프레젠테이션

차세대 에너지 저장 장치의 개발로 리튬 이온 배터리는 모바일 기기와 전기 자동차에 전력을 공급하는 데 사용되며 그 수요가 증가할 것으로 보입니다. 하지만 리튬은 풍부한 금속이 아니기 때문에 가격이 비쌉니다. 반면 나트륨은 풍부하고 가격이 저렴해 나트륨 이온 배터리(SIB)에 대한 관심이 높아지고 있습니다. SIB의 음극이나 양극으로 사용하기 위해 다양한 소재가 연구되고 있습니다. 이러한 연구의 대부분은 작동 전극(WE), 상대 전극(CE), 필요한 경우 기준 전극(RE)을 포함하는 하프셀 시스템에 대해 수행되었습니다. WE는 음극 또는 양극 물질을 포함합니다. 일반적으로 하프셀 시스템의 CE에는 나트륨 금속 플레이크가 사용됩니다. 나트륨을 양극 재료로 사용할 수도 있지만 안전 문제로 인해 실제로는 어렵습니다.

전기화학적 리튬 증착/용해에 대한 많은 보고가 있습니다. 리튬 금속 전극은 전기화학 증착 과정에서 리튬 "수상돌기"가 형성되어 단락 및 사이클링 성능이 저하된다는 단점이 있습니다. 참조에 설명된 대로 0.5mA/cm2 LiAsF2/탄산에틸렌-2-메틸테트라하이드로푸란 전해질 용액에서 전기화학 리튬 증착 과정은 다음과 같습니다. 리튬은 리튬 전극의 바닥에서 성장하여 꼬임을 일으킵니다. 그 결과 침전된 리튬의 모양이 수지상 모양이 됩니다. 그런 다음 리튬 수상돌기의 끝과 꼬임 지점에 리튬이 침착되기 시작합니다. 침착된 리튬의 모양은 세분화됩니다. 리튬 수상 돌기의 전기 화학적 용해 과정은 다음과 같습니다. 팁과 꼬임 지점의 과립형 리튬이 용해됩니다. 그런 다음 수상 돌기의 매트릭스가 용해되고 수상 돌기는 "죽은 리튬"이 됩니다. 이것이 리튬 전극의 가역성이 떨어지는 이유 중 하나입니다. 또한 다양한 전해질에서 전기화학적으로 증착된 리튬의 모양을 연구한 결과, 그 모양이 전해질에 따라 달라지는 것으로 나타났습니다.

위에서 언급했듯이 전기화학적 리튬 증착/용해는 축적되어 있습니다. 그러나 전기화학적 나트륨 증착/용해에 대한 보고는 거의 없습니다. SIB의 개발을 위해서는 그 거동(예: 사이클링 중 형상 변화, 가역성 및 쿨롱 효율)을 이해하는 것이 중요합니다. 이 연구에서는 금속 나트륨을 CE로 하여 프로필렌 카보네이트(PC) 기반 전해질 용액에서 전기화학적으로 증착/용해된 나트륨의 형상 변화를 관찰했습니다. PC 기반 용액은 SIB의 전해질로 널리 사용되며 단일 용매를 사용하여 증착/용해 거동을 규명할 수 있었습니다. 일반적인 반응 시스템으로 나트륨과 구리 전극을 WE로, 나트륨 전극을 CE로 사용했습니다. 관찰을 위해 이전 연구에서 보고한 Sn-Co 음극 재료에 대한 광학 현미경을 사용했습니다. 이를 통해 전기화학적 나트륨 증착/용해가 일어나는 동안 나트륨 전극 표면의 단면을 관찰하고, 나트륨의 성장 과정을 동영상으로 촬영하여 현장에서 관찰할 수 있었습니다. 또한 증착된 나트륨에 고체전해질계면(SEI)과 같은 표면 박막층(예: 증착된 리튬에 Li2CO3, Li2O)이 존재하는지 조사하기 위해 SEI가 장착된 주사전자현미경(SEM)을 이용해 증착된 나트륨의 표면 조성을 조사했는데, 좋은 재활용성을 얻기 위해서는 SEI의 이온 전도도와 같은 특성이 중요하다는 것을 확인했습니다.

애플리케이션

이 연구에서는 현장 광학 현미경으로 관찰한 프로필렌 카보네이트 기반 전해질 용액에서의 전기 화학적 나트륨 증착/용해 거동에 중점을 두었습니다. 먼저 음극 공정 중에 나트륨 전극의 구멍에 과립 형태의 나트륨이 침착되었습니다. 그런 다음 나트륨 입자가 전극 표면에서 바늘 모양으로 선형적으로 성장했습니다. 이후 양극 공정에서 나트륨은 나트륨 전극의 바늘 뿌리 근처에서 용해되고 소위 "죽은 나트륨"이 전극에서 분리됩니다. 구리 전극에서의 전기 화학적 나트륨 증착 및 용해 메커니즘은 나트륨 전극의 메커니즘과 유사합니다.

그림 3은 기존에 보고된 것과 동일한 방법으로 현장 광학 현미경(Lasertec사, ECCS B310)을 사용하여 전기화학 증착/용해 과정에서 나트륨 또는 구리 전극의 형태학적 변화를 직접 관찰한 모습입니다. 현미경 관찰을 위한 원형 셀은 나트륨 시트(두께 0.2mm, 직경 15mm, 칸토케미칼) 또는 구리 시트(두께 0.01mm, 직경 15mm)를 WE, 전해질(1M NaPF6/PC, Tomiyama Pure Chemicals Industries Ltd.)-침지형 폴리프로필렌 다이어프램(직경 19mm, Celgard), 나트륨 시트를 CE로 사용했습니다. 보충 그림 3(a)와 같이 원형 셀을 반원형으로 절단하고 전해질 용액/ CE가 있는 WE/ 다이어프램이 있는 셀의 노출된 단면을 관찰할 수 있도록 준비했습니다. 그런 다음 반원형 셀을 광학 현미경용 고정 장치에 놓고 보충 그림 3(b)와 같이 사파이어로 만든 보기 창을 통해 광학 현미경을 사용하여 표면의 단면을 모니터링했습니다. 전기화학 측정은 상온에서 50μA(57μA/cm2)의 정전류에서 자동 정전류 방전-충전 시스템(Hokuto Denko Corp., HJ1001SD8)을 사용하여 수행했습니다.

출처

저자: 유키유이, 하야시 마사히코, 나카무라 지로

기관: 일본 가나가와현 아츠기시 모리노사토 와카미야 3-1, 모리노사토 와카미야 243-0198, NTT Corporation 3-1, NTT Device Technology Labs. 화학, 도쿄공업대학 학제간 융합 대학원, 도쿄공업대학, 4259 나가츠타, 미도리구, 요코하마 226- 8502, 일본. 8502, Japan.

게시: 접수: 2015년 9월 24일; 수락: 2016년 2월 12일; 게시: 2016년 3월 1일

저널: 자연 과학 보고서

기사 소스 웹사이트.나트륨 전극에서 나트륨 증착/용해의 현장 현미경 관찰