수계 바인더를 이용한 수계 아연이온 배터리용 후막 전극에 관한 연구
- Alternative Title
- Study on thick electrodes for aqueous zinc-ion batteries using aqueous binders
- Abstract
- 현재 수계 아연이온 배터리는 고정식 ESS를 위한 유망한 에너지 저장 장치로 떠오르고 있다. 그러나 리튬이온 배터리와 비교하여 상대적으로 낮은 면적당 용량으로 인해 광범위한 상업적 활용이 제한되고 있다. 기존에 제안된 해결책 중 하나는 전극의 두께를 늘리는 것이지만, 이러한 접근 방식은 소수성의 polyvinylidene fluoride(PVdF) 바인더를 사용하는 전극에 대하여 수계 전해액의 낮은 함침성으로 인하여 성능이 저하될 수 있어 활물질의 전체적인 전기화학적 반응에 대한 참여를 제한한다. 또한 망간계 산화물 활물질의 낮은 전기 전도도(10-5~10-6 S/cm)는 후막 전극을 수계 아연이온 배터리에 활용하는 것을 어렵게 한다. 따라서 이 연구에서는 전극에 친수성을 부여하기 위해 carboxymethyl cellulose(CMC)와 styrene-butadiene rubber(SBR)을 바인더로 사용했으며 manganese oxide의 낮은 전기 전도도를 극복하기 위하여 single-walled CNTs(SWCNT)를 활용하였다. 이때 전극의 접촉각은 PVdF 바인더 적용 전극 대비 122.4 °에서 56.5 °로 65.9 °가 감소했으며 전극의 체적 저항률 및 계면 저항은 PVdF 바인더를 적용한 전극에 비하여 각각 약 10 배와 약 4 배 적은 수치를 달성할 수 있었다. 또한 길이가 긴 SWCNTs의 첨가로 인하여 전극의 접착력이 PVdF 적용 전극 대비 약 1.4 배 증가하였다. 전기화학 평가에서는 0.1 A/g(0.5 C- rate) 충전 및 0.2 A/g(1 C-rate) 방전 과정으로 200 cycle 이후 capacity retention이 PVdF 바인더는 46.14%, SBR/CMC 바인더는 74.02 %, SBR/CMC + SWCNTs 바인더는 81.69 %으로 수계 바인더 시스템에 SWCNTs까지 추가했을 때 가장 높은 용량 유지율을 달성할 수 있었다. Rate capability test에서도 SBR/CMC+SWCNTs를 적용했을 때 모든 전류밀도 구간에서 가장 높은 성능을 달성하였다. 그리고 0.6 A/g(3 C-rate)의 전류밀도로 2000 cycle 고속 충방전을 진행했을 때도 마찬가지로 SBR/CMC + SWCNTs 바인더가 가장 높은 용량 유지율을 나타내었다. Galvanostatic intermittent titration technique(GITT) 시험을 통하여 cell의 overpotential과 IR drop의 크기를 비교 분석하였다. 이 때 SBR/CMC+SWCNTs 바인더의 overpotential의 크기가 PVdF 바인더보다 훨씬 적은 수치를 나타내었다. 최종적으로 SBR/CMC+SWCNTs 바인더가 전극의 전해액 함침성 및 전기전도도를 개선시켰으며, 전기화학적 성능도 기존의 PVdF 바인더 대비 우수한 성능을 나타내었다.
- Author(s)
- 심언우
- Issued Date
- 2024
- Awarded Date
- 2024-08
- Type
- Dissertation
- Keyword
- thick electrode; aqueous binder; SWCNTs; aqueous zinc-ion batteries
- URI
- https://oak.ulsan.ac.kr/handle/2021.oak/13339
http://ulsan.dcollection.net/common/orgView/200000806948
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