Surface Modification Strategies for Improving Electrochemical Performance in Lithium and Zinc Ion Batteries

Abstract

As the demand for electric vehicles rapidly increases, rechargeable batteries research is being actively conducted. Especially, many studies have been carried out to improve the electrochemical performance of anode, and cathode, which are the most major materials of batteries. Surface modification strategy is the most general and facilitating method to enhance the performance of electrodes. Therefore, in these studies, effective coating layers were applied to the surfaces of the anode and cathode, resulting in improvement of stability and electrochemical performance of the batteries. In research project 1, a high-performance cathode for lithium-ion batteries (LIBs) was designed by introducing conductive two-dimensional MOF, Cu3(HITP)2, coating layer to LiMn2O4 (LMO), one of the Mn-based cathode materials with price competitiveness. Due to the excellent ionic electrical conductivity of the MOF, improvement of the rate performance and reduction of the charge transfer resistance were induced. Furthermore, low cyclability, which is bottleneck of commercialization of Mn-based cathodes, was highly improved, showing capacity retention of 75.5% because of the suppression Mn dissolution of Cu3(HITP)2 MOF. In research project 2, a metal anode interfacial stabilization by surface coating was studied for high-performance aqueous zinc-ion batteries (ZIBs). Conductive polymer, PEDOT:PSS+HMIM:TCB, which has high work function and flexibility, efficiently stabilize the Zn metal anode by suppressing Zn dendrite growth. The high work function of the coating layer regulates Zn2+ ion flux uniformly, thereby leading even Zn deposition. And the flexible structure of polymer can alleviate the volume changes of Zn metal anode during charge/discharge. Thus, the PEDOT:PSS+HMIM:TCB@Zn anode has improved cycle performance at high current density of 10 mA cm–2, appearing stable charge/discharge behavior for 144 hours.;전기 자동차의 수요가 급증함에 따라 이차 전지 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 전지의 가장 주요한 소재인 양극과 음극의 전기화학적 성능을 향상시키기 위한 많은 연구들이 진행되어 왔다. 표면 개질 전략은 전극의 성능을 향상시키기 위한 가장 일반적이고 용이한 방법이다. 따라서 본 연구에서는 양극과 음극의 표면에 효과적인 코팅층을 도입하여 전지의 안정성 및 전기화학적 성능을 향상시키는 결과를 가져왔다. 제 `1 부에서는 가격경쟁력을 갖춘 망간계 양극재 중 하나인 LiMn2O4(LMO)에 전도성 2 차원 MOF 인 Cu3(HITP)2 코팅층을 도입하여 리튬이온전지용 고성능 양극을 설계하였다. MOF 의 우수한 이온, 전기전도도로 인해 출력 특성 향상과 전하 전달 저항 감소를 유도하였다. 또한, Cu3(HITP)2 MOF 의 망간 용출 억제로 인해 망간계 양극 상용화의 병목현상인 낮은 수명 특성이 향상되어 100 사이클의 충방전 후 75.5%의 용량 유지율을 나타냈다. 제 2 부에서는 표면 개질 전략을 통한 고성능 수계 아연 이온 배터리의 금속 음극 계면 안정화를 연구했다. 일함수와 유연성이 높은 전도성 고분자인 PEDOT:PSS+HMIM:TCB 는 아연 수지상의 성장을 억제하여 아연 금속 음극을 효율적으로 안정화시킨다. 코팅층의 높은 일함수는 아연 양이온의 흐름을 균일하게 조절하여 고른 아연 증착을 유도한다. 그리고 고분자의 유연한 구조는 충방전 시 아연 금속 음극의 부피 변화를 완화시킬 수 있다. 따라서 PEDOT:PSS+HMIM:TCB 를 코팅한 음극은 10 mA cm–2 의 고전류밀도에서 사이클 성능이 향상되어 144 시간 동안 안정적인 충방전 거동을 보였다.