Li4SiO4-Based Artificial Passivation Thin Film for Improving Interfacial Stability of Li Metal Anodes

Abstract

안정된 리튬금속전극의 개발은 차세대 이차전지의 실용가능성과 밀접한 관련이 있다. 높은 비용량(3860mAh/g)과 가장 낮은 전위(-3.04V vs SHE)를 가지는 장점을 갖는 리튬금속은 충？방전 시 전하가 집중되는 국소부위에 리튬이온들의 집중적인 증착 메커니즘으로 인해 리튬수지상을 형성한다. 결국 성장한 리튬수지상은 분리막을 뚫고 상대전극에 닿아 전지단락을 일으켜 폭발과 같은 안정상의 문제를 일으킨다[1]. 또한 알칼리 금속의 특성상 높은 자발적 반응으로 인해 유기 전해질과 반응하여 전지의 성능저하를 초래한다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해, 수지상 형성을 물리적으로 억제시킬 수 있는 부동화 막을 리튬금속표면에 코팅하는 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 인공계면막으로써 리튬산화실리콘(Li4SiO4)을 사용하여 리튬금속표면의 수지상 성장을 효과적으로 억제하였다. 리튬산화실리콘(Li4SiO4) 박막은 ECR-CVD (electron cyclotron resonance-chemical vapor deposition)법을 이용하여 상온에서 증착된 산화실리콘의 전기화학적 리튬화 과정을 통해 형성되었다[2]. 박막두께에 대한 영향을 알아보기 위해, XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)분석을 이용하여 다양한 증착 시간에 따른 박막의 조성과 두께를 확인하였다. 두께에 따른 표면의 거칠기를 AFM(atomic force microscopy)분석을 통해 확인하였다. 각 리튬금속전극의 안정성을 확인하기 위해 CR2032 코인 타입의 symmetric cell로 만들어 정전류실험을 하였고, 그에 따른 표면형상변화를 SEM(scanning electron microscope)분석을 통해 확인하였다. 상대전극으로써 황전극을 사용하여 전지의 방전용량차이를 비교하였으며, 사이클 후 각 리튬금속전극의 계면저항 및 확산계수를 EIS(electrochemical impedance spectroscopy)분석을 통해 확인하였다.