Polymer based solid state electrolytes for zinc air battery applications

Abstract

Secondary zinc-air cells hold tremendous potential for green energy storage technologies. However, existing electrolytes in zinc-air batteries face several critical challenges. Conventional electrolyte, concentrated potassium hydroxide solutions, suffer from issues such as carbonation, leakage, and water evaporation, which can significantly degrade battery performance. Additionally, existing solid-state electrolyte such as hydrogels and anion exchange membrane must overcome challenges related to achieving a balance between mechanical integrity, high ionic conductivity, water retention, and compatibility with zinc anodes and air cathodes, including addressing issues like CO2 contamination, electrolyte loss. Therefore, addressing the shortcomings of existing solid-state electrolytes while harnessing their advantages is challenging. Chapter 1 reports closely the working principles and configurations of metal-air, especially for zinc-air battery. Chapter 2 has investigation about SA/AM hydrogels for zinc-air battery applications. Combination of chemical crosslinking mediated by polyacrylamide and physical crosslinking involving calcium ions and guluronic acids in alginate polymer chains. This unique combination enhances the hydrogel's performance. The successful transition from calcium to zinc ions within the hydrogel matrix, improved water retention properties, ion conductivity, and battery performance. Specifically, the Zn-SA1.7/AM hydrogel exhibited notable characteristics, including enhanced water uptake capacity (13.8g/g) and improved ion conductivity. The improved characteistics lead to higher current density (166mA cm-2), and outstanding cycling stability of zinc-air battery, when compared to comparison group. Chapter 3 has delved into the analysis of BC/PAA membranes, resulted by unique characteristic feature of bacterial cellulose, and the grafting crosslinking method. The performance data reveals the remarkable capabilities of BC/PAA membranes: a tensile strength of 240kPa, water uptake ability of 20.7g/g, and superior ion conductivity. In Zn symmetric cells, it exhibited lower resistance, enabling stable cyclability with lower polarization. In asymmetric all-solid-state ZABs, the BC/PAA membrane demonstrated a high open-circuit voltage of 1.48V, increased current density (62mA cm-2), and enhanced power density (90mW cm-2). The exceptional performance of the BC/PAA composite membrane can be attributed to its balanced combination of BC's structural stability and PAA's hydrophilicity. This synergistic effect results in superior mechanical strength, water retention properties, and ion conductivity. The BC/PAA membrane holds great promise for advancing the efficiency and longevity of zinc-air batteries, paving the way for innovative energy storage solutions. In chapter 4, modification of cellulose to quaternized ammonium salt-functionalized bacterial cellulose are explored. The exceptional stability of dimethylpiperidine within the quaternized ammonium salt, attributed to its unique six-membered ring structure, which restricts degradation pathways. This structural alteration enhances the functionality of qBC, particularly in ion transport properties and mechanical flexibility. Performance evaluation in zinc-air batteries demonstrated the superior capabilities of qBC membranes. ZABs featuring qBC membranes exhibited a remarkable increase in current density(81 mA cm-2) due to its reduced interfacial resistance and crystallinity. The ZAB with qBC demonstrated consistent discharge-charge cycling over 55 hours at a current density of 10 mA cm-2, emphasizing the robustness and durability of the qBC membrane.|아연-공기 이차전지는 친환경 에너지 저장 기술에 엄청난 잠재력을 가지고 있지만, 현재 사용되는 기존 전해질은 직면해야 하는 도전 과제가 있다. 기존의 액체 전해질인 농축된 수산화 칼륨 용액은 탄화, 누출 및 수분 증발과 같은 문제로 인해 지속적인 사용에 따라 전지 성능을 현저히 저하한다. 또한, 많이 개발되고 있는 하이드로겔과 염기성 음이온 교환막의 경우 낮은 기계적 강도, 수분 보유량 감소, CO2 오염, 전해질 손실과 같은 문제를 해결해야 한다. 따라서 기존 고체 상태 전해질의 이점을 이용하면서도 단점을 해결하면서 이점을 활용할 수 있어야 한다. 제1장에서는 아연-공기 전지의 작동 원리와 구성에 관해 설명한다. 제2장에서는 아연-공기 전지 응용을 위한 SA/AM 하이드로젤에 관한 연구를 소개한다. PAA에 의한 화학적 결합, 알긴산에 칼슘 혹은 아연 이온 킬레이팅으로 두 개의 결합을 이루어 내어 하이드로겔의 성능을 향상시켰다. 하이드로겔 매트릭스 내에서 칼슘에서 아연 이온으로의 전환은 더 높은 수분 보유 능력(13.8g/g)과 이온 전도도를 이끌었다. 하이드로겔의 개선된 특성은 이를 활용한 전고체 아연-공기 전지에서 향상된 전류 밀도(166mA cm-2) 및 우수한 사이클링 안정성을 나타내었다. 제3장에서는 미생물을 활용하여 배양한 셀룰로오스를 활용한 BC/PAA 막에 대한 성능을 분석하였다. BC/PAA 막은 독특한 미생물 배양 셀룰로오스의 특성으로 인하여 향상된 인장 강도(240kPa), 수분 흡수 능력(20.7g/g) 및 우수한 이온 전도도를 나타내었다. BC/PAA를 활용한 Zn 대칭 셀에서는 낮은 내부 저항을 나타내어 안정된 사이클링 특성이 관찰되었다. 전고체 전지 성능 평가에서는 높은 개방 회로 전압(1.48V), 전류 밀도(62mA cm-2) 및 향상된 출력 밀도(90mW cm-2)를 나타내었다. BC/PAA 복합막의 탁월한 성능은 BC의 구조적 안정성과 PAA의 친수성이 균형 잡힌 조합으로 인하여 나타났으며, 우수한 기계적 강도, 수분 보유 능력 및 이온 전도도를 보여주어 아연-공기 전지의 효율성과 수명이 증가하였다. 제4장에서는 미생물을 활용하여 배양한 셀룰로오스에서 사가암모늄을 기능기로 합성하여 음이온 교환막으로 합성하였다. 사가암모늄은 디메틸피페리딘을 사용하였으며, 특유의 육각형 고리 구조로 인하여 염기성 환경에서도 높은 안정성을 갖는다. qBC를 활용하여 아연-공기 전지의 성능을 평가한 결과, 양극 및 음극과의 계면 저항이 감소되고 비결정성이 증가하여 높은 전류 밀도(81 mA cm-2)와 10mA cm-2의 전류 밀도에서 55시간 이상 지속적인 방전-충전 사이클링을 나타내어 qBC 막의 내화학성과 내구성을 보여주었다.