자가정렬 및 밀집된 나노막대 구조를 갖는 리튬 필름의 성장

리튬의 수지상 결정(lithium dendrite)의 성장을 억제하는 것은, 리튬-금속 전지 개발을 위해 해결해야 할 가장 중요한 문제점 중 하나이다. 리튬-금속 전지는 리튬-황(lithium-sulfur) 혹은 리튬-공기(lithium-air)와 같은 리튬-금속 전극을 사용하는 고에너지 밀도를 갖는 전지이다. PNNL(Pacific Northwest National Laboratory) 과학자들은 자가정렬되며 고도로 밀집된 형태의 나노막대 구조를 갖는 수지상 결정이 없는 리튬 필름을 처음으로 성장시키는데 성공하였다. 본 연구결과는 Nano Letters 지에 게재되어 있다.

리튬 금속은 이론용량이 3,860mAh/g으로 높기 때문에 고용량 2차전지를 위한 전극(anode) 물질로 매우 유망하며, 리튬-이온 전지에서 흑연 전극의 372 mAh/g의 경우보다 10배 정도 크다. 그러나 사이클링(cycling) 동안 전해질 분해와 리튬 금속 전극 표면에서의 수지상 결정의 형성으로 인해 안정성과 내구성에 문제를 야기하여 왔다. 이에 안전하고 내구성이 향상된 리튬-금속 전극 및/혹은 전해질을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다.

수지상 결정의 형성을 억제하려는 연구의 대부분은 크게 다음 세 가지로 분류된다.

1) 용매 염(solvent salts) 및 전해질 첨가제의 최적화를 통해, 리튬 전극 표면에서 고체 전해질 간기(solid electrolyte interphase, SEI)의 균일성과 안정성을 향상. 그러나 SEI만으로는 약한 기계적 강도로 인해 수지상 결정의 형성 및 성장을 완벽히 제거할 수는 없다.
2) 전해질에 다른 염 혹은 무기 화합물을 첨가하는 과정을 포함하는 전착(electrodeposition) 동안 리튬 합금 및 리튬 이외 금속의 합금 제조. 그러나 이런 금속 양이온 첨가제의 대부분은 리튬의 전착 과정 동안 형성되는 합금에 의해 소비됨으로써, 리튬 수지상 결정의 형성 억제가 지속적으로 나타나지 않는다.
3) 수지상 결정 성장을 억제하기 위한 기계적 차단막의 사용. 그러나 이런 보호층이 수지상 결정의 침투를 효과적으로 억제하는 물리적 방어벽이 될 수는 있어도, 근본적으로 수지상 결정의 성장 메커니즘을 변화시키지는 못한다. 결과적으로, 다공성 리튬은 물리적 차단막 하부에서 형성되어, 리튬 전극에서의 임피던스(impedance)를 빠르게 증가시키고 수지상 결정과 관련된 단락(short) 없이도 전지에 손상을 야기할 수 있다.

PNNL 연구팀은 이전에 CsPF6 (cesium hexafluorophosphate)를 전해질 첨가제로 개발한 바 있으며, 이 물질은 리튬 수지상 결정의 형성을 억제하는 것으로 나타났다.

본 연구에서, 연구팀은 전착과 제거 사이클 동안 리튬 필름의 단면형태의 형성을 추가적으로 조사하였다. 전해질에서 Cs+ 및 다른 성분이 전기화학적 전착의 전압 프로파일에 미치는 영향과 리튬의 전착 이전에 구리 기질 상에 형성된 SEI의 화학적 특성에 미치는 영향도 체계적으로 조사하였다.

그 결과, CsPF6 첨가제 존재 하에서 명백히 밀집된 형태의 자가정렬된 나노막대로 구성된 리튬 필름이 성장되는 것으로 나타났다. 또한 0.9~1.2V에서 카보네이트 용매의 환원성 분해 이전에, 약 2.05 V 정도에서 얇은 SEI가 구리 표면에 이미 형성됨이 밝혀졌다. 이 SEI 전구체의 품질은 전착될 리튬의 형태를 예측할 수 있도록 해 준다.

전기화학적으로 생성된 수지상 결정이 없는 리튬 필름의 내부 마이크로구조에 대한 새로운 지식과 리튬 전착에 대한 SEI 및 Cs+ 첨가제의 상승효과는, 과학자들로 하여금 이 분야에서 금속 리튬 전극(anode)를 설계하는데 도움을 줄 것으로 기대된다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 자가정렬 및 밀집된 나노막대 구조를 갖는 리튬 필름의 성장