Achieving High Performance in Rechargeable Batteries Through Interface Control Using Metal-Organic Frameworks

Abstract

The application of metal–organic framework (MOF) as a coating material in secondary batteries has emerged as a promising approach to improve the performance. MOF is consisted of transition metal ions and organic linkers with high porosity, surface area, and rigid crystalline structure. The chemical properties can be diversified as different combination of the metal and the linker. In this research, MOF is applied as a coating material in both anode and cathode material to enhance the electrochemical performances. In battery system, interface control of anode and cathode is important for the rate performance and cyclability. In part 1, composite protective layer consisted of MOF and polymer was applied to stabilize the anode interface. Aqueous rechargeable zinc batteries (ZBs) offer eco-friendliness, low cost, and high-rate performance. However, the growth of zinc dendrites on the metal anode causes short-circuiting, degrading battery performance. This study utilized a composite protective layer (CPL) consisting of a Zr-based metal-organic framework (Zr-MOF; UiO-66(Zr)-(COOH)2) and a poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) copolymer binder. The stable and porous Zr-MOF acted as a sieve, facilitating uniform zinc deposition on the anode and effectively controlling dendrite formation during cycling. The PVDF-HFP binder exhibited higher ionic conductivity and binding affinity, reducing overpotential and improving cyclability. The CPL-coated Zn symmetric cell demonstrated stable operation for 2400 cycles at a high current density without short-circuit, indicating the effectiveness of the MOF-binder combination in suppressing zinc dendrites. In part 2, 2D conductive MOF was applied to cathode particle to form the stable interface by simple surface modification. Lithium manganese oxide (LMO) is a promising cathode material due to its non-toxicity, high operating voltage, and low cost. However, structural collapse during battery cycling caused by manganese dissolution and the Jahn-Teller effect leads to reduced cycle retention, especially at high temperatures. To address these challenges, a study introduces Cu3(HITP)2, a conductive 2D metal-organic framework (MOF), as a surface coating material. The coating increases electronic conductivity and suppresses Mn dissolution by providing a Mn4+-rich surface. This enhances structural stability and offsets the inherent problems of LMO. The CuHITP-LMO composite exhibits outstanding cyclability, maintaining an initial capacity of 98.7 mAh g–1 at 100 mA g–1 and achieving a capacity of 74.5 mAh g–1 after 100 cycles at 50 ℃. The research highlights the potential of conductive 2D MOFs in improving the electrochemical performance of battery cathodes.;최근 이차전지의 성능 개선에 관한 연구는 필요성이 확대됨에 따라 다양하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 금속-유기 골격체를 코팅재료로서 적용하여 이차전지의 성능 향상을 위한 접근법을 제시했다. 금속-유기 골격체는 높은 표면적, 기공성, 견고한 결정구조를 갖는 전이금속 이온과 유기체의 배위결합으로 이뤄져있다. 이러한 장점들을 활용하여 전지 시스템에서의 전극과 전해질의 계면 제어를 위한 코팅재료로 이용하여 다양한 전기화학적 성능에 향상시켰다. 제 1부에서는 금속-유기 골격체와 고분자로 이루어진 복합 보호층을 수계 아연 이차전지의 아연 금속 위에 코팅하여 계면을 안정화시켰다. 수계 아연 이차전지는 친환경성, 낮은 비용과 높은 에너지 밀도를 가지만, 작동 중에 금속 음극에서의 수지상 성장 문제로 인한 단락 유발과, 전해질과 전극의 높은 계면저항이 문제점으로 꼽힌다. 본 연구에서는 Zr 기반 금속-유기 골격체와 PVDF-HFP 고분자를 활용하여 음극에 균일한 아연 증착을 유도하고, 계면간의 과전위를 감소시켜 수명 특성을 향상시켰다. 제 2 부에서는 안정적인 계면을 형성하기 위한 2차원 전도성 금속-유기 골격체를 리튬 이차전지의 리튬 망간 산화물 양극재에 표면 개질을 진행하였다. 리튬 망간 산화물은 비독성, 높은 산화 환원 전압 및 낮은 비용이라는 장점을 가지지만, 작동 중 망간 용출로 인한 구조적 변이로 인해 수명 특성이 낮다는 한계점을 가진다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 본 연구에서는 Cu3(HITP)2를 표면 코팅 재료로 적용하여 전자 전도도를 부여하고 표면에 Mn4+를 풍부하게 하여 망간 용출을 억제시켰다. 이로써 작동 중 구조적 안정성을 향상시켰고 특히나 고온에서의 수명 특성을 증가시켰다. 결론적으로, 두 가지 연구 모두 금속-유기 골격체를 활용하여 이차전지에서의 불안정한 계면을 개선시켜 다양한 전기화학적 특성을 통한 성능 증가를 확인하였다.