[논문]해수 전지용 탄소계 촉매와 Hydrogel 촉매의 제조 및 이들의 전기화학적 특성 비교

김경호; 나영수; 이만성

doi:10.5229/jkes.2018.21.4.61

해수 전지용 탄소계 촉매와 Hydrogel 촉매의 제조 및 이들의 전기화학적 특성 비교
Preparation and Electrochemical Performances Comparison of Carbon and Hydrogel Electrocatalysts for Seawater Battery 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.21 no.4, 2018년, pp.61 - 67

김경호 (동의과학대학교화학공업과) , 나영수 (동의과학대학교화학공업과) , 이만성 (동의과학대학교화학공업과)

초록
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새로운 전자 기기들이 등장함에 따라 시판되고 있는 리튬 이온 배터리 (lithium ion battery, LIB)는 다양한 문제에 직면해 있으며, 이와 관련하여 많은 해결 노력들이 시도되어 왔다. 차세대 이차 전지의 개발이라는 관점에서 LIB의 문제들을 해결하기 위해, 우리는 mesoporous carbon based on waste biomass (MCWB) 와 Polypyrrole (PPY) hydrogel과 같은 두 가지 종류의 촉매를 성공적으로 개발하였다. MCWB와 PPY hydrogel 촉매들은 전형적인 H3 타입 BET isotherm을 나타내었으며, 이는 micropore와 mseopore가 존재한다는 증거이다. 특히 PPY hydrogel을 기반으로 하는 해수 전지(seawater battery, SWB)의 경우, galvanostatic charge-discharge 시험에서 voltage efficiency성능은 MCWB를 적용한 battery보다 높았지만 Pt/C를 적용한 battery보다는 낮았다. 더욱 흥미롭게도, PPY hydrogel 기반의 SWB는 20 사이클(480hrs) 동안 우수한 가역적인 충/방전 특성을 나타내었으며, voltage efficiency성능은 70.32%에서 77.35% 범위의 우수한 특성을 나타내었다. 상기 연구 결과는 차세대 이차 전지를 위한 비귀금속 촉매 개발에 기여하는 결과라고 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

As emerging the new electric devices, the commercial lithium ion batteries have faced with various challenges. In this regard, many efforts to solve challenges have been tried. In order to solve the above problems in terms of development of a new secondary battery, we successfully demonstrated the two electrocatalysts, such as MCWB and PPY hydrogel, PPY hydrogel and MCWB showed typical H3-type BET isotherm, indicating that micro- and mesopores existed. Especially, in terms of voltage efficiency at the first cycle, PPY hydrogel was higher than that of MCWB, but lower than that of PtC. More interestingly, the PPY hygrogel based seawater battery exhibited charge-discharge reversibility during 20 cycles, and the voltage efficiencies ranged from 70.32 % to 77.35 % in cyclic performance test.

주제어

표/그림 (3)

그림 Fig. 1. Material and electrochemical analyses of the PtC; (a) Schematic illustration of the seawater battery, (b) SEM image, (c) TEM image, (d) galvanostatic charge discharge voltage profiles, (e) cycle performances during 20 cycles, and (f) Voltage efficiencies and Coulombic efficiencies during 20 cycles.
그림 Fig. 2. Material and electrochemical analyses of the MCWB; (a) SEM image, (b) BET isotherm profiles, (c) pore distributions, (d) galvanostatic charge discharge voltage profiles, (e) cycle performances during 20 cycles, and (f) Voltage efficiencies and Coulombic efficiencies during 20 cycles.
그림 Fig. 3. Material and electrochemical analyses of the PPY hydrogel; (a) SEM image, (b) BET isotherm profiles, (c) pore distributions, (d) galvanostatic charge discharge voltage profiles, (e) cycle performances during 20 cycles, and (f) Voltage efficiencies and Coulombic efficiencies during 20 cycles.

AI 본문요약
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문제 정의

²⁰⁾ 하지만, SWB의 연구 단계가 아직 초기 단계이기 때문에 SWB의 상업화를 위해 다양한 연구가 필요하다. 이에 본 연구에서는 SWB의 voltage efficiency와 cycle 성능을 향상시키기 위해MCWB 와PPY hydrogel 2 가지 촉매를 성공적으로 제조하였고 이들을 적용한 SWB의 성능을 비교하였다. 우리는 촉매의 morphology 특성을 비교하기 위해 SEM 및 TEM 분석을 실시하였으며, 촉매의 기공의 형태 등을 비교하기 위해 BET 분석을 수행하였다.

제안 방법

Pt/C는 산소 환원 반응 (ORR)을 위한 촉매로서 널리 사용되는 물질이다. 따라서, Pt/C 촉매를 사용하여 SWB의 초기 성능을 확인하였다. Fig.
우리는 촉매의 morphology 특성을 비교하기 위해 SEM 및 TEM 분석을 실시하였으며, 촉매의 기공의 형태 등을 비교하기 위해 BET 분석을 수행하였다. 또한 촉매의 전기 화학적 특성을 비교하기 위해 정전류 충전/방전 분석을 수행하였다.
우리는 MCWB와 PPY hydrogel 촉매들을 성공적으로 설계하고 제조하였으며, Pt/C를 표준으로 사용하여 morphology, 비표면적, 기공 분포 및 전기 화학적 성능을 비교하였다. PPY hydrogel과 Pt/C는 밀과 같은 매우 작은 입자를 나타내었고, PPY hydrogel과 MCWB는 전형적으로 H3 형 BET isotherm을 나타내어 micro기공 및 meso 기공이 존재함을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

MCWB는 이전에 보고하였던 제조 방법⁸⁾을 통해 제조되었다. 오렌지 껍질, 자몽 껍질, 귤 껍질과 같이 버려진 바이오 매스를 씻어서 작은 조각으로 자른다.
PPY hydrogel은 문헌²¹⁾의 제작 절차를 사용하여 합성되었다. ammonium persulfate (98%, Sigma Aldrich) 3.

성능/효과

우리는 MCWB와 PPY hydrogel 촉매들을 성공적으로 설계하고 제조하였으며, Pt/C를 표준으로 사용하여 morphology, 비표면적, 기공 분포 및 전기 화학적 성능을 비교하였다. PPY hydrogel과 Pt/C는 밀과 같은 매우 작은 입자를 나타내었고, PPY hydrogel과 MCWB는 전형적으로 H3 형 BET isotherm을 나타내어 micro기공 및 meso 기공이 존재함을 확인할 수 있었다. 특히 첫 번째 사이클에서 voltage efficiency면에서 PPY hydrogel은 MCWB보다 높았지만 Pt/C보다 낮은 전기화학적 성능을 보였다.
특히 첫 번째 사이클에서 voltage efficiency면에서 PPY hydrogel은 MCWB보다 높았지만 Pt/C보다 낮은 전기화학적 성능을 보였다. 더욱 흥미롭게도, PPY hydrogel 기반의 SWB는 20 사이클 동안 안정적인 충방전 특성을 나타내었으며, voltage efficiency은 70.32%에서 77.35% 범위로 Pt/C에 비교할 수 있을 만큼 우수한 특성을 나타내었다. 상기 연구 결과는 차세대 이차 전지를 위한 비귀금속 촉매 개발에 큰 기여를 할 수 있을 것이라 사료된다.
PPY hydrogel과 Pt/C는 밀과 같은 매우 작은 입자를 나타내었고, PPY hydrogel과 MCWB는 전형적으로 H3 형 BET isotherm을 나타내어 micro기공 및 meso 기공이 존재함을 확인할 수 있었다. 특히 첫 번째 사이클에서 voltage efficiency면에서 PPY hydrogel은 MCWB보다 높았지만 Pt/C보다 낮은 전기화학적 성능을 보였다. 더욱 흥미롭게도, PPY hydrogel 기반의 SWB는 20 사이클 동안 안정적인 충방전 특성을 나타내었으며, voltage efficiency은 70.

후속연구

35% 범위로 Pt/C에 비교할 수 있을 만큼 우수한 특성을 나타내었다. 상기 연구 결과는 차세대 이차 전지를 위한 비귀금속 촉매 개발에 큰 기여를 할 수 있을 것이라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차세대 이차 전지 중 MPC 기반 hybrid LAB의 특징은 무엇인가?	4 m2g-1) 을 가지며 vulcan 카본 블랙 촉매와 비교하여 우수한 촉매 활성을 보였다. 특히, MPC 기반 hybrid LAB는 vulcan 기반 hybrid LAB에 비해 우수한 voltage efficiency를 나타내었으며 20 cycle(480 시간) 동안 안정된 사이클 성능을 나타내었다. 또한, Joo11) 등은 Pt/C 및 Ir/C보다 촉매 활성이 높고 정전류 충전/방전 성능이 우수한 Fe 도핑 graphite nanoshell mesoporous carbon (GNS/MC) 촉매를 성공적으로 디자인하고 제조하였다.
	Advanced LIB에 대한 기존의 선행 개발 중 spinel 구조 양극재 개발에 대한 예시는 무엇이 있는가?	첫 번째로, Advanced LIB 개발의 경우, Li 및 Mn riched spinel구조 양극재4,5) 개발과 LiMPO4 olivine 구조 음극재6) 개발, 그리고 다양한 형태의 탄소와 합금 (Nitride and Silicon) composite7) 을 개발하는 등 새로운 전극 재료를 개발하고자 하는 노력들이 다수 시도되고 있다. Zhang5) 등은 높은 에너지 밀도를 갖는 LIB용 양극 재료를 설계하기 위해 Spinel Li4Mn5O12 코팅에 성공하였다. 그들은 spinel Li4Mn5O12 코팅으로 oxygen framework의 불안정성과 산소 관련 공정에서 표면으로부터의 lattice 산소의 이탈을 방지할 것으로 기대했다. 결과적으로, 이들은 산소 방출을 막음으로써 촉매 부반응 및 상 전환이 명백히 억제되었음을 확인하였다. 상기 결과로부터, Spinel Li4Mn5O12 코팅 기반 LIB는 양호한 capacity retention (83.1 %, 0.2 C에서 300 사이클 후) 과 우수한 전압 안정성 등의 높은 전기 화학적 성능을 나타냈다. 또한, Kim6) 등은 solgel 법으로 음극 활물질에 olivine 구조 화합물(LiMPO4, M = Fe, Mn, Co)을 제조하였으며, 3가지 복합체의 구조적 특성과 전기 화학적 특성을 비교하였다.
	본 연구에서 서술하는 LIB가 직면한 요구는 무엇인가?	전기 자동차, 대용량 에너지 저장 장치 및 다양한 종류의 드론과 같은 새로운 전기 기기들이 등장함에 따라 현존하는 LIB는 저비용 구현, 안전성 확보, 긴 수명 특성 확보, 내구성 확보, 높은 에너지 밀도 확보 등 다양한 요구들에 직면해 있는 상황이다. 1-3) 이와 관련하여 위의 요구들을 해결하기 위한 많은 노력들이 시도되었다.

참고문헌 (23)

V. Etacheri, R. Marom, R. Elazari, G. Salitra and D. Aurbach, "Challenges in the development of advanced Li-ion batteries: a review", Energy. Environ. Sci., 4, 3243, (2011).

상세보기
H. Yadegari, L. Yongliang, M.N. Banis, X. Li, B. Wang, Q. Sun, R. Li, T.-K. Sham, X. Cui, X. Sun, "On rechargeability and reaction kinetics of sodium-air batteries", Energy Environ. Sci., 7, 3747, (2014).

상세보기
J.-S. Lee, S.-T. Kim, R. Cao, N.-S. Choi, M. Liu, K.-T. Lee, J. Cho, "Metal-Air Batteries with High Energy Density: Li-Air versus Zn-Air ", Adv. Energy Mater., 1, 34, (2011).

상세보기
P. K. Nayak, E. M. Erickson, F. Schipper, T. R. Penki, N. Munichandraiah, P. Adelhelm, H. Sclar, R. Amalraj, B. Markovsky, and D. Aurbach, "Review on Challenges and Recent Advances in the Electrochemical Performance of High Capacity Li- and Mn-Rich Cathode Materials for Li-Ion Batteries", Adv. Energy Mater, 8, 1702397, (2018).

상세보기
X. D. Zhang, J. L. Shi, J. Y. Liang, Y. X. Yin, J. N. Zhang, X. Q. Yu, and Y. G. Guo, "Suppressing Surface Lattice Oxygen Release of Li-Rich Cathode Materials via Heterostructured Spinel Li4 Mn5 O12 Coating", Adv. Mater, 30, 1801751, (2018).
K. Kim, and J. K. Kim, "Comparison of structural characteristics and electrochemical properties of LiMPO4 (MFe, Mn, and Co) olivine compounds", Materials Letters, 176, 244, (2016).

상세보기
G. E. Blomgren, "The development and future of lithium ion batteries", J. Electrochem. Soc., 164(1), A5019, (2017).

상세보기
K. Kim, M. P. Kim and W. G. Lee, "Preparation and evaluation of mesoporous carbon derived from waste materials for hybrid-type Li-air batteries", New J. Chem., 41, 8864, (2017).

상세보기
W. J. Kwak, Z. H. Chen, C. S. Yoon, J. K. Lee, K. Amine and Y. K. Sun, "Nanoconfinement of lowconductivity products in rechargeable sodium-air batteries", Nano Energy, 12, 123, (2015).

상세보기
P. He, Y. G. Wang and H. S. Zhou," A Li-air fuel cell with recycle aqueous electrolyte for improved stability", Electrochem Commun, 12, 1686 (2010).

상세보기
J. Y. Cheon, K. Kim, Y. J. Sa, S. H. Sahgong, Y. Hong, J. Woo, S-D Yim, H. Y. Jeong, Y. Kim, and S. H. Joo, "Graphitic Nanoshell/Mesoporous Carbon Nanohybrids as Highly Effi cient and Stable Bifunctional Oxygen Electrocatalysts for Rechargeable Aqueous Na-Air Batteries", Adv. Energy Mater., 6 (7), 1501784, (2016).
P. Hartmann, C.-L. Bender, M. Vracar, A.-K. Durr, A. Garsuch, J. Janek, P. Adelhelm, "A rechargeable roomtemperature sodium superoxide ( $NaO_2$ ) battery", Nat. Mater. 12, 228, (2013).

상세보기
K. Hayashi, K. Shima, F. Sugiyama, "A Mixed Aqueous/ Aprotic Sodium/Air Cell Using a NASICON Ceramic Separator Batteries and Energy Storage" J. Electrochem. Soc., 160, A1467, (2013).
J. K. Kim, F. Mueller, H. Kim, D. Bresser, J. S. Park, D. H. Lim, G. T. Kim S. Passerini and Y. Kim, "Rechargeable-hybrid-seawater fuel cell", NPG Asia Mater., 6, E144, (2014).

상세보기
K. Kim, S. Hwang, J. Park, J. Han, J. Kim, Y. Kim, J. "Highly improved voltage efficiency of seawater battery by use of chloride ion capturing electrode", Power Sources, 313, 46, (2016).
H. Kim, J. Park, S. Sahgong, S. Park, J. Kim, Y. Kim, "Metal-free hybrid seawater fuel cell with an ether-based electrolyte", J. Mater. Chem. A, 2, 19584, (2014).

상세보기
J.K. Kim, Y. J. Lim, H. Kim, G. B. Chob, Y. Kim, "A hybrid solid electrolyte for flexible solid-state sodium batteries", Energy. Environ, Sci., 8, 3589, (2015).

상세보기
K. Kim, W. G. Lee, "Hybrid-type Li-air battery based on a polypyrrole/carbon nanocomposite catalyst as a cathode", New journal of chemistry, 41, 1321, (2017).
H. Chang, S. H. Joo, C. Pak, "Synthesis and characterization of mesoporous carbon for fuel cell applications", J. Mater. Chem., 17, 3078, (2007).

상세보기
R. Bashyam, P. Zelenay, "A class of non-precious metal composite catalysts for fuel cells", Nature, 443, 63, (2006).

상세보기
S. Konwer and S. Dolui, "Synthesis and characterization of polypyrrole/graphite composites and study of their electrical and electrochemical properties", Mater. Chem. Phys., 124, 738, (2010).

상세보기
Y. Show and Y. Ueno, "Formation of platinum catalyst on carbon black using an in-liquid plasma method for fuel cells", nanomaterials, 7(31), 1, (2017).
K. S. W. Sing, D. H. Everett, R. A. W. Haul, L. Moscou, R. A. Pierotti, J. Rouquerol, T. Siemieniewska, "Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity ", Pure & Appl. Chem., 57, 603, (1985).

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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