리튬-황 배터리(LSB) : 리튬-황 배터리란? - 음극

LIB와 동일하게 리튬메탈로 인해 생기는 음극 이슈

리튬-황 배터리(LSB)의 경우 높은 용량을 가진 황의 특성을 잘 이용하려면
그만큼 많은 양의 리튬이온을 제공할 수 있는 리튬메탈이 적합합니다.

LSB에서 리튬메탈을 사용해서 생기는 이슈들은
차세대배터리로 분류되는 리튬메탈전지(LMB)를 생각하면 되는데,
리튬으로만 이뤄졌기 때문에 효율적이고 가볍다는 장점이 있지만
그만큼 치명적인 단점들이 있습니다.
오늘 한번 알아보겠습니다.

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리튬메탈 표면에서의 반응 이해 필수

리튬이온이 쌓이는 표면(여기선 음극이죠)이 균일하지 않거나,
어떠한 residual이 있거나, 홈이 파여있거나, 등등의 상태가 된다면
그 부분으로만 리튬이 더 쉽게 쌓이게 됩니다.
이걸 리튬 수지상, 리튬 덴드라이트(dendrite)라고 하죠.

더욱이 리튬은 Self-diffusion의 activation 에너지가 높기 때문에,
즉 리튬의 표면 격자구조에서 확산에 대한 활성화 에너지가 높아,
즉 리튬 원자끼리 재배열하는데 어려워
표면에 더 빠르게 쌓이게 되어 균일한 계면을 형성하기에 어렵습니다.

음극 표면에서의 리튬이온의 거동 (Wu et al. Batteries 2023)

그렇기 때문에 지속적인 충전/방전 과정 또는 빠른 충전 과정에서
리튬 이온이 쌓이는 속도가 리튬 격자 구조의 재배열 보다 훨씬 빨라서 덴드라이트가 형성되고,
전지에서는 리튬이온의 전기화학적 반응으로 용량을 구현시키는 것이니까
리튬 덴트라이드가 되고 이게 전기적 활성이 없어지면, 즉 dead-Li이 되면, 활물질이 소모되는 것입니다.

결국 이렇게 되면, 배터리를 사용함에 따라 (배터리 사이클을 늘려감에 따라)
쿨롱 효율과 사이클 안정성이 저하되게 됩니다.

더욱이 LSB가 LIB보다 용량이 훨씬 크기 때문에 리튬 전착이 되는 정도도 훨씬 크다고 보면 됩니다.
즉, 리튬 덴드라이트, 데드 리튬 형성도 더 심각할 수 있다 라는 말입니다.

LSB의 음극(리튬메탈)표면에서의 반응 메커니즘

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해결 방안 : 3D 구조체 적용

3D 구조체 내부에 리튬 증착

리튬이온이 표면에 지속적으로 쌓이는 걸 방지하고자 구조체를 사용하는 방식입니다.
이러한 개념은 오래 전부터 있었습니다만

요새는 여기에 더해서 이러한 구조체에 촉매제를 코팅하여 사용하고도 있습니다.
이렇게 리튬 nucleation barrier가 낮은 촉매를 
코팅을 통해 리튬이온이 원활하게 내부까지 흐를 수 있도록 유도하고
결국 구조체 내부에서 리튬 증착을 유도해서 덴드라이트 형성을 억제하는 전략입니다.

당연히 이렇게 리튬을 균일하게 증착시켰다면, 방전 때도 이러한 리튬을 잘 균일하게 꺼내 쓸 수 있겠죠?

촉매 코팅 3D 구조체 적용 리튬 덴드라이트 억제

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3D 구조체로 나노와이어, 또는 탄소나노튜브 사용

V2O5 물질로 나노와이어를 만드는 연구들도 있고,
벌집구조인 graphene과 CNT를 사용해서 3D 구조체를 만드는 연구들도 있습니다.

가만 보면, CNT가 여기저기 많이 사용되지 않나요?
추후에 왜 그런지 설명드리도록 하겠습니다 :)

나노와이어 구조체 형성 (Manthiram et al. Adv. Energy Mater. 2020)

graphene-oxide + CNT 구조제 적용 (Li et al. Adv. Energy Mater. 2023)

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다음 시간에는..

리튬-황 배터리(LSB)에서 음극 이슈는
기존 리튬메탈배터리의 이슈와 동일하기 때문에 간단하게 알아봤습니다.

다음시간에는 전해질 이슈에 관해 설명드리겠습니다.
LSB의 장단점 및 양극 부분은 아래의 글을 참고해 주세요~

리튬-황 배터리(LSB) : 양극 이슈 feat. 난 비행기(UAM)에 들어갈 수 있어

리튬-황 배터리(LSB) : 장단점 feat. 난 비행기(UAM)에 들어갈 수 있어

 

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