비올로겐-나프탈렌 디이미드-비올로겐 삼합체를 이용한 리튬-유기 배터리용 양극성 유기 전극 물질 = Bipolar-Type Organic Electrode Material Composed of a Viologen-Naphthalene Diimide-Viologen Triad for Li-Organic Batteries

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Redox-active organic molecules (ROMs) play a crucial role as electrode materials in the development of future energy storage devices. In this study, we synthesized a bipolar-type ROM, NDI-2Vi, that comprises a triad of an n-type naphthalene diimide (NDI) unit and two p-type viologen (Vi) units, which can reversibly insert/extract the Li cations and Br/TFSI anions, respectively, during the redox reactions in nonaqueous electrolyte. The bipolar redox mechanism allowed NDI-2Vi to always bear certain charges with counterions, effectively preventing undesired dimerization decomposition of the molecules through the Coulombic repulsion. Through ex situ X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), its reversible bipolar redox mechanism accompanying dual-ion intercalation with anion exchange was elucidated. The NDI-2Vi electrode delivered a specific capacity of 156.8 mA h g–1, corresponding to 98.5% of its theoretical capacity storing six electrons per molecule. By employing a highly concentrated electrolyte, its cycle stability could be markedly improved due to retarded dissolution of active materials. Finally, kinetic analyses revealed that the NDI-2Vi electrode undergoes rapid capacitive electrochemical reactions, leading to its high rate capability, even in the highly concentrated electrolyte.

국문 초록 (Abstract)

산화 환원 활성 유기 분자 (ROM)는 미래 에너지 저장 장치 개발에서 전극 재료로서 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 비수용성 전해질에서 산화 환원 반응 시 각각 리튬 양이온과 Br/TFSI 음이온을 가역적으로 삽입/ 추출할 수 있는 n형 나프탈렌 디이미드 (NDI) 유닛 1개와 p형 비올로겐 (Vi) 유닛 2개로 구성된 양극성 ROM인 NDI-2Vi를 합성했다. 양극성 산화 환원 메커니즘을 통해 NDI-2Vi는 항상 반대 이온과 특정 전하를 띠게 되어 쿨롱 반발에 의한 분자의 원치 않는 이합체 분해를 효과적으로 방지할 수 있다. X-선 광전자 분광법 (XPS)을 통해 음이온 교환과 이중 이온 상호 작용을 수반하는 가역적인 양극성 산화 환원 메커니즘을 규명했다. NDI- 2Vi 전극은 분자당 6개의 전자를 저장하여 이론용량의 98.5%에 해당하는 156.8 mA h g-1의 용량을 제공했다. 고농도의 전해질을 사용함으로써 산화 환원 활성 물질의 용해가 지연되어 사이클 안정성이 현저히 개선될 수 있었다. 마지막으로, 동역학 분석 결과 NDI-2Vi 전극은 빠른 용량성 전기화학 반응을 일으켜 고농도 전해질에서도 빠른 충방전 성능을 발휘하는 것으로 나타났다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT. iv
• 제1장 서론 1
• 제1절 연구배경 및 목표1
• 제2장 실험 6
• 제1절 재료 합성 및 분석 6
• 1. 재료 및 구조 분석 6
• 2. 합성 7
• 3. 전기화학적 분석 8
• 4. 전극의 ex-situ 분석 9
• 제3장 결과 및 고찰 15
• 제1절 NDI-2Vi 의 산화환원 메커니즘 15
• 제2절 충/방전 안정성 시험 21
• 제3절 동역학 분석 27
• 제4장 결론 32
• 참고문헌 33
• 국문초록 41