Zn3(PO4)2 보호층 적용을 통한 수계 아연 이온 전지의 전기화학적 특성 개선 = A Study of Zn3(PO4)2 protective layer on Zn anode for high-performance aqueous zinc ion batteries

국문 초록 (Abstract)

수계 아연 이온 전지는 현재 에너지 저장 시스템 (Energy Storage System)의 주 전원으로 사용되고 있는 리튬이온전지 (lithium ion Batteries)을 대체할 차세대 이차 전지로 주목받고 있다. 수계 아연 이온 전지는 아연 음극, 망간 산화물 양극과 수계 전해액을 기반으로하여 리튬 이온 전지와 비교하여 안전성을 확보할 수 있으며, 우수한 출력 특성을 보여준다. 또한 ‘2전자 반응’(Zn/Zn2+) 에 의한 충/방전 과정은 높은 이론 용량 (820 mAhg, 5849 mAh/㎠)을 구현할 수 있고, 낮은 산화/환원 전위(-0.76V vs. SHE (standard hydrogen electrode))로 넓은 작동 전압 영역을 가진다.

그러나 수계 아연 이온 전지의 상용화를 위해서는 아연 음극이 가진 한계를 극복해야 하는데, 음극 표면 금속 수지상의 성장과 음극의 부식 및 수소 가스 발생 등 아연 음극에서 일어나는 부반응으로 인해 전지의 성능이 악화되며 수명이 저하된다. 본 연구에서는 수계 아연 이온 배터리의 아연 음극 표면에서의 부반응을 제어하고 수명 특성을 개선하기 위해 아연 금속의 표면에 나노 입자 스케일의 Zn3(PO4)2 보호층을 설계하였다. 설계된 보호층은 전해액과의 접촉 이후 다공질 보호막으로 진화하며 아연 음극 표면에서 발생하는 부식 반응, 수지상 성장 등의 부반응을 억제한다.

Zn3(PO4)2 보호막은 전지의 충/방전 동안 발생하는 부식 반응을 억제하며 아연의 손실을 줄이고, 음극 표면에서 Zn+2 이온 의 2D 이동을 제한하여 균일한 전/탈착을 유도한다. Zn3(PO4)2 보호막을 적용한 아연 음극은 1 C-rate의 풀셀 테스트에서 500 사이클 동안 93.9 %의 우수한 용량 유지율과 3 C-rate의 속도에서 5000 사이클의 우수한 수명 성능을 보여주었다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 7
• 2. 연구의 배경 10
• 2.1. 수계 아연 이온 전지 10
• 2.1.1. 수계 아연 이온 전지의 개요 10
• 2.1.2. 아연 음극의 문제점 10
• 2.1.3. 아연 음극의 연구 방향 11
• 3. 실험 방법 15
• 3.1. 전극 제조 15
• 3.2. 물성 분석 15
• 3.3. 전기 화학적 특성 평가 16
• 4. 실험 결과 및 고찰 19
• 4.1. Zn3(PO4)2 보호층의 설계 및 최적화 19
• 4.1.1. Zn3(PO4)2 보호층의 물리화학적 특성 분석 19
• 4.1.2. 인화물화 소스 물질(NaH2PO2) 의 최적 조건 탐색 30
• 4.2. Zn3(PO4)2 보호층이 적용된 음극의 전기화학적 특성 평가 32
• 4.2.1. 부식 특성 평가 32
• 4.2.2. 대칭셀 시험 34
• 4.2.3. 전극 전해액 접촉 후 표면 관찰 36
• 4.2.4. Zn
• MnO2 풀셀 성능 평가 38
• 4.2.5. 사이클 후 전극 표면 분석 42
• 5. 결론 48
• 참고문헌 49
• Abstract 52