As the requirement for ecofriendly zero-emission vehicles is becoming more significant, LiBs has attracted more attention. However, to facilitate LiBs in vehicles, much higher capacity is needed. Thus, various materials have been studied as a next-generation active material of LiBs. Among various number of candidates, Si is the most promising materials due to its superior capacity and richness. Even though Si has 10 times higher capacity (~4200 mAh/g) than that of conventional graphite anode, its critical problems hinders the commercialization of Si anode. The main challenge is rapid capacity fading resulting from extreme volume change of Si. The volume change induces significant contact loss and capacity fading.
There have been many efforts to solve the problem. One promising approach is to develop advanced binders. We facilitated polyacrylamide (PAAM) which has superior mechanical properties as a new binder. Due to its mechanical strength and high adhesive force to other components, pulverization and induced capacity loss of Si anode were significantly lowered.
With PAAM, PEDOT:PSS has been used together in Si anode. PEDOT:PSS is the most promising conducting polymer due to its higher electric conductivity, chemical, thermal stability, and processability. We tried to replace carbon black which is a universal conventional conducting material of cells to the PEDOT:PSS. To apply the two polymers in parallel, we adopted the strategy of chemically linking the polymers. First, PEDOT:PSS which has $N_3$ functional groups was synthesized with acid addition. And alkyne terminated PAAM was polymerized through reversible addition-fragmentation chain-transfer (RAFT) polymerization method. Finally, the polymers were combined using azide-alkyne Huisgen cycloaddtion (CuAAC) click reaction.
The synthesized multifunctional binder showed significant improvement of cell performance in unit capacity and cyclability. This study of the new copolymer binder could be suggested as a solution for the critical issues of Si anode.
리튬 이온 전지는 이미 우리 생활 곳곳에서 활용되고 있다. 최근에는 자동차에 대한 배
기 가스 규제가 점점 강화됨에 따라 전기 자동차에 대한 요구가 점점 커지고 있다. 하지
만 자동차와 같은 대용량을 요구하는 장치에 배터리를 적용하기 위해서는 현재 가용한
리튬 이온 전지의 용량으로는 턱없이 부족하다. 이를 보완하기 위해 기존의 그래파이트
음극을 대체하는 연구가 활발히 진행되고 있으면 실리콘 음극은 그 중에서도 가장 주목
받고 있는 물질이다. 실리콘은 이론 용량이 같은 질량의 그래파이트와 비교해서 10배 이
상 크다는 장점과 뿐만 아니라 지구상에 매우 풍부한 물질이기 때문에 가격적으로 경쟁
력이 있다는 장점을 갖는다. 그럼에도 불구하고 실리콘은 충방전시 발생하는 급격한 부
피 팽창/수축으로 인해 전지의 용량이 매우 빠르게 감소한다는 치명적인 문제로 인해 상
용화가 계속 미뤄지고 있다.
이를 해결하기 위해 본 연구에서는 PAAM 과 PEDOT:PSS 를 이용하였다. PAAM 은 기존
바인더에 비해 월등히 우수한 기계적 물성을 가지며 전지의 다른 구성물들과도 강하게
접착할 수 있기 때문에 활물질 구조 붕괴로 인한 용량 감소를 최소한으로 억제할 수
있다. PEDOT:PSS 는 현재까지 개발된 전도성 고분자들 중에서도 매우 우수한 전기
전도도 뿐만 아니라 화학적, 열적 내구성 및 가공성을 보유하고 있다. 이 PEDOT:PSS 를
이용하여 기존에 배터리에 이용되었던 전도성 물질인 카본을 대체하여 부피당 용량을
늘리고자 하였다.
두 고분자를 함께 이용하기 위해 끝이 삼중결합으로 치환된 PAAM 과 N3 기를 가지고 있는
PEDOT:PSS 를 직접 제작한 뒤 이를 클릭 반응을 통해 화학적으로
결합하였다. 제작한 다기능성 고분자 바인더를 이용하여 우수한 전지 특성을 끌어낼 수
있었다.
