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 ...
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. binary금속 산화물을 사용함으로써 리튬 폴리설파이드의 전해질로의 용출을 효과적으로 억제하여 황 활물질의 이용률을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
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.
The research on next-generation batteries having high energy density and capacity is getting immense attention due to the rising demand for reliable energy storage devices. A lithium-sulfur battery using a sulfur cathode provides a theoretical capacity of 1675 mAh g-1 and an energy density of 2600 W...
The research on next-generation batteries having high energy density and capacity is getting immense attention due to the rising demand for reliable energy storage devices. A lithium-sulfur battery using a sulfur cathode provides a theoretical capacity of 1675 mAh g-1 and an energy density of 2600 Wh kg-1, which is about six times higher than a lithium-ion battery. However, lithium-sulfur batteries have very low electrical conductivity due to the nearly insulating sulfur as the active cathode material. In addition, the shuttle phenomenon, in which polysulfide dissolves into the electrolyte, results in a loss of active materials. This study used an economical and simple vacuum filtration method to prepare carbon nanotube/sulfur (CNT/S) and metal oxide@carbon nanotube/sulfur (MOx@CNT/S, M = Ni, Co, Mg, Ni0.7Mg0.3) as freestanding electrodes. The carbon nanotubes were used to improve the electrical conductivity of sulfur, and hydrothermally synthesized metal oxides (NiO, Co3O4, MgO, Ni0.7Mg0.3O) interacted with lithium polysulfide to suppress the elution/shuttle effect. NiO and Co3O4@CNT/S electrodes showed high initial discharge capacities of 700 mAh g-1 (at 1 C) but rapidly decreased after 100 cycles. The MgO@CNT/S electrode showed an initial discharge capacity of 537 mAh g-1 (at 1 C), similar to that of the CNT/S electrode. However, it showed a capacity retention rate of 89% even after 200 cycles. The Ni0.7Mg0.3O@CNT/S electrode showed an initial discharge capacity of 755 mAh g-1 (at 1 C) and an 87% capacity retention rate after 100 cycles without rapid capacity decay. In addition, it demonstrated a capacity retention rate of 78% even after 200 cycles. Thus, it was confirmed that the utilization rate of the active sulfur material could be greatly improved by effectively suppressing the elution of lithium polysulfide into the electrolyte by using binary metal oxides.
The research on next-generation batteries having high energy density and capacity is getting immense attention due to the rising demand for reliable energy storage devices. A lithium-sulfur battery using a sulfur cathode provides a theoretical capacity of 1675 mAh g-1 and an energy density of 2600 Wh kg-1, which is about six times higher than a lithium-ion battery. However, lithium-sulfur batteries have very low electrical conductivity due to the nearly insulating sulfur as the active cathode material. In addition, the shuttle phenomenon, in which polysulfide dissolves into the electrolyte, results in a loss of active materials. This study used an economical and simple vacuum filtration method to prepare carbon nanotube/sulfur (CNT/S) and metal oxide@carbon nanotube/sulfur (MOx@CNT/S, M = Ni, Co, Mg, Ni0.7Mg0.3) as freestanding electrodes. The carbon nanotubes were used to improve the electrical conductivity of sulfur, and hydrothermally synthesized metal oxides (NiO, Co3O4, MgO, Ni0.7Mg0.3O) interacted with lithium polysulfide to suppress the elution/shuttle effect. NiO and Co3O4@CNT/S electrodes showed high initial discharge capacities of 700 mAh g-1 (at 1 C) but rapidly decreased after 100 cycles. The MgO@CNT/S electrode showed an initial discharge capacity of 537 mAh g-1 (at 1 C), similar to that of the CNT/S electrode. However, it showed a capacity retention rate of 89% even after 200 cycles. The Ni0.7Mg0.3O@CNT/S electrode showed an initial discharge capacity of 755 mAh g-1 (at 1 C) and an 87% capacity retention rate after 100 cycles without rapid capacity decay. In addition, it demonstrated a capacity retention rate of 78% even after 200 cycles. Thus, it was confirmed that the utilization rate of the active sulfur material could be greatly improved by effectively suppressing the elution of lithium polysulfide into the electrolyte by using binary metal oxides.
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