As the demand and need for renewable energy sources have been amplified, the grid-scale energy storage system (ESS) market has been showing explosive growth prospects. However, with the recent successive fire accidents of grid-scale ESS in South Korea, there is a growing interest in developing safe and reliable batteries. The hazards of fire accidents for the conventional ESS are originated from the flammability of organic electrolytes in the typical lithium-based batteries. Therefore, aqueous batteries using nonflammable aqueous electrolytes are considered a promising candidate for grid-scale ESS due to their freedom from fire hazards.
For further commercialization of aqueous batteries, however, system cost reduction is still needed to overcome the present lithium-based battery systems by increasing the battery performance and substituting high-priced battery component materials to cheaper ones. In this work, we suggests several interface modification strategies to improve the performance and reversibility of aqueous batteries. The battery is basically comprises various components (i.e. anode, electrolyte, membrane or separator, and cathode), and thus the battery is considered to be an assembly of interfaces. Therefore, we tried to engineer the characteristics of various interfaces in the aqueous battery to propose a blueprint for the advanced battery system.
Specifically, this work deals with vanadium redox flow battery (VRFB) and zinc metal battery (ZMB) systems with the aqueous electrolytes. Chapter 2 includes the three-dimensional interlocking interfacial layer between two different polymer membranes to achieve the adhesion without losing proton conductivity. By combining highly cheap and efficient hydrocarbon-based polymer membrane with chemically stable perfluorinated polymer, the composite membrane shows enhanced durable and cost-effective in VRFBs. Chapter 3 deals with highly ion-selective interfacial layer to increase the performance and reversibility of VRFBs. The key idea was to control the effective pore size of interfacial layer to selectively separate the hydrated diameter of vanadium ions (> 6.0 Å) and that of protons (< 2.5 Å), and thus a pore-size-tuned graphene oxide framework (GOF) membranes is introduced showing a proper pore size for the VRFB application. Due to the high ion-selectivity of GOF, the GOF introduced membrane shows improved efficiencies and reversibility for VRFBs. Chapter 4 introduces an electrokinetic effect-inducing polymeric structure to improve the reversibility of zinc metal anodes in ZMBs. We design a negatively charge porous layer (NPL) to accelerate electrokinetic zinc-ion transport, and demonstrate the surface conduction inducing properties of the NPL by multi-physics simulation. By overcoming the diffusion limitation of zinc-ion, zinc metal electrodes exhibit homogeneous deposition morphologies, and significantly improved reversibility even for the ultra-high current density. Based on the great reversibility of NPL introduced zinc metal anode, the high capacity-ZMB full cell shows considerably improved cycling life.
재생 가능 에너지 원에 대한 수요와 수요가 증폭됨에 따라 그리드 규모의 에너지 저장 시스템 (ESS) 시장은 폭발적인 성장 전망을 보여주고 있다. 그러나 최근 국내 그리드 급 ESS 화재 사고가 잇따르면서 안전하고 믿을 수있는 이차전지 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 기존 ESS의 화재 사고 위험은 일반적인 리튬 기반 이차전지 내 유기 전해질의 가연성에서 비롯된다. 따라서 불연성 수계 전해질을 사용하는 수계 이차전지는 화재 위험이 없기 때문에 그리드 스케일 ESS의 유망한 후보로서 여겨진다.
그러나 수계 이차전지의 추가 상용화를 위해서는 이차전지의 성능을 높이고 고가의 이차전지 부품 재료를 저렴한 소재로 대체하여 현재의 리튬 기반 이차전지 시스템을 극복하기위한 시스템 비용 절감이 여전히 필요하다. 이를 위해 우리는 수계 이차전지의 성능과 가역성을 향상시키기 위해 몇 가지 계면 제어 전략을 제안한다. 이차전지는 기본적으로 다양한 구성 요소 (예 : 양극, 전해질, 교환막 또는 분리막, 음극)로 구성되어 있으므로 이차전지는 계면들의 집합체로 간주된다. 따라서 우리는 차세대 고도화된 이차전지 시스템을 제안하기 위해 수계 이차전지에서 다양한 계면들의 특성을 설계하였다.
특히, 본 논문에서는 수계 전해질을 사용하는 바나듐 레독스 흐름 이차전지 (VRFB) 및 아연 금속 이차전지 (ZMB) 시스템에 대해 다룬다. 2장은 수소이온 전도도를 잃지 않은 채로 높은 계면 결착력을 달성하기 위해 두 개의 서로 다른 고분자 막 사이의 3차원 연동 계면 층을 포함한다. 매우 저렴하고 효율적인 탄화수소 기반 고분자 분리막과 화학적으로 안정적인 과불소계 고분자 분리막을 결합함으로써 복합 멤브레인은 VRFB에서 향상된 내구성과 비용 효율성을 보인다. 3장에서는 VRFB의 성능과 가역성을 높이기 위해 높은 이온 선택성을 가지는 계면층을 다룬다. 핵심 아이디어는 바나듐 이온 (> 6.0 Å)과 수소이온 (<2.5 Å)을 선택적으로 분리하기 위해 계면층의 유효 기공 크기를 제어하여 기공 크기가 조정 된 산화 그래핀 프레임 워크 (GOF)의 VRFB 적용을 위한 적절한 기공 크기로 설계된 멤브레인이 도입되었습니다. GOF의 높은 이온 선택성으로 인해 GOF 도입 된 멤브레인은 VRFB에 대해 향상된 효율성과 가역성을 보인다. 4장에서는 ZMB에서 아연 금속 음극의 가역성을 개선하기 위해 전기 운동 효과를 유도하는 고분자 구조체를 소개한다. 음전하 다공성 층 (NPL)을 설계하여 전기 운동 아연 이온 수송을 가속화하고 다중 물리 시뮬레이션을 통해 NPL의 표면 전도 유도 특성을 시뮬레이션한다. 아연 이온의 확산 한계를 극복함으로써 아연 금속 전극은 균일 한 증착 형태를 나타내며 초고 전류 밀도에서도 가역성이 크게 향상된다. NPL 도입 된 아연 금속 음극의 뛰어난 가역성을 기반으로 고용량 ZMB 풀 셀은 매우 향상된 사이클링 수명을 나타낸다.
