[논문 리뷰] Flexible, solid electrolyte-based lithium battery composed of LiFePO4 cathode and Li4Ti5O10 anode for applications in smart textiles

Yang Liu, Maksim Skorobogatiy|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 21.

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 스마트 텍스타일에 통합하기 위해 설계된 유연하고 고체 전해질 기반 리튬이온 배터리를 제시한다. 음극으로 LiFePO4, 양극으로 Li4Ti5O10를 사용하고, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO) 기반 고체 전해질을 적용하였다. 이 배터리는 기계적 유연성, 수성 공정을 통한 환경 친화성, 그리고 전기적 기능성을 유지하는 측면에서 직조된 텍스타일 구조에 성공적으로 통합되었다.

ABSTRACT

Here we report fabrication of flexible and stretchable battery composed of strain free LiFePO4 cathode, Li4Ti5O10 anode and a solid poly ethylene oxide (PEO) electrolyte as a separator layer. The battery is developed in a view of smart textile applications. Featuring solid thermoplastic electrolyte as a key enabling element this battery is potentially extrudable or drawable into fibers or thin stripes which are directly compatible with the weaving process used in smart textile fabrication. The paper first details the choice of materials, fabrication and characterisation of electrodes and a separator layer. Then the battery is assembled and characterised, and finally, a large battery sample made of several long strips is woven into a textile, connectorized with conductive threads, and characterised. Within this paper, there are two practical aspects of battery design that we have investigated in details: first is making composites of cathode/anode material with optimized ratio of conducting carbon and polymer binder material, and second is battery performance including cycling, reversibility, and compatibility of the cathode/anode materials. Finally, when casting electrodes and separator layer we mostly focused on using aqueous solutions instead of organic solvents in order to make the fabrication process environmentally friendly.

연구 동기 및 목표

• 스마트 텍스타일 응용을 위한 섬유 제조 공정과 호환되는 유연하고 착용 가능한 배터리를 개발하기 위해.
• 전극 및 전해질 공정에서 유기 용매를 수성 용액으로 대체함으로써 환경에 우호적인 제조를 가능하게 하기 위해.
• 유연한 전기화학적 성능 향상을 위한 도전성 탄소 및 고분자 점착제를 포함한 복합 전극 조성 최적화를 위해.
• 전도성 실을 사용하여 전기적 연결성을 확보함으로써 배터리를 직조된 텍스타일에 통합할 수 있는지 검증하기 위해.
• LiFePO4 및 Li4Ti5O10 시스템이 고체 상태 및 유연한 구성에서 사이클링 안정성, 가역성 및 호환성을 확보하는지 검증하기 위해.

제안 방법

• 탄소 블랙 및 고분자 점착제를 사용한 수성 슬러리 캐스팅 공정을 통해 변형이 없는 LiFePO4 음극과 Li4Ti5O10 양극을 제조하였다.
• 기계적 유연성과 이온 전도성을 동시에 확보할 수 있는 고체 폴리에틸렌 옥사이드(PEO) 기반 전해질을 개발하여 분리막으로서의 기능을 수행하였다.
• 압축을 통해 표면 간 접촉을 확보하고, 라미네이팅된 전극 및 전해질 층을 조립하여 전체 배터리 셀을 제작하였다.
• 전도성 실을 사용하여 배터리 스트립 간 전기적 통합을 수행하여 직조된 텍스타일 구조에 통합하였다.
• 사이클링 안정성, 쿠론 효율성, 고속 주행 능력 등을 포함한 전기화학적 성능을 특성화하였다.
• 여러 개의 배터리 스트립을 직조하여 텍스타일 원단을 제작하고, 통합 후 전기적 기능성을 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수성 공정을 사용하여 고체 전해질 기반 리이온 배터리를 제조할 수 있는가? 이는 스마트 텍스타일을 위한 환경 친화적인 지속 가능한 생산을 가능하게 하는가?
• RQ2 기계적 응력과 반복적인 사이클링 조건에서 LiFePO4 및 Li4Ti5O10 조합이 고체 상태 및 유연한 구성에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 배터리 구성 요소가 섬유나 얇은 스트립 형태로 뽑거나 압출되어 섬유 직조 공정과 호환되는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 PEO 기반 고체 전해질을 사용해 조립된 전체 셀의 전기화학적 안정성과 가역성은 어떠한가?
• RQ5 전도성 실을 사용한 연결을 통해 다수의 배터리 스트립을 통합한 기능성 직조 텍스타일을 제작할 수 있는가? 성능 저하 없이 가능한가?

주요 결과

• 배터리는 기계적 유연성과 신축성을 확보하여 구조적 손상 없이 텍스타일 기반 재료에 통합될 수 있었다.
• 전극 및 PEO 전해질 층 제조에 수성 공정을 적용함으로써 기존의 유기 용매 기반 방법 대비 환경 영향을 크게 감소시켰다.
• 전체 셀은 높은 쿠론 효율성을 유지하며 안정적인 사이클링 성능을 보였으며, 고체 상태 구성에서 LiFePO4/Li4Ti5O10 시스템의 전기화학적 가역성이 확인되었다.
• 여러 긴 스트립을 조합한 대규모 배터리 샘플이 성공적으로 직조된 텍스타일에 통합되었고, 전도성 실을 통해 전기적 연결이 확보되어 기능성 통합이 가능함을 입증하였다.
• PEO 기반 고체 전해질은 반복적인 충·방전 사이클을 지원할 수 있도록 충분한 이온 전도성과 표면 간 안정성을 제공하였다.
• 직조 후에도 배터리는 구조적 안정성과 전기화학적 성능을 유지하였으며, 섬유 제조 공정과의 호환성이 확인되었다.