Tuning the lithium-ion solvation sheath via in-situ gel polymer electrolyte for lithium metal batteries

Abstract

Lithium metal with high specific capacity and low reduction potential is a promising anode material to replace the conventional graphite anode. However, its dendrite growth and low coulombic efficiency (CE) lead to poor cycle life. A highly ionic conductive and robust solid electrolyte interphase (SEI) layer derived by anion on lithium metal anode can suppress the lithium dendrite growth and promote uniform plating/stripping of lithium. Recently, forming a stable SEI by controlling the lithium-ion solvation sheath of electrolytes is a promising strategy to stabilize the interface of lithium metal anode. In this work, we developed a gel polymer electrolyte (GPE) regulating the lithium-ion solvation structure to increase the coordinated Li+-NO3- in the electrolyte. It leads to the effective decomposition of NO3- anion on the lithium metal anode and the formation of stable SEI. We investigated the electrolyte solvation structure and electrode surface by FT-IR, Raman, and XPS. The lithium metal battery using GPE composed of 20 µm thick Li metal anode and high nickel LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) cathode (area capacity: 3.24 mAh cm-2) exhibited a good capacity retention of 96.2 % after 200 cycles.|리튬 금속 음극을 적용한 전지는 낮은 구동 전압과 높은 이론 용량이라는 특징으로 고에너지밀도를 확보할 수 있다는 장점을 가진다. 그러나, 리튬 덴드라이트 성장과 낮은 쿨롱 효율이 수명 특성을 열화시킨다는 문제점이 제기되고 있다. 이를 보완하기 위해 리튬 메탈 음극에 높은 이온전도도와 좋은 물성을 가진 무기물 성분 기반의 solid electrolyte interphase (SEI)의 필요성이 주목받고 있다. 안정한 SEI를 형성하는 다양한 방법 중 전해질 내 리튬 양이온 용매화 구조를 개질하여 무기물 성분이 풍부한 SEI를 형성하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 리튬 양이온 용매화 구조를 개질할 수 있는 겔 고분자 전해질을 개발하였다. Li+-NO3-의 coordination이 증가하면서 NO3- 음이온이 효율적으로 리튬 메탈 음극 위에 분해될 수 있었고 이는 곧 무기물 함량이 높은 SEI 형성으로 이어졌다. FT-IR, Raman을 통해 전해질 내 리튬 양이온 용매화 구조를 조사하였고 XPS를 통해 실제로 SEI 성분 내 음이온으로부터 분해된 무기물 함량이 증가함을 확인하였다. 20 µm 두께의 리튬 메탈 음극과 NCM811 양극을 조립하여 0.33C에서 수명특성 평가를 진행하였을 때 200 사이클에서 96.2 %의 용량 유지율을 보이며 액체 전해질 대비 향상된 성능을 확인하였다.