나노기술 및 정책 정보

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항속 거리가 불안한 가운데 액체 상태 리튬 금속 배터리는 높은 에너지 밀도로 인해 관심을 모으고 있음. 하지만 리튬 금속 음극의 심각한 실효(失效)는 리튬 금속 배터리의 상용화 발전을 제약하고 있으며, 현재 학술계에서는 리튬 금속 음극의 효력 상실과 보호 관련 메커니즘에 대한 이해 면에서 논란이 일고 있음.

리튬 수지상(lithium dendrite)의 성장은 금속 리튬 음극 실효(失效)의 주요 원인이라고 전통적으로 주장하고 있지만, 실제적으로 문헌에서는 수지상 결정이 없는(Dendrite free) 성장의 금속 리튬 음극을 보도하고 있음. 높은 면적 용량을 보유한 양극(≥ 2 mAh cm-2)과 초박(超薄) 리튬 음극(예를 들면 50μm)의 실용형(實用型) 리튬 금속 배터리는 일반적으로 100회 이내의 충전 및 방전 순환 과정에서 용량 다이빙 실효(失效) 문제를 발생시키기 때문에 동일한 용량 하에서의 리튬 이온 배터리 순환 성능에 비해 크게 떨어지는 것으로 나타났음.

용량 다이빙이 실효된 실용형 리튬 금속 파우치 배터리를 뜯을 때 흔히 금속 리튬 음극의 심각한 분화(粉化)를 관찰할 수 있지만, 현재 학술계에서는 여전히 금속 리튬 음극 분화(粉化)의 기원 및 구성 성분에 대해 명확한 분석 결과를 내놓지 못하고 있음.

중국과학원 칭다오(靑島) 바이오 에너지 및 과정(過程) 연구소 산하 ‘고체 상태 에너지 시스템 기술 센터’ 추이광레이(崔光磊, 최광뢰), 뚱싼무(董杉木, 동삼목) 연구팀은 리튬 금속 배터리와 리튬 금속 음극 보호 관련 연구를 수행하고, 다양한 혁신 성과를 획득함.

연구팀은 온라인 차동(On line differential) 전기화학 질량 스펙트럼 분석을 통해 충전 및 방전 과정에서 리튬 금속 배터리는 대량의 H2를 생성시키게 된다는 점을 발견하였음.

본 시스템에 대한 레벨 업을 실행하고, 온라인 적정(滴定) 가스 분석 기능을 실현하였으며, 듀테륨 수(deuterium water)(D2O) 적정(滴定) 금속 리튬 음극(판단 근거 : 2Li + 2D2O → 2LiOD + D2↑；LiH + D2O → LiOD + HD↑)을 통해 실효(失效) 분화(粉化)의 금속 리튬 음극 속에는 대량의 전도성이 떨어지는 수소화리튬(LiH)이 존재한다는 점을 최초로 발견함.

이번 연구를 통해 실용형(實用型) 리튬 금속 배터리(2.805 mAh cm-2 LiCoO2, 50 μm Li)의 순환 성능과 리튬 금속 음극 속의 LiH의 축적은 마이너스 상관성을 나타낸다는 점을 발견함.

또한, LiH의 생성과 분해는 한 개 온도에 민감한 화학 균형(Li + 1/2H2 LiH)에 의해 결정되며, 실온 조건 하에서 인터페이스의 부(副) 반응이 생성시키는 H2와 리튬 금속 반응은 LiH를 생성시킨다는 점과 가열을 통해 LiH는 부분적으로 분해되어 전도성이 우수한 동시에 전기화학 활성을 보유하고 있는 리튬 금속을 생성시키고 용량 향상을 회복시킨다는 점을 발견함.

연구팀은 ‘각 종 유형의 배터리 시스템 속에서 전극 인터페이스 상의 금속 수소화물의 표면 특징 분석에 대한 연구’는 배터리 인터페이스 연구의 새로운 방향이 된다는 연구 결론을 도출하였으며, 실용형(實用型) 리튬 금속전지 실효(失效) 관련 새로운 메커니즘 및 최적화 새로운 아이디어 제시함.

본 연구 성과는 Angewandte Chemie International Edition ("The formation/decomposition equilibrium of LiH and its contribution on anode failure in practical lithium metal batteries")에 게재됨.