Weakly Coordinating Diluent–Enabled Localized High-Concentration Electrolytes for Low E/S Li–Sulfurized Polyacrylonitrile (Li–SPAN) Batteries

리튬–황(Li–S) 배터리는 풍부하고 저렴한 황의 높은 이론용량을 바탕으로 차세대 고에너지 전지로 주목받고 있다. 그러나 기존 황–탄소 양극은 황을 탄소 구조에 물리적으로 담아 사용하므로 충/방전 중 용해성 lithium polysulfide가 형성되고, 이들이 이동하며 활물질 손실과 부반응을 일으킨다. Sulfurized polyacrylonitrile(SPAN)은 황을 PAN 유래 골격에 화학적으로 결합시켜 polysulfide의 용해와 이동을 크게 억제한다. 이에 따라 polysulfide 제어의 부담은 줄고 Li ion transport와 lithium metal interface 안정성이 주요 전해질 설계 요소가 된다. 특히 높은 cell-level energy density를 위해서는 불활성 질량인 전해질 사용량을 줄여야 하므로, 황 질량당 전해질 부피인 electrolyte-to-sulfur ratio(E/S)를 낮추는 것이 중요하다.
본 연구에서는 고농도 전해질의 유리한 국소 구조를 유지하면서 희석제로 점도와 염 사용량을 낮추는 localized high-concentration electrolyte(LHCE) 개념을 적용하였다. 또한 weakly coordinating diluent(WCD) 개념에 착안하여, Li⁺와 약하게 배위하는 bis(2,2,2-trifluoroethoxy)methane(BTFM)과 기존 non-coordinating diluent인 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether(TTE)를 비교하였다. E/S=5μL/mg 조건에서 0.5 C로 cycling한 결과, BTFM을 희석제로 사용한 전해질은 TTE를 사용한 전해질보다 높은 용량과 안정적인 cycling을 나타냈다. 이는 low E/S Li–SPAN에서 희석제의 배위 특성이 성능을 좌우하는 핵심 설계 변수임을 보여주며, lean-electrolyte 전해질 설계의 기준을 제시한다.