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Study on the electrochemical characteristics of the advanced electrolyte containing new silane-based additive = 새로운 실레인 계열의 첨가제가 도입된 기능성 전해질 시스템의 전기화학적 특성에 관한 연구
서명 / 저자 Study on the electrochemical characteristics of the advanced electrolyte containing new silane-based additive = 새로운 실레인 계열의 첨가제가 도입된 기능성 전해질 시스템의 전기화학적 특성에 관한 연구 / Jeong-Eun Seo.
저자명 Seo, Jeong-Eun ; 서정은
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2006].
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유기용매와 리튬염으로만 이루어진 전해질의 경우 비가역용량, 수명특성, 이온전도도, 그리고 전기화학적 안정성 면에서 많은 한계점을 지니고 있다. 이 논문에서는 SEI layer 안정화제와 음이온 고정화 물질에 대해서 연구되었다. 그리고 그 첨가제들의 전기화학적 특성 평가를 위한 실험을 수행하였다. Chapter II에서는 triacetoxyvinylsilane을 새로운 SEI layer 안정화제로서 제시하고 그것의 전기화학적 특성 평가에 대한 연구를 수행하였다. 이 첨가제는 하나의 불포화 탄소-탄소 결합을 가지고 있어 중합이 갈 수 있다. 이 첨가제는 또한 전해액에 사용되는 유기용매보다 낮은 LUMO 에너지를 가지고 있어 충방전하는 동안 유기용매보다 먼저 분해되어 음극 표면 위에 SEI layer를 형성할 수 있다. 그리고 세 개의 에스테르 관능기를 가지고 있어 전해액에 쉽게 용해되어 섞일 수 있다. 그리고 가장 중요한 특징은 가장 상용화되어 사용되고 있는 VC 가격의 2.5%밖에 안되는 경제성을 지녔다는 것이다. 이 가격은 Adrich 시약업체를 기준으로 한 것이다. CV test를 통해 triacetoxyviylsilane이 실제로 초기 충방전동안 유기용매보다 먼저 분해되어 SEI layer를 형성함을 보였다. 그리고 그 형성된 SEI layer가 안정하며 유기용매의 분해를 막았다는 것을 첨가제가 도입되지 않았을 경우 비가역 용량이 26%를 보였으나 이 첨가제가 도입됨에 따라 22%로 줄어드는 것을 통해 확인하였다. 고온에서의 충방전 특성 또한 크게 향상되어 100회 충방전 후에도 92%의 용량이 유지되는 우수한 특성을 보였다. 그러나 이 첨가제가 도입됨에 따라 형성된 SEI layer는 리튬 이온의 빠른 이동을 방해한다. 따라서 1C rate의 고율 충방전시 심각한 용량감소를 유발한다. 이것은 이 첨가제에 의해 생긴 SEI layer가 높은 계면저항을 가지기 때문인 것으로 판명되었으며, 이 높은 계면저항은 triacetoxyvinylsilane과 음이온의 반응으로 SEI layer가 구성되었으며 이 구성물이 매우 단단한 표면을 만들기 때문인 것으로 확인되었다. 단단하게 만들어진 surface film은 전극과 전해질성분 사이의 추가적인 반응을 막을 수 있고, 고온같이 가혹한 조건을 주었을 때 전극을 보호할 수 있다. 그러나 고율 성능을 보다 나쁘게 만들 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 음이온 고정화 물질인 DEG borate를 triacetoxyvinylsilane이 첨가된 전해액에 추가적으로 도입하였다. 그리고 이 DEG borate가 triacetoxyvinylsilane과 음이온의 반응을 억제시키고 triacetoxyvinylsilane의 중합을 유도하였음을 XPS spectrum을 통해서 확인할 수 있었다. 결론적으로 triacetoxyvinylsilane과 DEG borate가 함께 첨가된 전지의 경우 1C rate 충방전에서도 향상된 성능을 보여줌을 확인하였다. 또한 이 향상된 성능은 리튬이차전지에서 가장 성능이 우수하다고 알려진 VC와도 비교가능한 것으로 저렴하면서도 성능이 우수한 SEI layer 안정화제가 개발되었음을 확인하였다. Chapter III에서는 kynar를 기본으로 한 겔 고분자 전해질에서 음이온 고정화 물질의 효과에 대하여 연구하였다. Kynar를 기본으로 한 겔 고분자 전해질의 경우 다음과 같은 방법으로 제조된다. Kynar를 $60^\circ C$ 에서 THF안에 녹인다. 리튬염을 기준으로 TPFPB의 xM (x=0, 0.2, 0.05, 0.10)이 도입된 EC/PC 1/1, v/v% 1M $LiClO_4$ 전해액을 이 고분자 용액에 붓는다. 이렇게 균일하게 섞인 혼합물을 Teflon plate에 붓고 남아있는 용매를 상온에서 글로브박스 안에서 휘발시킨다. $ClO_4^-$ 와 TPFPB 사이의 루이스 산-염기 상호작용에 의해 리튬염이 추가적으로 해리될 수 있게 된다. 반면 TPFPB의 음이온 고정화 효과는 음이온의 이동도를 떨어뜨리게 된다. 이로 인해 보다 높은 양이온 수율을 보이게 되지만 이온 전도도는 떨어질 수 있다. 이 상충되는 효과로 인해 0.02M TPFPB에서 이온 전도도는 최대치를 보이게 된다. 양이온 수율은 0.1M TPFPB가 첨가될 때까지 0.38에서 0.76까지 꾸준히 증가된다. 양이온 전도도는 0.8에서 1.4까지 증가된 뒤 유지된다. FT-IR를 통해 TPFPB가 도입된 EC/1M $LiClO_4$ 전해액을 이용하여 음이온 고정화 효과를 관찰하였다. 초기엔 $ClO_4^-$ 음이온과 상호작용하던 EC의 $CH_2$ peak이 TPFPB를 도입함에 따라 변하게 됨을 FT-IR로 확인하였다. TPFPB의 도입으로 전기화학적 안정성은 약 4.7V까지 증가되었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MCBE 06041
형태사항 xii, 101 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 서정은
지도교수의 영문표기 : Jung-Ki Park
지도교수의 한글표기 : 박정기
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 References : p. 94-98
주제 lithium rechargeable battery, new SEI layer stabilizer, advanced electrolyte, electrochemical characteristics
리튬이차전지, 새로운 부동태피막 안정화제, 기능성 전해액, 전기화학적 특성
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