포타슘 전지의 금속 전극 안정성 향상을 위한 전해질 첨가제 연구 - 이지희 (The Graduate School, Ajou University, 2024)
기존의 연구에 따르면 국부 고농도 전해질 (Localized high concentration electrolyte, LHCE) 은 고농도 전해질의 원래 염-용매 배위에 영향을 주지 않는 독특한 용매화 구조를 가지고 있다. 다시 말해 고농도 전해질의 장점을 유지하고 있다는 것이다. 고농도 전해질은 전극 표면에 안정적이고 견고한 고체-전해질 계면 (Solid Electrolyte Interphase, SEI) 층을 형성하여 전극의 열화와 분해를 방지한다. 따라서 용매 분자가 분해되는 것을 줄여서 전해질의 화학적 및 열적 안정성을 높여 배터리의 수명과 성능을 높게 유지할 수 있다. 그러나 고농도 전해질은 일반적으로 점도가 높아져 전해질의 유동성과 전극 표면으로의 침투가 어려워질 수 있어 내부 저항을 증가시키게 된다. 이를 해결하기 위해 희석제를 첨가한 형태가 LHCE이며, 이는 넓은 전기화학적 안정성 창을 가지며 높은 전압에서도 전해질이 분해되지 않아 효율적으로 작동할 수 있다. 또한 희석제에 플루오린 (Fluorine, F) 이 포함되어 있어 더욱 견고한 고체-전해질 계면 층을 형성하는데 기여할 수 있다. 이에 금속 음극의 수지상 (Dendrite) 성장을 완화한다. 그러나 선행 연구에서 포타슘 금속 배터리에서 LHCE를 적용하는 경우에 부반응을 겪게 되어 사이클 수명이 저하된다. 이는 포타슘 음이온 (K–)와 희석제로 사용되는 하이드로플루오로에테르 (Hydrofluoroethers)의 화학반응으로 인해 금속의 부식이 지속적으로 일어나게 되는 것이다. 이에 본 연구는 원치 않은 K–의 기생반응을 방지하기 위한 전해질 첨가제로 1,3,5-트라이플루오로벤젠 (1,3,5-trifluorobenzene, TFB)을 도입하였다. 벤젠구조를 취하면서 화학적 안정성을, 3개의 대칭적으로 치환된 플루오린은 희석제와의 혼합 가능성을 보장하였다. TFB는 LHCE의 형성된 용매화 구조의 외부에 위치하며 LHCE의 기존 용매화 구조를 변형 시키지 않는다. 이러한 특성은 K–와 HFE 사이의 반응 에너지 장벽을 높여서 TFB를 3 wt%만 첨가하는 것만으로도 금속 음극의 열화를 억제할 수 있다. 또한 TFB는 분자 에너지 수준 특성으로 인해 각 전극에서 우선 분해되고 셀의 가역성을 증가시켜 안정적인 계면 형성에 도움을 주어 불필요한 전해질 소모를 방지하는 것에도 기여할 수 있다. 본 연구에서는 전해질 수준에서 K– 반응을 방지하는 새로운 방법과 포타슘 금속 전극 배터리에 LHCE를 활용하여 금속 음극 사용의 장점을 유지하면서 더 높은 에너지 밀도를 추구하는 방법에 대해 논의한다.
학위논문(석사)--에너지시스템학과,2024. 8
Keywords: 이차전지