Elemental Design for Interfacial Stability in Anodes for All-Solid-State Batteries = 전고체전지 음극의 계면 안정성을 위한 원소 설계 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Advancing all solid state batteries (ASSBs) requires resolving interfacial instabilities at the anode|solid electrolyte (SE) interface that manifest as void formation, dendritic growth and interfacial degradation. This dissertation establishes an elemental design framework for advanced anodes that integrates alloy chemistry, interlayer architecture, and atomic mobility to achieve stable ASSB anode interfaces under practical operating conditions.
Chapter 1 introduces the rationale for an elemental design approach and delineates the mechanistic links between interfacial chemistry, Li+ flux, and chemo mechanical integrity.
Building on this, Chapter 2 presents the dual-mode alloy interlayer for Li metal anodes that achieves stable cycling under practical conditions, effectively suppressing void formation and maintaining interfacial contact. In this configuration, a Li-rich solid-solution alloy provides fast ionic transport while a mechanically reinforced intermetallic phase maintains structural continuity. This balance between ionic mobility and interfacial continuity represents electrochemical homeostasis, where the interlayer autonomously accommodates electro‑chemo‑mechanical fluctuations during operation.
Extending the framework to anode-free architectures, Chapter 3 compares blend-type interlayers with their intermetallic counterparts. Distinct microstructural connectivity produces contrasting diffusion pathways and depth wise elemental distributions, leading to marked differences in lithiation uniformity and reversibility.
Chapter 4 investigates Mg2X (X = Si, Ge and Sn) interlayers to reveal how non Li atomic mobility governs elemental rearrangement within the interlayer. Despite exhibiting similar Li plating morphology and kinetics, interlayers show markedly different reversibility. This divergence arises from distinct elemental rearrangement within the interlayer, indicating that interlayer stability relies on not only Li transport but also the coordinated movement of non-Li elements.
Altogether, this dissertation consolidates elemental design as the organizing principle for engineering advanced anodes in ASSBs. By leveraging a mechanistic understanding of elemental behavior, it demonstrates how rational elemental design can transform the electro-chemo-mechanical landscape of solid-state interfaces, advancing the realization of reliable, high-energy ASSBs.

국문 초록 (Abstract)

전고체전지 (ASSBs)의 발전을 위해서는 음극과 고체전해질 (SE) 계면에서 발생하는 계면 불안정성—공극 형성, 덴드라이트 성장, 계면 열화—을 해결하는 것이 필수적이다. 본 논문은 합금 화학, 계면층 구조, 원자 이동성을 통합한 원소 설계 프레임워크를 확립하여 실용적인 구동 조건하에서 안정한 ASSB 음극 계면을 구현한다.
제1장은 원소 설계 접근법의 필요성을 제시하고, 계면 화학, 리튬 플럭스, 그리고 화학-기계적 일체성 간의 기작적 연관성을 구체적으로 설명한다. 이를 기반으로 제2장은 리튬 금속 음극용 이중 모드 합금 계면층을 제시한다. 이 구조는 공극 형성을 억제하고 계면 접촉을 유지함으로써 실용적 조건에서도 안정적인 사이클링을 달성한다. 여기서 리튬이 풍부한 고용체 합금은 빠른 이온 수송을 제공하며, 기계적으로 강화된 금속간 화합물상은 구조적 연속성을 유지한다. 이와 같은 이온 이동성과 계면 연속성 간의 균형은 전기화학적 항상성을 형성하며, 계면층이 구동 중의 전기‑화학‑기계적 변동을 자율적으로 완충함을 확인하였다.
이 프레임워크를 무음극 (anode-free) 구조로 확장한 제3장은 원소간 혼합형 계면층과 금속간 화합물형 계면층을 비교한다. 미세구조적 연결성의 차이는 확산 경로와 깊이 방향 원소 분포의 차이를 초래하여, 리튬화 균일성과 가역성에서 뚜렷한 차이를 만든다.
제4장은 Mg2X (X = Si, Ge 및 Sn) 계면층을 설계하여, 비리튬 원자의 이동성이 계면층 내부의 원소 재배열을 어떻게 지배하는지를 규명한다. 비슷한 리튬 도금 형태 및 반응 속도를 보이더라도, 계면층은 가역성에서 현저한 차이를 나타낸다. 이러한 차이는 계면층 내부의 상이한 비 리튬 원소 재배열에서 비롯되며, 이는 계면층의 안정성이 단순한 리튬 수송뿐 아니라 비리튬 원소들의 이동에도 의존함을 시사한다.
종합적으로, 본 학위논문은 ASSB의 고도화된 음극 설계를 위한 핵심 원리로서 원소 설계 개념을 확립한다. 원소의 거동에 대한 기작적 이해를 토대로, 합리적 원소 설계가 고체 계면의 전기‑화학‑기계적 특성을 근본적으로 재구성함으로써, 신뢰성 있고 고에너지 밀도의 ASSB 구현을 가능하게 함을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iii
• List of Figures v
• List of Tables xi
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Opportunities and Challenges of Anodes in All-Solid-State Batteries 1
• 1.1.1. Sulfide Solid Electrolytes (SSEs) 2
• 1.1.2. Advanced Anodes in ASSBs 3
• 1.1.3. Interfacial Challenges at the Anode
• SE 4
• 1.2. Elemental Design in Anodes for ASSBs 4
• 1.3. Objectives 5
• 1.3.1. Li Metal Anode 5
• 1.3.2. Anode-free Configuration 6
• Chapter 2. Electrochemical Homeostasis via Dual-Mode Alloying Interlayer for All-Solid-State Lithium Metal Batteries 8
• 2.1. Introduction 8
• 2.2. Experimental 10
• 2.3. Results and Discussion 14
• 2.4. Summary and Conclusion 22
• Chapter 3. Interlayer Elemental Configuration and Interfacial Stability in Anode-Free Solid-State Batteries 55
• 3.1. Introduction55
• 3.2. Experimental 57
• 3.3. Results and Discussion 60
• 3.4. Summary and Conclusion 64
• Chapter 4. Atomic Mobility-Driven Elemental Rearrangement in Anode-Free Solid-State Batteries 76
• 4.1. Introduction 76
• 4.2. Experimental 78
• 4.3. Results and Discussion 82
• 4.4. Summary and Conclusion 88
• Chapter 5. Conclusion 108
• Bibliography 110
• 국문 초록 115