낮은 과전압 특성을 갖는 리튬-산소 전지용 양극 촉매 설계: 제일원리계산

Abstract

국문요지

리튬-산소 (Li-O2)전지의 양극 촉매에 관한 연구는 산소 환원 반응 (ORR)과 산소 발생 반응 (OER)동안의 부진한 반응속도를 극복하고 전지를 상용화시키기 위한 가장 중요한 분야 중 하나이다. 본 학위논문에서는 제일원리계산을 사용하여 Pt-Cu 합금을 기반으로 한 고성능의 리튬-산소 전지용 촉매가 연구됐다. 이론적인 예측을 통해 Pt-Cu 합금이 전기화학적인 성능 측면에서 순수한 Pt보다 훨씬 효과적임을 보였으며, 특히 촉매 특성의 효과는 기존의 리튬-산소 전지의 OER/ORR 동안 관측되던 큰 과전압을 효과적으로 감소시킨 PtCu (111) 표면에서 극대화됐다. 또한 본 연구는 처음으로 충전 과전압이 합금 촉매의 고유한 표면 전하 특성에 주요하게 영향을 받는다는 사실을 확인했다. 더 강한 음전하로 대전됐던 PtCu (111) 표면이 리튬-산소 중간생성물의 흡착 시 더 약한 양전하로 대전된 표면으로써 역할을 했으며, 이에 따라 표면 위에서 중간생성물들이 더 약한 이온 결합으로 흡착되는 현상이 관측됐다. 그 결과 본 연구는 촉매 성능을 향상시키는 지배적인 요인을 분명하게 설명했으며, 리튬-산소 전지 기술의 발전을 위한 효과적인 촉매 설계에 대한 깊은 고찰을 제공했다. 또한 본 학위논문에서는 제일원리계산을 사용하여 리튬-산소 전지의 효과적인 양극 촉매로써 h-BN과 Ni (111)의 이종구조를 채택했다. Pt (111)보다도 산소가 강하게 흡착하며, ORR 중간생성물의 형성 시 산소의 분해가 관측됐음에도 불구하고, h-BN/Ni (111)은 열역학적으로 2전자 경로를 선호한다는 사실이 밝혀졌다. 이런 점에서 h-BN/Ni (111)의 결과는 산소를 강하게 흡착시키거나, 흡착 시 산소를 분해시키는 표면이 리튬-산소 전지의 반응을 4전자 경로로 유도한다는 선행 연구들의 결과와 일치하지 않는다. 이러한 거동의 원인은 ORR 중간생성물들의 흡착이 주로 h-BN의 B 원자와 중간생성물의 O 원자간의 강력한 이온 결합으로 이루어졌기 때문이며, 반면 Li 원자는 결합에 거의 참여하지 않는다. h-BN/Ni (111)의 전기화학적 성능 역시 1.93 V의 최대 방전전압, 3.83 V의 최소 충전전압으로 뛰어나며, 이는 귀금속 기반 촉매와도 견줄 만하다.