N, F 도핑된 중공형 메조포러스 탄소나노입자 합성 및 리튬-황전지로의 연구

국문 초록 (Abstract)

리튬-황전지는 높은 에너지밀도 (2567 W/kg)를 가지므로 차세대 배터리 중의 유망한 후보이다. 하지만 충방전시 폴리설파이드의 셔틀현상으로 인한 용량감소가 상용화에 가장 큰 걸림돌이다. 따라서 이 문제를 해결하고자 이종원소 N과 F가 co-doping된 N, F-Hollow Mesopo-rous Carbon nanoparticles (N, F-HMCs)입자를 합성하였다. 코어-쉘 메조포러스 실리카 입자를 template으로 사용하여 도파민을 코팅시켰으며 800도, 질소하에서 탄화함으로써 SiO2@m-SiO2&C (silica core and silica/carbon composite shell)입자를 얻었다.
이후 이 코어-쉘 입자의 실리카를 테프론의 열분해를 통해 선택적으로 에칭하였다. 에칭과 동시에 플루오린이 도핑된 N, F-HMCs입자를 얻었다. 또한 리튬-황전지의 전극으로 사용하기 위해, 황을 melt-diffusion방법을 이용하여 함침하였다. 결과적으로 N, F-HMCs입자의 표면적과 기공부피는 852 m2/g와 1.10 cm3/g, 황이 함침된 N, F-HMCs/S 입자의 표면적과 기공부피는 41.5 m2/g와 0.48 g/cm3로 측정이 되었으며, 황전지의 양극으로 제조하여 측정 시 0.1C에서 초기방전용량 1249 mAh/g을 나타내었으며 0.2C 사이클에서 초기방전용량 1129 mA/g, 200번 충방전 이후의 방전용량은 623.7 mAh/g, 쿨롱효율은 99.7 %를 나타내었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Hollow mesoporous carbon nanospheres doped with both nitrogen and fluorine were synthesized to solve the capacity decrease due to the shuttle phenomenon of polysulfide in lithium-sulfur battery. The monodisperse core-shell nanospheres (SiO2@m-SiO2 nanospheres) with silica core and mesoporous silica shell were used as a template to prepare the carbon-coated SiO2@m-SiO2 nanospheres via polymerization and carbonization of dopamine within the mesopores in the shell phase of the carbon-coated SiO2@m-SiO2 nanospheres. The silica phase of these carbon-coated SiO2@m-SiO2 was then selectively etched during the pyrolysis of Teflon to obtain nitrogen and fluorine co-doped hollow mesoporous carbon (N, F-HMC) nanospheres. Sulfur was impregnated into the N, F-HMC nanospheres using melt-diffusion method to form the sulfur-impregnated N, F-HMC (N, F-HMC/S) nanospheres for use as an electrode of a lithium-sulfur battery. The surface area and pore volume of the N, F-HMC nanospheres were measured at 852 m2/g and 1.10 cm3/g, whereas those of the N, F-HMC/S nanospheres were 41.5 m2/g and 0.48 cm3/g. The initial discharge capacity of the N, F-HMC/S nanospheres as the positive electrode of the lithium- sulfur battery was approximately 1249 mAh/g at a current density of 0.2 A/g. The initial discharge was measured 1249 mAh/g and 1129 mA/g at 0.1C and 0.2C cycle, respectively. The discharge capacity after 200 charge/discharge was 623.7 mAh/g, and the coulombic efficiency was 99.7%.