물

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2154(2023) 이 기사 인용

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염수 전해질은 수성 리튬 이온 배터리를 기존 리튬 이온 배터리의 안전 문제/문제를 극복할 수 있는 가장 유망한 후보 중 하나로 발전시켰습니다. 전해질의 Li-염 농도를 간단히 증가시키면 수성 전해질의 전기화학적 안정성 창을 2V 이상으로 성공적으로 확장할 수 있습니다. 그러나 필요한 안정성 개선을 위해서는 삼원 전해질의 복잡성이 증가해야 합니다. 여기에서는 수성 Li[TFSI] 혼합물의 공용매 시스템으로서 새로운 제미니형 이온성 액체(GIL)의 효과를 조사하고 결과 전해질의 수송 특성과 전기화학적 성능을 조사했습니다. 피롤리디늄 기반 GIL을 포함하는 장치는 일반적으로 사용되는 전극 재료 LTO(Li4Ti5O12) 및 LMO(LiMn2O4)를 기반으로 하는 셀에서 탁월한 순환 안정성과 유망한 비용량을 보여줍니다.

높은 안전성과 함께 지속 가능한 소재를 기반으로 한 고성능 재충전 배터리에 대한 수요가 증가함에 따라 수분 함유 전해질에 대한 연구가 진행되었습니다1,2,3,4. 처음에는 물 자체의 좁은 전기화학적 창으로 인해 에너지 밀도가 낮기 때문에 수성 전해질을 피했습니다. 물 분해 문제는 Suo 등의 획기적인 발견으로 성공적으로 극복되었습니다. 고농축 수성 전해질을 적용한 곳6. 실제로 소금 농도는 너무 높아서 실온 수화 용융염으로 간주될 수 있습니다. 가장 일반적으로 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(Li[TFSI])를 기반으로 하는 염수 전해질(WISE)에서는 가용성 감소로 인해 물과 리튬 양이온 사이의 강한 상호 작용으로 인해 수분 활성이 감소합니다. "무료" 물6,7,8,9. 특히, 높은 농도의 염은 물 분자와 염 음이온의 열역학적 상태를 직접적으로 지시하여 전기화학적 거동에 영향을 미칩니다. 최근에는 WISE의 안정성에 대한 열역학적 효과의 중요성이 더욱 엄격하게 다루어졌습니다. 리튬 이온에 대한 물 분자의 강한 배위는 이웃 물 분자가 없기 때문에 분자 내 O-H 결합을 강화시켜 결과적으로 전기화학적 안정성에 영향을 미칩니다. 더욱이, 양극에서 고체 전해질 간기(SEI)의 형성과 관련된 간접적인 운동 효과가 존재할 수도 있습니다6,12. 이러한 맥락에서, 특히 높은 농도에서 Li+와 강력하게 상호작용하는 음이온으로 [TFSI]를 사용하면 음이온 유래 SEI13의 형성을 선호하는 것으로 입증되었습니다. 이러한 효과의 시너지 효과는 리튬 이온 배터리(LIB)4,6,14의 WISE에 대해 약 2.5V의 전기화학적 안정성 창(ESW)을 향상시키는 것으로 주장되었습니다. 그러나 ESW의 추가 증가는 리튬염의 용해도에 의해 제한되는 것으로 관찰되었으며, 이는 또한 포화 문제로 인해 원치 않는 결정화 문제를 일으켰습니다9,15. 잠재적인 해결책으로 WISE에 여러 염 또는 공용매를 도입하는 것이 성공적으로 적용되었습니다. 이 접근법은 리튬 양이온 주위에 물이 부족한 용매화 껍질을 형성하여 수분 활성을 더욱 감소시키고 SEI의 형성을 촉진하려는 아이디어에 의해 주도되었습니다. 리튬염과 다양한 과불소화 음이온의 조합을 도입하는 이중염 접근법 및 공융 혼합물 분야의 광범위한 연구를 통해 물 kg(60m)당 최대 60몰의 소금에 대한 용해도를 허용했으며, 그 결과 ESW는 > 3.5 V4,16,17,18로 향상되었습니다. 그러나 이러한 유형의 유체의 점도는 상당히 높아서 물질 이동이 더 느려지고 그에 따라 전하 이동이 감소됩니다. 그 후, 다양한 연구 그룹에서는 디메틸 카보네이트19, 아세토니트릴20 및 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르21와 같은 공용매를 사용하여 음극 전압 한계를 확장하고 리튬염의 용해도를 높이는 데 성공했습니다. 생성된 전해질이 불연성이더라도 제조 공정에서는 사용된 공용매의 휘발성 및 가연성 문제에 여전히 직면해 있으며, 이는 내구성 있는 LIB에서 이 전략을 구현하는 데 주요 단점을 구성합니다.