연료전지 핵심 소재인 고분자 전해질막은 높은 내화학성과 수소이온전도성을 갖는 과불소계 술폰산 이오노머가 주로 사용된다. 하지만 이러한 이오노머조차도 연료전지 구동 중 발생하는 라디칼 공격으로 인해 화학적 분해가 발생하여 장 기 내구성 확보에 어려움을 겪고 있다. 이를 완화하기 위해 라디칼 스캐빈저로 도입이 간편한 이온형 산화방지제를 적용하고 있으나, 연료전지 구동 중 전극 간 전위차에 의해 세륨 이온이 이동(cerium ion migration)하는 현상으로 스캐빈저 효과가 감 소하는 문제가 있다. 본 연구에서는 강화막 내에서 세륨 이온의 이동성을 조절하기 위한 방안으로 폴리에틸렌글리콜(PEG) 도입을 제시하였으며, 이를 통해 PEG 도입이 강화막의 내구성에 미치는 영향을 조사하였다.

본 연구에서는 이온성 물질 제거와 재생을 동시 수행하는 바이폴라막에 대한 운전 조건에 따른 성능 영향과 고회 수율을 위한 재생 조건을 연구하였다. 유입수의 농도와 유량이 증가할수록 제거율이 빠르게 감소하였으며 제거율 80% 지점 까지 유입수 농도 300 mg/L에서 최대의 TDS 제거용량을 나타내었고, 유입수 유량은 낮을수록 더 많은 TDS 제거용량을 나 타내었다. 낮은 전압에서는 제거율이 급격하게 감소하였고 전압이 높아질수록 제거율이 증가하지만, 일정 수준 이상의 전압 에서는 추가적인 제거율 향상을 보이지 않았다. 한편 재생을 위한 전압은 75 V로 선정하였는데, 이 이상의 재생 전압에서는 온도의 급격한 상승 및 이로 인한 바이폴라막의 손상이 관찰되었다. 재생 시 재생수의 공급을 최소화하기 위한 다양한 운전 모드가 평가되었고 70%의 고회수율을 구현할 수 있는 재생모드를 제안하였다.

고온 구동형 고분자 전해질 막 연료전지(high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell, HT-PEMFC)는 구동 중 발생되는 불순물에 대한 내성이 높고 물관리가 용이하며 고순도의 가스를 연료로 사용하지 않아도 되는 장점을 갖는 다. HT-PEMFC는 인산이 도핑된 막을 통해 수소이온이 전도되기 때문에 전해질 막의 높은 인산의 유지율이 요구된다. 본 총 설에서는 인산의 침출을 방지하여 고성능의 HT-PEMFC용 고분자 전해질 막을 개발하기 위해 1) 인산이 도핑된 전해질 막의 인산 침출에 영향을 미치는 요소를 파악한 후, 이를 개선하기 위해 2) 폴리벤즈이미다졸 기반 막과 인산과의 상호작용을 강 화하여 인산 침출을 방지할 수 있도록 고분자 구조 설계를 진행한 연구와 3) 이오노머의 이온교환 작용기와 인산과의 이온 쌍 상호작용을 통해 인산의 침출을 방지할 수 있도록 이오노머 구조 설계를 진행한 연구들에 대해 살펴보고자 한다.

Iron selenides with high capacity and excellent chemical properties have been considered as outstanding anodes for alkali metal-ion batteries. However, its further development is hindered by sluggish kinetics and fading capacity caused by volume expansion. Herein, a series of FeSe2 nanoparticles (NPs)-encapsulated carbon composites were successfully synthesized by tailoring the amount of Fe species through facile plasma engineering and followed by a simple selenization transformation process. Such a stable structure can effectively mitigate volume changes and accelerate kinetics, leading to excellent electrochemical performance. The optimized electrode ( FeSe2@C2) exhibits outstanding reversible capacity of 853.1 mAh g− 1 after 150 cycles and exceptional rate capacity of 444.9 mAh g− 1 at 5.0 A g− 1 for Li+ storage. In Na+ batteries, it possesses a relatively high capacity of 433.7 mAh g− 1 at 0.1 A g− 1 as well as good cycle stability. The plasma-engineered FeSe2@ C2 composite, which profits from synergistic effect of small FeSe2 NPs and carbon framework with large specific surface area, exhibits remarkable ions/electrons transportation abilities during various kinetic analyses and unveils the energy storage mechanism dominated by surface-mediated capacitive behavior. This novel cost-efficient synthesis strategy might offer valuable guidance for developing transition metal-based composites towards energy storage materials.

Si-based anodes are promising alternatives to graphite owing to their high capacities. However, their practical application is hindered by severe volume expansion during cycling. Herein, we propose employing a carbon support to address this challenge and utilize Si-based anode materials for lithium-ion batteries (LIBs). Specifically, carbon supports with various pore structures were prepared through KOH and NaOH activation of the pitch. In addition, Si was deposited into the carbon support pores via SiH4 chemical vapor deposition (CVD), and to enhance the conductivity and mechanical stability, a carbon coating was applied via CH4 CVD. The electrochemical performance of the C/Si/C composites was assessed, providing insights into their capacity retention rates, cycling stability, rate capability, and lithium-ion diffusion coefficients. Notably, the macrostructure of the carbon support differed significantly depending on the activation agent used. More importantly, the macrostructure of the carbon support significantly affected the Si deposition behavior and enhanced the stability by mitigating the volume expansion of the Si particles. This study elucidated the crucial role of the macrostructure of carbon supports in optimizing Si-based anode materials for LIBs, providing valuable guidance for the design and development of high-performance energy-storage systems.

In this study, carbon coating was carried out by physical vapor deposition (PVD) on SiOx surfaces to investigate the effect of the deposited carbon layer on the performance of lithium-ion batteries as a function of the asphaltene content of petroleum residues. The petroleum residue was separated into asphaltene-free petroleum residue (ASF) and asphaltene-based petroleum residue (AS) containing 12.54% asphaltene by a solvent extraction method, and the components were analyzed. The deposited carbon coating layer became thinner, with the thickness decreasing from 15.4 to 8.1 nm, as the asphaltene content of the petroleum residue increased, and a highly crystalline layer was obtained. In particular, the SiOx electrode carbon-coated with AS exhibited excellent cycling performance with an initial efficiency of 85.5% and a capacity retention rate of 94.1% after 100 cycles at a current density of 1.0 C. This is because the carbon layer with enhanced crystallinity had sufficient thickness to alleviate the volume expansion of SiOx, resulting in stable SEI layer formation and enhanced structural stability. In addition, the SiOx electrode exhibited the lowest resistance with a low impedance of 23.35 Ω, attributed to the crystalline carbon layer that enhanced electrical conductivity and the mobility of Li ions. This study demonstrated that increasing the asphaltene content of petroleum residues is the simplest strategy for preparing SiOx@C anode materials with thin, crystalline carbon layers and excellent electrochemical performance with high efficiency and high rate performance.

In this study, ester co-solvents and fluoroethylene carbonate (FEC) were used as low-temperature electrolyte additives to improve the formation of the solid electrolyte interface (SEI) on graphite anodes in lithium-ion batteries (LIBs). Four ester co-solvents, namely methyl acetate (MA), ethyl acetate, methyl propionate, and ethyl propionate, were mixed with 1.0 M LiPF6 ethylene carbonate:diethyl carbonate:dimethyl carbonate (1:1:1 by vol%) as the base electrolyte (BE). Different concentrations were used to compare the electrochemical performance of the LiCoO2/ graphite full cells. Among various ester co-solvents, the cell employing BE mixed with 30 vol% MA (BE/MA30) achieved the highest discharge capacity at − 20 °C. In contrast, mixing esters with low-molecular-weight degraded the cell performance owing to the unstable SEI formation on the graphite anodes. Therefore, FEC was added to BE/MA30 (BE/MA30-FEC5) to form a stable SEI layer on the graphite anode surface. The LiCoO2/ graphite cell using BE/MA30-FEC5 exhibited an excellent capacity of 127.3 mAh g− 1 at − 20 °C with a capacity retention of 80.6% after 100 cycles owing to the synergistic effect of MA and formation of a stable and uniform inorganic SEI layer by FEC decomposition reaction. The low-temperature electrolyte designed in this study may provide new guidelines for resolving low-temperature issues related to LIBs, graphite anodes, and SEI layers.

To improve the lithium-ion battery performance and stability, a conducting polymer, which can simultaneously serve as both a conductive additive and a binder, is introduced into the anode. Water-soluble polyaniline:polystyrene sulfonate (PANI:PSS) can be successfully prepared through chemical oxidative polymerization, and their chemical/mechanical properties are adjusted by varying the molecular weight of PSS. As a conductive additive, the PANI with a conjugated double bond structure is introduced between active materials or between the active material and the current collector to provide fast and short electrical pathways. As a binder, the PSS prevents short circuits through strong π‒π stacking interaction with active material, and it exhibits superior adhesion to the current collector, thereby ensuring the maintenance of stable mechanical properties, even under high-speed charging/discharging conditions. Based on the synergistic effect of the intrinsic properties of PANI and PSS, it is confirmed that the anode with PANI:PSS introduced as a binder has about 1.8 times higher bonding strength (0.4 kgf/20 mm) compared to conventional binders. Moreover, since active materials can be additionally added in place of the generally added conductive additives, the total cell capacity increased by about 12.0%, and improved stability is shown with a capacity retention rate of 99.3% even after 200 cycles at a current rate of 0.2 C.

With the emergence of the new energy field, the demand for high-performance lithium-ion batteries (LIBs) and green energy storage devices is growing with each passing day. Carbon nanotubes (CNTs) exhibit tremendous potential in application due to superior electrical and mechanical properties, and the excellent lithium insertion properties make it possible to be LIBs anode materials. Based on the lithium insertion mechanism of CNTs, this paper systematically and categorically reviewed the design strategies of CNTs-based composites as LIBs anode materials, and summarized in detail the enhancement effect of CNTs fillers on various anode materials. More importantly, the superiorities and limitations of various anode materials for LIBs were evaluated. Finally, the research direction and current challenges of the industrial application of CNTs in LIBs were prospected.

Silicon-based anode materials have attracted significant interest because of their advantages, including high theoretical specific capacity (~4,200 mAh/g), low working potential (0.4 V vs Li/Li+), and abundant sources. However, their significant initial capacity loss and large volume changes during cycling impede the application of silicon-based anodes in lithium-ion batteries. In this work, we propose a silicon oxide (SiOx) anode material for lithium-ion batteries produced with a magnesio-thermic reduction (MTR) process adopting Boryeong mud as a starting material. Boryeong mud contains various minerals such as clinochlore [(Mg,Fe)6(Si,Al)4O10(OH)8], anorthite (CaAl2Si2O8), illite [K0.7Al2(Si,Al)4O10(OH)2], and quartz (SiO2). The MTR process with Boryeong mud generates a mixture of amorphous silicon oxides (SiOx and SiO2), and magnesium aluminate which helps to alleviate the volume expansion of the electrode during charge/discharge. To observe the effects of these oxides, we conducted various analyses including X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), Fourier-Transformation infrared spectroscopy (FT-IR), Brunauer-Emmett-Teller (BET) and cyclic voltammetry (CV) galvanic cell testing. The amorphous SiO2 and MgAl2O4 suppressed the volume expansion of the silicon-based anode, and excellent cycle performance was achieved as a result.

음이온 교환막(AEM) 수전해용 AEM 소재 개발은 재생 에너지를 활용한 수소 생산 기술을 개선하는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 소재를 설계하고 최적화하는 데 분자동역학 전산모사가 유용하게 사용되지만, 전산모사 결과의 정확도 는 사용된 force-field에 크게 의존한다. 본 연구의 목적은 AEM 소재의 구조와 이온 전도 특성을 예측할 때 force-field 선택 이 미치는 영향을 체계적으로 조사하는 것이다. 이를 위해 poly(spirobisindane-co-aryl terphenyl piperidinium) (PSTP) 구조를 모델 시스템으로 선택하고 COMPASS III, pcff, Universal, Dreiding 등 네 가지 주요 force-field를 비교 분석하였다. 각 force-field의 특성과 한계를 평가하기 위해 298~353 K의 온도 범위에서 수화 채널 형태, 물 분자와 수산화 이온의 분포, 수산 화 이온 전도성을 계산하였다. 이를 통해 AEM 소재의 분자동역학 전산모사에 가장 적합한 force-field를 제시하고, 고성능 AEM 소재 개발을 위한 계산 지침을 제공하고자 한다.

탄소중립을 달성하기 위해 이산화탄소를 포집, 활용, 저장하는 CCUS (carbon capture, utilization, and storage) 기 술이 주목받고 있다. 본 연구에서는 광물 탄산화 공정을 통해 이산화탄소를 탄산염으로 고정하고, 이를 전이금속 탄산염 기반 리튬이온배터리 (LIB) 음극재로 적용하였다. CO2를 탄산염으로 고정후, 이를 이용해 FeCO3를 제작하고, rGO와 PVP와 복합 화하여 음극활물질에 적용하였다. rGO는 전기전도도를 높이고 입자의 응집을 방지해 부피 팽창을 완화했으며, PVP는 계면 활성제로서 입자 표면을 안정화하여 구조적 안정성을 강화하였다. FeCO3-PVP-rGO 복합체 기반한 음극재에 대한 전기화학 테스트를 진행한 결과, FeCO3/rGO 복합체는 1,620 mA/g의 전류 밀도에서 50 사이클 이후에도 400 mAh/g의 용량을 유지하 였다. 본 연구는 CO2를 고부가가치 배터리 소재로 전환하여 차세대 에너지 저장 기술에 기여할 가능성을 시사한다.

리튬이온전지는 친환경적이고 우수한 전지 성능덕분에 배터리 산업의 핵심으로 자리 잡았으며, 이에 따라 수요가 급증하고 있다. 그러나, 리튬이온전지의 수요증가는 리튬과 광물자원들의 공급문제를 초래하며, 수명이 다한 폐 리튬이온전지의 폐기방안이 아직 마련되지 않아 환경적 문제를 발생시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 폐 리튬이온전지를 재활용하는 연구가 진행되고 있으며, 그 중에서도 폐 리튬이온전지에서 폐 양극 소재를 추출하여 재활용하는 다이렉트 리사이클링 연구가 주목받고 있다. 그러나, 폐 양극 소재는 오랜 충/방전으로 인해 구조적 붕괴(열화)가 발생한 상태로, 새로운 리튬이온전지에 적용을 위해서는 리튬이온전지 사용 전의 구조 즉, 층상구조로의 회복이 필요하다. 본 연구에서는 이를 위해 폐 양극 소재(LiNi0.6C0.2Mn0.2O2)가 열역학적으로 층상구조를 형성하는 온도를 분석하기 위해 700 ºC, 800 ºC, 900 ºC 범위에서 XRD를 통해 구조분석을 진행하였다. 폐 양극 소재는 700 ºC와 900 ºC 대비 800 ºC 열처리 시 1.44로 가장 높은 I003/I104 value를 보였다. 또한 800 ºC 열처리 시 0.1 C 기준 비 용량이 171.3 mAh/g으로 가장 높은 것을 확인하였다. 이를 통해 우리는 열역학적으로 층상구조를 형성하는 온도를 800 ºC로 도출하였으며 폐 양극 소재의 구조를 성공적으로 복원하였다.

본 연구는 스트론튬 이온(Sr²⁺) 처리가 수화 시멘트 복합체의 공극분포 특성에 미치는 영향을 실험적으로 평가하였다. 물- 시멘트비(w/c) 0.3, 0.4, 0.5로 제조된 시멘트 페이스트 시편을 21일간 탈 이온수에서 수중 양생한 후, 각각 두 개의 그룹 으로 나누었다. 첫 번째 그룹은 탈 이온수에서 추가로 7일간 양생하였고, 두 번째 그룹은 30% 질산스트론튬(Sr(NO3)2) 수 용액에서 동일기간 동안 추가 양생하였다. 양생기간 및 조건에 따른 각 시편에 대하여 수은압입법(MIP: Mercury Intrusion Porosimetry)을 사용하여 공극률 및 공극 크기 분포를 분석하였다. 실험 결과, 물-시멘트비가 낮을수록 공극률이 감소하는 것을 확인하였다. 21일과 28일간 탈 이온수에서 양생한 시편 간에는 공극률 차이가 유의미하지 않았으나, 21일 수중양생 후 스트론튬 이온에 7일간 처리된 시편은 공극률이 유의미하게 감소한 것으로 분석되었다. 특히, 물-시멘트비 0.3인 경우 에는 공극률이 33% 이상 감소하는 결과를 보였다. 또한, 공극 크기 분포 특성 분석 결과, 모든 물-시멘트비 조건에서 21 일 양생된 시편에 비해 7일간 추가 양생된 시편은 큰 공극의 양이 줄어들면서 작은 공극의 양이 증가하는 경향을 확인 하였다. 특히, 스트론튬 이온에 처리된 시편의 경우 50nm 이하의 매우 작은 공극의 양이 크게 증가하였다. 이로써 스트 론튬 이온 처리에 의해 수화 시멘트 복합체의 미세조직이 치밀해짐을 확인하였으며, SEM 분석을 통해 이러한 결과를 시 각적으로 확인하였다. 본 연구는 스트론튬 이온을 활용한 시멘트 콘크리트 표면처리 기법이 노후 시멘트 콘크리트 구조 물에 대하여 수분 침투 저항성을 향상시키는 유지관리 기술로서 잠재력을 지니고 있음을 보여준다.