에너지 저장을 위한 효율적인 나트륨 이온 배터리 양극
날짜:
2023년 1월 5일
원천:
부산대학교
요약:
리튬은 비싸고 제한적이므로 리튬 이온 배터리 이외의 효율적인 에너지 저장 시스템 개발이 필요합니다. 나트륨은 유망한 후보입니다. 그러나 크고 느린 나트륨 이온은 나트륨 이온 배터리(SIB) 양극 성능을 방해합니다. 연구원들은 최근 효율적이고 쉽게 준비할 수 있으며 높은 나트륨 이온 저장 성능 및 순환 안정성을 포함하여 우수한 전기화학적 특성을 나타내는 새로운 탄소질 SIB 양극 재료인 열분해된 퀴나크리돈을 개발했습니다.
기후 변화는 현 세기의 주요 글로벌 관심사입니다. 재생 가능 에너지원을 활용하고 효율적인 에너지 저장 시스템을 개발하여 탄소 배출량을 줄이는 것이 필요합니다. 리튬이온 배터리는 에너지 밀도가 높고 수명이 길어 전기 자동차는 물론 휴대용 전자기기에도 없어서는 안 될 배터리입니다. 그러나 리튬의 높은 비용과 제한된 공급으로 인해 대체 에너지 저장 시스템의 개발이 필요합니다. 이를 위해 연구자들은 가능한 후보로 나트륨 이온 배터리(SIB)를 제안했습니다.
리튬과 유사한 물리 화학적 특성을 갖는 것 외에도 나트륨은 지속 가능하고 비용 효율적입니다. 그러나 그 이온은 느린 확산 동역학으로 크기 때문에 상업화된 흑연 양극의 탄소 미세 구조 내에서의 수용을 방해합니다. 결과적으로 SIB 양극은 구조적 불안정성과 저장 성능이 좋지 않습니다. 이와 관련하여 헤테로원자로 도핑된 탄소질 재료가 가능성을 보이고 있습니다. 그러나 그들의 준비는 복잡하고 비싸며 시간이 많이 걸립니다.
최근 부산대학교 이승걸 교수 연구팀은 퀴나크리돈을 전구체로 사용하여 탄소질 SIB 양극을 제조했습니다. "퀴나크리돈과 같은 유기 안료는 다양한 구조와 작용기를 가지고 있습니다. 그 결과 서로 다른 열분해 거동과 미세 구조를 나타냅니다. 열분해된 퀴나크리돈은 에너지 저장 물질의 전구체로 사용될 때 이차 전지의 성능을 크게 변화시킬 수 있습니다. 따라서 , 유기 안료 전구체의 구조를 제어함으로써 고효율 전지 구현이 가능하다”고 이 교수는 설명했다. 그들의 연구는 2022년 10월 17일에 온라인으로 제공되었으며 2023년 2월 1일에 Chemical Engineering Journal의 453권 1부에 게재될 예정입니다.
연구원들은 그들의 연구에서 2,9-디메틸퀴나크리돈(2,9-DMQA)에 집중했습니다. 2,9-DMQA에는 병렬 분자 패킹 구성이 있습니다. 600°C에서 열분해(열분해) 시, 2,9-DMQA는 61%의 높은 차르 수율로 붉은색에서 검은색으로 변했습니다. 연구원들은 다음으로 기본 열분해 메커니즘을 설명하기 위해 포괄적인 실험 분석을 수행했습니다.
그들은 메틸 치환기의 분해가 450°C에서 자유 라디칼을 생성하며, 이는 평행 패킹 방향을 따라 결합 가교로 인해 세로로 성장한 미세 구조를 가진 다환식 방향족 탄화수소를 형성한다고 제안했습니다. 또한 2,9-DMQA의 질소 및 산소 함유 작용기는 가스를 방출하여 미세 구조에 무질서한 도메인을 생성합니다. 대조적으로, 열분해된 비치환된 퀴나크리돈은 고도로 응집된 구조를 발달시켰다. 이는 형태학적 발달이 전구체의 결정 방향에 의해 크게 영향을 받는다는 것을 시사한다.
또한, 600℃에서 열분해된 2,9-DMQA는 SIB로서 높은 rate capability(0.05 A/g에서 290 mAh/g)와 우수한 사이클 안정성(5 A/g에서 1000 사이클 동안 134 mAh/g)을 나타냈다. 양극. 질소 및 산소 함유 그룹은 표면 제한 및 층간 거리 증가를 통해 배터리 저장을 더욱 향상시켰습니다.
이 교수는 "퀴나크리돈과 같은 유기 안료는 나트륨 이온 배터리의 양극 재료로 사용될 수 있다. 고효율을 고려할 때 대규모 에너지 저장 시스템의 대량 생산을 위한 효과적인 전략을 제공할 것"이라고 결론지었다.
출처 : https://www.sciencedaily.com/