최근 범지구적 기후변화 문제에 대응하기 위해 전 세계 각 나라에서 탄소 중립 정책을 수립하고 추진하고 있다. 이에 따라, 이산화 탄소 발생량이 높은 내연기관 자동차를 대체할 수 있는 전기 자동차 (electric vehicles, EVs) 수요가 증가하고 있으며 전기 자동차의 에너지원으로 사용되는 리튬 이온 배터리 (lithium ion batteries, LIBs)가 주목받고 있다. 전기 자동차 주행거리 확대 요구에 따라 높은 에너지 밀도를 갖는 LIBs 개발 필요성이 커지고 있다. LIBs 에너지 밀도는 용량과 전압의 곱으로 이루어지며 이러한 요소들은 양극과 음극 소재에 의해 결정되므로 높은 용량을 확보할 수 있는 소재에 대한 연구가 진행되고 있다. LiNixCoyMnzO2 (NCM) 양극 소재는 기존 LiCoO₂ (LCO) 양극소재의 Co 대신 Ni과 Mn으로 치환하여 용량과 안정성을 높인 소재이다. 특히, 용량을 발현하는 Ni의 함량을 80% 이상으로 높인 Ni-rich NCM은 높은 용량 (190 mA h g-1)을 발현하여 고에너지 밀도를 갖는 배터리에 적합하다. 반면, 상용화된 흑연 (graphite, C6) 음극소재는 우수한 수명특성을 갖고 있지만 단위 질량당 부피가 크고 372 mA h g-1의 낮은 용량을 갖는다. Si계 음극소재는 흑연보다 10배 이상의 높은 이론 용량 4200 mA h g-1을 가져 고 에너지밀도 음극 소재로 주목 받고 있다. 그러나 부피팽창이 크게 발생하여 활물질 미분화 문제로 수명 저하가 발생한다. 부피팽창을 완화하기 위해 SiO₂를 Si 소재와 혼합한 SiOx 음극 소재 개발이 진행되었지만 부피팽창에 의한 수명 특성 저하는 극복해야할 문제이다.

Ni-rich NCM 양극 소재와 SiOx 음극 소재는 고용량 소재지만 전해액과 계면 불안정성으로 인해 열화가 빠르게 진행되어 수명특성이 저하되는 공통적인 문제가 있다. Ni-rich NCM은 충전 과정에서 산화된 불안정한 Ni4+ 이온이 전자가 풍부한 전해액 용매에서 전자를 받아 환원되려고 하는 성질이 강하다. 이 과정에서 전해액 부반응이 발생하여 수명특성이 하락된다. 또한, SiOx는 심각한 부피 변화로 인해 활물질 미분화와 전해액 부반응이 지속적으로 발생하여 수명 특성이 감소된다.

본 논문에서는 고 에너지밀도 Ni-rich NCM, SiOx 소재의 계면 안정성을 높이기 위해 양극 계면에는 cathode electrolyte interphase (CEI)를, 음극 계면에는 solid electrolyte interphase (SEI)를 형성하여 수명 특성을 확보하고자 하였다. 제 1 장에서는 LIBs의 배경과 구성요소에 대해 설명하였으며 특히, Ni-rich NCM 양극소재와 SiOx 음극 소재의 구동 방식 및 장단점에 대해 기술하였다.

제 2 장에서는 Ni-rich NCM의 계면 안정성을 향상시키기 위해 TiO₂와 H₃BO₃를 코팅 물질로 도입하여 수명 특성을 확보하였다. 간단한 열처리 건식 방법으로 Ni-rich NCM 계면에 T와 B가 포함된 다기능성 CEI를 형성하였다. 형성된 Ti-O 및 B-O 기반 CEI는 전해액 부반응 억제, 잔류리튬 감소, 비가역적 상전이 억제 및 microcrack 완화 효과로 고온에서 전기화학적 평가 결과 코팅 처리하지 않은 Ni-rich NCM 대비 100번째 사이클 용량 유지율을 21.9%p 향상시켰다.

제 3 장에서는 SiOx 음극 소재의 계면 안정성을 향상시키고자 전해액 첨가제 1,1,2,2-Tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (TFE)를 도입하였다. 전해액 첨가제 TFE는 많은 fluorine을 포함하여 SiOx 계면에 LiF 기반 SEI를 형성할 수 있다. LiF 기반 SEI는 기계적 강성이 높아 부피팽창을 완화할 수 있으며 전자 터널링을 효과적으로 막아 SEI의 전자 전도도를 낮추어 전해액 부반응 억제 효과가 우수하다. TFE에 의해 생성된 SEI가 SiOx 음극의 활물질 미분화와 전해액 부반응 그리고 crack 형성을 억제하여 계면 안정성을 향상시켜 고온 전기화학적 평가에서 첨가제가 없는 기본 전해액 대비 TFE 첨가제 도입 시 100번째 사이클 용량 유지율이 17.6%p 향상되었다.