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Synthesis of electrocatalysts for lithium-air batteries

"Synthesis of electrocatalysts for lithium-air batteries"에 대한 내용입니다.
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최초등록일 2023.12.03 최종저작일 2023.09
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Synthesis of electrocatalysts for lithium-air batteries
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    소개

    "Synthesis of electrocatalysts for lithium-air batteries"에 대한 내용입니다.

    목차

    1. Abstract
    2. Introduction
    3. Experimental sections
    4. Results and discussions
    5. Conclusions
    6. References

    본문내용

    Abstract
    Li-O2 batteries, which have high energy density, face some disadvantages in commercialization. To solve this, the potential of plasmonic materials, specifically gold nanoparticles can be used for enhancing the performance of rechargeable Li-O2 batteries. By incorporating these gold nanoparticles onto conventional cathodes, we demonstrate improved round-trip efficiency, capacity enhancement, and suppression of overpotential during cycling. The study also highlights the negligible catalytic effects of gold nanoparticles in dark conditions and rules out local heat effects induced by plasmonic interactions, providing valuable insights for the development of carbon-based cathodes with high-energy storage abilities.

    Introduction
    In recent years, the lithium-oxygen (Li-O2) batteries have gained attention due to their high theoretical energy density. However, they face challenges related to large overpotentials during the recharge (RC) step, mainly due to the slow decomposition of insulating Li2O2 at the cathode surface.

    참고자료

    · S. Linic, P. Christopher, D.B. Ingram, Plasmonic-metal nanostructures for efficient conversion of solar to chemical energy, Nature Materials, 2011, 10, 910–921.
    · G. Huang, J. Wang, X. Zhang. Electrode protection in high-efficiency Li-O2 batteries. ACS Cent. Sci. 2020, 6, 2136-2148.
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    · Zhuo Zhu, Youxuan Ni, Qingliang Lv, Jun Chen. Surface plasmon mediates the visible light–responsive lithium–oxygen battery with Au nanoparticles on defective carbon nitride. PNAS. 2021.
    · Wen-Peng Wang, Juan Zhang, Xue-Ting Li, Ya-Xia Yin, Sen Xin& Yu-Guo Guo. Stabilizing the electrochemistry of lithium-selenium battery via in situ gelated polymer electrolyte : A look from anode. Chemical Research in Chinese Universities, 2021, 37, 298-303.
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    · Xue-Qiang Zhang, Chen-Zi Zhao, Jia-Qi Huang, Qiang Zhang. Recent advances in energy chemical engineering of next generation lithium batteries. Engineering, 2018, 4, 831-847.
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    • 1. 금 나노입자 기반 플라즈모닉 촉매
      금 나노입자 기반 플라즈모닉 촉매는 나노과학과 촉매 분야에서 매우 유망한 기술입니다. 금 나노입자의 표면 플라즈몬 공명(SPR) 특성은 빛 에너지를 효율적으로 활용하여 화학 반응을 촉진할 수 있습니다. 이는 환경 정화, 유기 합성, 에너지 변환 등 다양한 응용 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 특히 광촉매 반응에서 기존 촉매보다 높은 효율성을 보여주며, 선택적 반응성도 우수합니다. 다만 금의 높은 비용과 대규모 생산의 어려움이 상용화의 주요 장애물입니다. 향후 더 저렴한 대체 금속이나 복합 나노구조 개발을 통해 실용성을 높일 수 있을 것으로 예상됩니다.
    • 2. 리튬-산소 배터리의 전기화학 반응
      리튬-산소 배터리의 전기화학 반응은 차세대 고에너지밀도 배터리 개발의 핵심입니다. 방전 과정에서 리튬 이온과 산소가 반응하여 리튬 산화물을 형성하고, 충전 시 이를 분해하는 메커니즘은 이론적으로 매우 높은 에너지밀도를 제공합니다. 그러나 실제 전기화학 반응은 복잡한 중간 생성물과 부반응을 동반하여 배터리 성능 저하를 야기합니다. 전해질 분해, 리튬 금속 부식, 산소 환원 반응의 비효율성 등이 주요 문제입니다. 이러한 전기화학적 과제를 해결하기 위해서는 고성능 촉매, 안정적인 전해질, 개선된 전극 구조 등의 다층적 접근이 필요합니다.
    • 3. Li-O2 배터리 제조 및 성능 평가
      Li-O2 배터리의 제조 및 성능 평가는 매우 까다로운 기술적 과제입니다. 배터리 제조 시 수분과 이산화탄소 제거가 필수적이며, 리튬 금속 음극의 안정성 확보가 중요합니다. 성능 평가에서는 에너지밀도, 사이클 수명, 충방전 효율, 안전성 등 다양한 지표를 종합적으로 고려해야 합니다. 현재 대부분의 Li-O2 배터리는 실험실 규모에서만 제한적으로 성공하고 있으며, 상용화 수준의 안정성과 신뢰성을 달성하지 못했습니다. 제조 공정의 표준화와 성능 평가 기준의 통일이 필요하며, 이를 통해 배터리 개발의 진전을 객관적으로 평가할 수 있을 것입니다.
    • 4. Li-O2 배터리의 한계 및 차세대 배터리
      Li-O2 배터리는 이론적 에너지밀도는 매우 높지만, 실제 구현에는 근본적인 한계가 있습니다. 리튬 금속의 수지상 결정 형성, 전해질의 불안정성, 산소 환원 반응의 비가역성, 그리고 극도로 낮은 사이클 수명이 주요 문제입니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 리튬-황 배터리, 고체 전지, 나트륨-이온 배터리, 다가 이온 배터리 등 다양한 차세대 배터리 기술이 개발되고 있습니다. 각 기술은 서로 다른 장단점을 가지고 있으며, 특정 응용 분야에 최적화된 솔루션을 제공할 것으로 예상됩니다. 향후 배터리 기술의 발전은 단일 기술의 완성보다는 다양한 기술의 병렬 개발과 상황별 최적 선택이 중요할 것입니다.
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