A Study on the Lithium-sulfur Battery Reaction on Ternary Oxides
삼원 산화물에 대하여 리튬-황 배터리 반응에 관한 연구
- 주제어 (키워드) lithium sulfur battery , ternary oxide , cathode , adsorption , criterion
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 문준혁
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000066723
- UCI I804:11029-000000066723
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
The lithium-sulfur battery is a next-generation battery that receives a lot of industrial attention in that it can achieve a theoretical energy density of up to 2500 Wh/kg, and the resource of sulfur used as an active material is abundant and inexpensive. However, it is experiencing great difficulties in commercialization due to problems such as low capacity expression and reduced lifespan. This is because the leakage of polysulfides, an intermediate discharge product, into the organic electrolyte reduces the lifespan characteristics. To solve this problem, studies are being conducted to introduce a transition metal oxide as a sulfur host together with a carbon material as a cathode material. When a transition metal oxide is introduced together with sulfur as an active material and carbon as a host, compared to when only a conventional carbon material is introduced as a sulfur host, the bond with polysulfides of the electrode is strengthened, and the performance can be improved by suppressing the leakage of the active material into the organic electrolyte. In addition, the relationship between binding energy and performance was to be precisely identified. As a result, it was revealed that high performance was achieved when the binding energy was adequate, neither too strong nor too weak. Appropriate binding energy suggested a clear criterion of 70-90 umol/g based on the polysulfides adsorption test of the experimental catalyst and around 4.5-5 eV based on the DFT-based computational simulation. In this study, the realization of a high-capacity lithium-sulfur battery and the relationship and mechanism between binding energy and performance were identified through the screening of five catalysts for ternary oxides. Finally, this study is significant in that it is the first to introduce Co-based ternary oxides into lithium-sulfur batteries.
more초록 (요약문)
리튬-황 전지는 최대 2500 Wh/kg의 이론적 에너지밀도 달성이 가능하다는 점, 활물질로 사용되고 있는 황의 자원이 풍부하고 저렴하다는 점에서 많은 산업적 주목을 받는 차세대 전지이다. 그러나 낮은 용량발현과 수명감소 등의 문제 때문에 상용화에 큰 어려움을 겪고 있다. 중간 방전생성물인 polysulfides의 유기전해질로의 유출이 발생하여 수명특성을 감소시키기 때문이다. 이를 해결하기 위해서 양극재로 탄소소재와 함께 전이금속산화물을 황 host로 함께 도입하는 연구들이 이루어지고 있다. 기존 탄소소재만 황 host로 도입하였을 때보다 전이금속산화물을 활물질인 황, 호스트인 탄소와 함께 도입하였을 때, 전극의 polysulfides와의 결합이 강해지고, 유기 전해질로의 활물질 유출을 억제하여 성능을 향상시킬 수 있다. 그러나 기존 연구에서는 강한 결합을 통해 활물질 유출을 억제하기 위해 금속산화물의 리튬-황 전지 양극재에 적용하였으나, 금속산화물 촉매와 polysulfides와의 광범위한 결합에너지만 제시하였을 뿐, 결합에너지와 성능 사이의 관계를 정확히 규명하지 않았다. 본 연구에서는 Ternary Oxides의 전이금속산화물을 리튬-황 전지에 적용하였고, 이를 통해 활물질과 강한 결합을 통해 높은 성능을 달성하고자 하였다. 또한, 결합에너지와 성능과의 관계를 정확히 규명하고자 하였으며, 촉매 복합화 후의 여러 전기화학평가를 진행하였다. 그 결과 너무 강하지도 너무 약하지도 않는 적절한 결합에너지를 가질 때, 높은 성능을 가짐을 밝혔다. 적절한 결합에너지는 실험적인 촉매의 polysulfides 흡착실험 기준 70-90 umol/g을 가질 때, 그리고 DFT 기반 전산모사 기준 4.5-5eV 부근의 명확한 기준을 제시하였다. MnCo2O4/CNT 전극의 경우, 1200 mAh/g을 달성하였으며, 이는 리튬이온 전지 이론용량 4배를 상회하는 수치이며, 금속산화물을 적용한 타 연구진의 리튬-황 전지 대비 1.2-2배 높은 수치이다. 본 연구는 Ternary Oxides 5가지 촉매의 스크리닝을 통해 고용량의 리튬-황 전지 구현, 결합에너지와 성능과의 관계 및 메커니즘 규명했으며, 적절한 에너지의 기준을 명확히 제시하여, 앞으로의 리튬-황 전지 촉매 도입에 있어서 기준점이 될 것이다. 마지막으로 이 연구는 Co기반 Ternary oxides를 리튬-황 전지에 최초로 도입한 점에서 의의가 있다.
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