Effect of tortuosity on the performance of graphite anodes for lithium-ion/metal hybrid batteries

국문 초록 (Abstract)

리튬 금속 음극은 가장 높은 이론 용량과 가장 낮은 전기화학적 전위를 지닌 차세대 고에너지 음극으로 주목받고 있으나, 구조적 지지체가 없는 host-less 반응 특성으로 인해 단독 적용에는 근본적인 한계가 존재합니다. 충·방전 과정에서 리튬 금속은 반복적인 도금·박리 반응을 겪으며 심각한 부피 팽창을 동반하고, 이로 인해 덴드라이트 성장, 계면 불안정성 및 전기화학적 가역성 저하가 발생합니다. 이러한 문제는 국부적인 전류 집중과 불균일한 리튬 전착을 유발하여 셀 수명과 안전성을 동시에 저해하므로, 리튬 금속 음극의 단독 사용은 여전히 실용화에 어려움이 있습니다.
이러한 리튬 금속 음극의 한계를 완화하기 위한 대안으로, 최근에는 리튬이온 배터리의 장점을 결합한 리튬 이온/리튬 금속 하이브리드 음극 개념이 제안되고 있습니다. 이 접근법은 흑연의 안정적인 리튬 삽입(intercalation) 반응을 기반으로 전극의 구조적 안정성을 확보하는 동시에, 과잉 리튬을 가역적으로 전착함으로써 추가적인 용량을 활용하는 전략입니다. 특히 리튬이온 배터리에 널리 사용되는 흑연을 리튬 저장을 위한 호스트 물질로 활용함으로써, 리튬 금속의 무질서한 성장을 억제하고 보다 안정적인 리튬 전착 거동을 유도할 수 있습니다.
본 연구에서는 이러한 하이브리드 음극 개념을 실질적으로 구현하기 위해, 전극 구조적 관점에서 흑연 음극의 굴곡도 제어에 주목하였습니다. 흑연의 반자성 특성을 이용하여 자기장 기반 수직 배열을 통해 전극 내 흑연 입자의 정렬을 유도함으로써, 전극 내부의 이온 전달 저항을 감소시키고자 하였습니다. 이를 통해 리튬 이온 수송 경로를 단축하고, 특히 전극 내부 기공을 균일한 리튬 저장소로 활용하고자 하였습니다. 낮은 굴곡도를 갖는 흑연 전극 구조는 효율적인 리튬 이온 수송을 가능하게 하여, 리튬 전착이 전극 표면이 아닌 전극 내부에서 우선적으로 발생하도록 유도하였습니다. 나아가, 본 연구를 통해 전극 굴곡도가 리튬 이온 수송과 리튬 금속 전착 거동을 동시에 지배하는 핵심 구조 인자임을 규명하였으며, 자기장 기반 굴곡도 제어 전략이 고에너지 밀도와 안정적인 작동을 동시에 달성할 수 있는 리튬 이온/리튬 금속 하이브리드 음극 설계의 실질적인 지침이 될 수 있음을 제시합니다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Lithium metal anodes have attracted significant attention as next generation high energy anodes owing to their exceptionally high theoretical capacity and the lowest electrochemical potential. However, their practical application remains fundamentally limited by their host-less reaction nature, which lacks a structural framework to support lithium deposition. During repeated plating and stripping processes, lithium metal undergoes severe volume fluctuations, leading to dendrite growth, interfacial instability, and reduced electrochemical reversibility. These issues induce localized current density concentration and nonuniform lithium deposition, ultimately degrading both cell lifetime and safety, thereby hindering the practical implementation of lithium metal anodes.
To alleviate these intrinsic limitations, lithium-ion/metal hybrid anodes that combine the advantages of lithium-ion batteries have recently been proposed as a promising alternative. This strategy is based on the stable lithium intercalation reaction of graphite, which ensures structural stability of the electrode, while excess lithium is reversibly deposited to utilize additional capacity. In particular, graphite, which is widely used in lithium-ion batteries, can serve as an effective host material for lithium storage, suppressing uncontrolled lithium growth and promoting more stable lithium deposition behavior.
In this study, we focus on the practical realization of such hybrid anodes from an electrode structure perspective, with particular emphasis on controlling the tortuosity of graphite anodes. By exploiting the diamagnetic nature of graphite, magnetically assisted vertical alignment of graphite particles is employed to reduce ionic conduction resistance within the electrode. This structural design effectively shortens lithium-ion diffusion pathways and enables the internal pore spaces of the electrode to function as homogeneous lithium reservoirs. The resulting low tortuosity graphite electrode promotes efficient lithium-ion migration, thereby preferentially inducing lithium deposition within the electrode interior rather than on the electrode surface. Furthermore, this study identifies electrode tortuosity as a key structural parameter governing both lithium-ion migration and lithium metal deposition behavior, and demonstrates that magnetically assisted tortuosity control provides a practical design guideline for lithium ion and lithium metal hybrid anodes capable of achieving both high-energy-density and stable electrochemical operation.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Lithium metal batteries as a next-generation energy storage system 1
• 1.2 Critical issues limiting practical lithium metal batteries 5
• 1.3 3D host materials for lithium metal batteries 10
• 1.4 Lithium-ion/metal hybrid anodes 15
• 1.5 Motivation of this research 19
• Chapter 2. Experimental 20
• 2.1 Preparation of electrode 20
• 2.2 Characterization 21
• 2.3 Coin cell assembly 22
• 2.4 Electrochemical characterization 23
• Chapter 3. Results and Discussion 24
• 3.1 Electrode structure analysis 24
• 3.1.1 Scanning electron microscope (SEM) 24
• 3.1.2 X-ray diffraction (XRD) 26
• 3.1.3 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) 28
• 3.2 Electrochemical performance 32
• 3.2.1 Rate capability 32
• 3.2.2 Cycling tests 34
• 3.3 Post-mortem analysis of lithium deposition behavior 36
• Chapter 4. Conclusion 38
• References 40
• 논문요약 (국문) 44