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Study on the advanced electrolytes for enhancing the performance of electrochemical energy devices = 전기화학적 에너지 소자의 성능 향상을 위한 기능성 전해질에 관한 연구
서명 / 저자 Study on the advanced electrolytes for enhancing the performance of electrochemical energy devices = 전기화학적 에너지 소자의 성능 향상을 위한 기능성 전해질에 관한 연구 / Jun-Young Lee.
저자명 Lee, Jun-Young ; 이준영
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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Development of new materials is key issue in electrochemical energy devices, both of which are vital to meet the challenge of global warming and the limited nature of fossil fuels. As you know, the performance of electrochemical energy devices depends intimately on the properties of their materials. Common features are that the energy-providing processes take place at the phase boundary of the electrode/electrolyte interface and that electron and ion transport are separated. Note that batteries and photoelectrochemical cells, especially, dye-sensitized solar cells all consist of two electrodes in contact with an electrolyte. We focus on the electrolyte systems in lithium rechargeable batteries and dye-sensitized solar cells. In Chapter II, it is devoted to modify the surface of PE separator with functional materials by electron beam irradiation technique, and then prepared electrolyte containing modified separator. Anion receptor is known to be a new promising material, because it can enhance cationic conductivity and electrochemical stability of electrolyte. And also siloxane is famous for enhancing the safety of battery. If the advanced electrolyte with higher electrochemical stability is developed, the energy density of the battery system can be enhanced far superior to state-of-art battery system. In Chapter III, poly(ethylene glycol) borate acrylate (PEGBA) was synthesized as a new crosslinking agent for solid polymer electrolyte (SPE) based on non-woven matrix. It has not only three crosslinkable acrylate groups for higher crosslinking density, but also Lewis acid center acting as an anion receptor. The ionic conductivity of SPE containing 15 wt% PEGBA reached $5.5\times10^{-4}$ S/cm, because the content of non-volatile plasticizer, poly(ethylene glycol) dimethyl ether (PEGDME), could be increased to 85 wt% without leakage. In addition, its transference number and electrochemical stability were also enhanced to 0.37 and 5.2V, respectively, due to the presence of Lewis acid center in PEGBA. And also Solid polymer electrolytes (SPE) based on polyoctahedral silsesquixanes (POSS) as a crosslinking agent were prepared by radical polymerization. The ionic conductivity is greatly enhanced by introduction of crosslinkable POSS with multifunctional groups. The SPE prepared with 5 wt% crosslinking agent shows an ionic conductivity of $5.3\times 10^{-4} S cm^{-1}$ at room temperature. The content of non-volatile plasticizer, poly(ethylene glycol) dimethyl ether (PEGDME), in the SPE, could be raised to 95 wt% without any leakage. The SPE is found to be electrochemically stable up to 5.3 V. And the interfacial resistance between Li electrode and SPE shows low level. Lithium polymer cell consisting of Li/SPE/$LiCoO_2$ exhibits 80% of initial discharge capacity even at the rate of 0.1C at room temperature after 20 cycles, which is a substantial improvement for practical consideration of lithium polymer batteries at room temperature. In Chapter IV, dye-sensitized solar cells have been prepared using nano-porous $TiO_2$ electrode and poly(ethyleneoxide)/poly(dimethyl siloxane) blend solid polymer electrolyte with 1.35% efficiency at $10mWcm^{-2}$. The polymer blend is characterized by IR, DSC and Impedance Spectroscopy and found to show maximum conductivity close to $10^{-3} Scm^{-1}$ at 303 K. The conductivity of the electrolyte is shown to depend on the number of charge carriers. In Chapter V, solid polymer electrolytes (SPE) have been prepared using PEO:PEG blend complexed with salts with different cations. The polymer electrolyte films were characterized and the properties were found to vary according to the size of the cations. The conductivity of the polymer electrolytes has been found to increase with the size of the cation. The reason for this increase is shown to be the enhancement in the amorphicity of the matrix. The dye-sensitized solar cell properties have also been compared according to the size of the cation in the SPE. A surface adsorption model has been proposed for the change in the solar cell parameters. In Chapter VI, self degradation of dye-sensitized solar cells (DSSC) has been observed due to the shrinkage of the polymer electrolytes at room temperature with relatively high humid atmosphere. The cell efficiency has also shown to depend on the shrinkage of the polymer. The actual interface area between the polymer electrolyte and the dye soaked nanoporous $TiO_2$ electrode has been observed to get reduced for alkali salt complexed poly(ethylene oxide) (PEO) polymer electrolyte. This problem can relatively be reduced by two step casting and by incorporating ionic liquids in the polymer electrolyte. The possible reason has been sought as the reduced crystallinity and growth of spherulites in the polymer matrix. In Chapter VII, we prepared nitroxide radicals with several functional groups and carried out electrochemical and spectroscopic measurements. From these characterization steps, we observed that nitroxide mediators improve $V_{OC}$ significantly compared to the existing iodine counterpart and this property can be tuned even further by changing the functional group within the nitroxide. After testing different combinations of sensitizer and redox mediator, we figure out feasible combinations that allow to improve the cell performance.

지구 온난화 및 화석연료의 고갈 가능성에 직면하게 되면서 이를 해결하기 위한 방안으로 클린에너지에 관한 관심이 높아지고 있다. 특히, 리튬이차전지 및 태양전지와 같은 전기화학적 에너지 소자에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는 상황이다. 이와 같은 에너지 소자는 일반적으로 두 전극과 이들의 사이에서 이온의 이동을 원활하게 해주는 전해질로 구성이 되어 있다. 에너지 소자의 성능은 기본적으로 그를 구성하고 있는 재료에 기인한다. 따라서 에너지 소자의 성능 향상을 위한 재료의 개발은 필수적이다. 본 논문은 에너지 소자, 특히, 리튬이차전지 및 염료감응 태양전지용 전해질을 통한 성능 향상에 관한 연구에 관한 것이다. 제 2 장에서는 흔히 많이 사용되고 있는 소수성의 폴리에틸렌 분리막을 이온빔 조사 기술을 이용, 그라프트를 시킴으로써 표면 개질을 통해 향상된 기능성 분리막을 개발, 이를 포함하는 고분자 전해질을 제조하였다. 그라프팅 물질로 사용된 음이온 고정화제는 양이온전도도를 향상시키고 전기화학적 안정성을 향상을 도모 한다. 또다른 그라프팅 물질인 실록산의 경우, 안전성 향상에 도움을 준다. 이를 통해 제조된 분리막은 높은 전기화학적 안정성 및 이온전도 특성으로 고용량, 고안전성을 요구하는 전지시스템에 부합할 것으로 판단된다. 제 3 장에서는 부직포 지지체를 기반으로 하는 고체고분자 전해질의 새로운 가교제에 관한 내용이다. 분리막 개질시에 사용했던 음이온 고정화제인 폴리에틸렌 글라이콜 보레이트 아크릴레이트를 본 시스템에 응용하였다. 이 가교제의 경우 높은 가교특성뿐 아니라 동시에 음이온 고정화 역할을 담당하게 된다. 또다른 가교제인 POSS의 경우, 8개의 비닐 그룹을 가지고 있어 매우 높은 가교 밀도를 보인다. 즉, 그만큼 가소제를 많이 함유할 수 있어 높은 이온전도 특성을 보여준다. 이를 바탕으로 실제로 흔히 많이 구동하게 되는 전지의 온도 범위인 실온에서 단위전지평가를 실시하였다. 0.1C 구동조건에서 20회 충방전까지 초기 방전 용량의 80%이상 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 궁극적인 이차전지의 개발 방향인 전고체화 이차전지의 가능성을 보여주였다. 제 4 장에서는 폴리에틸렌과 폴리실록산의 블렌드 고체 고분자 전해질의 열적, 분광학적, 전기화학적 특성을 조사한 후, 이 전해질의 염료감응 태양전지용 전해질로서의 가능성을 확인하였다. 본 전해질의 경우 303K에서 $10^{-3} Scm^{-1}$ 에 가까운 매우 높은 전도도를 보였으며 이를 태양전지에 응용했을 때에 기존의 PEO만을 사용한 경우와 비교시, 상대적으로 높은 효율을 보였다. 제 5 장에서는 폴리에틸렌옥사이드와 폴리에틸렌글라콜을 기초로한 고체고분자전해질에 서로 다른 염을 사용했을 때에 양이온에 따른 변화 및 이의 태양전지 성능 변화를 관찰하였다. 양이온의 사이즈에 따라 이온전도도는 매트릭스 내의 비결정성 영역을 확장시킴에 따라 증가됨을 보였고, 태양전지 셀 또한 성능에 대한 경향성을 확인하여 양이온의 표면 흡착에 따른 셀의 성능 변화에 대한 모델을 제시하였다. 제 6 장에서는 염료감응태양전지에 고체고분자 전해질 시스템 적용시, 셀의 열화 원인 및 이를 해결하기 위한 방안으로 이온성 액체 첨가에 따른 효과에 대해 조사하였다. 이온성 액체를 첨가함에 따라 고체고분자전해질 내의 결정성 및 구정의 감소로 인해 열화를 방지할 수 있음을 확인하였다. 제 7 장에서는 염료감응태양전지 전해질의 요오드를 대체할 산화환원종에 관한 내용이다. 그 대안으로 nitroxide 라디칼의 상용화된 염료인 루테늄계 N719와의 상용성을 확인하였으나 염료의 분해로 인해 셀이 제대로 작동하지 않아 이를 해결하기 위해 thiophene계 유기 염료를 사용하여 실제 셀에 적용하였다. 이 때 효과적으로 셀은 구동하였으며, 치환기에 따라 개방전압이 증가하며 효율 또한 증가하였다. 따라서 nitroxide 라디칼이 염료와의 상용성이 확보된다면 요오드 산화환원종을 대체 가능함을 확인하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 11014
형태사항 xiv, 166 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이준영
지도교수의 영문표기 : Jung-Ki Park
지도교수의 한글표기 : 박정기
수록잡지명 : "New crossliking agent as a Lewis acid for solid polymer electrolytes". Journal of Power Sources, 174, pp.603-606(2007)
수록잡지명 : "Poly(ethylene oxide)/Poly(dimethylsiloxane) blend solid polymer electrolyte and its dye-sensitized solar cell applications". Journal of Physical Chemistry C, 112, pp.12576-12582(2008)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 Includes reference.
주제 Electrolyte
Polymer
Lithium rechargeable battery
Dye-sensitized solar cell
Electrochemistry
전해질
고분자
리튬이차전지
염료감응태양전지
전기화학
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