Nowadays, the necessity of eco-friendly cars such as electrical and fuel cell vehicles have been increasing due to the depletion of fossil fuels and global warming. Thus, there is a growing need for the effectively storing the electricity from renewable energy sources and supplying the power for electrical vehicles (EVs). Especially, lithium ion batteries (LIBs) applied to large-scale EVs and energy storage systems (ESSs) have been extensively studied. Despite advantages related to their superior electrochemical properties, LIBs still carry inherent limitations, including high material cost, potential global shortages of raw materials, and safety concerns.
The limitations of LIBs have stimulated research into promising alternative ESSs based on sodium $(Na^+)$ and magnesium $(Mg^{2+})$ ions. However, the development for high performance rechargeable battery replacing LIBs is very challenging tasks due to the poor performance of cathode attributed to using larger size of Na+ ions in sodium ion batteries (SIBs) and divalent $Mg^{2+}$ ions in magnesium batteries (MBs). In dissertation, a new approach by introducing the crystal water in the cathode and adding water in the electrolyte is suggested to increase the performance of rechargeable SIBs and MBs.
In chapter 2, to enhance the performance of SIBs, Na-Birnessite as a hydrated cathode with crystal water in the lattice was synthesized at room temperature, and thus it showed high capacity, high rate, and long cycle life. Furthermore, the potential of the hydrated cathode was suggested by elucidating the role of crystal water for the performance of SIBs.
In chapter 3, to increase the performance of MBs, Mg-Birnessite (Mg-B) as a hydrated cathode with crystal water and nanosheets morphology was synthesized by aqueous phase transition. The developed Mg-B showed low rate capability and short cycle life because the interfacial resistance at the electrolyte-cathode is very large in MBs systems based on organic electrolytes. To control the solvation of $Mg^{2+}$ in the electrolyte, the small amount of water added in the electrolyte, and thus the rate capability and the cycle life of Mg-B were effectively increased due to lowering the interfacial resistance. Additionally, when Mg-B was applied to fully aqueous systems, the rate capability and the cycle life of Mg-B were extremely increased.
In chapter 4, Mg-B introduced in chapter 3 was synthesized by aqueous phase transition from spinel to layered. This phase transition is anomalous inverse direction of a well-known phenomenon that is the main origin of the capacity fading of layered manganese oxides from layered to spinel in rechargeable batteries. To suggest a new concept for inhibiting the capacity fading of layered manganese oxides, the understanding of reaction mechanism about phase transition should be needed. Through a high resolution ABF-STEM analysis, the insertion of the water during phase transition was directly captured, and thus the critical role of water for phase transition was established.
화석 연료의 고갈과 지구 온난화 현상 등으로 신재생에너지원과 전기차와 수소연료전지차와 같은 친환경 자동차의 필요성이 증대되고 있다. 이에 따라 신재생에너지원으로부터 생산된 전기를 효율적으로 저장하고, 전기 자동차의 전원으로 공급하기 위한 전력저장장치의 필요성이 증대되고 있으며, 특히 전력저장장치로써 리튬 이차전지를 적용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 리튬 이차전지를 전력저장장치 및 전기차와 같은 중대형 이차전지로 적용하기에는 리튬의 높은 가격, 자원 편재성, 폭발의 위험 등의 한계를 지니고 있다.
최근에는 리튬 이차전지의 한계를 극복하고자 나트륨 및 마그네슘 이차전지를 개발하려는 연구가 진행되고 있다. 하지만, 리튬 이차전지와 달리 이온 반경이 큰 나트륨 이온을 사용하는 나트륨 이차전지나 2가 양이온인 마그네슘 이온을 사용하는 마그네슘 이차전지의 경우 양극재의 성능이 리튬 이차전지용 양극재의 성능에 비해 크게 저하되어 고성능 이차전지 개발에 어려움을 겪고 있는 실정이다. 본 논문에서는 나트륨 및 마그네슘 이차전지용 양극재의 성능 향상을 위해 양극재 내에 존재하는 물(결정수)과 전해질 내에 첨가된 물을 이용하여 이차전지의 성능 향상에 관한 새로운 접근법을 제시하였다.
제 2 장에서는 나트륨 이차전지의 성능 향상을 위해 층상 구조내에 결정수를 포함하고 있는 수화물 양극재인 소듐 버네사이트 (Na-Birnessite)를 상온에서 합성하여 고용량, 고출력, 장수명 특성을 구현하였다. 나아가서, 층상 구조 산화물 내에 존재하는 결정수가 나트륨 이차전지의 셀 성능에 미치는 역할을 규명하여 나트륨 이차전지용 고성능 양극재를 개발함으로써 수화물 양극재의 가능성을 제시하였다.
제 3 장에서는 마그네슘 이차전지의 성능 향상을 위해 새로운 합성법인 수계 상변화법을 통해 결정수를 포함하면서 나노 종이형태를 갖는 수화물 양극재인 마그네슘 버네사이트 (Mg-Birnessite)를 개발하였다. 마그네슘 이차전지의 경우 전해질과 전극의 계면에서 높은 저항이 작용하기 때문에 수화물 양극재임에도 불구하고 마그네슘 버네사이트의 수명 및 출력 특성이 크게 저하되는 것을 확인하였다. 이를 극복하고자, 전해질 내에 소량의 물을 첨가하여 전해질 내에서 마그네슘 이온의 배위환경을 조절함으로써 전해질-전극 계면의 저항을 크게 낮추어 출력 및 수명특성을 향상 시킬 수 있었다. 나아가서, 마그네슘 버네사이트를 마그네슘 수계용 양극재로 적용하여 수명과 출력 특성을 극대화하는 결과를 얻을 수 있었다.
제 4 장에서는 수화물 양극재인 마그네슘 버네사이트가 수계 상변화 과정을 통해서 스피넬계 망간 산화물이 층상구조 망간 산화물로 변하는 반응을 통해 합성되었는데, 이러한 반응은 일반적인 층상구조 산화물 양극재의 열화 원인 중 하나인 층상구조가 스피넬 구조로 변하는 반응의 역과정이기 때문에 반응 메커니즘의 이해를 통해 층상구조 망간 산화물의 열화를 막는 새로운 방법을 제시하고자 하였다. 따라서, 수계 상변화 과정을 규명하기 위해 고분해능 STEM을 이용하여 원자 수준에서 상변화 과정을 분석한 결과, 상변화시에 결정수가 삽입되는 것을 직접적으로 관찰함으로써 결정수가 스피넬 구조에서 층상구조로의 상변화에 결정적인 역할을 하는 것을 규명할 수 있었다.
