Abstract

Lithium metal anode with the highest theoretical capacity to replace graphite anodes are being reviewed. However, the dendrite growth during repeated oxidation/reduction reaction on lithium metal surface, which results in poor cycle performance and safety issue has hindered its successful implementation. In our previous work, we solved this problem by using surface modification technique whereby a surface pattern on lithium metal anode is introduced. Although the micro-patterned Lithium metal electrode is beneficial to control Li metal deposition efficiently, it is difficult to control the mossy-like Li granulation at high current density ($>2.0mA\;cm^{-2}$). In this study, we introduce vinylene carbonate (VC) electrolyte additive on micro patterned lithium metal anode to suppress the lithium dendrite growth. Owing to the synergetic effect of micro-patterned lithium metal anode and VC electrolyte additive, lithium dendrite at a high current density is dense. As a result, we confirmed that the cycle performance was further improved about 6 times as compared with the reference electrode.

리튬 금속 음극은 낮은 환원 전위, 고에너지 밀도로 인해 흑연을 대체할 차세대 음극재로 재조명 받고 있다. 하지만, 충방전시 리튬 금속 표면에서의 반복적인 산화/환원 반응에 의해 리튬 덴드라이트가 형성되며 이로 인해 수명특성이 급격하게 저하되고 더 나아가 내부 단락(Internal Short-circuit)과 같은 안전성 문제로 인해 상용화되기에는 어려운 실정이다. 이를 해결하기 위해 본 연구 그룹에서는 리튬 금속에 미세 패턴을 형성하여 전류 밀도를 제어함으로써 덴드라이트 형성을 제어하였으나, 고전류밀도에서는 리튬 덴드라이트의 형성을 완벽하게 제어할 수는 없었다. 본 연구에서는 미세 패턴화된 리튬 금속 전극에 전해질 첨가제 Vinylene Carbonate(VC)를 도입하여 고율 충방전 시 미세 패턴화된 리튬 금속 전극의 덴드라이트 형성 억제를 극대화하고자 하였다. 미세 패턴화된 리튬 금속 전극과 VC 첨가제의 시너지 효과로 인해 높은 전류 밀도에서의 리튬 덴드라이트가 비교적 치밀하게 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 이로 인해 300사이클 동안 88.3%의 용량유지율을 보였으며, 기존의 미세 패턴화된 리튬 금속 전극에 대비하여 수명특성이 약 6배 이상 향상된 것을 확인할 수 있었다.