Porous Supraparticles of LiFePO4 Nanoparticles for High Rate Li-Ion Batteries

유종원 성균관대학교 일반대학원 2015 국내석사

Porous supraparticles, or spherical aggregate of LiFePO4 (LFP) nanoparticles with carbon were prepared by spraying LFP nanoparticles and glucose and drying under hot carrier gas. Rod-like LFP (R-LFP) and plate-like LFP (P-LFP) nanoparticles are prepared by solvothermal process, which were then sprayed with glucose as a carbon source forming spherical particles of LFP nanoparticles and glucose. Through the heat treatment under nitrogen atmosphere, glucose was carbonized inside supraparticles. Due to the interstices between nanoparticles and micropores in carbon coating, the supraparticles showed fairly high specific surface area (R-LFP supraparticle = 35.0104 m2g-1, P-LFP supraparticle = 32.5406 m2g-1). Supraparticles-based cathode exhibited fairly high discharging capacity and extremely high c-rate performance; Discharging capacity of P-LFP was 137.56 mAhg-1 at high 10C (1430.80 mA/g) and 116.75 mAhg-1 at 50C (7154 mA/g), as well as R-LFP was 134.12 mAhg-1 at 10C and 108.52 mAhg-1 at 50C. In addition, those porous R-LFP/C supraparticles have higher packing density or tap density (1.07 g/cm3) than LFP/C nanoparticle (0.78 g/cm3), which is considered as important factor for commercialization.

탄소가 코팅된 산화철 나노입자를 이용한 전기 가변성 광결정 소자

이해녕 성균관대학교 일반대학원 2014 국내석사

전기영동 디스플레이는 종이를 대체할 수 있는 차세대 디스플레이로 각광받고 있지만 다양한 색의 구현에 있어서 한계가 있다. 전기 가변성 광결정 특성을 이용한다면 다양한 색상의 표현이 가능한 전기영동 디스플레이를 구현할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 수열합성법을 이용하여 110 nm정도의 균일한 크기를 갖는 탄소가 코팅된 산화철 나노입자(Fe3O4@C)를 성공적으로 합성되었다. 합성 된 입자를 프로필렌 카보네이트 용매에 분산시켜 콜로이드 분산액을 제조하였고, 이를 이용하여 색 순도가 뛰어나고 넓은 반사도 스펙트럼 영역을 갖는 전기 가변성 광결정 소자의 구동에 성공하였다. 또한, 플루오르 카본 계열의 비극성용매와 계면활성제를 조합하여 만든 콜로이드 분산액을 이용하여 구동안정성이 높은 전기 가변성 광결정 소자의 구동에 성공하였다.

2차 성장을 통한 금 나노 막대의 형상제어

김태열 성균관대학교 일반대학원 2013 국내석사

본 연구에서는 핵 성장 법을 이용하여 금 나노 막대의 합성하였다. 금 나노 막대는 길이 약 46nm, 두께 약 15nm의 크기였으며, 고배율의 투과전자현미경을 이용하여 금 나노 막대의 옆면은 {100}, {110}면으로 둘러싸여 있으며, 양쪽 끝은 {111}, {110}면으로 이루어져 있음을 확인하였다. 또한 전자빔산란을 확인하여 금 나노막대가 단결정으로 이루어진 것을 확인하였다. 금 나노 막대가 분산되어 있는 용액에 금전구체와 은전구체를 추가하여 환원함으로써 나노 막대 입자의 양쪽 끝쪽에서 2차 성장을 유도하였다. 이때 0.1M의 염산을 15㎕씩 추가하고, 추가된 염산의 양만큼 환원제의 양을 감소시켜 성장조건을 달리하여 막대 끝의 형상이 달라짐을 확인하였다. 염산이 추가되지 않은 실험에서는 화살촉 모양으로 성장된 금 나노 막대를 확인하였고, 염산을 15㎕를 추가한 실험에서는 끝이 잘린 화살촉 모양의 입자가 만들어졌다. 염산을 30㎕를 추가한 실험은 양족 끝이 둥근 아령모양의 입자가 합성되었으며, 45㎕를 추가한 실험에서는 개뼈모양의 금 나노 막대가 합성되었다. 은전구체의양을 120㎕를 사용한 실험에서는 화살촉 모양의 입자가 합성되었고, 180㎕를 사용한 실험의 경우 끝이 잘린 화살촉 입자가 합성되었으며, 240㎕를 사용한 실험에서는 아령모양의 금 나노 막대가 합성되었다. 또한, UV-vis-NIR 흡수 스펙트럼을 측정하여, 화살촉을 제외한 입자의 종횡비는 3.91이고, 화살촉 입자의 종횡비는 3.85였음을 확인하였다. 이들의 광학특성 결과는 FDTD계산 결과와 잘 일치하였다. 또한, 일반 금 나노 막대 입자와 화살촉 입자를 암시야 현미경을 사용하여 산란강도를 측정하였다. 티타니아가 코팅된 유리기판위에 막대입자와 화살촉 모양의 막대입자를 올려 입자의 모양차이에 따른 광 산란의 차이를 측정하여 높은 유전상수를 가지는 기판과 금 나노 막대간의 플라즈몬 공명의 차이를 비교하였다. We synthesized gold nanorods successfully at room-temperature by using a seeded growth method, in which hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) was used as the stabilizer and capping agent. Gold nanorods was 45nm in length, 15nm in diameter which corresponds to approximately 3 of aspect ratio. we confirmed that the gold nanorods was single crystal through SAED (selected area electron diffraction) pattern. Then, we performed overgrowth experiments on gold nanorods at the presence of silver precursor. The resultant particles were arrow-head shape at both ends. By managing the amount of hydrochloric acid (HCl) and reducing agent(L-ascorbic acid), the growth rate of gold at both ends could be controlled . The arrow-headed gold nanorods have been produced when HCl was not added. However, when HCl solution added more, the gold nanorods became dog-bone and round head shape . Also, by controlling the amount of silver nitrate (AgNO3), the shape of gold nanorods were changed from arrow head to dumbbell. Interestingly, when other acid or base (nitric acid and sodium hydroxide) were used instead of HCl , the resultant particles were not changed much. However, when an aqueous solution of sodium chloride were added instead of HCl, they shape were changed as they were done with HCl. Finally, we measured absorption intensity of the normal nanorods and arrow-heads nanorods which were compared with simulation data.

선택적인 상호작용에 의한 비구형 입자의 자기 조립

김승현 성균관대학교 일반대학원 2013 국내석사

본 연구에서는 빛을 제어할 수 있는 결정구조인 광자 결정을 제조하는데 사용되는 비구형의 입자를 제조하기 위하여 우선적으로 분산 중합법을 이용하여 분자량 분포도가 넓은 균일한 크기를 갖는 구형의 입자를 제조하였고, 제조 된 구형의 입자에 오일을 팽윤시키고, 표면장력을 조절 한 뒤 상 분리 과정을 거쳐 비구형 입자를 제조하였다. 또한 입자의 형태와 변형 정도를 오일의 양과 표면장력을 이용하여 조절하였고, 오일의 흡수를 돕기 위해 사용한 계면활성제를 변형되지 않은 부분에만 선택적으로 결합시킴으로 변형 된 부분을 소수성의 성질로 만들었다. 이러한 소수성에 의한 성질을 이용하여 친수성 용매 내에서 아령 모양이나 다른 클러스터 형태로 자기 조립 시켰다. 또한 고분자를 본산 시킨 용매 내에서 고갈력을 이용하여 비구형의 입자와 구형의 입자를 눈사람 형태로 자기 조립 시켰다. 제조된 아령 모양 또는 다른 클러스터 형태의 입자는 광학특성이 제한되는 구형의 입자에 의한 구조보다 우수한 광학특성을 갖는 새로운 결정 구조를 제조 할 수 있으며, 소수성 기판위에 선택적으로 결합 시킬 수 있다. 고분자 콜로이드가 아닌 다양한 콜로이드 입자와 함께 조립함으로써 복합적인 특성을 지닌 입자의 제조가 가능하며, 그 외에 대면적 기판위에 패턴화 하거나 선택적으로 패턴화 할 수 있을 것으로 기대된다. We report here that colloidal patchy particles were prepared by the phase separation of decane-swollen particles and the evaporation of decane oil. Depending on the amount of decane captured in particles, dimple size was changed precisely. Curvature of dimple was increased when solvent is more hydrophobic. By removing excess amount of surfactant used for stabilizing swollen particles, hydrophobic dimple were produced when decane was evaporated. Then, dimple particles were formed into dumbbells spontaneously because of hydrophobic interaction between dimples. Furthermore, m㎕tiple protrusions of decanes were also formed, which were kinetically stable, and m㎕tiple patches were formed on the polymer particle surfaces which will be used for self-organized colloidal structures including strings or networks.

식각 메커니즘을 통한 팔면체 금 나노입자의 형상 변화

이유진 성균관대학교 일반대학원 2013 국내석사

에틸렌 글리콜(ethylene glycol)을 용매로 하여 양이온계면활성제인 PDDA( poly(dimethyldiallylammonium chloride))와 인산을 넣어 폴리올 공정에 의해 팔면체 금 나노입자를 합성하였다. 합성한 팔면체 금 콜로이드 용액에는 팔면체 모양 이외의 십면체나 끝이 잘린 형태의 삼각 판상형(truncated triangular plate) 입자가 10%내외로 함께 합성되었다. 이 팔면체 금 나노 입자는 화학적 식각 과정을 통하여 마이크로 미터 이하 크기의 표면이 매끄러운 구형 금 나노입자로 형상 변화하였다. 팔면체 금 나노입자는 모서리나 꼭짓점부터 선택적으로 식각되어 끝이 잘린 팔면체 형태, 준 구형 형태 그리고 구형 형태로 점차적으로 식각되어진다. 합성되어진 구형입자를 식각과 성장을 반복하면 입자의 크기가 좀 더 크고 순도가 증가하는 경향을 확인하였다. 나아가, 합성한 팔면체와 구형 금 나노입자 위에 백금을 코팅하여 코어-쉘(core-shell) 형태의 금속 입자를 합성하였다. 마지막으로 화학적 식각 과정을 통해 합성한 구형의 금 나노입자는 클러스터(cluster) 형태로 만들어 파노 공명 특성을 살펴보았다. Synthesized of gold octahedral nanoparticles used to ethylene glycol as a solvent and a cationic surfactant PDDA (poly (dimethyldiallylammonium chloride)) and phosphotic acid by polyol process. Octahedral gold colloid solution included decahedron or ttruncated triangular plate particles with around 10% in shape. We synthesised uniform gold nanospheres with smooth surface by chemical etching of gold octahedron particles. By etching gold octahedra selectively from their corners or edges, their morphology evolved to faceted truncated octahedron and pseudo spheres and then spheres. We produced larger gold particles with enhanced purity as the etching and re-growth processes were repeated. Furthermore, we deposited platinum on gold spheres to core-shell form complex bimetallic particles. Finally, we synthesis of gold cluster as the spherical gold nanoparticles by chemical etching process and the cluster were investigated fano resonance signature.

에멀젼을 이용한 거대기공을 갖는 금속산화물 입자의 합성

정대웅 성균관대학교 일반대학원 2013 국내석사

본 연구에서는 에멀젼 내부에서 고분자 입자의 자기조립을 통해 구형집합체를 형성 하고, 동시에 고분자 입자사이에 티타니아 전구체의 솔-젤 반응을 유도함으로써, 고온 열처리 과정을 통해 거대기공을 갖는 티타니아 입자를 합성하였다. 이를 위해 가교 결합된 균일한 폴리스티렌 입자를 티타니아 전구체와 함께 톨루엔에 분산하고, 이를 다시 포름아미드에 균질기를 이용하여 혼합하여 수 마이크론 크기의 톨루엔-포름아미드 에멀젼을 제조하였다. 이후 에멀젼 내부의 톨루엔을 서서히 제거하여 구형의 솔-젤 반응을 통하여 복합 구조 집합체를 제조하였다. 마지막으로, 540℃에서 폴리스티렌 입자가 제거하여 거대기공이 형성된 티타니아 입자를 얻었다. 기공의 크기는 폴리스티렌 입자의 지름에 의해 결정되며 74m2/g의 비표면적을 갖게 된다. 또한, 톨루엔 에멀젼 내부에 실리카와 티타니아 전구체를 사용한 경우 티타늄과 실리콘의 원소가 균일하게 분포된 거대기공을 갖는 입자를 얻을 수 있었으며, 이때 두 가지의 복합성분을 갖는 입자의 실리카의 미세기공으로 인해 비표면적이332m2/g으로 증가하였다. Macroporous titania particles were prepared by colloidal templating process inside emulsions, which are potentially useful for photocatalysis, battery, electrochromic and sensing fields because their fairly high surface area and efficient mass transport of ion or gas. polystyrene particles were dispersed in toluene which is used template for uniform macropores and titanium precursors in toluene were mixed with polystyrene suspensions in toluene. Then, toluene-in-formamide emulsions were prepared by homogenization with high shear force for micron-sized particles or simple hand mixing process for tens of micrometer size. By evaporating toluene inside emulsion, polystyrene were aggregated into spherical shape and amorphous titania were formed by sol-gel reaction with small amount of water dissolved in formamide. Further heat treatment around 540°C produced crystalline porous titania particles with anatase phase. We have also produced micro or mesopores inside wall by adding organically-modified silica precursor or oil-soluble surfactants, which eventually produced meso-macroporous particles.

정육면체 입자의 표면에서의 실리카 막대의 방향이 제어된 이차 성장

황혜정 성균관대학교 일반대학원 2014 국내석사

본 연구에서는 다양한 모양의 코어 입자에서의 막대 모양의 실리카 입자를 이차 성장시키기 위하여 우선적으로 코어 입자로 사용되는 구형인 실리카, 티타니아 입자와, 판상, 정육면체 모양의 헤마타이트 입자를 제조하였다. 또한 졸­젤법에 의해 다양한 종횡비를 가지는 막대 모양의 실리카 입자를 합성하였다. 제조된 코어 입자를 실리카 막대의 합성 과정 중에 첨가하였고, 구, 판상, 정육면체 모양을 가지는 무기 입자에서 다양한 수의 이차 성장된 실리카 막대를 가진 입자가 제조 되었다. 코어 입자의 면의 개수에 따라 이차 성장하는 막대의 수가 결정되었다. 반응물들의 혼합 방법에 따라 코어 입자에서 성장하는 실리카 막대의 끝의 모양이 변화하거나, 반응물의 농도의 변화에 의해 코어 입자에서 막대 모양이 아닌 다른 형태의 실리카가 성장함을 확인하였다. 여섯 면에서 실리카 막대가 성장한 정육면체 모양의 헤마타이트 입자 두개가 가까이에 있을 때, 두 개 중 하나가 다른 하나에 맞춰서 적당히 회전을 하게 되면 서로 맞물리는 배열을 가지게 되며, 물에서 헤마타이트의 자기적 특성에 의해 외부적인 자기장 없이도 지구자기장에 의해 자발적으로 선형의 긴 형태로 자가 정렬되었다.

탄소를 포함한 단분산 티타니아 입자의 합성 및 구조색 연구

강은비 성균관대학교 일반대학원 2014 국내석사

본 연구에서는 균일한 크기의 단분산 티타니아 입자를 합성하기 위해 두 가지 종류의 용매를 사용한 졸겔법을 이용하였고, 탄화수소 사슬을 가진 티타니아 입자를 제조하기 위해서 촉매로 도데실아민을 사용하여 입자를 합성하였다. 합성한 입자를 질소 주입 하에서 열처리하여 탄소를 포함한 티타니아 입자를 제조하였다. 이 때 티타니아 입자는 열처리 온도 조건으로 결정을 형성하여 높은 굴절율을 가진 입자를 얻고자 하였다. 또한 탄소를 포함한 티타니아 입자의 광학 특성을 분석하기 위해서 자외선-가시광선 영역 반사율을 분석하였고 각도에 따른 반사율 그래프를 분석하여 불규칙한 구조에서 각도 의존성이 없는 구조색이 나타남을 확인하였다. 또한 탄소를 포함한 티타니아 입자를 다시 공기분위기에서 열처리하여 탄소를 제거함으로써 가시광선 영역에서의 반사율이 증가됨을 확인하였다. 열처리한 입자를 홀로그래피 분석을 하여 탄소를 포함한 티타니아 입자의 굴절율이 더 높음을 확인하였다. 따라서 간단한 방법으로 탄소를 포함한 티타니아 입자를 합성하였으며 열처리 조건을 이용하여 입자 내 탄소 함량을 제어하고 그에 따른 반사율도 제어할 수 있음을 확인하였다. 또한 탄소를 포함한 티타니아 입자는 불규칙한 구조에서 각도 의존성이 없는 구조색을 구현함을 확인하였다. Monodisperse titania particles were synthesized by sol-gel process in methanol and acetonitrile co-solvent. We used hydrocarbon chain of Dodecylamine(DDA) for fabrication of carbonized titania particles. Next, Carbon-embedded titania particles were fabricated by carbonizing titania particles under N2 gas flow at 500, 700 and 900 ℃. And carbonized titania particles were annealed in air atmosphere at 500 ℃ to remove carbon. In optical properties, We confirmed carbonized titania particles had angle-independent structural colors in amorphous array. Carbonized titania particles were annealed in air to remove carbon, reflectance is decreased. Through holography, we confirmed refractive index of carbon-embedded titania particles is higher than that of annealed particles in air. Therefore, We fabricated carbon-embedded titana particles with simple process. They have angle-independent structural colors in amorphous array. We can control carbon content through annealing conditions and reflectance of particles through carbon content.

Ionic Liquid-based Gel Polymer Electrolytes For Lithium-ion Batteries

KULKARNI UDDHAV 성균관대학교 일반대학원 2025 국내박사

In the last three decades, lithium-ion batteries (LIBs) have received much attention due to their properties such as light weight, high energy density, high ionic conductivity, and negligible memory effect. LIBs could be a promising candidate for energy storage in the face of green alternatives to fossil fuels. Their commercialized version consists of a graphite anode, liquid electrolyte, a cathode made up of metal oxides and a separator. These liquid electrolytes play a vital role in LIBs and ionic conductivity of 10-2 S cm-1 can be achieved. Traditional liquid electrolytes (LEs) pose safety risks due to their flammability and volatility. Ionic liquids (ILs) offer a safer alternative, boasting inherent properties such as non-flammability, thermal stability, and high electrochemical stability, making them ideal for lithium-ion battery applications. The polymeric form of ILs, poly(ionic liquids) (PILs), is a new class of polymer electrolytes which combine the properties of ILs and polymer. However, differently from conventional solid polymer electrolytes (SPEs), in the case of PILs no additional salt needs to be added to the SPE since the pendant counter-ions are free to move and responsible for the ionic conductivity. PILs offers high thermal and electrochemical stability in addition to mechanical stability. Moreover, PILs with bulky anions like bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (TFSI) show self-healing properties benefiting the development of flexible polymer electrolytes for wearable electronics. Despite the beneficial properties, use of PILs as battery electrolyte has been hampered due to their low ionic conductivities at room temperature. To address this issue various strategies have been implemented including co-polymerization, addition of plasticizers (like LE, inorganic nanoparticles, ILs, etc.) which has led to enhanced conductivities and exceptional cycling performance. In the first chapter of this thesis, quantitative analysis of factors affecting the physicochemical behavior of ILs in electrolyte solution has been studied. Since solvents or ILs interact with dissociated ions, it is crucial to understand the factors that influence the solvent-solute relationship. Therefore, the ionic interactions are measured by nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and quantitively expressed in terms of donor number (DN). DN of ILs offering valuable insights for developing safer and more efficient electrolytes for lithium-ion batteries (LIBs) with enhanced charge-carrying capacity. In the second chapter, crosslinked network polymer of poly(acrylonitrile-r-vinylidene diazide) with tethered tetrazolium rings (xPAN+) as highly stable and ion-selective gel polymer electrolytes (GPEs) for lithium metal batteries. The cationic rings play a crucial role in facilitating the movement of Li ions by interacting with both anions and solvent molecules, resulting in a remarkable transference number and ionic conductivity. Furthermore, the half-cell exhibited excellent capacity retention. In the third chapter, polymer coated silica nanoparticles-based imine vitrimers (P@SNP-PHT) used as polymer electrolytes (PE). These electrolytes show self-healing ability at room temperature without any external stimuli. Moreover, the introduction of P@SNP in polymer matrix increases both stress and strain values of P@SNP-PHT films. P@SNP-PHT films shows high ionic conductivity and moderate lithium transference number with excellent electrochemical stability. The research investigates the fundamental properties of ionic liquids and their interactions with Li salts, aiming to develop novel ionic-polymer electrolyte systems with enhanced lithium transference numbers and self-healing capabilities.

UVA 차단을 위한 아보벤존이 담지 된 중공형 다공성 실리카 나노 입자

이예은 성균관대학교 일반대학원 2021 국내석사

Photoaging, the main cause of skin aging, is aging due to ultraviolet rays, and as interest in skin health and beauty has increased, sunscreen has become a necessity for modern people. Avobenzone is a typical organic sunscreen that absorbs UVA rays (320–400 nm). However, exposure to ultraviolet light for a long period of time does not constantly block ultraviolet light because molecular structure is easily decomposed. Therefore, the purpose of this study was to increase the duration of the UV protection effect by putting avobenzone in mesoporous silica and to reduce the risk of allergic or redness caused by exposure to the skin directly. The surfactant cetrimonium methosulfate(CTMS) is distributed in distilled water to form a micelle, and the mixture of avobenzone dissolved in ethyl acetate(EA) and tetraethyl orthosilicate(TEOS), a silica precursor, is added to the medium and stirred to form a micelle containing avobenzone to synthesized spherical particles. When UVA absorption was checked through UV-VIS Spectroscopy after some time of UVA exposure using a UV Lamp(365nm), avobenzone reduced UVA blocking effect by approximately 35% in three hours, but the A-HMSN, which contained avobenzone, had little effect reduction after three hours. Therefore, unlike conventional sunscreen products that need to be applied several times after a certain period of time, products containing silica particles containing avobenzone can have a high UV protection effect over a long time. It will be able to develop low-irritation sunscreen products at the same time as increasing the duration of UV protection. 피부 노화 현상의 주요 원인인 광노화는 자외선에 의한 노화이며, 피부 건강과 미용에 관한 관심이 높아지며 자외선 차단제는 현대인의 필수품이 되었다. 아보벤존(Avobenzone)은 UVA 영역(320~400nm)의 자외선을 흡수하는 대표적인 유기 자외선 차단제이다. 그러나 장시간 자외선에 노출될 시, 분자 구조가 쉽게 분해되기 때문에 지속해서 자외선을 차단할 수 없다. 이에 본 연구에서는 다공성 실리카에 아보벤존을 담지함으로써 자외선 차단 효과 지속시간을 증진하고, 아보벤존이 피부에 직접적으로 노출되어 알레르기나 홍반을 일으킬 위험을 낮추고자 하였다. 계면활성제인 cetrimonium methosulfate(CTMS)를 증류수에 분산시켜 마이셀을 형성하고, ethyl acetate(EA)에 용해한 아보벤존 유기물과 실리카 전구체인 tetraethyl orthosilicate(TEOS)를 혼합시켜 증류수에 첨가 및 교반하여 아보벤존을 포함하는 마이셀을 형성하고 아보벤존이 도입된 구형 입자로 합성하였다. UV Lamp(365nm)를 이용하여 자외선을 일정 시간 동안 조사하고 자외선-가시광선 분광기를 통해 UVA 흡광도를 확인해 보았을 때 조사한지 3시간만에 UVA 차단 효과가 처음보다 약 35%나 감소하는 아보벤존과 달리 아보벤존을 내부에 담지한 중공형 다공성 실리카 나노 입자(A-HMSN)는 3시간 조사하여도 흡광도 저하가 미미하였다. 따라서 일정 시간이 지나면 여러 번 덧발라야 하는 기존의 자외선 차단제 제품들과 달리, 아보벤존을 담지한 실리카 입자가 처방된 제품은 오랜 시간 동안 높은 자외선 차단 효과를 나타낼 수 있다. 자외선 차단 지속시간을 증진 시킴과 동시에 저자극의 선(SUN)제품을 개발 할 수 있을 것이다.