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2.Mechanical Surface Modification of Lithium Metal: Towards Improved Li Metal Anode Performance by Directed Li Plating

Myung-Hyun Ryou , * Yong Min Lee , Yunju Lee , Martin Winter , and Peter Bieker *

화석 연료 소비로 인한 지구 온난화와 화석 연료의 고갈에 대한 환경 문제가 증가함에 따라 내연 기관을 전기모터르 교처하고 전기 에너지 저장 시스템을 개발하기 위한 다양한 연구가 진행되고있다. 특히 리튬 이온 배터리는 다른 배터리에 비해 성능이 좋았지만 전기 자동차와 같은 높은 전력밀도 및 에너지 밀도가 필요한 분야에는 적용되기가 힘들었다. 하지만 Li metal은 높은 비용량으로 인해 높은 전력밀도와 에너지밀도를 만족시킬 수 있는 전극이다. 하지만 Li metal은 반응성이 높아 안정성이 낮은 단점이 있어 실제적인 구현이 어려웠다. 본 연구에서 Li metal의 표면에 기계적인 방법을 통해 표면에 패턴을 넣어 단점을 보완하고 성능을 향상시켰다.

Fig. 1 a) A digital image of the micro-needle roller. b) An optical microscopy (OM) picture of the roller head and c) a high-resolution OM image of the micro-needle shown in Figure 2 b.

Fig. 1은 Li metal에 패턴닝을 할 때 사용한 룰러이며 친환경적인 재료를 사용하여 제작하였다.

Fig. 2는 Li metal 표면에 패터닝 공정의 모식도 이며 Fig. 2 b)와 Fig.2 c) 같이 패터닝 하였다.

Fig. 3 Schematic illustrations describing the Li plating mechanism on a,b) bare Li metal and c,d) micro-needle treated Li metal. Note that parts (b) and (d) are magnified images of the parts (a) and (b), respectively.

Fig. 4 Nyquist plots of the Li half-cells after the fi rst cycle measured at C/10 (0.1 mA cm −2 ) rate between 2.0 and 4.2 V (vs Li/Li + ) at 25 °C [LFP/separator/Li metal with and without surface modifi cation of Li metal using the micro-needle technique].

Fig. 5 Electrochemical measurements of LFP/Li half-cells cells employing Li metal after and without micro-needle surface treatment. a) A comparison of the discharge capacities of the cells at different discharge rates while keeping the charge rate constant at C/2 (0.53 mA cm −2 ). b) The cycling performance was measured at a C/2 rate (0.53 mA cm −2 ) between 2.0 and 4.2 V (vs Li/Li + ).

Fig. 3 a)는 표면처리 하지않은 Li metal이고 Fig. 3 c)는 표면처리한 Li metal 이다. Li metal을 표면표면 하였을 때 장점은 표면처리 하지않은 Li metal보다 반응이 일어나는 표면적이 넓어지며, 동일한 전류 밀도로 충방전 되어질 때 Impedance가 낮아 진다. 또한 C-rate가 높아질수록 표면 처리한 Li metal의 capacity가 상대적으로 적게 감소한다. C/2 rate로 150cycle을 충방전 시켰을 때 Initial discharge capacity의 85%까지 걸리는 cycle은 각각 표면 처리하지 않은 Li metal이 70cycle 표면 처리한 Li metal이 150cycle이 걸렸다. Li metal의 표면처리는 High surface area lithium의 형성을 억제시켜 배터리 수명을 증가시킨다.