Spinel LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) has been considered as one of most promising cathode material, because of its low-cost and competitive energy density. However, 4.7V vs. Li/Li+ of high operating potential facilitates electrolyte degradation on cathode-electrolyte interface during charge-discharge process. In particular, commercial polyvinylidene fluoride (PVDF) is not sutaible for LNMO cathode binder because its weak van der waals force induces thick and non-uniform coverage on the cathode surface. In this review, we study high performance binders for LNMO cathode, which forms uniform coating layer to prevent direct contact between electrolyte and LNMO particle as well as modifying high quality cathode electrolyte interphase, improved cell performace.
In this study, the electrochemical performance of Graphite/Silicon/Pitch composites as anode material was investigated to improve the low theoretical capacity of artificial graphite. Spherical artificial graphite surface was coated with polyvinylpyrrolidone (PVP) amphiphiles material to synthesize Graphite/Silica material by silica islands growth. The Graphite/Silicon/Pitch composites were prepared by petroleum pitch coating and magnesiothermic reduction. The Graphite/Silicon/Pitch composite electrodes manufactured using poly(vinylidene fluoride) (PVDF), carboxymethyl cellulose (CMC) and polyacrylic acid (PAA) binders. The coin type half cell was assembled using various electrolytes and additives. The Graphite/Silicon/Pitch composites were analysed by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and a thermogravimetric analyzer (TGA). The electrochemical characteristics of Graphite/Silicon/Pitch composite were investigated by constant current charge/discharge, rate performance, cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The Graphite/Silicon/Pitch composites showed high cycle stability at a graphite/silica/pitch ratio (1:4:8 wt%). When the electrode is prepared using PAA binder, the high capacity and stability is obtained. The coin type half cell assembled using EC: DMC: EMC electrolyte showed high initial capacity (719 mAh/g) and excellent cycle stability. The rate performance has an capacity retention (77%) at 2 C/0.1 C and an capacity recovery (88%) at 0.1 C / 0.1 C when the vinylene carbonate (VC) was added.
Choi, Na Hyun;Kim, Eun Bi;Yeom, Tae Ho;Lee, Jong Dae
Korean Chemical Engineering Research
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v.60
no.3
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pp.327-333
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2022
In this study, silicon/carbon nanotube/carbon (Si/CNT/C) composites for anode were prepared to improve the volume expansion of silicon used as a high-capacity anode material. Si/CNT were prepared by electrostatic attraction of the positively charged Si and negatively charged CNT and then hydrothermal synthesis was performed to obtain the spherical Si/CNT/C composites. Poly(vinylidene fluoride) (PVDF), polyacrylic acid (PAA), and styrene butadiene rubber (SBR) were used as binders for electrode preparation, and coin cell was assembled using 1.0 M LiPF6 (EC:DMC:EMC = 1:1:1 vol%) electrolyte and fluoroethylene carbonate (FEC) additive. The physical properties of Si/CNT/C anode materials were analyzed using SEM, EDS, XRD and TGA, and the electrochemical performances of lithium-ion batteries were investigated by charge-discharge cycle, rate performance, dQ/dV and electrochemical impedance spectroscopy tests. Also, it was confirmed that both capacity and rate performance were significantly improved using the PAA/SBR binder and 10 wt% FEC-added electrolyte. It is found that Si/CNT/C have the reversible capacity of 914 mAh/g, the capacity retention ratio of 83% during 50 cycles and the rate performance of 70% in 2 C/0.1 C.
Gel polymer electrolytes were prepared from poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoro propylene)[P(VdF-co-HFP)] that had higher mechanical properties as well as higher dielectric constant ($\varepsilon$=8~13) than other polymeric matrix. Mechanical properties and ionic conductivities have been investigated as a function of blend ratio of electrolyte solution and polymer matrix. Ethylene carbonate (EC)/${\gamma}$-butyrolactone (${\gamma}$-BL) and lithium triflate (LiCF$_3$SO$_3$) were used as solvent and salt, respectively. The mechanical properties such as tensile strength, tensile modulus, compression modulus, and dynamic shear modulus were evaluated. The highest ionic conductivity was 1.09$\times$10$^{-3}$ S/cm for PVH40 containing 28.6 wt% of P(VdF-co-HFP) at $25^{\circ}C$. Tensile strength, tensile modulus and compression modulus were increased with P(VdF-co-HFP) content and abruptly changed between PVH70 and PVH80. Dynamic shear moduli showed a typical gel behavior and changed with shear strain.
In lithium-ion batteries (LIBs), the stress induced by the volume change of an electrode during charge-discharge processes may often cause the mechanical integrity of the electrode to degrade. Polymer binders with enhanced mechanical properties are preferred for improved mechanical integrity and cycling stability of the electrode. In addition, given that sliding and shearing between the polymer binder and components in the electrode may readily occur, frictional and adhesion characteristics of the polymer binder may play a critical role in the mechanical integrity of the electrode. In this study, frictional and adhesion characteristics of polyacrylonitrile (PAN) and polyvinylidene fluoride (PVDF) were investigated using a colloidal probe atomic force microscope. Friction loops were obtained under various normal forces ranging from 0 to 159 nN in air and electrolyte and then the interfacial shear strengths of PAN and PVDF in air were calculated to be $1.4{\pm}0.5$ and $1.3{\pm}0.3MPa$, respectively. The results show that in electrolyte, interfacial shear strength of PAN decreased slightly ($1.2{\pm}0.2MPa$), whereas that of PVDF decreased drastically ($0.06{\pm}0.01MPa$). Decreases in mechanical properties and adhesion in electrolyte may be responsible for the decrease in interfacial shear strength in electrolyte. The findings from this study may be helpful in developing polymer binders to improve the mechanical integrity of electrodes in LIBs.
In this study, we intend to fabricate an all solid polymer battery with a reduced interfacial resistance between the solid electrolyte and the electrode by applying thiophene based polymers as both electrode and electrolyte materials. In order to minimize the interfacial resistance with the poly(3,4-ethylenedioxy thiophene) (PEDOT) based electrode, 3,4-ethylenedioxy thiophene (EDOT) oligomer was introduced into the solid electrolyte. Also, to improve the lithium salt dissociation ability of the EDOT oligomer [oligo(EDOT)] electrolyte, it was blended with poly(vinylidene fluoride) (PVdF). As a result, the ionic conductivity of the solid polymer electrolyte increased by introducing PVdF into the oligo (EDOT). From the result of evaluating the electrochemical properties of an all solid polymer battery, the interfacial resistance significantly decreased by introducing a thiophene based polymer to the electrode and electrolyte.
Manganese dioxide ($MnO_2$) is one of the most important cathode materials used in both aqueous and non-aqueous batteries. The $MnO_2$ polymorph that is used for lithium primary batteries is synthesized either by electrolytic (EMD-$MnO_2$) or chemical methods (CMD-$MnO_2$). Commonly, electrolytic manganese dioxide (EMD) is used as a cathode mixture material for dry-cell batteries, such as a alkaline batteries, zinc-carbon batteries, rechargeable alkaline batteries, etc. The characteristics of lithium/manganese-dioxide primary cells fabricated with EMD-$MnO_2$ powders as cathode were compared as a function of the parameters of a manufacturing process. The flexible primary cells were prepared with EMD-$MnO_2$, active carbon, and poly vinylidene fluoride (PVDF) binder (10 wt.%) coated on an Al foil substrate. A cathode sheet with micro-porous showed a higher discharge capacity than a cathode sheet compacted by a press process. As the amount of EMD-$MnO_2$ increased, the electrical conductivity decreased and the electrical capacity increased. The cell subjected to heat-treatment at $200^{\circ}C$ for 1 hr showed a high discharge capacity. The flexible primary cell made using the optimum conditions showed a capacity and an average voltage of 220 mAh/g and 2.8 V, respectively, at $437.5{\mu}A$.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.20
no.5
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pp.421-424
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2007
Thermal behavior of $Li_{1-x}CoO_2$ has been investigated employing DSC (Differential Scanning calorimetry) and TGA (Thermogravimetry Analyzer), and the crystal parameters were calculated from XRD (X-ray diffraction).for the commercial rectangular pouch cell(1000 mAh).The cathode materials coated over aluminium foil current collector is made up of a blend consisting of active material $LiCoO_2$(size $20\;{\mu}m$, 94 wt%), conducting material super p black (SPB, 3 wt%) and binder polyvinylidene fluoride (PVDF, 3 wt%). The anode is a mix consisting of carbon (92 wt%) and PVDF(8 wt%) coated over copper foil. The cells for the experiments were first preconditioned by cycling three times and stabilized at OCV=3.0, 3.5, 4.2, 4.35 and 4.5 V. The stabilized cathode material was used for thermal and crystal parameter investigations.
Trimethylboroxine (TMB) is a six-membered ring compound containing Lewis acidic boron and Lewis basic oxygen atoms that can bind halide anion and alkali metal cation, respectively. We employed Fourier transform ion cyclotron resonance spectroscopy to study the gas-phase binding of $LiBrLi^+$ and $F^-(KF)_2$ to TMB. TMB forms association complexes with both $LiBrLi^+$ and $F^-(KF)_2$ at room temperature, providing direct evidence for the ditopic binding. Interestingly, the $TMB{\cdot}F^-(KF)_2$ anion complex is formed 33 times faster than the $TMB{\cdot}Li^+BrLi$ cation complex. To gain insight into the ditopic binding of an ion pair, we examined the structures and energetics of $TMB{\cdot}Li^+$, $TMB{\cdot}F^-$, $TMB{\cdot}LiF$ (the contact ion pair), and $Li^+{\cdot}TMB{\cdot}F^-$ (the separated ion pair) using Hartree-Fock and density functional theory. Theory suggests that $F^-$ binds more strongly to TMB than $Li^+$ and the contact ion-pair binding ($TMB{\cdot}LiF$) is more stable than the separated ion-pair binding ($Li^+{\cdot}TMB{\cdot}F^-$).
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2010.02a
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pp.432-432
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2010
Organic light emitting diodes (OLED) thin films were fabricated by Electrostatic spray deposition (ESD). In this study, we reported the thickness, morphology, current efficiency, luminescence of OLED fabricated by ESD. These results were compared with the spin coating method, and showed that also ESD is a good fabrication method for OLED because of its characteristics similar with the results using spin coating. The active layer consists of organic blends with Poly(N-vinylcarbazole) (PVK), 2-(4-Biphenyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole (PBD), N,N'-Bis(3-methylphenyl) -N,N'-bis(phenyl)-benzidine (TPD), Tris(2-phenylpyridine)iridium(III) (Ir(ppy)3), and the structure of OLED consists of aluminum (Al), lithium fluoride (LiF), organic blends, PEDOT:PSS and Indium-tin-oxide (ITO), which was used as the top cathode, cathode interfacial layer, emitting layer and bottom anode, respectively. The results suggest that Electrostatic spray deposition is a promising method for the next generation of OLED fabrication since it has a probability fabricating large-area thin films.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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