[논문 리뷰] Pressure-tailored lithium deposition and dissolution in lithium metal batteries

Chengcheng Fang, Bingyu Lu외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 18.

Advancements in Battery MaterialsEngineering참고 문헌 26인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 운영 중 축방향 스택 압력을 적용함으로써 리튬 금속 이차전지에서 리튬 침착 및 탈착을 정밀하게 제어할 수 있음을 보여준다. 이로 인해 99.49%의 전극 밀도를 가지며 조밀하고 기둥형 형태의 리튬 구조를 달성할 수 있었으며, 압력을 조절함으로써 나선형 성장과 부식을 억제하고, 쿨롱 효율을 향상시켜 고속 충전 및 저온 작동에 필수적인 안정적이고 가역적인 사이클링을 가능하게 하였다.

ABSTRACT

A porous electrode resulting from unregulated Li growth is the major cause of the low Coulombic efficiency and potential safety hazards of rechargeable Li metal batteries. Strategies aiming to achieve large granular Li deposits have been extensively explored; yet, the ideal Li deposits, which consist of large Li particles that are seamlessly packed on the electrode and can be reversibly deposited and stripped, have never been achieved. Here, by controlling the uniaxial stack pressure during battery operation, a dense Li deposition (99.49% electrode density) with an ideal columnar structure has been achieved. Using multi-scale characterization and simulation, we elucidated the critical role of stack pressure on Li nucleation, growth and dissolution processes, and developed innovative strategies to maintain the ideal Li morphology during extended cycling. The precision manipulation of Li deposition and dissolution is a critical step to enable fast charging and low temperature operation for Li metal batteries.

연구 동기 및 목표

• 리튬 금속 이차전지에서 규제되지 않은 리튬 나선형 성장으로 인한 열악한 쿨롱 효율성과 안전 위험을 해결하기 위해.
• 외부 기계적 제어를 통해 이상적인 리튬 형태—크고 조밀하게 포장된, 다시 침착 가능한 입자—를 달성하는 데에 도전하기 위해.
• 스택 압력이 다중 척도에서 리튬 핵형성, 성장 및 탈착 역학에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 장기 사이클링 동안 이상적인 리튬 형태를 유지할 수 있는 압력 조절 전략을 개발하기 위해.

제안 방법

• 배터리 운영 중 축방향 스택 압력을 적용하여 리튬 침착 및 탈착 동역학을 조절하기 위해.
• 리튬 형태 및 전극 밀도 분석을 위해 다중 척도 특성 분석(예: X선 톰그래피, SEM, XRD)을 사용하기 위해.
• 쿨롱 효율성과 가역성 평가를 위해 실시간 및 비실시간 전기화학적 시험을 수행하기 위해.
• 압력이 리튬 핵형성 및 성장 메커니즘에 미치는 영향을 모델링하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 조밀하고 기둥형 리튬 형성에 최적의 조건을 도출하기 위해 스택 압력을 체계적으로 변화시키기 위해.
• 기계적 제어를 전기화학적 사이클링과 통합하여 장기적 안정성과 형태 변화를 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적용된 스택 압력이 전극 침착 중 리튬 핵형성 및 성장 형태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 압력이 나선형 성장 형성을 최소화하면서도 리튬의 가역적 탈착 및 재침착을 가능하게 하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 압력 조절을 통해 높은 전극 밀도(99% 이상)를 가지며 조밀하고 기둥형 리튬 구조를 달성할 수 있는가?
• RQ4 압력은 리튬 금속 이차전지에서 쿨롱 효율성과 사이클 수명에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 압력이 마이크로 및 나노 척도에서 리튬 침착을 안정화하는 기본 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 최적의 스택 압력 조건에서 99.49%의 전극 밀도를 가지며 조밀하고 기둥형 리튬 형태가 달성되었다.
• 적용된 압력으로 나선형 및 털모양 리튬 성장이 억제되어 더 균일하고 가역적인 침착 과정으로 이어졌다.
• 측면 반응과 사라진 리튬(데드 리튬) 형성의 억제로 인해 쿨롱 효율성이 크게 향상되었다.
• 다중 척도 특성 분석을 통해 압력가 침착 중 횡방향 성장을 촉진하고 갈라짐 형성을 감소시킴을 확인하였다.
• 시뮬레이션 결과 압력가 리튬 원자 이동성과 저에너지 결정면 안정성을 향상시켜 기둥형 성장을 유리하게 만든다.
• 장기 사이클링 시험을 통해 압력 제어 조건에서 100회 이상의 사이클에서도 형태 변화가 최소화된 안정적인 성능을 보였다.