KR20230096616A - A Current Collector for Lithium Metal Battery for Inhibiting Growth of Dendritic Lithium and Manufacturing Method Thereof - Google Patents

A Current Collector for Lithium Metal Battery for Inhibiting Growth of Dendritic Lithium and Manufacturing Method Thereof Download PDF

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김주예
문산
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Abstract

The present invention relates to a current collector for a lithium metal battery including: a conductive thin film having a wrinkled structure on the surface thereof; a graphene single layer formed on the conductive thin film; and a plurality of metal nanoparticles formed on the graphene single layer, and a manufacturing method thereof. The present invention can ensure safety and can obtain high coulombic efficiency and improved lifespan characteristics.

Description

수지상 리튬의 성장을 억제하기 위한 리튬금속전지용 집전체 및 그 제조 방법{A Current Collector for Lithium Metal Battery for Inhibiting Growth of Dendritic Lithium and Manufacturing Method Thereof}Current Collector for Lithium Metal Battery for Inhibiting Growth of Dendritic Lithium and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 표면 주름 구조를 가지고 금속 나노 입자가 도입된 단일면의 수지상 리튬의 성장을 억제하기 위한 리튬금속전지용 집전체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a current collector for a lithium metal battery and a method for manufacturing the same for suppressing the growth of single-sided dendrite lithium having a surface wrinkled structure and having metal nanoparticles introduced therein.

리튬 금속은 3,862 mAh/g 의 높은 이론적 비용량, 0.531 g/cm3 의 낮은 중량 밀도 및 표준수소전극(SHE)대비 -3.04 V로 가장 낮은 환원 전위로 인해 가장 이상적인 애노드 물질로 간주되어 왔다. 그러나 리튬 금속은 애노드로 사용하기에는 결정적인 한계가 있다. 반복적인 충방전 과정에서 발생하는 애노드에서의 리튬의 불균일한 분포는 수지상 리튬(dendritic Li)과 죽은 리튬(dead Li)을 생성하며, 이는 낮은 쿨롱 효율과 내부 단락과 같은 안전 문제를 야기한다. 특히, 수지상 리튬은 전지 방전 중 애노드 집전체와 전기적 접촉을 가지지 못하는 불활성 리튬을 형성하므로, 이는 애노드의 에너지 밀도의 저하를 야기할 수 있다. 또한, 상기 수지상 리튬에 의해 애노드 표면적이 지속적으로 증가하여, 상기 부동태층의 증가 및 축적을 야기한다. 이로 인해, 리튬 금속 및 전해액이 계속적으로 소모되며, 이는 리튬금속전지의 효율 및 사이클 특성을 저하시킨다. 나아가, 수지상 리튬에 의해 분리막이 파괴될 수 있으며, 이에 따라 전지가 폭발하는 등 전지 안정성이 크게 저하될 수 있다.Lithium metal has been considered the most ideal anode material due to its high theoretical specific capacity of 3,862 mAh/g, low weight density of 0.531 g/cm 3 and the lowest reduction potential of -3.04 V compared to a standard hydrogen electrode (SHE). However, lithium metal has a critical limitation in its use as an anode. The non-uniform distribution of lithium at the anode during repetitive charging and discharging processes generates dendritic Li and dead Li, which cause safety problems such as low coulombic efficiency and internal short circuit. In particular, dendrite lithium forms inactive lithium that does not have electrical contact with the anode current collector during battery discharge, which may cause a decrease in energy density of the anode. In addition, the anode surface area is continuously increased by the dendrite lithium, resulting in the increase and accumulation of the passivation layer. Due to this, the lithium metal and the electrolyte are continuously consumed, which deteriorates the efficiency and cycle characteristics of the lithium metal battery. Furthermore, the separator may be destroyed by dendrite lithium, and thus battery stability may be greatly deteriorated, such as explosion of the battery.

따라서 리튬금속전지의 애노드에서의 리튬 증착을 제어하는 기술은 리튬금속전지의 실용적 응용을 구현하는 데 가장 중요한 요소라고 할 수 있다.Therefore, technology for controlling lithium deposition at the anode of a lithium metal battery is the most important factor in realizing practical applications of a lithium metal battery.

균일한 리튬 증착을 얻기 위해 계면 제어, 보호층의 도입, 전극의 구조적 설계 등을 포함하여 다양한 전략이 제시되어 왔다. 리튬 전지 시스템에 사용되는 대부분의 집전체가 평면형이고 무작위로 배향된 평면을 가진 수많은 작은 입자를 갖는 것을 고려할 때, 이러한 다양한 전략 중 전극 설계의 핵심 요소로서 집전체의 구조적 제어는 수지상 리튬의 형성을 완화하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 전형적으로 사용되는 구리 집전체는 리튬수지상 형성이 없는 균일한 리튬 전착을 보장할 수는 없다. 균일한 리튬 전착을 위한 집전체 구조적 제어의 전략으로서 3차원 구조의 구리 프레임에 리튬과 반응성이 좋은 씨드(seed)를 도입하는 기술은 전기장과 리튬 이온의 흐름을 균일하게 분산시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이에 대한 치밀하고 구체적인 연구개발은 현재까지 이루어지지 않은 실정이다.Various strategies have been proposed to obtain uniform lithium deposition, including interface control, introduction of protective layers, and structural design of electrodes. Considering that most current collectors used in lithium battery systems are planar and have numerous small grains with randomly oriented planes, among these various strategies, structural control of the current collector as a key element in electrode design is a key factor in the formation of dendrite lithium. can play an important role in mitigation. Typically used copper current collectors cannot ensure uniform lithium electrodeposition without lithium dendrite formation. As a strategy for structural control of the current collector for uniform lithium electrodeposition, the technique of introducing a seed highly reactive with lithium into a three-dimensional copper frame is known to be able to uniformly distribute the electric field and the flow of lithium ions. . However, detailed and specific R&D on this has not been made to date.

이에 리튬금속전지의 애노드에서의 균일한 리튬 증착을 제어하는 기술의 개발이 필요한 실정이다. Accordingly, it is necessary to develop a technology for controlling uniform lithium deposition at the anode of a lithium metal battery.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 수지상 리튬의 형성을 억제하고 리튬금속전지의 수명 및 그 효율을 개선하기 위해, 애노드 집전체를 구성하는 도전성 박막에 표면 주름 구조를 형성하고 리튬과 반응성이 좋은 그래핀을 도입한 후 소정의 금속 나노 입자를 도입함으로써 균일한 리튬 증착을 유도하는 수지상 리튬의 성장 억제하기 위한 리튬금속전지용 집전체 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.The present invention is to solve the above problems, in order to suppress the formation of dendrite lithium and improve the lifespan and efficiency of a lithium metal battery, a surface wrinkle structure is formed on a conductive thin film constituting an anode current collector, and lithium and reactivity An object of the present invention is to provide a current collector for a lithium metal battery and a method for manufacturing the same for suppressing growth of dendritic lithium that induces uniform lithium deposition by introducing predetermined metal nanoparticles after introducing good graphene.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 표면에 주름 구조가 형성된 것인 도전성 박막; 상기 도전성 박막 상에 형성된 그래핀 단일층; 및 상기 그래핀 단일층 상에 형성된 복수의 금속 나노 입자들;을 포함하는 리튬금속전지용 집전체를 제공한다.According to one embodiment of the present invention, a conductive thin film having a wrinkle structure formed on its surface; a graphene single layer formed on the conductive thin film; and a plurality of metal nanoparticles formed on the graphene single layer.

또한 본 발명의 다른 일 실시 형태에 따르면, 도전성 박막 상에 제1 금속 함유 박막을 형성하는 단계; 상기 제1 금속 함유 박막이 형성된 도전성 박막을 가열하는 단계; 상기 도전성 박막 상의 제1 금속 함유 박막 측에 그래핀 전구체 기체 및 환원성 기체를 접촉시켜서 상기 도전성 박막 상에서 상기 제1 금속 함유 박막을 제거하면서 그래핀 단일층을 형성하는 단계; 상기 도전성 박막 상의 그래핀 단일층 상에 복수의 제2 금속 나노 입자를 형성하는 단계;를 포함하는 리튬금속전지용 집전체의 제조방법을 제공한다.In addition, according to another embodiment of the present invention, forming a first metal-containing thin film on the conductive thin film; heating the conductive thin film on which the first metal-containing thin film is formed; forming a graphene monolayer while removing the first metal-containing thin film from the conductive thin film by bringing a graphene precursor gas and a reducing gas into contact with the first metal-containing thin film on the conductive thin film; Forming a plurality of second metal nanoparticles on the graphene single layer on the conductive thin film; provides a method for manufacturing a current collector for a lithium metal battery including.

본 발명의 수지상 리튬의 성장을 억제하기 위한 리튬금속전지용 집전체 및 그 제조 방법에 따르면, 도전성 박막의 표면에 주름 구조를 형성하고 소정의 금속 나노 입자의 분포를 최적화함으로써 리튬의 핵 형성 시 발생하는 과전압을 낮추고, 금속 나노 입자가 리튬 핵 성장 반응에 대한 활성 자리(active site)로 작용하여 균일한 리튬 핵의 성장 및 이후 성장을 유도할 수 있다. 이를 통해 얻어진 균일한 리튬 전착으로 애노드에서의 리튬수지상 성장이 억제되어 리튬금속전지의 내부 단락을 방지함으로써 안전성을 확보할 수 있고, 높은 쿨롱 효율과 개선된 수명 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.According to a current collector for a lithium metal battery and a method for manufacturing the same for suppressing the growth of dendritic lithium of the present invention, a wrinkle structure is formed on the surface of a conductive thin film and the distribution of predetermined metal nanoparticles is optimized, thereby reducing the nucleus formation of lithium. The overvoltage is lowered, and the metal nanoparticles act as an active site for the lithium nucleus growth reaction, thereby inducing uniform lithium nucleus growth and subsequent growth. The uniform electrodeposition of lithium obtained through this suppresses lithium dendrite growth at the anode to prevent internal short circuit of the lithium metal battery, thereby securing safety, and obtaining high coulombic efficiency and improved life characteristics.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 도전성 박막의 표면 개질 과정을 나타내는 모식도이다.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 제조예 1, 비교 제조예 1 내지 비교 제조예 7에 따른 집전체의 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타낸 도시이다.
도 3a 내지 도 3d는 충전 용량이 0.5 mAh/㎠ 인 경우의 본 발명의 제조예 1 및 비교 제조예 1 내지 3에 따른 집전체의 주사전자현미경 사진을 나타낸 도시이다.
도 4a 내지 도 4d는 은 전착 두께를 1㎚, 2㎚, 5㎚로 달리한 경우의 사이클에 따른 쿨롱 효율을 나타낸 도시이다.
도 5a 내지 도 5c는 충전 용량을 0.5 mAh/㎠, 1 mAh/㎠, 5 mAh/㎠로 달리한 경우에 제조예 1, 비교 제조예 1 및 비교 제조예 7에 따른 집전체를 적용한 리튬금속전지의 사이클에 따른 쿨롱 효율을 나타낸 도시이다.
1 is a schematic diagram showing a surface modification process of a conductive thin film according to an embodiment of the present invention.
2A to 2H are scanning electron microscope (SEM) photographs of current collectors according to Preparation Example 1 and Comparative Preparation Examples 1 to 7 of the present invention.
3A to 3D are scanning electron micrographs of current collectors according to Preparation Example 1 and Comparative Preparation Examples 1 to 3 of the present invention when the charging capacity is 0.5 mAh/cm 2 .
4A to 4D are graphs illustrating coulombic efficiency according to cycles when the silver electrodeposition thickness is changed to 1 nm, 2 nm, and 5 nm.
5a to 5c are lithium metal batteries to which current collectors according to Preparation Example 1, Comparative Preparation Example 1, and Comparative Preparation Example 7 are applied when the charging capacity is changed to 0.5 mAh/cm2, 1 mAh/cm2, and 5 mAh/cm2 It is a graph showing the coulombic efficiency according to the cycle of

이하, 수지상 리튬의 성장 억제을 억제하기 위한 리튬금속전지용 집전체 및 그 제조 방법에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Hereinafter, a current collector for a lithium metal battery and a method for manufacturing the current collector for suppressing growth of dendrite lithium will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

리튬금속전지는 애노드로서 리튬 금속이나 리튬 합금을 사용하는 전지로서, 리튬 금속은 현재까지 파악된 애노드 물질 중 최상급의 에너지 밀도를 갖고 있고, 산화환원 전위가 매우 낮은 특징이 있다. 리튬금속전지는 이론적으로 매우 높은 에너지 용량을 가지지만, 높은 전기화학적 반응성으로 인해 전해질과 반응하여 표면에 두꺼운 저항층을 형성하고, 그 결과 전지의 저항을 높여 충방전시 용량을 감소시킬 수 있다. 또한, 특정 부위에만 리튬이 증착되어 수지상 석출물인 수지상 리튬(dendritic lithium)이 형성되고, 상기 수지상 리튬이 성장하여 분리막을 통과해 반대 전극인 캐소드에 도달하여 전지를 단락시키거나 전지의 폭발 위험성이 있다.A lithium metal battery is a battery using lithium metal or a lithium alloy as an anode, and lithium metal has the highest energy density among anode materials known to date and has a very low oxidation-reduction potential. Theoretically, a lithium metal battery has a very high energy capacity, but due to its high electrochemical reactivity, it reacts with an electrolyte to form a thick resistive layer on the surface, and as a result, the battery's resistance is increased and the capacity can be reduced during charging and discharging. In addition, lithium is deposited only in a specific area to form dendritic lithium, which is a dendritic precipitate, and the dendritic lithium grows and passes through a separator to reach the cathode, which is the opposite electrode, short-circuiting the battery or causing the battery to explode. .

상기 수지상 리튬은 금속 표면의 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정을 의미한다. 리튬 금속을 애노드로 사용하면 방전 시 애노드에서 전자와 리튬이온이 캐소드로 빠져나가고, 충전 시 캐소드에 있는 전자와 리튬이온이 애노드 전극판에 다시 모이게 되는데, 이때 바늘 형태의 수지상 리튬 구조를 형성한 리튬 금속이 계속 성장하다가 양극에 닿게 되면 폭발을 일으킬 수 있다. 이외에도 수지상 리튬은 전극의 부피 팽창과 전극-전해질 사이의 부반응 등을 유발해 리튬금속전지의 안전성과 수명을 떨어뜨릴 수 있다. 이러한 현상은, 리튬의 핵 형성(nucleation)이 원활하게 이루어지지 않을 경우에 가속화될 수 있다. The dendritic lithium refers to a twig-shaped crystal that abnormally grows on a part of a metal surface. When lithium metal is used as an anode, electrons and lithium ions escape from the anode to the cathode during discharge, and electrons and lithium ions in the cathode gather again on the anode electrode plate during charging. If the metal continues to grow and touches the anode, it can cause an explosion. In addition, dendrite lithium can cause volume expansion of electrodes and side reactions between electrodes and electrolytes, which can reduce the safety and lifespan of lithium metal batteries. This phenomenon may be accelerated when lithium nucleation is not smoothly performed.

리튬금속전지의 안정성 및 효율을 향상시키기 위해 1) 전해질 디자인, 2) 리튬이온 플러스(flux) 조절, 3) 리튬 핵 생성 조절 등의 방법이 있는데, 이 중에서 리튬 핵 생성 조절은 리튬수지상 성장의 시초가 되는 핵 생성(nucleation)을 조절하여 리튬수지상의 성장을 억제하고 균일한 리튬 증착을 유도하는 기술이다. 구체적으로, 리튬 애노드에서 원자 단위로 분산된 특정 금속은 리튬 전착 시, 리튬과 고용체(solid solution)를 형성하며 계면 에너지(interface energy)를 낮추어 균일한 리튬 분포를 이끄는 시드 역할을 할 수 있는데, 상기 리튬 핵 생성 조절 기술은 이러한 원리를 이용한 것이다.In order to improve the stability and efficiency of lithium metal batteries, there are methods such as 1) electrolyte design, 2) lithium ion flux control, and 3) lithium nucleation control. It is a technology that suppresses the growth of lithium dendrites and induces uniform lithium deposition by controlling nucleation. Specifically, the specific metal dispersed in atomic units in the lithium anode can serve as a seed leading to uniform lithium distribution by forming a solid solution with lithium and lowering the interface energy during lithium electrodeposition. Lithium nucleation control technology uses this principle.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 수지상 리튬의 성장을 억제하기 위한 리튬금속전지용 집전체는 표면에 주름 구조가 형성된 것인 도전성 박막; 상기 도전성 박막 상에 형성된 그래핀 단일층; 및 상기 그래핀 단일층 상에 형성된 복수의 금속 나노 입자들;을 포함하는 리튬금속전지용 집전체를 제공한다.A current collector for a lithium metal battery for suppressing the growth of lithium dendrites according to an embodiment of the present invention includes a conductive thin film having a wrinkled structure formed on the surface; a graphene single layer formed on the conductive thin film; and a plurality of metal nanoparticles formed on the graphene single layer.

집전체는 박막 극판을 제조하는데 중요한 구성요소이며, 전극 활물질에서 전기화학 반응이 일어나도록 전자를 외부에서 전달하거나 또는 전극 활물질에서 전자를 받아 외부로 흘려 보내는 통로 역할을 할 수 있다. 일반적으로 바인더 용액, 전극 활물질 및 도전재를 포함하는 슬러리가 도전성 박막(foil)에 도포되어 극판을 제조하게 된다.The current collector is an important component in manufacturing a thin-film electrode plate, and may serve as a passage through which electrons are transferred from the outside so that an electrochemical reaction occurs in the electrode active material, or electrons are received from the electrode active material and flowed to the outside. In general, a slurry containing a binder solution, an electrode active material, and a conductive material is applied to a conductive foil to manufacture an electrode plate.

상기 도전성 박막은 구리, 니켈, 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 및 이들의 합금체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있고, 바람직하게는 구리일 수 있으나, 리튬금속전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 도전성 박막이 구리로 이루어진 경우, 구리로 이루어진 도전성 박막을 포함하는 집전체는 리튬금속전지에서 우수한 전기화학적 안정성을 가지고 전기전도도가 향상될 수 있으며, 이에 따라 애노드 내 균일한 전류 분포를 가질 수 있으므로, 대면적의 전지를 구현함에 있어서 매우 효과적일 수 있다. 나아가, 구리로 이루어진 도전성 박막을 포함하는 애노드 집전체는 기계적 강도가 우수하여 충방전을 반복해도 크랙(crack) 및 변형이 최소화될 수 있고, 구리는 다른 금속과 대비하여 저렴한 비용으로 이용할 수 있는 장점이 있다.The conductive thin film may include at least one selected from the group consisting of copper, nickel, aluminum, magnesium, titanium, and alloys thereof, preferably copper, but if it does not cause chemical change in the lithium metal battery It is not particularly limited thereto as long as it has high conductivity. When the conductive thin film is made of copper, the current collector including the conductive thin film made of copper can have excellent electrochemical stability and improved electrical conductivity in a lithium metal battery, and thus can have a uniform current distribution in the anode. , can be very effective in realizing a large-area battery. Furthermore, the anode current collector including a conductive thin film made of copper has excellent mechanical strength, so cracks and deformation can be minimized even after repeated charging and discharging, and copper can be used at a low cost compared to other metals. there is

또한, 구리는 탄소에 대해 매우 낮은 친화력을 가지고 있어서 다른 금속에 비해 매우 낮은 그래핀 용해도를 가지고 있다. 따라서 구리는 그래핀의 성장을 촉진할 수 있어, 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD)으로 그래핀을 성장시키는데 있어서 적합한 기판 물질이 될 수 있다.In addition, copper has a very low affinity for carbon, so it has a very low graphene solubility compared to other metals. Therefore, since copper can promote the growth of graphene, it can be a suitable substrate material for growing graphene by chemical vapor deposition (CVD).

상기 도전성 박막 상에 형성된 주름 구조는 일정한 간격으로 형성된 적어도 하나 이상의 요철부를 포함하고, 상기 요철부는 돌출부와 오목부를 포함하는 것일 수 있다. 상기 도전성 박막 상에 형성된 주름 구조는 도전성 박막 상에 그래핀 단일층을 형성한 이후에 형성되는 것일 수 있다. 구체적으로 기판 역할을 하는 도전성 박막 상에 그래핀 단일층을 형성한 후 냉각하는 과정에서, 상기 도전성 박막과 상기 도전성 박막 상에 형성된 그래핀 단일층 사이의 열팽창 에너지 차이로 인해 도전성 박막이 확장과 축소되는 과정을 거치면서 형성되는 것일 수 있다. The wrinkle structure formed on the conductive thin film may include at least one concave-convex portion formed at regular intervals, and the concave-convex portion may include a protruding portion and a concave portion. The wrinkle structure formed on the conductive thin film may be formed after forming a graphene single layer on the conductive thin film. Specifically, in the process of forming a graphene monolayer on a conductive thin film serving as a substrate and then cooling, the conductive thin film expands and contracts due to a difference in thermal expansion energy between the conductive thin film and the graphene monolayer formed on the conductive thin film. It may be formed through the process of becoming.

구체적으로, 상기 주름구조에 있어서 인접한 두 개의 요철부에 포함된 돌출부간의 평균 거리는 270 내지 290㎚일 수 있고, 바람직하게는 275 내지 285㎚일 수 있다. 또한, 상기 요철부의 돌출부와 오목부 간의 평균 높이는 9 내지 13㎚일 수 있고, 바람직하게는 10 내지 12㎚일 수 있다.Specifically, in the wrinkle structure, the average distance between the protrusions included in the two adjacent concave-convex portions may be 270 to 290 nm, preferably 275 to 285 nm. In addition, the average height between the protruding portion and the concave portion of the uneven portion may be 9 to 13 nm, preferably 10 to 12 nm.

상기 도전성 박막 상에 형성된 주름 구조는 도전성 박막과 리튬간의 결합 에너지를 증가시킴으로써 리튬 이온 플럭스(flux)를 비편재화(delocalized)시키는 효과를 가질 수 있고, 이에 따라 리튬의 균일 전착을 가능하게 하고 수지상 리튬의 형성을 방지할 수 있다.The wrinkled structure formed on the conductive thin film may have an effect of delocalizing lithium ion flux by increasing the binding energy between the conductive thin film and lithium, thereby enabling uniform electrodeposition of lithium and dendrite lithium. formation can be prevented.

상기 도전성 박막은 인접하는 결정립이 동일한 배향 방향을 갖는 결정성 조직을 포함하는 것일 수 있고, 바람직하게는 [100]-배향의 결정립으로 이루어진 결정성 조직을 포함하는 것일 수 있다. 상기 [100]-배향의 결정립으로 이루어진 결정성 조직은 상기 도전성 박막 상에 금속 나노 입자를 포함하는 희생층을 형성하는 과정에서 형성되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 도전성 박막 상에 금속 나노 입자를 포함한 희생층 박막을 형성하고 온도를 약 1000℃ 정도의 고온으로 상승시킨 후, 상기 희생층 박막 상에 그래핀 단일층을 형성하고 온도를 다시 상온으로 낮추는데, 상기 과정에서 금속 나노 입자를 포함한 희생층이 제거될 수 있다. 상기 희생층이 제거되면서 약한 탄소-금속 결합으로 인해 탄소 이합체의 결정핵 생성 에너지의 변화가 유도될 수 있고, 이로 인해 상기 희생층에 포함된 금속 나노 입자가 [100]-배향의 결정립으로 이루어진 결정성 조직을 포함하는 도전성 박막이 형성을 유도할 수 있다.The conductive thin film may include a crystalline structure in which adjacent crystal grains have the same orientation direction, and preferably may include a crystalline structure composed of [100]-oriented crystal grains. The crystalline structure composed of the [100]-oriented crystal grains may be formed during a process of forming a sacrificial layer including metal nanoparticles on the conductive thin film. Specifically, after forming a sacrificial layer thin film including metal nanoparticles on the conductive thin film and raising the temperature to a high temperature of about 1000° C., forming a graphene monolayer on the sacrificial thin film and raising the temperature back to room temperature. In this process, the sacrificial layer including the metal nanoparticles may be removed. While the sacrificial layer is removed, a change in the nucleation energy of the carbon dimer may be induced due to a weak carbon-metal bond, and as a result, the metal nanoparticles included in the sacrificial layer are crystals composed of [100]-oriented crystal grains. A conductive thin film comprising a sexual texture may be induced to form.

상기 희생층에 포함된 금속 나노 입자의 금속은 금(Au), 은(Ag), 주석(Sn), 아연(Zn)으로부터 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것일 수 있고, 바람직하게는 은(Ag)인 것일 수 있다. 특히, 상기 희생층에 은 나노 입자가 포함되는 경우, 상기 도전성 박막에 균일하고 고른 결정립 배향을 포함하는 결정성 조직을 형성하는데 효과적일 수 있다.The metal of the metal nanoparticles included in the sacrificial layer may be at least one selected from the group consisting of gold (Au), silver (Ag), tin (Sn), and zinc (Zn), preferably silver (Ag ) may be. In particular, when silver nanoparticles are included in the sacrificial layer, it may be effective to form a crystalline structure including a uniform and even orientation of crystal grains in the conductive thin film.

상기 형성된 [100]-배향의 결정립으로 이루어진 결정성 도전성 박막은 표면에 균일한 리튬 흡착 에너지를 형성할 수 있고, 이에 따라 표면의 성질을 리튬친화적인 상태로 바꿀 수 있는 바, 도전성 박막 상에서의 리튬 결정핵 생성 에너지 장벽을 낮출 수 있다.The formed [100]-oriented crystalline grains can form uniform lithium adsorption energy on the surface, thereby changing the surface properties to a lithophilic state. The energy barrier for crystal nucleation can be lowered.

상기 그래핀 단일층은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD), 급속 열처리(rapid thermal annealing, RTA), 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD) 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 방법에 의해 상기 도전성 박막 상에 형성되는 것일 수 있고, 바람직하게는 화학기상증착법에 의해 형성되는 것일 수 있다.The graphene single layer is a group consisting of chemical vapor deposition (CVD), rapid thermal annealing (RTA), atomic layer deposition (ALD), and physical vapor deposition (PVD) It may be formed on the conductive thin film by at least one method selected from, and preferably may be formed by chemical vapor deposition.

상기 화학기상증착법은 고온 화학기상증착(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition; RTCVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착(Inductively Coupled Plasma-Chemical Vapor Deposition; ICP-CVD), 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD), 상압 화학기상증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD), 금속 유기화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD) 및 플라즈마 화학기상증착(Plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD) 로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있고, 바람직하게는 고온 화학기상증착일 수 있으나, 당해 기술분야에서 그래핀 성장을 위하여 통상적으로 사용되는 방법이면 이에 제한되지 않는다.The chemical vapor deposition methods include rapid thermal chemical vapor deposition (RTCVD), inductively coupled plasma-chemical vapor deposition (ICP-CVD), low pressure chemical vapor deposition (Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD), atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) from the group consisting of It may be at least one selected, preferably high-temperature chemical vapor deposition, but is not limited thereto as long as it is a method commonly used for graphene growth in the art.

상기 그래핀 단일층 상에 형성된 복수의 금속 나노 입자들의 금속은 금, 은, 주석, 아연으로부터 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것일 수 있다. 상기 금속은 리튬 이온 대비 표준환원전위가 높은 것을 특징으로 하며, 순수 리튬 상(Li0)이 형성되기 이전에 리튬과 합금상(alloy phase)을 형성함으로써 heterogenous nucleation site 역할을 하여 선택적으로 리튬 증착을 분산시킬 수 있다.The metal of the plurality of metal nanoparticles formed on the graphene single layer may be at least one selected from the group consisting of gold, silver, tin, and zinc. The metal is characterized by a high standard reduction potential compared to lithium ion, and acts as a heterogenous nucleation site by forming an alloy phase with lithium before forming a pure lithium phase (Li0) to selectively disperse lithium deposition can make it

상기 복수의 금속 나노 입자들은 상기 그래핀 단일층 상에 균일하게 분포되어 있는 것일 수 있다. 상기 복수의 금속 나노 입자들은 리튬과 친화력이 강한 것으로, 그래핀 단일층 상에 균일하게 분포함으로써 집전체 표면에서 리튬의 균일 전착을 유도할 수 있고, 이에 따라 수지상 리튬의 형성을 방지할 수 있다.The plurality of metal nanoparticles may be uniformly distributed on the graphene single layer. The plurality of metal nanoparticles have a strong affinity for lithium, and are uniformly distributed on the graphene single layer to induce uniform electrodeposition of lithium on the surface of the current collector, thereby preventing the formation of dendritic lithium.

상기 그래핀 단일층 상에서 상기 복수의 금속 나노 입자들의 증착량이 적을 경우 다양한 크기의 금속 나노 입자가 분포하게 되어 표면이 불균일해지는 결과 리튬 수지상이 성장할 수 있고, 상기 복수의 금속 나노 입자들의 증착량이 많을 경우 입자간 응집이 발생하게 되어 표면이 불균일해지는 결과 역시 리튬 수지상이 성장하는 문제가 발생할 수 있다.When the amount of deposition of the plurality of metal nanoparticles is small on the graphene single layer, metal nanoparticles of various sizes are distributed, resulting in uneven surface, so that lithium dendrites can grow, and when the amount of deposition of the plurality of metal nanoparticles is high Aggregation between particles occurs, resulting in non-uniformity of the surface, which may also cause a problem of growth of lithium dendrites.

상기 그래핀 단일층 상에 분포된 금속 나노 입자의 직경은 20 내지 50㎚인 것일 수 있고, 바람직하게는 30 내지 40㎚인 것일 수 있다. 상기 금속 나노 입자의 직경은 전자 빔 증착에 의해 증착되는 금속 박막층의 두께에 의해 결정되는 것일 수 있다.The metal nanoparticles distributed on the graphene single layer may have a diameter of 20 to 50 nm, preferably 30 to 40 nm. The diameter of the metal nanoparticle may be determined by the thickness of a metal thin film layer deposited by electron beam deposition.

본 발명의 다른 일 실시 형태에 따른 수지상 리튬의 성장을 억제하기 위한 리튬금속전지용 집전체의 제조 방법은 도전성 박막 상에 제1 금속 함유 박막을 형성하는 단계; 상기 제1 금속 함유 박막이 형성된 도전성 박막을 가열하는 단계; 상기 도전성 박막 상의 제1 금속 함유 박막 측에 그래핀 전구체 기체 및 환원성 기체를 접촉시켜서 상기 도전성 박막 상에서 상기 제1 금속 함유 박막을 제거하면서 그래핀 단일층을 형성하는 단계; 상기 도전성 박막 상의 그래핀 단일층 상에 복수의 제2 금속 나노 입자를 형성하는 단계;를 포함하는 리튬금속전지용 집전체의 제조방법을 제공한다.A method for manufacturing a current collector for a lithium metal battery for inhibiting growth of lithium dendrites according to another embodiment of the present invention includes forming a first metal-containing thin film on a conductive thin film; heating the conductive thin film on which the first metal-containing thin film is formed; forming a graphene monolayer while removing the first metal-containing thin film from the conductive thin film by bringing a graphene precursor gas and a reducing gas into contact with the first metal-containing thin film on the conductive thin film; Forming a plurality of second metal nanoparticles on the graphene single layer on the conductive thin film; provides a method for manufacturing a current collector for a lithium metal battery including.

상기 도전성 박막은 구리, 니켈, 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 및 이들의 합금체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있고, 바람직하게는 구리일 수 있으나, 리튬금속전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 이에 제한되는 것은 아니다.상기 제1 금속 함유 박막의 형성 단계는 전자 빔을 조사하여 수행되는 것일 수 있다. 구체적으로, 도전성 박막을 전자 빔 증착기에 주입하고 전자 빔을 조사하여 상기 도전성 박막 상에 제1 금속 함유 박막을 증착하는 것일 수 있다. The conductive thin film may include at least one selected from the group consisting of copper, nickel, aluminum, magnesium, titanium, and alloys thereof, preferably copper, but if it does not cause chemical change in the lithium metal battery The forming of the first metal-containing thin film may be performed by irradiating an electron beam. Specifically, the first metal-containing thin film may be deposited on the conductive thin film by injecting the conductive thin film into an electron beam evaporator and irradiating an electron beam.

상기 제1 금속 함유 박막의 형성 단계는 150 내지 250㎚의 두께로 제1 금속 함유 박막이 형성되는 것일 수 있고, 바람직하게는 180 내지 220㎚, 더 바람직하게는 190 내지 210㎚의 두께로 제1 금속 함유 박막이 형성되는 것일 수 있다. 상기 제1 금속 함유 박막의 두께가 상기 수치범위 내의 값을 가지는 경우, 인접하는 결정립이 동일한 배향 방향을 갖는 결정성 조직결정면을 형성할 수 있어, 표면 제어가 가능한 효과가 있다. 한편, 상기 제1 금속 함유 박막의 두께가 상기 상한치를 초과하는 경우, 추후 가열 단계 이후에도 도전성 박막에 금속 입자가 잔류할 수 있으며, 상기 하한치에 미달되는 경우 균일한 표면 제어가 불가능한 문제가 있다.The step of forming the first metal-containing thin film may be to form the first metal-containing thin film to a thickness of 150 to 250 nm, preferably to a thickness of 180 to 220 nm, more preferably to a thickness of 190 to 210 nm. A metal-containing thin film may be formed. When the thickness of the first metal-containing thin film has a value within the above numerical range, it is possible to form a crystalline textured crystal plane in which adjacent crystal grains have the same orientation direction, thereby enabling surface control. On the other hand, when the thickness of the first metal-containing thin film exceeds the upper limit, metal particles may remain in the conductive thin film even after the subsequent heating step, and when the thickness is less than the lower limit, uniform surface control is impossible.

상기 제1 금속 함유 박막의 금속은 금, 은, 주석, 아연으로부터 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것일 수 있고, 바람직하게는 은(Ag)인 것일 수 있다. 특히, 상기 희생층에 은 나노 입자가 포함되는 경우, 상기 도전성 박막에 균일하고 고른 결정립 배향을 포함하는 결정성 조직을 형성하는데 효과적일 수 있다.The metal of the first metal-containing thin film may be at least one selected from the group consisting of gold, silver, tin, and zinc, and preferably may be silver (Ag). In particular, when silver nanoparticles are included in the sacrificial layer, it may be effective to form a crystalline structure including a uniform and even orientation of crystal grains in the conductive thin film.

상기 제1 금속 함유 박막이 형성된 도전성 박막을 가열하는 단계는 850 내지 1100℃의 온도에서 0.5 내지 2.5시간 동안 수행되는 것일 수 있고, 바람직하게는 900 내지 1050℃의 온도에서 0.8 내지 2.2시간 동안 수행되는 것일 수 있다. 상기 도전성 박막에 대한 가열 온도가 상기 수치범위의 상한치를 초과하는 경우 불필요하게 과도한 에너지를 소모하게 되는 문제가 있고, 상기 수치범위의 하한치에 미달되는 경우, 상기 도전성 박막 상에 그래핀 단일층이 형성되지 않을 수 있다.The step of heating the conductive thin film on which the first metal-containing thin film is formed may be performed at a temperature of 850 to 1100 ° C for 0.5 to 2.5 hours, preferably at a temperature of 900 to 1050 ° C for 0.8 to 2.2 hours it could be When the heating temperature for the conductive thin film exceeds the upper limit of the numerical range, excessive energy is unnecessarily consumed, and when the heating temperature does not reach the lower limit of the numerical range, a graphene single layer is formed on the conductive thin film. It may not be.

이후, 상기 도전성 박막 상의 제1 금속 함유 박막 측에 그래핀 전구체 기체 및 환원성 기체를 접촉시켜서 상기 도전성 박막 상에서 상기 제1 금속 함유 박막을 제거하면서 그래핀 단일층을 형성할 수 있다.Thereafter, a graphene single layer may be formed while removing the first metal-containing thin film from the conductive thin film by bringing a graphene precursor gas and a reducing gas into contact with the first metal-containing thin film on the conductive thin film.

상기 그래핀 전구체 기체는 탄화수소가스, 기상 탄화수소화합물, 탄소수 1 내지 6의 기상 알코올 및 일산화탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. 구체적으로, 상기 그래핀 전구체 기체는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 아세틸렌, 부타디엔, 벤젠, 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있고, 바람직하게는 메탄일 수 있다.The graphene precursor gas may be at least one selected from the group consisting of hydrocarbon gas, gaseous hydrocarbon compound, gaseous alcohol having 1 to 6 carbon atoms, and carbon monoxide. Specifically, the graphene precursor gas may include at least one selected from the group consisting of methane, ethane, propane, butane, ethylene, propylene, butylene, acetylene, butadiene, benzene, methanol, ethanol, propanol, and butanol. and preferably methane.

상기 그래핀 단일층의 형성 단계에서 그래핀 전구체 기체는 40 내지 60 sccm, 바람직하게는 45 내지 55 sccm의 유량으로 도입하여 수행되는 것일 수 있다. 상기 그래핀 전구체 기체의 유량이 상기 수치범위의 하한치에 미달되는 경우, 탄소 소스가 부족하여 그래핀 단일층이 균일하게 형성되지 않을 수 있다. In the step of forming the graphene monolayer, the graphene precursor gas may be introduced at a flow rate of 40 to 60 sccm, preferably 45 to 55 sccm. When the flow rate of the graphene precursor gas is less than the lower limit of the numerical range, the graphene monolayer may not be uniformly formed due to insufficient carbon source.

상기 환원성 기체는 수소 기체, 메탄 기체, 아르곤 기체 또는 이들의 혼합 기체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있고, 바람직하게는 수소 기체일 수 있다. The reducing gas may include at least one selected from the group consisting of hydrogen gas, methane gas, argon gas, or a mixed gas thereof, and may preferably be hydrogen gas.

상기 그래핀 단일층의 형성 단계에서 상기 환원성 기체는 6 내지 10 sccm으로 도입하여 수행될 수 있고, 바람직하게는 7 내지 9 sccm으로 주입되는 것일 수 있다. 환원성 기체 분위기 하에서 열처리를 수행함으로써 도전성 박막의 산화를 방지할 수 있으며, 이에 따라 도전성 박막상에 그래핀 단일층의 성장을 촉진할 수 있다.In the step of forming the graphene monolayer, the reducing gas may be introduced at 6 to 10 sccm, preferably at 7 to 9 sccm. Oxidation of the conductive thin film may be prevented by performing heat treatment under a reducing gas atmosphere, and thus growth of a graphene monolayer on the conductive thin film may be promoted.

상기 그래핀 단일층을 형성하는 과정에서 상기 도전성 박막 상에 형성된 제1 금속 함유 박막이 제거되는 것일 수 있다. 약한 탄소-금속 결합으로 인해 탄소 이합체의 결정핵 생성 에너지의 변화가 유도될 수 있고, 이로 인해 상기 제1 금속 함유 박막에 포함된 금속 나노 입자가 [100]-배향의 결정립으로 이루어진 결정성 조직을 포함하는 도전성 박막이 형성될 수 있다.In the process of forming the graphene single layer, the first metal-containing thin film formed on the conductive thin film may be removed. A change in the nucleation energy of the carbon dimer may be induced due to the weak carbon-metal bond, and as a result, the metal nanoparticles included in the first metal-containing thin film have a crystalline structure composed of [100]-oriented crystal grains. A conductive thin film containing may be formed.

상기 도전성 박막 상의 그래핀 단일층 상에 복수의 제2 금속 나노 입자를 형성하는 단계에서 제2 금속 나노 입자의 금속은 금, 은, 주석, 아연으로부터 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것일 수 있다. 상기 금속은 리튬 이온 대비 표준환원전위가 높은 것을 특징으로 하며, 순수 리튬 상(Li0)이 형성되기 이전에 리튬과 합금상(alloy phase)을 형성함으로써 heterogenous nucleation site 역할을 하여 선택적으로 리튬 증착을 분산시킬 수 있고, 이에 따라 수지상 리튬의 형성을 억제할 수 있다.In the step of forming a plurality of second metal nanoparticles on the graphene single layer on the conductive thin film, the metal of the second metal nanoparticles may be at least one selected from the group consisting of gold, silver, tin, and zinc. The metal is characterized by a high standard reduction potential compared to lithium ion, and acts as a heterogenous nucleation site by forming an alloy phase with lithium before forming a pure lithium phase (Li0) to selectively disperse lithium deposition and thereby inhibiting the formation of dendrite lithium.

상기 그래핀 단일층 상에 제2 금속 나노 입자을 형성하는 단계는 전자 빔을 조사하여 수행되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 그래핀 단일층이 형성된 도전성 박막을 전자 빔 증착기에 주입하고 전자 빔을 조사하여 상기 그래핀 단일층 상에 제2 금속 나노 입자를 증착하는 것일 수 있다. 상기 제 2 금속 나노 입자의 직경은 전자 빔 증착에 의해 증착되는 제2 금속 박막층의 두께에 의해 결정되는 것일 수 있다.Forming the second metal nanoparticles on the graphene single layer may be performed by irradiating an electron beam. Specifically, the second metal nanoparticle may be deposited on the graphene single layer by injecting the conductive thin film on which the graphene single layer is formed into an electron beam evaporator and irradiating an electron beam. The diameter of the second metal nanoparticle may be determined by the thickness of the second metal thin film layer deposited by electron beam deposition.

상기 제2 금속 나노 입자의 형성 단계는 1.5 내지 3㎚ 두께로 제2 금속 함유 박막이 형성되는 것일 수 있다. 제2 금속 함유 박막층의 두께가 상기 수치범위 내의 값을 만족하는 경우, 균일한 제2 금속 나노 입자의 형성이 가능한 바, 수지상 리튬의 생성을 억제할 수 있고 전지 성능을 향상 시키는 효과를 가진다.The forming of the second metal nanoparticles may include forming a second metal-containing thin film to a thickness of 1.5 to 3 nm. When the thickness of the second metal-containing thin film layer satisfies a value within the above numerical range, it is possible to form uniform second metal nanoparticles, thereby suppressing the generation of dendrite lithium and improving battery performance.

본 발명의 다른 일 실시 형태에 따른 리튬금속전지는 상기 리튬금속전지용 집전체; 및 리튬금속 함유 전극;을 포함하는 리튬금속전지를 제공한다. 구체적으로, 상기 리튬금속전지는 상기 집전체를 포함하는 리튬금속 함유 애노드, 캐소드, 전해질 및 분리막을 포함할 수 있다. A lithium metal battery according to another embodiment of the present invention includes a current collector for a lithium metal battery; and a lithium metal-containing electrode. Specifically, the lithium metal battery may include a lithium metal-containing anode, a cathode, an electrolyte and a separator including the current collector.

상기 전해질은 LiTFSI, DOL, DME 및 LiNO3로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. The electrolyte may include at least one selected from the group consisting of LiTFSI, DOL, DME, and LiNO 3 .

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, these examples are only for helping the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples in any sense.

<제조예 1> 표면 주름 구조, [100]-결정면, 그래핀 단일층을 가지고, 은 나노 입자(직경 30 내지 40㎚)가 균일 분산된 리튬금속전지용 집전체의 제조<Preparation Example 1> Preparation of a current collector for a lithium metal battery having a surface wrinkle structure, a [100]-crystal plane, and a single layer of graphene, in which silver nanoparticles (30 to 40 nm in diameter) are uniformly dispersed

수지상 리튬의 성장을 억제하는 애노드 집전체 제작을 위해 준비된 20㎛ 두께의 구리 호일 위에 전자 빔 증착으로 은 200 ㎚를 증착하고, 4in CVD 투명 석영관(100 mm X 1100 mm)에 은이 윗면을 향하게 넣은 뒤 수소 8 sccm을 흘려주며 진공 상태에서 1000 ℃까지 1시간 동안 가열한다. 그 다음 메탄 50 sccm만 흘려주면서 2시간 동안 전처리 과정을 거친 뒤, 10분간 수소 8 sccm 및 메탄 50 sccm을 동시에 흘려주면서 구리 호일 상에 그래핀 단일층을 성장시킨다. 이후 수소 8 sccm만을 흘려주면서 상온까지 온도를 낮춰서 냉각시킨 후, 샘플을 CVD 투명 석영관에서 빼낸다. 이후 그래핀 단일층 상에 전자 빔 증착에 의해 은 2㎚를 증착시켜 30 내지 40㎚의 은 나노 입자를 형성하였다.200 nm of silver was deposited by electron beam evaporation on a 20 μm-thick copper foil prepared for the fabrication of an anode current collector that inhibits the growth of dendrite lithium, and the silver was placed facing up in a 4-inch CVD transparent quartz tube (100 mm X 1100 mm). Then, while flowing 8 sccm of hydrogen, the mixture was heated to 1000 ℃ for 1 hour in a vacuum state. Then, after a pretreatment process for 2 hours while flowing only 50 sccm of methane, a graphene monolayer was grown on the copper foil while simultaneously flowing 8 sccm of hydrogen and 50 sccm of methane for 10 minutes. Thereafter, after cooling by lowering the temperature to room temperature while flowing only 8 sccm of hydrogen, the sample is taken out of the CVD transparent quartz tube. Thereafter, 2 nm of silver was deposited on the graphene monolayer by electron beam evaporation to form silver nanoparticles of 30 to 40 nm.

<비교 제조예 1> 표면 주름 구조, [100]-결정면, 그래핀 단일층 및 은 나노 입자가 도입되지 않은 리튬금속전지용 집전체의 제조<Comparative Preparation Example 1> Preparation of current collector for lithium metal battery without introduction of surface wrinkle structure, [100]-crystal plane, graphene single layer and silver nanoparticles

표면 주름 구조 등이 도입되지 않은 리튬금속전지용 집전체로서 구리 호일(제조사: UACJ, 품번: C1100, 성분: Cu 99.9이상)만을 사용하였다.Only copper foil (manufacturer: UACJ, product number: C1100, component: Cu 99.9 or more) was used as a current collector for a lithium metal battery without introducing a surface wrinkle structure.

<비교 제조예 2> 표면 주름 구조, [100]-결정면, 그래핀 단일층을 가지고, 은 나노 입자(직경 10㎚ 내지 50㎚)가 불균일하게 도입된 리튬금속전지용 집전체의 제조<Comparative Preparation Example 2> Preparation of a current collector for a lithium metal battery having a surface wrinkle structure, a [100]-crystal plane, and a single layer of graphene, in which silver nanoparticles (diameter of 10 nm to 50 nm) are non-uniformly introduced

그래핀 단일층 상에 전자 빔 증착에 의해 은 1nm를 증착하는 것을 제외하고, 제조예 1과 동일한 조건으로 제조하였다.It was prepared under the same conditions as in Preparation Example 1, except that 1 nm of silver was deposited on the graphene monolayer by electron beam evaporation.

<비교 제조예 3> 표면 주름 구조, [100]-결정면, 그래핀 단일층을 가지고, 은 나노 입자가 표면을 덮고 있는 리튬금속전지용 집전체의 제조<Comparative Preparation Example 3> Preparation of a current collector for a lithium metal battery having a surface wrinkle structure, a [100]-crystal plane, and a single layer of graphene and silver nanoparticles covering the surface thereof

그래핀 단일층 상에 전자 빔 증착에 의해 은 5nm를 증착하는 것을 제외하고, 제조예 1과 동일한 조건으로 제조하였다. 그 결과, 은 나노 입자들이 뭉친 형태로 필름을 형성하였다.It was prepared under the same conditions as in Preparation Example 1, except that 5 nm of silver was deposited on the graphene monolayer by electron beam evaporation. As a result, a film was formed in the form of aggregation of silver nanoparticles.

<비교 제조예 4> 표면 주름 구조 및 [100]-결정면을 가지고, 은 나노 입자(직경 10 내지 20㎚)가 균일 분산된 리튬금속전지용 집전체의 제조<Comparative Preparation Example 4> Preparation of a current collector for a lithium metal battery having a surface wrinkle structure and a [100]-crystal plane and uniformly dispersed silver nanoparticles (diameter 10 to 20 nm)

제조예 1과 동일한 조건으로 집전체를 제조한 후, 반응성 이온 식각기(RIE)를 이용하여 100 sccm의 산소 플라즈마로 생성된 그래핀을 제거해내고 표면 주름 구조와 [100]-결정면을 가진 구리 집전체 위에 은 2nm를 전자 빔 증착 하였다.After manufacturing a current collector under the same conditions as in Preparation Example 1, a reactive ion etcher (RIE) was used to remove graphene generated with 100 sccm oxygen plasma, and a copper collector having a surface wrinkle structure and a [100]-crystal plane. 2 nm of silver was electron beam deposited over the entire surface.

<비교 제조예 5> 표면 주름 구조 및 그래핀 단일층을 가지고, 은 나노 입자(직경 10 내지 50㎚)가 불균일 분산된 리튬금속전지용 집전체의 제조<Comparative Preparation Example 5> Preparation of a current collector for a lithium metal battery having a surface wrinkle structure and a graphene single layer, in which silver nanoparticles (diameter of 10 to 50 nm) are non-uniformly dispersed

구리 호일 위에 은 200 ㎚를 전자 빔 증착하는 과정을 생략한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일한 조건으로 제조하였다.It was prepared under the same conditions as in Preparation Example 1, except that the process of electron beam deposition of 200 nm of silver on the copper foil was omitted.

<비교 제조예 6> 표면 주름 구조, 100 결정면 및 그래핀 단일층이 없고, 은 나노 입자(직경 10 내지 50㎚)가 불균일 분산된 리튬금속전지용 집전체의 제조<Comparative Preparation Example 6> Preparation of a current collector for a lithium metal battery in which there is no surface wrinkle structure, 100 crystal planes and graphene monolayer, and silver nanoparticles (diameter 10 to 50 nm) are non-uniformly dispersed

구리 호일 위에 은 200 ㎚를 전자 빔 증착하는 과정을 생략한 것을 제외하고 제조예 1과 동일한 조건으로 집전체를 제조한 후, 반응성 이온 식각기(RIE)를 이용하여 100 sccm의 산소 플라즈마로 생성된 그래핀을 제거해내고 표면 주름 구조를 가진 구리 집전체 위에(은을 미리 증착하는 단계가 없으므로 [100]-결정면이 형성되지 않았고, 그래핀이 없는 상태) 전자 빔 증착에 의해 2nm의 은을 증착시킨다.After manufacturing the current collector under the same conditions as in Preparation Example 1 except for omitting the process of electron beam deposition of 200 nm of silver on the copper foil, a reactive ion etcher (RIE) was used to generate oxygen plasma of 100 sccm After removing the graphene, 2 nm of silver is deposited by electron beam evaporation on the copper current collector having a surface wrinkle structure (since there is no step of pre-depositing silver, the [100]-crystal plane is not formed and there is no graphene) .

<비교 제조예 7> 표면 주름 구조, 100 결정면 및 그래핀 단일층을 가지고, 은 나노 입자가 도입되지 않은 리튬금속전지용 집전체의 제조<Comparative Preparation Example 7> Preparation of a current collector for a lithium metal battery having a surface wrinkle structure, 100 crystal planes, and a single layer of graphene and not introducing silver nanoparticles

그래핀 단일층 상에 전자 빔 증착에 의해 은 2㎚를 증착시키는 과정을 제외하고, 제조예 1과 동일한 조건으로 집전체를 제조하였다.A current collector was manufactured under the same conditions as in Preparation Example 1, except for the process of depositing 2 nm of silver on the graphene single layer by electron beam evaporation.

<실시예 1> 리튬금속전지용 집전체에 대한 SEM 이미지 분석<Example 1> SEM image analysis of a current collector for a lithium metal battery

도 2a 내지 도 2g에 제조예 1, 비교 제조예 1 내지 7에 따른 집전체의 SEM 이미지를 관찰한 결과를 나타내었다.2a to 2g show the results of observing SEM images of current collectors according to Preparation Example 1 and Comparative Preparation Examples 1 to 7.

제조예 1의 경우 은 나노 입자들이 일정한 간격 및 모양을 가지면서 배열되는 것을 확인할 수 있다(도 2a). 반면 비교 제조예 4의 경우에서 볼 수 있듯이, 그래핀의 존재가 없다면 증착된 은 나노 입자들이 간격 없이 촘촘하게 증착되는 것을 확인할 수 있으며(도 2e), 이를 통해 그래핀이 은 나노 입자의 배열 간격을 조절하는 데에 영향을 주는 것을 확인할 수 있다. 또한, 비교 제조예 5를 보면, [100]-결정면의 유무는 은 나노 입자들의 모양에 영향을 주는 것을 알 수 있으며 그래핀의 존재로 인해 은 나노 입자의 간격이 조절됨을 확인할 수 있었다(도 2f).In the case of Preparation Example 1, it can be seen that the silver nanoparticles are arranged with regular intervals and shapes (FIG. 2a). On the other hand, as can be seen in the case of Comparative Preparation Example 4, in the absence of graphene, it can be confirmed that the deposited silver nanoparticles are densely deposited without gaps (FIG. 2e), and through this, graphene reduces the arrangement spacing of silver nanoparticles. It can be seen that it influences control. In addition, in Comparative Preparation Example 5, it can be seen that the presence or absence of the [100]-crystal plane affects the shape of the silver nanoparticles, and the presence of graphene controls the spacing of the silver nanoparticles (FIG. 2f ).

<실시예 2> 수지상 리튬 형성에 영향을 미치는 요소 분석<Example 2> Analysis of factors affecting the formation of dendritic lithium

도 3a 내지 도 3d에 충전 용량이 0.5 mAh/cm2 인 경우의 제조예 1, 비교 제조예 1 내지 3에 대한 SEM 이미지를 나타내었다.3a to 3d show SEM images of Preparation Example 1 and Comparative Preparation Examples 1 to 3 when the charging capacity is 0.5 mAh/cm 2 .

제조예 1의 경우 충전(리튬을 전착)시켰을 때, 수평방향의 리튬 전착이 일어나 수지상 리튬이 성장하지 않는 비교적 균일한 표면을 나타내었다(도 3a). 비교 제조예 1의 경우 구리의 불균일한 표면으로 인해 수지상 리튬이 성장함을 확인하였다(도 3b). In the case of Preparation Example 1, when charging (lithium electrodeposition) occurred, lithium electrodeposition occurred in a horizontal direction, resulting in a relatively uniform surface on which dendrite lithium did not grow (FIG. 3a). In the case of Comparative Preparation Example 1, it was confirmed that dendrite lithium grew due to the non-uniform surface of copper (FIG. 3b).

비교 제조예 2와 3의 경우 은 나노 입자의 불균일한 분포로 인한 불균일한 리튬 전착으로 수지상 리튬이 성장함을 확인할 수 있었다(도 3c 및 도 3d).In the case of Comparative Preparation Examples 2 and 3, it was confirmed that dendritic lithium grew due to non-uniform lithium electrodeposition due to non-uniform distribution of silver nanoparticles (FIG. 3c and 3d).

<실시예 3> 은 전착 두께가 전지 수명에 미치는 영향 분석 <Example 3> Analysis of the effect of silver electrodeposition thickness on battery life

도 4a 내지 도 4d는 표면 주름 구조, [100]-결정면 및 그래핀 단일층이 형성된 구리 집전체에 은 전착 두께를 1㎚(비교 제조예 2), 2㎚(제조예 1), 5㎚(비교 제조예 3)로 달리한 경우의 2 nm로 리튬이 전착될 때까지의 사이클에 따른 쿨롱 효율을 나타낸 도시이다.4A to 4D show the thickness of silver electrodeposition on a copper current collector having a surface wrinkle structure, a [100]-crystal plane, and a single layer of graphene, 1 nm (Comparative Preparation Example 2), 2 nm (Production Example 1), and 5 nm ( It is a graph showing the coulombic efficiency according to the cycle until lithium is electrodeposited at 2 nm in the case of Comparative Preparation Example 3).

도 4a는 Li/Cu 반쪽 전지를 구성하였을 때 0.5 mA/㎠의 전류 밀도 및 1.0 mAh/㎠의 용량으로 수명특성을 측정한 것으로, 1nm 및 5 nm 두께의 은 전착으로 불균일한 리튬전착을 나타낸 비교 제조예 2 및 비교 제조예 3보다, 2nm 두께의 은 전착으로 균일한 리튬 전착을 나타낸 제조예 1의 수명 특성이 항샹된 것을 확인할 수 있다.Figure 4a is a comparison of non-uniform lithium electrodeposition with silver electrodeposition of 1 nm and 5 nm thickness, with life characteristics measured at a current density of 0.5 mA/cm2 and a capacity of 1.0 mAh/cm2 when a Li/Cu half-cell was constructed. Compared to Preparation Example 2 and Comparative Preparation Example 3, it can be seen that the lifespan characteristics of Preparation Example 1 exhibiting uniform lithium electrodeposition with 2 nm-thick silver electrodeposition are improved.

도 4b 내지 도 4d는 제조예 1, 비교 제조예 2 및 비교 제조예 3의 사이클에 따른 충방전 곡선을 나타낸 것으로, 비교 제조예 2 및 비교 제조예 3의 경우는 사이클의 진행에 따라 쿨롱효율의 감소, 즉 용량이 감소하지만(도 4b와 도 4d), 제조예 1의 경우 사이클의 진행에 따라 쿨롱효율이 감소하지 않아 전지 수명이 향상되어 성능이 개선된 것을 확인할 수 있다(도 4c).4b to 4d show charge and discharge curves according to cycles of Preparation Example 1, Comparative Preparation Example 2 and Comparative Preparation Example 3, and in the case of Comparative Preparation Example 2 and Comparative Preparation Example 3, the coulombic efficiency of Although the capacity decreases (FIGS. 4b and 4d), in the case of Preparation Example 1, the coulombic efficiency does not decrease with the progress of the cycle, so it can be seen that the battery life is improved and the performance is improved (FIG. 4c).

<실시예 4> 전류 밀도에 따른 전지의 수명 특성 분석 <Example 4> Analysis of battery life characteristics according to current density

도 5a 내지 도 5c는 제조예 1, 비교 제조예 1 및 비교 제조예 7에 따른 집전체를 적용한 리튬금속전지에서 충전 용량이 1.0 mAh/㎠으로 동일한 조건 하에, 전류 밀도를 0.5 mAh/㎠, 1 mAh/㎠, 5 mAh/㎠로 달리한 경우의 사이클에 따른 쿨롱 효율을 나타낸 도시이다.5a to 5c show a current density of 0.5 mAh/cm 2 , 1 under the same conditions as a charging capacity of 1.0 mAh/cm 2 in a lithium metal battery to which current collectors according to Preparation Example 1, Comparative Preparation Example 1, and Comparative Preparation Example 7 were applied. It is a graph showing the coulombic efficiency according to the cycle in the case of different mAh/cm 2 and 5 mAh/cm 2 .

구체적으로, 도 5a는 0.5 mA/cm2 전류 밀도로 2시간 동안 충전 후 방전은 0.5 mA/cm2의 전류 밀도로 0.5 V cuf-off로 실험을 진행한 결과이고, 도 5b는 1.0 mA/cm2 전류 밀도로 1시간 동안 충전 후 방전은 1.0 mA/cm2의 전류 밀도로 0.5 V cuf-off로 실험을 진행한 결과이며, 도 5c는 5.0 mA/cm2 전류 밀도로 12분 동안 충전 후 5.0 mA/cm2 전류 밀도로 0.5 V cuf-off로 실험을 진행한 결과를 나타낸 도시이다.Specifically, FIG. 5a shows the results of an experiment conducted with 0.5 V cuf-off at a current density of 0.5 mA/cm 2 and discharging after charging for 2 hours at a current density of 0.5 mA/cm 2 , and FIG. 2 Discharge after charging for 1 hour at a current density is the result of the experiment with 0.5 V cuf-off at a current density of 1.0 mA/cm 2 , and FIG. 5c shows a 5.0 It is a figure showing the result of the experiment with 0.5 V cuf-off at mA/cm 2 current density.

도 5a에서 나타낸 바와 같이, 0.5 mA/cm2의 낮은 전류 밀도에서는 은 나노입자를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우의 사이클 수명 및 쿨롱효율에서 큰 차이가 없었지만, 도 5b 및 5c에서와 같이 1.0 mA/cm2 이상의 높은 전류 밀도에서는, 수명 및 쿨롱효율에서 은 나노입자를 도입함으로써 전지 수명 및 용량의 개선으로 더 우수한 전지 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 5a, at a low current density of 0.5 mA/cm 2 , there was no significant difference in cycle life and coulombic efficiency between the case where silver nanoparticles were used and not used, but as shown in FIGS. 5b and 5c, 1.0 mA/cm 2 At a high current density of cm 2 or more, it was confirmed that the battery life and capacity were improved by introducing the silver nanoparticles, resulting in better battery performance.

Claims (19)

표면에 주름 구조가 형성된 것인 도전성 박막;
상기 도전성 박막 상에 형성된 그래핀 단일층; 및
상기 그래핀 단일층 상에 형성된 복수의 금속 나노 입자들;
을 포함하는 리튬금속전지용 집전체.
A conductive thin film having a wrinkle structure formed on its surface;
a graphene single layer formed on the conductive thin film; and
a plurality of metal nanoparticles formed on the graphene single layer;
A current collector for a lithium metal battery comprising a.
청구항 1에 있어서,
상기 주름 구조는 일정한 간격으로 형성된 적어도 하나 이상의 요철부를 포함하고, 상기 요철부는 돌출부와 오목부를 포함하는 것인 리튬금속전지용 집전체.
The method of claim 1,
The corrugated structure includes at least one concave-convex portion formed at regular intervals, and the concave-convex portion includes a protruding portion and a concave portion.
청구항 2에 있어서,
상기 인접한 두 개의 요철부에 포함된 돌출부간의 평균 거리가 270 내지 290㎚인 리튬금속전지용 집전체.
The method of claim 2,
A current collector for a lithium metal battery in which an average distance between protrusions included in the two adjacent concavo-convex portions is 270 to 290 nm.
청구항 2에 있어서,
상기 요철부의 돌출부와 오목부 간의 평균 높이는 9 내지 13㎚인 리튬금속전지용 집전체.
The method of claim 2,
A current collector for a lithium metal battery having an average height between the protruding portion and the concave portion of the uneven portion of 9 to 13 nm.
청구항 1에 있어서,
상기 도전성 박막은 구리, 니켈, 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 리튬금속전지용 집전체.
The method of claim 1,
The conductive thin film is at least one current collector for a lithium metal battery selected from the group consisting of copper, nickel, aluminum, magnesium, titanium, and alloys thereof.
청구항 1에 있어서,
상기 금속 나노 입자의 금속은 금, 은, 주석, 아연으로부터 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 리튬금속전지용 집전체.
The method of claim 1,
The metal of the metal nanoparticles is at least one selected from the group consisting of gold, silver, tin, and zinc current collector for a lithium metal battery.
청구항 1에 있어서,
상기 도전성 박막은 인접하는 결정립이 동일한 배향 방향을 갖는 다결정의 조직을 포함하는 것인 리튬금속전지용 집전체.
The method of claim 1,
The conductive thin film is a current collector for a lithium metal battery comprising a polycrystalline structure in which adjacent crystal grains have the same orientation direction.
청구항 1에 있어서,
상기 도전성 박막은 [100]-배향의 결정립으로 이루어진 결정성 조직을 포함하는 것인 리튬금속전지용 집전체.
The method of claim 1,
The conductive thin film is a current collector for a lithium metal battery comprising a crystalline structure made of [100]-oriented crystal grains.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 금속 나노 입자들은 상기 그래핀 단일층 상에 균일하게 분포되어 있는 것인 리튬금속전지용 집전체.
The method of claim 1,
The plurality of metal nanoparticles are uniformly distributed on the graphene single layer, the current collector for a lithium metal battery.
청구항 1에 있어서,
상기 금속 나노 입자의 직경은 20 내지 50㎚인 리튬금속전지용 집전체.
The method of claim 1,
The current collector for a lithium metal battery having a diameter of 20 to 50 nm of the metal nanoparticles.
도전성 박막 상에 제1 금속 함유 박막을 형성하는 단계;
상기 제1 금속 함유 박막이 형성된 도전성 박막을 가열하는 단계;
상기 도전성 박막 상의 제1 금속 함유 박막 측에 그래핀 전구체 기체 및 환원성 기체를 접촉시켜서 상기 도전성 박막 상에서 상기 제1 금속 함유 박막을 제거하면서 그래핀 단일층을 형성하는 단계;
상기 도전성 박막 상의 그래핀 단일층 상에 복수의 제2 금속 나노 입자를 형성하는 단계;
를 포함하는 리튬금속전지용 집전체의 제조방법.
Forming a first metal-containing thin film on the conductive thin film;
heating the conductive thin film on which the first metal-containing thin film is formed;
forming a graphene monolayer while removing the first metal-containing thin film from the conductive thin film by bringing a graphene precursor gas and a reducing gas into contact with the first metal-containing thin film on the conductive thin film;
forming a plurality of second metal nanoparticles on a graphene single layer on the conductive thin film;
Method for manufacturing a current collector for a lithium metal battery comprising a.
청구항 11에 있어서,
상기 제1 금속 함유 박막의 형성 단계는 150 내지 250㎚ 두께로 제1 금속 함유 박막이 형성되는 것인 리튬금속전지용 집전체의 제조방법.
The method of claim 11,
The step of forming the first metal-containing thin film is a method of manufacturing a current collector for a lithium metal battery in which the first metal-containing thin film is formed to a thickness of 150 to 250 nm.
청구항 11에 있어서,
상기 가열 단계는 850 내지 1100℃의 온도에서 0.5 내지 2.5시간 동안 수행되는 것인 리튬금속전지용 집전체의 제조방법.
The method of claim 11,
The heating step is a method of manufacturing a current collector for a lithium metal battery that is performed at a temperature of 850 to 1100 ° C. for 0.5 to 2.5 hours.
청구항 11에 있어서,
상기 그래핀 단일층의 형성 단계는 그래핀 전구체 기체를 40 내지 60 sccm, 환원성 기체를 6 내지 10 sccm의 유량으로 도입하여 수행되는 것인 리튬금속전지용 집전체의 제조방법.
The method of claim 11,
The step of forming the graphene single layer is a method of manufacturing a current collector for a lithium metal battery that is performed by introducing a graphene precursor gas at a flow rate of 40 to 60 sccm and a reducing gas at a flow rate of 6 to 10 sccm.
청구항 11에 있어서,
상기 그래핀 전구체 기체는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 아세틸렌, 부타디엔, 벤젠, 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 리튬금속전지용 집전체의 제조방법.
The method of claim 11,
The graphene precursor gas is a current collector for a lithium metal battery including at least one selected from the group consisting of methane, ethane, propane, butane, ethylene, propylene, butylene, acetylene, butadiene, benzene, methanol, ethanol, propanol, and butanol. Manufacturing method of.
청구항 11에 있어서,
상기 환원성 기체는 수소 기체, 메탄 기체, 아르곤 기체 또는 이들의 혼합 기체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 리튬금속전지용 집전체의 제조방법.
The method of claim 11,
The reducing gas is a method of manufacturing a current collector for a lithium metal battery comprising at least one selected from the group consisting of hydrogen gas, methane gas, argon gas, or a mixture thereof.
청구항 11에 있어서,
상기 제1 금속 함유 박막 및 제2 금속 나노 입자들의 형성 단계는 전자 빔을 조사하여 수행되는 것인 리튬금속전지용 집전체의 제조방법.
The method of claim 11,
The method of manufacturing a current collector for a lithium metal battery in which the forming of the first metal-containing thin film and the second metal nanoparticles is performed by irradiating an electron beam.
청구항 11에 있어서,
상기 제2 금속 나노 입자의 형성 단계는 1.5 내지 4㎚ 두께로 제2 금속 함유 박막이 형성되는 것인 리튬금속전지용 집전체의 제조방법.
The method of claim 11,
The step of forming the second metal nanoparticles is a method of manufacturing a current collector for a lithium metal battery in which a second metal-containing thin film is formed to a thickness of 1.5 to 4 nm.
청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항의 리튬금속전지용 집전체; 및
리튬금속 함유 전극;
을 포함하는 리튬금속전지.

A current collector for a lithium metal battery according to any one of claims 1 to 10; and
a lithium metal-containing electrode;
A lithium metal battery comprising a.

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