Design of multifunctional PAA-HQ binder for improving high-capacity silicon-graphite anode integrity

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Lithium-ion batteries (LIBs) have been the key driver for powering portable devices, electronic vehicles and stationary energy storage. Thus, silicon/graphite (Si/Gr) anode is gaining considerable attention as an anode material for LIBs due to its higher theoretical capacity (~3579 mAh g-1) than conventional graphite anode (~372 mAh g-1). However, the significant volume expansion of silicon during lithiation-delithiation process seriously deteriorates the structural stability of silicon-graphite electrode. To overcome this issue and achieve long-term cyclability, it is crucial to design functional binders that can effectively accommodate the large volume changes of silicon particles. Herein, we propose a polyacrylic acid – hydroquinone (PAA–HQ) crosslinked binder that can flexibly respond to external pressure changes by enhancing the elasticity of PAA chains. PAA is highly suitable as a binder for silicon based anodes because its abundant carboxyl groups can form hydrogen bonding interactions with the surface –OH groups of silicon particles. However, because PAA is intrinsically rigid, we designed a PAA–HQ binder by incorporating HQ, a small molecule filler that imparts flexibility to the PAA network. Furthermore, the π-π interactions between the benzene ring in hydroquinone and graphite, and hydroxyl groups and silicon leads to construction of mechanically stable Si/Gr electrode. Therefore, this binder is expected to enhance the structural integrity of silicon–graphite electrodes.

국문 초록 (Abstract)

리튬이온전지(LIB)는 휴대용 전자기기, 전기자동차, 고정형 에너지저장시스템을 구동하는 핵심 기술로 자리매김하고 있습니다. 이에 따라 기존 흑연 음극(~372 mAh g-1) 대비 훨씬 높은 이론용량(~3579 mAh g-1)을 갖는 실리콘 기반 음극이 차세대 음극 소재로 큰 주목을 받고 있습니다. 그러나 실리콘은 충·방전 과정에서 큰 부피 팽창이 일어나며, 이는 실리콘–흑연 음극의 구조적 안정성을 심각하게 저하시킵니다. 이러한 문제를 해결하고 장기적인 사이클 안정성을 확보하기 위해서는 실리콘 입자의 부피 변화를 효과적으로 수용할 수 있는 기능성 바인더의 설계가 필수적입니다.
본 연구에서는 본질적으로 강성을 띄는 폴리아크릴산(PAA)에 탄성 특성을 향상시키기 위해 소분자 하이드로퀴논(HQ)을 첨가하여 외부 압력 변화에 유연하게 대응할 수 있는 PAA–HQ 가교 바인더를 설계하였습니다. PAA는 풍부한 카르복실기를 통해 실리콘 표면의 –OH 그룹과 강한 수소결합을 형성할 수 있어 실리콘 기반 음극에 적합한 선형 바인더입니다. 또한 하이드로퀴논의 벤젠 고리는 흑연과 π–π 스태킹을 통해 흑연 표면과 강한 상호작용을 합니다. 또한 –OH기는 실리콘 입자 표면뿐만 아니라 PAA의 카르복실기와 수소 결합을 통해 기계적으로 안정한 Si/Gr 음극 구조 형성에 기여합니다. 따라서 본 바인더는 실리콘–흑연 음극의 부피팽창으로 인한 전극 두께 변화를 억제하고, 전극의 탈리를 완화하여 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대합니다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Lithium-ion Batteries and Silicon Graphite (Si/Gr) Anode 1
• 1.2 Challenges of Silicon Graphite (Si/Gr) Anode 3
• 1.3 Necessity of Binder Modification 5
• 1.4 Objective 7
• Chapter 2. Experimental 9
• 2.1 Material preparation 9
• 2.2 Fabrication of PAA-HQ binder 9
• 2.3 Electrode fabrication 9
• 2.4 Cell assembly 10
• 2.5 Electrochemical measurements 11
• Chapter 3. Result and Discussion 12
• 3.1 Chemical structure characterization of PAA-HQ binder 12
• 3.2 Physical Properties of the PAA and PAA-HQ binder 16
• 3.3 Electrode Properties 21
• 3.4 Electrochemical Data 23
• 3.5 Post-mortem analysis 32
• Chapter 4. Conclusion 37
• References 39
• Korean Abstract 44