전해질 첨가제를 활용한 리튬 금속 전지 음극 보호막 개발
Development for Li Metal Anode Protective Layer using Electrolyte Additives in Li-Metal Batteries
- 주제(키워드) 리튬 금속 전지(Li metal batteries) , 친리튬 소재(lithiophilic material) , 전해질 첨가제(electrolyte additive) , 덴드라이트 억제(dendrite suppression)
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 곽원진
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000032940
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
이차전지 산업이 점차 확대되면서 보다 고에너지 밀도의 전지에 대한 수요가 증가함에 따라, 372 mAh g-1의 제한된 에너지 밀도를 갖는 흑연을 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 리튬 금속을 음극으로 사용하는 리튬 금속 전지가 많은 관심을 받고 있는데, 이는 흑연의 약 10배에 해당하는 높은 이론 용량(3860 mAh g-1)과, 가장 낮은 표준 환원 전위(-3.04 V vs. SHE)를 가지기 때문이다. 하지만 리튬 금속의 높은 반응성 때문에 dendrtie의 성장 및 내부 단락 등이 발생하여 안정성이 매우 떨어진다는 단점이 있다. 리튬 금속 전지가 상용화되려면 이러한 문제점들은 필수적으로 해결되어야 한다. 그에 따라 많은 리튬 메탈 표면에 artificial SEI (Solid-Electrolyte Interphase) 혹은 3D architecture를 만들거나, 분리막 코팅, 셀 시스템 디자인/엔지니어링 등의 다양한 접근법이 제시되었고, 그 중 가장 공정이 간단한 방법은 전해질 첨가제를 통해 안정한 SEI를 형성하는 것이다. 이에 본 연구는 전해질 첨가제로서 친리튬적이고 안정한 SEI 성분을 구성하기 위해 ZnF2와 LiNO3를 제시한다. 리튬 금속 대칭 셀에 첨가제를 도입하면, 5 mA cm-2의 고전류에서도 200 시간 이상 안정적 성능을 보였다. 첨가제를 사용하지 않았을 때보다 두 배 이상의 수명 특성을 보였다. 이는 ZnF2와 LiNO3를 전해질에 첨가함으로써, 리튬 금속 표면에 균일한 리튬 증착을 유도하는 Li-Zn alloy와, 기계적 안정성이 뛰어난 LiF, 이온전도도가 우수한 Li3N가 포함된 SEI가 형성되었기 때문이다. 그 결과, Nyquist plot과 Tafel plot에서도 리튬 금속의 계면 안정성을 향상시켰음을 확인하였다.
more목차
1. 서론 1
2. 실험 방법 5
2.1 전해질 제조 5
2.2 전기화학적 특성 평가 7
2.3 물리·화학적 특성 분석 9
3. 결과 및 토의 10
3.1 리튬 금속과 ZnF2와의 화학 반응 10
3.2 리튬 대칭 셀의 안정화 시간 최적화 14
3.3 일반적인 전류 밀도 1 mA cm-2에서 전해질 종류 별 리튬 금속 대칭 셀 성능 비교 15
3.4 고전류 밀도 5mA cm-2에서의 첨가제 유무에 따른 리튬 금속 대칭 셀 성능 비교 17
3.5 FE-SEM을 통한 dendrite 분석 19
3.6 XPS를 활용한 SEI 분석 24
3.7 리튬 금속의 계면 안정성 비교 29
4. 결론 32
5. 참고문헌 34
Abstract 37
