KR20240023997A - Electrochemical Analysis Method of Recognizing the Interfacial Layer with depleted water on Positively Electrified Electrode in water-in-salt electrolyte solutions - Google Patents
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Abstract
염중수 전해액 및 전극을 포함하는 전지 시스템에서 염소 이온을 이용하여 양전위 전극의 소수성 계면층의 형성 여부를 인식하는 전기화학 분석법으로서, 상기 염중수 전해액은 수계 용매 및 염을 포함하고 수계 용매의 중량에 대한 염 중량의 비율은 1 이상이며, 상기 분석법은 염중수 전해액에 염소 이온을 함유하는 용액을 첨가하고, 전압이 걸린 상태에서 염소 이온과 관련된 두 종류의 산화환원 반응이 확인되면 양전위 전극에 소수성을 띤 계면층이 형성된 것으로 판단하는 것인, 염중수 전해액 중 양전위 전극의 소수성 계면층을 인식하는 전기화학 분석법에 관한 것이다. An electrochemical analysis method that recognizes the formation of a hydrophobic interface layer of a positive potential electrode using chlorine ions in a battery system containing a salt-in-water electrolyte and an electrode, wherein the salt-in-water electrolyte includes an aqueous solvent and a salt, and the weight of the aqueous solvent The ratio of the weight of salt to is more than 1, and the above analysis method involves adding a solution containing chlorine ions to a water-in-salt electrolyte, and when two types of redox reactions related to chlorine ions are confirmed under a voltage applied, it is applied to a positive potential electrode. It relates to an electrochemical analysis method that recognizes the hydrophobic interface layer of a positive potential electrode in a salt-in-water electrolyte solution, which determines that a hydrophobic interface layer has been formed.
Description
염중수 전해액 중 양전위 전극의 물이 배제된 계면층을 인식하는 전기화학 분석법에 관한 것이다. This relates to an electrochemical analysis method that recognizes the water-excluding interfacial layer of the positive potential electrode in a salt-in-water electrolyte.
염중수 전해액(Water-in-Salt Electrolyte; WiSE)은 고농축 전해질을 포함하는 수계 매질로서, 각종 전지 시스템의 유망한 전해질로 여겨지고 있다. 염중수 전해액 시스템에서 물 산화반응의 키네틱 과전위가 증가하기 위해서는 양전위 전극(positively electrified electrode) 표면에 소수성의 계면층(interfacial layer; IFL)이 형성되는 것이 중요하다. 즉, 양전위 전극과 전해액의 계면에 형성되는 소수성의 계면층 형성 유무가 염중수 전해질 시스템의 가동에 결정적인 요소라고 할 수 있다. 이에, 양전위 전극과 전해액의 계면에 어떠한 성질의 계면층이 형성되었는지를 인식하는 것은 중요한 과제라고 할 수 있다. Water-in-Salt Electrolyte (WiSE) is an aqueous medium containing highly concentrated electrolytes and is considered a promising electrolyte for various battery systems. In order to increase the kinetic overpotential of the water oxidation reaction in a salt-in-water electrolyte system, it is important for a hydrophobic interfacial layer (IFL) to be formed on the surface of a positively electrified electrode. In other words, the presence or absence of a hydrophobic interfacial layer formed at the interface between the positive potential electrode and the electrolyte solution can be said to be a critical factor in the operation of the salt-in-water electrolyte system. Accordingly, it can be said that it is an important task to recognize the nature of the interfacial layer formed at the interface between the positive potential electrode and the electrolyte solution.
상기 계면층(IFL)은 전압이 가해진 전극 위에 이온 등이 배열하여 형성되는 이중층으로서, 전위차가 없어지면 사라지는 층이다. 이는 기존에 연구되었던 SEI(Solid Electrolyte Interphase)와는 구분되는 개념이다. SEI는 전지의 초기 충방전 과정에서 전해질의 분해(환원)에 의해 형성되는, 이온 전도성 및 전자 절연성이 있는 층으로서, 전위차가 없어져도 즉 전극에 가해지는 전압이 없어져도 계속 남아 있는 일종의 필름이다. 그동안 SEI와 같이 안정적인 층에 대한 분석은 많이 이루어졌으나, 상기 계면층은 전압이 걸린 조건에서만 존재하고 또한 그 두께가 1 nm 미만으로 예상되므로 실질적으로 검출하는 데 한계가 있고 기존의 연구들도 이론적인 접근에 국한되어 있다. 비특허문헌 1에서는 원자힘 현미경(Atomic Force Microscopy; AFM)과 표면강화 적외선 흡수 분광법을 통해 상기 계면층에 대한 분석을 시도하였는데, 이러한 방법은 분석 방법이 까다롭고 직관적인 확인이 어려우며 초소형 전극 등에 한정된 방법이라는 데 한계가 있다. The interface layer (IFL) is a double layer formed by arranging ions, etc. on an electrode to which a voltage is applied, and is a layer that disappears when the potential difference disappears. This is a distinct concept from the previously studied SEI (Solid Electrolyte Interphase). SEI is an ionic conductive and electronic insulating layer formed by decomposition (reduction) of the electrolyte during the initial charging and discharging process of the battery. It is a type of film that remains even when the potential difference disappears, that is, even when the voltage applied to the electrode disappears. Although many analyzes have been conducted on stable layers such as SEI, the interfacial layer exists only under voltage-applied conditions and its thickness is expected to be less than 1 nm, so there are limits to its practical detection, and existing studies are also based on theoretical methods. Access is limited. In Non-Patent Document 1, an attempt was made to analyze the interfacial layer through atomic force microscopy (AFM) and surface-enhanced infrared absorption spectroscopy, but these methods are difficult to analyze and intuitively confirm, and are limited to ultra-small electrodes. There are limitations to the method.
[비특허문헌 1] CS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 8, 8086-8094 [Non-patent Document 1] CS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 8, 8086-8094
염중수 전해액 시스템에서 양전위 전극의 물이 배제된 소수성 계면층을 확인하는 방법으로서 간편하고 직관적이며 경제적인 전기화학적 분석법을 제공한다. A simple, intuitive, and economical electrochemical analysis method is provided as a method to identify the water-excluding hydrophobic interface layer of the positive potential electrode in a salt-in-water electrolyte system.
일 구현예에서는 염중수 전해액 및 전극을 포함하는 전지 시스템에서 염소 이온(Chloride)을 이용하여 양전위 전극의 소수성 계면층의 형성 여부를 인식하는 전기화학 분석법으로서, 상기 염중수 전해액은 수계 용매 및 염을 포함하고 수계 용매의 중량에 대한 염 중량의 비율은 1 이상이며, 상기 분석 방법은 염중수 전해액에 염소 이온을 함유하는 용액을 첨가하고, 전압이 걸린 상태에서 염소 이온과 관련된 두 종류의 산화환원 반응이 확인되면 양전위 전극의 소수성 계면층이 형성된 것으로 판단하는 것인, 염중수 전해액 중 양전위 전극의 소수성 계면층을 인식하는 전기화학 분석법을 제공한다. In one embodiment, it is an electrochemical analysis method that recognizes whether a hydrophobic interface layer is formed on a positive potential electrode using chloride ions in a battery system including a salt-in-water electrolyte and an electrode, wherein the salt-in-water electrolyte is an aqueous solvent and salt. and the ratio of the weight of salt to the weight of the aqueous solvent is 1 or more. The analysis method includes adding a solution containing chlorine ions to a water-in-salt electrolyte, and performing two types of redox associated with chlorine ions under voltage. An electrochemical analysis method is provided to recognize the hydrophobic interface layer of the positive potential electrode in the salt-in-water electrolyte solution, which determines that the hydrophobic interface layer of the positive potential electrode has been formed when the reaction is confirmed.
상기 양전위 전극의 물이 배제된 소수성 계면층의 형성은 염중수 전해액 전지 시스템의 안정적인 구동의 가부를 결정짓는 중요한 요소이다. 따라서 상기 전지 시스템의 제조 및 연구 과정에서 어떠한 성질의, 특히 물과 관련하여 어떠한 성질의 계면층이 형성되었는지를 인식하는 것은 필수적인 과제라고 할 수 있다. 일 구현예에 따른 분석법은 염중수 전해액 전지 시스템에서 양전위 전극에 어떠한 성질의 계면층이 형성되었는지를 인식할 수 있는 방법이며, 구체적으로, 상기 양전위 전극과 염중수 전해액의 계면에 물이 배제된 소수성의 계면층이 형성되었는지 여부를 판단할 수 있는 전기화학적 분석법이다. 이러한 분석법은 매우 간편하고 직관적인 방법으로서, 염중수 전해액을 적용한 다양한 전지 시스템에 활용될 수 있다. The formation of a hydrophobic interface layer excluding water on the positive potential electrode is an important factor in determining the stable operation of the salt-in-water electrolyte battery system. Therefore, it can be said that it is an essential task to recognize the nature of the interfacial layer formed in the manufacturing and research process of the battery system, especially in relation to water. The analysis method according to one embodiment is a method that can recognize the nature of the interface layer formed on the positive potential electrode in the salt-in-water electrolyte battery system. Specifically, water is excluded from the interface between the positive potential electrode and the salt-in-water electrolyte solution. It is an electrochemical analysis method that can determine whether a hydrophobic interface layer has been formed. This analysis method is a very simple and intuitive method and can be used in various battery systems using salt-in-water electrolyte.
도 1은 실시예 1(GC 전극) 및 참조예 1(Pt 전극)에 대한 0.5 m 및 12 m 농도의 LiTFSI 전해액에서의 순환 전압전류법(Cyclic Voltammetry; CV) 분석 그래프이다.
도 2는 실시예 1(GC 전극) 및 참조예 1(Pt 전극)에서 준비한 다양한 몰랄 농도의 전해액에 50 mM의 HCl을 투입한 후 분석한 CV 그래프이다.
도 3은 전위 차이(왼쪽의 0V 및 오른쪽의 2V)에 따른 계면층에서의 염소 이온의 산화환원 반응의 차이를 모식화하여 나타낸 도면이며, 각 도면 오른쪽 위의 그래프는 염소 이온과 관련된 피크를 나타내는 CV 그래프이다.
도 4는 실시예 1(GC 전극) 및 참조예 1(Pt 전극)에 대한 0.5 m 및 12 m 농도의 LiTFSI 전해액에서의 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction; OER)과 관련된 선형 주사 전위법(Linear Sweep Voltammetry; LSV) 분석 그래프이다.
도 5는 실시예 1(GC 전극) 및 참조예 1(Pt 전극)의 12 m 염중수 전해액에 HBr을 첨가한 후 분석한 CV 그래프이다.
도 6은 실시예 1(GC 전극) 및 참조예 1(Pt 전극)의 12 m 염중수 전해액에 HI을 첨가한 후 분석한 CV 그래프이다.
도 7은 할라이드(Cl-, Br-, and I-)를 함유하는 12 m 염중수 전해액에서 실시예 1의 GC 전극을 전기화학 처리한 후 분석한 엑스선 광전자 분광분석(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS) 결과이다.
도 8은 도 7에서 할라이드 종류 별 F, N, S, X-, X3 -, X2의 피크 세기를 비교한 그래프로, X는 해당 할라이드 원소를 의미한다. Figure 1 is a graph of Cyclic Voltammetry (CV) analysis in LiTFSI electrolyte solutions at concentrations of 0.5 m and 12 m for Example 1 (GC electrode) and Reference Example 1 (Pt electrode).
Figure 2 is a CV graph analyzed after adding 50 mM HCl to electrolyte solutions of various molar concentrations prepared in Example 1 (GC electrode) and Reference Example 1 (Pt electrode).
Figure 3 is a diagram schematically showing the difference in the redox reaction of chlorine ions in the interface layer depending on the potential difference (0V on the left and 2V on the right), and the graph at the top right of each figure represents the peak related to chlorine ions. This is a CV graph.
Figure 4 shows the linear sweep potential associated with the Oxygen Evolution Reaction (OER) in LiTFSI electrolyte at 0.5 m and 12 m concentrations for Example 1 (GC electrode) and Reference Example 1 (Pt electrode). Voltammetry (LSV) analysis graph.
Figure 5 is a CV graph analyzed after adding HBr to the 12 m salt-in-water electrolyte solution of Example 1 (GC electrode) and Reference Example 1 (Pt electrode).
Figure 6 is a CV graph analyzed after adding HI to the 12 m salt-in-water electrolyte solution of Example 1 (GC electrode) and Reference Example 1 (Pt electrode).
Figure 7 shows X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis after electrochemical treatment of the GC electrode of Example 1 in a 12 m salt-in-water electrolyte containing halides (Cl - , Br - , and I - ). ) is the result.
Figure 8 is a graph comparing the peak intensities of F, N, S , X - ,
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
이하에서 "이들의 조합"이란, 구성물의 혼합물, 적층물, 복합체, 공중합체, 합금, 블렌드, 반응 생성물 등을 의미한다. Hereinafter, “a combination thereof” means a mixture of constituents, a laminate, a composite, a copolymer, an alloy, a blend, a reaction product, etc.
여기서 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 이해되어 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Here, terms such as “comprise,” “comprise,” or “have” are understood to indicate the presence of implemented features, numbers, steps, components, or a combination thereof, and one or more other features or It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of numbers, steps, components, or combinations thereof.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타냈다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 “층”은 평면도로 관찰했을 때 전체 면에 형성되어 있는 형상뿐만 아니라 일부 면에 형성되어 있는 형상도 포함한다.In the drawing, the thickness is enlarged to clearly express various layers and areas. When a part of a layer, membrane, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, this includes not only cases where it is “directly above” another part, but also cases where there is another part in between. Conversely, when a part is said to be “right on top” of another part, it means that there is no other part in between. Additionally, “layer” includes not only the shape formed on the entire surface when observed in plan view, but also the shape formed on some surfaces.
여기서 “또는”은 배제적인(exclusive) 의미로 해석되지 않으며, 예를 들어 “A 또는 B”는 A, B, A+B 등을 포함하는 것으로 해석된다. Here, “or” is not interpreted in an exclusive sense; for example, “A or B” is interpreted as including A, B, A+B, etc.
일 구현예에서는 염중수 전해액 및 전극을 포함하는 전지 시스템에서 염소 이온을 이용하여 양전위 전극의 소수성 계면층의 형성 여부를 인식하는 전기화학적 분석법을 제공한다. In one embodiment, an electrochemical analysis method is provided to recognize whether a hydrophobic interface layer of a positive potential electrode is formed using chlorine ions in a battery system including a salt-in-water electrolyte and an electrode.
여기서 전지 시스템은 전기화학장치를 아우르는 개념으로서, 리튬 이차 전지나 납축 전지 등의 이차 전지, 레독스 흐름 전지, 연료 전지, 커패시터, 전기 분해 장치 등을 포함하는 개념으로 해석될 수 있다.Here, the battery system is a concept that encompasses electrochemical devices, and can be interpreted as a concept that includes secondary batteries such as lithium secondary batteries and lead acid batteries, redox flow batteries, fuel cells, capacitors, and electrolysis devices.
상기 염중수 전해액은 수계 용매 및 염을 포함하는 것으로 고농도의 수계전해질이라고 할 수 있으며, 구체적으로 수계 용매의 중량에 대한 염 중량의 비율이 1 이상인 것을 의미한다. 상기 염중수 전해액에서 수계 용매의 중량에 대한 염 중량의 비율은 1 이상 30 이하, 또는 1 이상 20 이하일 수 있다. 염중수 전해액에서는 상대적인 물 분자수가 감소하고 이온의 수가 증가하여 양이온과 음이온의 상호 작용이 부각되며, 물의 산화환원 반응의 에너지 장벽이 증가하고 전기화학적 안정창이 확장되는 효과가 있다. 이러한 염중수 전해액은 기존의 수계 전해질의 한계를 극복할 수 있는 전해질로 여겨진다. The water-in-salt electrolyte solution contains an aqueous solvent and a salt and can be said to be a high-concentration aqueous electrolyte. Specifically, it means that the ratio of the weight of the salt to the weight of the aqueous solvent is 1 or more. In the water-in-salt electrolyte solution, the ratio of the weight of salt to the weight of the aqueous solvent may be 1 or more and 30 or less, or 1 or more and 20 or less. In a salt-in-water electrolyte, the relative number of water molecules decreases and the number of ions increases, highlighting the interaction between positive and negative ions, increasing the energy barrier for the redox reaction of water, and expanding the electrochemical stability window. This salt-in-water electrolyte is considered to be an electrolyte that can overcome the limitations of existing aqueous electrolytes.
상기 수계 용매는 물, 알코올계 용매, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 예를 들어 물을 80 부피% 이상 함유하는 용매를 의미할 수 있다. 상기 염은 용매에 용해되어 이온의 공급원으로 작용하고 양극과 음극 사이의 이온의 이동을 촉진하는 물질로서, 전지 시스템의 작동을 가능하게 하는 물질이라고 할 수 있다. 상기 염은 염중수 전해액을 구성할 수 있는 것이라면 제한없이 적용 가능하고, 예를 들어 나트륨염, 리튬염 등의 알칼리 금속 염일 수 있으며, 일 예로 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 (LiTFSI), 리튬 트리플루오로메탄설포네이트(LiOTf), 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 염중수 전해액의 몰랄 농도는 적용하는 염의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어 5 m 내지 50 m, 8 m 내지 40 m, 또는 10 m 내지 30 m 등일 수 있다. The aqueous solvent may include water, an alcohol-based solvent, or a combination thereof, and may, for example, mean a solvent containing 80% by volume or more of water. The salt is a substance that dissolves in a solvent and acts as a source of ions and promotes the movement of ions between the anode and the cathode, and can be said to be a substance that enables the operation of the battery system. The salt can be applied without limitation as long as it can form a water-in-salt electrolyte. For example, it may be an alkali metal salt such as sodium salt or lithium salt, and an example is lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI). ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiOTf), or a combination thereof. The molal concentration of the water-in-salt electrolyte may vary depending on the type of salt applied, and may be, for example, 5 m to 50 m, 8 m to 40 m, or 10 m to 30 m.
이하, 계면층(IFL)은 양전위 전극의 표면, 즉 양전위 전극과 전해액의 계면에 형성된 층을 의미하며, 종래 음전위 전극의 표면에 형성되는 것으로 보고된 SEI와는 상이한 개념으로 이해되어야 한다. 상기 양전위 전극(positively electrified electrode)은 양전하 전극(positively charged electrode)으로 표현될 수 있고, 일 예로 양극 또는 캐소드일 수 있다. 상기 양전위 전극은 예를 들어 +1 V 이상의 전위가 인가된 전극일 수 있고, 구체적으로 1V 내지 5V의 전위가 인가된 전극일 수 있다. Hereinafter, the interfacial layer (IFL) refers to a layer formed on the surface of a positive potential electrode, that is, at the interface between a positive potential electrode and an electrolyte, and should be understood as a different concept from SEI, which has been reported to be formed on the surface of a conventional negative potential electrode. The positively electrified electrode may be expressed as a positively charged electrode, and may be an anode or a cathode, for example. The positive potential electrode may be, for example, an electrode to which a potential of +1 V or more is applied, and may specifically be an electrode to which a potential of 1 V to 5 V is applied.
상기 계면층은 전압이 걸린 조건에서만 존재하고 전위차가 없어지면 사라지는 층이며, 그 두께가 10 nm 이하 혹은 1 nm 이하 수준으로 매우 얇아서 이를 포착하는 것은 거의 불가능했고, 따라서 상기 계면층이 어떠한 성질을 띠는지를 인식하는 것이나, 혹은 물이 배제된 소수성의 계면층이 형성되었는지 여부를 판단하기 위해서는 복잡한 분석 방법을 사용해야 하는 한계가 있었다. 반면 일 구현예에 따른 분석법은 염소 이온을 이용하여 매우 간편하게 소수성의 계면층이 형성되었는지 여부를 직관적으로 판단할 수 있는 방법이라고 할 수 있다. 일 구현예에 따른 소수성의 계면층 인식 방법은 염중수 전해액 및 전극을 포함하는 전지 시스템에 염소 이온을 함유하는 용액을 투입하고, 전압이 가해진 상태에서 염소 이온과 관련된 두 종류의 산화환원 반응이 확인되면 양전위 전극에 소수성의 계면층이 형성된 것으로 판단하는 방법이라고 할 수 있다.The interfacial layer is a layer that exists only under voltage conditions and disappears when the potential difference disappears. Its thickness is very thin, at the level of 10 nm or less or 1 nm, so it was almost impossible to capture it, so it is difficult to know what properties the interface layer has. There was a limitation in that complex analysis methods had to be used to recognize or determine whether a hydrophobic interfacial layer excluding water had been formed. On the other hand, the analysis method according to one embodiment can be said to be a method that can very easily and intuitively determine whether a hydrophobic interface layer has been formed using chlorine ions. According to one embodiment, a hydrophobic interfacial layer recognition method involves adding a solution containing chlorine ions to a battery system including a salt-in-water electrolyte and an electrode, and confirming two types of redox reactions related to chlorine ions when a voltage is applied. This can be said to be a method of determining that a hydrophobic interface layer has been formed on the positive potential electrode.
여기서 염소 이온과 관련된 두 종류의 산화환원 반응은 구체적으로 아래 반응식 1과 반응식 2로 표시될 수 있다. Here, the two types of redox reactions related to chlorine ions can be specifically expressed as Scheme 1 and Scheme 2 below.
[반응식 1][Scheme 1]
Cl3 - + 2e- ⇔ 3Cl- Cl 3 - + 2e - ⇔ 3Cl -
[반응식 2][Scheme 2]
3Cl2 + 2e- ⇔ 2Cl3 - 3Cl 2 + 2e - ⇔ 2Cl 3 -
상기 두 종류의 산화환원 반응을 확인하는 전기화학적 분석법은 예를 들어 순환 전압전류법(Cyclic Voltammetry; CV) 또는 시간대전류법(Chronoamperometry) 등을 이용한 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어 CV 분석 그래프에서 두 종류의 산화환원 피크가 나타나면 물이 배제된 소수성의 계면층이 형성된 것으로 판단할 수 있다. 또한 시간대전류법 그래프에서 전압의 증가에 따라 전류밀도 값이 유지되는 구간이 두 번 나타나면 상기 두 종류의 산화환원 반응이 일어난 것으로 볼 수 있고 이에 따라 소수성 계면층이 형성된 것으로 판단할 수 있다. The electrochemical analysis method for confirming the above two types of redox reactions may, for example, use Cyclic Voltammetry (CV) or Chronoamperometry, but is not limited thereto. For example, if two types of redox peaks appear in the CV analysis graph, it can be determined that a hydrophobic interfacial layer excluding water has been formed. Additionally, if a section in which the current density value is maintained as the voltage increases appears twice in the chronoamperometric graph, it can be seen that the above two types of redox reactions have occurred, and accordingly, it can be determined that a hydrophobic interface layer has been formed.
일반적으로 유기 용매에서 염소 이온은 반응식 1 및 반응식 2의 두 종류의 산화환원 반응이 나타난다(Cl- ↔ Cl3 - ↔ Cl2). 반면 수용액에서는 Cl3 -가 안정화되지 못하기 때문에 한 종류의 산화환원 반응만 나타나고(Cl- ↔ Cl2), 염중수 전해액도 수용액이므로 한 종류의 산화환원 반응만 나타나는 것으로 확인된다. 그런데 염중수 전해액 시스템에 특정 전극을 적용하였을 때, 전압이 가해진 상태에서 염소 이온의 두 종류의 산화환원 반응이 검출된다는 것은, 염소 이온이 소수성의 계면층에 연관되었다는 의미로 해석되며 이에 따라 물이 배제되는 소수성의 계면층이 형성된 것으로 판단할 수 있다. 이를 입증하는 내용은 아래 실시예 등에서 구체적으로 설명하겠다. In general, chlorine ions in organic solvents undergo two types of redox reactions shown in Reaction Formula 1 and Reaction Formula 2 (Cl - ↔ Cl 3 - ↔ Cl 2 ). On the other hand, since Cl 3 - is not stabilized in an aqueous solution, only one type of redox reaction occurs (Cl - ↔ Cl 2 ), and since the water-in-salt electrolyte is also an aqueous solution, it is confirmed that only one type of redox reaction occurs. However, when a specific electrode is applied to a salt-in-water electrolyte system, the detection of two types of redox reactions of chlorine ions under voltage is interpreted to mean that chlorine ions are associated with a hydrophobic interface layer, and accordingly, water It can be judged that an excluded hydrophobic interface layer has been formed. This will be explained in detail in the examples below to prove this.
예를 들어, 물이 배제된 소수성의 계면층이 형성되지 않았다면, 수용액인 염중수 전해액에서 Cl3 - 이온은 안정화될 수 없고 따라서 Cl- ↔ Cl2의 한 종류의 산화환원 반응만 나타나게 되고, 이에 따라 CV 그래프에서는 한 종류의 산화환원 피크만 나타나고, 시간대전류법 그래프에서는 전압 상승에 따라 전류밀도가 유지되는 구간이 한 군데만 나타나게 된다. 반대로, 양전위 전극과 염중수 전해액의 계면에 물이 배제된 소수성의 계면층이 형성되었다면, Cl3 - 이온이 소수성 계면층에 의해 안정화될 수 있고 이에 따라 상기 반응식 1과 반응식 2의 두 종류의 산화환원 반응이 나타나는 것으로 이해된다. 이 경우에는 CV 그래프에서 두 종류의 산화환원 피크가 나타나며, 시간대전류법 그래프에서는 전류밀도 유지 구간이 두 군데 나타나는 것으로 확인된다. 일 구현예에 따른 분석법은 이러한 원리를 이용하여 염중수 전해액 시스템에 염소 이온을 투입한 후 산화환원 추이를 관찰함으로써, 양전위 전극에 소수성의 계면층이 형성되었는지 유무를 간단하면서 정확하게 판단할 수 있는 전기화학적 분석법이라고 할 수 있다. For example, if a hydrophobic interface layer excluding water is not formed, Cl 3 - ions cannot be stabilized in an aqueous salt-in-water electrolyte, and therefore only one type of redox reaction of Cl - ↔ Cl 2 occurs, and thus Accordingly, only one type of redox peak appears in the CV graph, and only one section in which the current density is maintained as the voltage rises appears in the chronoamperometric graph. On the other hand, if a hydrophobic interfacial layer excluding water is formed at the interface between the positive potential electrode and the salt-in-water electrolyte, Cl 3 - ions can be stabilized by the hydrophobic interfacial layer, and thus the two types of Reaction Formula 1 and Reaction Formula 2 It is understood that a redox reaction occurs. In this case, two types of redox peaks appear in the CV graph, and it is confirmed that two current density maintenance sections appear in the chronoamperometry graph. The analysis method according to one embodiment uses this principle to simply and accurately determine whether a hydrophobic interface layer has been formed on the positive potential electrode by observing the redox trend after adding chlorine ions to the salt-in-water electrolyte system. It can be said to be an electrochemical analysis method.
양전위 전극의 소수성 계면층 형성 여부는 수계 전지의 성능을 나타내는 지표가 될 수 있으며, 일 구현예에 따른 분석법은 소수성 계면층의 유무를 확인하는 간단한 방법으로서 수계 전지 시스템에 다양하게 활용될 수 있다. The formation of a hydrophobic interface layer on a positive potential electrode can be an indicator of the performance of an aqueous battery, and the analysis method according to one embodiment is a simple method of checking the presence or absence of a hydrophobic interface layer and can be used in various ways in aqueous battery systems. .
상기 계면층은, 전술한 바와 같이, 전압이 걸린 상태에서 형성되는 것이므로, 예를 들어 상기 분석 방법은 +1V 이상의 전위가 인가된 상태에서 진행하는 것일 수 있고, 예를 들어 1V 내지 5V, 또는 1V 내지 3V의 전압 범위에서 분석하는 것일 수 있다. As described above, the interface layer is formed under voltage, so for example, the analysis method may be performed with a potential of +1V or more applied, for example, 1V to 5V, or 1V. It may be analyzed in a voltage range of 3V to 3V.
상기 계면층은 상기 염의 음이온 및 양이온이 배열되어 형성된 이중층이라고 할 수도 있다. 전극에 가해지는 전압이 높아질수록 이온들의 정렬도가 높아져서 계면층을 형성하게 되고 이에 따라 물분자는 계면에서 물러나게 되고 계면층에서 물은 고갈 또는 배제된다고 표현할 수 있다. 계면층과 염소 이온간의 강한 상호 작용은 XPS로도 입증할 수 있으며 이는 아래 실시예 등에서 자세히 설명하겠다. 일 구현예에 따른 분석법에서, 염소 이온과 관련된 두 종류의 산화환원 반응이 확인된 경우에는, 소수성의 계면층이 형성된 것을 의미하고, 이때 계면층에는 염의 음이온 및 양이온과 염소 이온이 포함된 상태라고 할 수 있다. The interface layer may be said to be a double layer formed by arranging the anions and cations of the salt. As the voltage applied to the electrode increases, the degree of alignment of the ions increases, forming an interface layer. As a result, water molecules withdraw from the interface, and water can be expressed as being depleted or excluded from the interface layer. The strong interaction between the interface layer and chlorine ions can also be proven by XPS, and this will be explained in detail in the examples below. In the analysis method according to one embodiment, when two types of redox reactions related to chlorine ions are confirmed, it means that a hydrophobic interface layer is formed, and in this case, the interface layer contains anions and cations of salt and chlorine ions. can do.
상기 계면층의 두께는 0.1 nm 내지 10 nm일 수 있고, 예를 들어 0.1 nm 내지 5 nm, 0.1 nm 내지 3 nm, 또는 0.1 nm 내지 1 nm일 수 있다. The thickness of the interfacial layer may be 0.1 nm to 10 nm, for example, 0.1 nm to 5 nm, 0.1 nm to 3 nm, or 0.1 nm to 1 nm.
상기 염소 이온을 함유하는 용액은 예를 들어 염소 염을 함유하는 수용액일 수 있고, 예컨대 HCl, LiCl, NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2, 또는 이들의 조합을 포함하는 수용액일 수 있다. 상기 염소 이온을 함유하는 용액은 pH 조절을 위해 HClO4 등을 더 함유할 수 있다. 또한 상기 염소 이온을 함유하는 용액의 몰 농도는 특별히 제한되지 않으나 예를 들어 10 mM 내지 100 mM, 20 mM 내지 80 mM, 또는 30 mM 내지 70 mM 등일 수 있다. The solution containing the chlorine ion may be, for example, an aqueous solution containing a chlorine salt, such as an aqueous solution containing HCl, LiCl, NaCl, KCl, MgCl 2 , CaCl 2 , or a combination thereof. The solution containing chlorine ions may further contain HClO 4 or the like to adjust pH. Additionally, the molar concentration of the solution containing the chlorine ion is not particularly limited, but may be, for example, 10 mM to 100 mM, 20 mM to 80 mM, or 30 mM to 70 mM.
이하 본 발명의 실시예, 비교예 및 이에 대한 평가예를 기재한다. 아래 실시예는 본 발명의 일 예일뿐이며, 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples, comparative examples, and evaluation examples of the present invention will be described. The following examples are only examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
1. Pt 전극과 GC 전극에 대한 CV 평가1. CV evaluation for Pt electrode and GC electrode
[실시예 1][Example 1]
작업 전극으로 직경이 3 mm인 유리질 탄소(glassy carbon; GC) 매크로디스트 전극을 준비하고, 기준 전극으로 Ag/AgCl(1M KCl)를, 상대 전극으로 Pt 와이어를 준비한다. 증류수 용매에 몰랄 농도가 0.5 m, 6 m, 12 m, 및 18 m가 되도록 LiTFSI를 투입하여 다양한 농도의 수계 전해액을 준비한다. 여기서, 5 m 이상의 몰랄 농도를 가지는 전해액이 염중수 전해액에 해당한다. 전지 케이스에 준비한 세 전극과 전해액을 투입하여 전지를 준비한다. A glassy carbon (GC) macrodist electrode with a diameter of 3 mm is prepared as a working electrode, Ag/AgCl (1M KCl) is prepared as a reference electrode, and a Pt wire is prepared as a counter electrode. Prepare aqueous electrolyte solutions of various concentrations by adding LiTFSI to the distilled water solvent to have molar concentrations of 0.5 m, 6 m, 12 m, and 18 m. Here, the electrolyte solution having a molal concentration of 5 m or more corresponds to the water-in-salt electrolyte solution. Prepare the battery by putting the three electrodes and electrolyte into the battery case.
[실시예 2][Example 2]
LiTFSI 대신 LiOTf를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전지를 준비한다. A battery was prepared in the same manner as Example 1, except that LiOTf was used instead of LiTFSI.
[참조예 1][Reference Example 1]
작업 전극으로 직경이 2 mm인 Pt 매크로디스트 전극을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 전지를 준비한다. A battery was prepared in the same manner as Example 1, except that a Pt macrodist electrode with a diameter of 2 mm was used as the working electrode.
[평가예 1][Evaluation Example 1]
실시예 1과 참조예 1 각각에서 0.5 m 및 12 m의 LiTFSI 전해액을 사용한 전지를 준비하고, 이에 대해 순환 전압전류법(CV) 분석을 수행하여, 그 결과를 도 1에 나타냈다. 도 1을 참고하면, 0.5 m의 낮은 몰랄 농도에서 실시예 1의 GC 전극의 경우 1.85V에서 산소 발생 반응(OER)과 관련된 애노딕 전류 밀도(j)가 급격히 증가했고, 이는 참조예 1의 Pt 전극에 비해 0.41V 더 높은데, 이는 GC 전극에서의 OER에 대한 키네틱 장벽이 더 높기 때문이다. 염중수 전해질에 해당하는 12 m에서는 실시예 1 및 참조예 1 모두 0.5 m에 비하여 OER의 애노딕 과전위가 모두 증가했고, 이는 기존에 알려진 바와 동일한 결과이다. Batteries using 0.5 m and 12 m LiTFSI electrolytes were prepared in Example 1 and Reference Example 1, respectively, and cyclic voltammetry (CV) analysis was performed on them, and the results are shown in FIG. 1. Referring to Figure 1, for the GC electrode of Example 1 at a low molality of 0.5 m, the anodic current density ( j ) associated with the oxygen evolution reaction (OER) increased rapidly at 1.85 V, which was significantly higher than that of Pt in Reference Example 1. It is 0.41 V higher than that of the electrode, which is due to the higher kinetic barrier to OER at the GC electrode. At 12 m, which corresponds to the salt-in-water electrolyte, the anodic overpotential of OER increased compared to 0.5 m in both Example 1 and Reference Example 1, which is the same result as previously known.
2. 염중수 전해액 시스템에서 염소 이온의 산화환원 반응 분석2. Analysis of redox reaction of chlorine ions in salt-in-water electrolyte system
실시예 1과 참조예 1에서 준비한 다양한 몰랄 농도의 전해액에 50 mM HCl을 투입하여 각각의 전지를 준비한 후 CV 분석을 진행하였고, 그 결과를 도 2에 나타냈다. CV 분석은 DigiElch Professional v6.F software (ElchSoft.com)를 사용하여 진행했다. 여기서 50 mM의 HCl 대신에, 25 mM HCl 및 25 mM HClO4의 혼합액을 사용하거나 50 mM HCl 및 25 mM LiCl의 혼합액을 사용하는 것도 가능하다. 도 2의 왼쪽은 참조예 1의 Pt 전극에 대한 분석 결과로, 0.5 m 부터 18 m까지 하나의 산화환원에 대응되는 두 개의 전압전류 피크만 나타났다. 이는 각각 Cl-가 Cl2로 전기-산화되는 반응과 Cl2가 Cl-로 전기-환원되는 반응에 대응된다. 도 2의 오른쪽은 실시예 1의 GC 전극에 대한 분석 결과이다. 0.5 m에서는 OER에 의한 증가 그래프만 보였는데 6 m에서는 1.72V에서 새로운 피크가 나타났고, 12 m 및 18 m의 염중수 전해질 시스템에서는 전방 스캔에서 두 종류의 산화환원 피크가 나타났다. 이는 Cl-가 Cl3 -로 산화되고(반응식 1) 연속하여 Cl2로 산화되는(반응식 2) 두 종류의 산화환원 반응에 해당한다. 이는 Pt 전극에서는 하나의 산화환원 피크(Cl-/Cl2)만 나온 것과 대비되는 결과이다. Each battery was prepared by adding 50 mM HCl to the electrolyte solutions of various molal concentrations prepared in Example 1 and Reference Example 1, and then CV analysis was performed, and the results are shown in FIG. 2. CV analysis was performed using DigiElch Professional v6.F software (ElchSoft.com). Here, instead of 50mM HCl, it is also possible to use a mixture of 25mM HCl and 25mM HClO 4 or a mixture of 50mM HCl and 25mM LiCl. The left side of Figure 2 shows the analysis results for the Pt electrode of Reference Example 1, in which only two voltage-current peaks corresponding to one redox were observed from 0.5 m to 18 m. This corresponds to the electro-oxidation reaction of Cl - to Cl 2 and the electro-reduction reaction of Cl 2 to Cl - , respectively. The right side of Figure 2 shows the analysis results for the GC electrode of Example 1. At 0.5 m, only an increase graph due to OER was seen, but at 6 m, a new peak appeared at 1.72V, and in the salt-in-water electrolyte system at 12 m and 18 m, two types of redox peaks appeared in the forward scan. This corresponds to two types of redox reactions in which Cl - is oxidized to Cl 3 - (Scheme 1) and subsequently oxidized to Cl 2 (Scheme 2). This result is in contrast to the fact that only one redox peak (Cl - /Cl 2 ) was obtained from the Pt electrode.
염중수 전해액 시스템에서, Pt 전극과는 달리 GC 전극에서는 소수성 계면층에 Cl-가 강하게 함유되고 그 소수성 계면층 내에서 Cl3 -가 열역학적으로 안정화되는 것으로 파악된다. 이에 따라, Pt 전극의 계면층은 소수성을 띠지 않는 다는 것을, 즉 Pt 전극에는 소수성 계면층이 형성되지 않았다는 것을 확인할 수 있고, 이와 달리 GC 전극의 계면층은 소수성을 띤다는 것을, 즉 GC 전극에는 물을 배제하는 소수성 계면층이 형성되었다는 것을 실험적으로 확인할 수 있다. 이에 따라, 염중수 전해질 시스템에 염소 이온을 이용함으로써 양전위 전극에 소수성을 띠는 계면층이 형성되었는지 여부를 확인할 수 있다. In the salt-in-water electrolyte system, unlike the Pt electrode, the GC electrode contains Cl - strongly in the hydrophobic interface layer, and Cl 3 - is found to be thermodynamically stabilized within the hydrophobic interface layer. Accordingly, it can be confirmed that the interface layer of the Pt electrode is not hydrophobic, that is, that a hydrophobic interface layer is not formed in the Pt electrode. In contrast, the interface layer of the GC electrode is hydrophobic, that is, the GC electrode has It can be experimentally confirmed that a hydrophobic interface layer that excludes water has been formed. Accordingly, by using chlorine ions in the salt-in-water electrolyte system, it can be confirmed whether a hydrophobic interfacial layer has been formed on the positive potential electrode.
3. 염중수 전해액 시스템에서 계면층을 나타내는 전압-구동 Cl3. Voltage-driven Cl representing the interfacial layer in a salt-in-water electrolyte system. -- /Cl/Cl 33 -- /Cl/Cl 22 산화환원 반응 redox reaction
기존 연구에 따르면 상기 계면층에는 Li+, TFSI- 및 물 분자가 포함될 것이고 예를 들어 층상의 [Li(H2O)x]+-[TFSI]- 네트워크가 형성될 것으로 생각된다. +2 V의 양전위가 걸리면 TFSI-가 먼저 전극 표면에 흡착될 것이고, 그 뒤에 Li+가 음이온들 위쪽에 존재하게 될 것이다. 물 분자는 이러한 이온들과는 달리 LiTFSI에 의해 유도된 계면층에서 물러나게 될 것이다. 그리고 전위가 높아질수록 계면층에서 양이온-음이온 네트워크가 더욱 정렬될 것이고, 정렬도가 높아질수록 음전하의 Cl (Cl-, Cl3 -)은 [Li(H2O)x]+와 더욱 강하게 상호작용하게 될 것이다. Cl-는 GC 전극에서 2.1 V(vs.PZC)에서부터 전기화학적 산화가 일어나는 바, 이러한 전위 영역에서 양이온-음이온 네트워크가 더욱 정렬되고 물분자가 물러나게 되며 상기 계면층과 Cl-, Cl3 -의 친화성은 높아지고, 이에 따라 전압전류 분석에서 염소 이온과 관련된 두 종류의 산화환원 피크가 관찰되는 것으로 생각된다. According to existing research, the interfacial layer will contain Li + , TFSI - and water molecules, and for example, it is thought that a layered [Li(H 2 O) x ] + -[TFSI] - network will be formed. When a positive potential of +2 V is applied, TFSI - will first be adsorbed to the electrode surface, and then Li + will exist above the anions. Unlike these ions, water molecules will withdraw from the LiTFSI-induced interfacial layer. And as the potential increases, the cation-anion network in the interface layer will become more aligned, and as the degree of alignment increases, the negatively charged Cl (Cl - , Cl 3 - ) interacts more strongly with [Li(H 2 O) x ] + It will be done. Electrochemical oxidation of Cl - occurs at the GC electrode starting from 2.1 V (vs.PZC), and in this potential region, the cation-anion network becomes more aligned, water molecules withdraw, and the affinity of Cl - and Cl 3 - with the interface layer increases. It is thought that the sensitivity increases, and accordingly, two types of redox peaks related to chlorine ions are observed in voltammetric analysis.
도 3은 이해를 돕기 위해 전위의 차이에 따른 계면층에서의 염소 이온의 산화환원 반응의 차이를 모식화하여 나타낸 도면이다. 도 3의 왼쪽은 염중수 전해액 시스템에서 전위가 걸리지 않거나 낮은 전위(vs. PZC)의 전극 표면에서는 양이온과 음이온들은 정렬되지 않고, 이때 한 종류의 염소 이온 산화환원 반응(Cl-/Cl2)만이 일어나는 것을 나타낸 것이다. 도 3의 오른쪽은 약 +2 V로 양전위가 걸린 전극에서는 계면층에서 양이온과 음이온이 정렬되고, 그 계면층에서 Cl-/Cl3 -/Cl2의 두 종류의 산화환원 반응이 나타난다는 것을 보이고 있다. Figure 3 is a diagram schematically showing the difference in the redox reaction of chlorine ions in the interface layer according to the difference in potential to aid understanding. The left side of Figure 3 shows that in a salt-in-water electrolyte system, positive and negative ions are not aligned on the electrode surface at no potential or low potential (vs. PZC), and only one type of chlorine ion redox reaction (Cl - /Cl 2 ) occurs. It shows what is happening. The right side of Figure 3 shows that at an electrode with a positive potential of about +2 V, positive and negative ions are aligned in the interface layer, and two types of redox reactions of Cl - /Cl 3 - /Cl 2 occur in the interface layer. It is showing.
4. LSV 분석을 통한 OER 과전위 변화 평가4. Evaluation of OER overpotential changes through LSV analysis
전해액의 농도가 높아져 염중수 전해질에 가까워질수록 OER에 의한 애노딕 과전위가 증가하는 것을 통해서도, 계면층에서 물이 배제되는 현상을 확인할 수 있다. 도 4는 0.5 m 및 12 m의 LiTFSI 수계 용액 중 Pt 및 GC 전극에서의 OER과 관련된 선형 주사 전위법(linear sweep voltammetry; LSV) 분석 그래프이다. 도 4에서 왼쪽의 검정 그래프는 Pt 전극 결과이고, 오른쪽의 빨간색 그래프는 GC 전극 결과이며, 점선 그래프는 0.5 m 농도에서의 결과이고 실선 그래프는 12 m 농도에서의 분석 결과이다. As the concentration of the electrolyte increases and approaches the salt-in-water electrolyte, the anodic overpotential due to OER increases, confirming the phenomenon of water being excluded from the interfacial layer. Figure 4 is a graph of linear sweep voltammetry (LSV) analysis related to OER at Pt and GC electrodes in 0.5 m and 12 m LiTFSI aqueous solutions. In Figure 4, the black graph on the left is the Pt electrode result, the red graph on the right is the GC electrode result, the dotted line graph is the result at 0.5 m concentration, and the solid line graph is the analysis result at 12 m concentration.
도 4를 참고하면, 염의 몰랄 농도가 증가할수록 OER에 의한 과전위가 Pt 전극에서는 0.34V 증가한 반면, GC 전극에서는 0.52V 증가했다. 즉, 염중수 전해액이 되면서 GC 전극에서 증가한 과전위는 Pt 전극에서의 그것의 1.5배로 나타났다. 이를 통해 GC 전극에서의 계면층은 OER에 대한 더 큰 키네틱 장벽으로 기능한다는 것을 알 수 있다. Referring to Figure 4, as the molal concentration of salt increased, the overpotential due to OER increased by 0.34 V for the Pt electrode, while it increased by 0.52 V for the GC electrode. In other words, the overpotential that increased at the GC electrode as it became a salt-in-water electrolyte was 1.5 times that of the Pt electrode. This shows that the interfacial layer at the GC electrode functions as a larger kinetic barrier to OER.
5. 다른 할로겐 이온(Br, I)과의 비교5. Comparison with other halogen ions (Br, I)
[비교예 1][Comparative Example 1]
실시예 1과 동일하게 GC 전극을 작동전압으로 하고, 12 m의 염중수 LiTFSI 전해액을 사용하되, 전해액에 HCl 대신에 50 mM의 HBr을 투입하여 CV 분석을 진행한다. 마찬가지로 참조예 1과 동일하게 Pt 전극을 사용하고 12 m의 염중수 LiTFSI 전해액을 사용하되, HCl 대신에 50 mM의 HBr를 투입하여 CV 분석을 진행한다. 도 5에서 왼쪽 검정색 그래프가 Pt 전극이고 오른쪽 빨간색 그래프가 GC 전극에 대한 CV 분석 결과이다. As in Example 1, the GC electrode was set to the operating voltage and a 12 m salt-in-water LiTFSI electrolyte was used, but CV analysis was performed by adding 50 mM HBr instead of HCl to the electrolyte. Similarly, as in Reference Example 1, a Pt electrode is used and a 12 m salt-in-water LiTFSI electrolyte solution is used, but CV analysis is performed by adding 50 mM HBr instead of HCl. In Figure 5, the black graph on the left is the Pt electrode, and the red graph on the right is the CV analysis result for the GC electrode.
도 5를 참고하면, GC 전극에서도 하나의 산화환원 반응에 대응되는 두개의 전압전류 피크가 나타났으며, 이는 Pt 전극의 그래프와 유사하다는 것을 알 수 있다. 이는 Br3 -는 Pt 전극과 GC 전극 모두에서 불안정하다는 것을 의미한다. 즉, GC 전극에서는 소수성을 띠는 계면층이 형성되었음에도 불구하고, Br3 - 이온이 안정화되지 못하여 Br-/Br3 -/Br2 산화환원 반응은 포착되지 않았고, Br-/Br2의 한 종류의 산화환원 반응만 나타나는 것으로 확인된다. 따라서 염소 이온과는 달리 브롬 이온을 통해서는 소수성의 계면층이 형성되었는지 여부를 확인하는 것이 불가능하다는 것을 알 수 있다. 이는 할라이드 이온의 종류에 따라 비양성자성 용매에서 안정화되는 정도가 다르고 그 안정화 정도가 I3 - < Br3 - < Cl3 - 순으로 차이가 나기 때문인 것으로 파악된다. Referring to Figure 5, it can be seen that two voltage-current peaks corresponding to one redox reaction also appeared in the GC electrode, which is similar to the graph of the Pt electrode. This means that Br 3 - is unstable on both the Pt electrode and the GC electrode. In other words, even though a hydrophobic interface layer was formed at the GC electrode, the Br 3 - ion was not stabilized, so the Br - /Br 3 - /Br 2 redox reaction was not captured, and a type of Br - /Br 2 It is confirmed that only the oxidation-reduction reaction occurs. Therefore, unlike chlorine ions, it is impossible to confirm whether a hydrophobic interface layer has been formed using bromine ions. This is believed to be because the degree of stabilization in aprotic solvents varies depending on the type of halide ion, and the degree of stabilization varies in the order of I 3 - < Br 3 - < Cl 3 - .
[비교예 2][Comparative Example 2]
실시예 1과 동일하게 GC 전극을 사용하고 12 m의 염중수 LiTFSI 전해액을 사용하되, 전해액에 HCl 대신에 50 mM의 HI를 투입하여 CV 분석을 진행한다. 마찬가지로 참조예 1과 동일하게 Pt 전극을 사용하고 12 m의 염중수 LiTFSI 전해액을 사용하되, HCl 대신에 50 mM의 HI를 투입하여 CV 분석을 진행한다. 도 6에서 왼쪽 검정색 그래프가 Pt 전극이고 오른쪽 빨간색 그래프가 GC 전극에 대한 CV 분석 결과이다. As in Example 1, a GC electrode was used and a 12 m salt-in-water LiTFSI electrolyte was used, but CV analysis was performed by adding 50 mM HI instead of HCl to the electrolyte. Similarly, as in Reference Example 1, a Pt electrode is used and 12 m salt-in-water LiTFSI electrolyte is used, but CV analysis is performed by adding 50 mM HI instead of HCl. In Figure 6, the black graph on the left is the Pt electrode, and the red graph on the right is the CV analysis result for the GC electrode.
도 6을 참고하면, 서로 다른 두 종류의 Pt 및 GC 전극에서 CV 형상은 동일한 것으로 나타났다. 즉, GC 전극에서는 소수성을 띠는 계면층이 형성되었음에도 불구하고, I3 - 이온이 안정화되지 못하여 I-/I3 -/I2 산화환원 반응은 포착되지 않았고, I-/I2의 한종류의 산화환원 반응만 나타나는 것으로 확인된다. 따라서 요오드 이온을 통해서는 소수성의 계면층이 형성되었는지 여부를 확인하는 것이 불가능하다는 것을 알 수 있다. Referring to Figure 6, the CV shapes were found to be the same for two different types of Pt and GC electrodes. In other words, even though a hydrophobic interface layer was formed at the GC electrode, the I 3 - ion was not stabilized, so the I - /I 3 - /I 2 redox reaction was not captured, and a type of I - /I 2 It is confirmed that only the oxidation-reduction reaction occurs. Therefore, it can be seen that it is impossible to confirm whether a hydrophobic interface layer has been formed through iodine ions.
결론적으로, 할라이드 이온 중에서 브롬 이온 및 요오드 이온으로는 염중수 전해액 시스템에서 소수성의 계면층을 인식하는 것은 불가능하다는 것을 알 수 있다. 염소 이온만 유일하게 소수성 계면층에서 두 종류의 산화환원 반응을 보이며, 따라서 염소 이온을 통해서만 소수성을 띠는 계면층의 형성 유무를 확인할 수 있다. In conclusion, it can be seen that it is impossible to recognize the hydrophobic interface layer in the salt-in-water electrolyte system using bromine ions and iodine ions among halide ions. Chlorine ions are the only ones that exhibit two types of redox reactions in the hydrophobic interface layer, and therefore, the formation of a hydrophobic interface layer can be confirmed only through chlorine ions.
6. 염소 이온와 계면층의 상호 작용을 입증하기 위한 Ex-situ XPS 평가6. Ex-situ XPS evaluation to demonstrate the interaction between chloride ions and the interfacial layer
계면층과 Cl- 및 Cl3 -의 상호 작용은 XPS 분석을 통해서도 확인할 수 있다. 50 mM 할라이드(Cl-, Br-, 또는 I-)를 함유하는 12 m LiTFSI 염중수 전해액에서 1000초 동안 일정한 전위를 적용하여 GC 전극을 전기화학적으로 처리한다. 이후 각 전극에 대해 XPS 분석(Thermo Scientific Co. Nexsa; monochromatic Al Kα X-ray source 1486.7 eV)을 진행하고 그 결과를 도 7에 나타냈다. The interaction of Cl - and Cl 3 - with the interfacial layer can also be confirmed through XPS analysis. Treat the GC electrode electrochemically by applying a constant potential for 1000 s in 12 m LiTFSI salt-in-water electrolyte containing 50 mM halide (Cl - , Br - , or I - ). Afterwards, XPS analysis (Thermo Scientific Co. Nexsa; monochromatic Al Kα X-ray source 1486.7 eV) was performed on each electrode, and the results are shown in Figure 7.
각 할라이드를 함유하는 염중수 전해액에서 전기화학적 처리를 한 전극에 대해 원소 별 스펙트럼에서 피크를 분석하여 전극에 남아있는 원소에 대한 정성적, 정량적 분석을 진행한다. 도 7의 맨 윗줄은 할라이드 종류에 따른 C 1s 스펙트럼 결과로, 이에 의하면 286.8 eV, 288.5 eV에서 C-Cl 피크는 나타나지만 C-Br, C-I 피크는 관찰되지 않는다. 이는 여러 할라이드 중 염소 이온만이 GC 전극과 강한 상호작용을 일으킨다는 것을 정성적으로 증명한다다. 추가로 Cl 2p 스펙트럼을 통해 앞서 C 1s 스펙트럼으로 확인한 염소 이온의 존재성을 확인할 수 있으며, Cl-, Cl3 -, Cl2에 각각 해당하는 197.4 eV, 199.8 eV, 및 201.5 eV에서 나타나는 피크들의 상대적인 세기를 통해 Cl3 -가 가장 안정적으로 전극에 존재하는 형태임을 알 수 있다. 브롬 이온과 요오드 이온을 이용하였을 때에 대하여 각각 Br 3d와 I 3d 스펙트럼을 통해 확인하면 68.2 eV, 및 70.0 eV에서 Br3 -와 Br2의 피크가 관찰되고, 618.5 eV, 620.6 eV(I 3d5/2), 630.0 eV, 632.1 eV (I 3d3/2)에서 I3 -와 I2 피크가 관찰되지만, 그 세기를 비교하면 염소 이온 관련 피크에 비해 무시 가능한 정도이다. For electrodes that have been electrochemically treated in a salt-in-water electrolyte solution containing each halide, peaks in the spectrum for each element are analyzed to conduct qualitative and quantitative analysis of the elements remaining in the electrode. The top row of Figure 7 shows the C 1s spectrum results according to halide type. According to this, C-Cl peaks appear at 286.8 eV and 288.5 eV, but C-Br and CI peaks are not observed. This qualitatively proves that among various halides, only chlorine ions cause strong interaction with the GC electrode. In addition, the Cl 2p spectrum can confirm the presence of chlorine ions previously identified in the C 1s spectrum, and the relative peaks appearing at 197.4 eV, 199.8 eV, and 201.5 eV, corresponding to Cl - , Cl 3 - , and Cl 2, respectively. Through the intensity, it can be seen that Cl 3 - is the form that most stably exists in the electrode. When bromine ions and iodine ions are used, when confirmed through Br 3d and I 3d spectra, respectively, peaks of Br 3 - and Br 2 are observed at 68.2 eV and 70.0 eV, and peaks of 618.5 eV and 620.6 eV (I 3d 5/ 2 ), 630.0 eV, 632.1 eV (I 3d 3/2 ) I 3 - and I 2 peaks are observed, but when comparing their intensities, they are negligible compared to the peaks related to chlorine ions.
원소별로 정량적으로 분석하기 위하여 피크의 세기에 대한 비교를 진행하고 그 결과를 도 8 나타냈다. 전극 샘플에 따라 발생할 수 있는 오차를 보완하기 위하여 각 전극에서의 C 1s 스펙트럼의 284 eV에서 나타나는 C-C 피크의 세기를 바탕 세기로 하고, 이에 대비하여 각 할라이드 관련 피크의 세기를 비교하여 이를 할라이드 별 히스토그램으로 나타냈고, 모든 전해액에 공통적으로 포함되어 있는 TFSI- 음이온에서 기인되는 F, N, S 원소의 세기 또한 히스토그램으로 나타냈다. 도 8을 참고하면, F, N, S 원소 피크 모두 브롬, 요오드 보다 염소 이온을 포함한 전해액으로 처리된 전극에서 가장 큰 세기를 보이고, 여러 할라이드 피크 중 염소 (Cl-, Cl3 -, Cl2) 피크가 가장 큰 세기를 보인다. In order to quantitatively analyze each element, peak intensities were compared, and the results are shown in Figure 8. In order to compensate for errors that may occur depending on the electrode sample, the intensity of the CC peak appearing at 284 eV in the C 1s spectrum at each electrode is used as the background intensity, and the intensity of each halide-related peak is compared against this to create a histogram for each halide. , and the intensities of F, N, and S elements resulting from TFSI - anions, which are commonly contained in all electrolytes, are also shown in a histogram. Referring to Figure 8, the F, N, and S element peaks all show the greatest intensity at the electrode treated with an electrolyte solution containing chlorine ions rather than bromine and iodine, and among several halide peaks, chlorine (Cl - , Cl 3 - , Cl 2 ) The peak shows the greatest intensity.
정리하자면, 브롬 이온 및 요오드 이온에 비하여 염소 이온만이 전극의 계면층과 강한 상호작용을 하여 전압이 가해지지 않는 상태에도 XPS 측정 및 분석할 수 있도록 전극에 흔적을 남김을 알 수 있다. In summary, compared to bromine ions and iodine ions, only chlorine ions interact strongly with the interface layer of the electrode, leaving traces on the electrode for XPS measurement and analysis even when no voltage is applied.
이상 바람직한 실시예들에 대해 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept defined in the following claims are also within the scope of the present invention. It belongs.
Claims (13)
상기 염중수 전해액은 수계 용매 및 염을 포함하고 수계 용매의 중량에 대한 염 중량의 비율은 1 이상이며,
상기 분석법은 염중수 전해액에 염소 이온을 함유하는 용액을 첨가하고, 전압이 걸린 상태에서 염소 이온과 관련된 두 종류의 산화환원 반응이 확인되면 양전위 전극에 소수성의 계면층이 형성된 것으로 판단하는 것인, 염중수 전해액 중 양전위 전극의 소수성 계면층을 인식하는 전기화학 분석법.An electrochemical analysis method that recognizes the formation of a hydrophobic interface layer on a positive potential electrode using chlorine ions in a battery system including a salt-in-water electrolyte and electrodes, comprising:
The water-in-salt electrolyte solution includes an aqueous solvent and a salt, and the ratio of the weight of the salt to the weight of the aqueous solvent is 1 or more,
In the above analysis method, a solution containing chlorine ions is added to a salt-in-water electrolyte solution, and when two types of redox reactions related to chloride ions are confirmed under a voltage applied, it is determined that a hydrophobic interface layer has been formed on the positive potential electrode. , an electrochemical analysis method that recognizes the hydrophobic interfacial layer of a positive potential electrode in a salt-in-water electrolyte solution.
상기 두 종류의 산화환원 반응은 아래 반응식 1 및 반응식 2로 표시되는것인, 염중수 전해액 중 양전위 전극의 소수성 계면층을 인식하는 전기화학 분석법.
[반응식 1]
Cl3 - + 2e- ⇔ 3Cl-
[반응식 2]
3Cl2 + 2e- ⇔ 2Cl3 - In paragraph 1:
The above two types of redox reactions are represented by Scheme 1 and Scheme 2 below, an electrochemical analysis method that recognizes the hydrophobic interface layer of a positive potential electrode in a water-in-salt electrolyte solution.
[Scheme 1]
Cl 3 - + 2e - ⇔ 3Cl -
[Scheme 2]
3Cl 2 + 2e - ⇔ 2Cl 3 -
상기 두 종류의 산화환원 반응을 확인하는 것은 순환 전압전류법(Cyclic voltammetry) 분석을 수행하여 두 종류의 산화환원 피크를 확인하는 것이거나, 또는 시간대전류법(Chronoamperometry) 분석을 수행하여 전압 상승에 따라 전류밀도가 유지되는 구간이 두 번 나타나는 것을 확인하는 것인 염중수 전해액 중 양전위 전극의 소수성 계면층을 인식하는 전기화학 분석법. In paragraph 1:
Confirming the above two types of redox reactions can be done by performing cyclic voltammetry analysis to identify two types of redox peaks, or by performing chronoamperometry analysis according to the voltage increase. An electrochemical analysis method that recognizes the hydrophobic interface layer of a positive potential electrode in a salt-in-water electrolyte solution, which confirms that the section where the current density is maintained appears twice.
상기 양전위 전극은 +1 V 내지 +5 V의 전위가 인가된 전극인, 염중수 전해액 중 양전위 전극의 소수성 계면층을 인식하는 전기화학 분석법. In paragraph 1:
The positive potential electrode is an electrode to which a potential of +1 V to +5 V is applied, an electrochemical analysis method that recognizes the hydrophobic interface layer of the positive potential electrode in the salt-in-water electrolyte solution.
상기 소수성 계면층은 전압이 가해진 상태 혹은 전위차가 발생한 경우에만 존재하는 것인, 염중수 전해액 중 양전위 전극의 소수성 계면층을 인식하는 전기화학 분법. In paragraph 1:
An electrochemical method for recognizing the hydrophobic interface layer of a positive potential electrode in a salt-in-water electrolyte solution, in which the hydrophobic interface layer exists only when voltage is applied or a potential difference occurs.
상기 소수성 계면층은 상기 염의 음이온과 양이온이 정열된(ordered) 것인, 염중수 전해액 중 양전위 전극의 소수성 계면층을 인식하는 전기화학 분석법. In paragraph 1:
An electrochemical analysis method for recognizing a hydrophobic interface layer of a positive potential electrode in a water-in-salt electrolyte solution, wherein the hydrophobic interface layer is ordered by anions and cations of the salt.
상기 소수성 계면층의 두께는 0.1 nm 내지 10 nm인, 염중수 전해액 중 양전위 전극의 소수성 계면층을 인식하는 전기화학 분석법. In paragraph 1:
An electrochemical analysis method for recognizing a hydrophobic interface layer of a positive potential electrode in a salt-in-water electrolyte solution, wherein the hydrophobic interface layer has a thickness of 0.1 nm to 10 nm.
상기 두 종류의 산화환원 반응이 확인된 경우 상기 소수성 계면층은 상기 염의 음이온과 양이온, 및 염소 이온을 포함하는 것인, 염중수 전해액 중 양전위 전극의 소수성 계면층을 인식하는 전기화학 분석법. In paragraph 1:
When the above two types of redox reactions are confirmed, the hydrophobic interfacial layer includes anions and cations of the salt and chlorine ions. An electrochemical analysis method for recognizing the hydrophobic interfacial layer of a positive potential electrode in a water-in-salt electrolyte.
상기 염중수 전해액의 몰랄 농도는 5 m 내지 50 m인, 염중수 전해액 중 양전위 전극의 소수성 계면층을 인식하는 전기화학 분석법. In paragraph 1:
An electrochemical analysis method for recognizing the hydrophobic interface layer of a positive potential electrode in the water-in-salt electrolyte, wherein the molal concentration of the water-in-salt electrolyte is 5 m to 50 m.
상기 염중수 전해액에서 상기 염은 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiTFSI), 리튬 트리플루오로메탄설포네이트(LiOTf), 또는 이들의 조합인, 염중수 전해액 중 양전위 전극의 소수성 계면층을 인식하는 전기화학 분석법. In paragraph 1:
In the water-in-salt electrolyte, the salt is lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), lithium trifluoromethanesulfonate (LiOTf), or a combination thereof, and the hydrophobicity of the positive potential electrode in the water-in-salt electrolyte is Electrochemical analysis method to recognize the interfacial layer.
상기 염소 이온을 함유하는 용액은 HCl, LiCl, NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2, 또는 이들의 조합을 포함하는 수용액인, 염중수 전해액 중 양전위 전극의 소수성 계면층을 인식하는 전기화학 분석법. In paragraph 1:
The solution containing chlorine ions is an aqueous solution containing HCl, LiCl, NaCl, KCl, MgCl 2 , CaCl 2 , or a combination thereof. An electrochemical analysis method that recognizes the hydrophobic interface layer of a positive potential electrode in a water-in-salt electrolyte.
상기 염소 이온을 함유하는 용액의 몰 농도는 10 mM 내지 100 mM인, 염중수 전해액 중 양전위 전극의 소수성 계면층을 인식하는 전기화학 분석법. In paragraph 1:
An electrochemical analysis method for recognizing the hydrophobic interface layer of a positive potential electrode in a water-in-salt electrolyte solution, wherein the molar concentration of the solution containing chlorine ions is 10mM to 100mM.
상기 전지 시스템은 리튬 이차 전지, 납축 전지, 레독스 흐름 전지, 연료 전지, 커패시터, 또는 전기 분해 장치인, 염중수 전해액 중 양전위 전극의 소수성 계면층을 인식하는 전기화학 분석법. In paragraph 1:
The battery system is a lithium secondary battery, lead acid battery, redox flow battery, fuel cell, capacitor, or electrolysis device. An electrochemical analysis method that recognizes the hydrophobic interfacial layer of a positive potential electrode in a salt-in-water electrolyte.
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