In-situ crosslinked comb-like solid polymer electrolyte using a thiol-ene click chemistry for all solid state polymer batteries

Abstract

Lithium-ion batteries (LIBs) have been widely applied from portable devices to electric vehicles (EV) and energy storage systems (ESS) due to their high energy density, high energy efficiency and long cycle life. However, conventional LIBs containing a liquid electrolyte have critical safety issues such as high flammability, high reactivity with electrode materials and explosions. In recent developments it is considered replacing the liquid electrolyte with the solid electrolyte to improve the safety of Li batteries. A solid polymer electrolyte (SPE) is considered to be a good candidate for a solid electrolyte. Poly (ethylene oxide) (PEO)-based polymers have been widely studied as solid polymer electrolyte materials because they can solvate various salts and transport Li-ions due to segmental motion. However, PEO-based SPEs have disadvantages such as low ion conductivity due to their high crystallinity and low mechanical integrity. To overcome these issues, different studies have focused on the development of crosslinked SPEs with high mechanical strength and ionic conductivity. In this study, crosslinked comb-like SPEs were prepared by using thiol-ene click chemistry. And poly (ethylene glycol) dimethyl ether was added as an ionic plasticizer to enhance the ion conductivity of solid polymer electrolytes. Thiol-ene polymerization was confirmed by means of Raman spectroscopy and FT-IR spectroscopy. Ionic conductivity is measured to be 3.66 × 10-5 S/cm at 30 oC with [EO]/[Li+] = 15. The temperature dependence of ionic conductivity is observed the typical Vogel–Tammann–Fülcher (VTF) ion transport model. Electrochemical stability window of the prepared solid polymer electrolytes is measured to be ca. 5.6 V. The resulting polymer electrolyte is used to investigate the performances of a LiFePO4/SPE/Li test cell. The cell based on solid polymer electrolyte can be stably operated at 45 oC between the potential ranges of 2.5 V and 4.2 V. |리튬이온배터리(LIB)는 높은 에너지 밀도와 높은 에너지 효율, 긴 사이클 수명 때문에 휴대용 장치에서 전기차(EV), 에너지 저장장치(ESS)에 이르기 까지 광범위하게 적용되고있다. 그러나 액체 전해질을 사용하는 기존 LIB는 높은 인화성, 전극 재료와의 높은 반응성 및 폭발 등 중요한 안전 문제를 안 고 있다. 최근 LIB의 안전성을 향상시키기 위해 액체 전해질을 고체 전해질로 대체하려는 많은 연구들이 진행되었다. 고체 고분자 전해질(SPE)은 고체 전 해질의 좋은 후보 물질로 여겨진다. PEO 기반 중합체는 다양한 염을 용매화하고 분절운동으로 인해 리튬이온 을 운반할 수 있기 때문에 고체 고분자 전해질 물질로 널리 연구되어왔다. 그 러나 PEO 기반 고체 고분자 전해질은 결정성이 높고 기계적 강도가 낮기 때 문에 이온 전도도가 낮다는 단점이 있다. 이러한 문제를 개선하기 위해 다양 한 연구에서 높은 기계적 강도와 이온전도도를 가진 가교된 고체 고분자 전해 질 개발에 초점을 맞추고 있다. 본 연구에서는 티올-엔 클릭 화학을 이용한 가교 빗살형 고체 고분자 전해 질에 PEGDME를 첨가해 고체 고분자 전해질의 이온전도도를 개선하였다. 티 올-엔 중합은 라만 분광학과 FT-IR 분광학을 통해 확인되었다. 전해질의 이 온전도도를 측정한 결과 [EO]/[Li+] = 15일 때 30 oC에서 3.66 × 10-5S/cm이다. 이온 전도성의 온도 의존성은 전형적인 Vogel–Tammann–Fülcher (VTF) 이온 전달 모델이 관찰되었다. 고체 고분자 전해질의 전기화학적 안정 성 창은 약 5.6 V이다. 고체 고분자 전해질은 Li/SPE/LFP 코인 셀에 적용되 었고 LiFePO4/SPE/Li 셀은 2.5~4.2V 전압 범위, 45 oC에서 안정적으로 작동 함을 확인하였다.