Engineering Surface-Modified Silicon and Block Copolymer: Synthesis, Characterization, and Application to Active Materials and Blend Binders for Lithium Secondary Batteries = 표면 개질된 실리콘 및 블록 공중합체의 합성과 특성 평가, 그리고 리튬 이차 전지의 활물질 및 블렌드 바인더로서의 응용에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 표면 개질된 실리콘 및 블록 공중합체의 합성과 특성화를 다루며, 이를 차세대 리튬 이차 전지의 활성 물질 및 블렌드 바인더 로서의 응용을 제시하였다. 첫째로, 실리콘(Si)은 높은 용량과 에너지 밀도로 인해 차세대 배터리의 유망한 음극 활성 물질로 간주되지만 충방전 중 실리콘의 상당한 부피 변화는 전극의 구조 붕괴를 초래하여 급격한 용량 감소를 일으킨다. 본 논문에서는 강한 다중 수소결합을 통해 Si 음극의 접착력과 탄성을 증진시키는 우레이도피리미디논(UPy) 기능화 Si (Si-UPy) 활성 물질을 제시한다. 우리는 Si 및/또는 Si-UPy를 포함하는 Si 기반 음극의 기계적 성질을 체계적으로 조사하며, 탄성과 전기화학적 성능 간의 강한 상관관계를 확립했다. Si-UPy를 포함하는 Si 기반 음극은 더 큰 접착력과 탄성을 가지며 개선된 전기화학적 성능을 보였다. 특히, 최적의 Si-UPy 함량을 가진 가장 탄성이 높은 Si 기반 음극은 다른 Si 기반 음극보다 작은 접착력에도 불구하고 최적의 물리적 교차 결합 밀도로 인해 가장 우수한 전기화학적 성능을 보였다. 따라서 최적의 Si-UPy 함량을 가진 가장 탄성이 높은 Si 기반 음극은 개질하지 않은 Si 음극 및 더 큰 Si-UPy 함량을 가진 다른 Si 기반 음극에 비해 향상된 장기 충방전 성능 및 속도 성능을 보였다.
둘째로, 높은 에너지 밀도, 용량 및 경제적 경쟁력으로 인해 황은 차세대 리튬 이차 전지의 유망한 음극 활성 물질로 여겨지고 있다. 그러나 충방전 중 불안정한 음극 구조, 낮은 전자 및 이온 전도성, 액체 전해질로의 폴리설파이드 유출은 리튬-황 배터리의 낮은 충방전 성능을 초래했다. 본 논문에서는 아크릴산과 폴리에틸렌 글리콜 메틸 에테르 아크릴레이트를 기반으로 한 트라이블록 공중합체(BCP)와 폴리아크릴산(PAA)을 혼합하여 음극의 접착 특성과 전기화학적 동력학을 증진시키는 블렌드 폴리머 바인더를 소개한다. 우리는 BCP와 PAA의 혼합량과 음극의 접착 특성 및 황의 분포 사이의 상관관계를 분석하였고, 최적의 BCP 함량은 가장 향상된 접착 특성을 제공하며 최고의 충방전 성능 및 전기화학적 동력학과 일치하는 것으로 관찰되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study presents synthesis and characterization of surface modified silicon and block copolymer and their application to active materials and binder compatibilizers for next-generation lithium secondary batteries. Firstly, silicon (Si) is regarded as a promising anode active material for next-generation batteries due to its high capacity and energy density. However, its substantial volume changes during cycling lead to structural collapse of the electrode, causing rapid capacity decay. In this study, we present ureidopyrimidinone (UPy) functionalized Si (Si-UPy) active material that enhances the adhesion and elasticity of the Si anode through strong multiple hydrogen bonding. We systematically investigate the mechanical properties of Si-based anodes containing Si and/or Si-UPy with different mixture compositions, establishing a strong correlation between elasticity and electrochemical performance. The Si-based anodes containing Si-UPy showed improved electrochemical performances with larger adhesion strength and elasticity. Especially, the most elastic Si-based anode containing optimum Si-UPy content demonstrates the best electrochemical performance despite having smaller adhesion strength than the other Si-based anodes having larger Si-UPy content due to the optimum physical cross-linking density, highlighting the importance of elasticity in Si-based anodes. Consequently, the most elastic Si-based anode with optimal Si-UPy content exhibits significantly improved long-term cycling performance and rate capability compared to the neat Si anode and the other Si-based anodes having larger Si-UPy content.
Secondly, sulfur, due to its high energy density, capacity, and economic competitiveness, is considered as a potential cathode active material for next-generation lithium secondary batteries. However, unstable cathode structure during cycling, low electronic and ionic conductivity, and the leaching of polysulfides into the liquid electrolyte result in poor cycling performance of lithium-sulfur batteries. In this study, we present a blend polymer binder that enhances the mechanical integrity and electrochemical kinetics of the cathode by blending polyacrylic acid (PAA) with a triblock copolymer (BCP) based on acrylic acid and polyethylene glycol methyl ether acrylate as a compatibilizer. We analyzed the correlation between the content of BCP blended with PAA, the cathode's mechanical integrity and the distribution of sulfur. It was observed that the optimal amount of BCP provided most improved mechanical integrity corresponded with the best cycling performance and electrochemical kinetics.

목차 (Table of Contents)

• 1장 1
• 1.1. Challenges of Lithium Secondary Batteries 2
• 1.2. Active Materials for Silicon Anodes 4
• 1.3. Polymeric Binders for Cathode in Lithium Sulfur Batteries 5
• 1.4. Motivation 6
• 1.5. References 8
• 2장 16
• 2.1. Introduction 17
• 2.2. Experimental 20
• 2.3. Results and Discussion 26
• 2.4. Conclusions 42
• 2.5. References 43
• 3장 89
• 3.1. Introduction 90
• 3.2. Experimental 93
• 3.3. Results and Discussion 99
• 3.4. Conclusion 113
• 3.5. References 114
• 한글 초록 151