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Toward advanced lithium battery : overcoming facing problems through fusion technology = 차세대 리튬 전지를 위한 연구 : 직면한 문제점의 융합기술을 통한 극복
서명 / 저자 Toward advanced lithium battery : overcoming facing problems through fusion technology = 차세대 리튬 전지를 위한 연구 : 직면한 문제점의 융합기술을 통한 극복 / Joo-Seong Kim.
저자명 Kim, Joo-Seong ; 김주성
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2015].
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초록정보

1. Spinel-structured lithium manganese oxide ($LiMn_2O_4$) cathodes have been successfully commercialized for various lithium battery applications and are among the strongest candidates for emerging large-scale applications. Despite its various advantages including high power capability, however, $LiMn_2O_4$ chronically suffers from limited cycle life, originating from well-known Mn dissolution. An ironical feature with the Mn dissolution is that the surface orientations supporting Li diffusion and thus the power performance are especially vulnerable to the Mn dissolution, making both high power and long lifetime very difficult to achieve simultaneously. In this investigation, we address this contradictory issue of $LiMn_2O_4$ by developing a truncated octahedral structure in which most surfaces are aligned to the crystalline orientations with minimal Mn dissolution, while a small portion of the structure is truncated along the orientations to support Li diffusion and thus facilitate high discharge rate capabilities. When compared to control structures with much smaller dimensions, the truncated octahedral structure as large as 500 nm exhibits better performance in both discharge rate performance and cycle life, thus resolving the previously conflicting aspects of $LiMn_2O_4$. 2. Wearable electronics represent a significant paradigm shift in consumer electronics since they eliminate the necessity for separate carriage of devices. In particular, integration of flexible electronic devices with clothes, glasses, watches, and skin will bring new opportunities beyond what can be imagined by cur-rent inflexible counterparts. Although considerable progresses have been seen for wearable electronics, lithium rechargeable batteries, the power sources of the devices, do not keep pace with such progresses due to tenuous mechanical stabilities, causing them to remain as the limiting elements in the entire technology. Herein, we revisit the key components of the battery (current collector, binder, and separator) and replace them with the materials that support robust mechanical endurance of the battery. The final full-cells in the forms of clothes and watchstraps exhibited comparable electrochemical performance to those of conventional metal foil-based cells even under severe folding-unfolding motions simulating actual wearing conditions. Furthermore, the wearable textile battery was integrated with flexible and lightweight solar cells on the battery pouch to enable convenient solar-charging capabilities. 3. The demand for lithium ion batteries (LIBs) in various flexible mobile electronic devices is continuously increasing. With this in mind, a vast number of smart approaches, such as implementation of conductive nanomaterials onto paper and textiles, have been recently demonstrated. Most of them were, however, limited to the single-cell level. In the present study, large area flexible battery modules were developed in an attempt to expand the knowledge and design accumulated from the single-cell level approaches to larger-scale applications. A multi-stacked configuration was adopted to produce a high areal energy density in each single-cell. Meanwhile textile-based electrodes on both sides grant mechanical stability, even on the module level, by efficiently releasing the stress generated during aggressive folding and rolling motions. Moreover, the connection between and stacking of the single-cells allow the wide tuning of the overall voltage and capacity of the module. This battery design should be immediately applicable to a broad range of outdoor, building, and military items. 4. The battery community has recently witnessed a considerable progress in the cycle lives of lithium-sulfur (Li-S) batteries, mostly by developing the electrode structures that mitigate fatal dissolution of lithium poly-sulfides. Nonetheless, most of the previous successful demonstrations have been based on limited areal capacities. For realistic battery applications, however, the chronic issues from both the anode (lithium dendrite growth) and the cathode (lithium polysulfide dissolution) need to be readdressed under much higher loading of sulfur active material. To this end, the current study integrates the following three approaches in a systematic manner: 1) the sulfur electrode material with diminished lithium polysulfide dissolution by the covalently bonded sulfur-carbon microstructure, 2)mussel-inspired polydopamine coating onto the separator that suppresses lithium dendrite growth by wet-adhesion between the separator and Li metal, and 3)addition of cesium ions ($Cs^+$) to the electrolyte to repel incoming Li ions and thus prevent Li dendrite growth. This combined strategy resolves the longstanding problems from both electrodes even under the very large sulfur-carbon composite loading of $17 mg cm^{-2}$ in the sulfur electrode, enabling the highest areal capacity ($9 mAh cm^{-2}$) to date while preserving stable cycling performance.

1. 중/대형 에너지 저장 장치에 널리 쓰일 가장 강력한 후보물질 중 하나인 스피넬 구조의 리튬 망간 옥사이드는 성공적으로 대량생산이 가능하게 되었다. 그러나 이 물질은 고출력 특성을 포함한 여러 장점이 있음에도 불구하고, 망간용출로 인한 수명열화 현상에 상업화에 발목이 잡히게 되었다. 기존 연구결과에 따르면, 아이러니 하게도 망간의 용출과 관련된 면방향은 리튬의 확산과 직접 관련되어 있었다. 이러한 이유로 리튬 망간 옥사이드의 수명과 출력특성을 동시에 향상시키는 것은 매우 어려웠다. 그러나 이러한 난제는 융합기술로 해결할 수 있었다. 기존의 배터리기술과 나노기술과 융합하여 시너지효과를 낼 수 있었다. 기존에 알려진 안정한 면을 기반으로, 출력특성이 우수한 면의 일부를 나노스케일에서 외부에 노출시킴으로써 양립할 수 없었던 수명과 출력특성을 동시에 비약적으로 향상시킬 수 있었다. 2. 입는 전자제품의 등장은 구석기 시대의 척추기립을 통한 양손의 자유로움을 얻은 이후, IT시대에서 사람들의 양손을 다시금 자유롭게하는 충격적인 또 한 번의 패러다임 이동이라고 할 수 있다. 이러한 시대적 요구에 발맞춰 유연함을 갖춘 전자제품이 필요한 한편, 현재 입는 전자제품을 만드는데 있어 가장 큰 병목현상을 일으키는 것은 기존의 단단한 재질로 만들어진 배터리이다. 이러한 배터리를 유연하게 만들기 위한 여라가지 시도가 있었다. 그러나 가장 어려운 부분은 금속만큼 전도성을 유지하면서 유연한 마땅한 소재가 없다는 것이다. 그러나 이러한 난제는 배터리기술과 섬유기술의 융합으로 해결할 수 있었다. 섬유표면에 금속을 코팅하여 섬유의 유연함과 금속의 전도성이 동시에 확보된 집전체를 개발하였다. 개발된 섬유 집전체의 유연한 움직임에 맞춰 전극물질을 부착하기 위하여, 접착력이 강화된 폴리우레탄 바인더를 사용하고, 젖음성이 우수한 폴리우레탄 분리막을 사용하여, 배터리의 가혹한 움직임에도 정상구동 할 수 있었다. 이와 더불어 유연한 유기 폴리머 태양전지와 조합하여 무선충전 시스템을 완성하였다. 3. 유연한 전자제품은 점점 더 많은 에너지를 필요로 하는데, 유연하면서도 많은 에너지를 저장하기 위해서는 두 가지 방향이 있다. 하나는 배터리를 대면적으로 만드는 것이고, 다른 하나는 전극을 적층하는 것이다. 그러나 이러한 것들은 말처럼 쉽지 않다. 대면적의 배터리가 구동하려면, 집전체의 면저항을 금속 수준으로 낮춰야 하고, 전극을 적층하면서 유연성을 잃지 않으려면, 전극이 신축성이 있어야 한다. 즉, 이 두 가지 접근법을 실제 기술로 꽃 피우기 위해서는 융합기술이 필요하다. 따라서 실의 직조 방식에 따라서 신축성을 부여할 수 있는 신축성 직물 직조기술과 도금 기술의 융합으로 신축성 집전체를 개발하였다. 이 뿐만 아니라 다른 구성요소인 분리막과 바인더도 신축성을 부여하여 넓은 면적 및 두꺼워진 두께에도 유연함을 유지할 수 있는 배터리를 만들었다. 4. 차세대 에너지 저장장치는 기존 금속산화물과 흑연의 에너지 밀도를 뛰어넘는 더 높은 에너지 밀도를 요구한다. 그 요구에 부합하는 물질로서 황은 매력적인 물질임에도 낮은 전기전도성, 폴리설파이드 용출 등으로 여러 문제점이 있었다. 또한 황을 사용하기 위해서는 필연적으로 리튬이 포함된 음극을 사용해야 하는데, 대표적인 음극으로 리튬금속은 반복되는 충방전에 의해 제어하기 어려운 리튬 수지상이 계속 자라나는 문제점을 안고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 1)폴리설파이드 용출이 적고, 전기 전도성이 향상된 c-PANS, 2)습윤 접착이 가능한 폴리도파민이 코팅된 분리막, 3)폴리설파이드와의 부반응을 막고, 리튬 수지상을 억제할 수 있는 $CsNO_3$ 이렇게 3가지 기술을 융합하여 단위 면적당 고 에너지 밀도의 리튬-황 배터리를 만들었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MEEW 15021
형태사항 vi, 93 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김주성
지도교수의 영문표기 : Jang Wook Choi
지도교수의 한글표기 : 최장욱
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : EEWS대학원,
서지주기 References : p. 83-91
주제 Lithium ion battery
manganese spinel
flexible battery
polydopamine
lithium dendrite
리튬 전지
망간 스피넬
플렉서블 배터리
폴리 도파민
리튬 수지상 억제
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