, electrochemical property analysis was performed in liquid electrolyte and a solid electrolyte. The manufactured ultra-thin lithium anode forms a more dense and uniform lithium layer due to seed layer. It shows not only improved cell cycle property compared to lithium anode manufactured with commercial bare copper foil. but also, confirming the same electrochemical behavior as a commercial lithium metal. Therefore, the ultra-thin lithium metal anode manufactured through the seed layer could be used for improving energy density of next generation batteries in the future.
more목차
목차
초록
목차
그림 목차
제1장 서 론 ·······················1
제2장 이론적 배경 ····················3
2.1 전고체 전지 ······················· 3
2.2 리튬메탈 전지 ······················ 4
2.2 초박형 리튬 메탈 음극 ·················· 6
제3장 실험방법 ······················8
3.1 Seed layer 제조 ····················· 8
- 3.1.1 실리콘 나노입자 합성 ·················· 8
- 3.1.2 Seed layer 제조 ····················· 10
- 3.1.3 양극 제조 ························ 12
3.2 초박형 리튬 메탈의 제조 및 전지 제작 ········· 12
3.3 소재 미세구조 분석 및 전기화학적 분석 방법 ······ 16
제4장 결과 및 고찰 ··················· 17
4.1 Seed layer ······················ 17
- 4.1.1 실리콘 나노입자의 미세구조 분석 ············· 17
- 4.1.2 Seed layer의 미세구조 분석 ··············· 21
4.2 Seed layer의 Pre-lithiation ·············· 26
- 4.2.1 Seed layer 조성에 따른 미세구조 분석 ·········· 26
4.3 전기화학적 리튬 증착 ················· 34
- 4.3.1 리튬 증착 전류밀도에 따른 미세구조 및 전기화학 특성분석 · 34
- 4.3.2 Seed layer 조성에 따른 미세구조 및 전기화학 특성 분석 · 50
4.4 Half cell 특성평가 ··················· 60
- 4.4.1 N/P ratio에 따른 전기화학특성 분석 ··········· 60
4.5 Full cell 특성 평가··················· 64
- 4. 5. 1 액체 전해질에서의 전기화학적 특성 평가 ········ 64
- 4. 5. 2 고체 전해질에서의 전기화학적 특성 평가 ········ 69
제5장 결론 ······················· 77
참고문헌 ························ 79
