질소 도핑된 고흑연화 다공성 탄소 구조체, 이를 포함하는 리튬-황 전지 및 이의 제조방법

MOF 유래 질소 도핑 계층 다공 탄소로 고로딩 황을 담지한 리튬-황 양극

본 기술은 질소가 도핑되고 마이크로·메조·매크로 기공을 계층적으로 갖추며 중심부가 오목한 십이면체 형상을 띠는 고흑연성 탄소 구조체를 황 호스트로 사용하여, 황 담지 효율을 높이고 리튬-황 전지의 셔틀 현상을 억제하는 기술입니다.

리튬-황 전지는 황의 전기 전도도가 낮고, 황이 환원될 때 생기는 리튬 폴리설파이드가 전극 사이를 오가는 셔틀 현상이 발생하는 문제가 있었습니다. 전극의 부피 팽창으로 사이클 수명이 떨어지고, 상업적 구동에 필요한 고로딩 황 담지도 어렵다는 한계가 존재했습니다.

본 기술은 ZIF-8 금속유기골격체와 마그네슘 금속환원제를 이용한 금속 열 환원(metallothermic reduction) 및 산 에칭으로, 비표면적 500~1000m²/g, 메조 기공 50 부피% 이상의 고흑연성 탄소 구조체를 제조하도록 구성됩니다. 이 구조체는 황을 안정적으로 붙잡아 전극 부피 변화를 줄이고, 도핑된 질소가 폴리설파이드와의 친화력을 높입니다. 경량성이 중요한 드론, 고고도 무인기, 전기 항공기용 리튬-황 전지 양극 등에 적용될 수 있어 5~15mg/cm² 수준의 고로딩 조건에서도 폴리설파이드 유실을 줄여 실용적인 면적당 용량을 구현할 수 있습니다.

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Key Features:

• 적어도 일면의 중심부가 오목한 다면체이며 질소가 도핑된 금속-유기 골격체를 포함하는 다공성 흑연성 탄소 구조체
• 0.1nm 이상 마이크로 기공, 2nm 이상 메조 기공, 50nm 이상 매크로 기공을 모두 포함하는 탄소 구조체
• 탄소 구조체에 5 내지 15mg/cm2의 함량으로 담지되어 양극 활물질을 이루는 황
• 질소 함유 금속유기골격체와 분말상 금속환원제의 고상 혼합물을 금속 열 환원시켜 중간 구조체를 제조하는 단계

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