리튬 함량 및 단위 셀 압력이 열전지용 리튬 음극의 방전 성능에 미치는 영향 (Effect of Lithium Contents and Applied Pressure on Discharge Characteristics of Single Cell with Lithium Anode for Thermal Batteries)

서지정보

· 발행기관 : 한국전기전자재료학회
· 수록지 정보 : 전기전자재료학회논문지 / 32권 / 2호 / 165 ~ 173페이지
· 저자명 : 임채남, 안태영, 유혜련, 하상현, 여재성, 조장현, 윤현기

초록

본 연구에서는 순수리튬(20, 17, 15, 13 wt.%)과 철 분말을 혼합하여 직경 90mm 리튬음극을 제작하고, 리튬함량 및 단위전지 방전 중 인가되는 압력이 리튬음극의 전기화학적 성능에 미치는 영향을 고찰하였다. 리튬 함량 15 wt.% 이하의 리튬음극을 적용한 단위전지의 400 kgf(6 kgf/㎠) 이하의 방전시험 결과에서 개회로전압 및 작동 중 안정적인 전압을 보이며 정상적으로 방전됨을 확인하였다. 전해질 두께에 따른 13 wt.% 리튬음극의 방전성능 결과 전해질의 두께가 감소되어도 리튬 누액으로 인한 전극의 단락 및 단위전지 성능 저하가 없음을 확인하였다. 리튬음극을 사용한 단위전지의 개회로전압이 2.07 V로 Li-Si 음극의 1.93 V에 비해 약 0.1 V 이상 높게 나타났다. cut-off 구간에서 0.46㎜ 리튬음극의 전압은 1.83 V, 비용량은 1,380 Asㆍg-1이며, 1.30㎜ Li-Si 음극의 전압은 1.72 V, 비용량은 1,364 Asㆍg-1로 나타남을 확인하였다. 리튬음극은 cut-off 구간인 1.83 V까지 전압이 서서히 감소하다가 리튬이 손실되는 구간까지 안정적인 전압특성을 나타내었고, 반면에 Li-Si 음극을 적용한 단위전지는 방전 중에 Li(Si) 상변화에 따라서 1.93V → 1.72 V(Li13Si4→ Li7Si3) → 1.65 V(Li7Si3→ Li12Si7)로 전압이 하락하였다. 리튬음극을 적용한 단위전지의 에너지밀도는 807.1 Wh l-1로 Li-Si 음극의 522.2 Wh l-1에 비해 약 50% 이상 성능이 향상됨을 확인하였다.

영어초록

Lithium anodes (13, 15, 17, and 20 wt% Li) were fabricated by mixing molten lithium and iron powder, whichwas used as a binder to hold the molten lithium, at about 500℃ (discharge temp.). In this study, the effect of appliedpressure and lithium content on the discharge properties of a thermal battery’s single cell was investigated. A single cellusing a Li anode with a lithium content of less than 15 wt% presented reliable performance without any abrupt voltagedrop resulting from molten lithium leakage under an applied pressure of less than 6 kgf/cm2. Furthermore, it wasconfirmed that even when the solid electrolyte is thinner, the Li anode of the single cell normally discharges wellwithout a deterioration in performance. The Li anode of the single cell presented a significantly improved open-circuitvoltage of 2.06 V, compared to that of a Li-Si anode (1.93 V). The cut-off voltage and specific capacity were 1.83 Vand 1,380 As g-1 (Li anode), and 1.72 V and 1,364 As g-1 (Li-Si anode). Additionally, the Li anode exhibited a stableand flat discharge curve until 1.83 V because of the absence of phase change phenomena of Li metal and a subsequentrapid voltage drop below 1.83 V due to the complete depletion of Li at the end state of discharge. On the other hand,the voltage of the Li-Si anode cell decreased in steps, 1.93 V → 1.72 V (Li13Si4 → Li7Si3) → 1.65 V (Li7Si3→ Li12Si7),according to the Li-Si phase changes during the discharge reaction. The energy density of the Li anode cell was 807.1Wh l-1, which was about 50% higher than that of the Li-Si cell (522.2 Wh l-1).

참고자료

· 없음