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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 정상문
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 충북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
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안정적인 에너지 저장 장치에 대한 수요가 증가함에 따라 높은 에너지 밀도와 용량을 갖는 차세대 배터리에 관한 연구가 큰 주목을 받고 있다. 황 양극을 사용하는 리튬-황 배터리는 1675 mAh g-1의 이론 용량과 2600 Wh kg-1의 에너지 밀도를 제공하는데, 이는 리튬이온배터리보다 약 6배 높다. 그러나 리튬-황 배터리는 양극 활물질로서 거의 절연체인 황으로 인해 전기전도도가 매우 낮다. 또한 폴리설파이드가 전해액에 용출되는 셔틀 현상으로 활물질의 손실을 초래한다.
본 연구에서는 경제적이고 간단한 진공여과 방법을 이용하여 프리스탠딩 전극으로 탄소 나노튜브/황 (CNT/S)과 금속 산화물@탄소 나노튜브/황 (MOx@CNT/S, M = Ni, Co, Mg, Ni0.7Mg0.3) 전극을 제조하였다. 황의 전기전도도를 향상시키기 위해 탄소 나노튜브는 황의 전기전도도를 향상시키기 위해 사용하였으며, 수열 합성을 통해 합성한 금속 산화물 (NiO, Co3O4, MgO, Ni0.7Mg0.3O)을 리튬 폴리설파이드와 상호작용을 통해 폴리설파이드가 전해액으로 용출/셔틀 효과를 억제하기 위해 사용하였다. NiO 및 Co3O4@CNT/S 전극의 경우 700 mAh g-1 (1 C 기준)의 높은 초기 방전 용량을 나타냈으나, 100 사이클 이후 급격히 감소하였다. MgO@CNT/S 전극은 초기 방전 용량이 CNT/S 전극과 유사한 537 mAh g-1 (1 C 기준)으로 나타났지만, 200 사이클 후에도 89%의 용량 유지율을 나타내었다. Ni0.7Mg0.3O@CNT/S 전극은 초기 방전 용량이 755 mAh g-1 (1 C 기준), 100 사이클 후 87%의 용량 유지율을 보였다. 또한 100 사이클 후에도 급격한 용량 감소가 발생하지 않고 200 사이클 후에도 78%의 용량 유지율을 나타내었다. binary 금속 산화물을 사용함으로써 리튬 폴리설파이드의 전해질로의 용출을 효과적으로 억제하여 황 활물질의 이용률을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 경제적이고 간단한 진공여과 방법을 이용하여 프리스탠딩 전극으로 탄소 나노튜브/황 (CNT/S)과 금속 산화물@탄소 나노튜브/황 (MOx@CNT/S, M = Ni, Co, Mg, Ni0.7Mg0.3) 전극을 제조하였다. 황의 전기전도도를 향상시키기 위해 탄소 나노튜브는 황의 전기전도도를 향상시키기 위해 사용하였으며, 수열 합성을 통해 합성한 금속 산화물 (NiO, Co3O4, MgO, Ni0.7Mg0.3O)을 리튬 폴리설파이드와 상호작용을 통해 폴리설파이드가 전해액으로 용출/셔틀 효과를 억제하기 위해 사용하였다. NiO 및 Co3O4@CNT/S 전극의 경우 700 mAh g-1 (1 C 기준)의 높은 초기 방전 용량을 나타냈으나, 100 사이클 이후 급격히 감소하였다. MgO@CNT/S 전극은 초기 방전 용량이 CNT/S 전극과 유사한 537 mAh g-1 (1 C 기준)으로 나타났지만, 200 사이클 후에도 89%의 용량 유지율을 나타내었다. Ni0.7Mg0.3O@CNT/S 전극은 초기 방전 용량이 755 mAh g-1 (1 C 기준), 100 사이클 후 87%의 용량 유지율을 보였다. 또한 100 사이클 후에도 급격한 용량 감소가 발생하지 않고 200 사이클 후에도 78%의 용량 유지율을 나타내었다. binary 금속 산화물을 사용함으로써 리튬 폴리설파이드의 전해질로의 용출을 효과적으로 억제하여 황 활물질의 이용률을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
목차
Ⅰ. 서론 1II. 이론적 배경 62.1 리튬-황 배터리의 구성 및 작동 원리 62.2 리튬-황 배터리의 연구 동향 102.3 연구 목적 14III. 연구 방법 163.1 금속 산화물 합성 163.2 프리스탠딩 전극 제조 173.3 열 중량 분석 193.4 리튬-황 배터리 조립 213.5 특성 분석 방법 233.5.1 물리화학적 특성 분석 233.5.1.1 열 중량 분석 (Thermogravimetric analysis) 233.5.1.2 X-선 회절 (X-ray Diffraction) 233.5.1.3 전자현미경 분석법 (Electron microscopic analysis) 243.5.1.4 Li2S4 흡착 특성 분석 (Li2S4 adsorption test) 243.5.1.5 자외선-가시광선 분광광도 분석법 (UV-vis spectrometeranalysis) 253.5.1.6 X-선 광전자 분석법 (X-ray photoelectron spectroscopy) 253.5.2 전기화학적 특성 분석 25IV. 결과 및 고찰 274.1 금속 산화물 특성 분석 274.1.1 열 중량 분석 274.1.2 결정 구조 분석 314.1.3 형태학적 특성 분석 354.1.4 흡착 특성 분석 384.2. 프리스탠딩 전극의 전기화학적 특성 분석 44V. 결론 57참고문헌 59
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