Design of Polymer-grafted Carbonaceous Materials for High-energy-density Lithium-based Batteries

Abstract

리튬 이온배터리(LIBs)는 현재 재생 에너지 산업에서 매우 필수적이다. 하지만, LIBs는 낮은 용량, 가연성, 낮은 분산성으로 인한 불균일한 사이클 성능 등의 단점을 가지고 있다. 전기 자동차의 긴 주행거리를 위한 높은 에너지 밀도를 가진 배터리 시스템에 대한 요구가 매우 증가하고 있으므로 LIBs의 단점을 해결하기 위한 연구가 많이 이루어지고 있다. 전극의 구성 요소 중 하나인 도전재로 널리 쓰이는 카본 블랙과 카본 나노 튜브는 활물질에 전자를 전달하여 전극의 전자전도성을 증가시키는 역할을 한다. 이런 도전재는 용매에 분산되기 어려운 물리적 구조를 지니고 있기 때문에 이를 해결하면서 전극의 성능을 향상시키는 연구가 필수적이다. 현 연구는 그래프팅 방식을 활용하여 고분자로 개질된 도전재를 개발하였고 해당 소재를 고용량 전극에 (1) Si 음극을 위한 물리적 적용과 (2) Ni-rich NCM 양극을 위한 화학적 적용 2가지 방향으로 접근하였다. 도전재에 고분자가 성공적으로 개질되었는지는 SEM 및 FT-IR, TGA, XPS로 확인하였다. 고분자로 개질된 도전재는 수용액에서 매우 우수한 분산성과 장기간 안정적인 분산상태를 유지하였다. 또한, 고분자로 개질된 도전재는 용매의 고분산성을 가지고 있기 때문에 전극에 적용되었을 때 균일한 사이클 성능에 긍정적인 역할을 하였으며 충전/방전과정 중 발생하는 활물질의 구조적 변화를 물리적/화학적 효과로 완화시킬 수 있었다.

Lithium-ion batteries (LIBs) are an essential choice for the renewable energy industry. However, LIBs have still drawbacks that should be enhanced by revising low capacity, flammability, and low dispersibility which results in uneven cycle performance. The demands for high energy density have increased owing to the long driving range of electric vehicles. To increase electrode properties, conductive agents (e.g., carbon black, carbon nanotube) play a role in transferring electrons to the active materials and making the electrode conductive. Since conductive agents have a physical structure that is difficult to be dispersed in a solvent, research to improve the performance of the electrode while solving the problem of conductive agents is essential. Herein, we develop polymer-grafted conductive agents (polymer-g-conductive agents) by using a grafting process and apply these materials to the electrodes with high capacity in two strategic directions: (1) physical approach of Si anode, and (2) chemical approach of Ni-rich NCM cathode. The successful functionalization is examined by SEM, FT-IR, TGA, and XPS. The polymer-g-conductive agents exhibit excellent dispersibility in aqueous solutions and steady dispersion for a long time. In addition, polymer-g-conductive agents influence stable cycling performance with high dispersibility, and the structural changes of active materials during cycles are relieved by physical and chemical effects.