실리콘 음극의 안정성 향상을 위한 디카르복실산 첨가에 의한 CMC 바인더의 가교화 연구 = Crosslinking CMC Binders by addition of dicarboxylic acids to enhance cycle stability of Silicon Anodes

국문 초록 (Abstract)

전기차(EV)와 에너지저장시스템(ESS)의 급격한 성장으로 인해 고에너지밀도 리튬이온전지에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 요구를 충족하기 위해 높은 이론용량(≈4200 mAh g⁻¹)과 낮은 작동전위를 갖는 실리콘(Si) 음극이 차세대 유망 음극 소재로 주목받고 있다.
그럼에도 불구하고 실리콘의 높은 리튬 저장 능력은 충·방전 과정에서 약 300–400%에 달하는 극심한 부피 팽창을 경험하며, 이는 전극 균열, 전도 네트워크 붕괴, 그리고 집전체로부터의 박리를 유발하여 전기화학적 성능을 크게 저하시키는 주요 원인이 된다. 이러한 문제를 극복하기 위해 계면 안정화, 기능성 바인더 개발, 표면 개질 등 다양한 접근법이 시도되어 왔다.
본 연구에서는 Si 음극의 구조적 및 전기화학적 안정성을 향상시키기 위한 간단하고 효율적인 전략을 제시한다. 기존의 카복시메틸셀룰로오스(CMC) 기반 고분자 바인더에 유기 소분자를 도입하여 단순 열처리를 통해 교차결합 구조를 형성하였다. 이러한 교차결합 바인더는 실리콘 나노입자의 부피 팽창을 효과적으로 억제함과 동시에 도전재 및 집전체와의 전기적 접촉을 유지함으로써 사이클 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• LIST OF TABLES ⅲ
• LIST OF FIGURES ⅳ
• ABSTRACT ⅶ
• CHAPTER 1. Introduction
• 1. 1 Lithium-ion batteries 1
• 1. 2 Materials Engineering Strategies for Silicon Anodes 6
• 1. 3 Binder systems for silicon anodes 9
• 1. 3. 1 Conventional binders 11
• 1. 3. 2 Cross-linking binders 14
• CHAPTER 2. Engineering a TPA-Based Cross-Linked Binder for Stable Silicon Anodes
• 2. 1 Introduction 17
• 2. 2 Experimental procedures 21
• 2. 2. 1 Materials 21
• 2. 2. 2 Preparation of the Si Electrode 21
• 2. 2. 3 Characterization 22
• 2. 2. 4 Electrochemical Measurements 24
• 2. 3 Results and Discussion 25
• 2. 3. 1 Synthesis and Characterization 25
• 2. 3. 2 TPA Ratio Optimization 32
• 2. 3. 3 Comparison of Crosslinkers 46
• 2. 4 Conclusions 59
• REFERENCES 62
• 요 약 (국 문) 64