• 전기화학회지
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• 제11권4호
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• pp.242-255
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• 2008

1991년 lithium-ion battery(LIB)가 상용화된 이후, 초기 전해질은 주로 lithium cobalt oxide($LiCoO_2$) 양극과 graphite 음극의 특성에 집중되어 연구되어 왔다. 또한 전극과 전해질 간의 적합성에 대한 다양한 연구들이 이들 간의 계면에서 활발히 진행되었다. 이후 Si, Sn 등의 비탄소계 음극소재와 3성분(Ni, Mn, Co)계, spinel, olivine 등의 양극 소재를 리튬 2차전지에 채용하려 함에 따라 기존 전해질 재료들도 많은 도전에 직면하게 되었다. 특히, 안전성 문제가 최근 심각하게 부각됨에 따라 전해질의 요구특성은 점점 복잡해지고 까다로워지고 있다. 본 고에서는 이러한 전극소재 변화에 따른 전해질 소재의 다양한 변화와 그 특성에 대하여 구성요소 별로 연구 및 개발 동향을 정리하였다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제22권5호
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• pp.569-578
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• 2011

The $SiO_2$ membranes for polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) are preapared by electrospinning method. It leads to high porosity and surface area of membrane to accommodate the proton conducting materials. The composite membrane was prepared by impregnating of Nafion ionomer into the pores of electrospun $SiO_2$ membranes. The $SiO_2$:heteropolyacid (HPA) nano-particles as a inorganic proton conductor were prepared by microemulsion process and the particles are added to the Nafion ionomer. The characterization of the membranes was confirmed by field emission scanning electron microscope (FE-SEM), thermogravimetry analysis (TGA), and single cell performance test for PEMFC. The Nafion impregnated electrospun $SiO_2$ membrane showed good thermal stability, satisfactory mechanical properties and high proton conductivity. The addition of the $SiO_2$:HPA nano-particle improved proton conductivity of the composite membrane, which allow further extension for operation temperature in low humidity environments. The composite membrane exhibited a promising properties for the application in high temperature PEMFC.

• Electronic Materials Letters
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• 제14권6호
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• pp.755-765
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• 2018

In situ nitrogen doped hard carbon nanotubes (NHCNT) were fabricated by pyrolyzing tubular nitrogen doped conjugated microporous polymer. KOH activated NHCNT (K-NHCNT) were also prepared to improve their porous structure. XRD, SEM, TEM, EDS, XPS, Raman spectra, $N_2$ adsorption-desorption, galvanostatic charging-discharge, cyclic voltammetry and EIS were used to characterize the structure and performance of NHCNT and K-NHCNT. XRD and Raman spectra reveal K-NHCNT own a more disorder carbon. SEM indicate that the diameters of K-NHCNT are smaller than that of NHCNT. TEM and EDS further indicate that K-NHCNT are hollow carbon nanotubes with nitrogen uniformly distributed. $N_2$ adsorption-desorption analysis reveals that K-NHCNT have an ultra high specific surface area of $1787.37m^2g^{-1}$, which is much larger than that of NHCNT ($531.98m^2g^{-1}$). K-NHCNT delivers a high reversible capacity of $918mAh\;g^{-1}$ at $0.6A\;g^{-1}$. Even after 350 times cycling, the capacity of K-NHCNT cycled after 350 cycles at $0.6A\;g^{-1}$ is still as high as $591.6mAh\;g^{-1}$. Such outstanding electrochemical performance of the K-NHCNT are clearly attributed by its superior characters, which have great advantages over those commercial available carbon nanotubes ($200-450mAh\;g^{-1}$) not only for its desired electrochemical performance but also for its easily and scaling-up preparation.

• 전기화학회지
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• 제24권4호
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• pp.93-99
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• 2021

스트레처블 에너지 저장 장치 경량화를 위해 금속 집전체를 대체할 경량 물질 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 연구에서는 전도성 고분자인 PEDOT:PSS를 전기방사법으로 제조한 나노 섬유를 리튬이온전지용 집전체로 사용하였다. 나노 섬유는 도펀트인 DMSO를 사용해 향상된 전기 전도성을 나타냈으며, 신축성 평가결과로 부터 30% 이상의 신축률을 보여주었다. 또한, 나노 섬유 집전체를 사용함으로써 액체 전해질의 침투가 용이하며, 나노 섬유 네트워크를 통해 전자전도성을 높이는 효과를 나타났었다. DMSO 도핑 PEDOT:PSS@PAM 나노 섬유 필름 집전체를 사용한 리튬이온전지는 135mAh g^-1의 높은 방전용량을 보여주었으며, 1000 사이클 이후 73.5%의 높은 용량 유지율을 나타내었다. 따라서, 전도성 나노 섬유의 우수한 전기화학적 안정성과 기계적 특성은 신축성 에너지 저장 장치의 경량 집전체로서의 활용이 가능함을 보여주었다.

• 청정기술
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• 제28권2호
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• pp.97-102
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• 2022

Lithium sulfur (Li-S) batteries have attracted considerable attention as a promising candidate for next-generation power sources due to their high theoretical energy density, low cost, and eco-friendliness. However, the poor electrical conductivity of sulfur and its insoluble discharging products (Li₂S₂/Li₂S), large volume changes, severe self-discharge, and dissolution of lithium polysulfide intermediates result in rapid capacity fading, low Coulombic efficiency, and safety risks, hindering Li-S battery commercial development. In this study, a three-dimensionally (3D) connected hierarchical porous carbon framework (HPCF) derived from waste sunflower seed shells was synthesized as a sulfur host for Li-S batteries via a chemical activation method. The natural 3D connected structure of the HPCF, originating from the raw material, can effectively enhance the conductivity and accessibility of the electrolyte, accelerating the Li⁺/electron transfer. Additionally, the generated micropores of the HPCF, originated from the chemical activation process, can prevent polysulfide dissolution due to the limited space, thereby improving the electrochemical performance and cycling stability. The HPCF/S cell shows a superior capacity retention of 540 mA h g^-1 after 70 cycles at 0.1 C, and an excellent cycling stability at 2 C for 700 cycles. This study provides a potential biomass-derived material for low-cost long-life Li-S batteries.

• Journal of Electrochemical Science and Technology
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• 제14권3호
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• pp.262-271
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• 2023

For electrode stability and the electrochemical performance of the Li-ion cell, it is essential that the active ingredients and unique additives in the polymer binder be well dispersed with the solvent-based slurry. The efficient procedure used to create the slurry affects the rheological characteristics of the electrode slurry. When successively adding different steps of Nmethyl-2-pyrrolidone (NMP) solvent to the cathode composition, it is evenly disseminated. The electrochemical performance of the Li-ion cells and the electrodes made with slurry formed by single step and multiple steps of addition of NMP solvent are examined. To preform rheological properties of cathode electrode slurry on Ni-rich Lithium Nickel-Cobalt-Aluminum Oxide (LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05) (NCA). Also, we investigate different step addition of electrode formation and mechanical strength characterization like peel strength. According to the EIS study, a multi-step electrode slurry has lower internal resistance than a single-step electrode slurry, which results in better electrical characteristics and efficiency. Further, microstructure of electrodes is obtained electrochemical performance in the 18650 cylindrical cells with targeted capacity of 1.5 Ah. The slurry of electrodes prepared by single step and multiple steps of addition of NMP solvent and its effect on the fabrication of 1.5 Ah cells. A three-step solvent addition on slurry has been found to be a lower internal resistance than a single-step electrode slurry as confirmed by the EIS analysis, yielding improved electrical properties and efficiency.

• 전기화학회지
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• 제26권1호
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• pp.1-10
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• 2023

리튬 이차전지의 4 대 구성요소에 포함되는 양극은 배터리의 에너지 밀도를 담당하는 중요한 구성요소에 속하며, 보편적으로 제작되는 양극의 습식 제작 공정에는 활물질, 도전재, 고분자 바인더의 혼합 과정이 필수적으로 이루어지게 된다. 하지만, 양극의 혼합 조건의 경우 체계적인 방법이 갖추어져 있지 않기 때문에 제조사에 따라 성능의 차이가 발생하는 경우가 대다수이다. 따라서, 양극의 슬러리 제작 단계에서 정돈되지 않은 혼합 방법의 최적화를 진행을 위해 보편적으로 사용되는 THINKY mixer와 homogenizer를 이용한 LiMn₂O₄ (LMO) 양극을 제조해 각각의 특성을 비교하였다. 각 혼합 조건은 2000 RPM, 7 min으로 동일하게 진행하였으며, 양극의 제조 동안 혼합 방법의 차이만을 판단하기 위해 다른 변수 조건들은 차단한 후, 실험을 진행하였다(혼합 시간, 재료 투입 순서 등). 제작된 THINKY mixer LMO (TLMO), homogenizer LMO (HLMO) 중 HLMO는 TLMO보다 더 고른 입자 분산 특성을 가지며, 그로 인한 더 높은 접착 강도를 나타낸다. 또한, 전기화학적 평가 결과, HLMO는 TLMO와 비교하여 개선된 성능과 안정적인 수명 주기를 보였다. 결과적으로 수명특성평가에서 초기 방전 용량 유지율은 HLMO가 69 사이클에서 TLMO와 비교하여 약 4.4 배 높은 88%의 유지율을 보였으며, 속도성능평가의 경우 10, 15, 20 C의 높은 전류밀도에서 HLMO가 더 우수한 용량 유지율과 1C에서의 용량 회복률 역시 우수한 특성을 나타냈다. 이는 활물질과 도전재 및 고분자 바인더가 포함된 슬러리 특성이 homogenizer를 사용할 때, 정전기적 특성이 강한 도전재가 뭉치지 않고 균일하게 분산되어 형성된 전기 전도성 네트워크를 생성할 수 있기 때문으로 간주된다. 이로 인해 활물질과 도전재의 표면 접촉이 증가하고, 전자를 보다 원활하게 전달하여 충전 및 방전 과정에서 나타나는 격자의 부피변화, 활물질과 도전재 사이의 접촉저항의 증가 등을 억제하는 것에 기인한다.

• 전기화학회지
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• 제16권2호
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• pp.59-64
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• 2013

$Na_2CO_3$와 [M($SO_4$)(M = Ni, Co, Mn)]을 사용함으로써, Carbonate 공침 합성법에 의해 $[Ni_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}]CO_3$ 전구체를 합성하였다. 합성된 전구체는 공기분위기에서 $Li_2CO_3$와 혼합하여 각각, 750, 850 그리고 $950^{\circ}C$에서 소성되었고, 이로 인한 $Li[Ni_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}]O_2$ 양극활 물질의 소성온도가 미치는 영향을 조사하였다. $Li[Ni_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}]O_2$의 구조와 특성은 X-선 회절 분석(XRD), 시차주사현미경(SEM) 그리고 전기화학적 측정으로 분석되었는데, X-선 회절 결과 $Li[Ni_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}]O_2$는 소성온도가 증가함에 따라서 $I_{(003)}/I_{(104)}$는 증가하고 R-factor 는 감소하였으며, 시차주사현미경 결과에서는 1차 입자의 크기가 증가하는 경향을 보였다. 특히, $950^{\circ}C$에서 24시간 동안 소성된 $Li[Ni_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}]O_2$는 가역 용량이 $165.3mAhg^{-1}$[cut-off voltage 2.5~4.3 V, 0.1 C($17mAhg^{-1}$)] 그리고 50번째 충 방전 사이클 [cut-off voltage 2.5~4.3 V, 1 C($170mAhg^{-1}$)]까지 95.4%의 우수한 용량 보존율을 가지면서 가장 우수한 전기화학적 특성을 보여주었다.

• 공업화학
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• 제9권2호
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• pp.193-199
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• 1998

초고분자량폴리에틸렌(UHMWPE), 고밀도폴리에틸렌(HDPE), process oil(mineral oil) 및 육티탄산칼륨 섬유로 구성되는 입자혼합물을 $150^{\circ}C$에서 30분 동안 용융 혼합하고, 동일온도 및 5000 psi 조건으로 압축성형을 하여 $200{\mu}m$ 두께의 격리막 시험편을 제조한 후, process oil을 유기용매로 추출하여 PE층 사이에 미세공을 형성시켰다. 본 실험에서 시험편은 고분자와 process oil의 비율(PR)이 0.1 이하에서는 고무상이 되고 0.5 이상에서는 gel상으로 변하기 때문에, PR의 범위를 0.1-0.5 사이로 하였다. 시험편은 비극성 유기용매로 추출한 경우 거의 98%의 process oil이 추출되었으며, PR이 증가함에 따라 무게감소율은 감소하였다. 인장강도는 PR이 0.426인 경우 $31kg/cm^2$을 보였으며, 전해전기저항 값은 PR이 0.186 및 0.426에서 $37m{\Omega}/cm^2$과 $53m{\Omega}/cm^2$이었다. 질소 흡-탈착법에 의한 등온선은 모세관 응축영역을 나타내는 hysteresis를 가졌으며, PR=0.186인 경우 $130m^2/g$의 비교적 큰 표면적을 나타내었다. 이는 SEM의 분석 결과와 마찬가지로 PE배향층 사이에 육티탄산칼륨 섬유가 무작위로 잘 분산되었음을 보여주는 결과이며, host인 PE층 사이에 guest인 육티탄산칼륨 섬유가 층간되어 층상공을 형성한다고 추론할 수 있다.

• Journal of Electrochemical Science and Technology
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• 제7권1호
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• pp.41-51
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• 2016

In the stratosphere, the air is stable and a photovoltaic (PV) system can produce more solar energy compared to in the atmosphere. If unmanned aerial vehicles (UAVs) fly in the stratosphere, the flight stability and efficiency of the mission are improved. On the other hand, the weakened lift force of the UAV due to the rarefied atmosphere can require more power for lift according to the weight and/or wing area of the UAV. To solve this problem, it is necessary to minimize the weight of the aircraft and improve the performance of the power system. A regenerative fuel cell (RFC) consisting of a fuel cell (FC) and water electrolysis (WE) combined PV power system has been investigated as a good alterative because of its higher specific energy. The WE system produces hydrogen and oxygen, providing extra energy beyond the energy generated by the PV system in the daytime, and then saves the gases in tanks. The FC system supplies the required power to the UAV at night, so the additional fuel supply to the UAV is not needed anymore. The specific energy of RFC systems is higher than that of Li-ion battery systems, so they have less weight than batteries that supply the same energy to the UAV. In this paper, for a stratospheric long-endurance hybrid UAV based on an RFC system, three major design factors (UAV weight, wing area and performance of WE) affecting the ability of long-term flight were determined and a simulation-based feasibility study was performed. The effects of the three design factors were analyzed as the flight time increased, and acceptable values of the factors for long endurance were found. As a result, the long-endurance of the target UAV was possible when the values were under 350 kg, above 150 m² and under 80 kWh/kg H₂.