신기술 소개
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… NICE, 제39권 제2호, 2021차세대 리튬 이온 전지의 음극으로 높은 이론 용 량 값을 가지는 리튬 금속을 이용한 리튬 금속 배터 리를 연구 개발 중에 있다. 그러나 리튬 금속자체의 안정성 문제와 배터리의 충/방전을 반복하면서 리튬 이 균일 하게 쌓이지 못해 형성되는 리튬 덴드라이 트(lithium dendrite)로 인해 폭발의 위험이 있어 상용 화에 어려움을 겪고 있다. 이러한 문제점을 극복하 기 위하여 음극의 전자 전달을 향상시키거나 내부에 3D 구조체를 도입하여 특정 방향으로 성장하는 리 튬 금속을 억제하는 연구가 제시되었다. 본 연구진 은 두가지 장점을 도입하여 리튬 금속을 전기 전도 도가 좋은 카본 나노 튜브 스폰지 필름에 코팅한 전 극(LiCSMF)을 개발했다. 탄소는 리튬 친화형 소재 가 아니 라서 녹아 있는 리튬을 카본 표면위에 떨어 뜨린다면 바로 흡수되지 않고 리튬 금속끼리 뭉쳐 있는 것이 일반적이다. 그러나 본 연구에서는 이를
극복하기 위해 확산을 활용했다. 리튬 금속의 양쪽 에 탄소 나노 튜브 스폰지 필름을 위치하고 한쪽면 에만 열을 가한다. 그러면 위, 아래 필름의 온도차이 에 의해 깁스 자유 에너지 차이가 상부 쪽의 필름이 더 적게 되고 녹아 있는 리튬이 자발적으로 상부 필 름으로 확산된다. 결과적으로 깔끔하게 리튬이 코팅 된 탄소 나노 튜브 필름을 제작할 수 있었다. 이렇게 제조된 전극은 리튬 황 배터리의 음극으로 활용하였 고 안정성 면에서 우수한 성능을 보였을 뿐만 아니 라 측정 이후 배터리를 해제하여도 폭발하지 않았 다. 이는 리튬 찬화성이 좋지 않은 탄소 물질을 음극 제의 구조체로 활용할 수 있는 가능성을 제시했다.
리튬 덴드라이트 형성이 억제되는 리튬/탄소 나노튜브 복합체의 리튬 금속 배터리용 음극으로의 활용
Wu et al., Advanced Materials 2006702 (2020) DOI: 10.1002/adma.202006702
그림 1. 본 연구를 통해 고안된 리튬 금속 음극 합성 메커니즘.
그림 2. 다양한 전류에서의 충방 전 이후 Li 표면 SEM 이미지, Li 금속 및 LiCSMF 전극에 대한 Li 스트리핑 / 도금 동작의 개략도.