난연성 전해질 기반 소듐이온이차전지 음극용 결정성 풀러렌 C60 나노로드의 임피던스 거동 특성 연구 = Impedance Behavior of Crystalline C?? Nanorod Anodes for Sodium-Ion Batteries Using Flame-Retardant Electrolytes

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, crystalline fullerene nanorods (C₆₀NRs) were employed as an anode material to develop high-safety sodium-ion batteries (SIBs), and their electrochemical behavior in combination with a flame-retardant electrolyte system was systematically investigated. The electrolyte was formulated by dissolving 1 M sodium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (NaTFSI) in a mixed solvent of bis(2,2,2-trifluoroethyl) carbonate (BTC) and 2,2,2-trifluoro-N,N-dimethylacetamide (FA) at a 1:1 volume ratio, with the addition of 10 wt% fluoroethylene carbonate (FEC), thereby establishing a flame-retardant electrolyte system that simultaneously considers thermal stability and interfacial stability. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) combined with distribution of relaxation times (DRT) analysis was employed to quantitatively evaluate the voltage-dependent and temperature-dependent impedance behavior, as well as electrode-specific resistance contributions using a three-electrode cell configuration. Through this approach, the evolution of electrode–electrolyte interfacial reactions, charge-transfer resistance, and diffusion resistance was analyzed in detail, enabling clarification of internal resistance behavior and interfacial stability under varying temperature conditions. In addition, the safety characteristics of the electrolyte were assessed through flammability tests and accelerating rate calorimetry (ARC), allowing a comparative analysis of thermal stability and ignition behavior.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 소듐이온이차전지(Sodium-ion batteries, SIB)의 고안전성 음극재 개발을 목표로, 결정질 풀러렌 나노로드(C60 NRs)를 음극재로 적용하고 난연성 전해질 시스템과의 전기화학적 거동을 체계적으로 분석하였다. 전해질로는 1 M NaTFSI(Sodium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide)를 BTC(Bis(2,2,2-trifluoroethyl) carbonate)와 FA(2,2,2-Trifluoro-N,N-dimethylacetamide)를 1:1 체적비로 혼합한 용매에 10 wt% FEC(fluoroethylene carbonate)를 첨가한 조성을 사용하여, 열적 안정성과 계면 안정성을 동시에 고려한 난연성 전해질 시스템을 구축하였다. C₆₀ NRs와 해당 전해질 조합에 대해 전기화학적 임피던스 분석법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)과DRT(Distribution of Relaxation Times)분석을 기반으로 전압 의존성, 온도 의존성, 그리고 삼전극 셀 구성을 통한 전극별 저항 성분을 정량적으로 평가하였다. 이를 통해 전극-전해질 계면 반응, 전하 전달 저항 및 확산 저항의 변화 양상을 세부적으로 분석하고, 온도 변화에 따른 내부 저항 거동 및 계면 안정성 변화를 규명하고자 하였다. 아울러 전해질의 안전성을 평가하기 위해 인화성 시험과 가속 열량 분석 시험(Accelerating Rate Calorimetry, ARC)을 수행하여 열적 안정성과 발화 특성을 비교 분석하였다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• II. 연구배경 및 이론적 고찰 2
• 2.1. 리튬이온전지vs소듐이온전지 2
• 2.2.풀러렌 4
• 2.2.1. 소듐이온전지의 음극재 4
• 2.2.2. 풀러렌의 이차전지 사용 역사 5
• 2.3. 난연성 전해질 9
• 2.3.1. 소듐이온전해질 9
• 2.3.2. 소듐이온전지의 난연성 전해질 연구 동향 9
• 2.4. 전기화학적 분석법 11
• 2.4.1. 전기화학 임피던스 분석법 11
• 2.4.2. 등가회로 해석 및 시간상 완화 분포 분석 13
• 2.5. 가속 열량 분석 시험(ARC) 16
• III. 실험 방법 18
• 3.1. 실험 개요 18
• 3.2. 풀러렌 나노로드 음극 제조 19
• 3.2.1. 풀러렌 나노로드 제조 19
• 3.2.2. 난연성 전해질 제조 20
• 3.2.3. 전극 제조 20
• 3.2.4. 반쪽 코인셀 및 완전 삼전극 셀 제작 21
• 3.3. 결정구조 및 표면 형상 분석 22
• 3.4. 전기화학적 특성 평가 23
• 3.4.1. 정전류 충방전법 23
• 3.4.2. 전압별 전기화학 임피던스 분광법 24
• 3.4.3. 삼전극 전기화학 임피던스 분광법 24
• 3.4.4. 온도별 정전류 충방전법 및 전기화학 임피던스 분광법(고온) 25
• 3.4.5. 온도별 정전류 충방전법 및 전기화학 임피던스 분광법(저온) 25
• 3.5. 전해질 안전성 평가 26
• 3.5.1. 전해질 인화성 시험 26
• 3.5.2. 전해질 가속 열량 분석 시험(ARC) 27
• IV. 실험 결과 및 고찰 28
• 4.1. 결정구조 및 표면 형상 분석 28
• 4.2. 전기화학적 특성 분석 31
• 4.2.1. 정전류 충방전법 31
• 4.2.2. 전압별 전기화학 임피던스 분광법 33
• 4.2.3. 삼전극 전기화학 임피던스 분광법 49
• 4.2.4. 온도별 정전류 충방전법 및 전기화학 임피던스 분광법(고온) 51
• 4.2.5. 온도별 정전류 충방전법 및 전기화학 임피던스 분광법(저온) 60
• 4.3. 전해질 안전성 평가 69
• 4.3.1. 전해질 인화성 시험 69
• 4.3.2. 전해질 가속 열량 분석 시험(ARC) 71
• V. 결론 74
• 참고문헌 75
• Abstract 80