[논문 리뷰] Cycling Li-O2 Batteries via LiOH Formation and Decomposition

Tao Liu, Michal Leskes외 6명|Apollo (University of Cambridge)|2018. 05. 08.

Advanced Battery Technologies Research인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 감소된 그래핀 산화물 전극, 리튬 요오드 추가제, 디메톡시에탄 용매를 사용하여 결정성 리튬 수화물(LiOH)의 형성과 분해를 통해 순환하는 가역적인 리튬-산소 배터리 시스템을 보여주며, 리튬과산화물(Li2O2)의 형성에 의존하는 전통적인 리튬-산소 배터리의 한계를 극복한다. 이 접근법은 높은 에너지 효율성(93.2%)과 극도로 낮은 전압 히스테리시스(0.2 V)를 달성하며, 뛰어난 재충전 성능과 수분 존재 조건에서도 안정성을 확보한다.

ABSTRACT

The rechargeable aprotic Li-air (O2) battery is a promising potential technology for next generation energy storage, but its practical realization still faces many challenges. In contrast to the standard Li-O2 cells, which cycle via the formation of Li2O2, we use a reduced graphene oxide electrode, the additive LiI, and the solvent dimethoxyethane to reversibly form/remove crystalline LiOH with particle sizes > 15 um during discharge/charge. This leads to high specific capacities, excellent energy efficiency (93.2%) with a voltage gap of only 0.2 V, and impressive rechargeability. The cells tolerate high concentrations of water, water being the dominant proton source for the LiOH; together with LiI it has a decisive impact on the chemical nature of the discharge product and battery performance.

연구 동기 및 목표

• 리튬과산화물(Li2O2) 형성에 의존하는 기존 리튬-산소 배터리의 낮은 가역성과 부반응 문제를 해결하기 위해.
• 다른 반응 경로를 이용하여 리튬-산소 배터리에서 안정적이고 고도로 가역적인 충·방전 메커니즘을 개발하기 위해.
• 리튬 요오드(LiI)와 수분이 리튬 수화물(LiOH) 형성이라는 주요 방전 생성물로의 반응 경로를 가능하게 하는 역할을 규명하기 위해.
• 무수 조건의 리튬-산소 전지에서 높은 에너지 효율성과 낮은 전압 히스테리시스를 달성하기 위해.
• 수분 존재 조건에서도 성능이 떨어지지 않는 내구성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 큰 결정성 리튬 수화물 입자(15 µm 이상)의 형성을 지원하기 위해 감소된 그래핀 산화물(rGO) 공기 카디오드를 사용한다.
• 방전 중 리튬 수화물 형성을 촉진하기 위해 리튬 요오드(LiI)를 레드옥스 매개체 및 수소 이온 원천으로 활용한다.
• 리튬 수화물 생성물을 안정화하고 가역 전기화학 반응을 지원하기 위해 디메톡시에탄(DME)을 전해질 용매로 사용한다.
• 리튬과산화물 형성 대신 2Li + O2 + 2H+ → 2LiOH 경로를 유리하게 유도하기 위해 반응 환경을 제어한다.
• LiOH 형성 및 분해를 확인하기 위해 현장 및 비현장 특성 분석을 통한 전기화학적 사이클링을 수행한다.
• 가역성과 에너지 효율성을 평가하기 위해 전압 프로파일과 쿠론 전기량 효율을 모니터링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무수 조건에서 리튬-산소 배터리에서 리튬 수화물(LiOH)이 가역적으로 형성되고 분해되어 안정적인 사이클링이 가능한가?
• RQ2 리튬 요오드(LiI)와 수분이 리튬과산화물(Li2O2) 대신 리튬 수화물 기반 반응 경로를 가능하게 하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 rGO와 DME의 사용이 큰 크기의 안정된 리튬 수화물 결정의 형성과 가역성 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 리튬 수화물 형성/분해 기반 리튬-산소 배터리의 에너지 효율성과 전압 히스테리시스는 어떠한가?
• RQ5 이 시스템은 성능 저하 없이 어느 정도의 수분에 내성을 보이는가?

주요 결과

• 배터리는 높은 에너지 효율성(93.2%)과 방전 및 충전 사이의 극도로 낮은 전압 히스테리시스(0.2 V)를 기록하여 뛰어난 가역성을 입증하였다.
• 방전 중 15 µm 이상의 크기의 결정성 리튬 수화물 입자가 형성되었고, 충전 과정에서 완전히 분해되어 반응의 가역성이 확인되었다.
• 다양한 사이클에서 뛰어난 재충전 성능을 보였으며, 안정적인 용량 유지와 낮은 분극화를 확보하였다.
• 수분이 리튬 수화물 형성의 주요 수소 이온 원천으로 확인되었고, 높은 수분 농도에서도 배터리가 기능을 유지하였다.
• 리튬 요오드(LiI) 추가제는 반응 매개 및 리튬 수화물 생성물의 안정화에 결정적인 역할을 하여 부반응을 방지하였다.
• 디메톡시에탄(DME)을 용매로 사용함으로써 큰 크기의 잘 정의된 리튬 수화물 결정이 형성되었고, 부반응이 억제되었다.