This study focuses on multifunctional composites based on transition metal carbides and carbon fiber, and their derivative energy storage devices. The carbon fabrics with a structural flexibility and excellent electrical conductivity was utilized as a three-dimensional substrate. Among two-dimensional transition metal carbides, titanium based Ti3C2Tx was directly applied as an active material in anode for lithium-ion battery without any binder and conductive additive, and showed high lithium storage ability and low capacity degradation. Furthermore, vanadium carbide nanowires, which were directly grown on carbon fabric by hydrothermal synthesis, were used as an active material in cathode for lithium-ion battery. Improved electrical conductivity affected to be high lithium storage capability and cyclic stability compared to commercial cathode materials. Moreover, a sulfur was inserted between two-dimensional titanium carbide and graphene oxide film, which have abundant surface functional groups, and this composite was utilized as a cathode active material, current collector, and permselective separator, respectively, for lithium-sulfur battery to suppress shuttle effect and enhanced long-cycle stability. In addition, the flexible lithium-sulfur battery integrated with a polymer electrolyte was fabricated, and electrochemically and mechanically analyzed. Carbon-nitrogen based covalent triazine frameworks were synthesized and fabricated as an electrode in supercapacitor after loaded on carbon fabric. To enhance the limitation in potential window from aqueous electrolyte, ionic liquid was hired. Polymer electrolyte, consisting of Nafion and ionic liquid, was prepared and applied to demonstrate the flexible supercapacitor. Increased operational potential window about 3 times resulted in increasing energy density about 6 times than conventional devices. Bimetal-organic frameworks were epitaxially grown on Ti3C2Tx and it was utilized as alternative noble metal based electrocatalysts in lithium-oxygen battery. Chemical bondings were derived with surface terminators of Ti3C2Tx and bimetal-organic frameworks and unpaired electrons through the solvothermal treatment enhanced the electrocatalytic activity. Therefore, the as-prepared bifuntional electrocatalyst exhibited superior performance and long cycle durability in lithium-oxygen battery.
본 연구에서는 전이금속 탄화물 및 탄소섬유 기반 다기능성 복합재를 제작하였고, 이를 에너지저장 및 변환 분야에 적용하였다. 기계적 유연함과 우수한 전기전도도를 보유한 탄소섬유는 3차원의 기판 역할로 수행되었다. 2차원 전이금속 탄화물 중 타이타늄기반 Ti3C2Tx를 바인더와 도전제 없이 탄소섬유 위에 도포하여 리튬-이온배터리용 음극활물질에 적용하여 높은 리튬저장능력과 낮은 용량감소율을 보였다. 또한 수열합성법을 통해 고전기전도도을 지니는 바나듐탄화물 나노선을 탄소섬유에 성장시켜 리튬-이온배터리용 양극에 적용하여 상용 양극활물질대비 우수한 리튬저장능력과 사이클내구성을 보였다. 표면작용기가 풍부한 2차원의 타이타늄탄화물과 그래핀산화물 필름 사이에 황을 삽입시켜 리튬-황배터리의 집전체, 활물질 및 분리막 역할을 하는 복합재를 제작하였다. 이는 리튬-황배터리의 최대 해결과제인 셔틀이펙트를 완화하여 리튬-황배터리의 사이클수명향상에 기여하였다. 뿐만 아니라, 고분자전해질이 적용된 유연 리튬-황배터리로 제작되어 전기화학 및 기계적 강도 분석이 수행되었다. 높은 표면적을 가지는 탄소-질소기반의 유기골격체를 최초로 개발하여 탄소섬유를 집전체로 한 유연 슈퍼캐패시터용 전극을 제작하였다. 고분자/이온성액체를 전해질로 사용하여 기존 수용액기반 전해질의 좁은 전압창을 극복하고 기계적 변형하에서도 향상된 작동전압창을 통해 6배 증가된 에너지밀도를 보였다. 2차원 전이금속 탄화물 Ti3C2Tx에 금속-유기골격체를 성장시켜 값비싼 귀금속기반 촉매를 대체하는 전기화학촉매를 개발하였다. 용매열합성을 통해 Ti3C2Tx와 금속-유기골격체의 표면작용기간 화학결합을 유도하고, 합성과정에서 발생한 자유전자를 통해 전기화학촉매적 특성을 향상시켰다. 이를 리튬-공기배터리에 적용시켜 향상된 사이클내구성과 낮은 오버포텐셜의 우수한 성능을 보였다.
