초박형 리튬금속 음극제조를 위한 리튬 친화층을 활용한 전기증착공정 개발
초록/요약
최근 전기차와 첨단 휴대용 전자기기에 대한 수요가 급증함에 따라, 높은 에너지 저장 기술 개발이 중요해지고 있다. 특히 높은 에너지 밀도와 안전성을 동시에 달성하는 기술의 필요성이 대두되고 있다. 이러한 배경에서 리튬은 3860 mAh g–1의 높은 이론 용량과 -3.04 V(SHE)에서의 낮은 전기화학적 전위 덕분에 고에너지 배터리에 매력적인 음극 재료로 평가되고 있다. 하지만 상용화된 리튬금속은 압출 공정 특성상 한계 두께가 50 µm이므로 단위 셀의 에너지 밀도 향상에 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 전기화학 증착 공정이 개발되어 왔지만, 표면 불균일성이라는 한계점이 존재한다. 본 연구에서는 이러한 전기 증착의 한계를 극복하기 위해 균일 압력 적용, 초기 증착 시 과전압 감소를 위한 인가 전류 제어, 및 리튬 친화층을 적용하여 리튬금속 음극을 제조하였다. 균일 압력은 전기 증착 시 유연성을 가진 이온성 폴리머를 적용하여 3 MPa 이하에서 균일한 증착을 구현할 수 있었으며, 리튬 증착 시 초기에 저 전류 밀도 인가 조건을 적용하여 핵생성 과전압을 최소화하였다. 마지막으로, 리튬 친화층을 적용하여 추가적인 핵생성 과전압 감소 효과를 확인하였다. 이렇게 개발된 제조 공정을 통해 두께 25 µm를 갖는 리튬금속 음극을 적용하여 셀을 제작한 결과, 150 µm의 상용 리튬금속과 유사한 성능의 초박형 리튬금속 음극을 얻을 수 있었다. 이를 통해 제작된 초박형 리튬금속 음극은 향후 고에너지 밀도 전지로 활용될 가능성을 확인하였다.
more목차
1. 서론
2. 이론적 배경
- 2.1 전고체 전지
- 2.2 리튬금속 전지
- 2.3 초박형 리튬금속 음극
3. 실험방법
- 3.1 이온성 폴리머 제조
- 3.2 2step 전기화학 증착 공정 개발
- 3.3 실리콘 나노입자 합성
- 3.4 리튬 친화층 제조
- 3.5 초박형 리튬금속 제조
- 3.6 양극 제조
- 3.7 전기화학 분석 및 미세 구조 분석 방법
4. 결과 및 고찰
- 4.1 이온성 폴리머 층의 적용
- 4.1.1 이온성 폴리머 층 위치 최적화
- 4.1.2 이온성 폴리머 층 적용 및 초박형 리튬금속 미세 구조 분석
- 4.1.3 초박형 리튬금속의 전기화학 특성 평가
- 4.1.4 대면적 셀 적용
4.2 2step 전기화학 증착 공정
- 4.2.1 전류밀도에 따른 전기화학 증착 결과
- 4.2.2 2step 전기화학 증착 결과
- 4.2.3 초박형 리튬금속 미세 구조 분석
- 4.2.4 초박형 리튬금속의 전기화학 특성 평가
4.3 Si 기반 리튬 친화층 개발
- 4.3.1 실리콘 나노입자 함성 및 미세 구조 분석
- 4.3.2 Si-C 복합 Seed layer 미세 구조 분석
- 4.3.3 Si-C 복합 Seed layer의 Pre-lithiation
- 4.3.4 리튬 친화층의 미세 구조 분석
- 4.3.5 Pre-lithiation 공정에 따른 전기화학 증착 결과
- 4.3.6 초박형 리튬금속의 전기화학 특성 평가
4.4 최적 공정 확립
- 4.4.1 최적 공정 확립 및 리튬 전기화학 증착 결과
- 4.4.2 초박형 리튬금속의 표면 성분 분석
- 4.4.3 초박형 리튬금속의 전기화학 특성 평가
5. 결론
6. 참고문헌
