LMB
2019 CE
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 리튬메탈베터리의 안정화를 위한 덴드라이트의 효과적인 억제 방안
영문 : Effective Method to Inhibit Dendrite Growth for Stable Lithium Metal Battery
과제 팀명
LMB
지도교수
정철수 교수님
개발기간
2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 2018340011 김예랑(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 2018340020 박지혜
서울시립대학교 화학공학과 2018340041 정유진
서울시립대학교 화학공학과 2018340051 황유진
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
- 리튬메탈배터리(Lithium metal battery, LMB)는 리튬이온배터리(Lithium ion battery, LIB)보다 10배 이상 높은 용량, 높은 에너지 밀도를 가짐에도 불구하고 덴드라이트의 생성으로 사용되지 못하고 있다.
- Li 덴드라이트가 성장하면 부반응으로 인해 배터리의 쿨롱 효율이 낮아질 뿐만 아니라, 배터리의 단락화 등을 유발하여 배터리의 고장을 초래하는 문제를 일으킨다.
- 기존 사례에 의하면 전해질 디자인, 전극의 시드(seed) 디자인, 보호막의 소재 선택과 같은 다양한 방법을 통해 덴드라이트 생성 속도를 조절하고 LMB를 안정화시킬 수 있다.
- 따라서 덴드라이트 억제를 통한 LMB 상용화를 목표로 한 연구 방향에 대해 조사해보고자 한다.
개발 과제의 배경
- Li 금속을 anode로 사용하는 배터리를 리튬메탈배터리라고 한다. 리튬이온배터리의 anode는 흑연을 사용하는데, 이 흑연물질의 이론용량은 약 372 mAh/g이고 LMB의 이론용량은 약 3,860 mAh/g으로 흑연보다 10배 이상 높은 용량을 가진다. 에너지 밀도는 LIB는 800 Wh/L, LMB는 1000 Wh/L 이상이다.[1]
- 최근 미국의 LMB 개발업체인 솔리드에너지시스템(SES)은 현재 개발 중인 LMB를 2025년에 상용화할 계획이라고 밝혔다. 지난 5월 현대차와 기아가 LMB 개발을 위해 제휴개발계약(JDA)를 SES와 체결하면서 LMB 개발에 박차를 가하고 있다.[2]
- 이렇게 각광받는 LMB의 개발이 늦었던 이유는 Li 금속을 anode로 사용하게 되면서 생기는 Li 덴드라이트(Lithium dendrite) 현상 때문이다. Li 덴드라이트란, Li 표면과 전해질과의 화학 반응으로 인해 생성되는 불안정한 SEI(Solid electrolyte interface)층으로 전자가 유입되어 Li 이온과 결합해 Li 금속이 석출되어 균일한 표면을 이루지 못하고 한 곳에 집중적으로 전착이 심해지는 현상을 말한다.[3]
- LIB, LMB 모두 전지를 충전할 때 Li 이온이 anode에 도금되는 과정을 거치는데 LMB의 anode인 Li 금속은 기존 LIB의 anode인 흑연보다 훨씬 더 큰 부피 변화를 수반하여 SEI층의 파괴 및 재형성을 유발한다. SEI층이 파괴되면 전자가 유출되어 일어나는 부반응으로 인해 전해질과 활성 물질이 지속적으로 고갈되어 쿨롱 효율과 사이클 수명을 낮추고 배터리의 고장을 초래한다.[4,5] 또한 지속적으로 성장하면서 부피가 커져 불안정해진 덴드라이트가 부서지면 집전체로부터 분리된 “Dead Li”이 형성된다. Dead Li이 발생하면 충전 및 방전 중에 Li 이온이 비가역적으로 전환되어 용량 손실을 일으킨다.[6] 마지막으로 덴드라이트가 길게 성장하면 SEI층 뿐만 아니라 분리막의 파괴까지 초래할 수 있다. 결과적으로 덴드라이트의 끝부분이 LMB의 cathode에 닿아 배터리의 단락을 유발하여 폭발 등의 문제가 발생한다.[7] 이러한 문제로 인해 LMB를 상용화하기 위해서는 덴드라이트의 생성 억제 또는 성장 억제가 매우 중요한 역할을 한다.
- 따라서 본 과제를 통해 LMB의 원리와 덴드라이트의 생성 및 성장 메커니즘을 조사하여 이해하고, 덴드라이트에 대한 LMB의 영향을 분석하여 이를 억제할 수 있는 방안들의 사례를 모색한다. 또한, 이 방안들과 덴드라이트 억제의 관계성을 파악하여 이해한다.
개발 과제의 목표 및 내용
최종 목표
- LMB 상용화 및 배터리 효율 개선에 필요한 덴드라이트 억제 관련 연구 조사
최종 목표
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
내용
- 특허조사 및 특허 전략 분석
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
내용
구성원 및 추진체계
내용
설계
설계사양
제품의 요구사항
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
