Advanced single-walled carbon nanotube dispersants for high energy density lithium-ion batteries

국문 초록 (Abstract)

고에너지 밀도 리튬 이온 배터리를 구현하기 위해서는 견고한 전도성 네트워크의 개발이 필수적이나, 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)의 심각한 응집 현상은 공정상 큰 난제로 작용하고 있다. 이를 해결하기 위해, 본 연구에서는 합리적으로 설계된 올리고머 분산제(PCA)와 시너지 효과를 발휘하는 하이브리드 시스템(PCA@CMC)을 제안하였다.
핵심적으로, PCA의 히드록실기는 CMC 바인더와의 수소 결합 네트워크 형성을 촉진하고 있다. 이러한 "분자 가교(Molecular bridging)" 효과는 고분자 사슬의 엉킴을 효과적으로 완화하여, 슬러리의 점도를 낮추고 우수한 유변학적 특성을 확보하게 하였다. 최적화된 전도성 네트워크는 탁월한 전기화학적 성능을 입증하였다. 구체적으로 향상된 율속 특성을 갖춘 LFP 후막 전극을 가능하게 하였으며, 실리콘 음극에 대해서는 기계적 완충 역할을 수행하여 수명 안정성을 획기적으로 개선하였다. 본 연구는 차세대 에너지 저장 시스템의 발전을 위한 범용적인 분산 전략을 제시하고 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The development of robust conductive networks is imperative for realizing high-energy-density lithium-ion batteries; however, the severe agglomeration of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) poses a significant processing challenge. To address this, a rationally designed oligomeric dispersant (PCA) and a synergistic hybrid system (PCA@CMC) are proposed. Crucially, the hydroxyl groups of PCA facilitate the formation of a hydrogen-bonding network with the CMC binder. This "molecular bridging"
effectively mitigates polymer entanglement, resulting in reduced slurry viscosity and superior rheological properties. The optimized conductive network demonstrated exceptional electrochemical performance: it enabled the fabrication of high-loading LiFePO4 cathodes with enhanced rate capability and provided mechanical buffering for silicon anodes, significantly improving cycling stability. This study presents a versatile dispersion strategy for advancing
next-generation energy storage systems.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Research Background 1
• 1.1.1 Importance of Developing Lithium-Ion Batteries for EVs & ESS 1
• 1.1.2 Strategies for High-Energy Density Lithium-Ion Batteries 3
• 1.1.3 Advanced Requirements for Conductive Networks 9
• 1.1.4 Advantages and Challenges in SWCNTs 12
• 1.2 Limitations of Conventional CNT Aqueous Dispersants 15
• 1.2.1 Surfactant-based Dispersions 15
• 1.2.2 Polymer-based Dispersions 17
• 1.3 Research Objective and Outline 19
• Chapter 2. Experimental Section 21
• 2.1 Electrode Fabrication 21
• 2.2 Electrochemical Test 24
• 2.3 Material Characterization 25
• Chapter 3. Results and Discussion 26
• 3.1 Design of SWCNT Dispersant 26
• 3.2 Characterization of SWCNT Dispersion 29
• 3.2.1 Verification of Interaction Mechanism 29
• 3.2.2 Dispersion Stability 35
• 3.2.3 Rheological Properties 38
• 3.3 Electrochemical Performance 41
• 3.3.1 LiFePO4 Cathode 41
• 3.3.2 Silicon Anode 51
• Chapter 4. Conclusion 63