Investigation of the Synergistic Roles of Composite Material Design and Interface Engineering for Safe and Long-Life Lithium Secondary Batteries = 안전하고 장수명 리튬 이차 전지를 위한 복합 재료 설계 및 계면 엔지니어링의 시너지 효과 연구

국문 초록 (Abstract)

안전하고 장수명 리튬 이차전지를 위한 복합소재 설계 및 계면공학의 시너지 효과 연구 논문제출자 SSENDAGIRE KENNEDY 지 도 교 수 유선율 ( Ryou Sun Yu l ) 현대 배터리의 기원은 1800 년 이탈리아 코모에서 알레산드로 볼타(Alessandro Volta)가 최초의 전기화학 전지를 제작한 데에서 시작된다. 1차 전지가 한 번 사용 후 폐기되는 것과 달리, 2차 전지는 충전과 방전을 반복하여 재사용이 가능하다. 1991 년 소니(Sony)에 의해 상용화된 리튬이온전지(LIBs, Lithium-Ion Batteries)는 니켈-수소(Ni-MH), 니켈- 카드뮴(Ni-Cd), 납산(Pb) 전지 등 다른 2차 전지 시스템에 비해 높은 에너지 밀도, 가벼운 무게, 그리고 우수한 충·방전 효율을 지녀 두드러진다. 오늘날 리튬이온전지는 휴대용 전자기기뿐만 아니라 전기자동차(EV)와 재생에너지 기반의 에너지저장시스템(ESS)까지 폭넓게 활용되고 있으며, xviii 이러한 공헌으로 인해 리튬이온전지 기술의 개척자들은 2019 년 노벨 화학상을 수상하였다. 지속 가능한 에너지와 스마트 모빌리티로 전환하는 현대 사회에서, 고성능 2 차전지는 필수적인 요소로 자리 잡았다. 특히 자동차 산업은 차세대 리튬이온전지에 대한 수요를 견인하고 있다. 미국 첨단배터리컨소시엄(USABC)은 전기차 상용화를 위한 셀 기반 에너지 밀도 목표를 350 Wh kg⁻¹로 설정하였으나, 현재 상용 LIB의 에너지 밀도는 약 280 Wh kg⁻¹ 수준으로 여전히 목표에 미치지 못한다. 이는 1991년 최초의 80 Wh kg⁻¹ 셀에 비해 비약적인 발전이지만, 에너지 밀도와 안전성의 다음 단계로의 도약은 여전히 중요한 과제이다. 따라서 이러한 한계를 극복하고 미래 EV 및 ESS 성장을 지속하기 위해서는 새로운 고에너지 배터리 시스템의 개발이 필수적이다. 기술적 진보에도 불구하고, 상용 리튬이온전지의 기본 구성 요소인 흑연 음극, 전이금속 산화물 양극, 그리고 탄산염계 전해질은 약 0–4.5 V (vs. Li/Li⁺)의 좁은 전기화학적 안정성 구간으로 인해 여전히 큰 변화를 보이지 않는다. 지금까지의 성과는 주로 제조 공정의 개선에 기인한 것이며, 근본적인 소재 혁신은 제한적이었다. 이러한 제약을 극복하기 위해서는 기존 소재의 시너지적 통합이 필수적이다. 본 연구에서는 리튬이온전지의 에너지 밀도와 안전성, 그리고 제조 공정성을 동시에 향상시키기 위해 세 가지 상호보완적인 연구 방향을 제시하였다: (1) 세라믹 코팅 기술의 최적화를 통해 향상된 세라믹 복합 분리막을 개발하여 배터리의 안전성을 강화하였고, (2) 은-리튬금속분말(Ag–LMP) 복합 음극 시스템을 통해 리튬 금속 전극 표면의 안정성을 향상시켰으며, (3) 전해질 첨가제의 활용도를 극대화하여 음극과 양극 계면 반응을 안정화하였다. 이 세 가지 접근법을 통해 본 연구는 음극–분리막–양극 간의 균형 잡힌 기술 발전을 달성함으로써, 리튬이온전지의 에너지 밀도, 안전성, 그리고 상용화 가능성을 향상시키는 것을 목표로 한다. CHAPTER I Introduction 1.1. Overview The world faces escalating environmental pollution largely driven by rapid industrialization and fossil-fuel-based transportation. Internal combustion engine (ICE) vehicles, dominant for over a century, rely on crude oil combustion and emit harmful gases such as nitrogen oxides (NOₓ), carbon monoxide (CO), and carbon dioxide (CO2), contributing significantly to air pollution and climate change. Despite awareness of their adverse effects, ICE usage persists due to limited alternatives. However, the increasing global health concerns such as air pollution causing an estimated nine million premature deaths annually have accelerated policy shifts toward cleaner mobility [1]. Several nations, including China, Norway, the Netherlands, Germany, India, the United Kingdom, and France, have announced timelines to phase out ICE vehicle sales between 2025 and 2040. This therefore makes the emergence of rechargeable lithium-ion (Li-ion) secondary batteries a technological turning point, offering high energy density, efficiency, and rechargeability. According to the International Energy Agency, “batteries are an important part of the global energy system today and are poised to play a critical role in securing clean energy transitions.” Through widespread application in electric vehicles (EVs) and energy storage systems (ESSs), Li-ion batteries are enabling the replacement of ICEs, reducing greenhouse gas emissions, and advancing the shift toward sustainable energy [2–4]. 1.2. Battery Technology Evolution The history of battery technology dates way back to ancient civilizations where batteries served purposes such as electroplating. However, the real revolution is credited to Alessandro Volta’s groundbreaking invention of the voltaic pile creating the first electric battery at the start of the 19th century in the year AD 1800 [5]. Even though this was a great breakthrough, Volta’s

목차 (Table of Contents)

• List of Figures iv
• List of Tables xiii
• List of Schemes xiv
• List of Abbreviations xv
• 국 문 요 약 xvii
• CHAPTER I 1
• 1.1. Overview 1
• 1.2. Battery Technology Evolution 1
• 1.3. Key Components of a Lithium Secondary Battery 3
• 1.3.1. Separator materials in Li-ion Batteries 4
• 1.3.2. Li-ion Battery anode materials 5
• 1.4. Basic principles of a Battery operation 6
• 1.5. Applications of Batteries 7
• 1.6. Aim and purpose of this study 8
• References for Chapter I 14
• CHAPTER II 18
• 2.1. Abstract 19
• 2.2. Introduction 20
• 2.3. Experimental 21
• 2.3.1. Experimental Materials 21
• 2.3.2. Preparation of Aqueous Ceramic Coating Slurries 22
• 2.3.3. Evaluation of Dispersion Stability of Aqueous Ceramic Coating Slurries
• 22
• 2.3.4. Evaluation of Mixing Orders for Aqueous Ceramic Coating Slurries .. 23
• 2.3.5. Preparation of CCSs 23
• 2.3.6. Characterization of CCSs 23
• 2.3.7. Electrode Preparation 24
• 2.3.8. Electrochemical Performance Measurement 24
• 2.4. Results and discussion 25
• 2.5. Conclusions 30
• References for Chapter II 41
• CHAPTER III 45
• 3.1. Abstract 46
• 3.2. Introduction 46
• 3.3. Experimental section 48
• 3.3.1. Materials 48
• 3.3.2. Preparation of LMP-based Anodes 49
• 3.3.3. Preparation of NCM cathode 49
• 3.3.4. Visualization Cell Tests 50
• 3.3.5. Electrochemical Performance Evaluation 50
• 3.3.6. Galvanostatic Cycling of Li
• Li Symmetric Cells 51
• 3.3.7. Evaluation of Coulombic Efficiency of LMP Anode 51
• 3.3.8. Evaluation of Li+ Diffusion Coefficient and Exchange Current Density
• 52
• 3.3.9. Characterization of LMP Anode 52
• 3.4. Results and Discussion 53
• 3.5. Conclusions 62
• References for Chapter III 80
• CHAPTER IV 86
• 4.1. Abstract 87
• 4.2. Introduction 87
• 4.3. Experimental 89
• 4.3.1. Experimental Materials 89
• 4.3.2. Electrode fabrication 90
• 4.3.3. Cell Assembly 90
• 4.3.4. Electrochemical analysis 91
• 4.3.5. Characterization and postmortem analysis 92
• 4.4. Results and Discussion 93
• 4.5. Conclusion 104
• References for Chapter IV 131
• CHAPTER V 135
• 5.1. Summary of Key Findings 135
• 5.2. Contributions to the existing technology 136
• 5.3. Future Perspectives 136
• 5.4. Concluding Remarks 137
• ABSTRACT 138
• Acknowledgements 140