리튬 배터리(Lithium metal batteries, LMBs)는 높은 중량 및 부피 에너지 밀도를 가지고 있어, 차세대 전기 에너지 저장 장치로서 주목받고 있다. 그러나 LMB에서 음극으로 사용되는 리튬 ...
리튬 배터리(Lithium metal batteries, LMBs)는 높은 중량 및 부피 에너지 밀도를 가지고 있어, 차세대 전기 에너지 저장 장치로서 주목받고 있다. 그러나 LMB에서 음극으로 사용되는 리튬 메탈과 양극의 용량비(N/P ratio)를 맞추기 위해서는 리튬 메탈의 두께가 100 μm 이하여야 하나 대면적의 얇은 리튬 메탈을 만드는 공정은 어렵고 위험하다. 리튬 메탈의 두께를 변화시키지 않고 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 anode-free battery가 LMB의 대안으로서 많은 연구가 진행 중이다. 또한 anode-free battery는 LMB와 달리 배터리가 조립된 후에도 자가방전이 발생하지 않는 장점을 가지고 있다. 그러나 anode-free battery 구동 과정에서 리튬 메탈 전착시 mossy-like 형태의 증착과 Li dendrite 성장으로 인해 사이클 안정성이 낮다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 보편적으로 사용되는 구리 집전체의 표면 처리, 낮은 리튬 핵 형성 과전압(nucleation overpotential)을 갖는 물질을 사용하는 등의 다양한 선행연구들이 이루지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 carbon nanotube (CNT) film을 anode-free battery의 집전체로 사용하여 전기화학적 특성을 분석하였다. CNT film은 비표면적이 크고 전기전도도가 우수한 3차원 구조를 가지는 다공성 물질이다. 이로 인해 국부적 전류밀도를 낮춰, Li+ flux를 균일하게 분포시켜 리튬 메탈의 증착을 용이하게 하였다. CNT film에 전착 된 리튬 메탈의 표면 형태는 mossy-like 형태로 전착 되지 않고 매끄럽게 전착 되었는데, 이는 낮은 리튬 메탈 핵 형성 활성화 에너지로 인해 리튬 메탈의 핵 형성 및 성장이 균일하게 일어났기 때문이다. 이러한 결과는 CNT film이 anode-free battery의 집전체로서 높은 잠재력을 가지고 있음을 보여준다.
리튬 배터리(Lithium metal batteries, LMBs)는 높은 중량 및 부피 에너지 밀도를 가지고 있어, 차세대 전기 에너지 저장 장치로서 주목받고 있다. 그러나 LMB에서 음극으로 사용되는 리튬 메탈과 양극의 용량비(N/P ratio)를 맞추기 위해서는 리튬 메탈의 두께가 100 μm 이하여야 하나 대면적의 얇은 리튬 메탈을 만드는 공정은 어렵고 위험하다. 리튬 메탈의 두께를 변화시키지 않고 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 anode-free battery가 LMB의 대안으로서 많은 연구가 진행 중이다. 또한 anode-free battery는 LMB와 달리 배터리가 조립된 후에도 자가방전이 발생하지 않는 장점을 가지고 있다. 그러나 anode-free battery 구동 과정에서 리튬 메탈 전착시 mossy-like 형태의 증착과 Li dendrite 성장으로 인해 사이클 안정성이 낮다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 보편적으로 사용되는 구리 집전체의 표면 처리, 낮은 리튬 핵 형성 과전압(nucleation overpotential)을 갖는 물질을 사용하는 등의 다양한 선행연구들이 이루지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 carbon nanotube (CNT) film을 anode-free battery의 집전체로 사용하여 전기화학적 특성을 분석하였다. CNT film은 비표면적이 크고 전기전도도가 우수한 3차원 구조를 가지는 다공성 물질이다. 이로 인해 국부적 전류밀도를 낮춰, Li+ flux를 균일하게 분포시켜 리튬 메탈의 증착을 용이하게 하였다. CNT film에 전착 된 리튬 메탈의 표면 형태는 mossy-like 형태로 전착 되지 않고 매끄럽게 전착 되었는데, 이는 낮은 리튬 메탈 핵 형성 활성화 에너지로 인해 리튬 메탈의 핵 형성 및 성장이 균일하게 일어났기 때문이다. 이러한 결과는 CNT film이 anode-free battery의 집전체로서 높은 잠재력을 가지고 있음을 보여준다.
Lithium metal batteries(LMBs) are of particular interest for next-generation electrical energy storage because of their high energy density on both volumetric and gravimetric bases. In order to match the capacity ratio between Li metal and cathode (N/P ratio), the thickness of Li metal must be 100 μ...
Lithium metal batteries(LMBs) are of particular interest for next-generation electrical energy storage because of their high energy density on both volumetric and gravimetric bases. In order to match the capacity ratio between Li metal and cathode (N/P ratio), the thickness of Li metal must be 100 μm or less. However it is difficult to manufacture such thin Li metal in a large area, and the process is dangerous. Rather than handling the lithium metal, the anode-free battery, which has the advantage of being able to achieve high energy density, can be an alternative for LMB. Unlike LMBs, self-discharging does not occur in the anode-free battery after the battery is assembled. However, there is a problem of low cycle stability due to mossy-like deposition and dendrite growth during lithium metal electrodeposition in anode-free batteries. In order to solve this problem, various prior studies such as surface treatment of Cu current collector and adopting of material with low lithium nucleation overpotential were conducted. In this work, carbon nanotube (CNT) film was used as current collector for anode-free battery and the electrochemical properties were analyzed. The CNT film is a porous material having a 3D structure with a large specific surface area and excellent electrical conductivity. Due to this, the local current density can be lowered, and the Li+ flux can be evenly distributed to facilitate the deposition of lithium metal. The surface morphology of Li metal plated on the CNT film was smooth and not mossy because Li growth occurred uniformly due to the low Li nucleation activation energy. These results demonstrate the high potential of the CNT film as a current collector for an anode-free battery.
Lithium metal batteries(LMBs) are of particular interest for next-generation electrical energy storage because of their high energy density on both volumetric and gravimetric bases. In order to match the capacity ratio between Li metal and cathode (N/P ratio), the thickness of Li metal must be 100 μm or less. However it is difficult to manufacture such thin Li metal in a large area, and the process is dangerous. Rather than handling the lithium metal, the anode-free battery, which has the advantage of being able to achieve high energy density, can be an alternative for LMB. Unlike LMBs, self-discharging does not occur in the anode-free battery after the battery is assembled. However, there is a problem of low cycle stability due to mossy-like deposition and dendrite growth during lithium metal electrodeposition in anode-free batteries. In order to solve this problem, various prior studies such as surface treatment of Cu current collector and adopting of material with low lithium nucleation overpotential were conducted. In this work, carbon nanotube (CNT) film was used as current collector for anode-free battery and the electrochemical properties were analyzed. The CNT film is a porous material having a 3D structure with a large specific surface area and excellent electrical conductivity. Due to this, the local current density can be lowered, and the Li+ flux can be evenly distributed to facilitate the deposition of lithium metal. The surface morphology of Li metal plated on the CNT film was smooth and not mossy because Li growth occurred uniformly due to the low Li nucleation activation energy. These results demonstrate the high potential of the CNT film as a current collector for an anode-free battery.
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