탄소 페이퍼의 자립형 음극으로써의 리튬 및 나트륨 이온 전지 특성 = Carbon Paper Anode as a Binder Free Self-Standing Electrode for Lithium-Ion and Sodium-Ion Batteries

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 도전재와 바인더 없이 자립형 전극으로 직접 활용 가능한 상용 카본 페이퍼의 구조적 특성과 전기화학적 성능을 리튬이온전지(lithium-ion batteries, LIBs) 및 나트륨이온전지(sodium-ion batteries, NIBs) 음극 소재 관점에서평가하였다. 카본 페이퍼는 3차원적으로 얽힌 탄소 섬유 네트워크 구조를 통해 우수한 전자 전도성과 기계적 안정성을 제공하며, 전해질 침투와 이온 확산에 유리한 경로를 형성한다. 구조 분석 결과, 결정질 흑연과 비정질 탄소가 공존하는 구조와 낮은 비표면적을 나타내어 전해질 부반응을 억제하면서 안정적인 이온 저장 특성을 보였다. 전기화학적평가에서 LIBs에서는 흑연 영역이 리튬 삽입 반응에 기여하며 5 C의 고속 조건에서도 우수한 속도 특성을 나타냈다.
NIBs에서는 비정질 탄소 영역이 작용하여 경사형 전압 곡선과 나노기공 기반의 나트륨 저장 거동이 확인되었다. 이러한 결과는 카본 페이퍼가 LIBs와 NIBs 모두에서 자립형 음극 소재로 활용될 수 있음을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study evaluates the structural characteristics and electrochemical performance of commercially available carbon paper as a binder-free, free-standing anode for both lithium-ion batteries (LIBs) and sodium-ion batteries (NIBs). The carbon paper consists of a three-dimensionally interconnected carbon fiber network that provides excellent electrical conductivity and mechanical stability, while its porous framework facilitates electrolyte penetration and ion diffusion. Structural analysis revealed the coexistence of crystalline graphitic domains and amorphous carbon regions with a low specific surface area, which helps suppress side reactions with the electrolyte while maintaining stable ion storage behavior. Electrochemical tests showed that, in LIBs, the graphitic domains contribute to lithium intercalation and enable excellent rate capability even at a high rate of 5 C. In NIBs, the amorphous carbon regions dominate the sodium storage behavior, exhibiting a typical sloping voltage profile associated with nanopore-based sodium storage. These results suggest that carbon paper possesses unique structural and electrochemical characteristics that make it a promising free-standing anode material for both LIB and NIB systems.