Carbon-binder domain difference between dry and wet electrodes

국문 초록 (Abstract)

생산성, 비용 효율성과 환경적 이점으로 인해 건식 공정은 에너지 밀도가 높은 리튬이온 배터리를 제작하기 위한 유망한 전략으로 부상하여 관련 연구가 활발히 이루어지고 있으나, 그 미세구조의 특성과 전기화학적 성능에 미치는 영향은 아직 충분히 규명되지 않았다. 본 연구에서는 넓은 전극 밀도 범위에 걸친 NCM 양극을 카본 블랙 도전재 기반으로 건식 공정과 습식 공정을 통해 각각 제작하여 체계적으로 비교함으로써, 제작 공정에 의해 유발되는 도전재-바인더 도메인 (CBD)의 형태학적 차이가 전자 전도, 이온 전도, 그리고 전기화학적 거동에 미치는 영향을 보였다. 건식 전극은 PTFE 기반 섬유 구조에 의해 본질적으로 낮은 굴곡도를 보이는 반면 성근 분포로 인한 전자 전도 연결망 형성이 비효율적이었으며, 습식 전극은 PVdF와 카본 블랙의 도메인이 활물질 입자 사이에 조밀하게 형성되어 전해질 침투를 저해하지만 높은 밀도의 전자 전도 연결망을 형성하였다. 전극 밀도 증가에 따라 습식 전극의 경우 기공 구조 악화와 함께 전기화학적 성능 감소가 나타났으며, 건식 전극의 경우 CBD 활용도와 사이클 안정성이 향상되었지만, CBD의 조밀화 과정에서 이온 저항이 증가하여 상충관계가 발생하였다. 이러한 결과는 건식 전극에서 CBD 설계가 전극의 성능과 연관된 핵심적인 인자임과 동시에, 이를 향상시키기 위한 전략의 필요성을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Solvent-free processing with fibrous PTFE binder has emerged as a promising strategy for manufacturing the lithium-ion battery with thick electrodes owing to its cost-effectiveness and environmental advantages; however, its microstructural characteristics and their implications for electrochemical performance remain insufficiently understood. In this study, we systematically compare dry and wet electrodes with NCM active material across a wide range of densities to elucidate how fabrication-induced variations in carbon-binder domain (CBD) morphology govern electronic conduction, ionic transport, and electrochemical behavior. Dry electrodes exhibited inherently low tortuosity due to the fibrous PTFE-based network. In contrast, the formation of an efficient electronic conduction network was limited by the sparse distribution of conductive additives. Wet electrodes formed PVdF@CB domains between active material particles, which hindered electrolyte infiltration, but enabled a highly interconnected electronic network. With increasing electrode density, wet electrodes showed a deterioration in pore structure accompanied by an overall decline in electrochemical performance. Meanwhile, dry electrodes exhibited improved CBD utilization and enhanced cycling stability. Nevertheless, the concurrent densification of the CBD increased ionic resistance, giving rise to the trade-off with rate capability. These results demonstrate that CBD design is a critical performance-determining factor in dry electrodes and underscore the need for dedicated strategies to improve CBD effectiveness.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Experimental 6
• 2.1 Materials Preparation 6
• 2.2 Electrode Fabrication Process 6
• 2.3 Characterization 8
• 2.3.1 Scanning Electron Microscopy (SEM) 8
• 2.3.2 Electrode Resistance Measurement System 8
• 2.3.3 Indentation 8
• 2.3.4 Mercury Intrusion Porosimeter (MIP) 8
• 2.3.5 X-Ray Diffraction (XRD) 9
• 2.3.6 Cell Assembly 9
• 2.3.7 Electrochemical Measurement 9
• Chapter 3. Results and Discussion 11
• 3.1 Microstructural Morphology of Electrodes 11
• 3.2 Electrode Properties 14
• 3.2.1 Conductive Additive Utilization 14
• 3.2.2 Mechanical Characteristics 16
• 3.2.3 Pore Structure of Electrodes 20
• 3.3 Electrochemical Data 24
• 3.3.1 The Behavior of Cycling Stability 24
• 3.3.2 IR-drop behavior by pulse measurements 34
• Chapter 4. Conclusion 37
• Reference 39
• Appendix 45
• Korean abstract 50