Poor electrochemical performances of materials in commercial lithium-ion batteries (LIBs) make it difficult to realize battery technologies for future electric power applications such as energy storage systems and electric vehicles. To reach beyond the horizon of state-of-the-art LIBs, the exploration of next generation batteries (Li-ion batteries, Na-ion batteries (SIBs) and $Li-O_2$ batteries (LOBs)) composed of rationally designed nanomaterials in consideration of the structure, phase and element influencing the battery performance is critical. By virtue of the simple set-up, versatility, size controllability and mass-productivity of electrospinning, one-dimensional (1D) nanofibers (NFs) produced via electrospinning are attractive candidates for the construction of advanced secondary batteries.
In this dissertation, considering three different next-generation rechargeable systems (LIBs, SIBs and
LOBs), 1D electrospun NFs were appropriately designed and applied as high performance anode and cathode
materials. Firstly, for LIBs, 1D electrospun Si-based metallic glass alloy nanofibers (NFs) with an optimized composition of $Si_{60}Sn_{12}Ce_{18}Fe_5Al_3Ti_2$ were investigated. On the basis of careful compositional tailoring of Si alloy NFs, we found that Ce plays the most important role as a glass former in the formation of the metallic glass alloy. Moreover, Si-based metallic glass alloy NFs were wrapped by reduced graphene oxide sheets $(specifically Si_{60}Sn_{12}Ce_{18}Fe_5Al_3Ti_2 NFs@rGO)$, which can prevent the direct exposure of a-Si alloy NFs to the liquid electrolyte and stabilize the solid-electrolyte interphase (SEI) layers on the surfaces of rGO sheets while facilitating electron transport. Secondly, for SIBs, dimensional effects of $MoS_2$ nanoplates randomly embedded in twisted mesoporous carbon nanofibers $(MoS_2@MCNFs)$ on Li and Na storage properties were investigated. Considering dimensions of the $MoS_2$ nanoplates (e.g., interlayer, lateral distance, and slabs of stacking in number), thermolysis temperature
to synthesize the $MoS_2$ nanoplates with different geometry and optimize them in the hybrid anode for delivering high performance was controlled. Finally, for LABs, the use of surface protection layers for improving the cycling stability of porous carbon-based LOB cathode were studied. Atomic layer deposition (ALD) for conformal coating of two types of overlayers $(In_2O_3 and TiN)$, i.e., oxide and nitride thin film, on an electrospun carbon nanopaper(CNp) membrane was employed. Using the proposed 1D NF electrodes, it was confirmed that electrochemical performance of next-generation rechargeable batteries has been remarkably enhanced.
현재 리튬-이온전지의 저기능성 소재 기술의 한계는 앞으로 다가올 에너지 저장 시스템 및 전기 자동차 등의 에너지 공급의 현실화를 어렵게 만들고 있다. 현 최고성능의 리튬-이온전지를 뛰어 넘기 위해서는, 차세대 이차전지(post 리튬-이온전지, 소듐-이온전지 및 리튬-공기전지)의 전극 소재를 전지 성능에 영향을 주는 구조, 소재의 상 및 원소를 고려하여 바람직하게 디자인하는 것이 중요하다. 전기방사법은 간단한 다기능성 장비의 셋업을 이용하여 일차원 나노섬유를 제조하고 섬유의 크기 조절이 쉽고 및 대량 생산이 가능한 합성법이다. 따라서, 전기방사법을 이용하여 제조된 일차원 나노섬유는 차세대 이차전지를 구성하는 전극 소재로서, 매우 활용도가 높은 소재 후보군이라고 할 수 있다.
본 학위 논문에서는, 세 가지의 다른 차세대 이차전지들(리튬-이온전지, 소듐-이온전지 및 리튬-공기전지)를 고려하여, 이차전지의 양극 및 음극 활물질로서 일차원 전기방사 나노섬유를 디자인하고 활용하였다. 첫째, 리튬-이온전지의 음극 활물질로 일차원의 실리콘 기반 비정질 합금 나노섬유 (Si60Sn12Ce18Fe5Al3Ti2)를 합성하고 그 특성에 대해서 연구하였다. 실리콘 합금 소재의 상대적인 조성 최적화를 위하여, 원소들의 상대적인 조성을 컨트롤 하였으며, 특히 중요한 의미를 갖는 결과로서, Ce이 비정질 합금상을 형성하는데 중요한 역할을 한다는 것을 발견하였다. 게다가, 실리콘 기반 비정질 합금 나노섬유의 표면을 환원된 산화 그래핀을 이용하여 코팅함으로써$(Si_{60}Sn_{12}Ce_{18}Fe_5Al_3Ti_2@rGO)$, 효과적으로 전해질과의 접촉을 방지하고 불규칙하게 형성되는 solid-electrolyte interphase 층의 형성을 억제함과 동시에 전극 내 전자의 이동을 용이하게 할 수 있었다. 둘째, 소듐-이온전지의 음극 활물질로서, 덩쿨 형태의 탄소나노섬유 내부에 $MoS_2$ 나노플레이트가 담지된 복합 소재를 합성하고 $(MoS_2@MCNFs)$, $MoS_2$ 나노플레이트의 dimension이 리튬과 소듐의 저장에 어떠한 영향을 미치는가에 대해서 연구하였다. $MoS_2$ 나노플레이트의 dimension (예를 들어, 층간 간격, 측간 거리, 적층되는 층의 개수)을 고려하여, 다른 dimension을 갖는 $MoS_2$ 플레이트를 열처리 공정 조절을 통하여 성공적으로 제조하고 본 소재에 대한 전기화학적 특성을 평가하였다. 마지막으로, 리튬-공기전지의 양극 소재로서, 다공성 탄소기반 리튬-공기전지 공기극의 안정성을 보호층 도입을 통하여 향상시키는 연구를 진행하였다. 두 종류의 보호층 $(In_2O_3 and TiN)$을 균일하게 다공성 탄소나노섬유 표면에 코팅하기 위하여 atomic layer deposition (ALD) 방법을 활용하였다. 본 학위의 일차원 나노섬유 기반의 전극 소재의 활용하여 전기화학적 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
