리튬 금속 배터리(LMB)의 급속 충전은 액체 전해질에서 리튬 금속 음극의 계면 불안정성과 리튬 덴드라이트 성장으로 인해 발화 위험을 초래한다는 점에서 해결이 어려운 과제이다. 이러한 문제들은 액체 전해질 유래 고체 전해질 계면층(SEI) 형성에 기반한 안정화 전략을 선구적으로 도입하여, 고체상 배터리가 불가능한 수준의 극도로 높은 전류 밀도에서도 덴드라이트가 없는 리튬 금속 음극을 가능하게 하는 것을 동기로 삼았다. 여기서는 펜타플루오로프로피온산 무수물(PFPA)을 미량 수준으로 포함하고, 여기에 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC) 첨가제를 결합한 새로운 전해질 조성법을 보고한다. 이 조성으로 Li//Mn-풍부 LMB에서 SEI를 안정화하여, 동시에 매우 극한 조건인 20 C(3분 충전), 4.8 V 및 45 °C에서 전례 없는 초고속 충전을 달성했으며, 118 mAh g −1을 제공하여 400 사이클 동안 장기 가역성을 보였다. 또한 극도로 높은 전류인 10 mA cm −2(리튬 박리/플레이팅 6분) 조건에서 Li//Li 셀의 전례 없는 높은 안정성을 200 h 동안 지속하였다. SEI 분석 결과에 따르면, 대칭적인 10 F를 포함하는 분자 구조를 갖는 PFPA는 리튬 금속 음극과 Mn-풍부 양극 모두에서 얇고 균일하며 견고한 F- 및 유기물-풍부 SEI 층을 신속하게 형성하기 위한 강력한 불소 공급원으로 작용하며, 그 결과 리튬 덴드라이트를 억제한다. 본 연구는 초고속 충전, 장기 사이클, 그리고 더 안전한 고에너지 LMB 및 LIB를 위한 잠재적 개념을 제공한다.

최신 리튬(Li)이온 배터리는 제한된 비율의 실리콘 음극 활성 물질을 사용하면서, 안정적인 사이클링을 가능하게 하기 위해 10 wt.%를 초과하는 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC) 전해질 첨가제에 크게 의존한다. 실리콘의 팽윤 문제는 고체전해질계면(solid electrolyte interphase, SEI) 불안정성과 관련되어 있으며, FEC로 인해 안전 위해 위험 및 높은 제조 비용이 초래될 수 있다는 점에서, 저자들은 충분히 작동하는 불소화 첨가제 대체물을 설계하고자 했다. 니켈이 풍부한 산화물 양극을 사용하는 고용량 셀은 Li/Li+에 대해 > 4.2 V에서 작동함으로써 추구되며, 이를 위해서는 전해질의 양극 안정성이 요구된다. 본 연구에서는 icosafluoro-15-crown 5-ether를 양기능성(ambifunctional) 신형 첨가제로 제안하며, 안정화된 계면과 고용량(3.5 mAh cm −2) 5 wt.% SiO-흑연 음극 및 LiNi 0.88 Co 0.08 Mn 0.04 O 2 양극의 팽윤 감소를 위해 0.4 wt.%의 소량만을 사용한다. FEC의 낮은 비율과 함께 활용함으로써 4.35 V 및 1 C(225 mA g −1) 조건에서 가역적 장기 300 사이클이 달성된다. 재료 특성화 결과는 이러한 안정화가 과불소 에터, LiF 및 Li x PF y 종으로 이루어진, 음극과 양극 모두의 표면 패시베이션에서 비롯됨을 보여준다. 본 연구는 저비용 전해질 조성 설계와, 실리콘 및 니켈이 풍부한 활성 물질 및 그 계면에 대한 양측 안정화 전략에 대한 통찰을 제공한다.

표준 0.3 C(3.3 h에 충전) 를 초과하는 리튬이온배터리(LIBs)의 급속 충전은 절박하게 추구되고 있으나, 에틸렌 카보네이트 기반 기존 전해액의 느린 탈솔베이션(desolvation) 동역학과, 흑연 음극에서의 리튬 도금 및 수지상(dendrites) 성장, 그리고 화재 위험성으로 인해 저해된다. 여기에서는, 약하게 결합하는 모든 선형 분자 기반 비인화성 전해액(WNLE)의 새로운 계열을 보고한다. 이는 1 m LiPF6를 에틸 메틸 카보네이트 및 2,2,2-트리플루오로에틸 아세테이트에 포함하고, 첨가제를 더하여 전통적인 전해액 대비 10–20배 더 빠른 충전 LIBs를 가능하게 한다. WNLE의 핵심 이점은 44% 낮은 점도, 62% 높은 Li+ 확산계수, 20% 높은 Li+ 전달수(transference number), 그리고 17% 낮은 탈솔베이션 에너지로, 이는 흑연 음극 인근에서 Li+의 확산 동역학과 탈솔베이션 동역학을 촉진하여 수지상 없는 LIB를 가능하게 하면서도 비인화성을 함께 제공한다. 3 C(20 min에 충전) 조건에서, WNLE 기반 산업용 800 mAh 흑연//LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(고 활성 질량 13 mg cm−2) 리튬이온 파우치 배터리는 뛰어난 700 사이클을 달성하며, 82%의 용량 유지율과 약 ≈100%에 이르는 높은 쿨롬 효율을 제공한다. 음극과 양극에서 형성된 견고한 고체전해질계면층(Solid electrolyte interphase, SEI) 계면은 계면 실패를 완화하여 7 C까지의 급속 충전 및 더 긴 사이클 수명을 가능하게 한다. 이러한 전해액 조성의 새로운 계열은 실용적 응용을 위한 급속 충전 LIB의 안전하고 장기적인 운전을 구현할 수 있는 유망한 해결책이자 새로운 기회를 제공한다.

리튬 금속 배터리(LMB)는 고용량 리튬 금속 음극을 바탕으로 높은 에너지 밀도를 갖는 차세대 배터리로 간주된다. LMB에 대해 고용량의 고니켈계 LiNi x Co y Mn z O 2 (NCM, x ≥ 0.8) 양극을 사용하는 시도가 이루어지고 있으나, 구조적 열화와 금속 용출로 인해 주기 수명이 짧아지는 경우가 흔하며, 또한 비용이 높다는 문제도 있다. 더 나아가, LMB에서 전통적인 가연성 액체 전해질을 사용하는 것은 리튬 금속 음극에서 양질의 고체전해질계면(SEI)을 제공하지 못하고 덴드라이트, 단락, 그리고 이후 안전상의 위험을 유발한다. 이러한 문제를 완화하기 위해, 상온 압력에서 작동하며 열적으로 안정하고 안정한 SEI를 형성하여 리튬 덴드라이트를 억제하거나 방지할 수 있을 뿐 아니라 양극 계면을 안정화할 수 있는 반고체 전해질은, 고압에서 작동하는 전고체 전해질에 비해 비용을 낮추는 데 적합하다. 본 연구에서는 안전한 LMB를 위해 리튬 음극 및 NCM811 양극의 비가연성 반고체 전해질과 계면 안정화를 제시한다.

리튬이온전지(LIB)와 전기자동차 시장이 확대됨에 따라 안전한 LIB에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 높은 에너지 밀도를 달성하기 위해 실리콘 및 고니켈계 LIB가 선호되어 왔다. 그러나 실리콘의 팽창과 관련된 문제, 그리고 고니켈 양극에서 비롯되는 열적 및 계면 불안정성 문제가 매우 인화성이 큰 기존의 액체 전해질과 맞물리면서 안전성이 악화된다. 또한 기존 액체 전해질 유래 고체전해질 계면층(SEI)의 약한 열적 안정성은 열폭주 개시의 원인으로 알려져 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 고체전해질 기반의 전고체 배터리 개발에 주력해 왔으나, 비용 효율성과 장기 순환 수명에 대한 과제는 여전히 남아 있다. 안전성과 성능을 동시에 제공하는 비인화성 액체 전해질의 개발이 시급하다. 본 연구에서는 고에너지 밀도 SiO-graphite//NCM811 리튬이온 전지 전(全)셀의 향상된 안전성 및 사이클링 성능을 위한 새로운 비인화성 액체 전해질 조성법을 제시하고, 전해질 특성, 계면 안정성, 성능 및 안전성 간의 상관관계를 규명하기 위한 기전 연구를 함께 수행하였다.

전기자동차의 시장 수용성을 높이기 위해 안전하고 저렴하며 수명이 길고 최신 기술 대비 더 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬이온전지(LIB)의 개발이 추진되어 왔다. 낮은 Co의 양극 활물질은 높은 비용량과 비교적 낮은 비용을 가지므로, 고에너지 밀도의 LIB를 위한 가장 유망한 양극 활물질 중 하나로 고Ni LiNixCoyMnzO2(NCM; x ≥ 0.9) 화합물이 꼽힌다. 그러나 고Ni 양극에서 나타나는 양극-전해질 불안정성은 양극-전해질 계면에서의 유해한 반응, 지속적인 비가역적 상전이, 금속 용출을 초래하여 사이클 및 출력(레이트) 성능을 저하시킨다. 더 나아가 고Ni LIB에 사용되는 기존의 유기 액체 전해질은 가연성이 높아 열폭주 및 배터리 화재의 위험 요인이 된다. 안전성과 성능을 확보하기 위해, 흑연//고Ni LIB에 적합한 난연성 액체 전해질 조성에 도달하도록 전해질 엔지니어링을 수행하였다. 이 발표에서는 양극-전해질 및 음극-전해질 계면에서 작동하는 메커니즘에 대한 근본적인 이해를 논의할 것이다.

니켈 함량이 높은 양극을 기반으로 한 리튬 금속 전지(Li metal batteries, LMB)는 차세대 배터리의 잠재적 고에너지 밀도 에너지원이다. LMB의 고유한 문제는 리튬 음극에서 리 덴드라이트의 형성과 성장이며, 4.2 V보다 높은 충전 차단 전압에서 리튬 음극의 실패가 심화되어 단락과 안전 위험을 유발한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 불화 처리된 탄산염 및 황산염 기반의 난연(Flame-retarding, FR) 액체 전해질 조성물을 보고하며, 이는 고적층(3.5 mAh cm−2) Li//LiNi0.88Co0.08Mn0.04O2(NCM-88) LMB의 성능을, 고전압(4.3 V), 고온(45 °C), 1 C 속도라는 동시에 가혹한 조건에서 향상시킨다. 불소와 황을 포함하는 견고한 양극–전해질 계면(interphase) 종이 형성되어 높은 전압 및 열적 안정성을 제공하고 금속 용해를 억제한다. 견고한 고체 전해질 계면을 통한 리튬 음극의 표면 패시베이션과 리 덴드라이트의 방지가 강조되며, 그 결과 우수한 LMB 사이클 성능(100 cycles에서 용량 유지율 70%)과 안전성을 달성한다. FR 전해질을 사용한 Li//Li 대칭 셀의 경우, 전류 1 mA cm−2(1 h 동안 Li 박리–도금)에서 300 h의 장시간 동안 안정성을 확보한다. 본 연구는 안전한 고에너지 LMB를 위한 에테르 기반 전해질과의 대안으로서 전해질 조성 설계에 대한 통찰을 제공한다.

리튬 금속 배터리(LMB)의 급속 충전은 액체 전해질에서 리튬 금속 음극의 계면 불안정성과 리튬 덴드라이트 성장으로 인해 발화 위험을 초래한다는 점에서 해결이 어려운 과제이다. 이러한 문제들은 액체 전해질 유래 고체 전해질 계면층(SEI) 형성에 기반한 안정화 전략을 선구적으로 도입하여, 고체상 배터리가 불가능한 수준의 극도로 높은 전류 밀도에서도 덴드라이트가 없는 리튬 금속 음극을 가능하게 하는 것을 동기로 삼았다. 여기서는 펜타플루오로프로피온산 무수물(PFPA)을 미량 수준으로 포함하고, 여기에 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC) 첨가제를 결합한 새로운 전해질 조성법을 보고한다. 이 조성으로 Li//Mn-풍부 LMB에서 SEI를 안정화하여, 동시에 매우 극한 조건인 20 C(3분 충전), 4.8 V 및 45 °C에서 전례 없는 초고속 충전을 달성했으며, 118 mAh g −1을 제공하여 400 사이클 동안 장기 가역성을 보였다. 또한 극도로 높은 전류인 10 mA cm −2(리튬 박리/플레이팅 6분) 조건에서 Li//Li 셀의 전례 없는 높은 안정성을 200 h 동안 지속하였다. SEI 분석 결과에 따르면, 대칭적인 10 F를 포함하는 분자 구조를 갖는 PFPA는 리튬 금속 음극과 Mn-풍부 양극 모두에서 얇고 균일하며 견고한 F- 및 유기물-풍부 SEI 층을 신속하게 형성하기 위한 강력한 불소 공급원으로 작용하며, 그 결과 리튬 덴드라이트를 억제한다. 본 연구는 초고속 충전, 장기 사이클, 그리고 더 안전한 고에너지 LMB 및 LIB를 위한 잠재적 개념을 제공한다.

최신 리튬(Li)이온 배터리는 제한된 비율의 실리콘 음극 활성 물질을 사용하면서, 안정적인 사이클링을 가능하게 하기 위해 10 wt.%를 초과하는 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC) 전해질 첨가제에 크게 의존한다. 실리콘의 팽윤 문제는 고체전해질계면(solid electrolyte interphase, SEI) 불안정성과 관련되어 있으며, FEC로 인해 안전 위해 위험 및 높은 제조 비용이 초래될 수 있다는 점에서, 저자들은 충분히 작동하는 불소화 첨가제 대체물을 설계하고자 했다. 니켈이 풍부한 산화물 양극을 사용하는 고용량 셀은 Li/Li+에 대해 > 4.2 V에서 작동함으로써 추구되며, 이를 위해서는 전해질의 양극 안정성이 요구된다. 본 연구에서는 icosafluoro-15-crown 5-ether를 양기능성(ambifunctional) 신형 첨가제로 제안하며, 안정화된 계면과 고용량(3.5 mAh cm −2) 5 wt.% SiO-흑연 음극 및 LiNi 0.88 Co 0.08 Mn 0.04 O 2 양극의 팽윤 감소를 위해 0.4 wt.%의 소량만을 사용한다. FEC의 낮은 비율과 함께 활용함으로써 4.35 V 및 1 C(225 mA g −1) 조건에서 가역적 장기 300 사이클이 달성된다. 재료 특성화 결과는 이러한 안정화가 과불소 에터, LiF 및 Li x PF y 종으로 이루어진, 음극과 양극 모두의 표면 패시베이션에서 비롯됨을 보여준다. 본 연구는 저비용 전해질 조성 설계와, 실리콘 및 니켈이 풍부한 활성 물질 및 그 계면에 대한 양측 안정화 전략에 대한 통찰을 제공한다.