카보네이트 전해질 기반 리튬 전착/용출 사이클과 계면 진화 메커니즘에 대한 연구 동향

Abstract

리튬 금속은 리튬이차전지의 에너지밀도 한계를 뛰어넘을 수 있는 궁극의 음극 소재이다. 허나, 본연의 높은 반응성으로 인해 전해액과의 부반응이 극심하고 불균일한 리튬 전착 및 덴드라이트 성장은 리튬 음극의 가역성을 현저히 저하시킨다. 리튬음극의 가역성을 평가하는 플랫폼인 리튬/구리 반쪽 전지의 충방전 거동은 전기화학적 특성 예측이 어렵고 셀 내에서 기공성의 전극/전해질 계면의 성장으로 인해 정확한 효율 측정이 어려운 한계점이 있다. 본 연구에서는 리튬/구리 반쪽 전지의 전기화학적 특성에 영향을 미치는 주요인자에 대해서 밝히고 기공성 전극/전해질 계면의 성장 메커니즘을 다룬다. 반복되는 충방전 과정 중에 형성되는 기 공성 SEI의 표면 부도체화와 성장 속도가 늦춰지는 상이한 성장거동을 확인하였고, 사이클 후반의 극심한 전 해액 부반응에 대해서 다룬다.

Lithium (Li) metal is the ultimate anode material that can overcome the energy density limit of today'sLi-ion batteries. However, Li metal anodes (LMAs) have suffered from significant deterioration due to severeside reactions against electrolytes and non-uniform Li electrodeposition triggered by dendrite formation andgrowth of Li plating. The charging/discharging behavior of Li||Cu half-cell, a platform for evaluating thereversibility of lithium cathodes, is not fully understood to predict electrochemical properties and accurate efficiencymeasurements due to the growth of the porous electrode/electrolyte interface (SEI) within the cell. Inthis study, the main factors affecting the electrochemical properties of Li||Cu half-cells are redefined, revealingthe mechanism of porous SEI growth. Two different SEI growth modes include fast growth during the initialstage of cycling and slow-down development over later cycles due to high compression within the cell. Through the quantification of the porous layer, the extreme side reaction of the electrolyte solution mainlyoccurs during later cycling. It is suggested that the porous Li layer grew outward towards the electrolyte phaseby generating underneath Li deposition and pushing up the former layer due to its insulating nature.