As the demand for mobile electronic devices has been increased, the energy storage system has also been gradually increased which based on lithium ion batteries (LIBs). In the past, energy storage devices were based on primary cells, but LIBs have been used due to the growing demand and availability of secondary batteries that can be continuously charge and discharge. Therefore, the LIBs have been commercialized from small size such as earphone and cellular phone to large size of battery mounted on automobile or energy storage system (ESS). Especially, the batteries used for mobile devices, are required to have light weight and small volume for convenience. Furthermore, the plug-in electric vehicles are required long runs on a single charge, so the batteries used need to be small and light. However, the commercialized LIBs have less than gravimetric energy density of 150Wh/kg and volumetric energy density of 250Wh/L that this energy density is can only drive a car 400km on a single charge. The limitation of increasing energy density of LIBs is due to the graphite anode material energy density and the metal oxide cathode material which are LCO, LMO, NCM. The capacity of graphite which is 372mAh/g is not enough for satisfying the developing high energy density of battery. For overcoming the limitation of graphite anode capacity, the Li-metal anode has been got a great attention due to its high capacity of 3860mAh/g and low redox potential (3.04V vs. standard hydrogen electrode). However, the Li-metal has some obstacles for using anode instead of graphite, such as Li dendritic growth, low coulombic efficiency that originated from the high reactivity of Li-metal toward liquid electrolyte. These unavoidable irreversible reaction between Li-metal and electrolyte is came from the lowest redox potential of Li-metal that a solid electrolyte interphase (SEI) layer is naturally created at the interphase. For design a high coulombic efficiency of Li-metal battery, formation of stable SEI layer is significant due to the severe volumetric change of Li-metal. A stable SEI interface design is important for battery designs with higher coulombic efficiency by inducing a uniform lithium ion flux and suppressing side reactions with the electrolyte. In this thesis, for interfacial stabilization of lithium metal anode, fluoroethylene carbonate electrolyte is considered for high performance Li/LCO batteries in Chapter 1. And silicon dioxide additive is studied for inducing uniform Li deposit and inducing stable SEI layer for Li-metal in Chapter 2. Furthermore, a single ion conductive organic and inorganic composite protective layer is used for sustaining stable SEI layer on Li-metal in Chapter 3.
모바일 전기 장치의 수요가 증가함에 따라 리튬 이온 배터리와 같은 에너지 저장장치 수요 또한 증가하고 있다. 과거에는 일차전지에 기반을 둔 반면 충전과 방전이 가능한 리튬 이온전지와 같은 이차전지의 수요가 증가하고 있다. 이러한 리튬 이온 배터리는 이어폰이나 핸드폰과 같은 작은 기기에 들어가는 배터리부터 전기자동차나 ESS에 탑재되는 큰 배터리까지 다양하다. 특히 모바일 기기에 탑재되는 배터리는 가볍고 부피가 작아야 이용이 편리하다. 더불어 전기자동차는 일회 충전시 최대한 장거리 운행이 가능해야하기 때문에 배터리의 에너지 밀도가 높아야 할 필요가 있다. 하지만 현재 상용화된 리튬 이온 배터리는 150Wh/kg의 무게당 에너지 밀도와 250Wh/L의 부피당 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 1회 충전 시 최대 400kg까지 밖에 운행이 된다는 단점이 있다. 이러한 리튬 이온전지의 한계점은 그라파이트 음극과 LCO, LMO, NCM과 같은 금속산화물을 양극의 제한적인 용량을 가지기 때문이다. 그라파이트는 375mAh/g의 충분하지 못한 용량을 가지고 있기 때문에 배터리의 에너지 밀도를 높이는데 한계가 있다. 이런 한계점을 극복하기 위해서는 리튬 금속과 같은 3860mAh/g의 고용량을 가지는 음극 소재 사용이 필수 적이다. 하지만 리튬 금속은 그라파이트를 대체하여 사용할 시 전해액과의 부반응을 통한 리튬 덴드라이트 성장, 낮은 쿨룽 효율과 같은 단점들이 존재한다. 이런 비가역 부반응은 리튬 금속의 낮은 환원 전위로 인해 전해액과 부반응이 일어나 SEI 층이라는 계면이 형성되기 때문이다. 높은 쿨룽 효율을가지는 리튬 금속 배터리를 만들기 위해서는 부피변화가 심한 리튬 금속 표면에서의 안정적인 SEI 층 설계가 필수적이다. 리튬이온의 균일한 이온 흐름과 전해액과 부반응 억제가 가능한 안정적인 SEI 계면 설계가 매우 필수적이다. 본 논문에서는 Chapter 1에서는 리튬금속음극의 계면을 안정화하기 위해 fluoroethylene 카보네이트 전해액을 이용하여 고성능 Li/LCO 리튬 금속 배터리를 설계하였다. Chapter 2에서는 SiO2 첨가제를 도입하여 균일한 리튬 이온 흐름을 유도하고 안정적인 SEI 계면을 설계하였다. Chapter 3에서는 단이온전도성 유무기 복합보호막을 리튬 금속에 도입하여 안정적인 SEI 계면층을 설계하였다.
