Designing Dry Electrode and Solid Electrolyte by Tuning Conductivity for Lithium Batteries

Abstract

Lithium-ion batteries have become an important component in many electronic devices, from smartphones to electric vehicles. With the development of medium and large batteries, one of the main challenges for implementing batteries with higher energy density is to achieve efficient charge transfer within the batteries. Ion conductivity in an electrolyte and electrical conductivity in an electrode are key factors that determine the rate at which charges can pass through a battery and are crucial to the performance of the low conductivity can lead to reduced energy efficiency, reduced battery life, and reduced power output. Many researchers have explored various technologies such as developing new materials with high conductivity, optimizing battery design to minimize the distance of ion transport, and improving manufacturing processes to reduce impurities. This study proposes the importance of conductivity tuning for process improvement in dry electrodes and oxide solid electrolytes. The first chapter introduces the importance of conductivity tuning with a brief theoretical background. The second chapter demonstrates that the electrochemical performance of high-loading (above 30 mg/cm2) dry-processed cathodes using high-nickel cathode active material (NCM811) can be further improved when ozonated CNTs are employed as the conductive agent. In the third chapter, a method for manufacturing a solid electrolyte membrane with exceptional physical properties and electrochemical performance is presented. This is achieved by improving ionic conductivity through the addition of PVdF, one of the highest dielectric constant materials, to an organic/inorganic hybrid solid electrolyte based on in-situ crosslinking. Finally, the fourth chapter summarizes key findings from previous chapters. In summary, this dissertation aims to provide various methods to improve conductivity when developing a new battery element process for implementing high-energy density batteries, which will provide important insights into the development of next-generation batteries.

리튬 이온 전지는 스마트폰에서 전기 자동차에 이르기까지 많은 전자 장치에서 중요한 구성 요소로 자리잡고 있다. 중대형 전지의 개발에 따라 더 높은 에너지 밀도를 가진 전지를 구현하기 위한 주요 과제 중 하나는 전지 내에서 효율적이고 빠른 전하 전달을 달성하는 것이다. 전해액에서의 이온 전도도와 전극에서의 전기 전도도는 전하가 배터리를 통과할 수 있는 속도를 결정하는 주요 요소로써 배터리의 성능 향상을 위한 중요한 물리량이며, 낮은 전도도는 에너지 효율 감소, 배터리 수명 감소, 전력 출력 감소로 이어질 수 있다. 많은 연구진은 전도도가 높은 신소재 개발, 전하의 이동 거리를 최소화하기 위한 배터리 설계 최적화, 불순물을 줄이기 위한 제조 공정 개선 등 오랫동안 전도도 개선과 관련된 다양한 기술을 연구해왔다. 본 논문에서는 건식 전극 및 산화물계 고체 전해질 분야에서의 공정 개선에 있어서 전도도 튜닝의 중요성을 제안한다. 제1장에서는 전도도에 대한 간단한 이론적 배경과 함께 전도성 튜닝의 중요성을 소개한다. 제2장에서는 도전재로 오존 처리된 CNT를 사용할 경우 하이니켈 양극활물질(NCM811)을 사용한 고로딩(30 mg/cm2 이상) 건식 양극의 전기화학적 성능을 더욱 향상시킬 수 있음을 보여준다. 제3장에서는 물리적 특성 및 전기화학적 성능이 우수한 유/무기 하이브리드 고체 전해질 막의 제조 방법을 제시한다. 이는 유전 상수가 높은 물질 중 하나인 PVdF를 in-situ crosslinking 기반의 고체 전해질에 첨가하여 고분자의 결정화도를 줄임으로써 이온 전도도를 향상시킴으로써 달성된다. 마지막으로, 제4장에서는 이전 장에서 발견된 주요 결과를 요약한다. 종합하자면, 본 학위논문을 통해 고에너지밀도 전지 구현을 위한 새로운 전지 요소 공정 개발시 다양한 방법으로 전도도를 개선할 수 있는 방법을 제공하고자 하며, 이는 향후 차세대 전지 개발에 있어 중요한 통찰력을 제공할 것이다.