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Jun 29, 2023

KERI 연구진이 고도로 개발

한국전기연구원(KERI) 연구팀이 1차원 리튬 구속체를 이용해 율성능과 안정성이 향상된 고용량 리튬메탈전지를 개발했다.

한국전기연구원(KERI) 연구팀이 1차원 리튬 구속형 다공성 중공탄소 호스트를 이용해 율속 성능과 안정성이 향상된 고용량 리튬 금속 전지를 개발했다. 해당 논문은 ACS Nano에 표지논문으로 게재되었습니다.

기존 리튬이온전지는 층간삽입(intercalation) 메커니즘을 바탕으로 흑연계 음극에 리튬이온을 출입시켜 에너지를 생산하는 반면, 리튬금속전지는 이렇게 부피가 크고 무거운 흑연에 의존하지 않고 금속성 리튬 자체를 양극으로 사용한다. 리튬메탈은 흑연(372mAh/g)보다 이론용량(3,860mAh/g)이 10배 이상 높아 전기차, 에너지저장장치 등 고용량 배터리가 필요한 분야에서 꾸준히 주목받고 있다.

그러나 리튬은 사이클링 과정에서 균일하고 효과적으로 저장되지 않으면 덴드라이트(dendrite)를 형성할 수 있으며, 이는 전극의 부피 팽창으로 이어져 배터리 사이클 수명을 단축시키고 내부 단락으로 인한 화재 및 폭발 등의 안전 문제를 일으킬 수 있습니다. .

많은 연구자들이 Li 제한 가능 코어-쉘 호스트를 솔루션으로 탐색했습니다. 이러한 구조는 연속 사이클링 동안 유효 전류 밀도를 줄이고 코어 공간 내부에 Li를 저장함으로써 Li 수상돌기 성장과 부피 변화를 완화할 수 있기 때문입니다.

그러나 이러한 호스트는 특히 더 높은 전류 밀도와 용량에서 탄소 껍질이 리튬 이온 이동을 방해하여 표면(즉, 상단 도금)에서 원치 않는 Li 성장을 겪게 되어 전기화학적 성능이 저하됩니다.

이 문제를 해결하기 위해 KERI 팀은 중공 코어를 갖춘 1차원 Li 제한 다공성 탄소 구조를 개발하고 중공 코어에 Li 친화성(친유성)을 갖는 소수의 금 나노입자를 추가했습니다. 금 나노입자는 Li과 우선적으로 반응하여 Li의 성장 방향을 제어함으로써 코어 내부에 Li 증착을 유도한다. 또한, 쉘 부분에는 나노 크기의 기공이 많이 형성되어 코어 공간으로의 리튬 이온 이동이 향상됩니다.

Kanget al.

3차원 구조를 형성하는 잘 상호 연결된 전도성 네트워크, 손쉬운 리튬 이온 수송을 가능하게 하는 다공성 쉘 설계, 금속 Li를 저장하는 친친성 Au가 있는 중공 코어 공간으로 인해 [이메일 보호]는 Li 상단 도금을 억제하고 Li를 향상시킬 수 있습니다. 5mA cm–2에서도 동종 제품에 비해 스트리핑/도금 효율성이 뛰어나 결국 LiFePO4 전체 셀과 [이메일 보호] 대칭 셀의 안정적인 사이클링 성능을 각각 1000 및 2000사이클 이상 달성했습니다.

유한 요소 분석은 Au의 구조적 장점과 친광성이 [이메일 보호]의 지정된 코어 공간에서 빠른 가역적 Li 작동을 가능하게 함을 보여줍니다. 이는 Li 제한 가능 호스트의 구조 설계가 유망 Li- 실제 테스트 수준의 금속 배터리.

KERI 김병곤 박사팀은 이 물질 설계의 유효성에 대한 이론적 검증을 위해 중앙대학교 문장혁 교수와 협력했습니다. 시뮬레이션 결과, 쉘 기공에 의해 감소된 Li 이온 확산 길이와 금 나노입자에 의한 향상된 Li 친화력으로 인해 고전류 충전 조건에서도 구조 내부에 Li 증착이 유지되는 것으로 나타났습니다.

또한, 설계된 Li 호스트는 4C 속도의 높은 전류 밀도(82.5% 용량 유지)에서 500 사이클 이상의 우수한 사이클링 성능을 나타냈습니다. 또한 이번 기술은 대량생산에 유리한 전기방사 기술을 재료 합성에 활용해 실용성을 충족한 점도 특징이다.

연구팀은 금속 리튬의 안정적인 증착과 용해를 보장하는 기능성 전해질 개발 등 리튬 금속 배터리의 상용화를 계속 추진할 계획이다.

KERI는 과학기술정보통신부 산하 국가과학기술연구회(NST) 산하 전력전담 정부출연연구기관입니다.