Controlled Bottom-up growth of Li by a gradient lithiophobic?lithiophilic 3D Cu foam structure using the brushing method

초록

높은 에너지 밀도를 요구하는 전기자동차 (EV) 및 에너지 저장 시스템 (ESS) 시장의 급속한 성장으로 Li 금속은 상용 흑연 음극을 대체할 수 있는 차세대 리튬 전지용 음극재료로 주목받고 있다. Li 금속은 높은 이론 용량 (3860 mAh g-1), 낮은 산화환원 전위 (-3.04 V vs. SHE) 등 전기화학적 특성이 우수한 경쟁력 있는 차세대 음극소재이다. 그러나, Li 금속을 음극소재로 적용할 때 반복적인 충방전 과정 중 Li 금속의 큰 부피 변화에 따른 SEI layer (Solid Electrolyte Interface)의 균열, Li dendrite의 제어 불가능한 성장으로 인한 전지의 내부 단락 등 여러 해결해야 할 문제점을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 Li dendrite 성장을 제어하기 위해 Gradient lithiophobic?lithiophilic 형태의 3D Cu foam 구조를 사용하여 Li의 bottom-up 성장을 제어하는 방식을 연구하였다. 3D Cu foam 구조의 상단 부분에는 polydimethylsiloxane (PDMS)를 Brushing method로 코팅하여 Insulating layer를 형성함으로써 계면에서 Li 석출을 방지하였다. 또한, 3D Cu foam 최하 에는 Lithiophilic한 특성을 갖는 Ag paste 를 코팅하여 Li이온의 적절한 환원을 촉진하고, Li의 Bottom-up성장를 달성하고자 하였다. Li deposition후 bottom-up 구조로 성장하는 Li의 형태 및 3D Gradient 구조 형태는 주사전자현미경-에너지분산 X선 분광법 (SEM-EDX)을 통해 확인하였고, Symmetric cell 및 CE test 성능 평가를 통해 리튬 금속 전지 음극으로 서의 성능을 평가하였다. 해당 연구를 통해 제작된 Gradient 3D Cu foam은Li의 상향식 성장으로 인해 기존 구리 물질에 비해 향상된 전기화학적 성능을 보여준다는 것을 확인하였다.