Single Lithium-Ion Conducting Monomer as a Solid Electrolyte Interphase Additive for Lithium-Ion Batteries

Abstract

Lithium-ion batteries (LIBs) have been employed as main energy storage devices over the past several decades. During initial LIB operation, a solid electrolyte interphase (SEI) layer is formed on the surface of anode, which is essential for improving the cycling performance. When unstable SEI is formed through initial cycling, it causes continuous electrolyte decomposition and graphite exfoliation, which leads to cell failure. To overcome these problems, using film-forming additives that decompose prior to liquid electrolyte to form stable SEI have been developed. The cycling performance and the structural integrity of the electrode can be improved by forming stable SEI at the graphite anode. In this work, we designed and synthesized a novel single lithium-ion conducting monomer, lithium ((4-fluorophenyl)sulfonyl)((4-(methacryloyloxy)phenyl)sulfonyl)amide (LiFMPSA) as a SEI forming additive. LiFMPSA was electrochemically reduced prior to forming a stable polymeric SEI layer, which suppresses undesired Single Lithium-Ion Conducting Monomer as a Solid Electrolyte Interphase Additive for Lithium-Ion Batteries surface reactions. This SEI layer also contributes to facilitating Li+- ion transport. Thus, graphite/LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) cell employing LiFMPSA as an additive significantly improved the cycling performance from 69.1% of the capacity retention of the baseline electrolyte to 83.7% after 300 cycles at 1 C rate.|초기 리튬이차전지 동작 시에 전해질이 환원되며 전해질과 전극 사이에 SEI (solid electrolyte interphase) 층이 형성되며, 이는 전체 사이클 성능에 영향을 미치는 요인으로 주목받고 있다. 초기 구동 중 불안정한 피막이 형성되면 지속적인 전해질 부반응과 흑연 박리를 유발하는 등, 셀의 성능을 열화시키는 문제로 이어진다. 이러한 문제를 극복하기 위해 액체 전해질 이전에 분해되어 전극 표면에 피막을 형성할 수 있는 첨가제를 사용하여 안정적인 SEI를 형성하는 방법이 개발되고 있다. 흑연 음극을 안정적으로 보호하는 SEI를 형성함으로써 사이클 성능과 전극의 구조적인 안정성을 개선할 수 있다. 본 연구에서는 SEI 형성 첨가제로 새로운 단일 리튬 이온 전도성 단량체인 리튬 ((4-플루오로페닐)술포닐(4-(메타크릴로일옥시)페닐)술포닐)아미드 (LiFMPSA)를 설계하고 합성하였다. 본 합성물은 전기화학적으로 환원되어 안정한 고분자성 SEI 층을 형성해 불필요한 표면 반응을 억제하고, 리튬 이온 수송을 돕는다. 본 합성물을 피막 형성 첨가제로 적용한 카보네이트계 액체 전해질로 graphite/LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) 셀을 조립하여 전기화학적 성능을 평가하였다. 1 C 율속으로 300 사이클 구동했을 때, 용량 유지율이 기존 전해질의 69.1%에서 83.7%로 크게 상승하며 사이클 성능을 개선하였다.