과열저감기는 과열된 증기에 물 액적을 분사하여 원하는 설정점으로 온도를 조절한다. 분사된 액적은 과열저감기의 하류에 설치된 온도측정기에 도달하기 전에 완전히 증발해야 분사되는 물의 양을 적합하게 제어할 수 있다. 최적의 과열저감기 설계를 위하여 분사된 액적의 증발 거리를 예측하고 이 거리를 줄이는 방법을 찾는 것이 중요하다.
고활성 전기 촉매는 리튬-산소 전지의 낮은 안정성과 낮은 속도 성능 한계를 해결하는데 중요하다. 또한 최적의 성능을 확보하고 리튬-산소 전지를 전고체 시스템으로 확장을 위해서는 고체 전해질에 적합한 촉매를 탐색하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 일련의 과정을 통해 고체 상태의 리튬-산소 전지의 반응 동역학 거동 및 인터페이스 설계에 대한 포괄적인 조사를 수행하였다.
먼저, 부분적인 Sr-양이온 도핑 및 다중 산화 상태를 갖는 V 양이온의 연구를 통해 제조된 페로브스카이트 La0.8Sr0.2VO3 나노섬유를 사용하여 리튬-산소 전지의 동역학 거동을 체계적으로 연구하였다. 도핑되지 않은 LaVO₃ 및 La0.8Sr0.2VO4 나노섬유와 비교할 때, 페로브스카이트 La0.8Sr0.2VO3 나노섬유는 리튬-산소 전지에서 상당히 향상된 율속 특성 (2000mA g-1)과 20 배 더 긴 수명을 보였다. X 선 광전자 분광법, 전자 상자성 공명 분광법 및 광발광을 사용한 분석은 산소 환원/산화 동역학을 유도하며 부반응을 최소화하는 구조내 결정 결함의 중요한 역할을 강조하였다.
또한 충전 과정에서 방전 생성물인 Li₂O₂ 를 효율적으로 분해하기 위한 산소 산화 반응 촉매 개발에 주력하였다. 우리는 결정화 변조 방법을 통해 산화 상태와 이온/전자 전도도를 정밀하게 제어하여 실용적인 OER 촉매로 La0.8Sr0.2CrOx 나노와이어를 설계하여 적용하였다. 실시간 라만 분광법은 페로브스카이트 La0.8Sr0.2CrO3 나노와이어에 의한 OER 활성을 증가시켜 Li₂O₂ 를 빠르게 분해하였다. La0.8Sr0.2CrOx 나노와이어는 전자 억셉터 또는 도너(Cr3+-Cr6+) 역할을 함으로써 충전 과정 동안 중간 생성물 Li₂CrO₄ 을 형성하여 Li2-xO2 과의 밀접한 상호 작용을 증명하였다.
전고체 리튬-산소 전지에 적합한 전기 촉매를 개발하기 위해 고속 충방전에 유리한 전기 촉매로서 층상 페로브스카이트 재료를 연구하였다. 구체적으로, 우리는 주로 더 낮은 산화 상태로 구성된 층상 페로브스카이트 LaSrCrO₄ 나노와이어를 사용하였다. V 기반 층상 페로브스카이트(LaSrVO₄) 및 단일 페로브스카이트(La0.8Sr0.2CrO3) 나노와이어와 비교할 때, 층상 페로브스카이트 LaSrCrO₄ 나노와이어는 리튬-산소 전지에서 광범위한 전류 밀도와 더 긴 주기 수명에 걸쳐 향상된 속도 성능을 보여주었다. 층상 페로브스카이트는 산소 환원 및 산화 과정의 동역학을 조절하는 데 중요한 역할을 하는 산소 빈자리와 같은 활성 사이트를 다량 포함한다. 층상 페로브스카이트 LaSrCrO₄ 나노와이어에서 이러한 활성 사이트에 기반하여 전하 이동 능력을 향상시켜 분극을 감소시키는 것으로 확인하였다.
우리는 새로운 여러 방식을 도입하여 리튬-산소 전지의 전해질-전극 인터페이스로 인한 문제를 해결했습니다. 층상 페로브스카이트 재료는 전기 촉매로 사용되었으며 아크릴화-폴리로탁산 고체 고분자 전해질은 음극-전해질 인터페이스 구조를 설계하기 위해 층상 페로브스카이트와 함께 사용되었다. 탄소 폼에 층상 페로브스카이트 LaSrCrO₄ 나노와이어를 코팅하여 평가한 결과, 전극은 낮은 분극화 및 500 mA g-1 의 전류 밀도에서 9600 mA h g-1 의 높은 방전 용량을 포함하여 전지 사이클 중 뛰어난 활성을 보였다. 이러한 결과는 전고체 리튬-산소 전지 시스템 개발을 위한 전해질-전극 인터페이스 최적화의 중요성을 강조한다.
결론적으로, 이 연구는 리튬-산소 전지의 반응 거동, 전기 촉매 성능 및 인터페이스 설계에 대한 근본적인 통찰력을 제공한다. 페로브스카이트 물질과 제어된 산화 상태 활용을 통해 달성된 향상된 효율성과 안정성은 효율적인 전고체 리튬-산소 전지 시스템의 발전에 유망한 전망을 제시한다.