리튬 금속 기반 전지에서 리튬 덴드라이트 성장 억제를 위한 유기 계 첨가제의 효과 Effects of organic electrolyte additive on the suppression of Li dendrite in Li metal based batteries원문보기
김희상
(Chonnam National University
Department of Materials Science and Engineering
국내석사)
최근 에너지 수요가 급증함에 따라, 고 용량 및 고 에너지 밀도의 전지가 요구되고있다. 하지만, 현재 사용하고 있는 탄소 계 음극 물질의 용량 적 한계로 인하여 차세대 음극 물질이 요구되고 있다. 그 중 리튬메탈은 가장 이상적인 음극 물질로 고려되고 있다. 리튬 메탈을 음극 물질로 사용 시 높은 이론 용량, 높은 전압 구현 등의 장점을 가지고 있지만, 충∙방전 시 국부적인 전류 집중으로 인해 SEI layer가 깨지고 그 부분을 타고 Li dendrite 성장이라는 큰 문제점을 가지고 있다.
Li dendrite 성장 억제를 위해서 많은 방법으로 연구되고 있고, 인공적으로 SEI layer를 형성시켜 Li dendrite 성장을 억제하는 방법과 기존 SEI layer에 첨가제 등을 이용하여 안정화 시키는 방법으로 크게 두가지로 나눌 수 있다. 본 연구는 그 중에서 전해질 내에 요소 첨가를 통해 안정한 SEI layer를 형성시켜 Li dendrite 성장을 억제하는 연구를 진행했다. 고 전류밀도조건에서 리튬 대칭 셀 시험을 하여 최적의 첨가제 함량을 도출했다. 최적 조건의 요소 첨가제가 첨가된 경우 1.0 mA cm-2의 전류 밀도 조건에서 2500시간 이상 수명을 유지했고, 이 수치는 요소 첨가제가 없는 경우와 비교 시 50배 이상의 수명이 증가했다. 그 후, 최적 첨가 조건에서 전류 밀도를 변화시키면서 첨가제인 요소의 성능을 파악했다. 요소 첨가제의 역할에 대한 정확한 분석을 위해 ...
최근 에너지 수요가 급증함에 따라, 고 용량 및 고 에너지 밀도의 전지가 요구되고있다. 하지만, 현재 사용하고 있는 탄소 계 음극 물질의 용량 적 한계로 인하여 차세대 음극 물질이 요구되고 있다. 그 중 리튬메탈은 가장 이상적인 음극 물질로 고려되고 있다. 리튬 메탈을 음극 물질로 사용 시 높은 이론 용량, 높은 전압 구현 등의 장점을 가지고 있지만, 충∙방전 시 국부적인 전류 집중으로 인해 SEI layer가 깨지고 그 부분을 타고 Li dendrite 성장이라는 큰 문제점을 가지고 있다.
Li dendrite 성장 억제를 위해서 많은 방법으로 연구되고 있고, 인공적으로 SEI layer를 형성시켜 Li dendrite 성장을 억제하는 방법과 기존 SEI layer에 첨가제 등을 이용하여 안정화 시키는 방법으로 크게 두가지로 나눌 수 있다. 본 연구는 그 중에서 전해질 내에 요소 첨가를 통해 안정한 SEI layer를 형성시켜 Li dendrite 성장을 억제하는 연구를 진행했다. 고 전류밀도조건에서 리튬 대칭 셀 시험을 하여 최적의 첨가제 함량을 도출했다. 최적 조건의 요소 첨가제가 첨가된 경우 1.0 mA cm-2의 전류 밀도 조건에서 2500시간 이상 수명을 유지했고, 이 수치는 요소 첨가제가 없는 경우와 비교 시 50배 이상의 수명이 증가했다. 그 후, 최적 첨가 조건에서 전류 밀도를 변화시키면서 첨가제인 요소의 성능을 파악했다. 요소 첨가제의 역할에 대한 정확한 분석을 위해 CV, EIS 등의 실험을 통해 전기화학적 분석을 진행하였고, XPS, FTIR 등의 실험을 통해서 리튬 메탈의 표면 분석을 진행했다. 리튬 대칭 셀에서 얻어진 결과를 토대로 요소 첨가제가 첨가된 전해질을 이용하여 리튬-공기 전지에 적용시켜, 실제 전지에서 적용 가능성을 평가했다. 리튬-공기 전지의 경우 양극 부분이 개방 구조를 가지므로, 액체 전해질의 분해 및 증발이 쉽게 일어난다는 단점을 가지고 있다. 하지만, 요소 첨가제가 적용된 경우 음극 물질인 리튬 메탈 부분에 안정한 SEI layer를 형성되어, 액체 전해질의 분해 및 증발을 막아 리튬-공기 전지의 수명이 요소 첨가제가 없는 경우와 비교 시 약 4배 이상 증가시키는 결과를 얻었다.
최근 에너지 수요가 급증함에 따라, 고 용량 및 고 에너지 밀도의 전지가 요구되고있다. 하지만, 현재 사용하고 있는 탄소 계 음극 물질의 용량 적 한계로 인하여 차세대 음극 물질이 요구되고 있다. 그 중 리튬 메탈은 가장 이상적인 음극 물질로 고려되고 있다. 리튬 메탈을 음극 물질로 사용 시 높은 이론 용량, 높은 전압 구현 등의 장점을 가지고 있지만, 충∙방전 시 국부적인 전류 집중으로 인해 SEI layer가 깨지고 그 부분을 타고 Li dendrite 성장이라는 큰 문제점을 가지고 있다.
Li dendrite 성장 억제를 위해서 많은 방법으로 연구되고 있고, 인공적으로 SEI layer를 형성시켜 Li dendrite 성장을 억제하는 방법과 기존 SEI layer에 첨가제 등을 이용하여 안정화 시키는 방법으로 크게 두가지로 나눌 수 있다. 본 연구는 그 중에서 전해질 내에 요소 첨가를 통해 안정한 SEI layer를 형성시켜 Li dendrite 성장을 억제하는 연구를 진행했다. 고 전류밀도조건에서 리튬 대칭 셀 시험을 하여 최적의 첨가제 함량을 도출했다. 최적 조건의 요소 첨가제가 첨가된 경우 1.0 mA cm-2의 전류 밀도 조건에서 2500시간 이상 수명을 유지했고, 이 수치는 요소 첨가제가 없는 경우와 비교 시 50배 이상의 수명이 증가했다. 그 후, 최적 첨가 조건에서 전류 밀도를 변화시키면서 첨가제인 요소의 성능을 파악했다. 요소 첨가제의 역할에 대한 정확한 분석을 위해 CV, EIS 등의 실험을 통해 전기화학적 분석을 진행하였고, XPS, FTIR 등의 실험을 통해서 리튬 메탈의 표면 분석을 진행했다. 리튬 대칭 셀에서 얻어진 결과를 토대로 요소 첨가제가 첨가된 전해질을 이용하여 리튬-공기 전지에 적용시켜, 실제 전지에서 적용 가능성을 평가했다. 리튬-공기 전지의 경우 양극 부분이 개방 구조를 가지므로, 액체 전해질의 분해 및 증발이 쉽게 일어난다는 단점을 가지고 있다. 하지만, 요소 첨가제가 적용된 경우 음극 물질인 리튬 메탈 부분에 안정한 SEI layer를 형성되어, 액체 전해질의 분해 및 증발을 막아 리튬-공기 전지의 수명이 요소 첨가제가 없는 경우와 비교 시 약 4배 이상 증가시키는 결과를 얻었다.
Lithium (Li) metal has been considered to be an ideal anode material for secondary batteries due to its high theoretical specific capacity (3860 mAh g-1), low density (0.59 g cm-3), and the lowest standard red-ox potential. However, Li metal is highly reactive and thermodynamically unstable with org...
Lithium (Li) metal has been considered to be an ideal anode material for secondary batteries due to its high theoretical specific capacity (3860 mAh g-1), low density (0.59 g cm-3), and the lowest standard red-ox potential. However, Li metal is highly reactive and thermodynamically unstable with organic electrolytes. It reacts easily with the electrolyte to form a solid electrolyte interphase (SEI) layer. This layer can prevent the direct contact between Li metal and liquid electrolyte and further decomposition of the electrolyte, once the stable SEI layer forms. Nevertheless, due to the non-uniform chemical composition of the SEI layer, lithium dendrite grows on the side of lithium metal, and accordingly direct contact between the anode and the cathode occurs. Thus far, approaches to prevent the short circuit of batteries due to Li dendrite formation have focused on improving the stability and uniformity of the SEI layer on the Li surface by adjusting electrolyte components and including electrolyte additives.
In the present work, we suggested the use of an optimum amount of urea electrolyte additive for suppressing the growth of Li dendrite by forming the uniform and robust SEI layer on Li surface. In the case of the symmetric cell, the base electrolyte of 1 M LiTFSI in TEGDME was used for the electrochemical study. The Li symmetric cell containing the 0.5 M urea electrolyte additive was galvanostatically cycled over 500 cycles for each charge and discharge time of 2 h at a current density 1 mA cm-2, which was >50 times longer than that of the Li symmetric cell without urea additive in the electrolyte. This urea electrolyte additive helps to make a robust and uniform SEI layer, leading to effectively suppressing the growth of Li dendrite and helps to improve electrochemical performance. Furthermore, the urea electrolyte additive can be used in the Li metal based batteries such as a Li-O2 battery. The Li-O2 cells were assembled with Li metal, 1 M LiTFSI in TEGDME, and MnO2@Ni foam as an anode, base electrolyte, and cathode, respectively. The Li-O2 cell containing the 0.5 M urea additive was cycled for longer than 200 cycles at a current density of 0.1 mA cm-2 under a limited capacity mode of 1000 mAh g-1, which was >4 times longer than that of the Li-O2 cell without the urea additive in the electrolyte. Urea electrolyte additive helps to improve the electrochemical performance, especially cyclability of Li-O2 batteries.
Lithium (Li) metal has been considered to be an ideal anode material for secondary batteries due to its high theoretical specific capacity (3860 mAh g-1), low density (0.59 g cm-3), and the lowest standard red-ox potential. However, Li metal is highly reactive and thermodynamically unstable with organic electrolytes. It reacts easily with the electrolyte to form a solid electrolyte interphase (SEI) layer. This layer can prevent the direct contact between Li metal and liquid electrolyte and further decomposition of the electrolyte, once the stable SEI layer forms. Nevertheless, due to the non-uniform chemical composition of the SEI layer, lithium dendrite grows on the side of lithium metal, and accordingly direct contact between the anode and the cathode occurs. Thus far, approaches to prevent the short circuit of batteries due to Li dendrite formation have focused on improving the stability and uniformity of the SEI layer on the Li surface by adjusting electrolyte components and including electrolyte additives.
In the present work, we suggested the use of an optimum amount of urea electrolyte additive for suppressing the growth of Li dendrite by forming the uniform and robust SEI layer on Li surface. In the case of the symmetric cell, the base electrolyte of 1 M LiTFSI in TEGDME was used for the electrochemical study. The Li symmetric cell containing the 0.5 M urea electrolyte additive was galvanostatically cycled over 500 cycles for each charge and discharge time of 2 h at a current density 1 mA cm-2, which was >50 times longer than that of the Li symmetric cell without urea additive in the electrolyte. This urea electrolyte additive helps to make a robust and uniform SEI layer, leading to effectively suppressing the growth of Li dendrite and helps to improve electrochemical performance. Furthermore, the urea electrolyte additive can be used in the Li metal based batteries such as a Li-O2 battery. The Li-O2 cells were assembled with Li metal, 1 M LiTFSI in TEGDME, and MnO2@Ni foam as an anode, base electrolyte, and cathode, respectively. The Li-O2 cell containing the 0.5 M urea additive was cycled for longer than 200 cycles at a current density of 0.1 mA cm-2 under a limited capacity mode of 1000 mAh g-1, which was >4 times longer than that of the Li-O2 cell without the urea additive in the electrolyte. Urea electrolyte additive helps to improve the electrochemical performance, especially cyclability of Li-O2 batteries.
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