Inducing the stable planar lithium deposition is the key factor for commercializing lithium metal electrode for the next-generation battery system. Among them, Lithium alloys have been studied due to their intrinsic high $Li^+$ ion diffusivity. Thanks to their successful application, it became a clue to many studies on preventing dendritic lithium deposition. However, as repeating battery cycling, this lithium alloy layer was easily broken due to their volume change accompanied by lithiation/delithation. (Phase transition) As a result, the same deterioration process as that of the conventional lithium cathode is shown.
In this study, the new concept of artificial alloy protection layer (APL) was designed using lithium-aluminum alloy (Li-Al). This new APL disconnected the electronic network between Li-Al and Lithium electrode to prevent the phase transition of lithium alloys. The APL was successfully fabricated and applied to the lithium metal anodes, resulting in decrease of overpotential and increase of 4.5 times exchange current density than reference electrode. This research offers new concept of designing protection layer for planar lithium dendrite growth with high stability.
리튬의 평면 전착 유도는 차세대 배터리로 주목받고 있는 리튬 금속 전지의 상용화에 있어 가장 중요한 관심사이다. 그 중에서도, 높은 리튬 이온 확산도를 지닌 리튬 합금을 이용하여 리튬을 보호하는 방안들이 지속적으로 보고되어 왔다. 이러한 물질들을 적용 시 초기 단계의 리튬의 수지상 성장을 억제할 수 있었으나, 배터리 충방전 과정 중 상전환으로 인한 부피 변화로 인해 그 성능이 지속적으로 유지되지 못하고 구조가 쉽게 붕괴되어, 결과적으로 기존 리튬 음극과 같은 열화 과정을 보이게 된다. 이 연구에서는 리튬-알루미늄 합금을 이용하여, 이의 상전환을 저지시킬 수 있도록 전자적으로 단절된 시스템을 구상하고 새로운 인공 보호막의 개념을 제시하였다. 이를 성공적으로 제작하여 리튬 금속 음극에 적용하고 기존 대비 낮은 과전압 및 4.5배 이상의 교환 전류 밀도 증가를 통해 보다 안정된 배터리 성능 결과를 얻을 수 있었다.
