Studies on Advanced 𝑳𝒊𝟑𝑽𝟐(𝑷𝑶𝟒)𝟑 Enabled by DNA Wrapped Multi-Walled Carbon Nanotubes and Its Titanium Doping Application = DNA로 감긴 다중벽 CNT와 티타늄 도핑을 적용한 고성능 𝑳𝒊𝟑𝑽𝟐(𝑷𝑶𝟒)𝟑 전극 소재 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper provides a general introduction to lithium-ion batteries, discusses the importance and effectiveness of coating and doping, and further explores the cathode materials of lithium-ion batteries. Among the cathode materials, 𝐿𝑖3𝑉2(𝑃𝑂4)3(LVP) is selected as the active material, and multi-walled carbon nanotubes together with DNA are integrated to promote structural stability and enhance performance. The NASICON (Na super ionic conductor) structure LVP has two structures: monoclinic and rhombohedral, and monoclinic has three lithium phases. Among them, when the monoclinic structure is used as an electrode material, two types of lithium ions are desorbed at 3-4.3 V and one more type of lithium ion is desorbed at 4.3-4.8V, and the theoretical capacities are 133 mA/g and 197 mA/g, respectively. However, there are various side effects at high voltages. For this reason, synthesizing batteries with stable structures is essential to improve performance. Moreover, they are insulating materials, and their extremely low electrical conductivity (≈ 10−9 𝑆/𝑐𝑚) presents an additional challenge. Therefore, they are trying to improve their performance by coating them with carbon or doping them with other metals. In this paper, we propose a new LVP synthesis method using multi-walled carbon nanotubes, DNA, and titanium to solve that problem revolutionarily. We propose a method to dramatically improve the low electrical conductivity of LVP, in which vanadium of LVP is partially substituted with titanium and the doping ratio of titanium was set to maximize performance without damaging the structure. And single-stranded DNA-wrapped multi-walled carbon nanotube (CNT-DNA) through the π-π interaction of carbon nanotubes and DNA are applied in titanium doped LVP (LVTP), it is named 𝐿𝑖3𝑉1.8𝑇𝑖0.2(𝑃𝑂4)3(LVTP@CNT-DNA) that can obtain much more stable structure and improved performance as a battery.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 리튬 이온 배터리에 대한 전반적인 개요를 제시하고,코팅과 도핑의 중요성과 효과를 논의하며, 리튬 이온 배터리의 양극소재를 심층적으로 탐구한다. 양극 물질 중에서 𝐿𝑖3𝑉2(𝑃𝑂4)3(LVP)를 활성물질로 선정하였으며, 구조적 안정성을 향상시키고 성능을 개선하기 위해 다중 벽 탄소 나노 튜브(MWCNT)와 DNA를 결합하였다. NASICON(Na super ionic conductor) 구조를 갖는 LVP는 단사정계(monoclinic)와 마름모계(rhombohedral) 두 가지 구조가 존재하며, 그중 단사정계 구조는 세 종류의 리튬 상을 가진다. 단사정계 구조를 전극 소재로 사용할 경우, 3–4.3 V에서 두 종류의 리튬 이온이 탈리되고, 4.3–4.8 V에서 한 종류의 리튬 이온이 추가로 탈리되며, 이론적 용량은 각각 133 mA/g와 197 mA/g이다. 그러나 고전압에서는 다양한 부작용이 발생할 수 있다. 이러한 이유로 성능 향상을 위해 구조적으로 안정한 배터리 소재의 합성이 필수적이다. 또한 LVP는 부도체 물질로 전기전도도가 매우 낮고(≈10⁻⁹ S/cm), 이는 추가적인 문제를 야기한다. 따라서 일반적으로 탄소 코팅 또는 금속 도핑을 통해 성능 개선을 시도하고 있다. 본 논문에서는 이러한 문제를 근본적으로 해결하기 위해 MWCNT, DNA, 그리고 티타늄을 활용한 새로운 LVP 합성 방식을 제안한다. LVP의 바나듐 일부를 티타늄으로 치환하여 낮은 전기전도도를 획기적으로 개선하고자 하였으며, 구조적 손상이 발생하지 않는 범위에서 최적의 티타늄 도핑 비율을 설정하였다. 또한 단일 가닥 DNA가 π–π 상호작용을 통해 MWCNT에 감긴 형태(CNT-DNA)를 티타늄 도핑 된 LVP(LVTP)에 도입하여, 보다 안정한 구조와 향상된 전기화학적 성능을 확보하였다. 최종 합성된 물질은 𝐿𝑖3𝑉1.8𝑇𝑖0.2(𝑃𝑂4)3 (LVTP@CNT-DNA)로 명명되며, 배터리 소재로서 구조적 안정성과 성능이 크게 향상된 것으로 나타났다.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1. Introduction 9
• 1.1 Lithium-ion batteries 9
• 1.2 Energy Storage Mechanism of Li-ion Batteries 11
• 1.2.1 Cathode 11
• 1.2.2 Anode 11
• 1.2.3 Electrolyte 11
• 1.2.4 Separator 12
• 1.3 Various types of different form factors of lithium-ion batteries 14
• 1.3.1 Coin cell 14
• 1.3.2 Pouch cell 17
• 1.3.3 Cylindrical Cell and Prismatic Cell 19
• 1.4 Performance investigations for lithium-ion batteries by using coating and doping 21
• 1.4.1 Coating and doping process 21
• 1.4.2 Electrochemical advantage of coating and doping utilizing characterization methods 23
• 1.5 MWCNT-DNA network by applying π–π stacking interactions 36
• CHAPTER 2. Characteristics and performance of LVTP@CNT-DNA using MWCNT, ssDNA, and titanium 39
• 2.1 Introduction 39
• 2.2 Experiment 43
• 2.2.1 Fabrication of CNT-DNA 43
• 2.2.2 Synthesis of LVTP@CNT-DNA 45
• 2.3 Results and discussion 47
• 2.3.1 Characteristics of morphology and structure 47
• 2.3.2 Electrochemical performance of LVTP@CNT-DNA 55
• CHAPTER 3. Conclusion and future direction 63
• 3.1 Conclusion 63
• 3.2 References 65
• 국문초록 70