불소화 C/TiO2 나노섬유가 코팅된 리튬이차전지용 분리막의 향상된 물리적 및 전기화학적 성능 = Enhanced Physical and Electrochemical Properties of Fluorinated C/TiO2 Nanofiber-Coated Separators for Lithium-Ion Batteries

국문 초록 (Abstract)

리튬이차전지에 사용되는 PP 및 PE 분리막은 낮은 전해질 친화력과 열안정성 등의 요인에 의하여 분리막 성능이 저하되는 문제가 있다. 본 연구에서는 전기방사를 통해 탄소와 TiO2로 구성된 나노섬유를 제조하고 NF3 가스를 이용하여 불소를 도입한 후 이를 분리막에 코팅해 분리막 성능을 향상시키고자 하였다. 제조된 분리막은 TiO2와 불소 도입의효과로 150 °C에서의 열수축률이 Celgard 2320에 비해 약 67% 감소하였다. 또한 전해질 친화력이 향상되어 전해질흡수율이 약 2 배로 증가하였다. NF3 불소화 온도가 가장 낮은 200 °C에서 형성된 샘플을 코팅한 분리막은 2 C 율속에서 100 사이클 충방전 시 76.4%로 가장 높은 용량 유지율을 나타내었다. 이는 낮은 불소화 온도로 TiO2 표면에 흡착된F- 이온의 함량이 67.9%로 가장 높아 안정적인 SEI 층을 형성하였기 때문으로 사료된다. 따라서, 불소화 탄소/이산화티탄 나노섬유가 코팅된 분리막은 기존 분리막의 단점을 개선할 뿐만 아니라, SEI 형성을 유도하여 장수명 성능을가진 리튬이차전지에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Commercial separators like PP and PE have limitations, including low electrolyte affinity and poor thermal stability. In this study, we aimed to enhance separator performance by fabricating nanofibers composed of carbon and TiO2 through electrospinning, followed by fluorination using NF3 gas, and subsequently coating these fluorinated nanofibers onto the separator.
The fabricated separator demonstrated a significant reduction in thermal shrinkage rate at 150 °C, decreasing by approximately 67% compared to Celgard 2320, due to the introduction of TiO2 and fluorine. Furthermore, the enhanced electrolyte affinity resulted in a twofold increase in electrolyte absorption rate. Among the samples, the separator coated with nanofibers fluorinated at the lowest NF3 temperature of 200 °C exhibited the highest capacity retention of 76.4% at a 2 C rate (100 cycles).
This improvement is attributed to the high fluorine ion content (67.9%) adsorbed onto the TiO2 surface under low-temperature fluorination, which facilitated the formation of a stable SEI layer. Therefore, the separator coated with fluorinated carbon/ titanium dioxide nanofibers not only improves the shortcomings of conventional separators but also induces SEI formation and is expected to be applied to lithium-ion batteries with long-life performance.