Journal of Adhesion and Interface (접착 및 계면)

The Society of Adhesion and Interface, Korea (한국접착및계면학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Recent Research Trend in Conductive Polymer Binders for Silicon-Based Anodes of Lithium-Ion Batteries

리튬이온전지 실리콘 음극용 전도성 고분자 바인더의 연구 동향

  • Soo Hyun Kim (Department of Chemical and Biological Engineering, Gachon University) ;
  • Chan Ho Park (Department of Chemical and Biological Engineering, Gachon University) ;
  • Hansol Lee (Department of Chemical and Biological Engineering, Gachon University)
  • 김수현 (가천대학교 화공생명공학과) ;
  • 박찬호 (가천대학교 화공생명공학과) ;
  • 이한솔 (가천대학교 화공생명공학과)
  • Received : 2023.02.22
  • Accepted : 2023.02.28
  • Published : 2023.03.30
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

Silicon has been studied as an anode material for next-generation lithium ion batteries due to its high theoretical electrochemical capacity. However, the extreme volume change during the lithiation/delithiation and the inherently low electronic conductivity of silicon hamper the practical application of silicon anodes. Conductive polymer binders are effective means to solve these problems, and it has been reported that the performance of the silicon anode can be greatly improved through the proper molecular design of the conductive polymer binders. In this paper, representative recent studies on conductive polymer binders for silicon anodes will be introduced, and through this, binder design strategies to overcome the limitations of silicon anodes will be explored.

실리콘은 높은 이론적 전기화학 용량을 가짐으로 인해 차세대 리튬이온전지의 음극 소재로서 오랜 기간 연구되어 왔다. 그러나 실리콘의 리튬화/탈리튬화에 동반되는 극심한 부피 변화와 실리콘 본연의 낮은 전자전도성은 실리콘 음극의 실제 적용을 어렵게 하였다. 전도성 고분자 기반의 바인더는 이러한 문제를 동시에 해결할 수 있는 효과적인 수단으로, 바인더 분자 구조 디자인 및 기능성 부여를 통해 실리콘 음극의 성능을 크게 개선할 수 있음이 보고되었다. 본고에서는 실리콘 음극용 전도성 고분자 바인더의 대표적인 연구 성과들을 소개하고, 이를 통해 실리콘 음극의 한계를 극복하기 위한 바인더 디자인 전략에 대해 알아보고자 한다.

Keywords

Acknowledgement

이 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었음(과제번호: RS-2022-00166297).

References

  1. Y. Qi, G. Wang, Sheng. Li, T. Liu, J. Qiu, and H. Li, Chem. Eng. J., 397, 125380 (2020). 
  2. X. Zuo, J. Zhu, P. Muller-Buschbaum, and Y.-J. Cheng, Nano Energy, 31, 113 (2017). 
  3. J. W. Choi, and D. Aurbach, Nat. Rev. Mater., 1, 16013 (2016). 
  4. H. Wu, and Y. Cui, Nano Today, 7, 414 (2012). 
  5. M.-H. Park, M. G. Kim, J. Choo, K. Kim, J. Kim, S. Ahn, Y. Cui, and J. Cho, Nano Lett., 9, 3844 (2009). 
  6. M. Ling, Y. Xu, H. Zhao, X. Gu, J. Qiu, S. Li, M. Wu, X. Song, C. Yan, G. Liu, and S. Zhang, Nano Energy, 12, 178 (2015). 
  7. S.-H. Ng, J. Wang, David Wexler, Konstantin Konstantinov, Z.-P. Guo, and H.-K. Liu, Angew. Chem., 45, 6896 (2006). 
  8. C. K. Chan, R. Ruffo, S. S. Hong, and Y. Cui, J. Power Sources, 189, 1132 (2009). 
  9. Y. Oumellal, N. Delpuech, D. Mazouzi, N. Dupre, J. Gaubicher, P. Moreau, P. Soudan, B. Lestriez, and D. Guyomard, J. Mater. Chem., 21, 6201 (2011).
  10. H. Cheng, J. G. Shapter, Y. Li a, and G. Gao, J. Energy Chem., 57, 451 (2021). 
  11. Q. Shi, J. Zhou, S. Ullah, X. Yang, K. Tokarska, B. Trzebicka, H. Q. Ta, and M. H. Rummeli. Energy Storage Mater., 34, 735 (2021). 
  12. M. Ashuri, Q. He, and L. L. Shaw, Nanoscale, 8, 74 (2016). 
  13. A. N. Preman, H. Lee, J. Yoo, I. T. Kim, T. Saito, and S.-K. Ahn, J. Mater. Chem. A, 8, 25548 (2020). 
  14. Y. Shi, X. Zhou, and G. Yu, Acc. Chem. Res., 50, 2642 (2017). 
  15. W. Zhu, J. Zhou, S. Xiang, X. Bian, J. Yin, J. Jiang, and L. Yang, Front. Chem., 9, 712225 (2021). 
  16. Y.-M. Zhao, F.-S. Yue, S.-C. Li, Y. Zhang, Z.-R Tian, Q. Xu, S. Xin, and Y.-G. Guo, InfoMat., 3, 460 (2021). 
  17. H. Lee, A. N. Preman, T. N. Vo, J.-H. Lee, I. T. Kim, and S.-K. Ahn, Int. J. Energy Res., 46, 12565 (2022). 
  18. S. Chen, Z. Song, L. Wang, H. Chen, S. Zhang, F. Pan, and L. Yang, Acc. Chem. Res., 55, 2088 (2022). 
  19. C. Zhang, F. Wang, J. Han, S. Bai, J. Tan, J. Liu, and F. Li, Small Struct., 2, 2100009 (2021). 
  20. N .-S. Choi, S.-Y. Ha, Y. Lee, J. Y. Jang, M.-H. Jeong, W. C. Shin, and M. Ue, J. Electrochem. Sci. Technol., 6, 35 (2015). 
  21. V. A. Nguyen, and C. Kuss, J. El ectrochem. Soc., 167, 065501 (2020). 
  22. G. Liu, S. Xun, N. Vukmirovic, X. Song, P. Olalde-Velasco, H. Zheng, V. S. Battaglia, L. Wang, and W. Yang, Adv. Mater., 23, 4679 (2011).
  23. D. Liu, Y. Zhao, R. Tan, L.-L. Tiana, Y. Liu, H. Chen, and F. Pan, Nano Energy, 36, 206 (2017). 
  24. Y. Zhao, L. Yang, Y. Zuo, Z. Song, F. Liu, K. Li, and F. Pan, ACS Appl. Mater. Interfaces, 10, 27795 (2018). 
  25. T. M. Higgins, S.-H. Park, P. J. King, C. Zhang, N. McEvoy, N. C. Berner, D. Daly, A. Shmeliov, U. Khan, G. Duesberg, V. Nicolosi, and J. N. Coleman, ACS Nano, 10, 3702 (2016). 
  26. Y. Yu, H. Gao, J. Zhu, D. Lia, F. Wang, C. Jiang, T. Zhong, S. Liang, and M. Jiang, Chin. Chem. Lett., 32, 203 (2021). 
  27. Y. Cai, C. Liu, Z. Yu, W. Ma, Q. Jin, R. Du, B. Qian, X. Jin, H. Wu, Q. Zhang, and X. Jia, Adv. Sci., 2205590 (2022). 
  28. M. Wu, X. Xiao, N. Vukmirovic, S. Xun, P. K. Das, X. Song, P. Olalde-Velasco, D. Wang, A. Z. Weber, L.-W. Wang, V. S. Battaglia, W. Yang, and G. Liu, J. Am. Chem. Soc., 135, 12048 (2013). 
  29. S.-J. Park, H. Zhao, G. Ai, C. Wang, X. Song, N. Yuca, V. S. Battaglia, W. Yang, and G. Liu, J. Am. Chem. Soc., 137, 2565 (2015). 
  30. H. Zhao, Y. Wei, R. Qiao, C. Zhu, Z. Zheng, M. Ling, Z. Jia, Y. Bai, Y. Fu, J. Lei, X. Song, V. S. Battaglia, W. Yang, P. B. Messersmith, and G. Liu, Nano Lett., 15, 7927 (2015). 
  31. K. Lee, and T.-H. Kim, Electrochimica Acta, 283, 260 (2018). 
  32. D. Liu, Y. Zhao, R. Tan, L.-L. Tian, Y. Liu, H. Chen, and F. Pan, Nano Energy, 36, 206 (2017). 
  33. Z. Song, T. Zhang, L. Wang, Y. Zhao, Z. Li, M. Zhang, K. Wang, S. Xue, J. Fang, Y. Ji, F. Pan, and L. Yang, Small Methods, 2101591 (2022). 
  34. T. Zheng, Z. Jia, N. Lin, T. Langer, S. Lux, I. Lund, A.-C. Gentschev, J. Qiao, and G. Liu, Polymers, 9, 657 (2017). 
  35. Q. Ye, P. Zheng, X. Ao, D. Yao, Z. Lei, Y. Deng, and C. Wang, Electrochimica Acta, 315, 58 (2019). 
  36. H. Wu, G. Yu, L. Pan, N. Liu, M. T. McDowell, Z. Bao, and Y. Cui, Nat. Commun., 4, 1943 (2013). 
  37. C. Zhang, Q. Chen, X. Ai, X. Li, Q. Xie, Y. Cheng, H. Kong, W. Xu, L. Wang, M.-S. Wang, H. Yang, and D.-L. Peng, J. Mater. Chem. A, 8, 16323 (2020). 
  38. X. Yu, H. Yang, H. Meng, Y. Sun, J. Zheng, D. Ma, and X. Xu, ACS Appl. Mater. Interfaces, 7, 15961 (2015). 
  39. X. He, R. Han, P. Jiang, Y. Chen, and W. Liu, Ind. Eng. Chem. Res., 59, 2680 (2020). 
  40. Z. Song, S. Chen, Y. Zhao, S. Xue, G. Qian, J. Fang, T. Zhang, C. Long, L. Yang, and F. Pan, small, 17, 2102256 (2021). 
  41. L. Wang, T. Liu, X. Peng, W. Zeng, Z. Jin, W. Tian, B. Gao, Y. Zhou, P. K. Chu, and and K. Huo, Adv. Funct. Mater., 28, 1704858 (2018). 
  42. X. Liu, A. Iqbal, N. Ali, R. Qi, and X. Qian, ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, 19431 (2020). 
  43. S. Hu, L. Wang, T. Huang, and A. Yu, J. Power Sources, 449, 227472 (2020). 
  44. A. Ray, G. E. Asturias, D. L. Kershner, A. F. Richter, A. G. Macdiarmid, and J. Epstein, Synth. Met., 29, 141 (1989). 
  45. Y. Yu, J. Zhu, K. Zeng, and M. Jiang, J. Mater. Chem. A, 9, 3472 (2021). 
  46. F. M. Courtel, S. Niketic, D. Duguay, Y. AbuLebdeh, and I. J. Davidson, J. Power Sources, 196, 2128 (2011).
  47. J. Roncali, P. Blanchard, and P. J. Frere, Mater. Chem., 15, 1589 (2005). 
  48. C. Arbizzani, M. Mastragostino, and M. Rossi, Electrochem. Commun., 4, 545 (2002). 
  49. L. J. Her, J. L. Hong, and C. C. Chang, J. Power Sources, 157, 457 (2006). 
  50. T. M. Higgins, and J. N. Coleman, ACS Appl. Mater. Interfaces, 7, 16495 (2015). 
  51. J. E. McCarthy, C. A. Hanley, L. J. Brennan, V. G. Lambertini, and Y. K. Gunko, J. Mater. Chem. C, 2, 764 (2014). 
  52. Y. H. Kim, C. Sachse, M. L. Machala, C. May, L. Muller-Meskamp, and K. Leo, Adv. Funct. Mater., 21, 1076 (2011).