[논문 리뷰] Ultra-Low Temperature Li/CFx Batteries Enabled by Fast-transport and Anion-pairing Liquefied Gas Electrolytes

Yijie Yin, John Holoubek외 12명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 02.

Advanced Battery Materials and Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 빠른 이온 이동과 음이온 쌍형 용매 구조를 갖춘 디메틸에테르를 기반으로 한 액체화된 가스 전해질을 소개하며, 리튬/카본필레일라이드(Li/CFx) 배터리의 초저온 작동을 가능하게 한다. 전해질은 전하 이동 저항을 감소시켜, 50 mg/cm²의 CFx 전극이 영온도 이하에서도 1530 Wh/kg의 성능을 유지하게 하여 극한의 낮은 온도와 높은 전류 밀도 조건에서의 성능을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Lithium fluorinated carbon is one of the most promising chemistries for high-energy-density primary energy storage systems in applications where rechargeability is not required. Though Li/CFx demonstrates high energy density under ambient conditions, achieving such a high energy density when exposed to subzero temperatures remains a challenge, particularly under high current density. Here, we report a liquefied gas electrolyte with an anion-pair solvation structure based on dimethyl ether with a low melting point and low viscosity, leading to high ionic conductivity between a wide temperature range. Besides that, through systematic X-ray photoelectron spectroscopy integrated with transmission electron microscopy characterizations, we evaluate the interface of CFx for low-temperature performance. We conclude that the fast transport and anion-pairing solvation structure of the electrolyte bring about reduced charge transfer resistance at low temperatures, which resulted in significantly enhanced performance of Li/CFx cells. Utilizing 50 mg/cm2 loading electrodes, the Li/CFx still displayed 1530 Wh/kg at reduced temperature. This work provides insights into the electrolyte design that may overcome the operational limits of batteries in extreme environments.

연구 동기 및 목표

• 영온도 이하 조건에서 고에너지 밀도 Li/CFx 배터리의 열악한 저온 성능을 해결하기 위해.
• 초저온에서 이온 전도도와 전하 이동 동역학을 유지하는 데에 한계가 있는 전통적 전해질의 문제점을 극복하기 위해.
• 극한의 낮은 온도 환경에서 안정적이고 효율적인 Li/CFx 전지 작동을 가능하게 하는 새로운 전해질 시스템을 개발하기 위해.
• 고급 특성 분석 기법을 활용하여 저온에서 CFx의 계면 거동을 이해하기 위해.
• 높은 전류 밀도 조건에서 영온도 이하의 온도에서도 높은 에너지 밀도 유지 성능을 입증하기 위해.

제안 방법

• 낮은 융점과 낮은 점도를 갖춘 디메틸에테르를 용매로 사용하여 액체화된 가스 전해질을 설계 및 합성하기 위해.
• 이온 이동을 향상시키고 이온 집합을 감소시키기 위해 음이온 쌍형 용매 구조를 설계하기 위해.
• 저온에서 CFx 표면의 고체-전해질 상호면(세라믹-전해질 인터페이스, SEI)을 분석하기 위해 X선 광전자 분광법(XPS)과 투과형 전자현미경(TEM)을 활용하기 위해.
• 전해질 성능 평가를 위해 광범위한 온도 범위에서 이온 전도도와 전하 이동 저항을 측정하기 위해.
• 50 mg/cm²의 CFx 양극을 사용하여 전체 전지 제작을 통해 영온도 이하 조건에서의 에너지 밀도와 고속 운용 능력을 시험하기 위해.
• 기존 전해질과의 성능 비교를 통해 신규 시스템의 우수성을 입증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 액체화된 가스 전해질 내 음이온 쌍형 용매 구조가 초저온에서 이온 이동과 계면 전하 이동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 영온도 이하에서 CFx에 형성된 고체-전해질 상호면(SEI)이 배터리 성능에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 낮은 점도와 낮은 융점 특성을 갖는 전해질이 영온도 이하에서 높은 이온 전도도를 유지하고 고속 운용 능력을 제공할 수 있는가?
• RQ4 새로운 전해질이 극한의 낮은 온도에서 Li/CFx 배터리의 운동학적 제한을 어느 정도 완화하는가?
• RQ5 높은 전류 밀도 조건에서 영온도 이하의 온도에서 신규 전해질을 사용한 Li/CFx 전지의 도달 가능한 에너지 밀도는 얼마인가?

주요 결과

• 디메틸에테르를 기반으로 한 액체화된 가스 전해질은 낮은 점도와 낮은 융점 덕분에 넓은 온도 범위에서 높은 이온 전도도를 나타낸다.
• 음이온 쌍형 용매 구조는 이온 집합을 감소시키고 이온 이동도를 향상시켜 더 빠른 이동 동역학을 이끈다.
• XPS 및 TEM 분석을 통해 저온에서 안정적이고 이온 전도성이 우수한 계면이 CFx 표면에 형성되었음을 확인하였으며, 이는 전하 이동 저항 감소에 기여한다.
• 50 mg/cm²의 CFx 양극을 갖는 Li/CFx 전지가 영온도 이하에서도 1530 Wh/kg의 에너지 밀도를 유지함으로써 고에너지 밀도 유지 성능을 입증하였다.
• 전해질은 초저온에서 높은 전류 밀도 조건에서도 안정적인 성능을 보였으며, 기존 전해질보다 뛰어난 성능을 나타냈다.
• 빠른 이동과 음이온 쌍형 용매 구조의 조합이 저온에서 Li/CFx 배터리의 운동학적 제한을 효과적으로 극복함을 입증하였다.