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3DOM PI 분리막을 적용한 표면 마이크로 패턴화 리튬 금속 전지의 전기화학적 특성 분석
김도환,노영준,박주남,유명현,( Kiyoshi Kanamura ),이용민 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.0
리튬 이차 전지의 높은 에너지 밀도를 실현하기 위한 미래의 이차전지 음극재 중 리튬 금속은 유망한 후보 물질이다. 그러나, 충방전 과정에서 리튬 표면 특정 부위에 리튬이 바늘 형태로 성장하여 수지상의 덴드라이트가 형성되는 치명적인 단점이 존재한다. 이를 개선하기 위해, 본 연구 그룹에서는 리튬 금속 표면에 최적화된 마이크로 패턴을 형성하여, 리튬 Plating/Stripping 거동을 성공적으로 제어할 수 있음을 보고하였다. 본 연구에서는 패턴화된 리튬 금속 전극의 수명 특성을 더 향상시키기 위해 리튬 금속과 분리막 사이의 계면을 더욱 안정화하기 위해 특수한 구조의 3DOM PI 분리막을 사용하였다. 일반적인 PP 분리막의 공극률이 대략 40%임에 비해 3DOM 분리막의 공극률은 70~80%로 균일한 형태와 배열의 300nm 크기의 공극을 갖는다. 이러한 구조의 3DOM 분리막은 균일한 전류 분포를 통해 리튬이온 거동을 제어하여 덴드라이트 성장을 억제한다. 이러한 설계를 통해 리튬 금속의 계면의 안정성을 확보할 수 있었고 이는 Full cell (양극 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/ 2.2 mAh cm-2)에서의 우수한 수명특성으로 이어짐을 밝혀냈다.
3DOM 폴리이미드 분리막이 도입된 표면 마이크로 패턴 리튬 금속 전지의 수명 특성 분석
김도환,박주남,노영준,진다희,김상헌,( Kiyoshi Kanamura ),이용민 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.1
리튬 금속 덴드라이트에 의한 지속적인 전해질 소모는 리튬 금속 음극 기반 전지의 급격한 수명 특성 저하를 야기한다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 본 연구 그룹의 이전 연구인 표면 마이크로 패턴 리튬 금속에 3차원 제어된 미세 다공성 폴리이미드(3DOM PI) 분리막을 적용함으로써 이온분배를 균일하게 하고 덴드라이트를 억제하고자 하였다. NMC622/3DOM PI 분리막/패턴화된 리튬 금속으로 구성된 코인셀을 제작하여 높은 전류밀도로(2.5mA cm<sup>-2</sup>) 수명특성 평가 진행하였으며 500회 충방전 후에도 80%의 초기 방전용량을 유지하는 것을 확인하였다. 반면에, 동일 조건에서 폴리에틸렌 분리막을 사용한 코인셀의 경우 200회 충방전 이후부터 급격하게 성능이 저하되었다. 이러한 성능 개선은 3DOM PI와 마이크로 패턴 리튬 금속의 시너지 효과로 미세 패턴 내로 알맞은 리튬 흐름을 유도할 뿐만 아니라 패턴 외부의 리튬 표면 영역에서도 리튬 이온의 균일한 흐름을 형성하여 나타난 효과로 여겨진다.
Arai Yuji,Hara Kunio,Inoue Hiroaki,Kanamura Hitoshi,Nakagawa Shuji,Atsumi Satoru,Mikami Yasuo 대한슬관절학회 2020 대한슬관절학회지 Vol.32 No.-
We use magnetic resonance angiography to evaluate the difference of vascular ingrowth to the bone tunnel on the anterior and posterior walls quantitatively after anterior cruciate ligament reconstruction.One hundred patients underwent anterior cruciate ligament reconstruction with multi-stranded semitendinosus tendons. They were retrospectively divided into those who underwent magnetic resonance angiography 2, 3, 4 to 6, and ≥ 7 months after surgery. The mean signal-to-noise ratios of the bone tunnel walls in the femur and tibia from the digital data were measured and compared for the anterior and posterior walls.The signal-to-noise ratio of the posterior wall of the femoral bone tunnel was significantly higher than that of the anterior wall in each group. On the tibial side, the signal-to-noise ratio of the anterior wall was significantly higher than that of the posterior wall at ≥4 months after surgery.This study showed that the blood flow after anterior cruciate ligament reconstruction to the femoral bone tunnel is maintained from the posterior wall, and is maintained to the tibial side from the anterior wall 4 months postoperatively. Revascularization to the bone tunnel wall after anterior cruciate ligament reconstruction may relate to the distance from the vessels.
New III-V-based Magnetic Semiconductors and Quantum Nanostructures
H Asahi,M Hashimoto,M Kanamura,R Asano,Y. K. Zhou 한국물리학회 2003 THE JOURNAL OF THE KOREAN PHYSICAL SOCIETY Vol.42 No.III
III-V-based magnetic semiconductors are new functional materials that are expected to lead to the introduction of spin degree-of-freedom for semiconductor devices. This paper describes (1) InMnAsSb/InSb magnetic semiconductor heterostructures and mid-infrared light-induced ferromagnetism, (2) GaN-based magnetic semiconductor GaCrN and high temperature ($>$ 400 K) ferromagnetism and photoluminescence emission, and (3) Mn-including InAs quantum dot structures.
리튬 금속 전지의 수명 특성 향상을 위한 마이크로 패턴 리튬 금속 및 3 차원 제어 다공성Polyimide 분리막의 혼합 효과
김도환,( Hirokazu Munakata ),박주남,노영준,진다희,유명현,( Kiyoshi Kanamura ),이용민 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-
리튬 금속 이차 전지(LMSB)의 짧은 사이클 수명은 충전 과정동안 리튬 금속 표면의 수지상 성장, 즉 덴드라이트 성장과 연속적인 전해질 분해에 기인한다. 리튬 금속의 이러한 본질적인 단점을 보완하기 위해, 리튬 금속 표면의 마이크로 패턴화 및 3 차원 제어된 마이크로 다공성 Polyimide (3DOM PI) 분리막의 두 가지 기술이 결합되어 LMSB의 수명 특성에 대한 하이브리드 효과를 확인합니다. LiNi0.6 Mn0.2Co0.2O2 / 3DOM PI 분리기 / 패턴 리튬 금속으로 구성된 단위 셀이 각각 0.3C 및 1C (1C = 2.5mA cm-2)의 충전 및 방전 율속에서 400 사이클 후에도 초기 방전 용량이 80 % 이상 유지되는 반면, 폴리에틸렌 분막이 있는 제어 셀은 130 사이클 동안 만 해당 수치를 유지했습니다. 이러한 성능적 개선은 3DOM PI 분리막이 마이크로 패턴으로 우선적인 리튬 전착 반응을 강력하게 유도하고 비패턴화된 가공되지 않은 리튬 표면 영역에서 리튬 이온의 균일한 분포를 추가적으로 조합하는 효과에 기인합니다. 따라서, 이 두 기술의 결합은 향후 LMSB 상용화에 매우 유망하다고 판단됩니다.
Umirov, Nurzhan,Yamada, Yuto,Munakata, Hirokazu,Kim, Sung-Soo,Kanamura, Kiyoshi Elsevier 2019 Journal of Electroanalytical Chemistry Vol.855 No.-
<P><B>Abstract</B></P> <P>Attractive electrochemical properties of Li<SUB>4</SUB>Ti<SUB>5</SUB>O<SUB>12</SUB> (LTO) as an anode material for lithium-ion batteries originate primarily from the lithium-ion diffusion behavior in the crystal lattice. Therefore, it is extremely important to understand the inherent material properties that are favorable for superior kinetic performance. Here we report on the intrinsic electrochemical properties of LTO without the influence of inactive electrode components (e.g., binder, conductive agent) using single-particle measurement technique. Electrochemical analysis revealed an exceptionally high rate capability of a single LTO particle compared to the conventional LTO-based electrode. In particular, a single LTO particle demonstrates capacity retention of 88% even at 440 C-rate, while conventional LTO-based electrode shows a two-fold decrease in capacity at 30 C-rate, though it is temperature dependent. Particular attention is paid to determine the correlation of phase transition behavior in a single LTO particle with activation energies of exchange current (<I>i</I> <SUB> <I>o</I> </SUB>), charge transfer resistance (<I>R</I> <SUB> <I>ct</I> </SUB>) at the electrode/electrolyte interface, and diffusivity (<I>D</I>) of lithium-ion in the lattice obtained by single-particle measurement technique.</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> The intrinsic properties of LTO were investigated by single particle measurement. </LI> <LI> Single LTO particle shows outstanding rate capability vs. composite LTO electrode. </LI> <LI> Activation energies of <I>i</I> <SUB> <I>o</I> </SUB>, <I>R</I> <SUB> <I>ct</I> </SUB>, and <I>D</I> evaluated in the range of −10 °C–80 °C. </LI> <LI> LTO reaction is single-phase rather than two-phase at certain temperatures. </LI> </UL> </P> <P><B>Graphical abstract</B></P> <P>[DISPLAY OMISSION]</P>
3D electrochemical model for a Single Secondary Particle and its application for operando analysis
Song, Jihun,Park, Joonam,Appiah, Williams A.,Kim, Sung-Soo,Munakata, Hirokazu,Kanamura, Kiyoshi,Ryou, Myung-Hyun,Lee, Yong Min Elsevier 2019 Nano energy Vol.62 No.-
<P><B>Abstract</B></P> <P>We developed a 3D electrochemical model for simulating the electrochemical properties and revealing the internal properties of a single LiFePO<SUB>4</SUB> secondary particle during cycling. The main model parameters, such as the diffusion coefficient and rate constant, were optimized using rate capability data, which have been measured experimentally with a unique single particle measurement technique. We simulated voltage profiles at different c-rates from 2 to 20C, which were approximately equivalent to the experimental voltage profiles. The model estimated real-time overpotential, lithium ion concentration, and state-of-charge within the single particle, which have not been obtained experimentally, while changing design parameters and operating conditions. We validated the reliability and applicability of the model by comparing and analyzing the electrochemical results of various LiFePO<SUB>4</SUB> secondary particles with variable design parameters (i.e., solid volume fraction, secondary particle size, and primary particle size).</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> A single LiFePO<SUB>4</SUB> secondary particle shows high capacity retention at high C-rate. </LI> <LI> The particle was modeled with reflecting the experimental conditions. </LI> <LI> Performance can be easily predicted by different design parameters using simulation tool. </LI> <LI> Internal properties of a single particle were observed, which cannot be measured by experimental methods. </LI> </UL> </P> <P><B>Graphical abstract</B></P> <P>This graphics illustrates a 24 μm LiFePO4 secondary particle consisting of millions of primary particles of 100–200 nm in diameter. We propose a 3D electrochemical model for simulating the electrochemical properties and unveiling the internal properties of the single particle while changing both particle design parameters and operating conditions.</P> <P>[DISPLAY OMISSION]</P>