Synthesis of Vanadate Nanofiber through Conducting Polymer Intercalation as Cathode Materials for Rechargeable Aqueous Zinc Ion Batteries

Abstract

The aqueous zinc ion batteries (ZIBs) using aqueous electrolytes is a promising energy storage device not only because of the higher ionic conductivity of the aqueous electrolyte compared to the organic electrolyte of lithium ion batteries (LIBs), but also because of the intrinsic safety, eco-friendliness and low cost of zinc metal. Vanadium oxide-based materials are attractive cathode materials for aqueous ZIBs because of their high charge storage capacity by the layered structure and multiple valence states. However, they are having difficulty in achieving high charge/discharge cycle stability and high rate capability due to the low electrical conductivity and trapping of diffused electrolyte cations within crystal structure, which delays the commercialization of aqueous ZIBs. In this study, we propose a facile sonochemical method to control the interlayer of the crystal structure of vanadate nanofiber using poly(3,4-ethylene dioxythiophene) (PEDOT) to overcome these shortcomings of vanadium oxide-based materials. In addition, the electrochemical correlation between the interplanar spacing of the expanded vanadate layers by the insertion of the conducting polymer and the electrolyte ion (Zn2+) behavior was investigated. As a result, the intercalation of conducting polymer increased the electron pathway and expanded the interplanar spacing of the vanadate layers, which is effective in increasing the active site inside the vanadate and accelerating the zinc ion intercalation/de-intercalation process. This study can be a steppingstone to take a step closer to the next generation of ZIBs that will replace LIBs.; 수계 전해질을 사용하는 수계 아연 이온 배터리는 유기 전해질에 비해 높은 수계 전해질의 이온 전도도 뿐만 아니라, 본질적으로 안전하고, 환경 친화적이며, 저렴한 아연 금속으로 인해 리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 배터리로 주목받고 있다. 바나듐 산화물 기반의 물질은 바나듐의 다양한 산화 상태와 층상 구조로 인해 높은 전하 저장 용량을 가져 이러한 수계 아연 이온 배터리의 양극 소재로서 주목받고 있다. 하지만, 바나듐 산화물의 경우 낮은 전기전도도와 충/방전 시 격자 내부에 전해질 양이온이 갇히는 현상으로 인해 높은 출력과 충/방전 안정성을 얻는 데 어려움이 있으며, 이는 수계 아연 이온 배터리의 상용화를 늦추는 요인으로 지목되고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 바나듐 기반 물질의 단점을 보완하기 위해서 간단한 초음파 화학요법을 통해 전도성 고분자인 poly(3,4-ethylene dioxythiophene)(PEDOT)을 바나듐산염 나노섬유의 격자 내부에 삽입해 격자 구조를 제어하는 연구를 진행하였다. 또한, 다양한 전기화학적 분석법을 통해 삽입된 전도성 고분자로 인해 증가된 격자 거리와 전해질 양이온(Zn2+) 거동의 전기화학적 상관관계를 조사하였다. 결과적으로, 삽입된 전도성 고분자에 의해 바나듐산염의 격자 간격이 증가하였고 양극재의 전기전도도가 향상되었다. 이는 아연 이온의 탈/삽입을 촉진하고 전기화학적 활성 부위를 증가시킬 뿐만 아니라, 격자 구조의 안정성을 높여 안정적이면서 고출력, 고용량을 가지는 수계 아연 이온 배터리의 양극재로써 활용이 가능했다. 따라서 본 연구는 리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 수계 아연 이온 배터리 상용화에 한 발 더 다가가기 위한 초석이 될 수 있다.