Rapid economic development and growth worldwide has accelerated the use of energy sources, including fossil fuels such as coal, oil, and natural gas. However, imprudent energy consumption has adversely affected the Environment. In particular, the gradual increase in the amount of carbon dioxide (CO$_2$) emitted from anthropogenic activities has led to global warming. Hence, over the past 25 years, Li-ion batteries (LIBs) have been developed as alternate energy carriers. They play important roles in rechargeable portable electronic devices, hybrid electric vehicles, and electric vehicles, without emitting CO$_2$. Nevertheless, LIBs are not suitable for use in high-capacity applications because of their limited energy density; in addition, the raw materials used to fabricate their electrodes are both expensive and toxic. In order to overcome these limitations, lithium-ion batteries with improved energy density and theoretical capacity have been researched and developed. Lithium−sulfur (Li−S) batteries offer a greater theoretical energy density (2600 Wh kg$^{−1}$) and capacity (1672 mAh g$^{−1}$) than LIBs. Moreover, earth-abundant sulfur is both inexpensive and nontoxic.
Recently, transition metal carbides/nitrides (MXenes), as one class among numerous two-dimensional (2D) materials, have been highlighted in various applications such as batteries, catalysts, transparent conducting coatings, sensors, and water purification systems. MXenes are considered as materials with strong future research prospects because of their appealing properties, which include (i) good flexibility, (ii) the ability to be fabricated in desired shapes, and (iii) high conductivity.
In this dissertation, we showed the study of applying nano-assembly of two-dimensional metal carbide (MXenes) materials to lithium-sulfur batteries and lithium-ion batteries. The results in this study improved electrochemical performance in energy storage devices.
급격한 경제발전과 전세계적인 성장은 석탄, 기름, 천연가스와 같은 화석연료를 포함하는 에너지원의 사용을 가속화시켜 왔다. 그 결과 무분별한 에너지원 소비는 환경에 악영향을 미쳤다. 특히 인위적 활동으로 배출된 이산화탄소의 점차적인 증가는 기후 변화 등 세계적인 위기가 되고 있다. 이러한 기후 위기를 해결하고자 지난 25년동안 그린에너지에 대한 개발과 연구가 지속되었으며 현재 리튬이온전지는 화석연료를 대체하는 새로운 에너지원으로 상용화되어 사용되고 있다. 리튬이온전지는 음극과 양극으로 각각 그라파이트 소재와 리튬금속산화물 또는 인산염을 사용하며 재충전이 가능한 에너지 저장 장치로 온실가스등의 배출이 없으며 휴대용 전자장비, 전기자동차, 에너지 저장 시스템 등에 활용되고있다. 그럼에도 불구하고, 리튬이온전지는 낮은 에너지밀도로 인하여 중대형 전지의 사용에는 한계가 있다. 그리고 전지를 이루고 있는 전극의 원재료들은 가격이 비싸고 독성을 가지고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 차세대 전지가 연구 개발되고 있으며, 에너지밀도와 이론 용량을 높인 리튬이온전지의 개발이나 리튬-황 전지, 연료전지, 리튬공기전지, 바나튬레독스흐름전지등이 연구개발중이다. 이 중에서도 리튬-황 전지는 원재료의 가격 경쟁력과 무독성 및 높은 에너지 밀도와 이론 용량을 가지며 차세대 전지로 각광받고 있다. 하지만 원소 황은 전기전도성이 낮고 방전 중 부피 팽창과 중간생성물의 용해와 같은 문제점들을 가지고 있어 상용 전지로 나아가기 위해서 해결해야되는 과제를 가지고 있다.
최근 2차원 소재인 금속 탄화물 또는 금속 질화물은 이차전지, 촉매, 센서 등과 같은 다양한 시스템에서 각광받고 있다. 그 이유는 소재의 유연성과 원하는 형태로의 가공이 가능하며 높은 전도성을 가지고 있기 때문이다.
본 학위 논문에서는 위에서 언급한 2차원 금속 탄화물 (맥신) 소재를 나노 조립하여 전기화학적 에너지 저장 장치인 리튬-황 전지와 리튬이온전지에 적용하는 연구를 다루었다. 이 연구에서의 결과들은 이차 전지 시스템에서 향상된 성능을 보여주었다.
