이 논문의 목적은 고성능의 리튬 이온 배터리(LIB)를 위한 in-situ 고분자 준고체/고체 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드(LiFSI)기반 전해질 개발에 집중하는 것입니다. 먼저, 이 논문을 준비하는 동안 항상 끈기있게 지도해 주시고 인생의 많은 지원을 해주신 지도교수 김환기 교수님께 깊은 감사를 드립니다. 또한, 여러분의 친절한 협조와 격려에 감사드립니다. 마지막으로, 항상 제 커리어 측면에서 저를 지지해주는 가족들에게 감사드립니다. 이렇게 완성된 논문은 총 7 개의 챕터로 구성되어 있습니다. 제 1 장에서는 이차 전해질 및 전극 재료에 대한 기본 지식과 LIB 에 대한 성능을 제시합니다.
고체 고분자 전해질(SPE)은 리튬에 대한 우수한 안정성과 응용 LIB 의 높은 안전성으로 인해 점점 더 많은 관심을 불러일으키고 있습니다. 제 2 장에서는 가연성 유기 용매가 없는 상태에서 개시제로 LiFSI 를 사용하여 옥세탄 그룹을 기반으로 한 in situ 열 유도 SPE 를 표현했습니다. 준비된 SPE 는 우수한 열 안정성(210 ℃ 까지 안정), 낮은 활성화 에너지(Ea)및 30 ℃ 에서 높은 이온 전도도 (>0.1 mS/cm) 를 나타냈습니다. In situ 고분자 SPE-2.5 는 비슷한 이온 전도도 (80 ℃ 에서 1.3 mS/cm), 더 나은 계면 호환성 및 높은 리튬 이온 전이수를 나타냈습니다. 준비된 SPE-2.5 전해질은 50 사이클 동안 0.1 C 에서 하프 셀 구성에서 비슷한 쿨롱 효율을 가졌습니다. 얻어진 결과는 LIB 개발을 위한 in situ 중합을 통해 높은 이온 전도도와 우수한 상용성을 제공할 수 있는 가능성을 제공할 수 있습니다.
또한 준고체 고분자 전해질은 높은 열적 안정성과 유연성, 폭넓은 응용으로 인해 리튬 이온 전지용 액체 전해질의 대안으로 주목받고 있다. 그러나 고분자 전해질은 계면 접촉 문제와 전해질과 전극 사이의 리튬 덴드라이트 성장으로 인해 실온에서 낮은 이온 전도도를 보입니다. 제 3 장에서는 LiFSI 를 개시제로 사용하여 in situ 열 유도 양이온 개환 전략을 통해 겔 폴리머 전해질(GPE)을 준비했습니다. 합성된 GPE 는 일련의 기술로 특성화 되었습니다. 합성된 QSPE-1.5 는 우수한 열 안정성 (최대 150 ℃), 낮은 유리 전이 온도 (Tg <-40 ℃), 높은 이온 전도도 (>10-4 S/cm), 셀 구성 요소와 양호한 계면 접촉 및 비교 가능한 양극 산화 전압(최대 4.0 V 까지 안정적).을 나타냈습니다. 또한, QSPE-1.5 는 0.2 C 에서 50 사이클 후 131 mAh/g 의 방전 용량을 나타냈으며 98.6% 수준의 쿨롱 효율을 보였습니다. 여기서 이러한 결과는 새로운 고분자 전해질 개발에 기여할 수 있으며, LiBs 에 대한 in situ 기술을 통해 우수한 호환성 가능성을 제공할 수 있습니다.
최근에는 고체 리튬 배터리의 낮은 이온 전도도와 계면 문제가 고체 리튬 배터리의 산업 발전을 방해하고 있습니다. 제 4 장에서는 개시제로 LiFSI 를 사용하였고, 일정량의 첨가제 플루오로설폰아미드(FSA)를 사용하여 in situ 열 중합을 통해 양이온 개환 중합(CROP)을 진행하여 가교 고체 고분자 전해질(CSPE)을 준비했습니다. 일련의 기술을 사용하여 준비된 CSPE 의 물리화학적 특성 및 전기화학적 성능을 조사했습니다. 제조된 CSPE-2 의 이온 전도도는 25 ℃에서 1.46 mS/cm 이었습니다. 그것의 전기화학적 양극 산화 전위는 5.2 V 까지 안정적이었습니다. 리튬 전이수(tLi+)는 25 ℃에서 0.61 이었습니다. 또한, LiFePO₄/CSPE-2/Li 의 조립된 하프 셀은 0.1 C 에서 165 mAh/g 의 우수한 초기 방전 용량을 제공했으며 96.7%의 쿨롱 효율(CE)을 보여주었습니다. 200 사이클 후에도 136 mAh/g 의 용량을 유지했습니다. LiFePO₄/CSPE-2/흑연의 조립된 풀 셀은 0.1 C 에서 142 mAh/g 의 초기 방전 용량을 나타냈고, 122 mAh/g 에서 용량을 유지했으며, 200 사이클 후에 90.2%의 CE 를 달성했습니다. FE-SEM 은 첨가제 FSA 와의 긴밀한 인터페이스 호환성을 보여주었습니다. 본 연구결과는 리튬 이온 배터리용 고체 전해질의 설계 및 제조를 위한 전략을 제공할 수 있습니다.
제 5 장에서는 메틸기의 효과를 더 조사하기 위해 in situ 열 중합을 통해 선형 이중 에폭시기 재료를 기반으로 한 가교 고체 고분자 전해질(SPE)을 제조합니다. 반응성이 높은 FSO₂NH₂ 는 전해액의 운동학적 반응과 전도성을 적응시키기 위해 첨가제로 사용되었습니다. 준비된 SPE 는 높은 비정질 구조, 낮은 투과 유리 온도(Tg), 25 ℃ 에서 상당한 이온 전도도, 넓은 전기 화학적 안정성 창, Li 양이온 삽입/탈퇴의 양호한 가역성 및 우수한 Li 전이 수를 나타냅니다. 게다가, 하프 셀의 배터리 테스트는 0.1 C 에서 200 사이클 후에 높은 초기 비용량을 제공하고 매력적인 쿨롱 효율뿐만 아니라 풀 셀 성능을 달성합니다. X-선 광전자 스펙트럼(XPS)은 전해질과 전극의 친밀한 친화력과 고체 전해질 층간(SEI) 층의 형성을 보여주는데, 이는 Li 덴드라이트 성장을 완화하고 사이클링 중 Li/흑연 양극의 수명 안정성을 촉진할 수 있습니다. 이러한 관찰은 고체 리튬 배터리의 개발에 대한 참고 자료를 제공할 수 있습니다.
6 장에서, 고체 고분자 전해질(SPE)은 상용화된 액체 전해질 기반 LIB 와 비교하여 안전 문제를 완화할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 상온(RT)에서 낮은 이온 전도도와 전극과 폴리머 전해질 간의 계면 호환성이 떨어지는 폴리(에틸렌옥사이드) PEO 기반 전해질은 LIB 의 실질적인 적용을 방해합니다. 여기서, 개환 중합을 통해 전구체 1,4-Bis(티이란-2-일메톡시)부탄(BTMB), 테트라하이드로퓨란(THF) 및 LiFSI 로 이루어진 폴리(에틸렌에피스황화물)(PES) 기반의 in situ 형태의 고체 전해질을 제조합니다. 고체 고분자 전해질(SPE)은 RT 에서 양호한 전도성, 높은 열적 안정성, 낮은 Tg 를 나타냅니다. 특히, SPE50 전해질의 경우 넓은 전기화학적 산화 안정성 창 (5.2 V까지 안정)과 RT에서 1.02 mS/cm의 이온 전도도를 달성합니다. LiFePO₄/SPE50/Li 하프 셀은 300 사이클 후 0.2 C 와 25℃ 에서 99.9% (155.7 mAh g-1)의 용량 유지율을 보이며 우수한 사이클 성능을 보여줍니다. 또한 LiFePO₄/SPE50/흑연 풀 셀은 300 사이클 후 0.2 C 및 25 ℃ 에서 96.7%의 동등한 용량 유지율을 보입니다. 이러한 관찰은 PES 를 기반으로 준비된 SPE 가 차세대 고속 및 안전한 LIB 를 위한 잠재적인 SPE 가 될 수 있음을 나타냅니다.
7 장에서, 우리는 이 논문의 전반적인 결론을 간략하게 요약하고 관점을 제안했습니다.