[논문 리뷰] A salt water battery with high stability and charging rates made from solution processed conjugated polymers with polar side chains

Davide Moia, Alexander Giovannitti외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 28.

Advanced Battery Materials and Technologies참고 문헌 39인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 극성 측쇄를 가진 용액 처리 가능한 공액 폴리머를 양극 및 음극 재료로 사용하는 수중 전지의 개발을 제시한다. 에틸렌 글리콜과 지아이온성 측쇄를 도입함으로써 폴리머는 빠른 이온 이동성과 높은 전자 전도도를 확보하여 안정적인 사이클링(1000회 이상, 용량 손실 30% 미만)과 뛰어난 충전 속도(1000 C-레이트 이상)를 실현하였으며, 1.4 V의 출력 전압을 제공한다.

ABSTRACT

We report a neutral salt water based battery which uses p-type and n-type solution processed polymer films as the cathode and the anode of the cell. The specific capacity of the electrodes (approximately 30 mAh cm-3) is achieved via formation of bipolarons in both the p-type and n-type polymers. By engineering ethylene glycol and zwitterion based side chains attached to the polymer backbone we facilitate rapid ion transport through the non-porous polymer films. This, combined with efficient transport of electronic charge via the conjugated polymer backbones, allowed the films to maintain constant capacity at high charge and discharge rates (>1000 C-rate). The electrodes also show good stability during electrochemical cycling (less than 30% decrease in capacity over >1000 cycles) and an output voltage up to 1.4 V. The performance of these semiconducting polymers with polar side-chains demonstrates the potential of this material class for fast-charging, water based electrochemical energy storage devices.

연구 동기 및 목표

• 리튬 이온 전지 시스템을 대체하기 위해 풍부하고 비독성인 재료를 사용하는 지속 가능한 수중 전지 개발
• 공액 폴리머 전극에서 느린 이온 이동성 문제 해결 — 이는 충전 속도를 제한함
• 수용성 전지에서의 불안정성 문제를 해결하기 위해 전기화학적 내구성이 향상된 폴리머 필름 설계
• 용액 처리 가능한 재료를 사용해 중성 소금물 전해질에서 고속성능 달성
• 완전히 수용성이고 저비용인 전지 시스템에서 장기 사이클링 안정성과 고전압 출력 구현

제안 방법

• 비다공성 필름에서 이온 이동성을 향상시키기 위해 에틸렌 글리콜과 지아이온성 측쇄를 갖춘 p형 및 n형 공액 폴리머 합성
• 스핀 코팅 등의 용액 처리 기술을 사용해 두 전극 모두에 얇고 균일한 폴리머 필름 제작
• 다공성 없이도 Na+ 및 OH- 이온의 빠른 이동을 가능하게 하기 위해 극성 측쇄 설계
• 효율적인 전자 전하 이동을 위해 공액 백본 활용 — 높은 전류 밀도 달성 가능
• 중성 NaCl 수용 전해질에서 이들 폴리머 전극을 사용해 전면 전지 구성
• 갈바니스틱 충전-방전 사이클링, 순환 voltammetry, 임피던스 분석을 통한 전기화학적 성능 특성 분석

실험 결과

연구 질문

• RQ1 극성 측쇄를 가진 공액 폴리머는 다공성 없이 용액 처리 가능한 필름에서 수용성 전지의 빠른 이온 이동을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 이러한 설계된 폴리머를 사용한 수중 전지에서 도달 가능한 최대 충전 속도는 얼마인가?
• RQ3 중성 수용 전해질에서 장기간 전기화학적 사이클링 동안 전극 재료의 안정성은 어떠한가?
• RQ4 이중폴론 형성과 극성 측쇄의 조합이 높은 특이 용량과 높은 출력 전압을 제공할 수 있는가?
• RQ5 측쇄 화학 및 폴리머 구조는 어떤 정도 속도 특성 및 사이클러빌리티에 영향을 미치는가?

주요 결과

• p형 및 n형 재료에서 이중폴론 형성 덕분에 폴리머 전극은 약 30 mAh cm⁻³의 특이 용량을 달성하였다.
• 충전 및 방전 속도가 1000 C-레이트를 초과하는 조건에서도 전지가 일정한 용량을 유지하여 뛰어난 고속성능을 입증하였다.
• 장기간 사이클링에서 뛰어난 안정성을 보였으며, 1000회 이상의 충전-방전 사이클 후 용량 손실가 30% 미만이었다.
• 전면 전지는 중성 소금물(NaCl) 전해질에서 안정적인 출력 전압을 최대 1.4 V까지 제공하였다.
• 극성 측쇄(에틸렌 글리콜 및 지아이온)는 다공성 없이도 폴리머 매트릭스 내에서 이온의 빠른 이동을 가능하게 하여 폴리머 기반 전지의 핵심 제약 사항을 극복하였다.
• 용액 처리 가능한 공액 폴리머와 설계된 측쇄의 조합은 다공성 또는 복잡한 구조 없이도 높은 성능을 달성할 수 있도록 하였다.