전해질 첨가제를 활용한 리튬 금속 전지 음극 보호막 개발

Abstract

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. <br>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. <br>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. <br>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. <br>그 결과, Nyquist plot과 Tafel plot에서도 리튬 금속의 계면 안정성을 향상시켰음을 확인하였다.