배터리 화재 이슈는 생명을 위협할 수 있는 문제로 배터리 화재 문제를 저하시킬 수 있는 연구가 끊임 없이 진행되고 있다. 본 논문에서는 고분자 반전고체 전해질이 배터리의 가연성을 억제시켜주었다는 연구결과를 보여주었다.
[INFORMATION]
제목: Fire-Inhibiting Nonflammable Gel Polymer Electrolyte for Lithium-Ion Batteries
저자: Jihong Jeong, Mideum Kim, Hyeju Shin, Hosik Lee, Yoon-Gyo Cho, Minjae Cho, Jisu Lee, Cheolhee Han, Gunyoung Kim, Hongkyung Lee, Hochun Lee, Tae-Hee Kim, Seo-Hyun Jung, and Hyun-Kong Song
ACS Energy Lett. 2023, 8, 4650-4657
[KEY WORDS]
Gel Polymer Electrolyte (GPE): 반고체 전해질
Lithium-ion Batteries (LIBs): 리튬 이온 배터리
Ethylene Carbonate (EC): C3H4O3의 화학식을 가진 유기 화합물로 주로 고성능 전해질의 구성 요소로 사용됨
Liquid Electrolyte (LE): 전해액
Self-extinguishint Time (SET): 자기 소화 시간 (스스로 불을 소화하여 불이 완전히 꺼지기 까지 필요한 시간)
[ABSTRACT]
개발한 전해질의 특징:
1. soluble in carbonate electrolytes
--> 계면 안정도, SEI 층 생성, 이온 전도도에 모두 도움이 된다
2. cross-linkable in a presence of a popularly used lithium salt
--> 전기화학적 안정도, 덴드라이트 형성 억제, 기계적 강도에 도움이 된다
3. gelated only with 2wt% in electrolytes
4. radical-scavenging by its funcional side chains
--> 라디칼 반응이 배터리의 가연성에 큰 영향이 있다고 밝혀졌다
[INTRODUCTION]
고체 배터리가 불이 나는 이유:
1. 배터리가 불이 날 수 있을 정도의 충분한 열
2. 양극재에서 생성되는 산소
3. 불이 잘 나는 소재 (유기 전해질, 고분자 분리막 등)
4. 열을 내는 화학 반응
-->결론: 염소화 반응 억제 + 라디칼 반응 최소화
[Anti-volatility]
기존의 탄산염 (Carbonates) 대신에 이온성 액체, 설폰 (Sulfones) 및 니트릴 (Nitriles)와 같은 비휘발성 및 점성 용매 사용
[Anti-flammability]
라디칼 반응 제거를 위한 할로겐 또는 인 (Phosphrus) 화합물 첨가 (fire-retarding additives)
--> 두 방법 모두 이온 전이도 감소 및 전기화학적 안정성 감소: 배터리 성능 감소
Figure 1a: 반고체 전해질에 들어간 고분자 PVA-CN의 분자식
--> 2wt% 만으로도 배터리 성능 저하를 방지할 수 있다
Fluorine을 추가한 Anti-flammable 고분자: F7-PVA-CN (Figure 1b)
--> PVA-CN은 물질 자체가 타지 않거나 타기 어려운 물질이지만, F7-PVA-CN은 고분자 주위의 전해질이 타지 않게 해주었으며 Solid Electrolyte Interphase (SEI) 층 생성 방지에도 도움이 되었다.
Ethylene Carbonate (EC)를 기본으로한 수소 결합에서 리튬 이온이 더 많이 움직이도록 도와주었다.
-->0.38에서 0.66으로 증가
PVA-CN이 Gel Polymer Electrolyte (GPE)에 존재하는 경우 Self-extinguishing Time (SET)가 감소하였다
G1 (1wt% PVA-CN): PVA-CN의 부족으로 큰 변화가 없었다.
G2 (2wt% PVA-CN): SET가 눈에 띄게 감소하였다.
G5 (5wt% PVA-CN): 불이 전혀 나지 않았다. (SET=0 s/g)
--> 하지만, PVA-CN이 2wt%보다 함유되어 있는 경우 충방전 사이클에서 성능이 떨어진다 (Figure 2b)
Figure 2C: Infrared Spectra를 보면 PVA-CN의 그래프가 굉장히 비슷한데 Nonflammability를 증명해준다.
[NAIL PENETRATION TEST]
파우치 셀에 못(nail)을 통과시키는 연소 실험을 진행하였다.
Liquid Electrolyte (LE): 2초 후 , 셀 기능 저하, 7초 후 셀 전압이 0이 되었다.
G2, FG2(F7-PVA-CN 2wt%): 셀 전압 감소 + 온도 상승 후 회복
--> FG2의 회복이 G2보다 더 빠르고 회복한 셀의 전압 또한 G2 보다 높았다.
[Result]
NCM811|graphite 셀에 첨가한 결과 LE만큼 혹은 더 좋은 성능을 보여주었다.