Lithium metal batteries (LMBs) are increasingly recognized as a promising next-generation energy storage solution, owing to their exceptionally high theoretical energy density. However, the commercialization of LMBs faces a significant challenge due to the formation of lithium dendrites on the current collector. In this context, I explore a facile surface modification process aimed at stabilizing lithium dendrite formation on the anode current collector, thereby improving the cycle life of LMBs. For this, I introduce a dual-metal co-electrodeposition process, which is both scalable and compatible with battery manufacturing environments. With this process, i suggest a Cu-Zn layer deposited current collectors (CuZn-CCs). I have found that the composition of Cu and Zn in the deposit can be precisely controlled by adjusting the ionic concentration in the electrolyte. Additionally, the surface area of the current collector can be tailored not only into a film form but also into a nano-structured Cu-Zn configuration. This can be achieved by tuning the ionic concentration of the electrolyte and the voltage applied during the coelectrodeposition process. With the use of nano-structured Cu-Zn coated current collector (nCuZn-CC), it is demonstrated that the nCuZn-CC enhances the cycle life of the batteries by 87.5%, and maintains a high coulombic efficiency (greater than 90%) by 85.9%. This study presents a straightforward, one-step method that is well-suited for the mass production of LMBs.
최근 산업 전반의 전동화 및 자동화 흐름에 따라 이차전지 수요가 급증하고 있다. 그러나 수십 년 동안 사용된 기존의 리튬이온전지는 흑연 음극재의 낮은 용량 밀도(372 mAh/g) 한계로 인해 차세대 전지의 개발이 필요하다. 리튬 금속은 흑연에 비해 전기화학적 전위가 낮고 용량 밀도가 높은(3860 mAh/g) 장점이 있어 차세대 음극재로 주목받았다. 그러나 리튬의 전착-탈리 불안정성, 부피 팽창, 그리고 수지 구조(dendrite) 형성 문제로 인한 수명 및 안정성 문제가 있어 기술적인 한계가 있다. 이를 극복하기 위한 연구 중 하나는 친리튬성 물질로 집전체를 개선하거나 리튬의 균일한 전착을 유도하는 것이지만, 많은 연구들이 양산성 문제 등의 제작 한계를 갖고 있다. 본 연구에서는, 리튬금속전지 음극 집전체에서 리튬의 균일한 전착을 유도하기 위해 구리와 함께 대표적 친 리튬성 물질로 알려진 아연을 집전체 전면에 배치하는 표면 개질 방법을 제안한다. 집전체의 표면개질에는 구리와 아연 두 가지 소재를 단일 공정에서 동시에 증착하는 이종 소재 전기 증착 공정을 이용한다. 전기 증착 공정은 대면적화 및 롤투롤(roll-to-roll) 공정으로의 확장이 용이하여 생산성이 높은 장점이 있다. 이를 통해, 집전체 표면의 조성 및 표면적 제어가 가능함을 검증한다. 또한, 후속 열처리 공정을 적용하여 전기증착된 구리-아연층의 기계적 및 전기화학적 성능을 극대화한다. 이를 통해, 리튬금속전지 수명 및 쿨롱 효율 개선 정도를 정량적으로 분석하여 리튬금속전지의 성능을 개선한다.
