리튬 금속 음극의 유·무기 복합 이중 보호층 연구 = Dual-Layer Organic-Inorganic Protective Coating for Lithium Metal Anodes

국문 초록 (Abstract)

리튬 금속 음극의 유·무기 복합 이중 보호층 연구 리튬 금속은 3860 mAh g-1에 달하는 높은 이론 용량과 3.04 V(vs. SHE)의 낮은 전기화학적 전위를 지니고 있어, 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 차세대 이차전지의 유망한 음극 소재로 주목받고 있다. 그러나 리튬 금속 음극은 불안정한 전해질-계면 반응과 제어하기 어려운 리튬 수지상 (Li dendrite) 성장으로 인해 심각한 성능 저하 문제가 발생한다. 수지상이 성장 하는 과정에서 전기적으로 연결되지 않은 비활성 리튬(dead Li)이 형성되어 급격한 용량 감소를 초래하며, 동시에 날카롭게 성장한 수지상은 분리막을 관통하여 양극과 직접 접촉함으로써 내부 단락, 화재 및 열폭주와 같은 안전 문제를 유발할 수 있다. 이러한 한계로 인해 리튬 금속 음극의 실질적인 활용을 위해서는 계면 안정성 향상과 리튬 수지상 (Li dendrite) 성장 억제를 동시에 달성할 수 있는 전극 구조 및 표면 설계에 관한 연구가 필수적이며, 최근 이를 해결하기 위한 다양한 접근법이 활발히 제시되고 있다.
본 연구에서는 리튬 금속 전극의 계면 안정성과 수지상 성장을 억제하기 위해, Tetraethyl orthosilicate(TEOS)를 이용해 인공적인 Solid Electrolyte Interphase(SEI)를 형성하고, 위에 Poly(vinylidene-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) 고분자를 이용하여 고분자 보호층을 도입한 이중 보호 전략을 제안하였다. 형성된 균일한 유-무기 복합 코팅층은 리튬 수지상(Li dendrite) 성장을 효과적으로 억제하고 계면 저항을 감소시켜 화학적 안정성을 크게 향상 시켰다.
Dual-Protected Li (DP-Li) 제작된 대칭 전지는 무처리 리튬(Pristine Li) 대칭 전지 보다 낮은 전하 전달 저항(50Ω)뿐만 아니라 낮은 핵형성 과전압 (66.7mV)을 보여주며 더 높은 사이클 안정성을 보여줌과 동시에 우수한 율속 성능을 보여주었다. 마찬가지로 DP-Li/LiFePO4 전지에서 모든 구간 (0.2C,0.5C,1C)에서 우수한 성능과 용량 유지율을 보여주었다. 이러한 결과를 통해서 리튬 금속 전극에 유-무기 이중 보호층은 도입하는 전략이 안정성을 크게 향상시키며, 고에너지 밀도 전지 상용화를 위한 효과적인 전략임을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Lithium metal has attracted significant attention as a promising anode material for next-generation secondary batteries due to its high theoretical capacity (3860 mAh g⁻¹) and low electrochemical potential (3.04 V vs. SHE), enabling the realization of high energy density systems. However, lithium metal anodes suffer from severe performance degradation caused by unstable electrolyte–interface reactions and uncontrollable lithium dendrite growth. During the dendritic growth process, electrically isolated inactive lithium (dead Li) is generated, leading to rapid capacity decay. Moreover, the sharply grown dendrites can penetrate the separator and come into direct contact with the cathode, potentially inducing internal short circuits, fire hazards, and thermal runaway. Therefore, enhancing interfacial stability and suppressing dendrite growth are essential for the practical application of lithium metal anodes, and numerous strategies have recently been proposed to address these challenges.
In this study, we propose a dual-protection strategy to improve interfacial stability and suppress dendrite growth on lithium metal electrodes. An artificial solid electrolyte interphase (SEI) layer was first formed using tetraethyl orthosilicate (TEOS), followed by the introduction of a poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) polymer protective layer on top. The resulting uniform organic–inorganic composite coating effectively suppressed lithium dendrite formation and reduced interfacial resistance, thereby significantly enhancing chemical stability.
The Li/Li symmetric cell fabricated with the dual-protected lithium exhibited not only a lower charge-transfer resistance (50 Ω) compared to the pristine Li symmetric cell, but also a reduced nucleation overpotential (66.7 mV), demonstrating superior cycling stability and improved rate capability. Similarly, Li/LiFePO₄ cells employing the dual-protected lithium anode showed enhanced performance and higher capacity retention across all tested current rates (0.2 C, 0.5 C, and 1 C).
Overall, these results indicate that the introduction of an organic–inorganic dual-layer protection on lithium metal electrodes substantially improves electrode stability and represents an effective strategy for the commercialization of high-energy-density lithium metal batteries.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 이론적 배경 4
• 1.2.1 리튬이차전지란 4
• 1.2.2 리튬 금속 7
• 1.2.3 표면 제어 방법 7
• Ⅱ. 실험 방법 9
• 2.1 Dual-Protected Li (DP-Li) 리튬 제조 9
• 2.1.1 DP-Li 제조 방법 9
• 2.1.2 유·무기 복합 코팅 공정 10
• 2.2 LiFePO4 양극 제조 12
• 2.3 특성 분석 12
• 2.3.1 물리적 특성 분석 12
• 2.3.2 전기화학적 특성 분석 13
• Ⅲ. 실험 결과 15
• 3.1 DP-Li 전극 특성 분석 결과 15
• 3.2 전기화학적 특성 분석 결과 27
• 3.2.1 Li/Li 대칭 전지 특성 분석 27
• 3.2.2 Li/LiFePO4(LFP) 전지 특성 분석 35
• Ⅴ. 결론 46
• [참고문헌] 47
• ABSTRACT 53