학술논문
A Mechanistic Study on Inhomogeneous Lithium-Storage Behavior in Electrode for Next-Generation Batteries / 차세대 배터리용 전극 내 불균일한 리튬 저장 거동에 관한 역학 연구
Document Type
Dissertation/ Thesis
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Subject
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English
Abstract
As the energy transition to a future low-carbon energy society advances, lithium-ion batteries (LIBs) have become a powerful technology for the required demands. Over the past 30 years, LIBs have led to the commercialization of various electronic devices and now offer high energy and power using Ni-rich layered oxide cathode materials and graphite anode material. The advances in their performance make LIBs used in large-scale applications, such as electric vehicles and smart grids. However, safety concerns have emerged due to the trade-off nature of priority properties in batteries, such as higher energy density and fast charging. An inhomogeneous charge storage reaction in the electrode is a critical issue that can induce performance degradation and battery failure, primarily because of unexpected origins such as overcharging and internal short-circuiting. The overcharged areas created by inhomogeneous reactions in electrodes can cause structural degradation of Ni-rich layered oxide cathode material and lithium deposition reaction on the surface of the graphite anode, eventually leading to the increase of resistance and thermal runaway. Thus, to secure the stability of the batteries, the development of adequate battery management methods and a new safe battery system, such as all-solid-state lithium batteries, are essential, and it is necessary to focus on the electrode reaction.This dissertation examines the effects of inhomogeneous charge storage reactions in electrodes for next-generation LIBs using electrochemical analysis and synchrotron-based X-ray characterization techniques. The first part is focused on the mechanistic study on inhomogeneous charge storage reactions in industrial-scale electrodes and following cell-level systems, providing new insights into the importance of reaction homogeneity and extending the limited view of the voltage profile. Herein, the differential capacity curve exhibited a predictive feature to diagnose undesirable inhomogeneous reactions. In the second part, the difference between the lithium-storage behaviors of conventional liquid electrolyte-based and solid-state-based batteries is investigated. Consequently, apparent inhomogeneous (de)lithiation among the particles in electrodes for all-solid-state batteries was confirmed even at low current rates, by which the sporadically concentrated current caused the buildup of inhomogeneities and overpotentials during the long cycles. The results provide a new perspective on the overlooked aspect affecting the performance of all-solid-state batteries. In the following last part, the cathode design based on a comprehensive understanding of the electrode system was explored, inspired by the previous results of reaction inhomogeneity.Hopefully, the findings of this work provide a better understanding of overlooked reaction inhomogeneity in electrodes and electrochemical correlation, contributing to the establishment of new strategies for safe and high-performance energy storage.
미래 저(低)탄소 에너지 사회로의 전환’이 인류의 중요 과제로 직면함에 따라 리튬 이온 배터리는 시대의 강력한 기술로 자리매김하였다. 지난 30년 동안 리튬 이온 배터리는 다양한 전자기기의 상용화를 이끌었고 현재 시장에서는 고(高)함량 니켈 층상구조 산화물 양극재와 흑연 음극재를 사용하여 높은 에너지 및 전력을 제공하고 있다. 최근 전반적인 성능 향상으로 현재 리튬 이온 배터리는 전기 자동차 및 스마트 그리드와 같은 `대규모 응용장치에 사용되고 있다. 그러나 에너지 밀도 및 급속 충전 성능의 향상은 배터리 성능 간 상충(trade-off) 효과로 이어져 안전성 문제가 대두되고 있다. 전극 내 불균일한 전하 저장 반응은 주로 과충전 및 내부 단락과 같은 예기치 않은 결과로 이어져 성능 저하 및 고장을 유발할 수 있는 중요한 문제이다. 불균일 반응에 의해 생성된 전극 내 과충전 영역은 고함량 니켈 층상구조 산화물 양극재의 구조적 열화와 흑연 음극 표면에 리튬 증착 반응을 일으켜, 결국 저항 증가 및 열 폭주로 이어질 수 있다. 따라서, 배터리 안전성을 확보하기 위해서는 작동 중 적절한 관리 방법 및 전고체 배터리와 같은 새로운 안전한 시스템의 개발이 필수적이며 전극의 반응성에 초점을 둘 필요가 있다. 본 논문에서는 전기화학적 분석과 방사광 기반 X-선 특성 분석 기술을 통해 차세대 리튬 이온 배터리용 전극에서의 전하 저장 반응 역학에 대한 요인 및 결과에 대해 논의하였다. 첫 번째로 산업용 전극과 전체 셀 수준에서의 불균일 전하 저장 반응에 대한 기계론적 연구에 초점을 맞추었으며, 반응 균일성에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 전압 프로파일에 대한 제한적 관점을 확장하였다. 여기서, 전압 프로파일의 미분 용량 곡선은 불균일 반응을 진단하기 위한 예측 특성을 나타내는 것을 발견했다. 다음 챕터에서는 기존의 액체 전해질 기반 배터리와 고체 전해질 기반 배터리 시스템에서의 전극 내 리튬 저장 거동의 역학 차이를 조사하였다. 결과적으로, 전고체 배터리용 전극 내 입자들 사이에서 매우 느린 충전 율속에서도 불균일한 리튬 저장 거동이 확인되었으며, 이에 의해 산발적으로 집중된 전류가 사이클 동안 전극 내 불균일 반응 및 과전위 축적을 야기하는 것을 확인하였다. 이어지는 마지막 챕터에서, 반응 균일성의 요인 및 역학 조사를 통한 전극 내 반응 기구에 대한 포괄적인 이해를 기반으로 균일한 반응을 위한 전고체 배터리용 양극 설계를 탐구하였다.끝으로, 이 연구 결과는 간과되었던 전극 내 불균일 반응과 전기화학적 상관 관계에 대한 더 나은 이해를 제공하며, 안전하고 고성능 에너지 저장을 위한 새로운 전략을 설립하는 데 기여할 수 있을 것이라 기대된다.
미래 저(低)탄소 에너지 사회로의 전환’이 인류의 중요 과제로 직면함에 따라 리튬 이온 배터리는 시대의 강력한 기술로 자리매김하였다. 지난 30년 동안 리튬 이온 배터리는 다양한 전자기기의 상용화를 이끌었고 현재 시장에서는 고(高)함량 니켈 층상구조 산화물 양극재와 흑연 음극재를 사용하여 높은 에너지 및 전력을 제공하고 있다. 최근 전반적인 성능 향상으로 현재 리튬 이온 배터리는 전기 자동차 및 스마트 그리드와 같은 `대규모 응용장치에 사용되고 있다. 그러나 에너지 밀도 및 급속 충전 성능의 향상은 배터리 성능 간 상충(trade-off) 효과로 이어져 안전성 문제가 대두되고 있다. 전극 내 불균일한 전하 저장 반응은 주로 과충전 및 내부 단락과 같은 예기치 않은 결과로 이어져 성능 저하 및 고장을 유발할 수 있는 중요한 문제이다. 불균일 반응에 의해 생성된 전극 내 과충전 영역은 고함량 니켈 층상구조 산화물 양극재의 구조적 열화와 흑연 음극 표면에 리튬 증착 반응을 일으켜, 결국 저항 증가 및 열 폭주로 이어질 수 있다. 따라서, 배터리 안전성을 확보하기 위해서는 작동 중 적절한 관리 방법 및 전고체 배터리와 같은 새로운 안전한 시스템의 개발이 필수적이며 전극의 반응성에 초점을 둘 필요가 있다. 본 논문에서는 전기화학적 분석과 방사광 기반 X-선 특성 분석 기술을 통해 차세대 리튬 이온 배터리용 전극에서의 전하 저장 반응 역학에 대한 요인 및 결과에 대해 논의하였다. 첫 번째로 산업용 전극과 전체 셀 수준에서의 불균일 전하 저장 반응에 대한 기계론적 연구에 초점을 맞추었으며, 반응 균일성에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 전압 프로파일에 대한 제한적 관점을 확장하였다. 여기서, 전압 프로파일의 미분 용량 곡선은 불균일 반응을 진단하기 위한 예측 특성을 나타내는 것을 발견했다. 다음 챕터에서는 기존의 액체 전해질 기반 배터리와 고체 전해질 기반 배터리 시스템에서의 전극 내 리튬 저장 거동의 역학 차이를 조사하였다. 결과적으로, 전고체 배터리용 전극 내 입자들 사이에서 매우 느린 충전 율속에서도 불균일한 리튬 저장 거동이 확인되었으며, 이에 의해 산발적으로 집중된 전류가 사이클 동안 전극 내 불균일 반응 및 과전위 축적을 야기하는 것을 확인하였다. 이어지는 마지막 챕터에서, 반응 균일성의 요인 및 역학 조사를 통한 전극 내 반응 기구에 대한 포괄적인 이해를 기반으로 균일한 반응을 위한 전고체 배터리용 양극 설계를 탐구하였다.끝으로, 이 연구 결과는 간과되었던 전극 내 불균일 반응과 전기화학적 상관 관계에 대한 더 나은 이해를 제공하며, 안전하고 고성능 에너지 저장을 위한 새로운 전략을 설립하는 데 기여할 수 있을 것이라 기대된다.