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리튬 금속 음극의 수명 특성 향상을 위한 금속-가스 반응 기반 인공 고체 전해질 계면 형성

Formation of Metal-Gas Reaction-Based Artificial Solid Electrolyte Interphase for Enhanced Cycle Life of Lithium Metal Anodes

  • 안효진 (Hyojin An, 대학원 신소재공학과 신소재공학전공)

초록/요약

리튬 금속은 3,860 mAh/g의 높은 이론적 비용량과 0.53 g/cm3의 낮은 밀도로 인해 유망한 음극으로 주목받고 있다. 그러나 높은 반응성으로 인해 충·방전 과정에서 리튬 금속 표면에 원치 않는 리튬 덴드라이트가 발생한다. 고체 전해질 계면(Solid Electrolyte Interphase, SEI)의 형성은 리튬 금속의 탈리 과정에서 리튬 덴드라이트 성장을 억제하는 효과적인 접근법 중 하나이다. 일반적으로 SEI는 액체 전해질 내 유기 용매나 첨가제의 분해를 통해 최초 충전 과정에서 생성된다. 그러나 이렇게 형성된 SEI는 리튬 덴드라이트의 성장 압력을 견딜 만큼의 기계적 강도를 갖지 못한다. 따라서 더 높은 기계적 강도를 가지는 인공 고체 전해질 계면(Artificial SEI, ASEI) 층을 형성하는 추가 공정이 리튬 덴드라이트 성장을 억제하기 위한 대안으로 고려된다. ASEI 층을 형성하기 위한 다양한 공정 중 금속-가스 반응은 리튬 금속의 높은 반응성 덕분에 추가 용매나 후처리 공정 없이도 균일한 산화층을 형성할 수 있어, 간단하면서도 효과적인 접근법이다. 본 연구에서는 간단한 금속-가스 반응을 통해 리튬 금속 표면을 산화시켜 ASEI 층으로서의 활용 가능성을 평가하였다. 과도한 산화를 방지하기 위해 N2/O2 혼합가스를 사용하여 Li2O SEI 층을 형성하였다. 또한, N2/O2 혼합가스를 리튬 금속 표면에 가스 유량, 반응 시간, 반응 온도를 변수로 주입하였다. ASEI 층의 미세구조를 연구하기 위해 SEM, EDS, XPS 분석을 수행한 결과, 가스 반응 후 리튬 금속 표면에 Li2O가 형성됨을 확인하였다. 이와 같이 ASEI 층의 형성 여부를 확인한 후, 전기화학적 계면 특성을 평가하기 위해 EIS 측정을 수행하였다. 이어서 ASEI 층이 실제 전지의 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 대칭 셀 및 전체 셀 평가를 진행하였다. 대칭 셀 조건에서의 분극 테스트와 Ni-rich 양극을 적용한 셀 성능을 평가하여 ASEI 층의 효과를 검증하였다. ASEI가 도입된 리튬 금속 대칭 셀은 1.0 mA/cm2와 1.0 mAh/cm2 조건에서 600시간 이상 안정적인 분극 거동을 보였다. 또한 loading level 14mg/cm2의 NCM622 양극을 사용한 리튬 금속 배터리(LMB) 셀은 70 사이클에서 90.33%로 상용 리튬 금속 셀 대비 7.6% 높은 용량 유지율을 보였다. 이는 ASEI 층이 리튬 금속 표면의 안정한 이온 전도 경로를 형성하고, 불균일한 리튬 증착을 억제함으로써 사이클 수명 향상에 기여했음을 의미한다. 본 연구 결과는 향후 상용화된 고에너지 밀도 LMB의 안정성 및 수명 특성 향상을 위해 활용될 수 있다.

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목차

초록 ⅰ
Abstract ⅲ
목차 ⅴ
그림 목차 ⅶ
1. 서론 1
2. 이론적 배경 9
2.1 리튬 금속 전지 9
2.2 Li2O 기반 ASEI의 이론적 배경 11
2.3 Air 사용 시 Li2O 기반 SEI의 형성 이유 12
3. 실험 방법 15
3.1 Li2O ASEI의 합성 및 셀 조립 15
3.2 박막 특성 분석 17
3.3 전기화학 특성 분석 17
4. 본론 18
4.1 상용 리튬 금속 음극의 미세구조 및 전기화학 특성 평가 18
4.2 표면 연마의 필요성 33
4.3 가스 유량에 따른 ASEI 형성 37
4.4 반응 시간에 따른 ASEI 형성 41
4.5 반응 온도에 따른 ASEI 형성 46
4.6 형성된 Artificial SEI의 미세구조 및 전기화학 특성 분석 50
5. 결론 67
참고문헌 69

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