Lithium ion batteries (LIBs) are the state-of-the-art technology among electrochemical energy storage and conversion cells, and are still considered the most attractive class of battery in the future due to their high specific energy density, high efficiency, and long cycle life. Rapid development of power-hungry commercial electronics and large-scale energy storage applications (e.g. off-peak electrical energy storage), however, requires novel anode materials that have higher energy densities to replace conventional graphite electrodes. Germanium (Ge) and silicon (Si) are thought to be ideal prospect candidates for next generation LIB anodes due to their extremely high theoretical energy capacities. For instance, Ge offers relatively lower volume change during cycling, better Li insertion/extraction kinetics, and higher electronic conductivity than Si. In this focused review, we briefly describe the basic concepts of LIBs and then look at the characteristics of ideal anode materials that can provide greatly improved electrochemical performance, including high capacity, better cycling behavior, and rate capability. We then discuss how, in the future, Ge anode materials (Ge and Ge oxides, Ge-carbon composites, and other Ge-based composites) could increase the capacity of today's Li batteries. In recent years, considerable efforts have been made to fulfill the requirements of excellent anode materials, especially using these materials at the nanoscale. This article shall serve as a handy reference, as well as starting point, for future research related to high capacity LIB anodes, especially based on semiconductor Ge and Si.
Journal of the Korean Institute of Intelligent Systems
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v.27
no.1
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pp.1-6
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2017
Recent researches on radio frequency energy harvesting networks(RF-EHNs) with limited energy resource like battery have been focusing on the development of a new scheme that can effectively extend the whole lifetime of a network to semipermanent. In order for considerable increase both in the amount of energy obtained from radio frequency energy harvesting and its charging effectiveness, it is very important to design a network that supports energy harvesting and data transfer simultaneously with the full consideration of various characteristics affecting the performance of a RF-EHN. In this paper, we proposes an interference-based charging aware routing protocol(ICARP) that utilizes interference information and charging time to maximize the amount of energy harvesting and to minimize the end-to-end delay from a source to the given destination node. To accomplish the research objectives, this paper gives a design of ICARP adopting new network metrics such as interference information and charging time to minimize end-to-end delay in energy harvesting wireless networks. The proposed method enables a RF-EHN to reduce the number of packet losses and retransmissions significantly for better energy consumption. Finally, simulation results show that the network performance in the aspects of packet transmission rate and end-to-end delay has enhanced with the comparison of existing routing protocols.
Kim, Do Hun;Jeong, Yu Deok;Kim, Sang Pil;Sim, Un Bo
Bulletin of the Korean Chemical Society
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v.21
no.11
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pp.1125-1132
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2000
The pH effect of the precursor solution on the preparation of $LiCoO_2$ by a solution phase reaction containing malonic acid was carried out. Layered $LiCoO_2$ powders were obtained with the precursors prepared at the different pHs (4, 7, and 9) and heat-treated at $700^{\circ}C(LiCoO_2-700)$ or $850^{\circ}C(LiCoO_2-850)$ in air. pHs of the media for precursor synthesis affects the charge/discharge and electrochemical properties of the $LiCoO_2electrodes.$ Upon irrespective of pH of the precursor media, X-ray diffraction spectra recorded for $LiCoO_2-850$ powder showed higher peak intensity ratio of I(003)/I(104) than that of $LiCoO_2-700$, since the better crystallization of the former crystallized better. However, $LiCoO_2$ synthesized at pH 4 displayed an abnormal higher intensity ratio of I(003)/I(104) than those synthesized at pH 7 and 9. The surface morphology of the $LiCoO_2-850$ powders was rougher and more irregular than that of $LiCoO_2-700$ made from the precursor synthesized at pH 7 and 9. The $LiCoO_2electrodes$ prepared with the precursors synthesized at pH 7 and 9 showed a better electrochemical and charge/discharge characteristics. From the AC impedance spectroscopic experiments for the electrode made from the precursor prepared in pH 7, the chemical diffusivity of Li ions (DLi+) in $Li0.58CoO_2determined$ was 2.7 ${\times}$10-8 $cm^2s-1$. A cell composed of the $LiCoO_2-700$ cathode prepared in pH 7 with Lithium metal anode reveals an initial discharge specific capacity of 119.8 mAhg-1 at a current density of 10.0 mAg-1 between 3.5 V and 4.3 V. The full-cell composed with $LiCoO_2-700$ cathode prepared in pH 7 and the Mesocarbon Pitch-based Carbon Fiber (MPCF) anode separated by a Cellgard 2400 membrane showed a good cycleability. In addition, it was operated over 100 charge/discharge cycles and displayed an average reversible capacity of nearly 130 mAhg-1.
Birnessite (birnessite, $7{\AA}$ manganate, ${\delta}-MnO_2$) is a major mineral comprising manganese nodule. Various synthetic methods have been studied and evaluated because it can be used as an ion exchange agent and a battery recharging material. However, it is difficult to obtain a single birnessite phase because it does not have a stoichiometric chemical composition. Feitknechtite (${\beta}-MnOOH$) is formed as an intermediate product during birnessite synthesis and in this study, the transition of this phase to birnessite was compared by using XRD and SEM. Two different methods, Feng et al. (2004) and Luo et al. (1998), based on redox reaction were used. It was possible to obtain the impurity-free birnessite for the sample aged 60 days at $27^{\circ}C$ by Feng et al. (2004) method and 3 days at $60^{\circ}C$ by Luo et al. (1998) method. The phase transition rate of the feitknechtite phase was slower in the case of $Mg^{2+}$ doped birnessite which was synthesized by Luo et al. (1998) method, and almost single phase almost single phase birnessite was identified at high temperature. Crystal surface and morphology also confirmed the difference between the samples synthesized by two methods.
$Li_4Ti_5O_{12}$ is a promising next-generation anode material for lithium-ion batteries due to excellent cycle life, low irreversible capacity, and little volume expansion during charge-discharge process. However, it has poor charge capacity at high current density due to its low electrical conductivity. To improve this weakness, porous $Li_4Ti_5O_{12}$ was synthesized by sol-gel method with P123 as chelating agent. The physical characteristics of as-prepared sample was investigated by XRD, SEM, and BET analysis, and electrochemical properties were characterized by cycle performance test, cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS). $Li_4Ti_5O_{12}$ synthesized by 0.01mol ratio of P123/Ti showed most unified particle size, high specific surface area, and relatively high porosity. EIS analysis showed that depressed semicircle size was remarkably reduced, which suggested resistance value in electrode was decreased. Capacity in rate performance showed 178 mAh/g at 0.2C, 170 mAh/g at 0.5C, 110 mA/h at 5C, and 90 mAh/g at 10C. Capacity retention also showed 99% after rate performance.
To improve the electrochemical performances of the cathode materials, boron-doped $LiNi_{0.90}Co_{0.05}Ti_{0.05}O_2$ were synthesized by using concentration gradient precursor. The characteristics of the prepared cathode materials were analyzed by XRD, SEM, EDS, PSA, ICP-OES and electrical conductivity measurement. The electrochemical performances were investigated by initial charge/discharge capacity, cycle stability, C-rate, cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The cathode material with 0.5 mol% boron exhibited a capacity of 187 mAh/g (0.5 C) in a voltage range of 2.7~4.3 V(vs. $Li/Li^+$), and an capacity retention of 94.7% after 50 cycles. In the relatively high voltage range of 2.7~4.5 V(vs. $Li/Li^+$), it showed a high capacity of 200 mAh/g and capacity retention of 80.5% after 50 cycles.
Park, Jea-Bum;Kim, Byung-Ki;Kim, Mi-Sung;Rho, Dae-Seok
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.20
no.6
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pp.26-37
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2019
Recently, standardization of installation progress and technology of site acceptance test(SAT) for energy storage system(ESS) are being required due to performance of ESS depending on working condition and environment even though the quality and safety of each component of ESS is guaranteed. And also, it has been required to perform not only performance testing by H/W equipments but also performance verification by S/W tool, in order to more accurately and reliably validate the performance of the ESS in advanced countries. Therefore, this paper proposes evaluation algorithm for SAT to evaluate performance of ESS and presents modeling of SAT test equipment for ESS by using PSCAD/EMTDC. Furthermore, 30[kW] scaled portable test equipments is implemented based on the proposed algorithm and modeling. From the various simulation and test results, it is confirmed that performance of ESS related to characteristics of capacity and Round-trip efficiency, Duty-cycle efficiency, low voltage ride through(LVRT) and Anti-islanding can be accurately evaluated and that the simulation results of PSCAD/EMTDC are identical to test results of 30[kW] test equipment.
Kim, Jumi;Oh, Jimin;Kim, Ju Young;Lee, Young-Gi;Kim, Kwang Man
Journal of the Korean Electrochemical Society
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v.22
no.3
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pp.87-103
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2019
Nonaqueous organic electrolyte solution in commercially available lithium-ion batteries, due to its flammability, corrosiveness, high volatility, and thermal instability, is demanding to be substituted by safer solid electrolyte with higher cycle stability, which will be utilized effectively in large-scale power sources such as electric vehicles and energy storage system. Of various types of solid electrolytes, composite solid electrolytes with polymer matrix and active inorganic fillers are now most promising in achieving higher ionic conductivity and excellent interface contact. In this review, some kinds and brief history of solid electrolyte are at first introduced and consequent explanations of polymer solid electrolytes and inorganic solid electrolytes (including active and inactive fillers) are comprehensively carried out. Composite solid electrolytes including these polymer and inorganic materials are also described with their electrochemical properties in terms of filler shapes, such as particle (0D), fiber (1D), plane (2D), and solid body (3D). In particular, in all-solid-state lithium batteries using lithium metal anode, the interface characteristics are discussed in terms of cathode-electrolyte interface, anode-electrolyte interface, and interparticle interface. Finally, current requisites and future perspectives for the composite solid electrolytes are suggested by help of some decent reviews recently reported.
Im, Chae-Nam;Ahn, Tae-Young;Yu, Hye-Ryeon;Ha, Sang Hyeon;Yeo, Jae Seong;Cho, Jang-Hyeon;Yoon, Hyun-Ki
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.32
no.2
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pp.165-173
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2019
Lithium anodes (13, 15, 17, and 20 wt% Li) were fabricated by mixing molten lithium and iron powder, which was used as a binder to hold the molten lithium, at about $500^{\circ}C$ (discharge temp.). In this study, the effect of applied pressure and lithium content on the discharge properties of a thermal battery's single cell was investigated. A single cell using a Li anode with a lithium content of less than 15 wt% presented reliable performance without any abrupt voltage drop resulting from molten lithium leakage under an applied pressure of less than $6kgf/cm^2$. Furthermore, it was confirmed that even when the solid electrolyte is thinner, the Li anode of the single cell normally discharges well without a deterioration in performance. The Li anode of the single cell presented a significantly improved open-circuit voltage of 2.06 V, compared to that of a Li-Si anode (1.93 V). The cut-off voltage and specific capacity were 1.83 V and $1,380As\;g^{-1}$ (Li anode), and 1.72 V and $1,364As\;g^{-1}$ (Li-Si anode). Additionally, the Li anode exhibited a stable and flat discharge curve until 1.83 V because of the absence of phase change phenomena of Li metal and a subsequent rapid voltage drop below 1.83 V due to the complete depletion of Li at the end state of discharge. On the other hand, the voltage of the Li-Si anode cell decreased in steps, $1.93V{\rightarrow}1.72V(Li_{13}Si_4{\rightarrow}Li_7Si_3){\rightarrow}1.65V(Li_7Si_3{\rightarrow}Li_{12}Si_7)$, according to the Li-Si phase changes during the discharge reaction. The energy density of the Li anode cell was $807.1Wh\;l^{-1}$, which was about 50% higher than that of the Li-Si cell ($522.2Wh\;l^{-1}$).
The Journal of Korea Institute of Information, Electronics, and Communication Technology
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v.14
no.1
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pp.56-69
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2021
In this paper, the PV system with a link to the commercial system needs some advantages like small capacity, high power factor, high reliability, low harmonic output, maximum power operation of solar cell, and low cost, etc. as well as the properties of inverter. To transfer the PV energy of photovoltaic power generation system to the system and load, it requires PCS in both directions. The purpose of this paper is to confirm the stable power supply through the load leveling by presenting the PCS considering ESS of photovoltaic power generation. In order to achieve these purpose, 5 step process of operation mode algorithm were used according to the solar insolation amount and load capacity and the controller for charging/ discharging control was designed. For bidirectional and effective energy transfer, the bidirectional converter and battery at DC-link stage were connected and the DC-link voltage and inverter output voltage through the interactive inverter were controlled. In order to prove the validity of the suggested system, the simulation using PSIM was performed and were reviewed for its validity and stability. The 3[kW] PCS was manufactured and its test was conducted in order to check this situation. In addition, the system characteristics suggested through the test results was verified and the PCS system presented in this study was excellent and stronger than that of before system.
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