Design of Dynamic Covalent Gel Polymer Electrolytes for Reprocessable Lithium Metal Batteries = 재가공 가능한 리튬메탈배터리를 위한 동적 공유 결합 기반 겔 고분자 전해질 설계

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The development of energy storage devices has led to a proportional increase in the generation of end-of-life batteries. Consequently, the amount of discarded electrolytes and lithium salts is also rising, necessitating the establishment of effective recovery and reuse strategies. In particular, polymer electrolytes based on permanent covalent bonds face limitations in terms of reprocessability and recyclability. To overcome these challenges, this study introduces dynamic covalent polymer electrolyte systems, designed using Diels–Alder reactions. The Diels–Alder-based polymer electrolyte was designed by introducing crosslinking points through covalent bonding between furan and maleimide groups. The optimized polymer electrolyte （CAE62） exhibited a high ionic conductivity of 1.4 × 10−3 S/cm at room temperature and excellent mechanical robustness with a shear modulus of 1.1 × 105 Pa. Moreover, due to its thermally reversible characteristics, the CAE62 electrolyte demonstrated self-healing behavior via retro-Diels–Alder reactions at 80°C, effectively restoring its structure after damage. In addition, the polymer matrix was simultaneously employed as a cathode binder to fabricate composite electrodes. By enabling interfacial self-healing between the composite electrode and the polymer electrolyte, the system achieved enhanced interfacial stability, and a higher specific capacity compared to conventional cathodes.

국문 초록 (Abstract)

증가하는 에너지 저장 장치들의 사용량에 따라 폐배터리의 발생량도 비례하여 증가하고 있다. 이에 따라, 폐배터리 내 전해질 및 리튬 염의 폐기량 역시 늘어나고 있기 때문에 폐배터리 자원의 재사용 및 회수에 대한 개발이 필요하다. 특히, 영구 공유 결합 기반의 고분자 전해질은 재가공 및 재사용에 한계를 가지고 있기 때문에 본 연구에서는 Diels-Alder 반응을 이용한 동적 공유 결합 기반의 고분자 전해질 시스템을 준비했다. Diels-Alder 기반의 고분자 전해질은 Furan 과 Maleimide 의 공유 결합을 통해 가교점을 형성하여 설계했다. 최적화된 고분자 전해질（CAE62）은 상온에서 높은 이온 전도도（1.4 × 10-3 S/cm）와 우수한 기계적 견고성（1.1 × 105 Pa）을 보여주었고, 열적 가역 특성을 가진 CAE62 전해질은 80 °C 에서 역반응을 통해 손상된 전해질의 자가 치유 특성을 보였다. 또한, 고분자 매트릭스를 양극의 바인더로써 동시 사용하여 복합 전극을 제작했으며, 복합 전극과 고분자 전해질 계면 사이에서 자가 치유를 유도하여 향상된 계면 안정성과 기존 양극 대비 높은 단위 무게당 용량을 가졌다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Introduction of solid/gel polymer electrolytes 1
• 1.2 Introduction of covalent adaptable network-based electrolyte 4
• 1.3 References 7
• Chapter 2. Integrated Self-Healing Electrolyte-Binder Design via Diels-Alder Chemistry for Recyclable Lithium Metal Batteries 9
• 2.1 Introduction 9
• 2.2 Results and Discussion 14
• 2.2.1 Design of Covalent Adaptable Electrolytes （CAEs） 14
• 2.2.2 Probing Thermal Reversibility and Network Stability of CAE 25
• 2.2.3 Reutilization of Recovered LiTFSI in CAE 37
• 2.2.4 CAE Solvation Structure and Its Impact on Electrochemical Stability 45
• 2.2.5 Li+ Migration Within CAE and Across the Li Metal Interface 55
• 2.2.6 Interfacial and Cycling Stability of CAE in Li Metal Cells 71
• 2.2.7 Enhanced Full Cell Performance via CAN-Induced Interfacial Stabilization 82
• 2.2.8 Repair and Reprocess Using Self-Healing Properties 98
• 2.3 Conclusions 108
• 2.4 Experimental Section 111
• 2.4.1 Materials 111
• 2.4.2 Preparation of CAEs 112
• 2.4.3 Preparation of R-Li-CAE62 113
• 2.4.4 Electrode （LFP, H-LFP, C-LFP, HC-LFP, and NCM622） Preparation 114
• 2.4.5 Characterizations 115
• 2.5 References 119