With the rapid development of the electric vehicle market, there is a growing demand for electric vehicles that can achieve driving ranges surpassing those of internal combustion engine vehicles. In order to fulfill this requirement, the development of energy storage systems with higher energy density than current lithium-ion batteries are crucial. Lithium-air batteries, promising as the next-generation batteries, offer theoretical energy densities that are more than 3 to 5 times higher than those of lithium-ion batteries. Previous research has primarily focused on the oxygen electrochemistry in lithium-air batteries, the active material of which is oxygen. However, the instability of lithium superoxide (LiO2) radicals generated during the oxygen reduction reaction and the low electrical conductivity of discharge products such as lithium peroxide (Li2O2) and lithium carbonate (Li2CO3) have hindered their practical application due to high overpotentials and low cyclability. This doctoral thesis investigates novel electrochemical and chemical reactions occurring in lithium-oxygen batteries by introducing a small amount of carbon dioxide, simulating an atmospheric-like environment. Furthermore, it demonstrates that lithium-oxygen batteries containing carbon dioxide can improve their cyclability through temperature and electrolyte modulation. In Chapter 2, the electrochemical analysis based on the concentration of carbon dioxide (CO2) and the Li+ solvation ability in the electrolyte is explained. Chapter 3 focuses on understanding the reaction pathways and mechanisms of electrochemical and chemical reactions in lithium-oxygen batteries containing carbon dioxide under different temperatures and electrolytes. In particular, by enhancing the stability of peroxodicarbonate (C2O62-) intermediates, it successfully suppresses the precipitation caused by irreversible reactions of Li2CO3, dramatically improving the battery's cyclability up to approximately 100 cycles. Chapter 4 investigates the stability of the metallic lithium electrode in the presence of oxygen and carbon dioxide environments. It examines the corrosion of the metallic lithium electrode induced by dimethylacetamide, which is the solvent used in this study. It investigates the compositional changes at the electrode-electrolyte interface caused by oxygen and carbon dioxide, discussing the resulting electrode stability.
전기자동차 시장이 비약적으로 발전하면서 내연기관 자동차 이상의 주행거리를 확보할 수 있는 전기자동차의 개발이 요구되고 있다. 이를 위해 현재의 리튬이온 전지보다 높은 에너지밀도를 가지는 에너지 저장체의 개발이 시급하다. 리튬-공기 전지는 리튬이온 전지와 비교해 이론 상 3~5배 이상의 높은 에너지밀도를 지니기에 유망한 차세대 전지 중 하나이다. 기존에는 리튬-공기 전지의 활물질인 산소를 사용하여 산소의 전기화학반응에 관한 많은 연구들이 진행되었다. 그러나 산소 환원반응 시 발생되는 초과산화리튬(LiO2) 라디칼의 불안정성과 방전생성물인 리튬과산화물(Li2O2) 및 리튬탄산염(Li2CO3)의 낮은 전기전도성으로 좊은 과전압과 낮은 수명특성을 보여주었다. 본 박사 논문은 소량의 이산화탄소를 리튬-산소 전지에 주입하여 공기의 분위기와 유사한 환경에서 발생하는 새로운 전기화학 및 화학 반응의 연구에 관한 것이다. 또한 이산화탄소를 포함한 리튬-산소 전지는 온도 및 전해액의 조절에 따라 수명특성을 개선시킬 수 있음을 보여주었다. 챕터 2에서는 이산화탄소의 농도와 전해질의 리튬 이온 용매화력에 따른 전기화학적 분석에 대해 설명하였다. 챕터 3에서는 이산화탄소를 포함한 리튬-산소전지에서 온도 및 전해액에 따른 전기화학/화학반응의 경로 및 기작을 이해하는 연구이다. 특히 과산화중탄산염 중간체의 안정성을 향상시킴으로써 리튬탄산염의 비가역적인 반응으로 인한 침전을 억제하고 전지의 수명을 약 100사이클까지 획기적으로 향상시킬 수 있었다. 챕터 4는 산소/이산화탄소의 환경에서 리튬 음극의 안정성을 조사하였다. 본 연구에서 사용하는 디메틸아세트아미드로 인한 리튬 음극의 부식현상과 산소/이산화탄소로 인한 음극-전해질 계면층의 성분변화를 조사하고 이로 인한 음극의 안정성을 논의하였다.
