Research

Nowadays the Li-ion batteries (LIBs), which are firstly commercialized in 1991, are a popular alternative energy source due to environmental pollution and fossil fuel depletion. The LIBs have many advantages compare to other secondary batteries such as high-power density, high energy density, long lifespan, and low self-discharge rate. Thus, that is used to many applications such as cordless products, IT devices, and electric vehicles. Meanwhile, LIBs, which have been developed for 30 years, have various issues in performance and manufacturing processes. We are proposing a solution to various issues of conventional LIBs through laser processing. The conventional separation process of electrodes mainly includes die cutting and knife cutting. These methods result in defects of electrodes, such as burr and bending edge due to wear of tools as time goes on. The defects cause internal short circuits and explosion due to locally concentrated current. We are researching on cutting electrodes by laser to reduce defects caused by wear on tools and to provide a high quality cutting edge. The LIBs have problems related to thickness and density of active material layer. For example, the thicker and denser active material layer has increasing energy density but decreasing power density. Therefore, between energy density and power density have a trade-off relationship. To solve this problem, we tried to make 3D electrodes by laser structuring technology. The Li-ion diffusion rate of 3D electrodes is improved due to the formed groove by laser. Consequently, the reduction of power density can be minimized although the active material layer is thick and dense. Currently, the capacity of conventional LIBs, which include graphite anode, has almost reached its limit. Therefore, an anode with a capacity higher than graphite anode is needed to obtain a higher capacity battery. Lithium metal is expected to be a material to solve this problem. However, Li dendrite is formed on the li metal surface during battery operation. The formed li dendrite dramatically reduces battery performance. We plan to control Li dendrite growth by inducing Li+ into grooves, which is formed by laser (lighting rod effect).

리튬이온 배터리는 1991년 처음으로 상용화 되었으며, 최근 환경 문제 및 화석연료 고갈문제로 인한 대체에너지원 중 하나로 각광받고 있다. 리튬이온 배터리의 장점은 중량대비 높은 에너지밀도와 출력밀도, 긴 배터리 수명, 낮은 자가방전율 등이 있으며 무선 가전제품, IT 디바이스, 전기자동차등 많이 사용되고 있다. 한편, 30년간 발전해온 리튬이온 배터리는 성능과 제조공정에서 다양한 문제가 발생되고 있다. 우리는 기존의 리튬이온 배터리의 다양한 문제들을 레이저 가공통해 해결책을 제시하고 있다. 기존의 전극의 분리공정은 die cutting과 knife cutting으로 진행되고 있으며, 이 방법들은 시간이 지남에 따라 공구의 마모로 인해 burr와 bending edge와 같은 결함이 발생된다. 이와 같은 결함은 배터리 작동 중 전류를 국부적으로 집중시켜 내부 단락 및 폭발을 일으킨다. 우리는 공구의 마모로 인한 결함을 줄이고 고품질의 절단면을 제공하기위해 레이저를 통한 전극의 절단에 대한 연구를 진행 중이다. 리튬이온 배터리의 전극은 구조적인 문제를 갖고 있다. 활물질 층의 두께가 두꺼워지고 밀도가 높으면 배터리 셀의 에너지밀도가 증가하지만, 출력밀도가 감소한다. 반면, 활물질 층이 얇고 밀도가 낮으면 출력밀도는 증가하지만, 에너지밀도는 감소한다. 따라서, 전극 구조에서 에너지 밀도와 출력밀도는 trade-off 관계를 갖는다. 우리는 이 문제를 해결하기위해 레이저 스트럭처링을 통해 3D 전극 제작하였다. 3D 전극의 장점은 레이저로 형성된 홈으로 인해 리튬이온의 확산 속도가 향상되어, 활물질 층이 두껍고 밀도가 높더라도 출력밀도 감소를 최소화할 수 있다. 현재 상용화된 리튬이온 배터리는 흑연 음극을 사용하며, 기존의 리튬이온 배터리의 용량은 거의 한계에 도달하였다. 따라서, 더 높은 용량의 배터리를 얻기위해서 흑연 음극보다 더 높은 용량을 갖는 음극이 필요하다. 리튬 메탈은 이 문제를 해결하기위한 재료로 기대되고 있다. 그러나, 리튬 메탈은 배터리 작동 중 Li dendrite가 형성되어 배터리 성능을 급격히 감소시킨다. 우리는 Li⁺ 이 전류밀도가 높은 곳으로 유도되는 현상(lightning rod effect)을 이용하여, Li⁺을 레이저로 가공된 홈(groove)으로 유도하여 Li dendrite성장을 제어할 계획이다.