레이저 접합된 셀룰로스 - 카본 나노튜브 나노복합체를 이용한 실리콘 음극용 3 차원 스캐폴드에 관한 연구 = Three-dimensional Scaffold of Silicon anodes using laser-Welded Cellulose-Carbon Nanotube Nanocomposites for High-Performance Lithium-Ion Batteries

국문 초록 (Abstract)

리튬이온 배터리(LIBs)는 최근 전기차 및 에너지 저장 시스템과 같은 고에너지 저장 애플리케이션에 채택되고 있다. 에너지 밀도, 충전 속도, 그리고 장기 수명 특성 측면에서 시장의 요구를 충족시키기 위해, 양극과 음극 소재의 선택이 광범위하게 연구되어 왔다. 특히, 실리콘(Si) 기반 음극은 높은 이론적 용량으로 인해 많은 주목을 받았으며, LIBs의 전기화학적 성능 희생 없이 기존의 마이크로 크기의 실리콘을 활용하는 음극 구조에 대한 관심이 증가하고 있다. 본 논문에서는 친환경적이고 지속 가능한 제조 방법을 통해 유칼립투스 펄프의 셀룰로오스와 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT) 나노복합체의 얽힌 네트워크로 구성된 실리콘 음극을 위한 새로운 고전도성 3차원 스캐폴드를 보고한다. 추가적인 바인더나 첨가제 없이 기계적 혼합 공정을 사용하여 수성 Si/C-CNT 음극 슬러리의 안정적인 분산이 구현되었다. 특히 50 wt% 실리콘 함량의 Si/C-CNT는 기존의 코팅 공정과 우수한 호환성을 보였으며 29 S cm-2의 높은 전기 전도도를 나타냈다. 또한, 공기 분위기에서 IR 레이저 (λ=1070 nm)를 조사하여 구리 집전체 위의 건조된 Si/C-CNT 음극을 국부적으로 급속 가열하는 방법을 최초로 제안한다. XRD, XPS 및 TEM 분석에 따르면, 레이저 처리는 실리콘 음극에 대한 SWCNT의 나노 용접과 셀룰로오스의 열분해를 유도하여 실리콘 함량을 50 wt%에서 89.5 wt%로 증가시킴과 동시에 면 저항은 9.6에서 7.2 Ω sq-1로 감소시키며, 비표면적은 16.9에서 77.1 m2g-1로 증가시켰다. 레이저 처리된 음극의 구조 분석은 광열 전환 효과를 통해 실리콘 입자 표면에 Si-C 및 Si-O-C의 공유 결합이 생성되었음을 확인했다. LIBs의 전기화학적 성능에서, 레이저 처리된 Si/C-CNT 음극은 Pristine Si/C-CNT 음극에 비해 3.0 C-rate에서 37%의 용량 유지율 증가를 보였고, 1.5 A g−1 전류밀도 하에서 100회 사이클 테스트 후 2배 이상의 용량 유지율을 나타냈다. 본 논문은 Si/C-CNT 복합 음극에 대한 레이저 처리가 새로운 전도성 스캐폴드로서의 미세 구조와 리튬화/탈리튬화 사이클 중 LIB 내에서의 전기화학적 거동에 미치는 영향에 주목하고자 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Lithium-ion batteries (LIBs) have recently been widely adopted for high-energy storage applications such as electric vehicles and energy storage systems. To meet market demands for energy density, fast charging capability, and long-term cycle life, the selection of cathode and anode materials has been extensively researched. In particular, silicon(Si)-based anodes have received significant attention due to their high theoretical capacity, leading to growing interest in anode structures that utilize conventional micron-sized silicon without sacrificing the electrochemical performance of LiBs. Herein, we report a novel highly conductive 3D scaffold for silicon anodes composed of an entangled network of eucalyptus pulp cellulose and single-walled carbon nanotube(SWCNT) nanocomposites via an eco-friendly and sustainable manufacturing method. Stable dispersion of the aqueous Si/C-CNT anode slurry was achieved using a mechanical mixing process without additional binders or additives. Notably, the Si/C-CNT with a 50wt% silicon content demonstrated excellent compatibility with conventional coating processes and exhibited a high electrical conductivity of 29 S cm-1. Furthermore, we propose a method for locally rapid heating of the dried Si/C-CNT anode on a copper current collector by irradiating an IR laser(λ=1070㎚) in an air atmosphere. According to XRD, XPS, and TEM analysis, the laser treatment induced nano-welding of SWCNTs and thermal decomposition of cellulose within the silicon anode, this simultaneously increased the silicon content from 50wt% to 89.5%, decreased the sheet resistance from 9.6 to 7.2 Ω sq⁻¹, and increased the specific surface area from 16.9 to 77.1 m² g⁻¹. Structural analysis of the laser-treated anode confirmed the formation of Si-C and Si-O-C covalent bonds on the surface of silicon particles through the photothermal conversion effect. Regarding the electrochemical performance of LIBs, the laser-treated Si/C-CNT anode showed a 37% increase in capacity retention at 3.0 C-rate compared to the pristine Si/C-CNT anode and exhibited more than double the capacity retention after a 100-cycle test under a current density of 1.5 A g⁻¹. This study highlights the impact of laser treatment on the Si/C-CNT composite anode, specifically focusing on its microstructure as a novel conductive scaffold and its electrochemical behavior with LIBs during lithiation/delithiation cycles.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 실험 4
• 2.1 Si/C-CNT composite materials 4
• 2.2 Characterization of the Si/C-CNT film 4
• 2.3 Fabrication process of the laser treated Si/C-CNT anode electrode 6
• 2.4 Fabrication of Li-ion battery (LIB) using laser - treated Si/C-CNT anode electrode 7
• 3. 결과 및 고찰 9
• 3.1 실리콘/셀룰로스 카본 나노튜브(Si/C-CNT )나노복합체 용액 특성 9
• 3.2 레이저 처리된 Si/C-CNT 나노복합체의 구조적 특성 24
• 3.3 레이저 처리된 Si/C-CNT 나노복합체의 형태학적 특성 39
• 3.4 Si/C-CNT 나노복합체 내부의 실리콘 카바이드 (SiC) 생성 메커니즘 48
• 3.5 레이저 처리된 Si/C-CNT 복합 음극의 특성 54
• 3.6 레이저 처리된 Si/C-CNT 복합 음극을 적용한 리튬이온 배터리의 성능 62
• 4. 결론 78
• 5. 참고문헌 80
• 6. 출판된 논문 목록 84
• (Abstract) 85