무음극 이차전지용 은 코팅 구리 나노구조 집전체의 리튬 전착 거동에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

무음극 전지(Anode-Less Batteries)는 기존 리튬 이온 전지(Li-ion Batteries)의 부피와 무게를 차지하던 흑연 음극 활물질을 제거하고, 집전체 표면에 소량의 리튬을 전착시킨 형태로 음극을 구성함으로써 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 차세대 이차전지이다. 그러나 리튬을 삽입·탈리 할 수 있는 호스트(Host)의 부재로 인해 충·방전 과정에서 리튬 수지상 성장과 데드 리튬이 발생하며, 이는 전해액 고갈과 급격한 수명 저하를 유발한다. 본 연구에서는 갈바닉 치환 반응(Galvanic replacement reaction)을 통해 구리 나노로드의 구조적 이점과 은의 화학적 친리튬성을 결합한 Ag@Cu-NF 집전체를 제조하여, 전기화학적 특성 및 리튬의 전착 거동을 규명하였다. 갈바닉 치환 반응을 통해 형성된 Ag@Cu-NF는 bare Cu 대비 약 9.8배 증가한 활성 면적(ECSA)을 통해 국부 전류 집중 현상(Local current density)을 완화할 뿐 아니라, 표면의 은 나노 입자가 리튬과 합금화 반응(Alloying reaction)을 일으켜 8.1 mV의 낮은 핵생성 과전압과 2.56×10-12 cm2/s의 높은 리튬 이온 확산 계수를 가짐으로 리튬의 균일한 전착을 유도하였다. 해당 집 전체를 적용한 Li//Cu 반쪽 전지 평가 결과, 100 사이클 동안 80% 이상의 높은 쿨롱 효율(Coulombic Efficiency)을 유지하였다. 또한 LiFePO4//Cu 완전 전지 평가 결과 1 C 조건에서 120 사이클 후 초기 용량 대비 84% (112.1 mAh/g)의 용량 유지율을 보이는 우수한 수명 특성을 보였다. 이러한 결과는 Ag@Cu-NF 집전체가 넓은 활성 면적으로 인한 전류 분산과 합금화 반응을 통해 리튬 수지상 성장을 효과적으로 억제했음을 보여주며, 이는 차세대 고에너지밀도의 무음극 전지(Anode-Less Batteries)의 실용화를 위한 음극 소재 설계 전략을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 3
• 2.1 리튬 이온 전지 3
• 2.2 차세대 이차전지 5
• 2.2.1 리튬-황 전지 5
• 2.2.2 리튬-공기 전지 5
• 2.2.3 리튬 금속 전지 6
• 2.2.4 전고체 전지 6
• 2.2.5 무음극 전지 7
• 2.3 음극 표면 리튬 수지상 형성 억제를 위한 연구 동향 11
• 2.3.1 전해질 개질 11
• 2.3.2 분리막 개질 11
• 2.3.3 나노구조의 음극 집전체 12
• 2.3.4 리튬 친화성 물질 코팅 12
• Ⅲ. 실험 방법 18
• 3.1 집전체 표면 개질 18
• 3.1.1 나노구조체 형성 18
• 3.1.1.1 Al//Cu Foil 및 나노 구조체 형성을 위한 용액 제작 18
• 3.1.1.2 Cu 집전체 표면 나노구조체 형성 18
• 3.1.2 은 나노 입자 코팅 19
• 3.1.2.1 은 나노 입자 코팅을 위한 용액 제조 19
• 3.1.2.2 Cu 집전체 표면 은 나노 입자 코팅 19
• 3.2 집전체 성능 평가를 위한 전지 제작 20
• 3.2.1 활성 면적 측정을 위한 3전극 전지 구성 20
• 3.2.2 전지 성능 평가를 위한 양극 제작 20
• 3.2.3 Li//Cu 전지 제작 21
• 3.2.4 무음극 전지 성능 평가를 위한 음극 제작 21
• 3.2.5 LiFePO4//Cu 전지 제작 21
• 3.3 물리화학적 분석 22
• 3.3.1 전계 방출 주사 전자 현미경 (FE-SEM) 분석 22
• 3.3.2 에너지 분산형 X선 분광 분석 (EDS) 분석 22
• 3.3.3 X선 회절법 (XRD) 분석 22
• 3.3.4 In-situ 광학 현미경 (Optical Microscope) 분석 23
• 3.4 전기화학적 분석 24
• 3.4.1 순환 전압 전류법 (CV) 분석 24
• 3.4.2 Chronopotentiometry (CP) 분석 24
• 3.4.3 Potentiostatic Intermittent Titration Techique (PITT) 분석 24
• 3.4.4 선형 주사 전압 전류법 (LSV) 분석 25
• 3.4.5 정전류 충방전 (GCD) 분석 25
• Ⅳ. 결과 및 고찰 26
• 4.1 집전체 합성 조건 최적화 26
• 4.1.1 나노구조체 형성 26
• 4.1.2 은 나노 입자 코팅 28
• 4.2 집전체 합성에 따른 특성 평가 36
• 4.2.1 XRD 분석 36
• 4.2.2 집전체에 따른 활성 면적 분석 38
• 4.3 집전체 합성에 따른 전기화학 특성 평가 42
• 4.3.1 Li//Cu 반쪽 전지 평가 42
• 4.3.1.1 리튬 핵생성 과전압 평가 42
• 4.3.1.2 리튬 이온 확산계수 평가 44
• 4.3.1.2 리튬 가역성 평가 49
• 4.3.1.3 Sand's time 평가 52
• 4.3.1.4 전기화학적 안정성 평가 54
• 4.3.1.5 In-situ 광학 현미경 분석 57
• 4.3.2 LiFePO4//Cu 완전 전지 평가 59
• Ⅴ. 결론 65
• 참고문헌 66
• Abstract 71
• 감사의 글 73