Role of Sulfone Additive in Improving 4.6V High-Voltage Cycling Performance of Layered Oxide Battery Cathode

층상구조 삼성분계 <TEX>LiNi1-x-yCoₓMnyO₂</TEX> 양극활물질을 4.3 V 이상 고전압으로 충전시키면 용량 증가를 기대할 수 있으나 기존 전해액의 산화안정성이 낮아 고전압 성능 구현에 제한이 있다. 본 연구에서는 설폰계 전해액 첨가제인 dimethyl sulfone (DMS), diethyl sulfone (DES), ethyl methyl sulfone (EMS)을 사용하여 <TEX>LiNi0.5Co0.2Mn0.3O₂</TEX> 양극의 고전압 특성을 향상시키고자 한다. 본 논문은 다양한 선형 sulfone계 첨가제가 포함된 전해액에서 3.0-4.6 V 전압범위에서 양극의 충방전 특성과 양극-전해액간 계면거동과 표면층 분석에 대한 내용으로 이루어져 있다. 특히 Dimethyl sulfone (DMS) 첨가제 사용시, 50 사이클 중 <TEX>198-173mAhg⁻¹</TEX>의 방전 용량과 87%의 용량유지율을 보여 기존 전해액 대비 상당히 향상된 충방전 안정성을 보였다. 표면조성 분광분석 결과, DMS 첨가제 사용시 양극에 안정한 표면보호층이 형성되고 금속 용출이 억제되어 고전압 충방전 특성이 향상되었음 알 수 있었다. Capacity of layered lithium nickel-cobalt-manganese oxide (<TEX>LiNi1-x-yCoₓMnyO₂</TEX>) cathode material can increase by raising the charge cut-off voltage above 4.3 V vs. <TEX>Li/Li⁺</TEX>, but it is limited due to anodic instability of conventional electrolyte. We have been screening and evaluating various sulfone-based compounds of dimethyl sulfone (DMS), diethyl sulfone (DES), ethyl methyl sulfone (EMS) as electrolyte additives for high-voltage applications. Here we report improved cycling performance of <TEX>LiNi0.5Co0.2Mn0.3O₂</TEX> cathode by the use of dimethyl sulfone (DMS) additive under an aggressive charge condition of 4.6 V, compared to that in conventional electrolyte, and cathode-electrolyte interfacial reaction behavior. The cathode with DMS delivered discharge capacities of <TEX>198-173mAhg⁻¹</TEX> over 50 cycles and capacity retention of 84%. Surface analysis results indicate that DMS induces to form a surface protective film at the cathode and inhibit metal-dissolution, which is correlated to improved high-voltage cycling performance.