Lithium-ion battery(LIB)는 휴대용 전자기기와 같은 소형 디바이스의 에너지 공급원으로 사용되어 왔다. 하지만 최근 전기 자동차, ESS 등과 같이 휴대용 전자기기보다 더 큰 에너지 밀도를 요구하는 분야의 발전으로 기존보다 더 큰 에너지 밀도를 가지는 battery의 개발이 요구되고 있다. 그중 Lithium-metal battery(...
Lithium-ion battery(LIB)는 휴대용 전자기기와 같은 소형 디바이스의 에너지 공급원으로 사용되어 왔다. 하지만 최근 전기 자동차, ESS 등과 같이 휴대용 전자기기보다 더 큰 에너지 밀도를 요구하는 분야의 발전으로 기존보다 더 큰 에너지 밀도를 가지는 battery의 개발이 요구되고 있다. 그중 Lithium-metal battery(LMB)는 높은 에너지 밀도와 출력특성이 있어 차세대 에너지 저장장치로 사용하기 위해 많은 연구가 진행중이다. LMB의 음극으로 사용되는 Lithium(Li) metal은 3860 mAh/g의 높은 비 용량과 낮은 표준 환원 전위(-3.04 V vs. SHE)를 가지고 있으나, 충·방전 과정 동안의 Li-metal의 큰 부피 팽창과 표면에서의 Li dendrite의 성장으로 인해 낮은 수명 특성과 안정성이 낮다는 문제를 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 Li-metal 표면의 코팅, host material 개발 등 다양한 연구들이 진행되고 있다. 전기 전도성이 우수하고 surface area가 큰 나노 탄소재료 (carbon nanotube (CNT), graphene)들은 Li metal의 부피 팽창과 Li dendrite 형성을 억제할 수 있는 Li host 재료로 많은 관심을 받고 있다. 그러나 lithiophobic 한 나노탄소재료들은 Li을 효과적으로 host 할 수 있는 능력이 떨어지는 한계가 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 Graphite@CNT composite film을 제조하고 이의 lithiophilicity를 제어하기 위하여 direct pre-lithiation 처리함으로써 dendrite 성장과 Li의 부피 팽창을 억제할 수 있는 Li host로 사용하였다. 이렇게 제조된 Li host에 Li-metal을 용융하여 결합하여Graphite@CNT-Li 음극재를 제조하고, 이의 전기화학적 특성을 분석하였다. 제조된 Graphite@CNT-Li 음극재는 0.5 mA cm-2 / 5 mAh cm-2 조건에서 60 mV의 낮은 과전압과 1400시간 동안 Li plating/stripping을 지속하며 높은 수명특성을 보여주었다. 또한 LiFePO4∥Graphite@CNT-Li 구조로 Full cell 성능을 평가하였을 때, 99% 이상의 쿨롱효율과 135 mAh g-1의 높은 비 용량의 우수한 충·방전 특성을 나타냈다. 본 연구에서 제조한 Graphite@CNT-Li 음극재는 우수한 cycle 특성과 coulombic efficiency, 낮은 voltage hysteresis를 나타내 차세대 에너지 저장장치에 적용될 것으로 기대된다.
Lithium-ion battery(LIB)는 휴대용 전자기기와 같은 소형 디바이스의 에너지 공급원으로 사용되어 왔다. 하지만 최근 전기 자동차, ESS 등과 같이 휴대용 전자기기보다 더 큰 에너지 밀도를 요구하는 분야의 발전으로 기존보다 더 큰 에너지 밀도를 가지는 battery의 개발이 요구되고 있다. 그중 Lithium-metal battery(LMB)는 높은 에너지 밀도와 출력특성이 있어 차세대 에너지 저장장치로 사용하기 위해 많은 연구가 진행중이다. LMB의 음극으로 사용되는 Lithium(Li) metal은 3860 mAh/g의 높은 비 용량과 낮은 표준 환원 전위(-3.04 V vs. SHE)를 가지고 있으나, 충·방전 과정 동안의 Li-metal의 큰 부피 팽창과 표면에서의 Li dendrite의 성장으로 인해 낮은 수명 특성과 안정성이 낮다는 문제를 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 Li-metal 표면의 코팅, host material 개발 등 다양한 연구들이 진행되고 있다. 전기 전도성이 우수하고 surface area가 큰 나노 탄소재료 (carbon nanotube (CNT), graphene)들은 Li metal의 부피 팽창과 Li dendrite 형성을 억제할 수 있는 Li host 재료로 많은 관심을 받고 있다. 그러나 lithiophobic 한 나노탄소재료들은 Li을 효과적으로 host 할 수 있는 능력이 떨어지는 한계가 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 Graphite@CNT composite film을 제조하고 이의 lithiophilicity를 제어하기 위하여 direct pre-lithiation 처리함으로써 dendrite 성장과 Li의 부피 팽창을 억제할 수 있는 Li host로 사용하였다. 이렇게 제조된 Li host에 Li-metal을 용융하여 결합하여Graphite@CNT-Li 음극재를 제조하고, 이의 전기화학적 특성을 분석하였다. 제조된 Graphite@CNT-Li 음극재는 0.5 mA cm-2 / 5 mAh cm-2 조건에서 60 mV의 낮은 과전압과 1400시간 동안 Li plating/stripping을 지속하며 높은 수명특성을 보여주었다. 또한 LiFePO4∥Graphite@CNT-Li 구조로 Full cell 성능을 평가하였을 때, 99% 이상의 쿨롱효율과 135 mAh g-1의 높은 비 용량의 우수한 충·방전 특성을 나타냈다. 본 연구에서 제조한 Graphite@CNT-Li 음극재는 우수한 cycle 특성과 coulombic efficiency, 낮은 voltage hysteresis를 나타내 차세대 에너지 저장장치에 적용될 것으로 기대된다.
Lithium-ion batteries (LIBs) have been used as power sources in portable electronic devices for decades. Nevertheless, the recent developments of technology such as electric vehicles (EV) and energy storage systems (ESS) increased the demand for energy sources with higher energy density than the com...
Lithium-ion batteries (LIBs) have been used as power sources in portable electronic devices for decades. Nevertheless, the recent developments of technology such as electric vehicles (EV) and energy storage systems (ESS) increased the demand for energy sources with higher energy density than the commercial battery for portable electronic devices. Lithium-metal batteries (LMBs) are known as having high energy density, and most of the studies have been conducted to use them as a power source for next-generation devices. Lithium (Li) metal is utilized as the anode material of LMB thanks to its high specific capacity (3860 mAh g-1) and low standard reduction potential (-3.04 V vs. SHE). However, the volume expansion of Li-metal during the charging/discharging process causes lifespan problem and low stability due to the growth of Li dendrite on the surface. Therefore, various trials have been conducted to solve the problems. In many previous studies, surface coating of Li-metal and introducing of host material was attempted to solve the problems such as Li dendrite formation. The nanocarbon materials such as carbon nanotubes (CNT) and graphene have excellent electrical conductivity and large surface area, which allow them conduct as a good host material. These materials can suppress Li metal volume expansion and Li dendrite growth. However, the lithophobic property of the nanocarbon materials hinders them from serving as Li host. In this study, lithiophilicity of Graphite@CNT composite film was controlled by prelithiation and Li was infiltrated into the composite film to prepare the Graphite@CNT-Li to use as an anode. The Graphite@CNT-Li anode material showed long-term cycling performances of the symmetric cells at a current density of 0.5 mA cm-2 with 60 mV of low overpotential for 1400 hours. The performance of full cell prepared with LiFePO4 was evaluated, and it exhibits 135 mAh g-1 of high specific capacity, and excellent lifespan with >99% of the coulomb efficiency. It is expected that the Graphite@CNT-Li anode has a high potential for the next-generation energy storage devices.
Lithium-ion batteries (LIBs) have been used as power sources in portable electronic devices for decades. Nevertheless, the recent developments of technology such as electric vehicles (EV) and energy storage systems (ESS) increased the demand for energy sources with higher energy density than the commercial battery for portable electronic devices. Lithium-metal batteries (LMBs) are known as having high energy density, and most of the studies have been conducted to use them as a power source for next-generation devices. Lithium (Li) metal is utilized as the anode material of LMB thanks to its high specific capacity (3860 mAh g-1) and low standard reduction potential (-3.04 V vs. SHE). However, the volume expansion of Li-metal during the charging/discharging process causes lifespan problem and low stability due to the growth of Li dendrite on the surface. Therefore, various trials have been conducted to solve the problems. In many previous studies, surface coating of Li-metal and introducing of host material was attempted to solve the problems such as Li dendrite formation. The nanocarbon materials such as carbon nanotubes (CNT) and graphene have excellent electrical conductivity and large surface area, which allow them conduct as a good host material. These materials can suppress Li metal volume expansion and Li dendrite growth. However, the lithophobic property of the nanocarbon materials hinders them from serving as Li host. In this study, lithiophilicity of Graphite@CNT composite film was controlled by prelithiation and Li was infiltrated into the composite film to prepare the Graphite@CNT-Li to use as an anode. The Graphite@CNT-Li anode material showed long-term cycling performances of the symmetric cells at a current density of 0.5 mA cm-2 with 60 mV of low overpotential for 1400 hours. The performance of full cell prepared with LiFePO4 was evaluated, and it exhibits 135 mAh g-1 of high specific capacity, and excellent lifespan with >99% of the coulomb efficiency. It is expected that the Graphite@CNT-Li anode has a high potential for the next-generation energy storage devices.
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