최근 전기차에 대한 수요가 증가함에 따라, 현재 상용화된 리튬 이온 전지보다 에너지밀도가 높은 소재가 요구되고 있다. 리튬 금속을 음극으로 사용하여 높은 이론 용량 (3,860 mA h g-1) 및 낮은 전기화학 전위 (-3.04 V vs. SHE)를 가지는 리튬 금속 전지는 고에너지 밀도를 가지는 차세대 전지로 주목받고 있다. 그러나 반복적인 충/방전 시 리튬 이온의 불균일한 전착으로 인해 리튬 금속 표면에 덴드라이트가 발생하게 되는데, 이는 사이클이 진행될수록 성장하여 분리막을 관통해 전지의 내부 단락을 초래하며 종래에는 안정성 문제로 이어질 수 있다. 또한 양극 활물질로 사용되는 층상구조의 하이니켈 소재는 니켈의 함량이 높을수록 표면 안정성이 낮아 전해질의 분해로 인한 구조 변화 및 전이금속의 용출을 유도하며, 이는 리튬 금속과도 부반응을 일으키므로 양극 표면에 안정한 양극-전해질 계면층 (CEI layer)을 형성하는 것이 중요하다.
본 연구에서는 리튬 이온 거동을 변화시켜 리튬 이온의 균일한 전착 및 NCM 811 양극 표면에 안정한 SEI 층을 형성하는 다기능성 분리막을 제시한다. PE 분리막에 보론이 함유된 유기 화합물인 Tributyl borate (TBB)를 두께, 형상의 변화 없이 도입하여 TBB-PE 분리막을 제조하였다. Borate는 친전자성으로 리튬염인 LiPF6의 PF6- 음이온을 잡아 리튬이온의 이동도가 증가하며, 결과적으로 리튬 금속 표면에 균일한 전착을 유도해 덴드라이트가 억제된다. 또한 계산 결과 Tributyl borate는 카보네이트계의 전해질보다 HOMO level이 높아 고전압에서 먼저 산화되려고 하는 경향이 있어 NCM 표면에 균일하고 안정한 CEI layer를 형성해 계면 저항을 줄이고 전해질의 분해를 최소화할 수 있다. 이를 바탕으로 사이클 수명 특성의 개선 효과를 기대한다.
TBB-PE 분리막은 표면 형상 변화 없이 제조되었음을 확인하였으며, 이를 리튬 금속 대칭 전지에 분리막으로 적용했을 때 PE 분리막보다 개선된 사이클 수명 특성 결과를 얻을 수 있었다. 사이클 진행 후 SEM으로 리튬 금속 표면에 리튬 덴드라이트가 억제되었음을 확인하여 리튬 이온이 균일하게 전착되었다는 것을 증명하였다. 최종적으로 NCM 811 양극과 리튬 금속 음극을 사용한 리튬 금속 전지를 제조하여 평가를 진행한 결과 200 사이클 후 TBB-PE 분리막을 적용한 셀에서 87 %의 높은 용량 유지율을 보였다. 또한 100 사이클 진행 후에 셀을 해체하여 사후 분석을 진행한 결과 TBB-PE 분리막과 함께 사용된 NCM 811 양극의 표면에 얇고 균일한 CEI 층이 형성되어 전해질 분해가 억제되었음을 확인할 수 있었다. 본 연구는 분리막에 두께 변화 없이 관능기를 도입하여 에너지 밀도를 최대화는 동시에, 리튬 이온의 이동도를 향상시키고 전극에 안정한 피막을 생성하여 결론적으로 사이클 수명 특성 개선의 효과가 있음을 입증하였다.