Composite polymer electrolyte membranes based on porous supports have been recognized as an alternative for fuel cell applications since it can provide both mechanical as well as electrochemical stabilities. This mini-review highlights recent advances in supported composite polymer electrolyte membranes using porous matrix and nanofibrous supports. In addition, a comprehensive table listing a wide range of anion and proton exchange pore filling membranes was provided at the end of the review.
[ $Bi_xCe_{l-x}O_{2-x/2}$ ](BD C : Bismuth Doped Ceria) powders with x = 0.1, 0.2, and 0.3 were synthesized using the Glycine Nitrate Process (GNP). They were then calcined at $500^{\circ}C$ for 2 hand sintered in a pellet or rod form at 900, 1000 or $1100^{\circ}C$ for 4 h for characterization as the alternative electrolyte material for intermediate temperature solid oxide fuel cells. The BDC powder consisted of a single phase of $CeO_2-Bi_2O_3$ solid solution in the as-synthesized state as well as in the as-calcined state with a mean powder size of 4.5nm in the former state and 6.5 - 10.1nm in the latter. On the contrary, the second phase of $\alpha-Bi_2O_3$ was observed to have been formed in the sinter with its amount increasing roughly with increasing temperature or $Bi_2O_3$ content. The BOC powder was superior in sinterability to other alternative electrolyte materials such as GDC, ScSZ, and LSGM with the minimum sintering temperature for a relative density of $95\%$ or larger as low as $1100^{\circ}C$. The ionic conductivity of BOC increased with $Bi_2O_3$ content and the maximum value of 0.119 S/cm was obtained at $800^{\circ}C$ for $Bi_{0.3}Ce_{0.7}O_{1.85}$.
Dye-sensitized solar cells(DSSCs) have been recognized as an alternative to the conventional p-n junction solar cells because of their simple fabrication process, low production cost, and transparency. A typical DSSC consists of a transparent conductive oxide (TCO) electrode, a dye-sensitized oxide semiconductor nanoparticle layer, liquid redox electrolyte, and a Pt-counter electrode. In dye-sensitized solar cells, charge recombination processes at interfaces between coducting glass, $TiO_2$, dye, and electrolyte play an important role in limiting the photon-to-electron conversion efficiency. A layer of ZTO thin film less than ~200nm in thickness, as a blocking layer, was deposited by DC magnetron sputtering method directly onto the anode electrode to be isolated from the electrolyte in dye-sensitized solar cells(DSCs). This is to prevent the electrons from back-transferring from the electrode to the electrolyte ($I^-/I_3^-$). The presented DSCs were fabricated with working electrode of Ga-doped ZnO glass coated with blocking ZTO layer, dye-attached nanoporous $TiO_2$ layer, gel electrolyte and counter electrode of Pt-deposited GZO glass. The effects of blocking layer were studied with respect to impedance and conversion efficiency of the cells.
CuSnZn electroplating was investigated as alternative to Ni plating. Evaluation of electrolyte and plating process was performed to control physical characteristics of the film, and to collect practical data for application. Hull-cell test was conducted for basic comparison of two commercialized products and developed product. Based on hull-cell test results, long term test of three electrolytes was performed. Various analysis on long term tested electrolyte and samples have been done. Reliable and practical data was collected using FE-SEM (FEI, Sirion), EDX (ThermoNoran SIX-200E), ICP Spectrometer (GBC Scientifi c, Integra XL), FIB (FEI, Nova600) for anlysis. Physical analysis and reliability test of the long term tested film were also carried out. Through this investigation plating time, plating speed, electrolyte composition, electrolyte metal consumption, hardness and corrosion resistance has been compared. This set of data is used to predict and control the chemical composition of the film and modify the physical characteristics of the CuSnZn alloy.
Vijayakumar, Vijayalekshmi;Kim, Kihyun;Nam, Sang Yong
공업화학
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제30권6호
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pp.643-651
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2019
Polybenzimidazole (PBI), an engineering polymer with well-known excellent thermal, chemical and mechanical stabilities has been recognized as an alternative to high temperature polymer electrolyte membranes (HT-PEMs). This review focuses on recent advances made on the development of PBI-based HT-PEMs for fuel cell applications. PBI-based membranes discussed were prepared by various strategies such as structural modification, cross-linking, blending and organic-inorganic composites. In addition, intriguing properties of the PBI-based membranes as well as their fuel cell performances were highligted.
The stabilized all-solid-state battery structure indicate a fundamental alternative to the development of next-generation energy storage devices. Existing liquid electrolyte structures severely limit battery stability, creating safety concerns due to the growth of Li dendrites during rapid charge/discharge cycles. In this study, a low-dimensional graphene quantum dot layer structure was applied to demonstrate stable operating characteristics based on Li+ ion conductivity and excellent electrochemical performance. Transmission electron microscopy analysis was performed to elucidate the microstructure at the interface. The low-dimensional structure of GQD-based solid electrolytes has provided an important strategy for stable scalable solid-state lithium battery applications at room temperature. This study indicates that the low-dimensional carbon structure of Li-GQDs can be an effective approach for the stabilization of solid-state Li matrix architectures.
Recently, layered nickel-rich cathode materials (NCM) have attracted considerable attention as advanced alternative cathode materials for use in lithium-ion batteries (LIBs). However, their inferior surface stability that gives rise to rapid fading of cycling performance is a significant drawback. This paper proposes a simple and convenient coating method that improves the surface stability of NCM using sulfate-based solvents that create artificial cathode-electrolyte interphases (CEI) on the NCM surface. SOx-based artificial CEI layer is successfully coated on the surface of the NCM through a wet-coating process that uses dimethyl sulfone (DMS) and dimethyl sulfoxide (DMSO) as liquid precursors. It is found that the SOx-based artificial CEI layer is well developed on the surface of NCM with a thickness of a few nanometers, and it does not degrade the layered structure of NCM. In cycling performance tests, cells with DMS- or DMSO-modified NCM811 cathodes exhibited improved specific capacity retention at room temperature as well as at high temperature (DMS-NCM811: 99.4%, DMSO-NCM811: 88.6%, and NCM811: 78.4%), as the SOx-based artificial CEI layer effectively suppresses undesired surface reactions such as electrolyte decomposition.
Li-ion batteries have been gaining increasing importance, driven by the growing utilization of renewable energy and the expansion of electric vehicles. To meet market demands, it is essential to ensure high energy density and battery safety. All-solid-state batteries (ASSBs) have attracted significant attention as a potential solution. Among the advantages, they operate with an ion-conductive solid electrolyte instead of a liquid electrolyte therefore significantly reducing the risk of fire. In addition, by using high-capacity alternative electrode materials, ASSBs offer a promising opportunity to enhance energy density, making them highly desirable in the automotive and secondary battery industries. In ASSBs, Li metal can be used as the anode, providing a high theoretical capacity (3860 mAh/g). However, challenges related to the high interfacial resistance between Li metal and solid electrolytes and those concerning material degradation during charge-discharge cycles need to be addressed for the successful commercialization of ASSBs. This review introduces and discusses the interfacial reactions between Li metal and solid electrolytes, along with research cases aiming to improve these interactions. Additionally, future development directions in this field are explored.
연료전지는 친환경적 에너지 발생원으로 미래의 에너지 부족 문제와 공해 문제를 한꺼번에 해결하기 위한 방법으로 최근 그 연구가 활발히 진행되고 있다. 연료전지는 별도의 발전 장치를 필요로 하지 않고, 수소와 산소의 반응에 의해 전기를 직접 생산하기 때문에 발전 효율이 높다. 연료전지 시스템에서의 핵심 기술은 고분자 분리막을 제조하는 것으로써 상용화된 나피온 전해질막은 제조 단가가 높고 고온에서 성능이 급감한다는 단점이 있다. 따라서 많은 학자들이 나피온 전해질 분리막을 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 총설에서는 연료전지용 전해질 분리막의 특허 및 논문의 기술 경쟁력 평가를 통하여 국가별, 기관별, 기업별 발표 빈도수를 정리하였으며, 고분자 전해질 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 그리고 알칼리 연료전지에 대한 평가를 진행하였다.
수소에너지는 화석연료의 사용으로 인해 나타나는 기후변화의 문제를 해결할 수 있는 방안일 뿐 아니라 산업용 전력 생산, 자동차용 연료 등을 위한 대체가능한 에너지로 인식되고 있다. 수소제조 방법 중 물의 전기분해를 이용한 방법이 가장 효율적이고 실용적인 방법으로 여겨지고 있으며, 수소를 물로부터 직접 제조하는 방법은 화석연료 이용 제조 방법과 비교하여 보았을 때 지구환경 오염물질인 메탄, 이산화탄소 등의 배출이 없다. 본 총설은 수소제조 방법 중 하나인 물 전기분해의 종류인 알칼리 수전해(alkaline water electrolysis, AWE), 고분자전해질막 수전해(polymer electrolyte membrane water electrolysis, PEMWE)에 대해서 분석하고 최근 연구 중인 탄화수소 전해질막의 동향 및 전해질막의 문제점인 크로스오버현상에 대해 설명하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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