Solid-state polymer electrolytes (SPE) is a promising candidate that substitutes for contemporary liquid electrolyte in Li metal battery (LMB). However, their low oxidation stability generally makes it difficult to operate at high-voltage for enhancing energy density due to the decomposition of electrolytes. To tackle the challenges, cyanoethyl acrylate (CEA) is used to elevate oxidation stability by the electron-withdrawing property of cyano functional group. Furthermore, CEA can inhibit transition metal (TM) dissolution and cathode structure degradation through coordination with TM, which is commonly caused under high-voltage cycling. Herein, CEA and butyl acrylate (BA) are together used with different mol ratio to form a copolymer electrolyte via random co-polymerization for optimal mechanical and electrochemical properties. As a result, the well-tailored B9C1, representing that mole ratio of BA to CEA is 9, shows optimal mechanical/electrochemical properties and high performance under high 4.7V operation in lithium metal battery. This study can give a direction for accomplishing long mileage of polymer electrolyte by achieving durable ultra-high-voltage operation using Ni-rich cathode forward.
고체 고분자 전해질은 리튬금속전지의 액체 전해질을 대체할 수 있는 전도유망한 대체재이다. 그러나, 고분자 전해질 자체의 낮은 산화안정성은 높은 전압에서 쉽게 분해되어 고전압 구동을 어렵게 하고, 때문에 고분자 전해질로 하여금 에너지 밀도를 높이기 어렵다는 단점이 있다. 고분자 전해질의 산화안정성이 떨어지는 문제를 해결하기 위해, 전자를 끌어당기는 그룹으로써 산화안정성을 높일 수 있는 시안기를 함유한, 시아노에틸 아크릴레이트라는 물질을 사용하고자 하였다. 게다가, 시안기는 양극 물질 내부의 전이 금속과 상호작용하는 특성을 가지고 있기 때문에 전이금속이 용출되고, 양극의 구조가 무너지는 등, 고전압에서 일어나는 고질적인 문제를 해결할 수 있다. 본 연구에서는 뷰틸 아크릴레이트와 시아노에틸 아크릴레이트의 몰비율을 조절함으로써 라디칼 중합을 하였고, 이를 통해 랜덤 공중합체 전해질을 개발하였다. 이 과정을 통해 기계적/전기화학적 특성이 최적화된 몰비율로 리튬금속전지의 고전압 구동을 시도하였다. 그 결과, 뷰틸 아크릴레이트와 시아노에틸 아크리레이트의 9:1 몰비율이 최적점임을 찾아 4.7 볼트 전압에서도 리튬금속전지가 안정적으로 구동됨을 확인하였다. 해당 연구는 고분자 전해질을 통해서도 고전압 구동을 통해 주행거리를 늘릴 수 있는 방향을 제시하는 데 의의가 있다.
