탄소나노튜브/흑연펠트 전극의 산소작용기를 활용한 바나듐 레독스 흐름 전지의 수소발생 억제 효과

김민성(Minseong Kim),고민성(Minseong Ko) 한국표면공학회 2021 한국표면공학회지 Vol.54 No.4

Vanadium redox flow batteries (VRFB) have emerged as large-scale energy storage systems (ESS) due to their advantages such as low cross-contamination, long life, and flexible design. However, Hydrogen evolution reaction (HER) in the negative half-cell causes a harmful influence on the performance of the VRFB by consuming current. Moreover, HER hinders V<SUP>2+</SUP>/V<SUP>3+</SUP> redox reaction between electrode and electrolyte by forming a bubble. To address the HER problem, carbon nanotube/graphite felt electrode (CNT/GF) with oxygen functional groups was synthesized through the hydrothermal method in the H₂SO₄ + HNO₃ (3:1) mixed acid solution. These oxygen functional groups on the CNT/GF succeed in suppressing the HER and improving charge transfer for V<SUP>2+</SUP>/V<SUP>3+</SUP> redox reaction. As a result, the oxygen functional group applied electrode exhibited a low overpotential of 0.395 V for V<SUP>2+</SUP>/V<SUP>3+</SUP> redox reaction. Hence, this work could offer a new strategy to design and synthesize effective electrodes for HER suppression and improving the energy density of VRFB.

리튬 원료에 따른 리튬이온전지 Ni-rich 단결정 양극재 건식합성법 연구

김민성(Minseong Kim),고민성(Minseong Ko) 한국전지학회 2022 한국전지학회지 Vol.2 No.1

리튬이온전지 NCM계 단결정 양극재는 높은 에너지 밀도와 우수한 용량 유지율을 바탕으로 활발한 연구가 이루어지고 있다. 그러나 일반적인 단결정은 공침법을 통해 합성되며 다량의 폐용액 발생, 복잡한 공정 등을 수반할 수 있다. 여기서 우리는 공침법을 활용하지 않고 고상합성법을 통해 NCM계 단결정을 합성하였다. 각각의 원료로서 전이금속 산화물만을 이용하였으며, 리튬원료에 따른 단결정을 비교 분석하였다. Single-crystal cathode materials (SCM) of Ni-rich layered oxides (LiNi<SUB>x</SUB>Co<SUB>y</SUB>Mn<SUB>z</SUB>O₂ (NCM), x+y+z=1, x≥0.8) is considered as high energy density and outstanding capacity retention for lithium-ion batteries. However, typically synthesis of SCM by coprecipitation have some problems such as, waste fluid, complicated process, and micro-crack in polycrystal morphology. Herein, we introduced pelletizing process for SCM synthesis without coprecipitated precursor (NCM(OH)₂), using transition metal oxides (NiO, Co₃O₄, and MnO₂) and lithium source (LiOH or Li₂CO₃). Pelleted precursor enables to lower sintering temperature by increasing contact area of particles. These SCM represented well-arranged layered structure. In particular, SCM using lithium carbonate exhibited a high discharge capacity of 191.1 mAh/g (0.1C, 3.0-4.3 V cut-off) and excellent capacity retention of 93.6% after 50 cycles.

Co-free 전구체 합성을 위한 다양한 조건 (pH, 암모니아 농도, 온도)에서의 공침 연구

김민성(Minseong Kim),강병구(Byeonggu Kang),전민기(Mingi Jeon),고민성(Minseong Ko),채수종(Sujong Chae) 한국전지학회 2023 한국전지학회지 Vol.2 No.2

고연화점 피치를 활용한 이차전지용 도전재 제조

김재현(Jaehyeon Kim),고민성(Minseong Ko),채수종(Sujong Chae) 한국전지학회 2023 한국전지학회지 Vol.3 No.2

최근 몇 년간 리튬이온전지의 사용 범위와 수요가 급격히 증가하였다. 이에 따라 보다 높은 고성능 리튬이온전지에 대한 요구 또한 증가하고 있다. 리튬이온전지가 높은 성능을 내기 위해서는 활물질의 높은 전기전도도가 필수적이다. 하지만 리튬 금속 산화물 형태의 상용화 양극 소재의 경우 매우 낮은 전기전도도로 인해 지속 가능한 용량 구현에 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 탄소함량이 높고 가격이 저렴한 탄소전구체인 피치를 도전재로 이용하여 양극재의 부족한 전기전도도 보완을 시도하였다. 서로 다른 연화점을 가지는 피치 소재들 간의 비교분석을 통해 도전재로써 적합한 소재를 선정하였으며 선정된 소재를 상용 LiCoO₂ 양극소재에 적용하여 도전재 미적용 전지 대비 29.2%의 초기 충·방전 효율 향상을 달성하였다. In recent years, demands for high-performance lithium-ion batteries have increased along with the expansion of their usage. The high electrical conductivity of active materials is essential for lithium-ion batteries to provide stable and improved performance. However, metal oxides currently used as cathode materials suffer from stable operation due to the low electrical conductivity of ceramic materials. In this study, we tried to supplement the low electrical of cathode materials by introducing the carbonized pitch with high carbon contents and low cost, as a conductive material. Two types of pitch with different softening points were analyzed to investigate their suitability as conductive material. The pitch with a higher softening point showed better properties and improved initial charging/discharging efficiency by 29.2% when applied to commercial cathode electrodes with LiCoO₂.

고에너지 밀도 바나듐 레독스 흐름 전지를 위한 망간산화물 촉매와 다공성 탄소 기재의 시너지 효과

김민성(Minsung Kim),고민성(Minseong Ko) 한국표면공학회 2019 한국표면공학회지 Vol.52 No.3

The carbon electrode was modified through manganese-catalyzed hydrogenation method for high energy density vanadium redox flow battery (VRFB). During the catalytic hydrogenation, the manganese oxide deposited at the surface of the carbon electrode stimulated the conversion reaction from carbon to methane gas. This reaction causes the penetration of the manganese and excavates a number of cavities at electrode surface, which increases the electrochemical activity by inducing additional electrochemically active site. The formation of the porous surface was confirmed by the scanning electron microscopy (SEM) images. Finally, the electrochemical performance test of the electrode with the porous surface showed lower polarization and high reversibility in the cathodic reaction compared to the conventional electrode.

고 에너지 기계적 밀링을 이용한 고속 충전용 Ge/C 리튬이차전지 음극재 제조

최민홍(Minhong Choi),고민성(Minseong Ko) 한국전지학회 2021 한국전지학회지 Vol.1 No.1

최근 리튬 이온 배터리는 전기 자동차, 에너지 저장 시스템 등 주 전원 공급 장치로써 사용되어 오고 있다. 하지만 흑연, 실리콘과 같은 상용 음극재는 전기 자동차 등 중대형 배터리 시장에서 필요로 하는 고속 충전 조건을 충족시키기에 부적절하다. 우리는 높은 율속 특성을 달성하기 위해 타 음극재 대비 높은 이온전도도 및 평균 충전 전압을 가지는 Ge과 높은 전기전도성을 가지는 카본 블랙을 고에너지 볼 밀링을 통해 복합화 하였다. 결과적으로 이 Ge/C 복합 음극소재는 15C 속도의 빠른 충전 조건에서 0.2C 충전 속도 대비 77.4%의 우수한 율속특성을 달성하였다. Lithium ion battery is considered to main power supply for electric vehicles, energy storage systems, etc. However, commercial anode material such as graphite and silicon is inappropriate for satisfy the demands of fast charging for electric vehicles. To accomplish of high rate capability, in this work, we report a composite consisted of Ge and carbon black via high energy mechanical milling process. Ge is attractive alternative of commercial anode due to higher ion conductivity (625×10<SUP>-14</SUP> ㎠ sec<SUP>-1</SUP>) and charging average voltage (~0.25V vs Li+/Li) than other anode materials. Also, this composite in which carbon black is uniformly deposited on Ge to improve electrical conductivity. Consequently, anode fabricated with this architecture achieve rate capability of 77.4% under high current rate of 15.0C rate.

바나듐 레독스 흐름전지 양극 반응 향상을 위한 코발트 산화물 전극 개질법 연구

박정목(Jeongmok Park),고민성(Minseong Ko) 한국표면공학회 2019 한국표면공학회지 Vol.52 No.3

The demands to improve the performance of the vanadium redox flow battery have attracted an intense research on modifying the carbon-based electrode. In this study, the surface of graphite felt was reformed, using cobalt oxide. The cobalt oxide was implanted into graphite felt during hydrothermal and two step heat treatments. The cobalt was deposited by hydrothermal method and the two step heat treatments made lots of holes on the graphite felt surface which is called as porous surface. The porous surface acts as an electrochemically active site for the cathodic reaction of vanadium redox flow battery. The reformed electrode shows the electrochemically improved performance compared with the pristine electrode.

소성 온도가 Co-free 소재의 형태와 결정성에 미치는 영향

전민기(Mingi Jeon),채수종(Sujong Chae),고민성(Minseong Ko) 한국전지학회 2023 한국전지학회지 Vol.3 No.2

전 세계적으로 탄소 중립을 통해 기후 변화에 대응하려는 노력이 강화되면서 리튬이온전지의 기술 개발이 활발해지고 있다. LiNi<SUB>x</SUB>Co<SUB>y</SUB>Mn<SUB>1-x-y</SUB>O₂(NCM)은 높은 에너지 밀도를 바탕으로 전기차와 에너지 저장 장치 등 중·대형 전지에 사용된다. 그러나 NCM에서의 양이온 혼합과 코발트(Co)로 인한 미세균열의 발생은 용량 유지율의 감소로 이어지게 된다. 또한 Co의 편재성과 높은 가격으로 인하여 Co의 함량을 줄이는 것은 필수적이다. 본 연구에서는 공침을 통해 합성된 Ni<SUB>0.9</SUB>Mn<SUB>0.1</SUB>(NM91) 전구체를 사용하여 다양한 소성 온도(780℃, 800℃, 820℃에 따른 형상적 및 구조적 차이가 전기화학적 특성에 미치는 영향을 확인하였다. 초기 방전 용량과 30사이클 용량 유지율은 800℃에서 소성된 물질에서 192.5 mAh g<SUP>-1</SUP>/97.1%로 높은 결정성으로 인해 초기 방전 용량이 높게 나타났으며, 780℃에서 소성된 물질은 183.7 mAh g<SUP>-1</SUP>/99.9%로 작은 일차입자의 기계적 특성으로 인해 높은 용량 유지율을 나타냈다. Lithium ion batteries (LIBs) are developing various technologies to respond to climate change through carbon neutrality. LiNi<SUB>x</SUB>Co<SUB>y</SUB>Mn<SUB>1-x-y</SUB>O₂ (NCM) is a key component in medium and large-scale batteries for electric vehicles and energy storage due to its high energy density. However, the capacity retention of NCM decreases as a result of cation mixing and the occurrence of microcracks induced by cobalt (Co). Additionally, reducing Co content is also essential due to its rarity and high price. In this study, a Ni<SUB>0.9</SUB>Mn<SUB>0.1</SUB> (NM91) precursor prepared by coprecipitation were investigated the properties of morphology and structural variations at different calcination temperatures (780℃, 800℃, 820℃). As a result, the NM91 calcinated at 800oC exhibited an initial discharge capacity and 30 cycle capacity retention of 192.5 mAh g⁻¹/97.1%, highlighting a substantial initial discharge capacity attributed to its elevated crystallinity. In addition, the NM91 calcinated at 780℃ resulted in a 30 cycle capacity retention of 183.7 mAh g⁻¹/99.9%, demonstrating a notable capacity retention rate influenced by the mechanical characteristics of small primary particles.

폐기되는 이차전지 내 열화된 LiCoO₂ 양극소재 성능 회복을 위한 재생공정 연구

강동훈(Donghun Kang),진홍수(Hongsu Jin),고민성(Minseong Ko) 한국전지학회 2022 한국전지학회지 Vol.2 No.1

리튬이온 배터리에 대한 수요가 증가함에 따라 폐기되는 리튬 이온 배터리의 수도 증가하고 있으며, 리튬 이온 배터리의 재활용에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 기존의 재활용 공정은 강산을 사용하거나 고온에서 열처리하는 과정에서 폐기물이 발생하는 문제가 있어 이를 대체하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있습니다. 본 논문에서는 폐 리튬이온 전지에서 열화된 LiCoO₂를 분리하고 간단한 소성 열처리를 통해 성능을 회복함으로써 폐기물 발생 문제를 해결하고자 하였습니다. As the demand for Li-ion batteries increases, so does the number of Li-ion batteries that are discarded, and there is growing interest in recycling Li-ion batteries. The existing recycling process has a problem of waste generation in the process of using a strong acid or heat treating at a high temperature, and various studies are being conducted to replace this. In this paper, we tried to solve the problem of waste generation by separating the deteriorated LiCoO₂ material from the waste Li-ion battery and regenerating through the simple calcination it to recover the performance.

3D 구조의 Ni/CNF 복합소재를 적용한 고속 충전용 리튬 메탈 배터리

정은하(Eunha Jung),여규찬(Gyuchan Yeo),고민성(Minseong Ko),채수종(Sujong Chae) 한국전지학회 2023 한국전지학회지 Vol.3 No.1