나노기술 및 정책 정보

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● 중국과학원의 린훙전 연구원 연구팀이 전극 표면에 균일한 고체전해질계면(SEI)층을 형성시켜 수지상 결정의 성장을 효과적으로 억제하고, 리튬이온의 동역학적 특성 조절을 통해 리튬 폴리설파이드의 전환 가속화 및 배터리 수명 향상이 가능하다는 사실을 발견

● 금속황화물은 이론 용량이 높아서(890mAhg⁻¹) 전극 소재로 사용할 경우 리튬전지 에너지 밀도를 높이는 데 도움이 되지만, 리튬과 황이 반응하여 생성된 리튬 폴리설파이드가 전극 용량과 쿨롱 효율을 감소시켜 전지 수명을 단축시키며, 이는 금속황화물 전극의 상용화를 막는 주요 걸림돌

● 이에 연구팀은 금속황화물 전극 표면에 LiF-Li3N 물질이 다량 포함된 균일하고 치밀한 기능성 양극-전해질계면(CEI)층을 형성시킨 후 SFG, TOF-SIMS, XPS 및 AFM 분석기술을 이용하여 이 기능성 CEI층의 변화과정과 작용기전을 규명

● LiTFSI는 금속황화물 전극 표면에 불연속적이고 무효한 CEI층을 형성하지만, LiTFSI-DME 전해액에 고활성 LiFSI 리튬염을 첨가하면 LiFSI와 LiTFSI가 경쟁하면서 전극 표면에 균일하게 흡착, 전기화학적 과정을 거쳐 LiF-Li3N 물질이 다량 포함된 균일하고 치밀한 기능성 CEI층을 형성

● 해당 CEI층은 리튬 폴리설파이드의 용출을 억제하고 리튬이온의 확산을 가속화함.

● 실험 결과에 의하면, 1M LiFSI를 첨가한 전지는 높은 용량, 쿨롱 효율 및 용량 유지율을 나타내었으며, 균일하고 치밀하며 유연한 기능성 CEI층에 힘입어 6700Wkg⁻¹의 초고출력 밀도에서 769Whkg⁻¹의 에너지 밀도를 나타내고, 1,000회 충방전시 회당 0.039% 미만의 용량 감소율을 보임.

● 연구팀은 해당 연구 성과를 다른 황화물 전극에도 성공적으로 도입하였으며 이를 통해 기능성 CEI층 구축 전략이 금속황화물 전극의 고속 충전 및 수명 증가에 도움이 된다는 것을 증명

※ Chemical Engineering Journal(2022.06.01.) 게재, “Robust Interfacial Engineering Construction to Alleviate Polysulfide Shuttling in Metal Sulfide Electrodes for Achieving Fast-charge High-capacity Lithium Storages”