Constructing a Synergistic Triple Layer Interfacial Design for Dendrite-Free and High-Performance Lithium Metal Batteries = 시너지 효과를 갖는 삼중층 계면 구조 구축을 통한 덴드라이트 억제 및 고성능 리튬 메탈 배터리 구현

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Lithium metal anodes (LMAs) offer exceptionally high energy density but are hindered by unstable solid electrolyte interphase (SEI) formation, non-uniform lithium (Li)
deposition, and large volumetric fluctuations. Although three dimensional (3D) hosts have been widely developed to alleviate these limitations, the SEI layer generally forms as a single layer, which is easily destabilized during repeated cycling. To address this, double layer strategies that introduce alloy formation and an artificial SEI have been
proposed, often incorporating inorganic species such as LiF and Li2S for their high ion conductivity. However, their low electronic conductivity still leads to issues such as high interfacial resistance. These limitations indicate the need for an additional layer that can play a complementary role by enhancing electronic conductivity. Herein, we
developed a synergistic triple layer generated on nickel (Ni) foam (STLG@NF) through an in situ electrochemical reaction. During initial cycling, Ni3S2 undergoes
conversion to generate a Li2S-rich bottom layer with high ionic conductivity that promotes rapid and uniform Li+ transport. The middle carbon layer provides high
electronic conductivity and mechanical reinforcement, enabling more homogeneous electron distribution and accommodating repeated volume changes. On the surface, a well regulated outer SEI layer forms, acting as a chemical barrier against continuous electrolyte decomposition and regulating Li+ flux through more uniform and stable
ion transport. The synergistic coupling of these three layers stabilizes interfacial reactions, suppresses Li dendrite growth, and maintains structural integrity throughout
cycling. As a result, the Li-STLG@NF anode delivers long-term stability in symmetric cells for over 3000 h with a low overpotential of 11 mV and maintains more than 80%
capacity after 500 cycles in LiFePO4 (LFP) full cells. These tests demonstrated the anode’s practicality and reliability.

국문 초록 (Abstract)

리튬 메탈 음극은 매우 높은 에너지 밀도를 제공하지만, 불안정한 고체 전해질 계면층(SEI) 형성, 비균일한 리튬 증착, 그리고 큰 부피 변화로 인해 활용에 제약을 받는다. 이러한 한계를 완화하기 위해 다양한 삼차원 구조체가 개발되어 왔지만, SEI는 대체로 단일층 형태로 형성되며 반복적인 충방전 동안 쉽게 불안정해진다는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 합금화 반응과 인공 SEI를 도입하는 이중층 전략이 제안되었고, 높은 이온 전도도를 갖는 LiF나 Li2S와 같은 무기 성분이 자주 활용되었다. 그러나 이들 물질의 낮은 전기 전도도는 여전히 높은 계면 저항과 같은 문제를 유발한다. 이러한 한계는 전기 전도도를 보완하며 역할을 강화할 수 있는 추가적인 층이 필요함을 시사한다. 본 연구에서는 전기화학적 반응을 통해 니켈 폼(Ni foam) 상에 시너지 효과를 갖는 삼중층 구조(STLG@NF)를 형성하였다. 초기 사이클 동안 Ni3S2는 전환 반응을 거쳐 Li2S가 풍부한 바닥층을 형성하고, 이 층은 높은 이온 전도도를 통해 빠르고 균일한 리튬 이온 이동을 촉진한다. 중간에 위치한 탄소층은 높은 전기 전도도와 기계적 강도를 제공하여 전자의 균일한 분포를 유도하고 반복적인 부피 변화를 흡수한다. 표면에서는 조절된 외부 SEI가 형성되어 전해질의 지속적인 분해를 억제하는 화학적 장벽으로 작용하고, 보다 균일하고 안정적인 이온 이동을 통해 리튬 이온 플럭스를 조절한다. 이 세 층의 시너지적 결합은 계면 반응을 안정화하고 리튬 덴드라이트 성장을 억제하며 충방전 동안 구조적 안정성을 유지한다. 그 결과,
STLG@NF 기반 리튬 음극은 대칭셀에서 3000 시간 이상 낮은 과전압 11mV로 장기적으로 안정적인 성능을 보였으며, LiFePO4 기반 풀셀에서도 500사이클 후 80% 이상의 용량을 유지하였다.
이러한 테스트들을 통해 음극의 실용성 및 신뢰성을 입증하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Experimental Section 6
• 2.1 Preparation of Ni Foam (NF) 6
• 2.2 Preparation of NS-NF 6
• 2.3 Preparation of CNS-NF 6
• 2.4 Preparation of DLG@NF and STLG@NF 7
• 2.5 Material characterization 7
• 2.6 Electrochemical measurements 7
• Chapter 3. Results and Discussion 10
• 3.1 Synthesis of CNS-NF and characterization 10
• 3.2 Characterization of STLG@NF 21
• 3.3 Li plating/stripping behavior of STLG@NF 31
• 3.4 Electrochemical performance of STLG@NF (Half cell) 36
• 3.5 Electrochemical performance of STLG@NF (Symmetric cell) 43
• 3.6 Practical applicability of STLG@NF 50
• Chapter 4. Conclusion 56
• Abstract in Korean 57
• References 59