초박형 리튬 금속 음극 위한 구리 집전체의 리튬 친화적인 합금 프레임워크

[2025 카모페어]

리튬 이온 배터리는 전기 자동차와 에너지 저장 장치에 널리 사용되었습니다. 그러나 리튬 이온 배터리는 용량 한계에 가까워지고 있습니다. 따라서 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도가 필요한 차세대 배터리에 적용하기 어렵습니다. 에너지 밀도 문제를 해결하기 위해 고에너지 밀도 (400-500 Wh/kg)와 이론 용량 (3860 mAh g-1)을 가진 리튬 금속 음극이 고용량 배터리에 대해 연구되었습니다. 리튬 금속 음극은 높은 이론 비용량을 가지고 있지만 불안정한 고체 전해질 계면과 충전/방전 중 리튬 금속 음극의 큰 부피 팽창과 같은 문제가 있습니다. 또한 구리 호일은 리튬 친화성이 좋지 않아 불균일한 리튬 금속 음극으로 이어지고 결국 리튬 덴드라이트가 성장하게 됩니다.
이 연구에서는 초박형 리튬 금속 음극을 제작하기 위한, 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하여 패턴화된 Si3N4 세라믹 층으로 구성된 구리 호일에 대해 보고합니다. 40 μm의 초박형 리튬 금속 음극은 Si3N4로 코팅된 구리 전류 수집기를 사용하여 형성할 수 있습니다. 리튬 금속 음극에서 리튬 실리콘 질화물의 XRD 패턴을 관찰했습니다. 본 데이터를 통해 LixSiy과 LixNy 합금 물질을 분석하였습니다. 그리고 SEM 이미지는 XRD에서 관찰된 리튬 친화적인 Si3N4는 리튬 수지가 성장하는 것을 억제한다는 것을 증명했습니다. 이는 Si3N4로 코팅된 구리 집전체가 낮은 계면 임피던스를 실현하고 전기 전도도를 높이며 Li2CO3와 같은 불순물 층을 억제하여 분극 저항을 줄이기 때문입니다. 더불어, 1, 5, 10, 50사이클 후 리튬 금속 음극을 분석하여 LixSiy과 LixNy 합금이 균일한 리튬 증착/박리 과정을 유도할 수 있습니다. 그리고 XPS 분석을 통해 안정적인 SEI 층을 형성했음을 증명합니다. 결과적으로 SNLMA은 1mA cm-1에서 대칭 셀 테스트에서 2000 시간 이상의 안정적인 사이클을 보였고, 완전 셀의 경우, LCO는 0.5 C 기준 200사이클 동안 92%의 우수한 용량 유지 성능을 유지하였습니다. 또한, 상용화 기준의 LCO를 제작하여 파우치 셀 평가를 진행하였고, 50사이클 동안 우수한 방전 용량을 제공합니다. 이 연구는 높은 에너지 밀도를 가진 차세대 리튬 기반 배터리를 위한 새로운 전략을 제공합니다.

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