소개글
"고체전지합성-나노패브리케이션"에 대한 내용입니다.
목차
1. 리튬-에어 배터리의 전해질 및 전극 개발
1.1. 리튬-에어 배터리의 작동 원리
1.2. 리튬 금속 음극의 안정성과 수명 향상
1.3. 효율적인 산소 환원/발생 반응 촉매 개발
1.4. 고체 전해질 및 복합 전해질 시스템
2. 금 나노 입자 합성 및 특성 분석
2.1. 금 나노 입자의 광학적 특성
2.2. 금 나노 입자의 크기 및 모양 제어
2.3. 금 나노 입자의 표면 화학 개질
3. Block Copolymer를 이용한 나노구조 제작
3.1. Block Copolymer의 자기조립 현상
3.2. Block Copolymer를 이용한 나노패터닝
3.3. Block Copolymer와 금 나노 입자의 하이브리드 구조
4. 금 나노 입자와 Block Copolymer의 복합화 및 응용
4.1. 금 나노 입자와 Block Copolymer의 상호작용
4.2. Block Copolymer 기반 나노센서 및 촉매 응용
4.3. 리튬-에어 배터리에의 적용
5. 참고 문헌
본문내용
1. 리튬-에어 배터리의 전해질 및 전극 개발
1.1. 리튬-에어 배터리의 작동 원리
리튬-에어 배터리의 작동 원리는 다음과 같다. 리튬-에어 배터리는 음극으로 리튬 금속을, 양극으로 공기 중의 산소를 사용하는 전기화학 전지이다. 방전 과정에서 양극에서는 산소 환원 반응(ORR)이 일어나 리튬 산화물인 Li2O2가 생성되고, 음극에서는 리튬이 산화되어 리튬 이온이 생성된다. 이때 리튬 이온은 전해질을 통해 양극으로 이동한다. 충전 과정에서는 반대로 양극에서 Li2O2가 산화되어 산소가 발생하고, 음극에서 리튬 이온이 환원되어 리튬 금속이 석출된다. 이러한 충방전 과정을 통해 화학 에너지가 전기 에너지로 변환된다. 리튬-에어 배터리는 기존 리튬 이온 배터리에 비해 이론적으로 10배 이상 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 주목받고 있다. 하지만 충전 과정에서 발생하는 높은 과전압, 리튬 금속 음극의 불안정성, 전해질과 공기 중 수분 및 이산화탄소와의 부반응 등의 문제점이 해결되어야 한다.
1.2. 리튬 금속 음극의 안정성과 수명 향상
리튬 금속 음극의 안정성과 수명 향상은 리튬-에어 배터리의 성능과 실용화를 위해 매우 중요한 문제이다. 리튬 금속 음극은 높은 이론적 에너지 밀도를 갖고 있지만, 충방전 과정에서 발생하는 문제점으로 인해 실용화에 어려움이 있다.
우선 리튬 금속 음극의 낮은 수명은 주로 전해질과의 반응에 의한 부반응과 수지상 리튬의 생성에 기인한다. 충전 시 리튬이 불균일하게 석출되면서 수지상 리튬이 형성되고, 이는 배터리 내부 단락을 유발할 수 있다. 또한 리튬 금속과 전해질의 반응으로 이루어진 solid electrolyte interphase (SEI) 층이 계속 성장하면서 용량 저하가 발생한다.i 이를 해결하기 위해 리튬 금속 표면을 보호하고, 균일한 리튬 석출을 유도하는 다양한 접근이 시도되고 있다.
예를 들어, 리튬 금속 표면에 안정한 고체전해질 층을 형성하거나, 리튬과 전해질의 반응을 억제하는 코팅층을 도입하는 등의 방법이 연구되고 있다. 고체전해질 층은 리튬 표면을 보호하고 균일한 리튬 석출을 유도하여 수지상 생성을 억제할 수 있다. 또한 유기-무기 복합 전해질 시스템을 적용하면, 액체 전해질의 우수한 이온전도도와 고체전해질의 기계적 안정성을 동시에 달성할 수 있다.
뿐만 아니라, 다공성 구리 기반의 3차원 구조를 음극으로 활용하거나, 리튬 금속 표면에 리튬 이온 선택적 층을 형성하는 등 다양한 전략이 연구되고 있다. 이를 통해 리튬 금속 음극의 안정성과 수명을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
종합하면, 리튬 금속 음극의 안정성과 수명 향상은 리튬-에어 배터리의 실용화를 위해 매우 중요한 과제이며, 다양한 접근법들이 연구되고 있다. 이러한 노력을 통해 리튬 금속 음극의 문제점을 해결하고 궁극적으로 리튬-에어 배터리의 성능을 높일 수 있을 것이다.
1.3. 효율적인 산소 환원/발생 반응 촉매 개발
효율적인 산소 환원/발생 반응 촉매 개발은 리튬-에어 배터리의 핵심적인 과제 중 하나이다. 리튬-에어 배터리의 충전 과정에서는 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction, OER)이 일어나며, 방전 과정에서는 산소 환원 반응(Oxygen Reduction Reaction, ORR)이 일어난다. 이 두 가지 반응의 효율성은 리튬-에어 배터리의 성능에 직접적인 영향을 미치기 때문에 이를 개선하기 위한 노력이 필요하다.
기존의 백금(Pt) 촉매는 높은 ORR 활성을 보이지만 OER 활성이 낮아 충전 과정에서 높은 과전압이 발생하는 문제가 있었다. 따라서 ORR과 OER 활성이 모두 우수한 새로운 촉매 물질의 개발이 요구되었다. 최근 들어 전이금속 산화물, 질화물, 황화물 등과 같은 비귀금속 촉매들이 주목받고 있다. 이들 물질은 값싸고 풍부한 자원을 사용하면서도 Pt 촉매에 필적하는 ORR 및 OER 활성을 보이는 것으로 확인되었다.
예를 들어, 코발트 산화물(Co3O4)은 우수한 양극 촉매 활성을 나타내며, 니켈 황화물(NiS2)은 탁월한 음극 촉매 활성을 보인다. 또한 코발트 철 산화물(CoFe2O4)과 같은 혼합 금속 산화물도 뛰어난 양극 및 음극 촉매 특성을 가지고 있다. 이러한 촉매 물질들은 3d 전이금속 원소들의 산화환원 반응 특성을 활용하여 ORR과 OER의 활성을 동시에 향상시킬 수 있다.
촉매 활성 향상을 위해서는 물질의 조성, 구조, 표면 특성 등을 조절하는 것이 중요하다. 예를 들어, 나노 구조체 형태로 제작하면 비표면적 증가와 더불어 활성 부위가 증가하여 촉매 성능이 향상된다. 또한 탄소 물질과의 복합화를 통해 전자 전달 효율을 높일 수 있다. 이와 함께 다공성 구조 도입, 원자 단분산 촉매 설계 등 다양한 전략들이 연구되고 있다.
이 외에도 귀금속 기반 촉매의 단점을 보완하기 위해 저가의 전이금속을 활용한 복합 촉매 개발도 진행 중이다. 예를 들어 코발트-철 합금, 코발트-니켈 복합체 등이 높은 ORR 및 OER 활성을 나타내는 것으로 보고되고 있다. 이처럼 다양한 촉매 물질 개발을 통해 리튬-에어 배터리의 충방전 과정 효율성을 지속적으로 향상시키고자 하는 노력이 이루어지고 있다.
1.4. 고체 전해질 및 복합 전해질 시스템
고체 전해질 및 복합 전해질 시스템은 리튬-에어 배터리의 안정성과 효율성을 높이는 데 있어 매우 중요한 역할을 한다. 현재 주목받고 ...
참고 자료
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