고에너지 밀도 수계 리튬 금속 전지용 사전 함침 보호층

Abstract

수계 전해질은 비수계 전해질의 높은 인화성으로 인한 배터리의 안전성 문제를 해결하는 대안으로 고려되어 왔다. 비수계 전해질은 독성 물질, 대기 중 불안정성, 발화 요인으로 배터리 내의 안정성 에 매우 취약함을 보인다. 그에 비해, 수계 전해질은 주용매인 물 에 의한 높은 이온 전도도, 친환경적인 소재 활용, 대기 중 안정성, 가격 경쟁력, 화재에 대한 안정성과 같은 이점이 존재한다. 그러나, 수계 전해질을 사용하는 배터리에서는 고에너지 밀도를 위한 저전 위 음극의 사용이 물의 좁은 전기화학적 안정성 창 (1.23 V)에 의 해 제한된다. 현재 보고된 수계 전해질은 최저전위 음극인 리튬 금 속을 활용할 수 있는 안정적인 전기화학적 안정성 창을 보유하고 있지 않다. 또한 고에너지 밀도 배터리를 위한 리튬 금속 활용에 있어서도 수계 전해질 내의 물과 리튬 금속의 격렬한 화학적 반응 에 의해 제한된다. 따라서, 고에너지 밀도 배터리를 위한 저전위 음극인 리튬 금속을 활용하기 위해서는 수계 전해질과 음극 사이 의 전위 차이를 보상하고 직접적인 접촉에 의한 화학적인 부반응 을 억제하기 위해 인공적인 보호층이 필수적이다. 그러나 현재 배터리의 전기화학 시험 중, 인공적인 보호층을 통 해 음극으로의 물의 침투를 억제하면서 리튬 이온만을 선택적으로 전도시키는 것은 아직 해결되지 않은 주요 문제이다. 본 연구에서 는 수계 전해질을 사용하는 배터리에서 리튬 금속의 가역적 사용 을 위해 리튬 이온 전도성 고농도 용액을 선 함침 시킨 소수성 고 분자 프레임워크의 사전 함침 보호층(Pre-impregnated protective layer-High, PIPL-H)이 개발되었습니다. PIPL-H는 물 분자와 리튬 금속 간의 직접적인 접촉을 방지함으로써 수소 발 생 반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER)을 최소화한다. PIPL-H는 수계 전해질 하에서 과전압 증가 없이 1000 시간 동 안 리튬 금속 대칭 셀의 안정적인 구동을 가능하게 했으며, 최대 60 주기 동안 리튬 망간 옥사이드(Lithium Manganese Oxide, LMO)를 사용하는 완전 전지에서 88.2%의 용량 유지율을 보였다. 이 결과는 수계 전해질의 제한된 음극 안정성에 제한되지 않고 안 정적으로 구동될 수 있도록 하는 인공적인 보호층에 대한 새로운 관점을 제공할 것이다.