PVdF-HFP/TiO2 나노복합체 보호층을 통한 리튬금속전지 음극의 전기화학적 성능 향상

• Published in: 멤브레인 Vol. 31; no. 6; pp. 417 - 425
• Main Authors: 이상현, 최상석, 김동언, 현준혁, 박용욱, 유진성, 전소윤, 박중원, 신원호, 손희상, Sanghyun Lee, Sang-Seok Choi, Dong-Eun Kim, Jun-Heock Hyun, Young-Wook Park, Jin-Seong Yu, So-Yoon Jeon, Joongwon Park, Weon Ho Shin, Hiesang Sohn
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: 한국막학회 30.12.2021
• Subjects: LMB; protective layer; Li metal battery; hydrothermal synthesis; PVdF-HFP; TiO2 nanoparticle
• ISSN: 1226-0088; 2288-7253

고용량 배터리에 대한 요구가 증가에 따라 기존 음극재보다 높은 용량(3,860 mAh/g)과 낮은 전기화학적 전위(– 3.040 V)를 갖는 리튬 금속 기반 음극재에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 본 연구에서는 수열 합성을 통해 제작된 아나타제(anatase) 타입의 TiO2 나노 입자 기반한 PVdF-HFP/TiO2 복합체를 리튬 금속 음극의 계면 보호층으로 적용하였다. 결정구조 및 형상 분석을 통해 유/무기-리튬 나노복합체 박막의 형성을 확인하였다. 또한, 전지화학 테스트(사이클 테스트 및 전압 프로파일)를 통해 리튬 금속 음극의 전기화학 성능은 복합체 보호막이 TiO2 10 wt%, 코팅 두께 1.1 μm의 조건에서 가장 개선된 전기화학적 성능(콜롱 효율 유지: 77 사이클 동안 90% 이상) 발현을 확인하였다. 이를 통해, 처리하지 않은 리튬 전극 대비 본 보호층에 의한 리튬 금속 음극의 성능 안정화/개선 효과가 검증되었다. As the demand for high-capacity batteries increases, there has been growing researches on the lithium metal anode with a capacity (3,860 mAh/g) of higher than that of conventional one and a low electrochemical potential (–3.040 V). In this study, using the anatase phased TiO2 nanoparticles synthesized by hydrothermal synthesis, a PVdF-HFP/TiO2 organic/inorganic composite material was designed and used as an interfacial protective layer for a Li metal anode. As-formed organic/inorganic-lithium composite thin film was confirmed through the crystalline structure and morphological analyses. In addition, the electrochemical test (cycle stability and voltage profile) confirmed that the protective layer of PVdF-HFP/TiO2 composite (10 wt% TiO2 and 1.1 μm film thickness) contributed to the enhanced electrochemical performance of the lithium metal anode (Colombic efficiency retention: 90% for 77 cycles). Based on comparative test with the untreated lithium electrode, it was confirmed that our protective layer plays an important role to stabilize/improve the EC performance of the lithium metal negative electrode.