리튬-산소 전지용 다공성 탄소-탄소나노튜브 하이브리드 양극 소재 합성 및 전기화학특성 해석

Abstract

재충전 가능한 리튬-공기 전지(lithium-oxygen battery; LOB)는 현재 상용화되어있는 리튬-이온 전지보다 훨씬 높은 에너지 밀도를 가지기 때문에 미래의 에너지 저장 시스템으로 주목받고 있다. 일반적으로, LOB는 Li2O2의 전기화학적 형성 및 분해를 통해 작동하며, Li 금속 음극과 분리막, Li+-전도성 액체 전해질 및 다공성 탄소 양극으로 구성된다. LOB의 성능은 주로 양극에서의 전기화학적 산화·환원 반응에 의해 좌우되기 때문에 양극 구조의 설계는 높은 에너지 밀도의 가역성있는 LOB를 실현하기 위해서 중요하다. 본 연구에서는 (1) metal-organic framework (MOF)-derived carbon (MOF-C)과 carbon nanotube (CNT)로 구성된 하이브리드 양극 소재, (2) mesoporous carbon (MPC)과 CNT로 구성된 하이브리드 양극 소재를 합성하고 LOB의 양극으로서의 전기화학적 특성을 평가/해석하였다. MOF-C/CNT는 Zn acetate와 2-methylimidazole 용액에 다양한 양의 CNT를 첨가한 후 열처리를 통해 합성하였고, MPC@CNT는 MPC의 표면에 시드로 사용될 metallic Co를 붙인 후 열처리를 하여 합성하였다. 합성된 소재는 두 성분의 장점을 가지고 있다. MOF-C 및 mesoporous 탄소는 O2 수송 및 Li2O2 저장을 위한 큰 기공 부피를 제공하고 CNT는 전자를 위한 1차원의 전도성 경로를 제공한다. 향상된 전기화학적 성능은 mesoporous 탄소 및 CNT의 하이브리드 구조로 인해 달성될 수 있다. 전기화학실험을 통해서 MOF-C/CNT의 소재는 ≈ 10,500mAh g-1의 높은 방전용량 및 75사이클에 걸쳐 안정적인 사이클링 성능을 보여주었으며, MPC@CNT 소재는 ≈ 18,500mAh g-1의 높은 방전용량 및 향상된 속도 성능, 200사이클에 걸쳐 안정적인 사이클링 성능을 보여주었다. | Rechargeable lithium-oxygen batteries (LOBs) have the potential to deliver much higher energy density than current Li-ion batteries, and thus, they are considered to be promising for future energy storage systems. In general, LOBs operate via electrochemical formation and decomposition of Li2O2 and are typically composed of a Li metal anode, a Li+-conducting liquid electrolyte impregnated in a porous separator, and a porous carbon cathode exposed to ambient air or O2. The performance of an LOB is dominantly governed by the electrochemical redox reactions on the carbon cathode; therefore, the design of advanced cathode architectures is of great significance for the realization of high-energy-density, reversible LOBs. Here, we propose a cathode design for LOBs, which is composed of (1) carbon nanotube (CNTs) grown on metal-organic framework (MOF)-derived carbon, (2) mesoporous carbon (MPC) decorated with carbon nanotubes. The proposed design implements the advantages of the two components: (ⅰ) MOF or MPC provides a large pore volume for O2 transport and Li2O2 storage; and (ⅱ) CNTs provide conductive pathways for electron. We show that the synergistic architecturing of porous carbon and CNTs leads to outstanding electrochemical performance of LOBs. It is demonstrated that the synergistic nanoarchitecturing results in promising electrochemical performance of LOBs, as evidenced by a high discharge capacity and a stable cycling performance.