Enhanced Electrochemical Stability of Lithium Metal Powder Electrodes via Interfacial Engineering

Abstract

리튬 금속 분말(Li metal powder, LMP)은 슬러리 기반 코팅이 가능하므로 리튬 금속 배터리(Li metal batteries, LMBs)용 대면적 박막 리튬 전극 제작에 유리하다. 또한, 구형의 LMP를 기반으로 제작된 전극은 넓은 반응면적을 가지므로 국부 전류 밀도를 감소시킬 수 있다. 그러나 충전 시 리튬 표면에서의 불균일한 리튬 핵생성 및 성장은 여전히 LMBs의 성능 및 안전성 확보의 걸림돌로 남아 있다. 이에, 본 논문은 LMP 전극 내에 AgNO3를 도입함으로써 리튬의 균일한 전착을 유도하고 높은 이온전도도를 가지는 solid electrolyte interphase (SEI)를 형성하였으며, 결과적으로 장기 수명특성과 고속충전 안정성을 확보하였다. LMP 슬러리 내에 도입한 AgNO3는 리튬과 화학적으로 반응하여 리튬친화도가 높은 금속 Ag를 형성할 수 있으며, LMP 전극 전반에 걸쳐 핵생성 사이트로 작용하여 리튬의 균일한 전착을 유도함을 실험적으로 분석했을 뿐 아니라 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 계산을 통해 금속 Ag가 리튬이온의 전착을 유도함을 확인하였다. 또한, 동일 화학반응을 통해 형성되는 LiNO3는 높은 이온전도도를 가지는 SEI를 형성함으로써 리튬이온 이동 저항을 감소시킬 수 있다. AgNO3가 도입된 40 마이크로미터 두께의 LMP 전극을 적용한 경우, 1C/3C 충전/방전 조건에서 500 사이클 이후에도 86.8 % 용량 유지율을 확보하였으며, 최대 30C 조건에서의 전기화학적 안정성 또한 확인하였다.

핵심어: 리튬 금속 분말, 질산은, 핵생성 사이트, 질산리튬, 리튬 금속 전지 |Li metal powders (LMPs) are beneficial to fabricating thin and large-area Li electrodes for Li metal batteries (LMBs) owing to slurry coating-based manufacturing and facile impregnation of functional additives. 3D structure of LMP-based composites can alleviate the local current density even at a higher current. However, non-uniform nucleation and growth persist as barriers to guaranteeing both the performance and safety of LMBs. Here, we report an AgNO3-preplanted LMP electrode for securing long stable cycling of LMBs. During pre-mixing the LMP slurry with AgNO3 additive, it can chemically form lithiophilic Ag that can offer favorable nucleation sites throughout the LMP surface. At the same time, nitrates can help enrich a highly conductive, robust Li3N into solid electrolyte interphase (SEI). Pre-planting AgNO3 into a 40 μm-thick LMP electrode reinforced the cycling stability up to 500 cycles with 86.8 % capacity retention at 1C/3C charging/discharging rates and allowed superior rate capability up to 30C.

Keywords: Li metal powder, Silver nitrate, Nucleation, Lithium nitride, Li metal battery