쯔비터이온 고분자 전해질을 이용한 수계 아연 이온 전지의 전기화학적 특성에 관한 연구 = The Study on Electrochemical Properties of Aqueous Zinc-Ion Battery Using the Zwitterionic Polymer Electrolyte

국문 초록 (Abstract)

최근 신재생 에너지의 효율적인 보급을 위해 에너지 저장 시스템으로 기존의 리튬 이온 전지 대비 안정성이 높고 친환경적인 수계 아연 이온 전지가 차세대 에너지 저장 시스템으로 각광받고 있다. 그러나 수계 아연 이온 전지는 아연 음극으로부터 발생하는 덴드라이트 성장과 부동태화 층 형성, 부식, 수소 발생 반응과 같은 부반응으로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있다. 수계 아연 이온 전지에서의 부반응에 의한 성능 저하는 물을 전해질로 사용하기 때문에 발생하며 이를 해결하기 위해 현재 기존의 액체 전해질을 대체할 수 있는 반-고체 형태의 고분자 전해질에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제들을 해결하기 위해 수계 아연 이온 전지용 고분자 전해질로써 아크릴아마이드(AM)와 쯔비터이온성 모노머인 2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린(MPC)을 공중합시킨 PAMPC 고분자 전해질을 개발하였다. 개발된 고분자 전해질은 UV 중합을 통해 합성되었으며 액체 전해질이 고분자 매트릭스 내에 고정되어 있는 형태로 존재하기 때문에 기존 액체 전해질로부터 발생하는 부반응을 효과적으로 억제할 수 있다. 이와 더불어 고분자 전해질 내 쯔비터이온 모노머인 MPC는 외부 전기장 하에 양이온과 음이온이 분리된 이온 수송 채널을 형성하여 액체 전해질 대비 높은 이온 전도도와 아연 전이 수를 나타낼 수 있다. 이러한 효과는 전극-전해질 계면에서 이온 분포를 균일화하고 농도 분극을 감소시켜 Zn//Zn 대칭 셀로 구성된 도금/박리 과정에서 500 시간 이상 가역적인 아연 음극을 유지할 수 있게 하였다. 또한, PAMPC 고분자 전해질을 사용한 Zn//V2O5 전지는 0.1 Ag-1의 낮은 전류 조건에서도 100 사이클 후 초기 용량의 36.5%를 유지한 액체 전해질 대비 87.7%라는 매우 우수한 용량 유지율을 보였으며, 높은 전류 밀도에서도 우수한 율속 특성을 나타내었다. 마지막으로 가공성과 유연성이 뛰어난 고분자 전해질을 적용한 파우치 형태의 전지는 1 Ag-1의 전류 조건에서도 코인 형태의 전지와 동일한 성능을 나타내었으며 안정적으로 순환할 수 있음을 확인하였다. 또한 구부리기, 망치질, 절단, 담그기와 같은 가혹한 내구성 테스트 이후에도 전자 장치에 안정적으로 전류를 공급할 수 있음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Aqueous zinc-ion batteries have been gaining attention recently as the next-generation energy storage system for efficient deployment of renewable energy sources, surpassing traditional lithium-ion batteries in terms of stability and environmental friendliness. However, despite these advantages, challenges remain in their commercialization due to issues such as dendrite growth and corrosion arising from the zinc anode, as well as side reactions like hydrogen evolution reaction. The performance degradation in aqueous zinc-ion batteries due to side reactions occurs because water is used as the electrolyte. To address this drawbacks, recent research is currently being conducted on polymer electrolytes that can replace the existing liquid electrolytes. Hence, in this study has shown a polymer electrolyte for aqueous zinc-ion batteries by copolymerizing acrylamide (AM) and 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine (MPC). The developed polymer electrolyte was synthesized through UV polymerization and exists in the form of a liquid electrolyte immobilized within the polymer matrix. This configuration effectively suppresses side reactions that occur with conventional liquid electrolytes, leading to an enhanced stability. Furthermore, the zwitterionic monomer MPC in the polymer matrix forms ion transport channels under an external electric field, facilitating high ionic conductivity and Zn2+ transference number compared to liquid electrolytes. This property uniformly distributes ions at the electrode-electrolyte interface, reducing concentration polarization and maintaining reversible zinc anode performance in a zinc symmetric cell for over 500 hours. Furthermore, Zn//V2O5 battery using PAMPC polymer electrolyte showed an excellent capacity retention rate of 87.7% compared to 36.5% for liquid electrolytes, even under low current conditions of 0.1 Ag-1 and maintained superior rate performance at high current densities. The pouch-type battery with this flexible and processable polymer electrolyte operated stably at 1 Ag-1 current conditions. Lastly, the flexible quasi-solid-state pouch battery continuously supplied stable power to the device even after undergoing hammering, cutting, soaking, and bending tests. These features indicate its potential for application in flexible wearable devices, suggesting that it can maintain high stability and performance even under harsh conditions.

목차 (Table of Contents)

• 표 목차 ii
• 그림 목차 iii
• 국문 요약 vii
• 제1장 서론 1
• 제2장 이론적 배경 5
• 제3 장 실험 방법 15
• 3.1. 재료 15
• 3.2. 수계 아연 이온 전지용 고분자 전해질의 합성 16
• 3.3. 분석 방법 16
• 3.4. 전지 제작 및 전기화학적 분석 방법 17
• 제4 장 결과 및 고찰 21
• 4.1. 고분자 전해질 합성 결과 및 상호 작용 확인 21
• 4.2. 전기화학적 특성 분석 36
• 제5 장 결론 69
• 참고 문헌 71
• Abstract (English) 76