With increasing needs for large-scale energy storage technologies, rechargeable lithium-air (Li-O2) battery has been recognized as one of the most promising candidates over the past decade. The Li-air batteries have the highest theoretical energy density $(3,505 Wh kg^{-1})$ among any known energy storage systems, but the critical challenges including high charging overpotential, low power density, and low round-trip efficiency resulting in poor cycle life still remain unsolved. Especially, the development of efficient air cathode has a great significance for improving overall cell performance because the key reactions, i.e., oxygen reduction and evolution reaction (ORR/OER), occur at the cathode surface during battery operation. In this thesis, we introduce various 1D nanomaterials as catalysts in air cathode, and assess the cell performance. Furthermore, we suggest a new air cathode configuration, in which 1D carbon nanofibers (CNFs) network as a current collector is integrated with catalysts, and assess its electrochemical performance in $Li-O-2$ battery and feasibility in real Li-air battery.
대용량 에너지 저장에 대한 수요가 증가함에 따라, 리튬-공기(산소)전지는 지난 10여 년간 가장 유망한 에너지저장 시스템중 하나로 인식되고 있다. 리튬-공기전지는 알려진 에너지 저장 장치중 가장 높은 이론에너지밀도 $(3,505 Wh kg^{-1})$ 를 가지고 있으나, 높은 충전과전압, 낮은 출력밀도, 그리고 낮은 충방전 효율로 인한 짧은 수명특성이 주요한 문제점으로 남아있다. 특히, 효율적인 공기극의 개발이 매우 중요한 전지의 성능을 향상시키는 매우 중요한 요소이며, 그 이유는 전지의 핵심 반응인 산소환원 (ORR) 및 발생반응 (OER)이 바로 이 공기극 표면에서 일어나기 때문이다. 본 학위논문에서는 공기극 성능을 향상시키기 위한 방안으로서, 1차원 나노구조의 촉매들을 개발하여 공기극에 도입하고, 그 특성을 평가하여 효과를 보고자 한다. 나아가, 공기극의 또다른 구성요소인 전류집전체로서 1차원 탄소나노섬유를 도입, 촉매의 일체화를 통한 새로운 구조의 공기극을 제안하고, 리튬공기전지의 전기화학적 특성 및 실제 리튬공기전지 내에서의 구동 가능성을 다루고자 한다.
