Highly Reliable Quinone-Based Cathodes and Cellulose Nanofiber Separators: Toward Eco-Friendly Organic Lithium Batteries

Abstract

전기차와 더불어 휴대용 전자기기에 다양한 기능을 수행하기 위해서는 높은 용량의 리튬 배터리가 필수적입니다. 높은 용량을 구현하는데 있어서 양극이 중요한 역할을 합니다. 하지만, 주로 사용하는 양극재인 무기 금속 산화물은 공급되는 가격변동 추이도 불안정하고 재사용 비율이 적으며 생산 및 처리하는 과정에서 많은 양의 이산화탄소를 배출하는 문제점이 있습니다. 그래서 이것의 대체재로 유기물에 대한 연구가 이루어지고 있는데, 이는 400mAh/g이상의 이론 용량을 가지며 간단한 과정을 통해 처리 및 재활용을 할 수 있습니다. 하지만, 이러한 유기 물질들은 액체 전해질에 녹아 급격한 용량 저하를 일으키며 물질 자체 전도도가 낮은 한계가 있어 이를 해결해야 하는 상황입니다. 그래서 본 연구에서는 Pillar[5]quinone (P5Q)이라는 유기물질을 양극 활물질로 사용한 연구를 진행하였습니다. 전극을 만들 때 다중벽 탄소 나노튜브 (MWCNT)와 셀룰로오스 나노파이버 (CNF)를 이용하여 활물질이 액체 전해질에 녹아 나가지 못하도록 하는 지지체로 사용하였고, 낮은 전도도 문제 또한 해결을 하였습니다. 전극은 진공 여과 방법을 통해 만들었는데, 이는 집전체가 필요하지 않아 가볍게 만들 수 있으며 활물질의 tap density를 높일 수 있습니다. 또한, 기존에 사용하고 있는 올레핀(olefin) 계열의 분리막을 대신하여 CNF를 분리막으로 사용하는 시도를 하였습니다. 이를 통해, 높은 이온 전도도 (0.88 mS/cm), 전해질과의 높은 젖음성 (electrolyte uptake: 333.41 %, porosity: 70±5 %)과 열적 안전성까지 확보할 수 있었습니다. 따라서, P5Q 양극과 CNF 분리막을 적용한 리튬 금속 배터리는 올레핀 계열의 분리막을 적용한 배터리에 비해 안정적인 용량 유지 (76.5 % after 50 cycles at 0.2 C rate)와 더불어 향상된 율속 특성까지 보였습니다.

Recently, the organic compounds have been considered as promising candidates for the next generation of energy storage systems to overcome the disadvantages of the conventional inorganic cathode materials such as low specific capacities and disposal problem. Especially, Pillar[5]quinone (P5Q) is very effective for the use of the active sites that it is able to be favorable to Li uptake and implements a high theoretical capacity. Herein, I proposed that the cathodes were fabricated using the P5Q enveloped in Multi-walled Carbon Nanotubes (MWCNTs) and Cellulose Nanofibers (CNFs) with simple vacuum filtering, solving the issues of high solubility in aprotic electrolytes and low conductivity of organic compounds. Furthermore, CNFs were introduced as an alternative to the convectional polyolefin separators. The CNF separator showed less capacity fading as well as the improvements in the ionic conductivity (0.88 mS/cm), electrolyte wettability (electrolyte uptake: 333.41 %, porosity: 70±5 %), and thermal shrinkage, in comparison to convectional polyolefin separators. Li metal battery with the suggested P5Q cathode and CNF separator exhibited highly stable capacity retention (76.5 % after 50 cycles at 0.2 C rate) and good rate capability.