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Designing for high-capacity energy storage materials via intense pulsed light technology

Title
Designing for high-capacity energy storage materials via intense pulsed light technology
Other Titles
극단파 백색광 기술을 통한 고용량 에너지 저장 물질 설계
Author
박창용
Alternative Author(s)
박창용
Advisor(s)
안희준
Issue Date
2022. 2
Publisher
한양대학교
Degree
Doctor
Abstract
세계적인 환경규제와 그린에너지 정책에 따라 친환경적이고 고갈되지 않는 재생가능한 에너지에 대한 수요가 급증하고 있다. 이에 풍력 발전이나 태양광 발전을 통해 공급되는 에너지를 저장하기 위한 에너지 저장 장치(energy storage system), 전기자동차(electric vehicle) 그리고 노면전차(tram) 등의 수요가 급증하고 있다. 따라서 이들에 사용되는 고에너지 밀도와 고수명 안정성을 갖는 에너지 저장 시스템의 개발은 우리가 앞으로 발전시켜야 할 방향이다. 불행히도 고에너지 특성을 갖는 에너지 저장 물질은 충/방전 시 큰 부피 변화와 상 변화를 동반한다. 또한, 널리 사용되고 있는 종래의 탄소 소재보다 전기 전도도가 현저히 낮다. 따라서 물질의 부피 변화를 수용할 수 있고 전극의 낮은 전도도를 개선할 수 있는 새로운 전극 물질의 설계가 필요하다. 본 학위 논문에서는 전극 재료의 광학적, 열적 특성을 고려하여 IPL 기술을 통하여 기존 열처리 방식으로는 제작할 수 없는 독특한 전극 설계에 대한 연구를 제시한다. 첫째로, IPL 기술을 사용하여 고에너지 하이브리드 슈퍼커패시터를 위한 코발트/코발트 산화물의 코어-쉘 나노구조 제작 방법을 개발하였다. 특히, IPL 조건에 따른 코발트 생성물의 화학적 구조적 상관관계에 대하여 규명하였다. 최적화된 Co-CoOx 나노구조는 이온이 매우 쉽게 접근이 가능하도록 넓은 비표면적과 많은 전기화학적 활성 부위를 제공한다. 또한 코어에 존재하는 코발트 금속은 코발트 산화물과 집전체 사이에서 전자 운반에 중추적인 역할을 하여 전극 전체의 내부 저항을 최소화한다. 뿐만 아니라, 내부의 코발트 금속은 전기화학적으로 비활성이기 때문에 충/방전 사이클 동안 전극의 구조적 안정성을 크게 향상시키는데 기여한다. Co-CoOx/GF//AC의 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터는 0.86 kW kg-1의 출력 밀도에서 30.1 Wh kg-1의 높은 에너지 밀도를 보였다. 또한, 10,000 회의 수명 테스트에서 높은 용량 유지율(114%)을 나타냈다. 둘째로, IPL을 통한 탄소 양자점이 도입된 리튬이온배터리 실리콘 음극용 바인더의 합성 방법을 개발하였다. 특히, IPL 조사 방식은 빠른 광열(photothermal) 처리 특성상 전극의 국부적인 온도 차이를 야기해 바인더와 탄소 양자점의 가교 반응을 유도함과 동시에 전도성 탄소의 추가적인 환원 반응을 일으킴을 확인하였다. 탄소 양자점 바인더가 도입된 실리콘 음극은 독특한 가교 네트워크 구조로 인해 충/방전 시 부피 팽창/수축을 수용하고 전극으로부터의 입자들의 박리를 억제할 수 있기 때문에 높은 수명 특성을 보였다. 뿐만 아니라 이러한 탄소소재의 환원은 전극의 내부저항을 최소화하여 분극 현상을 억제하여 실리콘의 용량 발현이 극대화됨을 입증하였다. 전극의 각 구성 요소의 광학 및 열 특성을 통해 고유하게 설계된 실리콘 음극은 IPL 조사의 선택성을 갖고, 전극 재료의 선택적 IPL 조사는 국부적인 온도 상승의 차이를 일으키고 전극의 효율적인 바인더 시스템을 구축하여 전극의 수명성을 획기적으로 향상시킬 수 있었다. 결과적으로 이러한 IPL 기술을 이용하여 다양한 고에너지 저장 물질에 대해 높은 출력 특성 및 우수한 수명 특성을 갖는 독특한 구조 설계 및 제작이 가능함을 입증하였다. 이러한 성과는 에너지 산업계와 학계뿐만 아니라 IPL 기술이 적용될 수 있는 다양한 분야로의 파생 및 기여가 가능할 것으로 기대된다. | In accordance with global environmental regulations and green energy policies, the demand for eco-friendly and non-depletable energy is rapidly increasing. Thus, high energy density and long cycle stability of energy storage systems are required directions for development. Unfortunately, the active materials for energy storage devices that exhibit high energy characteristics are accompanied by large volume and phase changes during charging and discharging; in addition, their electrical conductivity is considerably lower than that of conventional carbon materials. Therefore, electrode materials that can accommodate the volume change of the material and improve the low conductivity of electrodes need to be designed. This study designed unique electrodes via intense pulsed light (IPL) technology, considering the optical and thermal properties of the electrode materials. The first work presented in this dissertation is the fabrication of cobalt metal and cobalt oxide (Co-CoOx) core-shell nanostructures for high-energy hybrid supercapacitors using IPL technology. The chemical and structural correlation of cobalt products according to IPL conditions was revealed. The optimized Co-CoOx nanostructures provided numerous ion-accessible active sites. Furthermore, the cobalt metal in the core, serving as a bridge between the active cobalt oxides and the current collector, minimized the internal resistance of the entire electrode. Moreover, metallic Co greatly improved the structural stability of the electrode during cycles. The asymmetric hybrid supercapacitor of Co-CoOx/graphite felt (GF)//AC exhibited a high gravimetric energy of 30.1 Wh kg-1 at a gravimetric power of 0.86 kW kg-1 and high cycle retention (114%) over 10,000 cycles. The second work presented in this dissertation is the fabrication of carbon quantum dot-derived crosslinked network binder for Li-ion battery Si anodes via the IPL technique. The IPL irradiation method caused a local temperature difference in the electrode owing to the nature of the rapid photothermal effect, leading to a crosslinking reaction between the binder and the carbon quantum dots and simultaneously causing an additional reduction reaction of the conductive carbon materials. The Si anode with the quantum dot-derived crosslinked binder system exhibited high cycle stability (100 cycles) with high capacity (>2,000 mAh g-1) because the carbon quantum dot-derived crosslinked network binder resisted volume expansion during lithiation. In addition, the reduction of this conductive carbon material minimized the internal resistance of the electrode and suppressed the polarization phenomenon, thereby maximizing the capacity expression of Si. The Si anodes were uniquely designed through the optical and thermal properties of each component of the electrode to achieve selective IPL irradiation. Selective IPL irradiation of the electrode materials caused a difference in local temperature rise, and high performance was achieved by constructing an efficient binder system of the electrode. These accomplishments are expected to contribute not only to the energy industry and academia but also to various fields where IPL technology can be applied.
URI
http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000591020https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/167760
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > ORGANIC AND NANO ENGINEERING(유기나노공학과) > Theses (Ph.D.)
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