초록 ▼

1. 분석자서문

리튬이온전지는 전자기기 분야에서의 혁신을 가져왔지만, 그것의 안전성 및 에너지밀도의 한계로 인해 전기자동차 및 그리드 스케일의 에너지 저장매체에 대한 빠르게 증가하는 에너지밀도를 만족시키기에는 무리가 있다. 이에 양산 가능 차세대전지에 대한 요구가 커지고 있는 가운데, Li금속전극이 좋은 후보가 될 수 있다. 하지만 안전문제에 대한 해결책 및 분석 기술의 부재로 수십 년 동안 연구개발이 더디게 진행되어왔다. 최근 나노 기술 기반의 기술이 발전함에 따라 다시 각광을 받고 있다. 이에 본 리뷰는 전지의

1. 분석자서문

리튬이온전지는 전자기기 분야에서의 혁신을 가져왔지만, 그것의 안전성 및 에너지밀도의 한계로 인해 전기자동차 및 그리드 스케일의 에너지 저장매체에 대한 빠르게 증가하는 에너지밀도를 만족시키기에는 무리가 있다. 이에 양산 가능 차세대전지에 대한 요구가 커지고 있는 가운데, Li금속전극이 좋은 후보가 될 수 있다. 하지만 안전문제에 대한 해결책 및 분석 기술의 부재로 수십 년 동안 연구개발이 더디게 진행되어왔다. 최근 나노 기술 기반의 기술이 발전함에 따라 다시 각광을 받고 있다. 이에 본 리뷰는 전지의 타입 및 유기/무기화학 기반으로 최근 Li전극의 연구 동향을 폭넓게 다루고 있으며, Li금속음극의 상용화를 필요한 개발 방향을 제안하고 있다. 본 분석에서는 Li금속전극을 이해하기 위한 그것의 근본적인 한계 및 주요 이슈 사항을 요약하고, 최근 주요 연구 성과 및 그 한계에 대해 간단히 정리하여 독자의 이해를 돕고자 한다.



2.목차

1. 개요

2. 본문

2.1. 리튬금속음극의 난제

2.2. Li 표면에서의 SEI(Solid electrolyte interphase) 형성

2.3. Li dendrite 성장 이론

2.4. 무한한 상대적인 부피변화

2.5. Li 금속 난제 간의 연관성

2.6. Li음극 안정화를 위한 전해질 연구

2.7. 불소화합물

2.8. 자기회복 정전기막

2.9. Li polysulfide와 LiNO3의 상승효과

2.10. 고농도염

2.11. 계면공학에 의한 Li음극 안정화

2.12. 인공 SEI

2.13. 나노계면공학

2.14. Li이온 flux의 균일화

2.15. 안정한 host를 이용한 부피변화의 최소화

2.16. Guided Li plating과 보호

2.17. 고체전해질을 이용한 dendrite 성장 억제

2.18. 진보된 Li금속분석법

3. 고찰 (OUTLOOK)

3.1. 2D, 3D 형태의 Li

3.2. Li금속분석법

3.3. SEI및 계면 분석

3.4. 고체전해질

3.5. Full-cell 디자인

3.6. 안전한 전지 작동을 위한 “Smart” 디자인

4. 분석자 결론

최근 리튬이온전지의 에너지밀도 한계에 봉착하면서 Li금속에 대한 기대가 더욱 커지고 있다. Li금속전지는 3800 mAh/g 이상의 용량으로 현재 상용화되어 있는 흑연 대비 10배에 가까운 용량 및 단셀 기준 약 30% 이상의 에너지밀도 개선효과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 이에, 안전성 및 수명에 대한 문제가 완전히 해결되지 않았음에도 불구하고, 리튬이온전지의 한계라고 예상되는 300 Wh/kg 이상의 에너지밀도에 대한 니즈에 대응하고, 현재 200~300km 수준에 머물러 있는 전기자동차의 항속거리를 연장하기 위해 세계의 많은 중소 벤처업체들은 시제품을 출시하고 있다.

본 논문은 Li금속 연구 전반에 대해 방대한 연구 성과를 간결하게 설명하고 있다. 유기 고분자전해질에서부터 무기 고체전해질까지 폭넓게 다루고 있으며 각 연구 콘셉트의 장점 및 그 한계를 명확하게 기술하였다. 다만, Li-S와 Li공기에서의 결과가 주로 설명되면서 최근 각광을 받고 있는 황화물 전고체전지에서의 Li금속에 대해서는 강조되지 못한 점이 아쉽다. 황화물 전고체전지에서는 Li dendrite의 물리적인 성장 외에도 고체전해질의 전기화학적 안정성과도 연관되어 보다 깊은 이해가 필요할 것으로 생각된다.

본 논문은 최근 연구 동향을 잘 정리하고, 유기/무기화학의 폭넓은 분야를 기반으로 설명하여 Li금속의 연구개발에 중요한 지침서가 되리라 생각한다.



References

1. Lin, D.; Liu, Y.; Cui, Y., Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries. Nat Nanotechnol 2017, 12 (3), 194-206.

2. Dunn, B.; Kamath, H.; Tarascon, J.-M., Electrical energy storage for the grid: a battery of choices. Science 2011, 334 (6058), 928-935.

3. Goodenough, J. B.; Park, K.-S., The Li-ion rechargeable battery: a perspective. Journal of the American Chemical Society 2013, 135 (4), 1167-1176.

4. Tarascon, J.-M.; Armand, M., Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature 2001, 414 (6861), 359-367.

5. Xu, W.; Wang, J.; Ding, F.; Chen, X.; Nasybulin, E.; Zhang, Y.; Zhang, J.-G., Lithium metal anodes for rechargeable batteries. Energy & Environmental Science 2014, 7 (2), 513-537.

6. Peled, E., The electrochemical behavior of alkali and alkaline earth metals in nonaqueous battery systems—the solid electrolyte interphase model. Journal of The Electrochemical Society 1979, 126 (12), 2047-2051.

7. Peled, E.; Golodnitsky, D.; Ardel, G., Advanced model for solid electrolyte interphase electrodes in liquid and polymer electrolytes. Journal of the Electrochemical Society 1997, 144 (8), L208-L210.

8. Aurbach, D.; Daroux, M.; Faguy, P.; Yeager, E., Identification of surface films formed on lithium in propylene carbonate solutions. Journal of The Electrochemical Society 1987, 134 (7), 1611-1620.

9. Aurbach, D.; Ein­Ely, Y.; Zaban, A., The surface chemistry of lithium electrodes in alkyl carbonate solutions. Journal of The Electrochemical Society 1994, 141 (1), L1-L3.

10. Aurbach, D., Review of selected electrode–solution interactions which determine the performance of Li and Li ion batteries. Journal of Power Sources 2000, 89 (2), 206-218.



※ 이 자료의 분석은 현대자동차 연구개발본부의 권오민님께서 수고해주셨습니다.