Li-Metal batteries are emerging as a promising candidate for next-generation batteries due to their much higher anode capacity than conventional Li-ion batteries. However, there are still limitations, such as dendrite formation on the lithium metal surface and low Coulombic efficiency. To address these issues, researchers are focusing on generating inorganic-rich protective layers at the electrode-electrolyte interface. Additionally, developing polymer layers to enhance the surface flexibility and suppress the decomposition of organic electrolytes has recently been recognized as important.
In this study, we examined the properties of a polymeric interphase layer during the charge-discharge cycles of lithium-metal batteries using a co-solvent of 1,3-dioxolane (DOL), known for forming polymeric layers on the lithium metal and 1,2-dimethoxyethane (DME), known for its high chemical stability with lithium metal. With $1 M$ lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) and $4%$ $LiNO_3$ in DME/DOL(1:3, v/v) electrolyte, a longer lithium symmetrical cell cycle life was confirmed compared to using a DOL single solvent. This was attributed to forming a polymeric DOL layer, which thinly coated the lithium metal during charge-discharge cycles. This inhibits the decomposition of DME and the generation of inorganic layers such as LiF, $Li_2O$, and $Li_2CO_3$ from $FSI^-$ and $NO_3^{-}$ anions. Furthermore, improved charge-discharge rate capability was confirmed in the lithium symmetrical cell and the full cell with $LiFePO_4$ cathode, proving that the polymer layer possesses high ion conductivity.
리튬 금속 전지는 리튬 이온 전지 대비 열 배 이상의 음극 용량에 기반해 유망한 차세대 전지로 주목받고 있다. 그러나 리튬 음극 표면 덴드라이트 형성 및 낮은 쿨롱 효율의 한계를 갖기에, 전극과 전해질 계면 무기물 보호층 제작에 관한 연구가 필요하다. 한편, 무기물층 표면 신축성을 높이고 전해액의 분해를 억제하기 위한 고분자층의 개발 역시 최근 그 중요성이 보고되고 있다.
본 연구에서는 리튬 음극과 전해질 계면에서 고분자층을 형성할 수 있는 1,3-dioxolane (DOL)과 음극 표면에서 높은 안정성을 가지는 1,2-dimethoxyethane (DME)를 공용매로 사용하여 리튬 금속 전지의 충방전 사이클에 따른 고분자 계면층의 형성 및 역할을 연구하였다. $1 M$ LiFSI, $4%$ $LiNO_3$를 포함한 DME/DOL(1:3의 부피비) 전해질의 경우 단일 용매의 DOL 사용보다 높은 리튬 대칭셀 수명이 평가되었다. 그 이유로 poly-DOL로 예상되는 고분자 층이 충방전 중 리튬 음극에 형성되어 DME의 분해를 억제시키면서 $FSI^-$ 및 $NO_3^{-}$ 음이온으로부터 $Li_2O$, $Li_2CO_3$ 등의 무기물 층을 형성할 수 있음을 확인하였다. 리튬 대칭셀과 $LiFePO_4$ 양극을 이용한 셀 모두에서 속도 특성이 향상되어 높은 이온전도성을 가짐을 증명하였다.
