고에너지 리튬이온배터리를 위한 향상된 안정성과 자기소화 특성을 갖는 강화분리막의 기능성 인터레이어 설계 = Functional Interlayer Design for Reinforced Separators with Enhanced Stability and Self-extinguishing Properties toward High-energy Li-ion Batteries

국문 초록 (Abstract)

리튬이온배터리는 높은 에너지 밀도와 우수한 사이클 특성으로 인해 다양한 산업 분야에서 폭넓게 활용되고 있다. 전기차 및 휴대용 전자기기의 발전에 따라 고성능 배터리에 대한 요구가 증가하면서, 에너지 밀도 향상을 위한 활물질 비율 증대가 중요한 과제로 부상하였다. 이와 동시에 안정성을 확보하기 위한 분리막의 역할이 더욱 중요해지고 있다. 그러나 상용 폴리올레핀(polyolefin) 분리막은 낮은 열적 안정성과 제한적인 전해질 친화성으로 인해 고에너지 배터리 환경에서 한계를 갖는다. 본 연구에서는 기능성 불소계 고분자를 기반으로 코팅 및 가교 공정을 적용하여 기계적 강도, 열적 안정성, 전해질 친화도를 향상시키는 기능성 인터레이어를 설계하였다. 이를 통해 기능성 코팅층을 갖는 고성능 분리막을 개발하고자 하였다. 또한 소재의 갖는 효과를 극대화하는 동시에 코팅 과정에서 발생할 수 있는 구조적 결함을 최소화하여, 적용 소재에 최적화된 제막 조건을 도출하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Lithium-ion batteries are widely used due to their high energy density and reliable cycling performance. As demand for high-performance batteries in electric vehicles and portable electronic devices grows, increasing the active material content to improve energy density has become an important challenge. At the same time, the separator plays a critical role in maintaining safety during battery operation. However, commercial polyolefin separators exhibit low thermal stability and limited electrolyte affinity, limiting their performance in high-energy battery systems. In this study, a functional interlayer was designed by applying a fluorinated polymer via coating and crosslinking. This interlayer improves the mechanical strength, thermal stability, and electrolyte wettability of the separator. Using this approach, a high-performance separator with a functional coating layer was developed. In addition, fabrication conditions were optimized to maximize the effect of the material while minimizing structural defects that may occur during the coating process.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1-1. Overview of lithium ion batteries system 1
• 1-2. Commercial polyolefin separators 2
• 1-3. Separators functionalized with PVDF terpolymers 5
• 1-4. Strategies for optimal reinforced separator 7
• 2. Experimental 11
• 2-1. Materials 11
• 2-2. Synthesis of DPVDF 12
• 2-3. Fabrication of PVD and PVX reinforced separator 13
• 2-4. Material characterizations 15
• 2-5. Electrochemical measurements 18
• 3. Results and Discussions 22
• 3-1. Fabrication and characterizations of reinforced separators 22
• 3-2. Morphology and ionic conductivity 26
• 3-3. DPVDF effect analysis 31
• 3-3-1. Mechanical strength 31
• 3-3-2. Thermal stability 37
• 3-3-3. Electrolyte wettability 41
• 3-3-4. Self-extinguishment property 44
• 3-4. Electrochemical performance test of LFP half cell 48
• 3-5. Optimized separators and further study for practical applicability 52
• 4. Conclusions 56
• 5. References 58
• 6. Appendix 68
• Acknowledgement 84