Silane-Based Co-solvent for Ionic Liquid Electrolytes: Enhancing Lithium Metal Battery Stability via Solvation Rebalancing

Abstract

Ionic liquids (ILs) have attracted considerable attention as promising electrolytes for lithium metal batteries (LMBs) due to their wide electrochemical window and excellent thermal stability. However, ILs inherently possess high viscosity and sluggish lithium-ion transport properties, making the use of diluents essential to improve ionic conductivity. The commonly used diluent, 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (TTE), is electrochemically inert toward lithium ions nevertheless, it preferentially interacts with the cations of the ionic liquid and FSI anions, leading to reduced reductive stability and consequent performance degradation. In this study, a silane-based co-solvent is proposed as an alternative to the conventional diluent TTE, aiming to rebalance the solvation structure within the ionic liquid electrolyte. The silane molecule forms a weak coordination bond with lithium cations, effectively suppressing the unfavorable interactions between lithium ions and the cations or FSI anions of the ionic liquid. Such modulation of the solvation structure mitigates interfacial side reactions, promotes uniform lithium deposition, and contributes to the formation of a stable, inorganic-rich solid electrolyte interphase (SEI). Consequently, this study demonstrates that tuning the solvation structure through the introduction of a silanebased co-solvent effectively addresses molecular-level interaction issues, thereby enhancing the interfacial stability and overall electrochemical performance of lithium metal batteries.|이온성 액체는 넓은 전기화학적 안정창과 우수한 열적 안정성으로 인해 리튬 금속 전지의 유망한 전해질로 주목받고 있다. 그러나 이온성 액체는 높은 점도와 느린 리튬 이온 전달 특성을 지니고 있어, 이온 전도도를 개선하기 위한 희석제의 사용이 필수적이다. 일반적으로 사용되는 희석제 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에터(TTE)는 리튬 이온에 대해 전기화학적으로 비활성이지만, 이온성 액체의 양이온 및 FSI 음이온과 우선적으로 상호작용하여 환원 안정성 저하로 인한 성능 저하의 한계를 지닌다. 이에 본 연구에서는 이온성 액체 전해질 내 용매화 구조의 균형을 재조정하기 위한 전략으로, 기존의 희석제인 TTE 를 대체할 수 있는 실란계 공용매를 제안하였다. 실란 분자는 리튬 양이온과 약한 배위결합을 형성하며, 이온성 액체의 양이온 및 FSI 음이온들과 바람직하지 않은 상호작용을 효과적으로 억제한다. 이러한 용매화 구조의 조정은 계면 부반응을 감소시키고, 균일한 리튬의 전착을 유도하며, 무기물 기반의 안정적인 SEI 를 형성하는데 기여한다. 결과적으로, 본 연구는 실란계 공용매를 통한 용매화 구조의 조정으로 분자 수준 상호작용으로 인한 문제점을 개선하며, 리튬 금속 전지의 계면 안정성과 전체적인 전지성능을 향상시킬 수 있음을 제시한다.