[논문리뷰] Dendrite-free Zn anode with dual channel 3D porous frameworks for rechargeable Zn batteries
이 논문은 재충전 가능한 아연(Zn) 배터리에 사용되는 이중 채널 3D 다공성 구조를 갖춘 덴드라이트가 없는 아연 음극(DCP-Zn)의 개발에 대해 논의한다. 이러한 이중 채널 다공성 구조의 아연 음극은 short circuit 및 배터리 수명 단축을 초래할 수 있는 Zn 배터리의 일반적인 문제인 제한된 가역성 및 충방전 주기 동안의 덴드라이트 성장을 해결한다. 이 이중 채널 구조는 이온/전자 이동을 향상시키고 전극과 전해질 계면을 안정화시켜 배터리 성능을 개선하고, 에너지 밀도 증가, 더 긴 사이클 수명 및 더 나은 안정성을 제공한다.
KeyWords: Zn battery, Dendrite growth, Rechargeable aqueous battery, Dual-channel porous, Metal electrode
조금 더 자세한 논문의 내용은 아래에서 다뤄본다.
일반적인 아연 포일(Pristine Zn foil) 전극에서는 도금(plating)과 박리(stripping) 과정 중 덴드라이트가 성장하여 전극 표면에 불균일한 돌기가 형성된다. 이 덴드라이트는 전극 표면의 전류 밀도를 집중시키고, 성장한 덴드라이트는 결국 셀의 단락을 유발할 수 있다.
하지만, 3차원 나노구조를 가진 DCP-Zn 전극은 이러한 문제를 해결할 수 있다. 이 구조는 전자(e-)와 이온(양이온)의 이동 경로를 최적화하여, 전류 밀도를 균일하게 분포시킴으로써 덴드라이트의 성장을 억제한다.
결과적으로, DCP-Zn 전극은 더 안정적이고 장기간 동안 덴드라이트 성장 없이 작동할 수 있다.
Pristine Zn foil(순수 아연 포일)을 이용해 3차원 다공성 아연 전극(DCP-Zn)을 제작하는 과정을 단계별로 설명한다. 먼저, 아연 포일을 85wt% H₃PO₄ 용액에서 양극 산화(Anodization)하여 표면에 작은 돌기를 형성한다. 그 후 6M KOH 및 0.4M ZnO 용액에서 Electrodeposition을 통해 나노 리본 형태의 다공성 아연을 포일 위에 증착시킨다. 증착된 아연은 300°C 공기 중에서 열처리(Calcination)하여, 밀집된 3D 구조의 아연 골격을 형성한다. 마지막으로 0.5M KHCO₃ 용액에서 전기화학적 환원을 통해 최종적으로 다공성 아연 전극이 완성된다.
DCP-Zn 전극과 일반 아연 포일 전극을 사용한 대칭 셀의 전압 변화를 통해 성능을 비교했다.
(a) 그래프는 0.5 mA cm² 전류 밀도와 0.1 mAh cm² 컷오프 용량 조건에서의 실험 결과를 보여준다. DCP-Zn 전극이 일반 아연 포일보다 훨씬 더 안정적인 전압 프로파일을 유지하며, 1400시간 이상(약 3500 사이클) 동안 안정적인 작동을 보여준다. 반면, 일반 아연 포일은 약 250시간 후 전압 변동과 함께 급격한 성능 저하를 보이며, 결국 단락이 발생했다.
(b)와 (c) 그래프는 더 높은 전류 밀도(3 mA cm², 5 mA cm², 10 mA cm²)와 컷오프 용량에서의 성능을 보여준다. DCP-Zn 전극은 더 높은 전류 밀도에서도 안정적인 성능을 유지하는 반면, 일반 아연 포일은 매우 불안정한 전압 변동과 함께 빠른 시간 내에 단락이 발생했다.
결론적으로, DCP-Zn 전극은 아연 전극에서 발생하는 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하고, 대칭 셀의 전기화학적 성능을 크게 향상시킨다는 점을 강조할 수 있다. 이는 더 안전하고 안정적인 고성능 아연 기반 배터리 개발에 중요한 역할을 할 수 있다.
슬라이드의 상단의 XRD Fig.는 아연 전극과 DCP-Zn 전극의 스트리핑/플레이팅 사이클 후의 XRD 분석 결과를 보여준다.
(a) 그래프는 일반 아연 포일 전극에서 250 사이클과 500 사이클 후에 ZnO 및 Zn(OH)₂와 같은 비활성 부산물이 형성됨을 나타낸다. 이는 전극의 성능이 저하되고 덴드라이트가 형성되어 수명 단축과 셀 고장 가능성이 증가함을 시사한다.
반면, (b) 그래프에서 DCP-Zn 전극은 500 사이클, 2000 사이클, 3500 사이클 후에도 ZnO나 기타 부산물이 거의 형성되지 않았음을 보여준다. 이는 DCP-Zn 전극이 더 안정적이고 덴드라이트 없이 장기간 사이클링이 가능함을 의미하며, 3D 다공성 구조 덕분에 아연 포일 전극보다 우수한 성능을 발휘한다는 점을 강조한다.
슬라이드 하단의 그래프는 DCP-Zn 전극과 일반 아연 포일 전극을 사용한 Zn–V₂O₅ 배터리의 전기화학적 성능을 비교한다.
(d) 그래프는 1 A g⁻¹의 전류 밀도에서 DCP-Zn 전극이 일반 아연 포일 전극보다 더 높은 용량과 더 높은 효율을 유지하며 500 사이클 동안 안정적으로 작동했음을 보여준다. (e) 그래프는 다양한 전류 밀도에서 DCP-Zn 전극이 일반 아연 포일 전극보다 뛰어난 전압 프로파일을 유지하며, 특히 높은 전류 밀도에서도 안정적인 성능을 발휘했음을 나타낸다.
(f) 그래프는 DCP-Zn 전극이 높은 전류 밀도에서 더 나은 속도 성능을 보이며, 이는 더 높은 전력 밀도와 에너지 밀도를 제공함을 보여준다.
결론적으로, 이 슬라이드는 DCP-Zn 전극이 기존 아연 포일 전극에 비해 뛰어난 전기화학적 안정성과 성능을 제공함을 입증하며, 특히 Zn–V₂O₅ 배터리에서의 적용 가능성을 시사한다. 이는 DCP-Zn 전극의 3D 다공성 구조가 덴드라이트 성장을 억제하고, 장기간 안정적인 배터리 성능을 유지할 수 있게 해준다는 점을 강조할 수 있다.
DCP-Zn 전극은 기존의 아연 포일 전극에 비해 안정적이고 덴드라이트가 없는 사이클링을 가능하게 하며, 더 낮은 과전압으로 작동한다. 이러한 DCP-Zn 전극은 Zn–V₂O₅ 셀에서 월등한 성능을 발휘하며, 더 높은 방전 용량, 우수한 속도 성능, 그리고 개선된 사이클 수명을 보여준다.
이 연구 결과는 3차원 다공성 아연 전극이 수계 Zn–V₂O₅ 배터리의 성능과 안전성을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 강조한다.