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Surface-Functionalized Carbon Nanotube/Sulfur Composite Cathode for Lithium-Sulfur Batteries

Title
Surface-Functionalized Carbon Nanotube/Sulfur Composite Cathode for Lithium-Sulfur Batteries
Other Titles
표면 개질한 탄소나노튜브를 적용한 리튬-황 전지용 복합 양극
Author
이상민
Alternative Author(s)
Lee, Sang Min
Advisor(s)
김동원
Issue Date
2019. 8
Publisher
한양대학교
Degree
Master
Abstract
리튬-황 전지는 높은 에너지 밀도, 저비용, 친환경성과 풍부한 자원으로 인해 전기자동차, 포터블 디바이스, 에너지 저장장치에 적용할 차세대 전지로 여겨진다. 이러한 장점들에 불구하고 리튬 폴리설파이드의 용출 및 리튬 음극으로의 이동은 리튬-황 전지가 상용화되기 위해 풀어야할 과제이다. 본 연구에서는 기능성 하이드록시기가 치환된 탄소 나노 튜브 (CNTOH)를 제작, 리튬 폴리설파이드의 흡착 물질과 황 전극의 지지체로 사용하는 연구를 진행하였다. CNTOH/황 복합 전극은 단위 면적 당 설퍼의 양을 늘리기 위해 물리적인 압착을 하는 방법으로 제작하였다. CNTOH 표면에 존재하는 하이드록시기는 리튬 폴리설파이드와 강한 화학적 상호작용을 하여 리튬 폴리설파이드가 양극에 머물러 있을 수 있도록 제한하는 효과를 보인다. 그 결과, CNTOH/황 복합 전극을 사용한 리튬-황 전지는 1104 mAh g-1 의 높은 초기 용량과 향상된 수명 특성을 나타내는 것을 확인하였다.
Lithium-sulfur battery has been considered as promising next-generation battery for electric vehicles, portable electronic devices and grid-scale energy storage systems due to its high theoretical energy density (2600 Wh kg-1), low cost, environmental friendliness and natural abundance of sulfur. Despite these advantages, the dissolution of lithium polysulfides and their migration to the lithium anode are main problems to be solved for commercialization of Li-S batteries. In this study, we report hydroxyl-functionalized carbon nanotubes (CNTOH) as lithium polysulfide adsorbent and carbon substrate in the sulfur cathode. CNTOH/sulfur composite cathode was prepared by a physical compression method to increase sulfur mass loading (3.01 ~ 3.70 mg cm-2). Hydroxyl groups on CNTOH exhibited a strong chemical interaction with polysulfides and confined polysulfides effectively in the cathode. As a result, the lithium-sulfur cell assembled with CNTOH/sulfur composite electrode exhibited a high initial discharge capacity of 1104 mAh g-1 (corresponding to an areal capacity of 3.33 mAh cm-2) and good capacity retention of 67.0 % after 300 cycles at 0.2 C rate.
URI
http://dcollection.hanyang.ac.kr/common/orgView/000000110396http://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/109279
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