구리음극 집전체 표면에 증착된 탄소나노튜브 박막의 리튬내부 전착 유도 현상을 이용한 리튬메탈전지의 성능 개선

Abstract

리튬 이온 배터리는 수십년간 상용 단계에서 사용되어 왔으나, 흑연 음극이 갖는 372 mAh/g의 이론적 용량밀도로 인한 한계점이 명확하여 차세대 배터리의 개발이 절실하다. 극히 낮은 전기화학적 전위와, 3860 mAh/g의 월등한 용량밀도를 갖는 리튬-금속이 차세대 음극 활물질로서 각광받고 있으나, 리튬의 전착 및 탈리 과정에서 발생하는 부피팽창 및 수지구조(dendrite) 형성과 그에 따른 전기화학적 비가역성, 수명안정성 문제 등이 리튬-금속 배터리의 상용화에 기술적 병목으로 작용하고 있다. 본 연구에서는, 마이크로 패턴된 구리 집전체 표면에 탄소나노튜브 (Carbon Nanotube, CNT) 박막을 형성시킨 계층 구조 집전체를 제안한다. 마이크로 구조 내부 표면에 형성된 탄소나노튜브는 넓은 표면적을 바탕으로 극히 높은 전류밀도에서도 전극의 유효 전류밀도를 효과적으로 낮춰 리튬 수지구조의 형성을 억제하고, 높은 전기적 연결성을 부여함으로써 전극의 전기화학적 가역성을 향상시킨다. 구리집전체의 마이크로 구조는 탄소나노튜브의 구조적 취약성을 보완하며, 리튬의 전착 과정에서 형성된 리튬 덩어리들을 안정적으로 수용하는 역할을 하고 리튬 덩이리간의 뭉침을 유도해 전극의 가역성을 향상시킨다. 본 발표에서는 화학기상증착 기술을 사용하여 마이크로 패턴된 구리집전체 표면에 직경 10-20 nm 의 탄소나노튜브로 구성된 얇은 표면 박막을 합성하여 증착한다. 더불어, 최근 친리튬성 물질로 각광받는 아연산화물을 탄소-구리 계층 집전체에 원자층 증착함으로써 추가적인 수명 및 쿨롱 효율 개선 정도를 정량적으로 분석한다.