All‐Solid‐State Lithium–Organic Batteries Comprising Single‐Ion Polymer Nanoparticle Electrolytes

Boram Kim, Haneol Kang, Kyoungwook Kim, Rui‐Yang Wang, Moon Jeong Park*

 

지난 반 세기간의 리튬 전지 기술의 지속적인 발전으로 인해 전 인류는 "모바일” 세대를 살고 있다. 향상된 에너지 밀도, 긴 전지 수명, 빠른 충전, 안전한 구동을 보장하는 차세대 전지의 개발이 지속적으로 요구되고 있으며 특히, 전지의 구성요소들의 독성이 사회적 이슈로 부각되면서, 미래 전지에 환경친화적인 구성요소의 사용이 선택이 아닌 필수로 여겨지고 있다. 현재까지 개발된 이차전지 중 이러한 요구사항을 모두 충족하는 경우는 존재하지 않으며, 본 연구진은 전고체상 리튬-유기 전지의 개발을 통해 이러한 목표를 달성하고자 하였다. 본 연구에서는 커피에서 쉽게 얻을 수 있는 caffeic acid(카페인산)을 원료로 하여 합성한 polyvinyl catechol (P4VC) 고분자를 양극재로 사용하여 자연 친화성을 확보하였고, 단일 이온 전도성 고분자 나노입자를 전해질로 사용하여 고속 충방전 특성을 부여하였다. P4VC 고분자 양극재는 3.1 V와 3.5 V에서 환원전압을 보였으며, 352 mAh g^-1 의 높은 방전 용량을 입증하였다. 고체상의 단일 이온 고분자 나노입자 전해질은 0-5.5 V의 전압구간에서 높은 전기 화학적 안정성의 확보를 가능케 하였고 특히, 0.99의 높은 리튬전이개수, 10^-3 S cm^-1 단위의 높은 이온전도도, 광역 온도범위에서의 안정적인 기계적 강도(>10⁶ Pa 이상의 저장탄성률)를 동시에 달성하였다는 사실이 매우 고무적이다. 본 연구실에서 새롭게 합성한 친환경 P4VC 양극재와 단일이온 고분자 나노입자 전해질을 기반으로한 리튬전지는 794 mA g^-1의 매우 높은 전류밀도에서는 500 사이클동안 100 mAh g^-1 이상의 안정적인 방전 용량을 보였다. 이는 전고체상의 리튬-유기 전지의 고속 충방전의 첫번째 성공사례로 고무적이며, 차세대 리튬 전지 개발에 나아가야 할 바를 제시했다고 판단된다. 본 결과는 Wiley 저널 ChemSusChem에 게재되었으며 표지논문으로 선정되었다.

 

Advances in lithium battery technologies necessitate improved energy densities, long cycle lives, fast charging, safe operation, and environmentally friendly components. This study concerns lithium–organic batteries comprising bioinspired poly(4‐vinyl catechol) (P4VC) cathode materials and single‐ion conducting polymer nanoparticle electrolytes. The controlled synthesis of P4VC results in a two‐step redox reaction with voltage plateaus at around 3.1 and 3.5 V, as well as a high initial specific capacity of 352 mAh g^-1. The use of single‐ion nanoparticle electrolytes enables high electrochemical stabilities up to 5.5 V, a high lithium transference number of 0.99, high ionic conductivities, ranging from 0.2×10^-3 to 10^-3 S cm^-1, and stable storage moduli of >10 MPa at 25–90 °C. Lithium cells can deliver 165 mAh g^-1 at 39.7 mA g^-1 for 100 cycles and stable specific capacities of >100 mAh g^-1 at a high current density of 794 mA g^-1 for 500 cycles. As the first successful demonstration of solid‐state single‐ion polymer electrolytes in environmentally benign and cost‐effective lithium–organic batteries, this work establishes a future research avenue for advancing lithium battery technologies.