Thermostable Liquid Electrolytes Composed of Pyrrolinium-based Ionic Liquids and Carbonates for Lithium-ion Batteries

Abstract

높은 출력, 큰 에너지 용량과 밀도를 가진 리튬이온전지는 전자장치의 가장 보편적인 에너지원으로 사용되어 왔다. 또한, 리튬이온전지는 전기자동차가 필요로 하는 출력과 에너지 용량을 충족시킬 수 있는 가장 유력한 후보로 지목되어 왔다. 전기자동차에서는 엄청난 양의 열이 발생되기 때문에, 리튬이온전지의 열 안정성이 전기자동차 전체 안전성을 결정하는 가장 중요한 요소가 될 것이다. 따라서 리튬이온전지를 구성하는 전해질의 열 안정성이 매우 중요하다. 현재 리튬이온전지에 사용되는 전해질인 카보네이트는 열 안정성이 매우 떨어지기 때문에, 전지를 구성하는 다른 요소들과 예상치 못한 반응을 일으킬 가능성이 있고, 또한 전지의 부분적인 과열로 인해 화재나 폭발까지 도달할 수 있다. 이에 따라, 불연성, 낮은 증기압, 높은 열 안정성과 이온 전도도, 넓은범위에서의 전기화학적 안정성을 보이는 이온성 액체가 리튬이온전지의 전해질로써 제안되어 왔다. 본 논문에서는 가연성인 카보네이트의 사용양을 줄이는 것을 목표로 하여, 이온성 액체와 카보네이트를 혼합시켜 열 안정성이 향상된 전해질을 개발하는데 초점을 두었다. 이온성 액체를 도입함에 따라 카보네이트의 양이 줄어, 리튬이온전지의 열 폭주 현상의 위험이 줄어들 뿐만 아니라, 이온성 액체의 가격측면의 단점을 보완해 줄 수 있을 것으로 생각된다. 이온성 액체 1-ethyl-2-methoxy-pyrrolinium bis(fluorosulfonyl)imide (E(OMe)Pyrl-FSI)에 1 M lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide(LiTFSI)를 녹인 전해질과 카보네이트 전해질 (1M LiPF6 in EC/EMC=3/7(v/v) +3.0% VC)을 혼합하여, 이온성 액체가 혼합 전해질의 20, 40, 60, 80 wt%가 되도록 하였다. 혼합 전해질을 이용해 열중량 분석과 가연성 실험을 진행하여, 혼합 전해질의 열 안정성과 난연성을 확인하였고, 상온(25 ℃)과 고온(60 ℃)에서의 점도와 이온전도도를 측정하였다. 그리고 혼합 전해질의 전기화학적으로 안정한 범위를 측정하였고, 최종적으로 상온(25 ℃)과 고온(60 ℃)에서 각각 50회 충•방전 실험을 통해 혼합 전해질이 적용된 반쪽전지의 성능을 평가(1 C)를 하였다. 상온(25 ℃)에서는 카보네이트 전해질이 적용된 반쪽전지가 가장 높은 가역용량을 나타냈으나, 고온(60 ℃)에서는 이온성 액체와 혼합 전해질이 적용된 반쪽전지가 카보네이트 전해질 반쪽전지보다 더 높거나, 비슷한 수준의 가역용량을 나타내었다.