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| DC Field | Value | Language |
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| dc.contributor.advisor | Hong, Seung Tae | - |
| dc.contributor.author | Lim, Sung Chul | - |
| dc.date.accessioned | 2017-05-10T08:53:59Z | - |
| dc.date.available | 2017-01-18T00:00:00Z | - |
| dc.date.issued | 2017 | - |
| dc.identifier.uri | http://dgist.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000002326713 | en_US |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/20.500.11750/1516 | - |
| dc.description.abstract | Recently, research and development into existing compounds that can be made into cathode components in rechargeable post lithium batteries systems is a major priority today. The reciprocal space theory, heavy atom method, direct methods, geometry optimization, and global optimization, all involve chemical and physical knowledge as well. This dissertation discusses such works from the point of a view of structural features for phase changes of battery compounds. The methods and techniques summarize the peculiarities between single X-ray crystal and Powder XRD. ab-initio method for determining the lattice parameters of an unknown structure, Ba(ClO4)2 that was successfully used to characterize crystal systems despite difficulties; Rietveld refinement should be done final step. Magnesium batteries have received attention as a type of post lithium-ion battery because of their potential advantages in cost and capacity. Among the host candidates for magnesium batteries, orthorhombic -V2O5 is one of the most studied materials, and it shows a reversible magnesium intercalation with a high capacity especially in a wet organic electrolyte. Studies by several groups during the last two decades have demonstrated that water plays some important roles in getting higher capacity. Very recently, proton intercalation was evidenced mainly using nuclear resonance spectroscopy. Nonetheless, the chemical species inserted into the host structure during the reduction reaction are still unclear (i.e., Mg(H2O)n2+, Mg(solvent, H2O)n2+, H+, H3O+, H2O or any combination of these). Additionally, the crystal structure of the reduced phase has not been identified. In this work the crystal structure of the magnesium-inserted phase of -V2O5—electrochemically reduced in 0.5 M Mg(ClO4)2 + 2.0 M H2O in acetonitrile—was solved for the first time using a powder synchrotron X-ray structure determination method. An orthorhombic structure (P21212 space group; a = 11.512 Å, b = 10.5483 Å, and c = 4.3681 Å) was identified; the structure was tripled along the b-axis from that of the pristine V2O5 structure. There were three large cavity sites surrounded by oxygen atoms in the structure. Examination of the interatomic distances around the cavity sites suggested that H2O, H3O+, or solvated magnesium ions are too big for the cavities, leading us to conclude that the intercalated species are single Mg2+ ions or protons. The general formula of magnesium-inserted V2O5 is Mg0.17HyV2O5, (0 < y ≤ 1.16). This work provides an explicit answer to the question about Mg intercalation into -V2O5.Li ion batteries (LIBs) are useful energy storage devices for portable electronics applications and electric vehicles. To date, many positive electrode materials for LIBs have been developed with various crystal structures such as layered, spinel, and olivine types. We report a new structure type of material, LiMo4O6, which is interesting due to its unique structure. LiMo4O6 consists of infinite anion chains of Mo4O6 where Mo6 clusters are edge-shared and all non-shared edges are capped by oxygen. The infinite chains are aligned parallel to one another and linked by bridging oxygen atoms. Such four parallel Mo4O6 chains create open one-dimensional tunnels to accommodate positive guest ions of Li+. In this study, synthesis of LiMo4O6, and its electrochemical intercalation and structural properties have been characterized with non-aqueous electrolyte system: 1.0M LiPF6 in EC/DMC (1:2). Electrochemical experiments of cyclic voltammetry and galvanostatic charge/discharge have been carried out with a voltage range of 2.0 V ~ 3.2 V vs. Li, a rate of 0.02 mV/s and 1/20C, respectively. A [Co(C6H6N2)2(H2O)2](BF4)2, the CoII atom is located on an inversion centre. The transition metal is in a slightly distorted octahedral coordination environment, defined by the cyano N atoms of four hex-3- enedinitrile ligands in equatorial positions and the O atoms of two water molecules in axial positions. The bridging mode of the hex-3-enedinitrile ligands leads to the formation of cationic chains extending parallel to [110]. The BF4 counter-anion is disordered over two sets of sites [occupancy ratio = 0.512 (19):0.489 (19)]. It is located in the voids between the cationic chains and is connected to the aqua ligands of the latter through O—H F hydrogen bonds. One methylene H atom of the hex-3-enedinitrile ligand forms another and weak C—H O hydrogen bond with a water O atom of a neighbouring chain, thus consolidating the three-dimensional network structure. The previously unknown crystal structure of barium perchlorate anhydrate, determined and refined from laboratory X-ray powder diffraction data, represents a new structure type. The title compound was obtained by heating hydrated barium perchlorate [Ba(ClO4)2 xH2O] at 423 K in vacuo for 6 h. It crystallizes in the orthorhombic space group Fddd. The asymmetric unit contains one Ba (site symmetry 222 on special position 8a), one Cl (site symmetry 2 on special position 16f) and two O sites (on general positions 32h). The structure can be described as a three-dimensional polyhedral network resulting from the corner- and edge-sharing of BaO12 polyhedra and ClO4 tetrahedra. Each BaO12 polyhedron shares corners with eight ClO4 tetrahedra, and edges with two ClO4 tetrahedra. Each ClO4 tetrahedron shares corners with four BaO12 polyhedra, and an edge with the other BaO12 polyhedron. ⓒ 2017 DGIST |
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| dc.description.tableofcontents | CHAPTER 1 - INTRODUCTION 1-- CHAPTER 2 - METHODS 3-- 2. 1. Structure Determination from Powder X-ray diffraction data 3-- 2. 2. Bond Valence Sum 4-- 2. 2. Hybrid Cell configuration 5-- CHAPTER 3 – Characterization of Mg-inserted V2O5 in a Wet Organic Electrolyte by Structural-- Determination 7-- INTRODUCTION 7-- EXPERIMENTAL 10-- RESULTS & DISCUSSION 14-- CONCLUSIONS 35-- REFERENCES 36-- CHAPTER 4 – Electrochemical Lithium Intercalation Chemistry of Condensed Molybdenum Metal-- Cluster Oxide: LiMo4O6 41-- INTRODUCTION 41-- EXPERIMENTAL 44-- RESULTS & DISCUSSION 50-- CONCLUSIONS 56-- REFERENCES 57-- CHAPTER 5 - Crystal structure of catena-poly[[[diaquacobalt(II)]-bis(μ-hex- 3-enedinitrile-κ2N:N′)]-- bis(tetrafluoridoborate)] 58-- INTRODUCTION 58-- EXPERIMENTAL 58-- REFINEMENT 60-- RELATED LITERATURE 60-- COMPUTING DETAILS 62-- REFERENCES 68-- CHAPTER 6 - Crystal structure of barium perchlorate anhydrate, Ba(ClO4)2, from laboratory X-ray-- powder data 69-- INTRODUCTION 69-- EXPERIMENTAL 69-- RESULTS & DISCUSSIONS 74-- REFINEMENT DETAILS 77-- REFERENCES 78-- Summary in Korean 80-- Appendix 82 |
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| dc.format.extent | 105 | - |
| dc.language | eng | - |
| dc.publisher | DGIST | - |
| dc.subject | LiBF4 | - |
| dc.subject | cartena | - |
| dc.subject | Ba(ClO4)2 | - |
| dc.subject | Powder XRD | - |
| dc.subject | LiMo4O6 | - |
| dc.subject | V2O5 | - |
| dc.subject | Mg ion battery | - |
| dc.subject | Li ion battery | - |
| dc.subject | zinc ion battery | - |
| dc.subject | intercalation | - |
| dc.subject | crystal structure | - |
| dc.subject | Chevrel phase | - |
| dc.subject | 분말 엑스레이 | - |
| dc.subject | 싱글 크리스탈 | - |
| dc.subject | 바나디윰 옥사이드 | - |
| dc.subject | 몰리 클러스터 | - |
| dc.subject | 차세대 전지 | - |
| dc.title | Structure Determination from Powder Diffraction Data for Rechargeable Battery Materials | - |
| dc.type | Thesis | - |
| dc.identifier.doi | 10.22677/thesis.2326713 | - |
| dc.description.alternativeAbstract | X-ray분광학과 핵자기 공명학 (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)의 비약적인 발달로 인하여 해마다 수 많은 단백질 구조 및 무기 물질의 3차원 구조가 밝혀 지고 있다. 특히 무기 화합물에서의 성분 분석이나 정량 분석에서는 X-ray 회절을 꼭 사용 해야 한다. X-ray 회절 방법에는 Single Crystal 과 Powder XRD가 있는데, 그 중 Post LIB system에 cathode 전극에 변화를 관측 할 수 있는 도구는 Powder XRD 뿐이다. Powder XRD기술은 Single Crystal과 달리 시료 로부터 얻는 정보가 매우 부족하여 기 알고 있는 무기 구조의 아주 소량의 변화만을 Rietveld refinement로 분석 할 수 있다. 본 연구에서는 마치 Single Crystal 구조를 얻는 것과 같은 분말 구조 규명 및 해석 방법을 구축하여, 산화/환원 하는 무기 물질의 전후 과정 및 완전히 구조가 변형되는 모습을 관측 하였다. 총 4개 연구 테마 중, 5, 6chapters는 무기 구조 결정(Single & Powder)에 방법으로 기술 하였고, 3, 4chapters에서는 이 강력한 기술을 이용하여 미래에 한 층 더 요구 되는 에너지 변환 시스템의 일종으로 활약 할 수 있는 LIB, MIB cathode 후보군인 LiMo4O6, V2O5에 대하여 연구 하였다. 첫 번째와 두 번째 연구는, 위의 무기 구조 결정 방법을 이용하여 LIB, Post LIB system에 대하여 응용한 것이다. 그 첫 번째로 Chevrel like oxide인 InMo4O6를 ionic exchange방법을 이용하여 합성하였고, 이를 LIB system에 적용하여 구조의 변화를 연구 한 것 이다. 합성 확인을 위하여 Rietveld refinement를 이용 하였고, Li ion intercalation 전후에 대한 Lattice parameters 변화를 추정 할 수 있었다. 두 번째 연구는 최근 Post LIB로 각광 받는 Mg ion battery 에 대하여 V2O5를 cathode전극으로 하는 시스템에 대해 살펴본 것이다. 전위 원소인 Vanadium은 산화, 환원 전위가 넓으며, 산소를 갖고 있어 기본적인 OCV높은 몰질 중에 하나 이다. 이런 이유로 많은 연구자들이 이 물질을 기반으로 MIB, NIB, CIB등 여러 연구를 해오고 있다. 본 연구에서 유기 용매를 사용 하였고, 여기에 2M의 물 분자를 더해 Post LIB로서의 가능성 및 intercalation/deintercalation에 대하여 연구 한 것이다. Mg ion intercalation후 space group은 Pmmn에서 P21212로 변형 되었고, b 축으로 3배만큼 증가된 구조를 나타냈다. 세 번째 연구에서는 LiBF4 salt가 코발트 화합물과 이루는 Single crystal 구조에 대해여 Dynamic disorder를 가지고 명확하게 규명하였다. 코발트 원소는 octahedral coordination을 가지고 있으며, inversion center에 위치 하고 있다. 2개의 물 분자는 코발트 중심 원소의 위, 아래도 결합 되어 있으며, cyano 질소 원자는 코발트원자를 중심으로 평면 4고리 모양으로 2차원 결합을 하고 있다. BF4- counter-anion은 두 그룹으로 disorder를 나태 내고 있으며, 그 곳의 occupancy ratio = 0.512(19) : 0.489(19)이다. 2차원 적으로 뻗어 나가는 사슬 사이에 BF4-가 존재 하여 코발트 원자와 결합하는 물분자 H와의 결합도 이끌어 내어 전체적으로 3차원 구조를 이루게 된다. 네 번째 연구는 무수 화합물인 Barium perchorate의 구조를 분말 XRD로 규명한 것이다. TG를 이용하여 물이 증발 되는 온도를 423K 에서 확인하였다. 진공 펌프와 furnace를 이용하여 6시간 동안 무수 화합물을 만들었다. 그 후 air-protect dome을 이용 Ka1 XRD로 data를 얻은 후, Ab intio을 이용하여 Lattice parameters를 결정 하였다. Space group은 Fddd 이며, Asymmetric unit은 각각 1개의 Barium, Chlorine, 2개의 Oxygen으로 이뤄져 있다. Barium의 site symmetry는 222이며 8a special position을 갖는다. Chlorine의 site symmetry는 2이며, 16f special position이다. 2개의 Oxygen은 32f 라는 general position에 위치 한다. GSAG와 Crystals를 이용하여 최종 무수 Barium perchlorate 구조를 확정짓는다. ⓒ 2017 DGIST |
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| dc.description.degree | Doctor | - |
| dc.contributor.department | Energy Systems Engineering | - |
| dc.identifier.bibliographicCitation | Lim, Sung Chul. (2017). Structure Determination from Powder Diffraction Data for Rechargeable Battery Materials. doi: 10.22677/thesis.2326713 | - |
| dc.contributor.coadvisor | Kim, Jae Hyeon | - |
| dc.date.awarded | 2017. 2 | - |
| dc.publisher.location | Daegu | - |
| dc.description.database | dCollection | - |
| dc.date.accepted | 2017-01-18 | - |
| dc.contributor.alternativeDepartment | 대학원 에너지시스템공학전공 | - |
| dc.contributor.affiliatedAuthor | Lim, Sung Chul | - |
| dc.contributor.affiliatedAuthor | Hong, Seung Tae | - |
| dc.contributor.affiliatedAuthor | Kim, Jae Hyeon | - |
| dc.contributor.alternativeName | 임성철 | - |
| dc.contributor.alternativeName | 홍승태 | - |
| dc.contributor.alternativeName | 김재현 | - |