Lithiophilic Noble Metal Decorated Nickel Inverse Opal Structures for Stable Lithium Growth

Abstract

리튬 금속은 높은 비 용량(3860 mAh/g)과 가장 낮은 표준 환원 전위(-3.04 V vs. 표준 수소 전극)로 인해 가장 주목받고 있는 음극재 중 하나이다. 그러나 충/방전 과정에서 발생하는 통제 불가능한 리튬 수지상 성장은 내부 단락, 데드 리튬(dead Li) 발생 및 전해액의 고갈을 유발하고, 이는 쿨롱 효율을 낮출 뿐 아니라 전지의 발화 및 폭발로 이어질 수 있다. 본 연구에서는 갈바닉 치환 반응을 이용하여 리튬 친화성 귀금속(Ag, Au)이 도입된 니켈 역오팔(Ni inverse opal) 구조체(Ag or Au@Ni IO)를 제작하여 리튬의 안정적인 성장을 유도하기 위한 음극 집전체로 사용하였다. 제조된 Ag or Au@Ni IO 구조체는 통상적인 구리 집전체에 비해 증가된 비표면적과 리튬 친화도 증대로 인해 리튬의 전착 과정 중 전류 밀도를 낮추고 리튬 핵 생성 및 성장 시의 과전압을 효과적으로 낮추어줄 수 있었다. 이러한 특성의 결과로 Ag or Au@Ni IO 구조체를 사용한 비대칭 셀이 구리 호일을 사용한 셀과 비교하여 리튬 전착, 탈리 과정에서 안정적인 쿨롱 효율과 향상된 수명 안정성을 보였다. Lithium (Li) metal is a most promising anode for high energy density batteries because of its high capacity (~3860 mAh/g) and the lowest standard reduction potential (-3.04 V vs. SHE). However, uncontrollable Li dendrite growth causes short-circuit, dead Li and the exhaustion of the electrolyte, which lead to safety problem and low Coulombic efficiency. Here, a porous Ni inverse opal structure on a Cu current collector is decorated with lithiophilic noble metal (Au or Ag) (Ag or Au@Ni IO) through the galvanic replacement reaction. Compared with a bare Cu current collector, the Ag or Au@Ni IO structures can effectively lower the areal current densities and nucleation barrier during Li deposition thanks to their enhanced surface area and lithiophilic nature. Therefore, asymmetric cells using the Ag or Au@Ni IO structures can achieve improved Coulombic efficiency and cycle stability in Li plating/stripping tests, compared to a cell using a bare Cu current collector.