[학위논문]고성능 리튬 공기 전지를 위한 공기 전극 촉매 및 가스 확산층 구조의 최적화 연구 A study on the optimization of cathode catalyst and gas diffusion layer structure for high performance lithium air batteries원문보기
리튬-공기 전지(Lithium-air batteries, LABs)는 기존 리튬-이온 전지(Lithium-ion batteries, LIBs)에 비해 약 10배 높은 에너지 밀도(3,505 Wh kg-1)를 가지는 차세대 이차 전지로써, 외부로부터 공급되는 O2 기체와 리튬 금속으로부터 제공되는 리튬 이온의 화학반응을 통해 방전 및 충전이 진행되는 원리를 가진다. 이 반응에서, 방전과정 중에 생성되는 Li2O2는 충전과정에서 분해되어야 하지만, Li2O2의 낮은 ...
리튬-공기 전지(Lithium-air batteries, LABs)는 기존 리튬-이온 전지(Lithium-ion batteries, LIBs)에 비해 약 10배 높은 에너지 밀도(3,505 Wh kg-1)를 가지는 차세대 이차 전지로써, 외부로부터 공급되는 O2 기체와 리튬 금속으로부터 제공되는 리튬 이온의 화학반응을 통해 방전 및 충전이 진행되는 원리를 가진다. 이 반응에서, 방전과정 중에 생성되는 Li2O2는 충전과정에서 분해되어야 하지만, Li2O2의 낮은 전기전도도 및 불용성의 특징으로 인해 LABs의 비가역적인 화학반응이 진행된다. 비가역적인 화학반응은 낮은 싸이클 수명 및 방전 물질의 축적으로 인한 계면의 저항, 전극 내의 기공을 막아 반응물들의 물질 전달을 방해하는 문제점을 야기한다. 더욱이, 외부로부터 산소 기체를 공급받기 위해 불가피하게 개방형 시스템의 특징을 갖고 있는 LABs는 액체 전해질의 누수로 인한 전지의 불안전성에 대한 근본적이 해결책을 요구되고 있다. 본 논문에서는 위에서 언급한 LABs의 문제점들을 극복하기 위해 다양한 연구를 진행했다. 먼저, 1장에서는 임프린팅 공정을 이용하여 공기 전극의 구성요소인 가스 확산층(Gas diffusion layer, GDL)의 두께를 감소시켰다. 두께가 감소된 카본 페이퍼는 내부 밀도가 증가되고, 시뮬레이션 분석을 진행한 결과, 산소 기체의 동력학적인 특성인 속도 및 와도가 향상됨을 확인했다. 결과적으로, 물질 전달 속도가 향상된 O2 기체로 인해 Li2O2의 생성속도를 높일 수 있었고, 이는 화학적인 촉매 및 추가적인 장치 없이 LABs의 에너지 밀도가 향상된 결과를 얻었다. 2장에서는 액체형 촉매로 알려진 LiI와 FePc를 폴리비닐리덴플로라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF) 말단기에 화학적으로 결합하여, 고분자 형태를 가지는 산화 환원 매개체(Polymeric redox mediator, PRM)에 대한 연구를 진행했다. PRM을 공기 전극의 촉매로써 LABs에 적용한 결과, 방전 과정 중에 생성된 Li2O2를 효율적으로 분해시킴으로써 LABs의 에너지 효율이 향상된 결과를 확인할 수 있었다. 추가적으로, 산화환원 매개체가 고분자와 화학적으로 결합하고 있는 PRM는 기존 액체형 촉매의 문제점이었던 산화환원 매개체의 crossover 현상을 억제시킬 수 있었다. 마지막으로 3장에서는 폴리에틸렌 옥사이드(Polyethylene oxide, PEO)기반의 젤 고분자 전해질(Gel polymer electrolyte, GPE)을 LABs에 적용한 연구를 진행했다. GPE의 이온 전도도를 향상시키기 위해 가소제로써 석시노나이트릴(Succinonitrile, S.N)을 사용했으며, 그 결과, 액체 전해질을 사용하지 않고도 안정적인 충방전이 진행됨을 확인했다. 또한, 2장과 3장의 주제를 융합하여, GPE가 적용된 LABs에 PRM를 공기 전극의 촉매로써 사용한 결과, PRM을 적용한 전지의 에너지 효율이 향상된 결과를 확인할 수 있었다.
리튬-공기 전지(Lithium-air batteries, LABs)는 기존 리튬-이온 전지(Lithium-ion batteries, LIBs)에 비해 약 10배 높은 에너지 밀도(3,505 Wh kg-1)를 가지는 차세대 이차 전지로써, 외부로부터 공급되는 O2 기체와 리튬 금속으로부터 제공되는 리튬 이온의 화학반응을 통해 방전 및 충전이 진행되는 원리를 가진다. 이 반응에서, 방전과정 중에 생성되는 Li2O2는 충전과정에서 분해되어야 하지만, Li2O2의 낮은 전기전도도 및 불용성의 특징으로 인해 LABs의 비가역적인 화학반응이 진행된다. 비가역적인 화학반응은 낮은 싸이클 수명 및 방전 물질의 축적으로 인한 계면의 저항, 전극 내의 기공을 막아 반응물들의 물질 전달을 방해하는 문제점을 야기한다. 더욱이, 외부로부터 산소 기체를 공급받기 위해 불가피하게 개방형 시스템의 특징을 갖고 있는 LABs는 액체 전해질의 누수로 인한 전지의 불안전성에 대한 근본적이 해결책을 요구되고 있다. 본 논문에서는 위에서 언급한 LABs의 문제점들을 극복하기 위해 다양한 연구를 진행했다. 먼저, 1장에서는 임프린팅 공정을 이용하여 공기 전극의 구성요소인 가스 확산층(Gas diffusion layer, GDL)의 두께를 감소시켰다. 두께가 감소된 카본 페이퍼는 내부 밀도가 증가되고, 시뮬레이션 분석을 진행한 결과, 산소 기체의 동력학적인 특성인 속도 및 와도가 향상됨을 확인했다. 결과적으로, 물질 전달 속도가 향상된 O2 기체로 인해 Li2O2의 생성속도를 높일 수 있었고, 이는 화학적인 촉매 및 추가적인 장치 없이 LABs의 에너지 밀도가 향상된 결과를 얻었다. 2장에서는 액체형 촉매로 알려진 LiI와 FePc를 폴리비닐리덴플로라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF) 말단기에 화학적으로 결합하여, 고분자 형태를 가지는 산화 환원 매개체(Polymeric redox mediator, PRM)에 대한 연구를 진행했다. PRM을 공기 전극의 촉매로써 LABs에 적용한 결과, 방전 과정 중에 생성된 Li2O2를 효율적으로 분해시킴으로써 LABs의 에너지 효율이 향상된 결과를 확인할 수 있었다. 추가적으로, 산화환원 매개체가 고분자와 화학적으로 결합하고 있는 PRM는 기존 액체형 촉매의 문제점이었던 산화환원 매개체의 crossover 현상을 억제시킬 수 있었다. 마지막으로 3장에서는 폴리에틸렌 옥사이드(Polyethylene oxide, PEO)기반의 젤 고분자 전해질(Gel polymer electrolyte, GPE)을 LABs에 적용한 연구를 진행했다. GPE의 이온 전도도를 향상시키기 위해 가소제로써 석시노나이트릴(Succinonitrile, S.N)을 사용했으며, 그 결과, 액체 전해질을 사용하지 않고도 안정적인 충방전이 진행됨을 확인했다. 또한, 2장과 3장의 주제를 융합하여, GPE가 적용된 LABs에 PRM를 공기 전극의 촉매로써 사용한 결과, PRM을 적용한 전지의 에너지 효율이 향상된 결과를 확인할 수 있었다.
Lithium-air batteries (LABs) are next-generation secondary batteries with about 10 times higher energy density(3,505 Wh kg-1) than conventional lithium-ion batteries (LIBs). The operating principle of the lithium-air battery is to discharge and charge through the chemical reaction between the O2 gas...
Lithium-air batteries (LABs) are next-generation secondary batteries with about 10 times higher energy density(3,505 Wh kg-1) than conventional lithium-ion batteries (LIBs). The operating principle of the lithium-air battery is to discharge and charge through the chemical reaction between the O2 gas supplied from the outside and the lithium ion provided from the lithium metal. In the reaction, the Li2O2 produced during the discharge process should be decomposed during the charging process, but the irreversible chemical reaction of the LABs proceeds because of its low electrical conductivity and insolubility characteristics. The irreversible chemical reactions can cause low cycle life and resistance of the interface due to the accumulation of discharge materials, blocking the pores in the electrodes and hindering mass transfer of the reactants. Moreover, LABs, which inevitably have the characteristics of an open system for receiving oxygen gas from the outside, are required to have a fundamental solution to the unstability of the battery due to leakage of the liquid electrolyte. In this thesis, various studies were conducted to overcome the problems of LABs mentioned above. First, in Chapter 1, the thickness of the gas diffusion layer (GDL), which is a component of the cathode, was reduced by using the imprinting process. The carbon paper with reduced thickness has an increased internal density. From the simulation analysis, it has been confirmed that the kinetic characteristics of oxygen gas are improved in speed and vorticity. As a result, the rate of production of Li2O2 could be increased due to O2 gas with improved mass transfer rate, which resulted in improved energy density of LABs without chemical catalyst and additional equipment. In Chapter 2, the polymeric redox mediators (PRMs) by chemically bonding LiI and FePc, known as liquid type catalysts, were studied to polyvinylidene fluoride (PVDF) end groups. As a result of applying PRMs to the LABs as a catalyst of the cathode, it was confirmed that the energy efficiency was improved by efficiently decomposing Li2O2 produced during the discharge process. In addition, the PRM, in which the redox mediator was chemically bonded to the polymer, was able to suppress the crossover phenomenon of the redox mediator, which was a problem of the conventional liquid type catalyst. Finally, in Chapter 3, the polyethylene oxide (PEO) based gel polymer electrolyte (GPE) was applied to LABs. Succinonitrile was used as a plasticizer to improve the ionic conductivity of GPE. The stable charging and discharging proceeded without using a liquid electrolyte. In addition, it was confirmed that the energy efficiency of the LABs was improved due to the effect of PRM.
Lithium-air batteries (LABs) are next-generation secondary batteries with about 10 times higher energy density(3,505 Wh kg-1) than conventional lithium-ion batteries (LIBs). The operating principle of the lithium-air battery is to discharge and charge through the chemical reaction between the O2 gas supplied from the outside and the lithium ion provided from the lithium metal. In the reaction, the Li2O2 produced during the discharge process should be decomposed during the charging process, but the irreversible chemical reaction of the LABs proceeds because of its low electrical conductivity and insolubility characteristics. The irreversible chemical reactions can cause low cycle life and resistance of the interface due to the accumulation of discharge materials, blocking the pores in the electrodes and hindering mass transfer of the reactants. Moreover, LABs, which inevitably have the characteristics of an open system for receiving oxygen gas from the outside, are required to have a fundamental solution to the unstability of the battery due to leakage of the liquid electrolyte. In this thesis, various studies were conducted to overcome the problems of LABs mentioned above. First, in Chapter 1, the thickness of the gas diffusion layer (GDL), which is a component of the cathode, was reduced by using the imprinting process. The carbon paper with reduced thickness has an increased internal density. From the simulation analysis, it has been confirmed that the kinetic characteristics of oxygen gas are improved in speed and vorticity. As a result, the rate of production of Li2O2 could be increased due to O2 gas with improved mass transfer rate, which resulted in improved energy density of LABs without chemical catalyst and additional equipment. In Chapter 2, the polymeric redox mediators (PRMs) by chemically bonding LiI and FePc, known as liquid type catalysts, were studied to polyvinylidene fluoride (PVDF) end groups. As a result of applying PRMs to the LABs as a catalyst of the cathode, it was confirmed that the energy efficiency was improved by efficiently decomposing Li2O2 produced during the discharge process. In addition, the PRM, in which the redox mediator was chemically bonded to the polymer, was able to suppress the crossover phenomenon of the redox mediator, which was a problem of the conventional liquid type catalyst. Finally, in Chapter 3, the polyethylene oxide (PEO) based gel polymer electrolyte (GPE) was applied to LABs. Succinonitrile was used as a plasticizer to improve the ionic conductivity of GPE. The stable charging and discharging proceeded without using a liquid electrolyte. In addition, it was confirmed that the energy efficiency of the LABs was improved due to the effect of PRM.
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