As the demand for environmentally friendly energy increases, there is active research aimed at developing high-performance secondary batteries. Among these, lithium metal and zinc metal are recognized as representative candidates for the next generation of secondary battery anodes. In particular, lithium metal has garnered attention as the ultimate anode for secondary batteries due to its high theoretical capacity (3860 mAh g$^{-1}$) and low reduction potential (-3.04 V vs. SHE). However, the uneven deposition of lithium on the electrode surface can lead to short circuits between the cathode and anode, posing safety hazards. Additionally, the formation of a thick and uneven passivation layer (solid-electrolyte interface, SEI), coupled with continuous electrolyte decomposition, results in reduced Coulombic efficiency, leading to rapid degradation of the battery due to material and electrolyte losses.
Similarly, in the case of zinc metal, despite its high capacity (819 mAh g$^{-1}$, 5855 mAh cm$^{-3}$) and the advantage of using a safe aqueous electrolyte, issues such as dendrite formation on the electrode surface and hydrogen evolution reactions due to water reduction lead to volume expansion of the battery and increased electrode resistance.
To address these challenges, this dissertation focuses on maximizing the reversibility and cycle performance of next-generation secondary batteries by coating various functional materials on the metal cathode surface. Specifically, the introduction of a reactive polymer layer on lithium metal surfaces has been explored to form a highly ion-conductive sulfur-enriched SEI layer, promoting uniform lithium growth. Furthermore, the introduction of Lewis basic phosphorus-doped graphitic carbon nitride interfacial layer on lithium metal controls the lithium ion flux, inducing facile desolvation of electrolyte. Additionally, it maintains the high lithium affinity even after Li intercalation, thus facilitating uniform nucleation and growth of lithium. When introducing phosphorus-doped graphitic carbon nitride interfacial layer on zinc metal, similar effects has been observed, including uniform zinc ion flux and facile desolvation of electrolyte. This layer also increases active surface area at the electrode-interfacial layer interface after zinc intercalation, and rapid surface diffusion of adsorbed atoms, inducing uniform Zn growth even under high current density operation.
친환경 에너지 수요가 증가함에 따라 고성능의 이차전지를 개발하려는 연구가 활발하며 이 중에서 리튬금속과 아연금속은 대표적인 차세대 이차전지 음극 후보군으로 알려져 있다. 특히 리튬금속은 높은 이론용량 (3860 mAh g$^{-1}$)과 낮은 환원전위 (-3.04 V vs. SHE) 로 인해 궁극의 이차전지 음극으로 각광받고 있다. 하지만 불균일한 리튬의 전착으로 인해 수지상으로 성장한 리튬은 분리막을 뚫고 음극과 양극이 맞닿는 단락을 일으켜 안전사고를 불러일으킬 수 있다. 또한 넓은 표면적과 지속적인 전해질 분해로 인해 두텁고 불균일한 부동태층이 형성되며 쿨롱효율이 감소하여 활물질과 전해액의 손실로 빠른 전지의 퇴화를 불러 일으킨다. 아연금속의 경우에도 높은 용량 (819 mAh g$^{-1}$, 5855 mAh cm$^{-3}$)을 가지고 있으며 안전성이 높은 수계 전해액을 사용 가능하다는 장점이 있지만 리튬과 마찬가지로 수지상 성장이 단락을 일으키고, 물의 환원분해로 인한 수소 발생 반응이 전지의 부피 팽창과 전극의 저항 증가를 일으키는 문제를 일으킨다. 이를 해결하기 위해 본 학위 논문에서는 다양한 기능성 소재를 금속 음극 표면에 코팅하여 금속 음극의 가역성을 증가시키고 이를 기반으로 한 차세대 이차전지의 수명성능을 극대화 시켰다. 구체적으로, 리튬 금속에 반응성 있는 고분자 층을 도입하여 리튬 표면에 황의 비율이 높은 고이온전도성 부동태 층을 형성함으로써 균일한 리튬 성장을 관찰하였다. 또한 루이스 염기성이 강화된 인 도핑 질화탄소 계면층을 리튬금속에 도입 시엔 리튬 이온의 흐름을 제어하고 탈용매화를 유도하였으며 리튬 삽입 이후에도 유지되는 높은 리튬 친화성으로 인하여 리튬의 균일한 핵 생성 및 성장을 유도하였다. 인 도핑 질화탄소 계면층을 아연금속에 도입하는 경우에는 리튬과 마찬가지로 균일한 아연 이온 흐름 및 탈용매화를 유도하였으며 아연 삽입 후에 전극과 계면층의 계면에서 국부적인 반응면적의 증가 및 흡착 원자의 빠른 표면 확산을 유도함으로써 고전류 밀도에서도 아연 금속에 균일한 성장을 유도하였다.
