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가장 가볍고 주된 음전도 금속원소인 리튬(Li)은 높은 비용량(3860mAh g-1)과 표준 수소 전극 대비 낮은 전기화학전위(-3.04V)를 보여 높은 에너지 리튬금속전지에 이상적인 음극 소재이다.
그러나, 이러한 리튬금속전지의 실현은 현재 리튬 부착 및 탈리 동안 통제할 수 없는 덴드라이트 성장과 리튬의 상당한 부피 증가로 인한 심각한 안전 위험(예: ...

가장 가볍고 주된 음전도 금속원소인 리튬(Li)은 높은 비용량(3860mAh g-1)과 표준 수소 전극 대비 낮은 전기화학전위(-3.04V)를 보여 높은 에너지 리튬금속전지에 이상적인 음극 소재이다.
그러나, 이러한 리튬금속전지의 실현은 현재 리튬 부착 및 탈리 동안 통제할 수 없는 덴드라이트 성장과 리튬의 상당한 부피 증가로 인한 심각한 안전 위험(예: 전기회로의 단락)에 의해 방해받고 있다. 리튬 성장 거동을 조절하여 리튬금속음극의 구현을 가능하게 하기 위해 다양한 고체전해질계면(SEI)과 실용적인 보호층 설계를 연구했지만, 리튬덴드라이트 성장의 메커니즘은 전기화학적인 관점에서 저조한 상태로 남아 있다.
여기서는 인공 SEI의 중요한 역할을 고려하여 리튬 덴드라이트의 원인과 성장 메커니즘을 명확히 하기 위해 유한요소법을 사용하며, 덴드라이트의 성장은 주로 SEI층의 낮은 이온전도도에 기인하며 높은 이온전도도 인공 SEI를 사용하여 억제할 수 있음을 입증한다.
전류 밀도, 교환 전류 밀도 및 형상을 분석하면 인공 SEI가 국소 전류 분포의 조절에 중요하며 리튬 덴드라이트 성장에 직접적인 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 이를 통해 첨단 리튬금속전지에서 리튬금속음극의 안정적인 사이클 성능을 확보하기 위한 인공 SEI의 설계가 용이해질 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Lithium (Li), the lightest and most electronegative metallic element, demonstrates a high specific capacity (3860 mAh g−1) and a low electrochemical potential (−3.04 V versus the standard hydrogen electrode), thus being an ideal anode material for high-energy Li-metal batteries. However, the realiza...

Lithium (Li), the lightest and most electronegative metallic element, demonstrates a high specific capacity (3860 mAh g−1) and a low electrochemical potential (−3.04 V versus the standard hydrogen electrode), thus being an ideal anode material for high-energy Li-metal batteries. However, the realization of such batteries is currently impeded by the serious safety hazards (e.g., electrical short-circuiting) due to the uncontrollable dendritic growth and significant volume expansion of Li during Li plating and stripping. Although various solid electrolyte interface (SEI) and functional protective layer designs have been explored to regulate Li growth behavior and thus enable the implementation of Li-metal anodes, the mechanism of Li dendrite growth remains underexplored from an electrochemical point of view. Considering the critical role of artificial SEIs, we herein use the finite element method to clarify the origin and growth mechanism of Li dendrites, demonstrating that dendrite growth is mainly due to the low ionic conductivity of the SEI layer and can be suppressed using a high-ionic-conductivity artificial SEI. Analyses of current density, exchange current density, and geometry reveal that an artificial SEI is crucial for the regulation of local current distributions and that it directly affects Li dendrite growth. The obtained insights are expected to facilitate the design of artificial SEIs for securing the stable cycling performance of Li-metal anodes in advanced Li-metal batteries.

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