Recent increases in demand for electric vehicles and advancements in various portable electronic devices have brought attention to lithium metal batteries, which have high energy density and the highest theoretical capacity. However, lithium metal batteries have a problem in that lithium ions are unevenly electrodeposited during the charging and discharging processes of the battery, resulting in the growth of lithium dendrites on the surface of lithium metal. The formation of dendrites on the electrode surface can result in issues such as thermal runaway and explosion due to short, as well as a decrease in battery efficiency and a reduction in lifespan due to various side reactions. Consequently, research efforts actively address these problems in lithium metal batteries through solid electrolytes, lithium anode protective layers, and electrolyte additives. Among these, electrolyte additive research offers the advantage of achieving significant improvements in electrochemical properties with infinitesimal amounts of additives. In this study, bottlebrush polymers (BBP) with polyethylene glycol (PEG) as side chains were synthesized and utilized as an electrolyte additive for lithium metal batteries. These bottlebrush polymer additives make homogeneous lithium ion nucleation sites on the lithium metal surface and play a crucial role in ensuring uniform lithium-ion flux control. Consequently, it facilitates the uniform deposition of lithium ions and realizes long-term stable cycling characteristics for lithium metal batteries.
최근 전기차에 대한 수요 증가와 다양한 휴대용 전자기기의 발전으로 높은 에너지 밀도와 높은 이론 용량을 가지는 리튬 메탈 배터리가 차세대 배터리로 각광받고 있다. 하지만 리튬 메탈 배터리는 배터리의 충, 방전 과정에서 리튬 이온의 전착이 불균일하게 일어남으로써 리튬 메탈 표면에서 수지상 모양의 리튬 덴드라이트의 성장이 일어난다는 문제점이 존재한다. 이처럼 전극 표면에 덴드라이트가 형성되면 단락에 의한 발열과 발화 문제가 일어날 수 있고, 다양한 부반응으로 인해 배터리의 효율 감소와 수명 저하로 이어질 수 있다. 따라서 리튬 메탈 배터리에서 발생하는 이러한 문제들을 해결하기 위해 고체 전해질, 리튬 음극 보호막, 그리고 전해질 첨가제 연구 등이 활발하게 이루어지고 있다. 이 중에서도 전해질 첨가제 연구는 극소량의 첨가제만 넣어주더라도 엄청난 전기화학적 특성의 개선을 이끌어 낼 수 있다는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 PEG (Polyethylene glycol)를 사이드 체인으로 가지는 브러시 고분자를 합성하여 이를 리튬 메탈 배터리 전해질 첨가제로 사용하였다. 이러한 브러시 고분자 첨가제는 리튬 메탈 전극과 전해질의 계면에서 리튬 이온의 핵 생성 사이트를 균일하게 만들어주고, 리튬 이온의 흐름을 고르게 제어해 주는 역할을 함으로써 리튬 메탈의 균일한 증착과 장시간 안정적인 사이클 특성을 유지할 수 있도록 해준다.
