대마 줄기 유래 나노다공성 탄소 음극으로 고성능 리튬이온 배터리 구현

초록

풍부하고 저렴한 바이오매스 폐기물인 대마 줄기는 고성능 음극 소재의 유망한 경로를 제공합니다. 본 연구에서는 대마 줄기를 저온 탄화 후 500-800°C에서 ZnCl₂ 활성화해 활성탄(AC)을 제조했습니다. 대마의 천연 섬유 구조가 주로 마이크로 기공과 메조/마크로 기공이 보완된 고다공성 탄소를 생성합니다. 리튬이온 배터리 음극으로 AC는 0.2 C에서 100 사이클 후 495 mAh g⁻¹ 가역 용량을 보여 흑연을 능가하고 비활성탄(UAC)보다 우수합니다. 이 연구는 재생 가능 폐기물로부터 고성능 음극을 제조하는 비용 효율적, 확장 가능한 접근법을 입증합니다.

서론

대마 줄기 같은 바이오매스 폐기물은 기능성 소재로서 잠재력에도 불구하고 크게 미활용 상태입니다. 식물 잔여물 유래 활성탄은 흡착, 수소 저장, 슈퍼커패시터 전극으로 연구되어 왔습니다[1-9]. 중요하게는 바이오매스 유래 탄소 음극이 리튬이온 배터리의 핵심 응용으로 부상했습니다[10-17]. 예를 들어 오일백 에멀전으로 제조한 중공 그래핀 구가 우수한 리튬 저장성을 보이며, 옥수수 줄기 유래 중공 활성탄이 0.2 C에서 100 사이클 후 504 mAh g⁻¹ 가역 용량을 보였습니다[11]. 최근 대나무 유래 탄소 섬유가 100 사이클 627.1 mAh g⁻¹ 달성[18]. 이러한 성공은 바이오매스 폐기물이 고에너지 소재의 풍부한 공급원임을 시사합니다. 대마(Cannabis sativa)는 친환경 고수확 작물로 전 세계 재배 확대 중. 섬유와 바이오연료 외에 대마 잔여물은 콘크리트 골재[24,25], 생체복합체[26], 에탄올 생산[27]에 활용됩니다. 그러나 줄기는 종종 폐기물로 버려집니다. 고유한 다공성과 섬유 네트워크가 다공성 탄소 합성의 매력적 후보입니다. 선행 연구에서 대마 줄기가 큰 표면적과 우수한 흡착 용량의 활성탄을 생성함 입증[28-35]. 그러나 리튬이온 배터리 음극 응용은 보고된 바 없습니다. 본 연구는 대마 줄기 유래 AC의 전기화학적 성능을 조사해 천연 기공 구조와 활성화 공정의 시너지가 리튬 저장 능력을 향상시킴을 밝혔습니다. 이 소재는 차세대 배터리 음극으로 저비용, 고부가가치 경로를 제공합니다.

방법

대마 줄기 유래 활성탄 제조

흑룡강성에서 수집한 생 대마 줄기를 세척, 60°C 건조, 분말화. 분말을 아르곤 분위기(5°C min⁻¹)에서 300°C 3시간 탄화해 휘발분 제거. 이후 ZnCl₂와 혼합(질량비 1:5)해 관로로에서 500-800°C 3시간 활성화, 실온 냉각. 활성화 후 분쇄, 2 M HCl로 24시간 세척해 무기 잔류물 제거, 중성 pH까지 탈ion수 반복 세척. 시료를 AC-λ로 표기(λ는 활성화 온도). 참고 시료 비활성탄(UAC)은 600°C에서 ZnCl₂ 없이 탄화해 제조.

소재 특성 분석

분말 XRD(지멘스 D5000, Cu Kα), 라만 분광(레니쇼 inVia), 형상 분석(FE-SEM JEOL JSM-6700F, TEM JEM-2100F). 비표면적과 기공 크기 분포는 질소 흡착-탈착(마이크로메리틱스 ASAP2420)으로 BET와 BJH 분석 수행.

전기화학 측정

전극 슬러리는 활성 물질, 아세틸렌 블랙, PVDF를 8:1:1 질량비로 NMP에 혼합. 교반 후 구리 박에 코팅, 진공 하 120°C 12시간 건조. 코인 셀(CR2032)을 아르곤 글러브 박스(<0.1 ppm H₂O, O₂)에서 리튬 금속 대조극, 폴리프로필렌 분리막, 1 M LiPF₆ 함유 EC:DMC:EMC(1:1:1 v/v) 전해질로 조립. LAND 배터리 시스템으로 0.02-3 V 사이클링 테스트. 순환 전압전류법(CV)과 전기화학 임피던스 분광법(EIS)은 전기화학 워크스테이션으로 수행.

결과 및 논의

그림 1은 생 대마 줄기에서 최종 AC로의 변환을 보여줍니다. SEM 이미지(그림 1c-d)에서 UAC는 제한적 다공성의 비정질 매트릭스인 반면, AC-600은 표면적과 활성 자리 증가하는 층상 슬릿형 구조를 보입니다. TEM과 HRTEM(그림 2c-d)은 AC-600이 UAC 대비 높은 밀도의 마이크로 기공을 가짐을 확인, 우수한 전기화학 성능과 일치.

XRD 패턴(그림 3a)은 무질서 그래파이트의 (002) 반사 특성인 22° 넓은 피크와 sp² 허니컴 도메인 기인 약한 44° 피크로 두 시료 모두 비정질 특성 확인. 라만 스펙트럼(그림 3b) I_D/I_G 비율 UAC 1.15, AC 1.17로 높은 결함 밀도와 리튬 삽입 촉진 다수 에지 사이트 나타냄.

질소 흡착 분석(그림 4)은 뚜렷한 H4 이력 루프를 가진 타입 I 등온선으로 풍부한 마이크로 기공과 슬릿형 메조 기공 입증. AC는 BET 표면적 589.54 m² g⁻¹, 기공 부피 0.332 cm³ g⁻¹, 평균 기공 직경 2.25 nm. 이 계층적 다공성이 이온 수송과 전하 저장을 향상.

전기화학 성능은 그림 5에 요약. 0.2 C에서 AC-600은 100 사이클 후 495.4 mAh g⁻¹ 가역 용량으로 흑연 이론치 372 mAh g⁻¹ 초과, UAC(~313 mAh g⁻¹) 능가. 최초 방전 용량 2469.7 mAh g⁻¹(초기 SEI 형성), 쿨롱 효율 1사이클 후 ~100% 안정화. 속도 특성(그림 5d)에서 AC-600은 5 C에서 65.2 mAh g⁻¹ 유지, 0.2 C 복귀 시 416.3 mAh g⁻¹ 회복으로 견고한 동역학 입증.

사이클링 후 TEM(그림 6)에서 AC-600 표면 부분 파괴로 내부 기공 노출, 과도 활성화가 표면 무결성 손상해 미세한 용량 페이드 유발 가능성 시사. EIS 스펙트럼(그림 7a-b)에서 AC-600의 전하 전달 저항이 UAC보다 낮아 계층적 기공을 통한 리튬 확산 촉진 반영. CV 곡선(그림 7c-d) 최초 사이클에서 0.7 V와 1.35 V 피크로 비가역적 SEI 형성, 이후 ~0.25 V에서 안정적 인터칼레이션/디인터칼레이션. 후속 사이클 중첩 스캔으로 전극 안정성 확인.

결론

저온 탄화와 ZnCl₂ 활성화로 제조한 대마 줄기 유래 활성탄이 리튬이온 배터리 음극으로 실행 가능함을 입증. 결과 AC는 높은 BET 표면적(589.54 m² g⁻¹)과 마이크로 기공 주도의 계층적 기공 네트워크로 0.2 C에서 100 사이클 후 495 mAh g⁻¹ 가역 용량 달성. 비활성탄 대비 활성화 단계가 용량, 속도 성능, 사이클 안정성 현저히 개선. 적극적 활성화로 인한 미세 표면 손상에도 불구하고, 대마 폐기물을 고부가가치 배터리 소재로 전환하는 확장 가능, 저비용 경로를 제공해 재생 자원 활용과 에너지 저장 기술 발전에 기여.

데이터 및 재료 가용성

본 원고 결론은 여기에 제시된 데이터에 기반합니다.

약어

AC:

활성탄

CE:

쿨롱 효율

CV:

순환 전압전류법

DMC:

디메틸 카보네이트

EC:

에틸렌 카보네이트

EMC:

에틸 메틸 카보네이트

SEI:

고체 전해질 계면

UAC:

비활성탄