동적 이온 수송 동역학적 이온 수송 기사 번호 2204052에서 Hochun Lee, Yong Min Lee, Hongkyung Lee 및 동료 연구진은 길이 1-μm의 자기 나노스핀바(magnetic nanospinbar, NSB)가 분산된 전해질을 이용하여 Li 수지상(dendrite) 생성을 억제함을 보여준다. 다양한 전해질 내에 공간적으로 분포된 NSB는 외부 회전 자기장에 의해 구동되는 메조스케일 난류를 생성할 수 있다. NSB 보조 동적 Li+ 전달은 Li 핵의 신속하고 균일한 시딩(seeding)을 가능하게 하여, 수지상 Li 전착을 억제함으로써 리튬 금속 배터리의 안정적인 사이클링으로 이어진다. NSB 콜로이드를 통한 동적 이온 전달은 다양한 전기화학 시스템에서 질량수송 한계(mass-transfer-limit)를 넘어서는 새로운 가능성을 연다.

제로-엑세스 리튬 금속 배터리(Zero-excess Li-metal batteries, ZE-LMBs)는 예외적으로 높은 에너지 밀도와 경량·소형 설계 가능성 덕분에 차세대 에너지 저장 시스템으로서 점차 더 큰 주목을 받고 있다. 기존의 리튬 금속 배터리와 달리, ZE-LMBs는 과량의 Li 없이 작동하며 음극 측에 호스트 프레임워크를 갖지 않는다. 이는 에너지 밀도를 크게 향상시키지만 동시에 중요한 과제를 야기한다. 사이클링 동안 Li는 일반적으로 Cu 포일인 집전체(current collector)로부터 직접 전기적으로 가역적인 도금 및 박리가 일어나야 한다. 그러나 맨 Cu는 충분한 친리튬성(lithiophilicity)이 부족하여, 불균일한 Li 핵생성, 수지상(dendritic) 성장, 그리고 심각한 계면 불안정성을 초래한다. 이러한 문제들은 비가역적인 Li 손실, 전해질 분해, 그리고 낮은 사이클 수명을 유발하여 ZE-LMBs의 실용적 구현을 크게 제한한다. 이러한 계면 문제를 해결하기 위해 친리튬성 금속 코팅을 이용한 Cu 집전체 표면 개질이 효과적인 전략으로 부상하였다. 선행 연구에서는 Ag 및 Pt와 같은 금속의 단일층 코팅이 Li의 젖음성(wettability)과 가역성을 향상시킬 수 있음을 보여주었다. 하지만 이러한 코팅은 종종 장시간 사이클링 동안 열화되어 친리튬성 특성과 구조적 무결성을 유지하지 못한다. 본 연구에서는 Li-금속 석출을 더 잘 조절하고 장기간의 사이클링 동안 표면 친리튬성을 지속시키기 위해 Ag와 Pt로 구성된 이중층(bilayer) 금속 코팅을 조사한다. 두 금속의 적층 순서(Ag/Pt 대 Pt/Ag)와 두께 비율을 체계적으로 변화시킴으로써, 이중층 구성에 따라 Li 핵생성 거동, 석출 형태, 그리고 전기화학적 성능이 어떻게 달라지는지 탐색한다. 이 이중층 아키텍처는 두 금속의 고유한 장점을 결합하도록 설계되었다. 이중층 구성의 영향을 평가하기 위해 전기화학적 시험뿐 아니라 표면 에너지(surface energy) 및 일함수(work function) 측정 등 포괄적인 분석 세트를 활용할 계획이다. SEM, XPS, TOF-SIMS를 이용한 사후(post-mortem) 계면 분석을 수행하여, 이중층 코팅이 석출된 Li와 어떻게 상호작용하며 ZE-LMB 사이클링 조건에서 이들의 구조적 및 화학적 특성이 어떻게 변화하는지를 규명할 것이다. 단일의 최적 구성을 찾는 것을 목표로 하기보다는, 이 연구는 이중층 친리튬성 코팅을 조정하여 Li-금속 성장 거동을 제어하는 방법에 대한 체계적인 이해를 제공하는 것을 지향한다. 결과는 ZE-LMBs에서 집전체 설계 원리에 대한 유의미한 통찰을 제공할 것으로 기대되며, 균일하고 가역적이며 수지상(덴드라이트) 없는 Li-금속 석출을 달성하기 위해 고려해야 하는 재료 선택, 적층 순서, 계면 에너지(energetics), 장기 안정성과 같은 핵심 요인들을 부각시킬 것이다.