최근 중대형 전지가 적용되는 전기자동차와 에너지 저장의 수요가 증가함에 따라 리튬이온 이차전지뿐만 아니라 마그네슘이차전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 마그네슘은 지구상에 매장량이 많은 원소 중 하나로써 높은 에너지 밀도 (2,205 mAh g-1, 3,822 mAh mL-1)와 상대적으로 높은 환원 전위 (-2.327 V vs. SHE)를 가지고 있어서 전지의 음극재료로서 매력적인 물질이다. 또한 저렴한 가격과 전압대비 높은 에너지 밀도를 가지고 있으며 마그네슘 충·방전시 리튬과 달리 ...
최근 중대형 전지가 적용되는 전기자동차와 에너지 저장의 수요가 증가함에 따라 리튬이온 이차전지뿐만 아니라 마그네슘이차전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 마그네슘은 지구상에 매장량이 많은 원소 중 하나로써 높은 에너지 밀도 (2,205 mAh g-1, 3,822 mAh mL-1)와 상대적으로 높은 환원 전위 (-2.327 V vs. SHE)를 가지고 있어서 전지의 음극재료로서 매력적인 물질이다. 또한 저렴한 가격과 전압대비 높은 에너지 밀도를 가지고 있으며 마그네슘 충·방전시 리튬과 달리 덴드라이트를 형성하지 않아 장기간 충방전이 필요한 중대형 전지의 음극 소재로 적합하다. 마그네슘 이차전지를 연구하는 연구원들은 사용 가능한 전해질 개발에 초점을 두고 높은 가역적인 특성과 높은 이온전도도 및 산화안정성을 높이고자 연구를 하고 있다. 수 십년 전 높은 가역적인 특성을 갖는 전해질이 개발되었으며, 이 전해질은 루이스산인 AlCl3와 루이스 염인 Mg염의 복합체를 포함하는 ether계 전해질이었다. 그러나 이후에 새로운 전해질 개발에 대한 연구가 진행되지 못하고 있었는데, 그 이유는 전해질의 낮은 산화안정성으로 인하여 높은 전압 범위를 갖는 양극 소재를 연구할 수 없었고 특히 전해질 내에 염화 이온을 포함하고 있어서 양극 소재 뿐만 아니라 전지를 구성하는 스테인레스 스틸 소재를 부식시키는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 Mg-Cl complex를 주 이온으로 포함하는 절해질 개발하여 넓은 전지 작동전압 범위를 확보하고 초기 마그네슘 충·방전 효율을 100 %인 높은 수준을 확보하였다. 또한 Mg-Cl complex를 합성하기 위해선 AlCl3 용액에 CrCl3를 소량 첨가되어야 하는데, 크롬이 촉매로 작용하여 알루미늄이 마그네슘 표면에 환원되면서 마그네슘을 용해시키는 일련의 합성 메커니즘을 DFT 계산, NMR, ex-situ TEM, XPS, XRD, EDS 등 여러가지 분석을 통하여 규명하였다. 또한 염화이온을 포함하는 마그네슘 이차전지용 전해질의 가장큰 문제점인 전지소재 부식 문제를 해결하기 위하여, pyrrolidinium계 이온성 액체를 염화이온과의 결합을 통한 스테인레스 스틸 부식 억제제로 첨가함으로써 산화 안정성 향상과 부식 억제 효과를 확인하였다. 이를 통하여, 본 논문에서는 마그네슘 이차전지 시스템을 구현하는데 있어서 기존의 전해질 합성법과 다른 새로운 방식의 합성법을 제시하고 전기화학 특성 향상을 위한 전해질 개발방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
최근 중대형 전지가 적용되는 전기자동차와 에너지 저장의 수요가 증가함에 따라 리튬이온 이차전지뿐만 아니라 마그네슘 이차전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 마그네슘은 지구상에 매장량이 많은 원소 중 하나로써 높은 에너지 밀도 (2,205 mAh g-1, 3,822 mAh mL-1)와 상대적으로 높은 환원 전위 (-2.327 V vs. SHE)를 가지고 있어서 전지의 음극재료로서 매력적인 물질이다. 또한 저렴한 가격과 전압대비 높은 에너지 밀도를 가지고 있으며 마그네슘 충·방전시 리튬과 달리 덴드라이트를 형성하지 않아 장기간 충방전이 필요한 중대형 전지의 음극 소재로 적합하다. 마그네슘 이차전지를 연구하는 연구원들은 사용 가능한 전해질 개발에 초점을 두고 높은 가역적인 특성과 높은 이온전도도 및 산화안정성을 높이고자 연구를 하고 있다. 수 십년 전 높은 가역적인 특성을 갖는 전해질이 개발되었으며, 이 전해질은 루이스산인 AlCl3와 루이스 염인 Mg염의 복합체를 포함하는 ether계 전해질이었다. 그러나 이후에 새로운 전해질 개발에 대한 연구가 진행되지 못하고 있었는데, 그 이유는 전해질의 낮은 산화안정성으로 인하여 높은 전압 범위를 갖는 양극 소재를 연구할 수 없었고 특히 전해질 내에 염화 이온을 포함하고 있어서 양극 소재 뿐만 아니라 전지를 구성하는 스테인레스 스틸 소재를 부식시키는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 Mg-Cl complex를 주 이온으로 포함하는 절해질 개발하여 넓은 전지 작동전압 범위를 확보하고 초기 마그네슘 충·방전 효율을 100 %인 높은 수준을 확보하였다. 또한 Mg-Cl complex를 합성하기 위해선 AlCl3 용액에 CrCl3를 소량 첨가되어야 하는데, 크롬이 촉매로 작용하여 알루미늄이 마그네슘 표면에 환원되면서 마그네슘을 용해시키는 일련의 합성 메커니즘을 DFT 계산, NMR, ex-situ TEM, XPS, XRD, EDS 등 여러가지 분석을 통하여 규명하였다. 또한 염화이온을 포함하는 마그네슘 이차전지용 전해질의 가장큰 문제점인 전지소재 부식 문제를 해결하기 위하여, pyrrolidinium계 이온성 액체를 염화이온과의 결합을 통한 스테인레스 스틸 부식 억제제로 첨가함으로써 산화 안정성 향상과 부식 억제 효과를 확인하였다. 이를 통하여, 본 논문에서는 마그네슘 이차전지 시스템을 구현하는데 있어서 기존의 전해질 합성법과 다른 새로운 방식의 합성법을 제시하고 전기화학 특성 향상을 위한 전해질 개발방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
Recently, rechargeable magnesium batteries are attracting attention for mid-/large-scale applications such as commercial electric vehicles (EV) and energy storage system (ESS). Magnesium is an attractive material as an anode electrode because it is naturally abundant element and has high energy dens...
Recently, rechargeable magnesium batteries are attracting attention for mid-/large-scale applications such as commercial electric vehicles (EV) and energy storage system (ESS). Magnesium is an attractive material as an anode electrode because it is naturally abundant element and has high energy density (2,205 mAh g-1, 3,822 mAh mL-1) at relatively negative reduction potential of -2.327 V vs. standard hydrogen electrode. Thanks to the low material cost, potentially high energy density, and non-dendritic character of Mg deposition, rechargeable magnesium batteries have emerged as one of the most plausible candidates for application in mid-to-large-scale power storage devices. To date, research has focused on the development of functional electrolytes that exhibit highly reversible characteristics for Mg deposition, high ionic conductivity, and high oxidative stability windows. After several decades of hard research, functional electrolytes were achieved through a prudent combination of Lewis acids such as AlCl3 and Lewis bases containing Mg2+ ions in ethereal solvents. However, the most significant problems of these systems are slow development of electrolyte systems having a reversible Mg plating/stripping character on the anode with high coulombic efficiency and at the same time exhibiting a wide electrochemical window, which would hire a cathode material having a high electrode potential for the high energy density of the system. Furthermore, corrosion of current collectors is one of the most significant issues to tackle in rechargeable Mg batteries system, where chloride-based electrolytes commonly used since it can affect the electrochemical performance and the safety of battery system seriously. Herein, I search Mg-Cl complex electrolyte which can be prepared by a simple one-pot synthesis route and unravel a synthetic pathway to Mg-Cl complex electrolyte for rechargeable Mg batteries throughout various analysis such as DFT calculation, NMR, ex-situ TEM, XPS, XRD, EDS. And I investigate pyrrolidinium-based ionic liquid as effective corrosion inhibitors of the current collectors in an electrolyte containing Mg-Cl complex species.
Recently, rechargeable magnesium batteries are attracting attention for mid-/large-scale applications such as commercial electric vehicles (EV) and energy storage system (ESS). Magnesium is an attractive material as an anode electrode because it is naturally abundant element and has high energy density (2,205 mAh g-1, 3,822 mAh mL-1) at relatively negative reduction potential of -2.327 V vs. standard hydrogen electrode. Thanks to the low material cost, potentially high energy density, and non-dendritic character of Mg deposition, rechargeable magnesium batteries have emerged as one of the most plausible candidates for application in mid-to-large-scale power storage devices. To date, research has focused on the development of functional electrolytes that exhibit highly reversible characteristics for Mg deposition, high ionic conductivity, and high oxidative stability windows. After several decades of hard research, functional electrolytes were achieved through a prudent combination of Lewis acids such as AlCl3 and Lewis bases containing Mg2+ ions in ethereal solvents. However, the most significant problems of these systems are slow development of electrolyte systems having a reversible Mg plating/stripping character on the anode with high coulombic efficiency and at the same time exhibiting a wide electrochemical window, which would hire a cathode material having a high electrode potential for the high energy density of the system. Furthermore, corrosion of current collectors is one of the most significant issues to tackle in rechargeable Mg batteries system, where chloride-based electrolytes commonly used since it can affect the electrochemical performance and the safety of battery system seriously. Herein, I search Mg-Cl complex electrolyte which can be prepared by a simple one-pot synthesis route and unravel a synthetic pathway to Mg-Cl complex electrolyte for rechargeable Mg batteries throughout various analysis such as DFT calculation, NMR, ex-situ TEM, XPS, XRD, EDS. And I investigate pyrrolidinium-based ionic liquid as effective corrosion inhibitors of the current collectors in an electrolyte containing Mg-Cl complex species.
주제어
#Rechargeable Mg batteries non-dendrite Lewis acid Lewis base Mg plating/stripping Magnesium chloride complex Electrolyte corrosion Ionic liquid Electrochemical performance current collectors corrosion inhibitor
학위논문 정보
저자
Jung Hoon Ha
학위수여기관
연세대학교 일반대학원
학위구분
국내박사
학과
화공생명공학
지도교수
김종학
발행연도
2019
총페이지
xi, 108p.
키워드
Rechargeable Mg batteries non-dendrite Lewis acid Lewis base Mg plating/stripping Magnesium chloride complex Electrolyte corrosion Ionic liquid Electrochemical performance current collectors corrosion inhibitor
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