[논문 리뷰] Effect of lithium bis(oxalato)borate on the Structural, microstructural and electrochemical properties of blend solid polymer electrolyte

Anil Arya, Mohd Sadiq외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 04.

Advanced Battery Materials and Technologies참고 문헌 45인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 리튬 비스옥살레이트보레이트(LiBOB) 도핑된 PEO/PVP 블렌드 고체 고분자 전해질을 조사하여, LiBOB가 비정질 상의 비율을 증가시키고 이온 이동을 촉진함으로써 이온 전도도를 향상시킴을 입증한다. 최적화된 시스템은 100 °C에서 약 0.65 mS cm⁻¹의 전도도를 보이며, 리튬 이온 이동수(~0.99)가 거의 1에 가까워 이온 전도성이 높고 고체 전지 응용 가능성이 높음을 시사한다.

ABSTRACT

Blend solid polymer electrolyte based on PEO, PVP complexed with lithium LiBOB were synthesized by solution cast technique and impact of LiBOB on the morphology, structure, and electrochemical properties is examined. The XRD and FESEM analysis reveals the enhancement of amorphous content on salt addition. The FTIR spectroscopy evidences the complex formation. The ionic conductivity for optimized system was two order higher than salt free system, i.e. ~0.5x10-5 S cm-1 (@RT) and increases to ~0.65 mS cm-1 (@100 oC) for O/Li=16 and temperature dependent conductivity follows Arrhenius nature. The high tion (~0.99) evidences the ionic nature of complexed electrolyte. DSC analysis evidences the suppression of crystallinity and shift of glass & melting temperature toward lower temperature implies the enhancement of amorphous content. Finally, an interaction mechanism is proposed for exploring the ion transport mechanism. The present electrolyte system can be a potential candidate for application in solid-state batteries

연구 동기 및 목표

• 고체 전지 응용을 위한 PEO와 PVP를 이용한 고성능 블렌드 고체 고분자 전해질을 개발하기 위해.
• 리튬 비스옥살레이트보레이트(LiBOB)가 고분자 블렌드의 구조적, 미세구조적 및 전기화학적 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 염료 도핑을 통한 고분자 기질 내 이온 전도도 향상 및 결정성 억제를 위해.
• LiBOB 도핑 전해질 시스템 내 이온 이동 메커니즘을 이해하기 위해.
• 최적화된 전해질이 실용적 고체 전지 응용에 적합한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 용액 캐스팅 기법을 이용해 PEO/PVP-LiBOB 블렌드 고체 고분자 전해질을 합성하였다.
• 결정성 및 미세구조 분석을 위해 X선 회절(XRD) 및 필드 에미션 스캐닝 전자현미경(FESEM)을 활용하였다.
• Li⁺와 고분자 사슬 간 복합체 형성을 확인하기 위해 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 수행하였다.
• 임피던스 분광법을 이용해 이온 전도도를 측정하고, 아레니우스 방정식을 사용해 온도 의존성 행동을 분석하였다.
• 유리 전이 및 융해 온도 변화를 평가하기 위해 열미량흡열량 분석(DSC)을 실시하였다.
• 이온 이동수(tLi⁺)를 계산하여 전도 메커니즘이 주로 이온적임을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LiBOB 도핑은 PEO/PVP 블렌드 전해질의 비정질 상 비율과 미세구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 FTIR 분광법에 의해 드러난 LiBOB 도핑 시스템 내 이온-고분자 상호작용의 정도는 어떠한가?
• RQ3 LiBOB는 전해질의 이온 전도도 및 온도 의존성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 LiBOB는 고분자 기질 내 결정성 억제 및 유리 전이 온도(Tg)와 융해 온도(Tm) 변화에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 리튬 이동수는 얼마이며, 이는 주로 전도 메커니즘이 어떤 성질을 지닌다는 것을 시사하는가?

주요 결과

• XRD 및 FESEM 분석을 통해 LiBOB 도핑은 PEO/PVP 기질 내의 비정질 상 비율을 크게 증가시키고 결정성을 감소시킴을 확인하였다.
• FTIR 분광법을 통해 LiBOB와 PEO 및 PVP의 에테르 산소 원자 간 Li⁺-결합 복합체 형성이 확인되었다.
• 최적화된 시스템(O/Li = 16)의 이온 전도도는 100 °C에서 약 0.65 mS cm⁻¹에 도달하였으며, 염료가 없는 시스템 대비 두 계단 정도의 증가를 보였다.
• 온도 의존성 전도도는 아레니우스 법칙을 따르며, 열적으로 활성화된 이온 이동을 나타낸다.
• 리튬 이동수(tLi⁺)는 약 0.99로 측정되어 전도 과정이 주로 이온적 성질을 띤다는 것을 확인하였다.
• DSC 분석 결과, 유리 전이(Tg) 및 융해(Tm) 온도가 감소하여 비정질 상 비율 증가 및 이온 이동성 향상에 기여하는 것으로 추가로 뒷받침되었다.