Study on Crosslinkable Poly(vinylidene difluoride) (PVDF) Battery Binders toward Stable Silicon Anode Performance

Abstract

In recent years, the electric vehicle market is increasing the demand for high energy density storage devices such as lithium ion batteries applied in portable electronic devices, electric vehicles (EVs) and intermediate storage of renewable energy. Lithium battery applications demand higher performance for cycle life, capacity retention and reliability. Si is an ideal lithium-ion battery (LIB) anode material due to its excellent capacity and suitable voltage. However, large volume changes(~420%) of Si anode during the charge/discharge cycle lead to the collapse of the anode, resulting in a very unstable cycle. Polymer binders are one of the methods of efficient suppressing large volume expansion of Si anode. However, the conventional electrode binder, PVDF (Poly vinylidene Fluoride), lacks the ability to suppress Si deformation. To overcome the deficiency characteristics of PVDF binder, a 3D Cross-linked network was formed through chemical modification of the polymer. The 3D network polymer binder exhibits high battery stability compared to conventional PVDF due to its high mechanical strength that limits the volume expansion of Si particles. PVDF-based binders provide a new avenue for the development of Si anodes for high-energy-density lithium-ion batteries

최근 전기 자동차 시장은 휴대용 전자 장치, 전기 자동차(EV) 및 재생 가능 에너지의 중간 저장 장치에 적용되는 리튬 이온 배터리와 같은 고에너지 밀도 저장 장치에 대한 수요가 증가하고 있다. 리튬 배터리 애플리케이션은 사이클 수명, 용량 유지 및 안정성에 대해 더 높은 성능을 요구된다. Si 음극재는 뛰어난 용량과 적절한 작동 전압으로 인해 이상적인 리튬 이온 배터리(LIB) 음극재이다. 그러나 충 방전 사이클 중 매우 큰 부피 변화(~420%)는 음극의 붕괴를 초래하며, 이는 매우 불안정한 사이클을 초래하여 전극의 안정성을 낮춘다. 이를 해결하는 방법 중 하나로 고분자 바인더는 고성능 Si의 큰 부피 팽창을 제한하기 위한 효율 적인 방법이다. 그러나 기존의 전극 바인더인 PVDF(Poly vinylidene Fluoride)는 변형이 일어날 경우 영구적인 변형이 일어나서, Si 변형을 효율적으로 억제하지 못한다. 이 실험에서는 PVDF 바인더의 성능을 개선하기 위해 폴리머의 화학적 개질을 통해 3차원 가교 네트워크를 형성했다. 3차원 네트워크 폴리머 바인더는 Si 입자의 부피 팽창을 제한하는 높은 기계적 강도로 인해 기존 PVDF에 비해 높은 배터리 안정성을 나타낸다. 이에 따라, PVDF 기반 3차원 구조의 바인더는 고에너지 밀도 리튬 이온 배터리용 Si 양극 개발에 있어서 새로운 방향성을 제시한다