Lithium (Li)-metal batteries (LMBs) have been developed for next-generation energy storage with higher energy density than the current lithium-ion batteries. However, interfacial reactions at Li surface are complicated and significantly depend on electrolyte solutions. Ether-based electrolyte solutions showed good battery performance owing to their high reductive potential (< 0.5 V vs. Li/Li+) and chemical stability against the metallic Li. Nonetheless, the low oxidative potential (< 4 V vs. Li/Li+) of ether-based electrolyte solution was not applicable to the high-voltage cathode.
In this study, we used fluorinated ether cosolvent by mixing 1,2-diethoxyethane (DEE) and fluorinated 1,4-dimethoxylbutane (FDMB). The inductive effect of fluorine in FDMB significantly raised the oxidative potential up. the addition of DEE that had stronger Li+ solvation ability improved the ionic conductivity. The ionic conductivities and voltage polarizations of symmetric Li cells were improved with increasing DEE concentrations with less resistive SEI layer. The oxidative potentials shift more positively as higher FDMB amounts when both Al and carbon electrode was used. As the result, DEE/FDMB 1:6 co-solvent electrolyte showed superior full-cell cyclability with $LiFePO_4$ cathode.
리튬 금속 전지는 기존의 리튬 이온 전지 대비 높은 에너지 밀도로 인해 차세대 배터리로 주목받고 있다. 하지만 전극과 전해액 계면의 반응이 복잡하며, 전해액 용액마다 다르게 나타나 전해액 개발에 어려움을 겪고 있다. 에터 기반의 전해액 용매는 리튬과의 높은 환원안정성으로 인해 좋은 배터리 성능을 보여준다. 반면, 낮은 산화 안정성으로 인해 고전압 양극재와의 사용이 어렵다. 이 연구에서 우리는 에터 계열의 1,2-diethoxyethane (DEE) 와 플루오르화 에터 계열의 fluorinated 1,4-dimethoxybutane (FDMB)를 섞은 공용매 전해액을 사용하였다. FDMB의 플루오린의 유도효과는 산화 안정성을 끌어올렸다. DEE의 첨가는 리튬 이온과의 강한 용매화 능력을 기반으로 이온전도도를 향상시켰다. 리튬 대칭 전지에서, 이온전도도와 과전압은 DEE 첨가량에 따라 개선되었고 더 낮은 저항의 고체 전해질 계면 층을 형성하였다. FDMB의 비율이 증가할수록 알루미늄 전극과 흑연 전극에서의 산화 안정성이 높아졌다. 결론적으로, DEE/FDMB 1:6 비율의 전해액이 $LiFePO_4$ 전극을 사용한 전체 셀에서 가장 좋은 수명특성을 보였다.
