높은 수준에 접근하기 위한 새로운 첨가제인 타르타르산

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13301(2022) 이 기사 인용

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이차전지 중 수성아연이온전지(ZIB)는 안전성, 저비용, 친환경성, 구조의 단순성으로 인해 많은 주목을 받아왔다. 배터리 기술의 가장 중요한 부분 중 하나는 전해질 첨가제인데, 이는 필수적인 역할에 대해 덜 연구되었습니다. 이러한 배터리의 품질을 개발하려면 경제성, 쉬운 설계, 상당한 지속 시간, 높은 전기 방전, 빠른 충전/방전 속도, 허용 가능한 전력/에너지 밀도 및 허용 가능한 사이클 효율성과 같은 특정 매개변수가 필수적입니다. 이 보고서에서는 ZIB의 전기적 성능을 수정하기 위한 배터리 과전압 감소제인 숙신산, 타르타르산, 구연산, 말레산 및/또는 아세트산과 같은 새로운 전해질 첨가제인 일부 백색 결정질 유기산의 수용액에 초점을 맞췄습니다. . 예를 들어, ZIB에 특별히 선택된 전해질 첨가제인 타르타르산의 중요한 특성은 허용 가능한 속도 성능과 7200사이클 후 91.0%의 고용량 유지율로 최대 374mAh g−1의 우수한 용량을 나타냅니다. 배터리 동작을 조사하고 이 현상의 가능한 메커니즘을 제안하기 위해 몇 가지 분석 방법이 활용됩니다.

화석 석유, 천연가스, 석탄 등 재생 불가능한 에너지원은 점차 감소하고 있습니다1. 또한 환경 오염이 심각해지고 있어 인간은 재생 가능하고 환경 친화적인 에너지원을 개발하기 위한 새로운 길로 나아가야 합니다1. 이러한 조건에서는 전통적인 납산 배터리(변환 반응 기반) 및 리튬 이온 배터리(다양한 프로세스, 특히 층간삽입에 따라)와 같은 다양한 충전용 배터리 기술이 존재합니다2. 이러한 시스템의 본질적인 한계로 인해 대규모 에너지 저장, 제한된 에너지 밀도, 열악한 충전/방전 효율, 자체 방전, 열악한 쿨롱 효율 및 환경 위협에 대한 적용이 방해됩니다3,4,5.

최근에는 일련의 "수성 충전 배터리"(ARB)가 발명되었습니다6. 이러한 ARB는 수성 전해질에서 전극 구조로의 Na+, K+, Mg2+ 및 Zn2+와 같은 일부 이온 종의 층별 전기화학적 삽입/저장을 기반으로 작동됩니다. 이러한 배터리는 고유한 안전성, 높은 이온 전도성, 풍부한 재료 및 환경 친화적으로 인해 유망한 에너지원으로 간주되어 왔습니다6,7,8,9. ARB 중 아연이온전지(ARZIB)는 아연을 양극으로 사용해 가장 친환경적인 에너지 저장 시스템으로 입증됐다. 아연 이온 배터리는 지각에서 널리 사용되는 다가 특성, 저비용, 무독성 수성 전해질, 안전성 및 긴 사이클 수명10,11,12을 기반으로 광범위한 관심을 받았습니다. 터널형 및 층상형 구조를 가진 많은 화합물은 Zn2+의 작은 이온 반경(0.74Å)13으로 인해 호스트에 Zn2+ 이온을 삽입/추출할 수 있습니다. 이러한 시스템에서 "Feiyu Kang" 그룹은 처음으로 α형 MnO2 호스트의 터널 구조에 가역적인 Zn 이온 삽입을 보여주었으며 ZIB14의 음극으로 채택되었습니다.

MnO2는 풍부한 가용성, 저렴한 비용 및 환경 친화적으로 인해 슈퍼커패시터와 배터리 모두에 적용할 수 있는 전극 재료로 널리 연구되어 왔습니다. 이 화합물은 α, β, γ, δ, λ 및 ramsdellite 유형15, 16과 같은 여러 가지 다른 결정학적 형태를 가지고 있습니다.

수성 ZIB에는 배포에 큰 어려움이 있다는 점을 고려해야 합니다. 이러한 시도는 주로 i) 전해질의 낮은 화학적 안정성 및 전기화학적 안정성, ii) 사이클링, 부식, 패시베이션 및 "수소 진화 반응"(HER) 중 아연 수지상 결정의 형성으로 구성됩니다. 이는 주로 ZIB의 제한된 전압 창, 용량 및 안정성에 반영됩니다. 이러한 문제 역시 에너지 밀도, 배터리 재활용성을 제한하고 전해질의 분해를 제한하여 배터리 변형 및 부풀어오름의 위험을 초래할 수 있는 주요 요인으로 간주됩니다.17,18,19.