Due to the ever-growing demand for high energy density energy storage systems, the intensive studies have been carried out on the next generation rechargeable batteries. Among them, lithium (Li)-metal battery has been considered as one of the most promising rechargeable battery due to the properties of Li metal, which are extremely high specific capacity (3860 mAh g–1), low gravimetric density (0.53 g cm-3) and the lowest reduction potential (–3.04 V vs. SHE). Despite of these advantages, dendritic Li growth is the major factor hindering the practical use of Li metal anode due to the safety hazard and poor electrochemical performance. Thus, suppressing the Li dendrite formation is a key factor for the Li metal battery performance.
In this work, the surface of Cu substrates are modified to suppress dendritic Li growth by introducing uniform surface and boundary formation. In chapter 2, a Cu anode structure with sharp wrinkles with uniformly distributed [100]-oriented facet is prepared for the dendrite-free Li deposition. The results reveal that the wrinkled Cu surface and uniform [100] facet play an important role in regulating Li+ flux and unifying Li adsorption energy, which allows long-term cycles of Li-metal batteries under carbonate-based electrolytes.
In chapter 3, a new design of seed structure comprising a wrinkled Cu/graphene substrate surrounded by copper(I) oxide (Cu2O) on a graphene grain boundary over a large area is prepared for the dendrite-free Li deposition. In this work, the boundary effect derived from two-step Li deposition has been demonstrated. The first Li deposition occurs on Cu2O due to the most lithiophilic nature creates boundaries composed of Li2O and Cu. The second Li deposition occurs on the wrinkled Cu/graphene due to the second best lithiophilicity, and the previously created boundaries prevent Li agglomeration, resulting in high-performance Li metal batteries.
This researches provide in-depth insights into the anode design for the development of high-performance Li-metal batteries.
기후변화 대응과 전기자동차(EVs), 전력저장장치 (ESS) 등 에너지저장장치의 고에너지 밀도 구현의 필요성이 증대됨에 따라 차세대 이차전지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중 리튬메탈전지는 리튬메탈의 높은 용량 (3860 mAh g-1), 낮은 밀도 (0.53 g cm-3) 및 낮은 전압 (-3.04 V vs. SHE) 등의 장점으로 인해 고에너지밀도 구현을 위한 차세대 이차전지로 각광받고 있다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고, 리튬메탈전지의 충방전에 따른 리튬 수지상 성장으로 인한 전지 성능 저하와 안전성 문제는 리튬메탈전지의 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 따라서 리튬 수지상 성장을 억제하는 것이 리튬메탈전지 개발의 핵심 요소이다.
본 학위 논문에서는 구리 표면을 제어 시 표면을 균일화하는 방법과 바운더리를 도입하는 방법을 이용하여 리튬 수지상 성장을 억제하고자 하였다. 2장에서는 구리 표면에 주름구조와 균일하게 분포된 [100] 면을 도입하여 리튬이온의 플럭스와 표면 흡착 에너지를 균일화 하였다. 이를 통해 탄산염 기반 전해질에서 균일한 리튬 전착을 유도하였으며, 그 결과 리튬메탈전지의 성능을 개선할 수 있었다. 3장에서는 산화구리로 둘러싸인 구리/그래핀 주름구조를 이용한 새로운 시드 구조를 이용하여 바운더리 효과를 제시하였다. 2 단계로 구성된 리튬 전착이 이루어지며, 리튬과의 친화도 차이를 이용해 균일한 리튬전착을 유도하고 이에 따라 리튬메탈전지의 성능을 개선할 수 있었다. 본 학위 논문에서는 리튬메탈전지 개발을 위한 효과적인 음극 디자인과 반응 매커니즘에 대해 기술한다.
