The Incorporation of Carbon nanofibers with Carbon Nanotubes to High Energy Density Ni-rich (LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2) Layered Cathode to Improve the Performance of Lithium-Ion Batteries

Abstract

초록 장거리 주행용 리튬이온 배터리(LIB)의 에너지 밀도를 개선시키기 위한 가장 효율적인 방법은 활물질의 양을 늘리는 것입니다. 그러나, 활물질의 로딩을 높일수록 높은 전류에서 셀을 구동시킬 때 전기화학적 성능이 저하되는 현상이 발생합니다. 이에 따라 높은 전자 이동을 확보할 수 있는 도전재가 다양하게 연구되고 있습니다. 그 중 저밀도 바인더와 함께 불필요한 전도성 첨가제 CNT의 불필요한 이동은 사이클 구동 시 낮은 전기화학 성능과 고에너지 밀도 양극 전극 표면에 응집되어 잔류하게 되는 현상이 발생합니다. 이를 해결하고자 CNT에 소량의 CNF를 첨가하여 고용량 양극재 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811)의 전도성 첨가제로 사용함으로써 사이클 중 전극 부피 변화에도 전자 네트워크를 유지할 수 있었습니다. SEM(Scanning electron microscope)를 통해 CNF와 CNT의 모폴로지 특성을 비교 분석한 결과, CNF가 모폴로지 특성상 고에너지 밀도의 양극재와 균일하게 섞일 수 있도록 하여 전극 전자 통로 확보를 용이하게 하였습니다. 실험 결과, 최적의 wt%가 첨가된 CNF는 구조적 안정성을 유지하면서 사이클동안 빠른 전자 및 이온 통로를 확보해 초기 용량이 개선된 것을 확인할 수 있었습니다. CNT만 1wt% 함유된 양극 전극을 1C에서 구동시켰을 때 189.41mAh/g의 초기 용량을 달성하였으나 CNF가 0.25wt%(with CNT 0.75wt%), 0.5wt%(with CNT 0.5wt%), 0.75wt%(with CNT 0.25wt%) 함유된 양극 전극의 경우 각각 208.02mAh/g, 207.64mAh/g, 206.63mAh/g의 단독 CNT 사용 대비 높은 초기 용량을 달성하였습니다. 100cycle 이후 1 wt% CNT로만 구성된 양극 전극은 151.01mAh/g, 91.1%의 낮은 방전 용량과 유지율을 보인 반면, CNF가 0.25wt%(with CNT 0.75wt%), 0.5wt%(with CNT 0.5wt%)가 함유된 양극 전극은 93.9%, 92.5%의 높은 용량 유지율과 172.22mAh/g, 170.69mAh/g의 높은 방전 용량을 달성했습니다. |Abstract

Increasing the active material content is a direct and efficient approach to significantly improve the energy density of lithium-ion batteries (LIBs) for long driving range applications. However, increasing the loading level has been observed to result in diminished electrochemical performance when operating at high current densities. Furthermore, unwanted migration of conductive additives (CNTs) with low density binder during cycling caused poor electrical network and aggregation on the surface of the high-energy density cathodes. By adding a small amount of carbon nanofibers (CNFs) with CNTs in LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) high-energy density cathode material maintained the electrical network during volume changes. The morphology of CNFs helped to penetrate into high energy density cathodes and built-up electronic pathways throughout the electrode. The morphological properties of CNFs and CNTs were further characterized by scanning electron-microscope. The experimental findings revealed that an optimized weight percentage (wt%) of carbon nanofibers exhibited superior electrochemical performance by preserving structural stability throughout cycling and facilitating rapid electron and Li-ion diffusion and delivered higher initial specific capacities of (208.02 mAhg-1, 207.64 mAhg-1 and 206.63 mAhg-1) with the cells containing 0.25wt%, 0.5wt% and 0.75wt% CNF respectively at 1C. The pristine cell with 1wt% CNTs showed obviously lower specific capacity of 189.41 mAhg-1. The electrodes prepared with 0.25wt% and 0.5wt% of CNFs exhibited high-capacity retentions of 93.9% and 92.5% with excellent discharge capacities of 172.22 mAhg-1 and 170.69 mAhg-1 over 100 cycles respectively while the pristine electrodes consisting of 1wt% CNTs showed relatively very low discharge capacity of 151.05 mAhg-1 with capacity retention of 91.1% after 100 cycles at 1C.