Improvement of High-Temperature Performance of LiMn2O4 Cathode by Surface Coating

리튬 이차전지의 양극 활물질인 스피넬 망간산화물(LiMn2O4, LMO) 표면에 ITO(indium tin oxide)를 코팅하여, 고온( 55℃)에서 사이클 수명과 속도특성을 조사하였다. 정전류 정전압 충방전 실험의 결과, ITO가 코팅되지 않은 LMO 전극의 표면에서 고온 고전압 조건에서 전해질이 분해하여 피막이 형성되고, 이 피막의 저항으로 인하여 분극현상(polarization)이 심하게 발생하였다. 그러나, ITO가 2 mol% 이상 코팅된 LMO의 경우 양극 활물질과 전해질과의 직접적인 접촉 면적이 줄어들어, 전해질의 분해가 감소하였고 내부저항에 의한 분극 현상 또한 현저히 감소하였다. 이러한 결과, ITO가 코팅된 전극의 충방전에 따른 가역성이 코팅되지 않은 LMO에 비해 크게 향상되었다. 적외선 분광기를 이용하여 ITO가 코팅된 LMO 표면에서 피막형성이 감소함을 확인하였다. ITO의 코팅으로 LMO 전극의 속도특성도 크게 향상되었는데, 이는 저항이 큰 피막형성이 억제된다는 점과 ITO의 전기전도도가 크다는 사실로 설명할 수 있다. An indium-tin oxide (ITO) coated spinel manganese oxide(LiMn2O4, LMO) is prepared and its high-temperature (55℃) cycle performance and rate capability are examined. A severe electrolyte decomposition and film deposition is observed on the un-coated cathode, which leads to a significant electrode polarization and capacity fading. Such an electrode polarization is, however, greatly reduced for the ITO-coated (> 2 mol%) LMO cathode, which leads to an improved cycle performance. This can be rationalized by a suppression of electrolyte decomposition, which is in turn indebted to a decrease in the direct contact area between LMO and electrolyte. The suppression of film deposition on the ITO-coated LMO cathode is confirmed by infra-red spectroscopy. The rate capability is also improved by the surface coating, which may be resulted from a suppression of resistive film deposition and high electric conductivity of ITO itself.본 연구는 에너지 변환저장 연구센터를 통한 한국과학재단의 지원으로 수행되었으며, 이에 감사를 드립니다

Charge/discharge Capacity of Natural Graphite Anode According to the Charge/discharge Rate in Lithium Secondary Batteries

리튬 이차전지의 음극재료로서 천연흑연의 충방전 속도에 따른 용량특성을 조사하였다 정전류 조건에서 0.0-2.0 V(vs. Li/Li+) 의 범위에서 충방전 하였을 때, 충전전류가 증가할수록 충전반응의 과전압이 증가하여 Li+이온이 충분히 삽입되지 못한 상태에서 컷오프 전압(0.0 V)에 도달하기 때문에 충전용량은 충전전류의 크기가 클수록 감소하였다. 한편, 방전전류가 증가함에 따라 방전반응의 과전압도 증가하여 0.0-0.3V범위에서 방전반응이 일어나나 방전 컷오프 전압(2.0 V)과는 격차가 커서 Li+이온이 탈리되지 못한 상태에서 방전 컷오프에 도달하는 현상은 없기 때문에 방전용량이 방전전류의 크기에 영향을 받지 않았다. 충전전류가 증가함에 따라 부반응인 리튬 전착반응의 과전압도 증가하므로 충전 컷오프 전압을 0.0V 이하로 낮출 수 있었다. 그러나 Li+ 이온의 삽입반응에 비해 전착반응의 저항이 적어 충전전류에 따른 전착반응의 과전압 증가에는 한계가 있었다. 1C조건에서 -0.04V까지 충전 컷오프 전압을 낮추었을 때 리튬의 전착반응은 없었고, 이로부터 약 11%의 방전용량을 증가시킬 수 있었다. The charge/discharge capacity of natural graphite anode in lithium secondary batteries was examined as a function of charge/discharge rate. When the natural graphite anode was galvanostatically cycled in the range of 0.0-2.0V (vs. Li/Li+) , the charging capacity decreased with an increase in the charging rate, which is caused by an earlier approach to the charging cut-off (0.0 V) before the complete charging that is in turn caused by an ever-increasing overpotential at higher rates. Even if the overpotential of discharging reaction also increased at higher discharge rates, the discharging reaction took place in the range of 0.0-0.3 V that is far below the discharge cut-off (2.0 V). As a result, the discharge capacity was not affected by the discharge rate because all the lithium ions once intercalated are fully discharged even at high current condition. As the overpotential of lithium deposition reaction also increased at high current condition, the charge capacity of natural graphite could be enlarged by lowering the charging cut-off voltage below 0.0 V, There is, however, a limitation for the lowering of cut-off voltage because the resistance for lithium deposition is smaller than that of lithium intercalation into graphite. When the charge cut-off voltage was lowered down to -0.04 V under IC condition, lithium ions were inserted into graphite without lithium deposition such that the discharge capacity could be raised up to 11% .본 연구는 에너지 변환·저장 연구센터를 통한 한국과학재단의 지원으로 수행되었다

Electrochemical properties of Gd0.8Ca0.2Co1-xFexO3 cathodes for medium-temperature SOFC

중간온도형 고체산화물 연료전지(solid oxide filet cells)의 양극재료로 이용을 목표로 분말을 합성하고 이의 열적 안정성, 전도특성을 조사하였다. 또한 이를 CGO(Cerium-Gadolinium Oxide) 전해질 디스크에 부착하여 양극특성을 조사하였다. 양극재료를 구연산 법에 의하여 에서 하소하여 분말을 합성하였을 때, Fe의 함량에 상관없이 모두 페롭스카이트 단일상을 얻을 수 있었다. 합성분말의 열적 안정성을 측정하였는데, Fe의 함량이 적을수록 열적 안정성이 열악하여 x=0.0인 시료는 에서 분해되었다 그러나 Fe이 치환된 재료의 경우에는 까지 분해현상은 없었으나 근처에서 용응되는 현상이 관찰되어 양극층의 접착온도를 이하로 설정해야 함을 알았다. 로 반쪽전지를 제작하여 공기중에서 전지를 가동하며 양극의 산소환원 반응에 대한 활성을 조사한 결과 조성에 상관없이 보다 우수한 활성을 가졌고, 인 전극중에서는 x=0.2일 때 가장 좋은 양극특성을 보였다. 이와 같이 x=0.2인 경우에 가장 우수한 활성을 갖는 이유를, Fe의 함량이 많은 경우는 열적 안정성이 우수하나산소환원 반응에 대한 활성은 감소하므로 x=0.2에서 열적 안정성과 활성 사이에 최적의 trade-off가 나타남으로 설명하였다. x=0.2인 시료의 전기 전도도를 직류 4단자법에 의하여 측정하였을 때 에서 51 S/cm의 값을 나타내었고, 교류 2단자법으로 측정한 이온 전도도는에서 의 값을 나타내었다. 즉 이 물질은 혼합 전도체로서 전극의 전 표면이 반응의 활성점으로 작용할 가능성이 있고, 이로부터 이들이 보다 우수한 양극활성을 갖는 이유를 설명할 수 있었다. For the purpose of finding new cathode materials for medium-temperature solid oxide fuel cells, are prepared, and their thermal stability and conductivity characteristics are investigated. Also, the cathodic activities are measured after the cathode layer being attached on CGO (cerium-gadolinium oxide) electrolyte disk. The X-ray analyses indicate that the materials prepared by calcining the citrate-gels at have the orthorhombic perovskite structure without discernible impurities. The thermal stability of the undoped Co perovskite is so poor that it is decomposed to the individual binary oxide even at . But the partially Fe-doped cobaltates exhibit a better thermal stability to retain their structural integrity up to . The observation whereby both the undoped and Fe-doped cobaltates melt at ca. leads us to perform the electrode adhesion at <. The cathodic activity of , electrodes is superior to , among the samples of , the x=0.2 cathode shows the best activity for the oxygen reduction reaction. It is likely that the Fe-doping provides a better thermal stability to the materials but in turn imparts an inferior cathodic activity, such that the optimum trade-off is made at x=0.2 between the two factors. The total electrical conductivity and ion conductivity of , are measured to be 51 S/cm and , respectively. The conductivity values illustrate that the materials are a mixed conductor and the reaction sites can be expanded to the overall electrode surface, thereby providing a better cathodic activity than .본 연구는 한국과학재단 국제 공동연구 프로그램에 의해 지원을 받았으므로 이에 감사드립니다

포물면 반사판 안테나의 간단한 설계 및 시간 해석

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전방향 방사 소스를 가지는 포물면 반사판 안테나의 최적화

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