선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- . 이와 같은 결과에 근거하여, 본 연구에서는 용매화된 리튬 이온의 구조를 바꾸기 위하여 새로운 시도를 하였다. 이전 연구에서는 리튬염의 농도 제어를 통해 용매화 리튬 이온의 구조를 바꾸었으나, 본 연구에서는, 주 용매인 탄산 프로필렌(propylene carbonate, PC)에 혼합되는 공용매의 농도를 제어하는 방법을 적용하여, 용매화 리튬 이온의 구조 변화와 리튬 덴드라이트의 성장 반응 사이의 상관성에 관해 기초적인 실험적 해석을 실시하였다.
제안 방법
- Fig. 2의 분석으로부터 알게 된 리튬 덴드라이트의 성장이 억제된 결과에 대해 보다 구체적인 이해를 위해, 충방전 종료 후의 전극 표면을 SEM을 이용하여 관찰하였으며, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. Fig.
- 각 전해질 용액 중에서 100사이클의 충방전을 진행한 후에 리튬 표면에 생성된 피막(solid electrolyte intrephase, SEI)의 저항 값을 알아보기 위해 EIS 측정을 실시하였고, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. Fig.
- 리튬의 석출(환원) 및 용해(산화) 반응에 대한 전기화학적 분석, SEM 분석 및 라만 분석을 통한 용매화 수의 정보로부터 아래와 같은 결론이 얻어졌다.
- , SNE-3000M)을 사용하여 전극 표면을 관찰하였다. 셀 해체 및 건조는 글러브박스 내에서 실시하였고, 리튬염을 제거하기 위해 PC용매로 세척 후 24시간 건조하여 관찰하였다.
- 용매화 수는 전해질 용액의 Raman 스펙트럼을 기반으로 하여 구하였다. Gaussian-Lorencross 함수를 이용하여 각각의 전해질 용액으로부터 얻어진 Raman 스펙트럼을 피팅하여 Fig.
- 이와 같은 결과에 근거하여, 본 연구에서는 용매화된 리튬 이온의 구조를 바꾸기 위하여 새로운 시도를 하였다. 이전 연구에서는 리튬염의 농도 제어를 통해 용매화 리튬 이온의 구조를 바꾸었으나, 본 연구에서는, 주 용매인 탄산 프로필렌(propylene carbonate, PC)에 혼합되는 공용매의 농도를 제어하는 방법을 적용하여, 용매화 리튬 이온의 구조 변화와 리튬 덴드라이트의 성장 반응 사이의 상관성에 관해 기초적인 실험적 해석을 실시하였다.
- 충전과 방전 간에 1분의 휴지기를 두었다. 전기화학적 교류 임피던스 분광법(Electrochemical AC Impedance Spectroscopy, EIS) 시험은 라디오미터 분석기(Radiometer analytical, Voltalab PGZ-402)를 이용하여, 100kHz ~ 0.1Hz의 주파수 범위, 5mV의 진폭으로 충방전 100사이클 후에 전극 전위 0.5V에서 측정하였다.
- 전해질 중에 존재하는 리튬 이온의 용매화 구조를 확인하기 위해 Raman 분광기(Atfrontier Co., Inspector RamanTM)를 이용하였다. Raman 분광기에 의해 얻어진 스펙트럼 결과를 Gaussian-Lorencross 함수로 피팅하여 용매화 수를 계산하였다.
- 충방전 시험은 전류/전압계(Wonatech Co., WBCS 3000)를 이용하여 상온/상압의 조건에서, 1mAcm-2의 전류밀도로 10분 간 충전한 후, 전극 전위 1.5V 까지 방전하였다. 충전과 방전 간에 1분의 휴지기를 두었다.
- 충방전에 의해 생성된 리튬 덴드라이트의 형상을 확인하기 위하여 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)(SEC. Co., SNE-3000M)을 사용하여 전극 표면을 관찰하였다. 셀 해체 및 건조는 글러브박스 내에서 실시하였고, 리튬염을 제거하기 위해 PC용매로 세척 후 24시간 건조하여 관찰하였다.
대상 데이터
- 06micron의 알루미나 파우더를 사용하여 실시하였다. 기준전극과 상대전극으로 리튬금속을 사용하였고, 전해질 용액이 새는 것을 방지하기 위하여 셀과 작업전극 사이에 O-ring을 삽입하였다. 전해질 용액은 주 용매인 탄산 프로필렌(propylene carbonate, PC) (Panax Etec Co.
- 리튬의 전기화학적 산화 및 환원 반응을 확인하기 위하여, Fig. 1에 나타낸 것과 같은 3전극 셀을 사용하였다. 작업전극으로 사용한 Ni 판은 1차로 1micron의 알루미나 파우더를 사용하여 연마한 후, 2차 연마는 0.
- 1에 나타낸 것과 같은 3전극 셀을 사용하였다. 작업전극으로 사용한 Ni 판은 1차로 1micron의 알루미나 파우더를 사용하여 연마한 후, 2차 연마는 0.06micron의 알루미나 파우더를 사용하여 실시하였다. 기준전극과 상대전극으로 리튬금속을 사용하였고, 전해질 용액이 새는 것을 방지하기 위하여 셀과 작업전극 사이에 O-ring을 삽입하였다.
- 전해질 용액은 주 용매인 탄산 프로필렌(propylene carbonate, PC) (Panax Etec Co., ≥99.9%)에 공용매인 디메톡시 에탄 (1,2-dimethoxyethane, DME)(Panax etec Co., ≥99.9%)을 100:0, 67:33, 50:50, 33:67, 12.5:87.5, 10:90의 부피비로 혼합한 각각의 용액에 1moldm-3(M)의 LiPF6(Panax Etec Co.)를 용해시켜 제조하였으며, 이 모든 전해질 제조 공정은 상온에서 진행되었다.
데이터처리
- , Inspector RamanTM)를 이용하였다. Raman 분광기에 의해 얻어진 스펙트럼 결과를 Gaussian-Lorencross 함수로 피팅하여 용매화 수를 계산하였다.
이론/모형
- 용매화 수는 전해질 용액의 Raman 스펙트럼을 기반으로 하여 구하였다. Gaussian-Lorencross 함수를 이용하여 각각의 전해질 용액으로부터 얻어진 Raman 스펙트럼을 피팅하여 Fig. 5에 나타내었고, 용매화 수는 Fig. 5와 아래의 식을 이용하여 구했다9).
성능/효과
- 1) 1 M LiPF6 / PC:DME 전해질 시스템에서 용매 비율에 따른 충방전 특성을 조사한 결과, 상대적으로 67:33 비율의 전해질 용액에서 비교적 우수한 사이클 효율이 나타나는 것을 확인하였다.
- 2) 리튬 덴드라이트의 성장 반응은 용매 비율에 크게 좌우되며, 우수한 사이클 효율을 갖는 비율에서 덴드라이트가 치밀하게 형성되었다.
- 3) 리튬이온에 대한 PC의 용매화 수가 리튬 덴드라이트의 성장 반응에 큰 영향을 주는 것이 확인되었다.
- 이와 같은 급격한 효율의 감소는 공용매인 DME를 전해질 용액에 혼합해줌으로 인해 크게 개선되었다. DME가 혼합된 모든 전해질 용액에서 그와 같은 개선 효과가 관찰되었으며, 특히 PC:DME의 비율이 67:33인 경우에 가장 큰 개선 효과가 관찰되었다. 이것은 DME의 혼합으로 인해 리튬 덴드라이트의 성장이 억제되었다는 것을 의미한다.
- Fig. 2의 충방전 결과와 Fig. 4의 EIS 결과로부터, 충방전 특성이 가장 우수했던 67:33(PC:DME의 비율)전해질 용액 중에서 얻어진 전극의 SEI 저항이 가장 크게 나타났다. 그 외의 전극으로부터는 10kΩ 이하의 비교적 작은 값이 얻어졌다.
- PC에 혼합되는 DME용매의 비율에 따라 충방전 거동, 리튬 덴드라이트의 형성 거동 및 SEI의 저항이 현저하게 다르다는 것을 확인하였다. 이와 같은 차이를 보다 더 자세히 이해하기 위해 전해질 용액 중의 리튬이온에 대한 용매화 수에 주목하였다.
- 2에 나타낸 효율 그래프이다. 각각의 전해질에서 100사이클의 충방전을 진행하였으며, 충방전 효율이 20% 이하인 경우 셀의 수명이 다 된 것으로 간주하여 그래프 상에는 20~100%범위의 효율만 나타내었다.
- 1)에 비해 훨씬 크기 때문에11), DME가 우선적으로 리튬 이온에 용매화 될것으로 예측할 수 있다. 즉, DME의 혼합에 의해 PC의 용매화 수는 급격하게 감소할 것으로 예측되었지만, 이러한 예측과는 달리 DME 함량의 증가에 따라 PC의 용매화 수는 완만하게 감소하고 있는 결과가 얻어졌다.
- 이것은 DME의 혼합으로 인해 리튬 덴드라이트의 성장이 억제되었다는 것을 의미한다. 충방전 종료 후 해체된 셀로부터도 67:33 용액에서 가장 적은 양의 고립 리튬이 생성되어 있음이 확인되었는데, 이러한 사실 또한 리튬 덴드라이트의 생성이 억제되었음을 지지하는 결과이다.
후속연구
- DME에 대한 용매화 수를 구할 수가 없기에, 리튬이온의 정확한 용매화 상태를 알 수는 없는데, 향후 이 부분에 대한 규명이 이루어진다면 리튬 덴드라이트의 성장 반응에 미치는 공용매의 영향에 관하여 보다 구체적인 이해가 가능하리라 생각된다.
- 바꾸어 말하면, SEI가 전하전달 저항에 큰 영향을 주며, 이러한 영향으로 인해 전하전달 저항이 전체 반응을 지배하게 되는 경우를 생각해 볼 수 있다. 이와 같은 추정은 전하전달 저항을 측정해 봄으로써 실험적으로 확인할 수 있으나, 리튬 표면에서 진행되는 리튬 이온의 산화 및 환원 반응에 대한 전하전달 반응을 구하는 것은 본 연구의 연구범위를 넘어서는 매우 어려운 것으로 향후의 연구과제로 남겨둔다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.