Electrochemical and interfacial behavior of Ni-rich cathodes with functional electrolyte additives at high voltage for lithium ion battery

국문 초록 (Abstract)

Ni-rich 양극재 표면에 vinylene carbonate(VC), fluoroethylene carbonate(FEC), 1,3-propanesultone(PS)와 같은 대표적인 전해질 첨가제에 의해 형성된 양극 전해질 계면층(CEI)의 전기화학적 및 계면 거동을 고전압 조건에서 조사하였다.
NCM의 에너지 밀도를 향상시키기 위해서는 높은 컷오프 전압이 필수적이다. 그러나 높은 컷오프 전압은 심각한 전해질 산화를 유발하며, 이로 인해 NCM은 열화를 겪고 급격한 용량 감소가 발생한다.

저전압 환경(4.5 V)에서는 첨가제들이 효과적인 CEI를 형성하여 전해질 산화를 억제함으로써 사이클 성능을 향상시킨다. 컷오프 전압이 4.9 V로 증가함에 따라 PS는 여전히 효과적인 거동을 보인다. 반면, VC와 FEC는 더 이상 양극 표면을 보호하지 못하며, 전극은 심각한 열화를 겪게 된다.

이러한 현상의 주요 원인은 고전압에서 발생하는 CEI의 붕괴로 판단되며, 이는 순환 전압 전류법(CV), 전기화학 임피던스 분광법(EIS), X선 광전자 분광법(XPS) 분석을 통해 확인되었다.

결론적으로, PS는 고전압(4.9 V)에서도 CEI 형성을 통해 전해질 산화를 효과적으로 억제할 수 있는 반면, VC와 FEC는 CEI 붕괴로 인해 고전압(4.9 V) 조건에서는 효과적이지 않다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The electrochemical and interfacial behavior of the cathode electrolyte interphase (CEI) formed on Ni-rich cathode by representative electrolyte additives such as vinylene carbonate (VC), fluoroethylene carbonate (FEC), and 1,3-propanesultone (PS) is investigated at high voltage. To increase energy density of the NCM, a high cutoff voltage is essential. However, high cutoff voltage induces severe electrolyte oxidation and the NCM suffers from degradation, resulting in rapid capacity fading. In a low voltage environment (4.5V), additives improve cycling performance by forming effective CEI, which suppresses electrolyte oxidation. As the cutoff voltage increases (4.9V), PS is still effective. In contrast, VC and FEC no longer protect the surface, causing electrode to undergo severe degradation. The main cause of this phenomenon is the collapse of CEI at high voltage, as shown by cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy. In conclusion, PS can suppress electrolyte oxidation by CEI formation even at high voltage (4.9V). However, VC and FEC are not effective at high voltage (4.9V) because of CEI collapse.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Background Theory 3
• 2.1 Lithium-Ion Battery System 3
• 2.2 Layered Ni-rich Cathode 4
• 2.3 Electrolyte 5
• 2.4 Cathode Electrolyte Interphase 6
• Chapter 3. Experimental Methods 7
• 3.1 Electrolyte and Cell Fabrication 7
• 3.2 Physicochemical Analysis 10
• 3.3 Electrochemical Test of Constant Current (CC)-10 Cyclic Voltammetry (CV) cycling 11
• 3.4 Additional Electrochemical Analyses 13
• Chapter 4. Results and Discussion 14
• 4.1 Electrochemical Performance at Various Voltage 14
• A. Electrochemical Characterization Using the CC-10CV Test 14
• B. Additional Electrochemical Analyses 16
• 4.2 Interfacial Behavior of CEI at Various Voltage 23
• Chapter 5. Conclusions 34
• References 35