학술논문

Development of Ordered Mesoporous Carbon Electrodes for Fuel Cell and Li-SO2 Battery
Document Type
Dissertation/ Thesis
Author
Source
Subject
Fuel Cell
Li-SO2 battery
Ordered mesoporous carbon
Language
English
Abstract
Mobil사의 연구진들이 1990년대 초에 처음으로 다공성 물질을 개발한 후 다양한 다공성 물질 합성 및 응용에 대한 연구가 이루어졌다. 그 중에서 다공성 탄소는 넓은 비표면적, 높은 전기전도성, 열적 안정성 등과 같은 장점을 가지고 있어 전기재료로 많이 쓰여져 왔다. 본 논문에서는 다공성 탄소의 물질-화학적 성질을 조절하여 그에 대한 연료전지와 배터리의 성능 평가를 하였다. Chapter 2 에서는 연료전지는 주로 Pt를 많이 사용하지만 값이 비싸다는 단점이 있어 낮은 Pt 사용량으로 높은 효율을 얻는 연구와 보다 값이 싼 FeNx/C 물질로 Pt를 대신하는 연구가 이루어져 왔다. 근래 다공성 탄소 표면에 FeNx을 도핑 시켜 산소환원반응의 성능을 높이는 연구가 진행되어 왔으며 2번째 열처리를 거쳐 보다 나은 활성을 얻을 수 있다는 것이 확인되었다. 하지만 2 차 열치리 후 활성이 좋아지는 이유에 대해서는 명확하게 규명되지 않았다. 본 논문에서는 RRDE, SIMS, XPS 기술을 이용하여 산소환원반응의 성능이 높아지는 원리에 대해서 규명하였다.Chapter 3 에서는 Li-SO2 전지는 1969년 Meyers 등에 의해 처음으로 개발되었지만 불안전한 리튬 금속을 사용하지 않는 Rocking chair 전지 시스템이 개발되면서 Li-SO2 전지는 잊혀졌다. 최근 들어 나노기술이 발전하면서 본 연구실은 한국전자부품연구원과 공동연구 하에 다공성 탄소를 사용하여 방전 용량과 안정성이 우수한 전지를 만들었고 반응원리에 대해 발표하였다. 본 논문에서는 Li-SO2 전지의 효율을 높이기 위해 다공성 물질의 2D 메조구조와 3D 메조구조를 가진 입자 크기를 조절하였고 다공성 물질의 표면 개질을 통해 전해질과의 접촉면적을 넓히는 연구를 하였다.
Chapter 1Yanagisawa and mobil researchers reported the first successful synthesis of novel periodic mesostructured materials, after that many groups across the world have extensively been focused on the research of mesoporous materials.Among them, an ordered mesoporous carbons are of great interest in energy related research and application, partly due to their high specific surface area, thermal stability, high conductivity and narrow pore size distributions, etc. In this these, control the physical-chemical properties of ordered mesporous carbon and their application for fuel cell and Li-SO2 battery.Chapter 2-1Metal (Fe, Co, Ni) and nitrogen doped OMC catalyst which was prepared using common and cost-effective metal complex precursor as metal, nitrogen, and carbon source and rod-type SBA-15 as silica templates, through a solid-state reaction, which was further pyrolyzed to form OMC catalyst. The synthesized catalysts were used for oxygen reduction reaction and leads to notable improvement of their activity towards the oxygen evolution reaction in alkaline media, with higher oxygen electrode activity than that of Pt/C.Chapter 2-2Iron and nitrogen doped OMC prepared by using common and cost-effective iron complex (Ferroin) precursor as iron, nitrogen, and carbon source and rodtype SBA-15 as silica templates, through a solid-state reaction, which was further pyrolyzed to form OMC catalyst. Electrochemical test results show that the catalyst has a high ORR activity, methanol tolerance and much better stability than that of commercial Pt/C in basic medium. ToF-SIMS studies revealed that second heat-treatment can increase the FeN2Cy+ contents and also increase its ORR activity.Chapter 3The design and physical and chemical properties of OMC and their application for Li-SO2 battery. Firstly, we control the morphology of OMC by using different silica template. The results show that the Li-SO2 battery initial capacity is morphology-dependent and the presence of OMC electrodes is beneficial to enhance the stability, which is higher than that of KB electrode.Next, the control of particle size of OMC by using milling method and application for Li-SO2 battery was done. To investigate the particle size effect of OMC materials on the performance of Li-SO2 battery, we prepared the OMCs having different milling time, such as 0 h, 0.5 h, 1 h and 2 h. The OMC electrodes produced with 0.5 h and 1 h milling time exhibited better electrochemical performance compared to those of the OMCs electrodes with 0 h and 2 h. Finally, modification of OMC surface for Li-SO2 battery was performed. OMC materials were prepared using different carbon precursors including phenanthrene (Phen-OMC) and 1,10-phenanthroline (N-OMC). The results suggest that the N-OMC has higher wettability on electrode than that of the Phen-OMC, which further increase the electrochemical performance