Microstructural changes of Silicon based anode material by imidization degree of polyimide binder

Abstract

Silicon is one of the most promising anode materials for Lithium ion batteries because of its high gravimetric and volumetric energy densities. However, silicon suffers large volume change during lithiation and delithiation. Such a volume change causes pulverization and delamination, resulting the instability of the electrode structure and eventually hinders the performance and the practical use of silicon. Thus, improving the stability of the electrodes during cycling is the key issue especially for silicon anodes. The binder plays an important role for binding such electrode materials with the electrically conductive materials such as carbon black and keeping the materials adhesive to the current collector. In this study, polyimide (PI), which is well used as high performance engineering polymers with its excellent properties, would be employed as binder for silicon anode material. It is known that polyamic acid (the precursor of PI) is thermally imidized by curing process and improves its mechanical strengths by the condensation process between the carboxylic acid and amine during the imidization and loose water molecules. By thermally treating the electrode with different temperatures, the effect of the imidization process on the mechanical strength of polymers, microstructural changes of electrodes and the electrochemical performances of electrodes is discussed. The relationship between the imidization degree of binders and the enhanced cycle performance of electrodes is introduced by applying various characterization tools. Monitoring the expansion behaviors and tracing the porosity changes during the lithiation is employed as an analytical tool in this study.|최근 리튬이온 이차전지가 전기자동차와 에너지저장시스템 등에 적용되면 서 점차 시장이 확대됨에 따라서 기존의 가정용 소형 중심에서 고용량, 고출 력, 장수명, 고안정성을 갖는 중대형으로 발전하고 있다. 특히 중대형 리튬이 온 이차전지는 높은 에너지밀도를 갖는 것과 동시에 경박단소화가 되어야 하 기 때문에 중량당 및 체적당 고용량을 갖는 실리콘이 차기 음극재로써 각광을 받고 있다. 하지만 실리콘 소재의 경우 충방전 과정에서 리튬 이온과의 합금 화 반응으로 인해 체적 변화가 300% 이상 발생하게 된다. 이로 인해 전극 내 입자 분쇄, 박리 등이 일어나게 되고 전극 내 구조 파괴로 인하여 용량과 사 이클 수명이 급격히 낮아지는 문제점을 갖고 있다. 따라서 실리콘 음극재의 상용화를 앞당기기 위해서는 음극재의 부피팽창을 감소시키고, 집전체와의 접 착력을 향상시킬 수 있는 바인더에 대한 개발이 중요하다. 폴리이미드는 우수 한 내열성, 내화학성, 강한 기계적인 물성을 갖는 고내열성 엔지니어링 플라스 틱의 대표적인 고분자이다. 이러한 폴리이미드는 전구체인 폴리아믹산의 탈 수고리화반응을 통해 만들어지는데, 열처리 온도에 따라서 이미드화 정도가 달라지는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 폴리이미드를 바인더로 적용하 였을 때, 열처리 온도에 따른 바인더 내 이미드화가 진행됨에 따라서 전극의 구조는 기공율이 증가하는 방향으로 변화하였고 수명특성을 비롯한 전극의 팽 창특성이 향상되는 좋은 효과를 보였다. 본 연구에서 이루어진 열처리 온도에 따른 구조적인 특성과 전기화학 특성을 분석한 자세한 내용은 본문에서 다루 고자 한다