폴리아닐린 코팅 활성탄 에어로겔/황 복합체의 우수한 리튬-황 전지 성능

요약

비표면적 1765 m² g⁻¹, 기공 부피 2.04 cm³ g⁻¹, 계층적 다공성 나노네트워크 구조를 가진 활성탄 에어로겔(ACA-500)을 저농도 수산화칼륨 비율(1:1)로 유기 에어로겔(RC-500)을 직접 활성화하여 제조했습니다. 이 기판을 바탕으로 폴리아닐린(PANi) 코팅 활성탄 에어로겔/황(ACA-500-S@PANi) 복합체를 간단한 2단계 공정으로 제조했습니다: 승화된 황을 ACA-500에 용융 침투시킨 후, ACA-500-S 복합체 표면에서 아닐린의 현장 중합으로 PANi를 코팅했습니다. 제조된 ACA-500-S@PANi 복합체는 0.2C에서 1208 mAh g⁻¹의 높은 가역 용량을 보이며, 3C 고속에서도 542 mAh g⁻¹을 유지합니다. 또한 1C에서 초기 방전 용량 926 mAh g⁻¹, 700 사이클 후 615 mAh g⁻¹으로 극히 낮은 용량 감쇠율(사이클당 0.48‰)을 나타냅니다. 우수한 전기화학적 성능은 계층적 다공성 나노네트워크 구조와 PANi 코팅의 시너지 효과 덕분입니다. 높은 비표면적과 독특한 3D 상호연결 계층적 다공성 구조를 가진 활성탄 에어로겔은 황을 위한 효율적인 전도성 네트워크를 제공하며, 높은 전도도의 PANi 코팅층은 전극 전도도를 더욱 높이고 폴리설파이드 용해를 억제합니다.

배경

휴대용 전자기기, 전기자동차(EV), 스마트 그리드 시스템의 발전으로 고에너지 밀도, 긴 수명, 저비용의 충전지가 지속적으로 요구되고 있습니다. 리튬-황(Li-S) 전지는 높은 이론 용량(1675 mAh g⁻¹)과 이론 에너지 밀도(2600 Wh kg⁻¹, 2800 Wh L⁻¹)로 차세대 리튬 이차전지의 유망한 후보입니다. 또한 황은 천연으로 풍부하고 저비용, 무독성, 환경 친화적입니다[1–3]. 그러나 다음과 같은 치명적 문제로 실용화가 저해됩니다: (1) 황(5×10⁻³⁰ S cm⁻¹)과 방전 생성물 Li₂S/Li₂S₂의 낮은 전자/이온 전도도[4]; (2) 중간 폴리설파이드의 전해액 내 용해로 인한 셔틀 효과[5]; (3) 방전 시 큰 부피 팽창(~76%)[6]. 최근 황 기반 양극 성능 향상을 위해 다양한 유무기 전도성 기판[7–9], 분리막/리튬 음극 개질[10,11], 바인더[12]/전해질[13] 최적화 등 많은 노력이 있었습니다.

다양한 전도성 기판 중 다공성 탄소 소재는 높은 비표면적, 우수한 전도도, 전기화학적 안정성으로 주목받습니다. 최근 탄소/황 양극 연구에서 다공성 탄소가 황의 호스트 재료로 효과적으로 작용하여 사이클 안정성 향상이 입증되었습니다[14–16]. 탄소 에어로겔(CAs)은 중간 정도의 비표면적과 3D 상호연결 계층적 다공성 나노네트워크를 가져 황 호스트로 이상적입니다. Yin 등은 풍부한 미세 기공을 가진 CAs가 황 함침용 고정 호스트로 활용되어 우수한 가역 용량과 사이클 안정성을 얻었다고 보고했습니다[17]. Fang 등은 상압 건조법으로 다양한 원료 비율의 CAs를 합성하고 Li-S 전지 성능을 논의했습니다[18]. 그러나 기존 CAs는 상대적으로 낮은 비표면적(700 m² g⁻¹ 미만)과 작은 기공 부피(1.1 cm³ g⁻¹ 미만)로 황 함량을 제한하고 탄소/황 복합체 용량을 저해했습니다.

황 함량을 높여 전기화학적 성능을 개선하려면 탄소 에어로겔의 큰 기공 부피와 비표면적이 필요합니다. 현재 화학적 활성화는 탄소 소재의 기공 부피와 비표면적을 늘리는 중요한 방법입니다. 그러나 낮은 활성화 비율로 높은 비표면적과 큰 기공 부피를 얻는 것은 활성화제 소모를 줄이고 환경 오염을 감소시키기 위해 여전히 과제입니다. 또한 탄소 에어로겔은 주로 큰 메조기공으로 구성되어 황 가두기에 불리합니다. 따라서 고황 함량 조건에서 황 용해 문제를 해결하는 것이 더 중요합니다. 최근 전도성 코팅(그래핀[19], 환원 그래핀 산화물[20], 폴리아닐린(PANi)[21,22], 폴리피롤(PPy)[23], PEDOT:PSS[24] 등)을 사용하면 탄소/황 복합체의 용량과 사이클 안정성을 추가로 개선할 수 있음이 밝혀졌습니다. 탄소/황 복합체 외부 표면의 전도성 쉘은 폴리설파이드를 잡아 활물질 손실을 최소화할 뿐만 아니라 이온/전자 수송 경로를 단축하고 복합체 전도도를 높여 반응 동역학과 속도 특성을 향상시킵니다. 일반적인 전도성 고분자인 폴리아닐린은 쉬운 합성, 스케일업, 자가 치유, 상대적으로 높은 전기전도도, 풍부한 질소 작용기, 환경 안정성 등으로 슈퍼커패시터[25], 화학 센서[26], 리튬 이온/연료 전지[27,28]에서 전도성 매트릭스나 탄소 표면의 부드러운 개질 프레임워크로 널리 사용되어 왔습니다.

본 연구에서는 활성탄 에어로겔(ACA-500)을 황 함침용 고정 호스트로 채택했습니다. ACA-500은 유기 에어로겔(RC-500)을 KOH 1:1 비율로 활성화하여 제조했습니다(Scheme 1 참조). ACA-500은 높은 비표면적(1765 m² g⁻¹), 큰 기공 부피(2.04 cm³ g⁻¹), 계층적 다공성 나노네트워크를 가지며, ACA-500-S 복합체는 상대적으로 높은 황 함량(63%)을 포함합니다. 또한 ACA-500-S 복합체 표면에 현장 화학적 산화 중합으로 폴리아닐린을 코팅하여 활성 황과 폴리설파이드 종의 전해액 용해를 방지했습니다. 그 결과 ACA-500-S@PANi 복합체는 비코팅 ACA-500-S 및 문헌의 다른 코팅 복합체보다 훨씬 우수한 초기 용량과 사이클 안정성을 보였으며, 이는 폴리아닐린 코팅층의 존재 덕분입니다.

ACA-500-S@PANi 제조 공정 개략도

실험 방법

시료 제조

RF 유기 에어로겔과 활성탄 에어로겔은 기존 문헌[29]의 방법으로 제조했습니다. 상세 절차: 모든 반응물을 계산된 조성(500:1 R:C 몰비)에 따라 레조시놀(R), 포름알데히드(F), 탈ion수(W), 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(C)를 20 mL 유리병에 넣고 자석 교반기로 실온에서 혼합했습니다. 병을 밀봉하고 85°C 수조에서 5일간 경화했습니다. 경화 후 겔을 실온에서 24시간, 50°C에서 24시간, 100°C에서 3시간 순차적으로 상압 건조했습니다. 이어서 RF 유기 에어로겔을 N₂ 분위기(400 mL min⁻¹)에서 5°C min⁻¹ 승온 속도로 500°C 3시간 어닐링하여 RC-500-S500을 얻었습니다. 활성탄 에어로겔(ACA-500)은 다음과 같이 제조했습니다[30]: RC-500-S500 약 2 g을 수산화칼륨(KOH)과 1:1 질량비로 유리 비커에 혼합하고 10~15 mL 에탄올을 가해 KOH를 용해시켰습니다. 혼합물을 110°C에서 건조한 후 N₂ 분위기(400 mL min⁻¹)에서 5°C min⁻¹로 900°C 3시간 탄화했습니다. 실온으로 식힌 후 10% HCl 용액과 탈ion수로 세척하고 110°C에서 6시간 건조하여 ACA-500을 얻었습니다.

ACA-500-S 복합체는 ACA-500과 단체 황을 질량비 3:7로 혼합하여 가열-용융법으로 제조했습니다. ACA-500-S@PANi 복합체는 문헌[31]에 따라 ACA-500-S 복합체 표면에서 아닐린의 현장 화학적 산화 중합으로 제조했습니다. 대표적으로 ACA-500-S 복합체(0.2 g)를 탈ion수/아세톤(27 mL/3 mL) 혼합 용액에 초음파로 분산시켰습니다. 아닐린 단량체(0.28 g)와 1 M HCl 용액(15 mL)을 가하고 0°C에서 15분간 격렬히 교반했습니다. 예냉된 (NH₄)₂S₂O₈ 수용액(0.123 g을 30 mL 탈ion수에 용해)을 적가하고 6시간 교반 반응시켰습니다. 침전물을 여과하고 탈ion수와 에탄올로 여액이 투명해질 때까지 세척했습니다. 진공 오븐에서 50°C로 하룻밤 건조하여 ACA-500-S@PANi를 얻었습니다. ACA-500-S와 ACA-500-S@PANi 복합체의 황 함량은 열중량 분석(TGA)으로 계산했습니다. 유사하게 ACA-500과 황의 질량비 1:3과 2:3으로 70%와 54% 황 함량의 ACA-500-S 복합체(각각 ACA-500-S-70%, ACA-500-S-54%)를 제조했습니다. 아닐린 단량체와 C/S 복합체 질량비를 0.05:0.1(~0.5), 0.05:0.1(~0.5), 0.025:0.1(~0.25)로 하여 ACA-500-S-54%와 ACA-500-S-70%로부터 황 함량 45, 55, 61%의 ACA-500-S@PANi 복합체(각각 ACA-500-S@PANi-45%, ACA-500-S@PANi-55%, ACA-500-S@PANi-61%)를 제조했습니다.

시료 특성 분석

시료 형태와 미세구조는 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM, JSM-6330F)과 투과 전자 현미경(TEM, Tecnai G2 Spirit)으로 관찰했습니다. FTIR 스펙트럼은 Equinox 555(Bruker, 독일)로 400–4000 cm⁻¹, 분해능 2 cm⁻¹에서 측정했습니다. 기공도는 Micromeritics ASAP 2020 장비로 77 K에서 측정했습니다. 비표면적은 다점 BET 이론으로 분석했습니다. 기공 크기 분포는 원밀도 함수 이론(DFT) 기반으로 계산했습니다. TGA(Netzsch TG-209)로 복합체 내 황 함량을 측정했습니다. XRD 패턴은 D-MAX 2200 VPC 회절계(Cu Kα, 40 kV, 26 mA)로 기록했습니다. 라만 스펙트럼은 레이저 마이크로 라만 분광기(Renishaw inVia, 633 nm 레이저)로 상온에서 측정했습니다. XPS 측정은 ESCALab250 장비로 수행했습니다.

전기화학 측정

양극 슬러리는 ACA-500-S@PANi 또는 ACA-500-S 복합체 80 wt%, Super P 10 wt%, 폴리비닐리덴 플루오라이드 10 wt%를 N-메틸 피롤리돈(NMP) 용매에 혼합하여 제조했습니다. 슬러리를 탄소 코팅 Al 호일에 도포하고 60°C에서 12시간 건조한 후 직경 12 mm 디스크로 펀칭했습니다. Li-S 전지는 CR2032 코인형으로 조립했으며, 탄소/황 양극, 상용 폴리프로필렌 분리막(Celgard 2400), 리튬 박막 음극을 아르곤 글러브 박스(수분, 산소 <1.0 ppm)에서 사용했습니다. 전해질은 1 M 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(DME/DOL 1:1 부피비)에 LiNO₃(1 wt%) 첨가제로 제조했습니다. 순환 전압전류(CV)는 CHI660C 전기화학 워크스테이션에서 0.2 mV s⁻¹ 주사 속도로 1.7–2.8 V 사이에서 측정했습니다. 갈바노스태틱 충방전 시험은 LAND CT2001A 배터리 테스트 시스템으로 1.7~2.8 V, 상온에서 수행했습니다. 본 연구의 모든 비용량 데이터는 황 질량 기준으로만 계산했습니다. 전기화학 임피던스 분광(EIS) 데이터는 Zahner IM6ex 워크스테이션으로 100 kHz~10 mHz, 5 mV 진폭에서 측정했습니다.

결과 및 고찰

FESEM과 TEM으로 ACA-500, ACA-500-S, ACA-500-S@PANi의 형태를 조사했습니다(그림 1). 그림 1a에서 ACA-500은 약 10~30 nm 나노입자로 이루어진 3D 교차 결합 탄소 네트워크 미세구조를 보입니다. 황을 캡슐화하고 PANi를 코팅한 후 ACA-500-S와 ACA-500-S@PANi는 ACA-500과 유사한 형태(그림 1b, c)를 유지합니다. ACA-500-S 표면에서 뚜렷한 큰 응집체가 발견되지 않아 열용융 공정 중 황이 ACA-500의 나노기공으로 확산됨을 알 수 있습니다. ACA-500-S@PANi 형태는 ACA-500-S와 거의 동일하여 PANi가 ACA-500-S 기판 표면에 균일하게 분포함을 시사합니다. TEM 이미지(그림 1d-f)도 이를 뒷받침합니다. ACA-500-S와 ACA-500-S@PANi 복합체의 고분해능 TEM 이미지와 탄소, 황, 질소, 원소 매핑(추가 파일 1: 그림 S1, S2)은 복합체 내 황의 균일한 분포를 보여줍니다. 또한 PANi 코팅층이 탄소 기판 내 황 분포를 변화시키지 않음을 확인했습니다.

SEM 이미지: a ACA-500, b ACA-500-S, c ACA-500-S@PANi; TEM 이미지: d ACA-500, e ACA-500-S, f ACA-500-S@PANi

ACA-500-S와 ACA-500-S@PANi 복합체의 FTIR 스펙트럼(그림 2)은 문헌[32]과 잘 일치합니다. ACA-500-S@PANi 스펙트럼에서 1576, 1493 cm⁻¹ 특성 피크는 퀴논 고리와 벤젠 고리 진동에 기인합니다. 3433 cm⁻¹의 넓은 피크는 PANi의 2차 아민 N-H 신축 진동으로 할당됩니다. 1298, 1134, 796 cm⁻¹의 다른 밴드는 각각 2차 방향족 아민의 C-N 신축, 방향족 C-H 평면 내/외 굽힘 진동과 관련됩니다. 이 결과들은 ACA-500-S 복합체 표면에 폴리아닐린이 성공적으로 코팅되었음을 확인합니다. 여기서 PANi는 부드러운 완충제 역할을 하여 탄소와 황을 연결하고 밀착 접촉을 강화하며 전하 수송 거리를 단축합니다. 또한 폴리설파이드 음이온을 포집하고 부피 팽창을 수용할 수 있어 ACA-500-S@PANi 복합체를 사용한 Li-S 전지의 전기화학적 성능 향상이 기대됩니다.

ACA-500-S와 ACA-500-S@PANi 복합체의 FTIR 스펙트럼

ACA-500-S와 ACA-500-S@PANi 복합체는 XRD와 라만으로 추가 특성화했습니다(그림 3). 그림 3a는 순수 황, ACA-500, ACA-500-S, ACA-500-S@PANi 복합체의 XRD 패턴입니다. ACA-500-S와 ACA-500-S@PANi 복합체 어디에도 사방정계 황의 결정 피크가 관찰되지 않아 황이 탄소 매트릭스 기공에 비정질 상태로 존재함을 나타냅니다. 24° 부근의 넓은 회절 피크가 ACA-500-S와 ACA-500-S@PANi 복합체에 나타나며 비정질 활성탄 에어로겔에 기인합니다. 라만 스펙트럼(그림 3b)에서 500 cm⁻¹ 이하 가시 신호가 없어 황이 고르게 분산됨을 추가로 입증합니다. 탄소 소재의 흑연화 정도를 위해 D-밴드와 G-밴드 강도 비를 계산했습니다. ACA-500-S의 I_D/I_G(1.17)가 ACA-500(1.10)보다 높아 황 침투 후 ACA-500의 무질서도가 증가함을 시사합니다[33].

a XRD 패턴과 b 라만 스펙트럼: 순수 황, ACA-500, ACA-500-S, ACA-500-S@PANi 복합체

XPS로 ACA-500-S와 ACA-500-S@PANi 복합체의 황과 질소 화학적 상태를 분석했습니다(추가 파일 1: 그림 S3, S4). ACA-500-S 복합체의 서베이 XPS 스펙트럼(추가 파일 1: 그림 S3a)은 164.0, 228.9, 284.8, 532.6 eV에 중심이 있는 네 피크를 보여 S 2p, S 1s, C 1s, O 1s에 할당되며 S, C, O 원소 존재를 나타냅니다. C 1s 영역 스펙트럼(추가 파일 1: 그림 S3b)은 284.8 eV 주 피크를 보여 C-C 결합과 ACA-500 기판의 비정질 특성을 나타냅니다. S 2p 스펙트럼은 164.0 eV와 165.2 eV의 두 비대칭 피크로 피팅되어 각각 S 2p₃/₂와 S 2p₁/₂에 해당하며, 표준 스핀-궤도 분리 1.2 eV(163.6, 164.8 eV)와 일치합니다[34–36]. ACA-500-S@PANi의 N 1s 영역 스펙트럼(추가 파일 1: 그림 S4b)은 399.8 eV(-NH-)와 401.1 eV(-NH⁺) 두 성분 피크로 분해되어 ACA-500-S@PANi 표면에 코팅된 PANi의 에메랄딘 염 상태를 시사합니다[37].

ACA-500-S와 ACA-500-S@PANi 복합체의 황 함량은 열중량 분석으로 결정했습니다. 그림 4는 N₂ 분위기에서 순수 황, PANi, ACA-500, ACA-500-S, ACA-500-S@PANi 복합체의 TGA 곡선으로, 순수 황은 약 350°C에서 완전히 연소되나 ACA-500-S와 ACA-500-S@PANi 복합체에서는 430°C로 지연되어 나노다공성 탄소 소재의 황 가두기 효과를 암시합니다. ACA-500-S와 ACA-500-S@PANi 복합체의 황 함량은 각각 약 63%와 37.4%로 계산되었습니다. 질소 흡착-탈착 등온선으로 ACA-500, ACA-500-S, ACA-500-S@PANi 복합체의 기공 특성을 조사했습니다(그림 5, 추가 파일 1: 표 S1). 그림 5a에서 ACA-500은 IUPAC 분류의 IV형 등온선과 전형적인 메조기공 히스테리시스 루프를 보입니다[38]. 낮은 상대 압력에서 매우 높은 질소 흡착은 탄소 골격 내 막대한 미세기공 존재를 나타냅니다. 흡착 곡선이 P/P₀=1.0 근처에서 평탄해지지 않고 점진적으로 상승하여 수많은 간극 메조기공 존재를 암시합니다. 이는 DFT 이론 기반 기공 크기 분포 곡선으로도 확인됩니다. ACA-500의 기공 크기 분포 곡선에서 미세기공은 약 1.3 nm, 메조기공은 2.6과 27 nm에 중심이 있습니다(그림 5b). 추가 파일 1: 표 S1에서 ACA-500은 1765 m² g⁻¹의 높은 비표면적과 2.04 cm³ g⁻¹의 큰 기공 부피를 가집니다. ACA-500-S와 ACA-500-S@PANi 복합체의 비표면적과 기공 부피는 각각 31 m² g⁻¹, 0.207 cm³ g⁻¹과 26 m² g⁻¹, 0.116 cm³ g⁻¹로 현저히 감소하여 황이 ACA-500의 나노기공에 침투하고 PANi가 ACA-500-S 표면에 균일하게 코팅됨을 나타냅니다.

PANi, 순수 황, ACA-500, ACA-500-S, ACA-500-S@PANi 복합체의 TGA 곡선

a N₂ 흡착-탈착 등온선과 b 기공 크기 분포 곡선: ACA-500, ACA-500-S, ACA-500-S@PANi

ACA-500-S@PANi 복합체의 전기화학적 성능을 그림 6, 7에 보이고 비교를 위해 ACA-500-S 복합체 성능도 함께 제시했습니다. ACA-500-S@PANi 복합체의 처음 4회 순환 전압전류 곡선(0.2 mV s⁻¹, 그림 6a)에서 환원 스캔 중 ~2.27 V와 ~2.01 V(vs. Li/Li⁺)에 두 주요 환원 피크가 관찰되며, 이는 황에서 장사슬 폴리설파이드(Li₂Sₓ, 4

a 0.2 mV s⁻¹에서 처음 4회 순환 전압전류 곡선, b 0.1C에서 처음 3회 충방전 곡선(ACA-500-S@PANi 양극); c 속도 특성, d ACA-500-S와 ACA-500-S@PANi 양극의 EIS 스펙트럼

1C에서 ACA-500-S와 ACA-500-S@PANi 양극의 사이클 성능

전기화학적 가역성과 사이클 성능 향상을 더 조사하기 위해 ACA-500-S와 ACA-500-S@PANi 복합체의 장시간 사이클 시험을 1C에서 수행했습니다(그림 7, 추가 파일 1: 그림 S6). ACA-500-S@PANi 복합체는 초기 방전 용량 926 mAh g⁻¹을 보이며 700사이클 후 615 mAh g⁻¹의 가역 용량을 유지해 용량 유지율 66.4%, 감쇠율 0.48‰/사이클을 기록했습니다. 반면 ACA-500-S는 초기 916 mAh g⁻¹, 700사이클 후 493 mAh g⁻¹으로 유지율 53.8%, 감쇠 0.66‰/사이클입니다. 두 복합체의 쿨롱 효율은 전체 사이클 동안 99% 근처를 유지합니다. 또한 ACA-500-S@PANi의 성능 향상이 PANi 코팅 때문인지 낮은 황 함량 때문인지 확인하기 위해 유사한 황 함량(55% vs 54%)의 ACA-500-S@PANi-55%와 ACA-500-S-54% 복합체 쌍을 추가로 조사했습니다(추가 파일 1: 그림 S7). 추가 파일 1: 그림 S8a-c에서 ACA-500-S@PANi-55%는 ACA-500-S-54%보다 우수한 속도 특성을 보이며 0.2, 0.5, 1, 2, 3C에서 각각 1109, 880, 741, 602, 447 mAh g⁻¹의 가역 용량을 보여 ACA-500-S-54%(921, 693, 580, 499, 402 mAh g⁻¹)보다 높습니다. 이는 PANi 코팅의 이점을 확인합니다. PANi 코팅 덕분에 ACA-500-S@PANi 복합체는 황 함량을 더 높여도 우수한 안정성을 보입니다. 추가 파일 1: 그림 S8d에서 ACA-500-S@PANi-45%는 초기 815 mAh g⁻¹, 100사이클 후 1C에서 687 mAh g⁻¹ 유지(유지율 84.3%). ACA-500-S@PANi-61%는 초기 611 mAh g⁻¹, 100 및 120사이클 후 416, 394 mAh g⁻¹ 유지(유지율 68.1%, 64.5%). 이러한 우수한 사이클 안정성은 유사 황 함량의 기존 PANi 코팅 탄소/황 복합체(추가 파일 1: 표 S2)를 능가합니다.

종합하면 ACA-500-S@PANi 복합체의 향상된 전기화학적 성능은 매트릭스 내 활성탄 에어로겔 프레임워크의 우수한 전도성과 표면 PANi 코팅층의 전도성에서 오는 시너지 효과에 기인합니다. 높은 비표면적과 독특한 3D 상호연결 계층적 다공성 구조의 ACA-500 프레임워크는 황을 위한 효율적인 전도성 네트워크를 제공하며, 높은 전도도의 PANi 코팅층은 탄소와 황 사이의 연결고리 역할을 하여 밀착 접촉을 강화하고 이온/전자 전도 경로를 단축할 뿐만 아니라 폴리설파이드 종의 용해를 방지하고 충방전 중 부피 변화를 수용합니다.

결론

요약하면, 폴리아닐린 코팅 활성탄 에어로겔/황 복합체(ACA-500-S@PANi)는 ACA-500-S 복합체 표면에서 아닐린의 현장 화학적 산화 중합으로, 황과 ACA-500의 열처리로 얻은 ACA-500-S 복합체로부터 성공적으로 제조되었습니다. ACA-500은 유기 에어로겔(RC-500)로부터 KOH 활성화법으로 높은 비표면적(1765 m² g⁻¹)과 계층적 다공성 나노네트워크 구조를 가진 활성탄 에어로겔로 합성되었습니다. ACA-500-S@PANi 복합체는 ACA-500-S 복합체보다 더 우수한 전기화학적 성능을 보입니다. 0.2C에서 1208 mAh g⁻¹의 높은 가역 용량과 3C 고속에서도 542 mAh g⁻¹을 유지합니다. 또한 초기 방전 용량 926 mAh g⁻¹을 보이며 1C에서 700사이클 후 66.4% 용량 유지율(615 mAh g⁻¹)과 극히 낮은 용량 감쇠율(0.48‰/사이클)을 나타냅니다. ACA-500-S@PANi 복합체의 현저히 향상된 전기화학적 성능은 높은 비표면적, 독특한 3D 상호연결 계층적 다공성 탄소 네트워크 프레임워크, 높은 전도도 PANi 코팅층에 기인합니다. PANi 층은 탄소와 황 사이의 연결고리 역할을 하여 밀착 접촉을 강화할 뿐만 아니라 폴리설파이드에 강한 물리적·화학적 구속을 제공하여 활물질 손실을 최소화하고 이온/전자 수송 거리를 단축하며 복합체 전도도를 추가로 향상시킵니다.

약어

ACA-500:

활성탄 에어로겔

ACA-500-S:

활성탄 에어로겔/황 복합체

ACA-500-S@PANi:

폴리아닐린 코팅 활성탄 에어로겔/황 복합체

CAs:

탄소 에어로겔

CV:

순환 전압전류

FESEM:

전계 방출 주사 전자 현미경

FTIR:

푸리에 변환 적외선 분광법

PANi:

폴리아닐린

RC-500:

유기 에어로겔

TEM:

투과 전자 현미경

TGA:

열중량 분석

XPS:

X선 광전자 분광법

XRD:

X선 회절