3D Structure Controlled Electrode and Electrolyte Membrane for Post Li-Ion Batteries

Abstract

Lithium-ion batteries (LIBs) are widely utilized in various industries due to their high energy density and stable power generation. However, the quest for higher energy density LIBs have led to active research on higher energy density materials. Lithium metal batteries (LMBs) and all-solid-state batteries (ASSBs) with lithium metal anodes as their core aspect are among the options being explored to overcome the problems of conventional LIBs. With a high theoretical capacity of 3860 mAh g-1 and a low reduction potential of -3.04 vs. SHE, lithium metal is gaining popularity as a future anode material that can increase the energy density of LIBs. However, lithium metal encounter significant intrinsic limitations, including internal short circuits, continual side reactions, and volume expansion caused by dendritic growth on the lithium metal surface during the repetitive charging procedure. In addition, the ASSBs have numerous unresolved issues, including poor interfacial contact, side reactions, difficult manufacturing processes due to the nature of the solid state, and inferior ion transfer capability compared to liquid electrolytes. In this thesis, a 3D structure controlled electrode and electrolyte membrane are reported to outlines research directions for the practical application of post LIBs. The first part of the thesis identified the combined influence of two technologies, micropatterning and three-dimensional controlled micro-porous polyimide separators, on the control of dendrite growth on lithium metal surfaces. Second, surface-patterned graphite electrode with polymer/oxide hybrid electrolytes was proposed to improve the ion transfer property through the electrode layer while enhancing adhesion properties to the current collector. Finally, a simple but practical strategy for fabricating thin solid electrolyte membranes was proposed using perforated polyethylene frame as the supporting component which ensures mechanical robustness for commercial-level cell assembly. These results highlight the crucial role of structure design of electrodes and electrolyte membrane in the development of next-generation LIB technologies.|리튬 이온 전지는 높은 에너지 밀도와 고전압의 특성으로 고용량, 고효율의 안정적인 전력 공급이 가능하기에 전기차동차, 에너지저장장치 등의 동력원으로써 산업 전반에 사용되고 있다. 하지만 더 높은 에너지밀도의 리튬 이온 전지에 대한 추구하며 지속적으로 에너지 밀도가 높은 소재에 대한 연구는 활발하게 이루어지고 있으며, 다소 안정성이 떨어지는 인화성의 전해질을 포함하는 리튬 이온 전지의 특성상 과충전 시에 내부 단락이 일어나거나 충격을 주면 폭발할 수 있다는 문제점 또한 해결해야한다. 이러한 기존 리튬 이온 전지의 한계를 극복하기 위해 다양한 차세대 전지들이 개발되고 있으며, 그 중심에는 리튬 금속 음극을 기반으로 한 리튬 금속 전지와 전고체 전지가 있다. 리튬 금속 음극은 높은 이론적 용량 (3860mAh g‒1)과 낮은 환원 전위 (-3.04 vs. SHE)로 흑연과 실리콘 음극 기반의 현 리튬 이온 전지의 에너지 밀도를 한 단계 끌어올릴 수 있는 차세대 음극재로서 재조명 받고 있다. 다만, 리튬 금속 음극은 충전 과정동안 리튬 금속 표면의 수지상 성장으로 인해 내부 단락, 지속적인 산화 환원 반응, 부피 팽창 등의 치명적인 단점을 가진다. 또한, 리튬 이차 전지의 안전성을 향상시키기 위하여 난연성의 고체전해질을 사용하는 전고체 전지는 고체라는 상태가 가진 성질로 인해 이온 전달 능력이 액체전해질에 비해 떨어지며 계면 간 접촉 불량, 부반응, 어려운 제조 과정 등 해결해야 할 문제점이 많아 아직 상용화 단계에 도달하지 못하였다. 본 논문에서는 전극 및 전해질 막의 3D 구조적 설계를 기반으로 리튬 금속 전지와 전고체 전지를 제조함으로써 차세대 전지의 실상용화를 위한 다양한 연구 방향을 제시한다. 첫째, 리튬 금속 표면에서 리튬 이온의 흐름을 제어할 수 있는 두가지 기술인 리튬 표면 마이크로 패턴화와 3 차원 제어된 마이크로 다공성 폴리이미드 (3DOM PI) 분리막의 하이브리드 효과를 확인하였다. 둘째, 간단한 기계적 패턴화 공정을 통해 전고체 전지의 복합 전극 내 이온전달 능력 향상과 집전체와의 접착 특성의 향상을 동시에 꾀한 고분자/산화물 복합 고체전해질 포함 흑연 전극의 평가 및 분석을 진행하였다. 마지막으로 새로운 형태의 고분자 다공성 지지체를 도입한 고체전해질 막의 설계를 소개함으로써 전고체 전지의 상용화에 적합한 방식의 제조방식 제시와 에너지 밀도를 극대화를 동시에 할 수 있는 방안을 제시하였다.