Lithium-ion batteries (LIBs) are representative energy storage technologies and are applied to various application fields, and there is a growing demand to develop new materials to improve performance and reduce costs. As an alternative, an organic-based active material with high price competitiveness and energy density is attracting attention as a material for the next generation LIBs with lightweight. However, an organic electrode material excluding a conductive polymer has low electrical conductivity and low electrochemical characteristics for using a secondary battery due to factors such as dissolution in an electrolyte. In addition, there is a problem of easily deteriorating during the reforming process due to the vulnerability to humidity and heat of the organic material.
In this study, 5-10 dihydro 5-10 diemethylphenzene (DMPZ) was used as an organic cathode material for high-performance secondary batteries by surface modification and electrode structural engineering. The specific capacity and rate performance of the DMPZ cathode were enhanced by increased specific surface area through surface modification. In order to overcome the low cyclic performance of the organic active material, a study on separator modification and electrode structural modification is conducted to suppress the elution and diffusion of the organic electrode materials, causing the shuttle effect. The surface modification on separators improved the selective permeability of Li ions and suppressed the diffusion of eluted active materials to improve cyclic performance. Moreover, a charge-transfer model of organic pairs was developed for suppressing the elution of organic materials through the hybridization of two types of organic active materials. The effect and mechanism of the charge-transfer reaction between various organic-organic pairs and organic-metal hybrid pairs were confirmed by various electrochemical and ex-situ analyses. As a result, high specific capacity and excellent cyclic performance of organic-based cathode were ensured for 600 cycles.
리튬이온배터리는 대표적인 에너지 저장 기술로서 다양한 응용 분야에 적용되고 있지만, 성능 향상 및 원가 절감을 위한 신소재 개발의 필요성이 대두됨. 이에 대안으로 가격경쟁력과 에너지 밀도가 높은 유기 전극 물질이 차세대 경량 이차전지 소재로서 주목받음. 하지만 전도성 고분자를 제외한 유기 전극 물질은 낮은 전기전도도와, 전해질에 대한 높은 용해도 등의 요인으로 이차전지 활용되기에 한계가 있음. 또한, 유기물의 습도와 열에 대한 취약성에 의하여 개질 과정 중 쉽게 열화되는 문제가 있음.
본 연구에서 DMPZ (5-10 dihydro 5-10 diemthylphenzine) 유기소재를 활용하여 고성능 이차전지용 양극소재를 개발함. 유기 소재의 열화를 배제하며 표면 개질을 통한 다공성 구조를 형성하였으며, 이를 통해 전극의 용량 및 율특성이 향상됨. 유기물 기반 전극의 낮은 수명특성을 극복하기 위하여 유기 소재의 용출 및 확산에 의한 셔틀효과를 억제하기 위하여 분리막 개질 및 유기 소재 간 전하전달반응에 대한 연구를 진행함. 분리막 표면 개질을 통하여 Li ion의 선택적 투과성을 높이며 용출된 활물질의 확산을 억제하여 수명특성을 향상함. 또한, 유기물의 용출을 억제하기 위해서 두 종류의 유기 활물질 하이브리드를 통한 전하 이동 모델을 고안하였으며 유기 활물질의 효과적인 용출 억제를 확인함. 이를 통하여 600 cycle 동안 우수한 수명특성과 고속 충방전 능력을 확보함.
