리튬 황 전지 성능향상을 위한 열분해 폐플라스틱 유래 탄소의 TiO2-x 와 질소원자 도핑 효과 해석

Abstract

리튬-황 전지는 높은 이론 에너지 밀도 및 용량을 가지고 있지만, 중간 활물질인 리튬 폴리설파이드가 리튬 금속 전극 계면으로 지속적으로 확산되고 자가방전을 일으키는 셔틀 현상은 리튬-황 전지의 상업화를 위해서 반드시 해결되어야 한다. 본 연구에서는 폐플라스틱의 열분해 잔류물을 탄소원으로 사용하였고, 이를 셔틀 효과를 완화하기 위해 리튬-황 전지 황 호스트로 적용되었다. 구조적 특성을 개선하기위한 폐플라스틱에 KOH 처리 및 후속 암모니아 처리는 잔류물 전체 기공 부피의 30%의 메조 포어를 가진 계층적 다공성 탄소로 이끌었으며, 결과적으로 개선된 세공과 표면적은 리튬 폴리설파이드의 효과적인 반응을 위한 활성부위로 작용되었다. 또한 소재의 화학적 특성 개선을 위한 암모니아 처리는 탄소 네트워크의 가장자리 위치에 질소원자와 이산화티타늄(TiO2-x)을 형성시켜 리튬 폴리설파이드 중간체 확산을 보다 효과적으로 억제했다. 질소 원자 및 TiO2-x의 결합 효과에 기초하여 제조된 폐플라스틱 유래 탄소소재는 용량 감쇠를 지연시키는 데 크게 기여했으며, 결과적으로 1C의 전류밀도에서 500 사이클까지 500 mAh/g의 안정적인 방전용량과 0.089%의 매우 낮은 용량 감쇠율을 기록했다. 따라서 본 연구는 탄소원으로서 폐플라스틱 잔류물의 실용적인 친환경 설계에 대한 선례가 될 수 있다.