부산대학교 도서관

Elemental sulfur has the highest theoretical specific capacity of all known cathode materials for rechargeable lithium batteries except for O2 cathode. In addition to the high specific capacity, sulfur as a cathode active material has the advantages of natural abundance, low cost, and environmental friendliness. However, elemental sulfur cannot be directly used as the cathode material in rechargeable lithium/sulfur batteries because sulfur and sulfur-containing organic compounds are electronically and ionically insulating. Moreover, extensive capacity degradation occurs during battery cycling process due to the high solubility of the polysulfide into the polar organic solvents used in electrolytes.To enable operating the lithium/sulfur battery, the sulfur must be well combined with an electrically conductive species with sulfur-locked function. Various sulfur containing materials have been proposed to overcome the above-mentioned challenges, such as organic sulfides, sulfur-carbon composites, conducting polymer-sulfur composites, and so on. Unfortunately, specific capacities of organic sulfides are typically limited to 300 mAhg－1, which is too low compared with theoretical specific capacity of elemental sulfur. Molecular-level composite in which sulfur atoms are embedded in pyrolyzed polyacrylonitrile (PAN) matrix has shown some amazing results. The specific capacity of the composite (sulfur content ratio is ca. 50 wt.%) is up to ca. 1914 mAhg－1 in the first cycle, indicating that almost all the sulfur atoms are reduced to S2–, in another word, utilization ratio of sulfur approaches to 96%. However, the cycle stability and rate properties of the composite are not satisfactory. Multiwall carbon nanotube (MWCNT) has attracted enormous attention for its structural characteristics and its excellent electrical, thermal, and mechanical properties. It was reported that the dispersion of MWCNT in sulfur electrode could increase not only the rate capability but also the cycle life. However, it is difficult to disperse MWCNT into the sulfur electrode homogeneously and obtain a good contact between MWCNT and active materials. At this stage, the comprehensive electrochemical performance of theseS/MWCNT composites remain far from practical application. In this abstract, we introduced MWCNT into PAN by in situ disperse. The pyrolyzed polyacrylonitrilesulfur@MWCNT (abbreviated as SPAN) composite was further prepared by low temperature pyrolysis of a mixture of sublimed sulfur and PAN@MWCNT. The establishment of an effective electronically conductive network and unique core-shell structure in the composite leads to a remarkable improvement in the cycle and rate performances of the sulfur-based electrode.
황은 리튬이차전지용으로 알려진 활물질로서 산소양극을 제외하고 가장 높은 이론 용량을 가지고 있다. 높은 용량 외에도 양극활물질로서 황은 풍푸한 자원과 저렴한 가격, 그리고 환경친화적이라는 장점을 가지고 있다.그러나 황과 황화합물은 전기적 이온적 부도체라는 이유 때문에 리튬/황 이차전지의 양극활물질로서 황을 직접적으로 사용할 수 없다. 게다가 극성 유기용매를 이용한 전해질에 폴리썰파이드의 높은 용해도로 인해 전지의 사이클 과정에서 용량 저하가 크게 발생한다. 리튬/황 전지를 작동하려면 황은 결합기능을 가진 물질을 이용해 전기전도성 물질과 균일하게 겹합되어야 한다.위에서 언급한 문제점들을 극복하기 위해 유기황화합물, 황-탄소 복합물, 전도성고분자-황 복합물 등과 같은 여러 가지 물질들이 제안되었다. 불행히도 유기황화합물의 일반적인 용량은 황 이론 용량에 비해 너무 낮은 300mAh/g의 제한된 용량을 나타낸다. 열분해된 PAN 기지에 황 원자가 포함된 분자 단위의 복합물은 놀라운 결과를 보여준다. 50%의 황이 함유된 전극을 사용한 전지에서2C로 100사이클 후 가장 높은 용량은 662mAh/g-S를 보여준다. 그러나 복합물의 사이클 안정성과 율특성은 만족스럽지 못 한다.MWCNT는 전기전도성, 열적 안정성, 기계적 특성에 대한 많은 관심을 받고 있다. 황 전극에서 MWCNT 분산은 율특성과 수명을 향상시킨다고 보고되었다. 그러나 황 전극에서 균질하게 MWCNT를 활물질과 접촉시키면서 분산시키는 것은 어렵다. S/MWCNT 복합물의 포괄적인 전기화학적 특성은 연구실의 과제로 남아있다.이 연구에서는 PAN을 이용하여 MWCNT를 분산시키려고 하였다. S/PAN/MWCNT 복합물(앞으로 SPAN이라 명명한다.)은 황, PAN, 그리고 MWCNT를 혼합한 후 열처리하여 제조하였다. 복합물 내의 효과적인 전기전도 네트워크와 특별한 코어-쉘 구조의 설계는 황 전극의 율특성과 사이클특성에 놀라운 결과를 이끌어 낸다.