Surface Modification Strategies for High Performance Zinc-Metal and Lithium-Sulfur Batteries

Abstract

In recent years, there has been considerable interest and focus on lithium-ion batteries, but their limitations in energy density, cost, and stability have prompted research into alternative next-generation batteries such as zinc-based batteries and lithium-sulfur batteries. However, to facilitate their commercialization, it is crucial to address the surface stabilization of the respective battery materials. In Chapter Ⅱ, this study aims to enhance the performance of zinc-based batteries by introducing a protective coating layer on the anode surface using a polymer called amphiphilic Block-copolymer(AMP). The incorporation of this protective layer aims to inhibit dendrite formation and suppress undesired side reactions, which are persistent challenges in zinc-based batteries. In the case of a symmetric cell with the application of the AMP protective layer on the electrode, it exhibited a discharge voltage of approximately 30mV for about 470 hours (compared to bare zinc with 30mV for 230 hours). This introduction of an electrode protective layer demonstrates its effectiveness in enhancing the stability and electrochemical performance of zinc-based battery systems. In ChapterⅢ, the focus shifts to improving the performance of lithium-sulfur batteries by addressing two critical issues at the separator surface: enhancing conductivity and suppressing polysulfide dissolution. To tackle these challenges, a 2D conductive Ni-HHTP MOF coating is applied to the separator surface. This coating enhances the conductivity of the separator, facilitating efficient charge transfer, while also effectively suppressing the undesirable dissolution of polysulfide species. By utilizing the synergetic effect of Ni-HHTP and Super P (referred to as NiHHTP@SP), the lithium-sulfur battery demonstrates a capacity of 813mAh g-1 after 100 cycles at 0.2C (compared to a PE separator cell with a capacity of 450mAh g-1). This study presents the development of a functional separator that enhances the electrochemical performance of lithium-sulfur batteries.;최근 몇 년간 리튬이온 배터리에 상당한 관심과 집중이 있었지만, 에너지 밀도, 비용 및 안정성 측면에서의 한계로 인해 아연 기반 배터리 및 리튬-황 배터리와 같은 대체 차세대 배터리에 대한 연구가 진행되고 있습니다. 그러나 이들의 상용화를 용이하게 하기 위해서는 해당 배터리 재료의 표면 안정화에 대한 접근이 중요합니다. 제 2장에서 본 연구는 음극 표면에 수지로 알려진 양친매성 블록 공중합체(AMP)를 사용하여 보호 코팅층을 도입함으로써 아연 기반 배터리의 성능을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 이 보호층의 도입은 아연 기반 배터리에서 지속적인 과제인 덴드라이트 형성 및 원치 않는 부가 반응을 억제하는 것을 목표로 합니다. 전극에 AMP 보호층을 적용한 대칭 전지의 경우, 약 470시간 동안 약 30mV의 방전 전압을 보였습니다(30mV의 베어 아연 배터리는 230시간 동안 방전되었습니다). 이 전극 보호층의 도입은 아연 기반 배터리 시스템의 안정성과 전기화학적 성능 향상에 효과적임을 입증합니다. 제 3장에서는 리튬-황 배터리의 성능을 향상시키기 위해 분리막 표면의 두 가지 핵심 문제를 다룹니다: 전도성 향상 및 폴리설파이드 용해도 억제. 이러한 과제를 해결하기 위해 2차원 전도성 Ni-HHTP MOF 코팅이 분리막 표면에 적용됩니다. 이 코팅은 분리막의 전도성을 향상시켜 효율적인 전하 이동을 용이하게 하면서 동시에 폴리설파이드 종류의 불용해를 효과적으로 억제합니다. Ni-HHTP와 Super P의 상호 작용 효과(NiHHTP@SP로 지칭)를 이용하여 리튬-황 배터리는 0.2C에서 100회 사이클 후 813mAh g-1의 용량을 보여줍니다(PE 분리막 전지의 경우 450mAh g-1의 용량). 이 연구는 리튬-황 배터리의 전기화학적 성능을 향상시키는 기능성 분리막의 개발을 제시합니다.