With the increasing demand for renewable energy sources, the necessity of energy storage systems is increased to compensate for the irregular energy generation for efficient energy storage and supply. Energy storage systems require high power density, stability, safety, and economic feasibility for grid-scale applications. In this regard, aqueous batteries are spotlighted as a next-generation system. Among the candidates, I studied rechargeable aqueous zinc-ion batteries in this dissertation. I tried to understand the overall reaction mechanisms based on the interphase reactions among the positive electrodes, negative electrodes, and electrolyte solutions. All these approaches aimed to improve the cycling performance of zinc-ion batteries. In chapter 2, I adopted naphthalenediimide as an organic cathode. The dissolution of active materials, commonly observed in inorganic electrodes, was suppressed, and the reaction processes between the naphthalenediimide cathode and aqueous electrolyte solution were identified (Chapter 2). I demonstrated that protons in the aqueous electrolyte solution were inserted/deinserted into the naphthalenediimide cathode along with the zinc ions during the charging and discharging process. However, the protons-involved process caused undesired deformation of the organic cathodes, revealing that the mitigation of proton-related reactions is necessitated. In chapter 3 and 4, I focused on the interphacial reactions between the zinc anode and electrolyte solutions. I employed glutaric acid as the organic additive, which in situ formed the zinc glutarate layer protecting the anode surface and suppressed the zinc corrosion, hydrogen evolution reaction, and precipitation of zinc hydroxyl sulfate. Using zinc-iodide semiredox flow cells, I successfully demonstrated the improved cyclability with the glutaric acid additive,underpinning the vital steering of the interfacial reactions in the rechargeable zinc-ion aqueous batteries.
최근 신재생 에너지에 대한 수요가 증가함에 따라 간헐적으로 생산되는 신재생 에너지를 효율적으로 저장 및 공급할 수 있는 에너지 저장장치에 대한 필요성이 증가하고 있다. 에너지 저장 장치는 고출력, 안전성 및 안정성, 대용량 시스템 구축을 위한 경제성이 요구되며 이러한 특성을 충족시킬 수 있는 차세대 시스템으로 수계 전지가 각광받고 있다. 본 학위 논문은 다양한 수계 전지 중 수계 아연 이차 전지의 연구에 관한 것이다. 특히 전해질, 양극 및 음극 간의 계면반응 관찰을 통하여 수계 아연 이차 전지의 전반적인 반응 메커니즘을 이해하고자 하였으며 나아가 전지의 성능을 개선하고자 하였다. 첫 연구로는, 유기물인 나프탈렌다이이미드를 양극 활물질로 사용하여 기존 무기물 전극에서 발생하는 활물질의 용해를 억제함과 동시에 수계 전해질의 반응 메커니즘을 관찰하였다 (Chapter 2). 이 과정에서 아연 이온과 함께 수계 전해질 내의 양성자 또한 에너지 저장 과정에 관여한다는 사실을 확인하였으며, 이로 인해 야기되는 부반응 및 한계점을 확인하였다. 두번째 연구에서는 금속 아연 음극 및 전해질 사이의 계면 반응에 초점을 맞추어 메커니즘 분석을 진행하였으며 나아가 전해질 첨가제를 통해 부반응을 억제하고 금속 아연 전극의 안정성을 향상시키는 방안을 제시하였다 (Chapter 3, 4).
