Uniform conductive network in fully dry-processed electrodes enabled by direct carbon nano tube coating on Ni-rich active material

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Solvent-free dry processing for lithium-ion batteries (LIBs) is a promising next-generation technology poised to replace conventional slurry-based wet processing, which is hindered by high energy consumption during drying, significant infrastructure costs, and environmental concerns regarding toxic solvents like N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). However, a critical challenge in fabricating dry-processed electrodes lies in the non-uniform dispersion of conductive additives. This agglomeration leads to high internal resistance and inferior electrochemical performance. We propose a fully dry process strategy involving the direct dry-coating of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) onto the LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2 (NCM811) active material surface prior to electrode fabrication. This approach effectively suppresses MWCNT agglomeration and establishes a uniform three-dimensional conductive network with minimal additive content. MWCNT coated electrode demonstrates superior electrical conductivity and a more uniform resistance distribution compared to its conventionally dry-mixed counterpart. Consequently, it exhibits outstanding rate capability, attributed to the formation of superior ion transport pathways, and excellent cycling stability, achieving 86.6% capacity retention after 300 cycles at a high areal capacity of 5 mAh cm⁻². Furthermore, it mitigates the formation of dead lithium when cycled to a high upper-cutoff voltage of 4.5 V, delivering exceptional capacity retention. This work demonstrates that the direct dry-coating of conductive additives onto active materials is a highly effective strategy for realizing high-performance, solvent-free electrode manufacturing.

국문 초록 (Abstract)

리튬 이온 배터리(LIB)의 무용매 건식 공정은 기존의 슬러리 기반 습식 공정을 대체할 수 있는 유망한 차세대 기술로 주목받고 있습니다. 하지만 건식 전극 제작 시 용매가 없어 도전재의 균일한 분산이 어렵다는 한계가 있습니다. 이러한 도전재의 응집 현상은 높은 내부 저항과 전기화학적 성능 저하를 초래합니다. 본 연구에서는 전극 제조에 앞서 다중 벽 탄소 나노 튜브를 활물질 표면에 직접 건식 코팅하는 완전 건식 공정 전략을 제안합니다. 이러한 접근 방식은 MWCNT의 응집을 효과적으로 억제하며, 최소한의 첨가제 함량만으로도 균일한 3차원 전도성 네트워크를 구축합니다. MWCNT가 코팅된 전극은 기존의 건식 혼합 방식과 비교하여 우수한 전기 전도성과 더욱 균일한 저항 분포를 나타냅니다. 결과적으로, 이는 최적화된 이온 수송 경로 형성에 기인한 뛰어난 율속 특성을 보여주며, 5 mAh cm-2의 높은 면적당 용량 조건에서 300 사이클 후 86.6%의 용량 유지율을 달성하는 등 탁월한 사이클 안정성을 입증하였습니다. 또한, 4.5V의 높은 상한 컷오프 전압 조건에서도 데드 리튬(dead lithium)의 형성을 완화하여 이례적인 용량 유지 성능을 제공합니다. 본 연구는 활물질에 도전재를 직접 건식 코팅하는 것이 고성능 무용제 전극 제조를 실현하기 위한 매우 효과적인 전략임을 시사합니다

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Increasing demand for lithium-ion batteries 1
• 1.2 Increasing demand for high-energy-density and low-cost batteries 2
• 1.3 Limitations of conventional wet-slurry process 3
• 1.4 Advantages and limitations of solvent-free dry process 5
• 1.5 Aim of this research 8
• 2. Experimental 10
• 2.1 Preparation of MWCNT-coated active material 10
• 2.2 Battery assembly and electrochemical measurements 11
• 2.3 Characteristics 13
• 3. Results & discussion 15
• 3.1 Comprehensive characterization of the MWCNT-coated cathode Materials 15
• 3.1.1 Dry MWCNT-coated active material 15
• 3.1.2 SEM and TEM analysis 18
• 3.1.3 Surface Chemical and Structural Characterization 20
• 3.1.4 Quantitative Evaluation of CNT Coating on NCM811 22
• 3.2 Structural uniformity and comparative analysis of dry-processed electrodes 24
• 3.3 Composite resistivity 27
• 3.4 Comparative Analysis of Ionic Transport Kinetics 30
• 3.5 Rate capability test 33
• 3.6 DC-IR test 37
• 3.7 HPPC test 39
• 3.8 Suppression of Electrochemical Degradation via Robust Conductive Network Construction 42
• 3.9 Investigation of Degradation Mechanism via Ex-situ XRD Analysis 48
• 3.10 Comparative Analysis of Electrode Stability under Aggressive 4.5 V Cut-off Conditions 52
• 3.11 Ex-situ XRD Analysis under Aggressive 4.5 V Cut-off Conditions 57
• 4. Conclusion 60
• Reference 62
• 논문요약 69