실리콘 기반 음극을 활용하여 건식 전극 공정에 적용 가능한 새로운 바인더의 활용 방법 및 전략

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, the structural and electrochemical properties of PAA and PVDF-HFP were systematically analyzed to develop a new binder system applicable to dry-electrode fabrication for next-generation high-capacity anode materials. XRD, Raman, FT-IR, and FIB-SEM analyses confirmed that the two polymers individually exhibited excellent interfacial adhesion (PAA) and mechanical stability (PVDF-HFP), and when mixed in a binary form, they formed a complementary structure with mitigated crystallinity and enhanced interfacial conformability. Furthermore, the PAA/PVDF-HFP combination achieved a uniform electrode structure and stable binder distribution in the dry electrode manufactured using a Hot-press process, even without PTFE. Electrochemical evaluation results showed that PAA-based electrodes exhibited low polarization and high initial capacity due to their excellent wettability, while the PAA/PVDF-HFP electrode secured the highest structural stability and capacity retention (88.19% after 60 cycles) in long-term cycling tests. Furthermore, full-cell experiments paired with an NCM811 cathode secured stable cycling performance at a level of 88% over 150 cycles in a sulfide-based all-solid-state battery system, confirming the scalability of the dry electrode.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 실리콘 기반 음극을 활용하여 건식 전극을 제조하고자 할 때 PTFE, PVDF와 같은 기존의 바인더 사용을 대체할 수 있는 바인더를 탐색하여 적용하는 방안을 제안하였다. 기존에 건식 전극 제조 공정용 바인더로 많이 쓰이는 PTFE의 경우 전단력에 의해 고분자 사슬이 재배열 되어 섬유화가 되는 원리를 활용하여 하나의 Free-standing 전극을 만듦으로써 용매를 사용하지 않고도 전극을 만들 수 있게 되는 것이다. 하지만 PTFE의 경우 전기화학적 안정 창 범위가 좁아 낮은 LUMO Level을 가지게 되어 실리콘이나 흑연과 같은 음극 활물질 전압 구동 범위에서 분해가 되어 C-F 결합이 끊어지는 문제를 불러 일으킨다. 뿐만 아니라 PTFE의 강한 C-F 결합으로 낮은 표면에너지를 가져 집전체와의 결합력을 약하게 하고 최근 들어서 PFAS 규제에 따른 F가 포함된 불소계 바인더 사용을 줄이는 방향으로 연구가 진행된다는 점을 고려하여 PTFE를 대체할 만한 바인더를 탐색하는 방안을 모색하였다. 따라서 실제 연구에서는 PAA를 기반으로 하되, 이를 상호보완 할 수 있는 PVDF-HFP를 활용하여 서로 Blending한 형태의 바인더를 설계하였다. 위 바인더를 활용하여 건식 전극을 제조하였고, 이렇게 만들어진 전극의 기본적인 전기화학적 특성 및 SEM and EDS를 통해 전극의 단면분석을 진행하였고, XRD, RAMAN , FT-IR을 통한 바인더로 활용할 고분자의 구조적 특성 분석도 진행하여 실제 결합 구조도 확인하여 PTFE 단점을 보완할 수 있는 부분도 확인할 수 있었으며 Peel off test 및 Folding test를 통해 위 내용을 증명할 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 New binder utilization methods and strategies applicable to dry electrode processes using silicon-based anode 1
• 제 1 절 Introduction 1
• 제 2 절 Experimental 4
• 제 3 절 Why were these two binders selected? 7
• 제 1 항 Intrinsic properties of the binder 7
• 제 2 항 Thermal properties of the binder 9
• 제 4 절 Structural characterization of the binder 15
• 제 5 절 Electrochemical Performance 23
• 제 6 절 Conclusion 32
• 제 7 절 Supporting imformation 33
• 참고문헌 36
• Abstract 43