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Design and characterization of one-dimensional carbon-based cathode for lithium-sulfur batteries = 리튬 황 전지용 1차원 탄소 기반 양극 물질의 설계 및 특성 평가에 관한 연구
서명 / 저자 Design and characterization of one-dimensional carbon-based cathode for lithium-sulfur batteries = 리튬 황 전지용 1차원 탄소 기반 양극 물질의 설계 및 특성 평가에 관한 연구 / Jong Hyuk Yun.
저자명 Yun, Jong Hyuk ; 윤종혁
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2017].
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Lithium-sulfur (Li-S) battery has been pursued as the most promising high energy battery that alternates current lithium-ion batteries (LIB). In the virtue of a high theoretical specific capacity of elemental sulfur $(1,675 mAh g^{-1})$, the Li-S battery has a remarkable theoretical energy density (2,500 Wh $kg^{-1}$) which is ~7 times larger than that of LIB (387 Wh $kg^{-1}$). Despite their benefit, the Li-S battery suffers from the low conductivity of sulfur, volume expansion of cathode, and shuttle mechanism of polysulfide. An enormous number of carbon materials have been investigated to mitigate the obstacles. It has been reported that the zero-dimensional porous carbon particles have trouble with a contact resistance and limited pore volume, and the two-dimensional graphene has disadvantages of restacking and limited transport of lithium ion across the graphene sheets. Furthermore, a concern for high sulfur loading $(>3 mg cm^{-2})$ has rapidly grown to improve the practical performance of Li-S battery with a high areal capacity. Herein, we investigated two different composites consist of one-dimensional carbon materials such as carbon nanotube (CNT) or carbon nanofiber (CNF). Due to the benefits of the carbon network including high surface area per volume, great electron path and capillary action, both composite accomplished enhanced cycle performance and sulfur loading. The sulfur composite with CNT (CNT-S) achieved a high sulfur loading $(~6 mg cm^{-2})$ and retained stable reversible capacity over 650 mA h $g^{-1}$. The other sulfur composite with CNF (CNF-S) realized a superior sulfur loading $(>10 mg cm^{-2})$ with a good reversible capacity $(~700 mAh g^{-1})$. This values correspond to an outstanding areal capacity over 7 mAh $cm^-2 which surpasses that of recently reported lithium-ion batteries (1~3 mAh $cm^{-2}$) and it is meaningful performance to be practically used.

리튬 황 전지는 1,675 mAh $g^{-1}$ 의 높은 이론 용량을 가지며, 200 mAh $g^{-1}$ 내외의 이론 용량을 갖는 기존의 리튬 이온 전지를 대체할 수 있는 차세대 전지로 각광받고 있다. 이론 에너지 밀도는 2,500 Wh $kg^{-1}$ 로 리튬 이온 전지 (~387 Wh $kg^{-1}$)의 약 7배에 달하며, 값이 싸고 독성이 없다는 장점까지 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 황의 낮은 전기 전도성, 충방전시 발생하는 부피 변화, 폴리설파이드의 용출에 의한 전극 손상 등의 문제점이 해결되어야 한다. 이중에서도 특히 전기 전도성을 확보하기 위해 탄소 등의 전도성 물질을 통해 황과의 복합체를 설계하여 단점을 보완하는 연구들이 활발히 진행되어 왔으며, 본 연구 또한 1차원 탄소 재료의 네트워크 구조를 통해 탄소-황 복합체의 전기 전도성을 향상시키고 단위 면적 내에 포함되는 황의 함량을 높여 전지의 실용적인 용량을 향상시키는 데에 초점을 맞추어 진행하였다. 1차원 탄소 네트워크를 갖는 재료로써 탄소 나노튜브와 탄소 나노섬유 구조를 복합체에 적용하였으며, 10 mg $cm^{-2}$ 이상의 황 함량과 7 mAh $cm^{-2}$ 이상의 면적 당 용량을 구현하였고, 이는 최근에 보고된 리튬 이온 전지의 면적 당 용량(1-3 mAh $cm^{-2}$) 을 두 배 가량 상회하는 수준이다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MMS 17019
형태사항 viii, 90 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 윤종혁
지도교수의 영문표기 : Do Kyung Kim
지도교수의 한글표기 : 김도경
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과,
서지주기 References : p. 77-84
주제 Lithium-sulfur battery
Carbon nanotube
Electro-spun carbon nanofiber
High sulfur loading
High areal capacity
리튬 황 이차전지
탄소 나노튜브
탄소 나노섬유
황 함량
단위 면적 당 용량
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