Recently, the markets of lithium-ion batteries (LIBs) have been incredibly expanded with the necessity for electric vehicles and energy storage systems (ESSs) . However, as battery explosions have frequently occurred, the safety issue was significantly paid attention. The usage of a non-aqueous electrolyte solution is one of the main reasons for catching fire due to flammability, volatility, and low specific heat capacity. To mitigate this safety issue, an aqueous electrolyte solution has been suggested. However, the electrodes, typically composed of lithium transition metal oxides, are extremely unstable in the aqueous LIBs and provide poor cyclability. In this dissertation, I show electrochemical and chemical reactions of lithium cobalt oxide (LiCoO2, LCO) as the representative positive electrode in LIBs and demonstrate the improved electrode stability through designs of electrode interfaces in aqueous LIBs. In chapter 2, I exhibit the proton insertion, oxygen evolution, and surface structure change of LCO depending the on pH of aqueous electrolyte solutions. Various analyses also reveal structural deformation mechanism of LCO through an irreversible Li+ deintercalation/intercalation process. In chapter 3, I show the role of electrolyte anions correlated with the reactivity of water at the LCO interface using various electrolyte salts. Better cyclability of aqueous LIBs is related to kosmotropic characteristics of anion. Sulfate, as the kosmotropic anion, enhances the hydrogen-bonding strength of water and favorably forms ion pairs with Li+ at the LCO interface, which retards the proton insertion into the LCO and improve a reversibility of the Li+ electrochemistry. In chapter 4, I demonstrate the improved rate capability of LCO by adding a surfactant composed of sulfate ion at the terminal group.
최근 에너지저장 시스템(energy storage system, ESS) 및 전기자동차의 수요가 급속히 증가함에 따라 리튬이온전지 시장이 크게 확장되었다. 하지만 이와 동시에 전지 폭발사고가 빈번하게 발생하면서 리튬이온전지의 안전성 향상이 요구되고 있다. 비수계 전해액은 가연성, 휘발성 및 낮은 비열용량성의 특성으로 인해 전지의 단락 시 열폭주를 가속화시키는 발화의 주요 원인이다. 이를 근본적으로 해결하기 위해 최근 수계 전해액을 사용한 리튬이온전지의 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 하지만 수계 전해액은 전위금속산화물 양극재와 빠르게 반응하면서 전지의 사이클 성능을 저하시키는 문제를 가진다. 본 박사 논문은 대표적인 양극재인 리튬 코발트 산화물(LiCoO2, LCO)을 이용하여 양극과 수계 전해질의 계면에서 발생하는 화학 및 전기화학 반응을 이해하고 전극의 안정성을 개선시키는 연구에 관한 것이다. 챕터 2에서는 pH에 따른 LCO의 양성자 삽입, 산소발생반응, 그리고 표면구조변화를 분석하여 비가역적인 리튬이온의 탈삽입으로 인한 LCO의 열화 메커니즘을 설명하였다. 챕터 3에서는 다양한 리튬염을 사용하여 LCO 계면에서 음이온에 따른 물의 반응성 및 열화과정의 상관관계를 규명하였다. 특히 음이온의 kosmotropic 특성에 따른 물의 수소결합 세기 증가 및 이온쌍 형성을 이해하고 양극 계면을 안정화시킬 수 있는 방안을 제시하였다. 챕터 4에서는 kosmotropic 특성이 강한 황산이온을 말단에 개질한 계면활성제를 첨가하여 LCO의 속도 특성을 향상시킬 수 있음을 증명하였다.
