Designing Conductive Polymer Binders Augmented by Varying Chain Lengths with Metal Nanowires for Silicon Anodes in Lithium-Ion Batteries

Abstract

Silicon (Si) is the most promising anode material for lithium-ion batteries (LIBs) with its high theoretical capacity, but it suffers from huge volume changes during charge/discharge. Conductive polymer can maintain electrical paths to Si and stable electrode structures. Herein, novel polymer composites with a hierarchical structure by different chain lengths are designed and provide densely distributed hydrogen bonding and crosslinking, achieving higher electrical conductivity and stretchability. Further, silver nanowire network that is integrated into Si anodes imparts 3D facile electron transports, void space to buffer the volume changes, and increased adhesion with current collectors. This anode achieves the specific capacity of 1066 mAh g-1 with the current density of 0.8 A g-1 after 100 cycles. Its superior volume buffering performance and facilitated charge transfer are further confirmed by SEM and EIS, respectively.

실리콘은 리튬 이온 배터리의 차세대 음극재로 주목받는 물질로, 기존의 흑연 대비 매우 높은 충전 용량을 가진다. 하지만 충∙방전시 급격한 부피 변화로 충전 용량이 급격히 감소하는 것이 난제이다. 본 연구에서는 상이 사슬 길이를 이용한 계층 구조 기반 전도성 고분자 바인더를 개발하였다. 계층 구조를 통해 균일하고 밀집된 수소 결합 및 가교 다발을 형성하여 다른 전도성 고분자 대비 높은 전기적 전도성과 인장 길이를 보여주었다. 이에 더해, 은 나노와이어 네트워크를 이용하여 3D 전기적 연결 강화, 부피 변화 완충을 위한 다공성 확보, 그리고 집전 장치와의 접촉성 향상을 달성하였다. 전도성 바인더와 은 나노와이어 네트워크를 활용하여 제작된 음극은 전류 밀도 0.8 A g-1의 충∙방전 100번째 사이클에서 1066 mAh g-1의 높은 전하 용량을 달성하며, 다른 종류의 음극 대비 우수한 용량 및 수명 특성을 보여주었다. 또한, 주사전자현미경과 전기화학적 임피던스 분광 기법을 활용하여 각각 실리콘 입자 부피 완충 능력과 전자 교환 특성이 향상되었음을 확인하였다.