Tris(pentafluorophenyl)silane 전해질 첨가제를 통한 양극과 음극의 수명 특성 향상

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 화학생물공학부, 2014. 2. 오승모.Abstract Since lithium ion battery is commercialized, it has been expanding its application from IT mobile device to EV. This tendency is demanding much higher energy density of lithium ion battery. Higher energy density strategy is classified into 2 methods. They are increasing capacity and increasing voltage. Voltage increase is reviewed by so many researchers. To do this, it uses high voltage cathode materials without changing the existing low voltage anode. There is a barrier to apply for high voltage cathode materials, it is electrolyte oxidation. And also, it is still remained reductive stability of electrolyte, which has been a problem. So, it is necessary to jump out these problems. To overcome this obstacle, it is most favorable to use electrolyte additive. So many additives are reported to effect on graphite, but few additives are reported to effect on high voltage cathode materials. For example, VC additive shows very good performance on graphite, but it could be applied to high voltage cathode any more due to oxidation stability. So, there is a need to develop additive for high voltage cathode materials and it showed good effect on low voltage anode like graphite. So, this research is to develop electrolyte additive for both cathode and anode. TPFPS showed good cycle performance and coulombic efficiency than additive-free electrolyte. This effect is confirmed by EIS, XPS spectra. Film resistance mitigation is the main factor of TPFPS effects during cycling. It was confirmed by XPS data, through film thickness of LiNi0.5Mn1.5O4, and inorganic component of anode each.요 약(국문초록) 리튬 이차 전지가 상용화된 이래로, IT 모바일 기기에서부터 EV에 이르기 까지 그 수요가 널리 확대되고 있다. 이러한 경향에 따라, 리튬 이차 전지는 더욱 높은 에너지 밀도를 낼 수 있도록 요구되고 있다. 전지의 에너지 밀도를 높일 수 있는 방법은 용량을 증가시키는 방법과 전압을 올리는 방법이 있는데, 많은 연구자들이 전압을 올리는 방법을 많이 시도 하고 있다. 더 높은 작동 전압에서 구동하는 전지를 만들려면, 기존의 저전압 음극은 그대로 사용하는 가운데, 양극의 작동 전압을 높여야 한다. 그런데, 고전압 양극을 적용시키기 위해서는 기존의 전해질이 산화되는 문제점에 직면해 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 가격과 공정상의 이점 때문에 전해액 첨가제를 사용하는 방법이 가장 선호되고 있다. 그런데, 저전압 전극을 위한 첨가제는 많이 개발되어 있으나, 고전압 양극을 위한 첨가제는 아직까지 별로 알려진 것이 없다. 기존에 음극에서 좋은 성능을 보였던 VC같은 첨가제는 고전압 양극에 적용시킬 때, 산화 안정성 때문에 더 이상 사용할 수 없게 되었다. 따라서, 이번 연구는 양극과 음극의 수명을 동시에 향상시키고자 하는 전해액 첨가제의 개발에 관한 것이다. Tris(pentafluorophenyl)silane 첨가제는 양극과 음극의 수명과 효율을 동시에 향상시켜 줄 수 있음을 보여주었다. TPFPS 효과를 한 마디로 요약하자면, 충∙방전 과정에서 일어나는 양극과 음극의 저항 증가를 동시에 완화시켜 줄 수 있다는 것이다. 이러한 결과는 XPS data를 통해, 양극의 경우 증가된 LiNi0.5Mn1.5O4 피막의 두께를 분석함으로써, 음극은 증가된 무기물 성분을 분석함으로써 그 효과를 입증할 수 있었다.Contents 1. Introduction ............................................................................................................................................... 1 2. Background for Lithium ion battery ..................................................................................................... 7 2.1. Cathode material – LiNi0.5Mn1.5O4 ........................................................................................... 7 2.2. Anode material – Natural graphite ............................................................................................ 9 2.3. Electrolyte ................................................................................................................................... 11 3. Experimental........................................................................................................................................... 12 3.1. Preparation of electrolyte ......................................................................................................... 12 3.2. Electrode preparation ............................................................................................................... 12 3.2.1. LiNi0.5Mn1.5O4 ............................................................................................................... 12 3.2.2. Natural graphite ............................................................................................................. 13 3.3. Electrochemical analysis ......................................................................................................... 13 3.4. Spectroscopic analysis ............................................................................................................. 15 4. Results and discussion .......................................................................................................................... 16 4.1. Additive effects on LiNi0.5Mn1.5O4 ........................................................................................ 16 4.1.1. Cycle life and coulombic efficiency .......................................................................... 16 4.1.2. TPFPS reaction aspects on LiNi0.5Mn1.5O4 .............................................................. 20 4.1.3. Comparison of resistance ............................................................................................ 24 4.1.4. Film thickness analysis ................................................................................................ 29 4.2. Additive effects on natural graphite ....................................................................................... 35 4.2.1. Cycle life and coulombic efficiency .......................................................................... 35 4.2.2. TPFPS reaction aspects on Graphite ......................................................................... 36 4.2.3. Comparison of resistance ............................................................................................ 43 4.2.4. Comparison of SEI components ................................................................................ 43 5. Conclusion .............................................................................................................................................. 51Maste