리튬 메탈 음극 계면 안정화를 위한 용액 공정 기반의 질화리튬 보호층 설계 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 고에너지밀도 리튬 금속 전지의 실용화를 가능하게 하는 리튬 금속 표면의 리튬 나이트라이드(Li3N) 기반 보호층을 형성하기 위한 확장 가능한 공정 전략을 제시함. 해당 보호층은 리튬 금속과 자일릴렌디아민(xylylenediamine) 간의 직접 접촉을 통해 유도되는 루이스 산–염기 반응을 기반으로 형성되며, 2단계 용액 코팅 공정을 통해 구현됨. 먼저 화학적 폴리싱을 통해 리튬 표면에 존재하는 자연 산화층을 제거한 후, 연마된 리튬 금속 위에 Li3N 보호층을 형성한 Li3N@Li 전극을 제조함. 이러한 공정은 리튬 금속과 자일릴렌디아민 간의 효과적인 화학 반응을 유도하여, 구조적으로 안정한 보호층 형성을 가능하게 함.

Li3N@Li 전극은 리튬의 핵생성 및 성장 과정에서 치밀하고 조밀한 덴드라이트 프리(dendrite-free) 형태를 나타냄. Li||Li 대칭 셀 평가 결과, 0.5 mA/cm2의 전류 밀도에서 2 mAh/cm2 용량 조건 하에서도 덴드라이트 없는 안정적인 리튬 석출 거동을 확인함. 또한, 보호층이 적용된 리튬 음극을 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) 양극과 조합한 Li||NCM 전지는 5 mAh/cm2의 고면적 용량을 달성함. 해당 전지는 100회 이상의 충·방전 사이클 동안 평균 쿨롬 효율 99.8%와 함께 78.5%의 용량 유지율을 보여 우수한 사이클 안정성을 나타냄.

본 연구는 리튬 금속 음극 보호층 설계에 대한 실질적인 통찰을 제공하며, 고에너지밀도 리튬 금속 전지 구현을 위한 확장 가능하고 효과적인 보호층 형성 전략을 제시함.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we present a scalable approach for forming a lithium nitride (Li3N)-rich protection layer on Li metal, enabling practical applications for high-energy-density lithium metal (Li) batteries. This protection layer is developed through a simple Lewis acid–base reaction involving the direct contact of Li metal with xylylenediamine. This method employs a two-step solution coating process. First, the native oxide layer on the Li surface is removed via chemical polishing. Then, the Li3N protection layer is coated onto the polished Li metal (Li3N@Li). This ensures an effective chemical reaction between Li metal and xylylenediamine, leading to a robust protection layer. The Li nucleation and growth behavior of Li3N@Li shows a dendrite-free morphology with dense and compact properties. Electrochemical evaluations in Li||Li symmetric cells demonstrate dendrite-free Li deposition at 0.5 mA/cm2 for a capacity of 2 mAh/cm2. Additionally, pairing the protected Li anode with a NCM811 cathode achieves an areal capacity of 5 mAh/cm2. The resulting Li||NCM full cells exhibit stable cycling stability with 78.5% capacity retention and an average Coulombic efficiency of 99.8% for over 100 cycles. This work provides insights into the practical realization of high-energy-density Li metal batteries, offering a scalable solution for developing protection layers on Li metal anodes.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구배경 1
• 1.2. 이론적 배경 4
• 1.2.1. 리튬 이온 배터리 4
• 1.2.2. 리튬 메탈 배터리 7
• 1.2.3. Li dendrite 성장 거동 9
• 1.2.4. 고체 전해질 계면 11
• 1.2.5. 리튬 메탈 배터리의 안정성을 위한 방법 14
• 2. 리튬 메탈 배터리를 위한 용액공정으로 진행된 리튬 질화물 보호층 설계 16
• 2.1. 서론 16
• 2.2. 실험법 18
• 2.2.1. 화학적 표면처리 18
• 2.2.2. Li3N 보호층 형성 방법 18
• 2.2.3. 전기화학적 평가 방법 19
• 2.2.4. 표면 및 계면 분석 방법 19
• 2.3. 결과 및 논의 21
• 2.4. 결론 42
• 참고문헌 43
• Abstract 47