연구원들은 향상된 에너지 저장 시스템을 위해 산화환원 분자의 용해도를 향상시킵니다.

2023년 6월 1일

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GIST(광주과학기술원) 제공

가연성, 독성, 지속 불가능하고 값비싼 에너지원을 사용하는 주요 배터리 기술은 기후 변화의 주요 원인입니다. 따라서 화석 연료에서 더 깨끗하고 환경 친화적인 에너지원으로 전환하는 것은 기후 변화의 영향을 줄이는 데 중요합니다. 이러한 전환은 보다 안전하고 안정적인 운영, 지속 가능성, 높은 에너지/전력 밀도를 위해 에너지 저장 시스템의 효율성을 개선함으로써 뒷받침될 수 있습니다.

이 분야에 대한 연구는 수성 기반 산화환원 강화 전기화학 커패시터(산화환원 EC) 개발에 대한 분자 공학적 접근 방식에 중점을 두었습니다. 산화환원 EC는 에너지 밀도를 높이기 위해 전극-전해질 계면에서 산화환원 활성 분자를 사용하는 고급 하이브리드 전기 이중층 커패시터의 한 유형입니다.

유기 산화환원 활성 전해질의 사용으로 인해 비용 이점, 지구에 풍부한 원소 사용 및 구조 조정 가능성을 제공하는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 개발의 주요 과제는 수성 시스템에서 이들 종의 충분한 용해도가 부족하여 에너지 밀도가 낮다는 것입니다. 더욱이, 용해도를 개선하려는 이전의 시도는 시간 소모적이고 비용이 많이 드는 것으로 입증되었습니다.

이제 한국의 연구자들은 유기 산화환원 활성 종의 용해도를 향상시키기 위한 접근법으로 소수성 지지 전해질(HSE)을 사용했습니다. 광주과학기술원 유승준 조교수와 홍석원 교수가 주도한 이번 연구는 ACS Energy Letters에 게재됐다.

연구진은 일종의 양친매성 분자가 사용되는 하이드로트로피(hydrotropy) 과정을 사용했습니다. 이러한 독특한 가용화 현상은 계면활성제에 비해 소수성 성분의 부피가 상대적으로 작아서 난용성 용질의 용해도를 여러 배로 증가시키는 현상을 가능하게 한다. 연구진은 산화환원 활성 첨가제로서의 유용성과 허용 가능한 전기화학적 안정성으로 인해 다양한 퀴논을 모델 종으로 테스트했습니다.

연구진은 HSE(p-톨루엔 설폰산(p-TsOH), 2-나프탈렌설폰산(2-NpOH), 안트라퀴논-2-설폰산(AQS))을 사용하면 아무런 문제 없이 하이드로퀴논(HQ)의 용해도가 향상된다는 사실을 발견했습니다. 화학적 기능화. 중요한 것은 용해도의 증가가 각 HSE의 농도에 비례한다는 것을 입증했습니다.

더욱이 그들은 양성 및 음성 모두에서 패러데이 반응에 참여할 수 있는 비레독스 염인 2-[N,N,N-tris(2-hydroxyethyl)] 안트라센메탄아미늄-9,10-디온 브로마이드(AQM-Br)를 설계했습니다. 전극을 사용하여 HSE 시스템에서 농도 의존 방식으로 테스트했습니다. 유 박사는 "HSE에서 HQ의 용해도는 7배 증가했으며, 고안된 다기능 이중 산화환원 종(AQM-Br)이 합성되었습니다. 이 물질의 용해도는 거의 녹지 않는 수준에서 1M 이상으로 크게 향상되었습니다. HSE를 최적화합니다."