Molybdenum diselenide loaded on platelet ordered mesoporous materials for lithium-sulfur battery

Abstract

본 논문은 리튬 황 (Li-S) 배터리는 높은 이론적 용량과 황의 전지구적 풍부함, 저렴한 가격으로 인해 인해 차세대 전지로 유망하다. 그러나 황의 낮은 전기전도도로 인한 낮은 반응속도와 반응 중간물질인 리튬 폴리설파이드가 전해질에 용출되어 활성 황 물질의 손실로 인한 ‘dead sulfulr’ 발생, 용량 및 수명 감소의 문제점으로 인해 상업화에 어려움을 겪고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 전도성의 성질을 띄는 탄소 기반 황 호스트 물질들이 활발히 연구되고 있는 가운데, 본 연구에서는 리튬 황 전지의 황 호스트 물질로 비탄소기반 극성 다공성 실리카를 사용하였다. 실리카는 극성 물질이기 때문에 극성인 리튬 폴리설파이드 흡착 능력이 높아, 용출을 억제할 수 있다. 그러나 실리카는 비전도성 물질이기 때문에 순수 실리카 물질만으로는 전자와 리튬 이온이 원활하게 이동하여 반응을 촉진시킬 수 없다. 따라서, 폴리설파이드 전환을 촉진하기 위한 촉매로서 몰리브덴 셀레나이드(MoSe2)의 가능성을 탐구하였다. 몰리브덴 디셀레나이드 (MoSe2)는 좁은 밴드갭으로 인한 높은 전기전도성과. 그래핀보다 낮은 리튬 이온 확산 장벽을 가져 우수한 촉매 능력으로 LiPSs 전환 반응을 촉진시켰다. 산화몰리브덴 나노입자의 셀레늄화를 통해 배열된 다공성 실리카 담지체에, 나노 크기의 MoSe2 나노입자를 분포시킨 이셀레늄화 몰리브덴 (pOMS/MoSe2)를 제조하였다. 10 nm 크기의 MoSe2 나노 입자는 pOMS 시스템 내부에 잘 분산되어 촉매 역할을 수행하였다. 새로운 기상증착법을 이용하여 유황 호스트에 유황을 담지하였으며, 기존의 용융확산법보다 유황이 잘 담지되었음을 확인하였다. 전기화학적 성능 분석을 통해 pOMS/MoSe2의 도입이 폴리설파이드 중간체에 대한 친화력을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 촉매가 존재하지 않는 다공성 실리카 구조체(pOMS)에 비해 폴리설파이드 상호변환을 상당히 가속화할 수 있음을 증명하였다.|Lithium sulfur (Li-S) batteries hold promise as next-generation high energy density devices due to their high theoretical capacities. However, their commercialization confronts great challenges, in particular the notorious lithium polysulfide shuttle effect and sluggish kinetics, making it difficult to realize high sulfur loading and cell energy density properties. Herein, we used non-carbonaceous platelet ordered mesoporous silica (pOMS) as a sulfur host materials for lithium sulfur battery. Silica is high-polarity materials so that it has high lithium polysulfide (LiPSs) adsorption ability to suppress LiPSs shuttling effect. However, because of silica is non-conductive material, the electron and lithium ion cannot move along the system to utilize sulfur. Therefore, we explore the potential of molybdenum selenide (MoSe2) as the cathode catalyst to promote the polysulfide conversion. Molybdenum diselenide (MoSe2), has a narrow band gap than graphene and the low Lithium-ion diffusion barrier can promote the LiPSs conversion reaction by its good conductivity and a good catalytic ability. Nanosized MoSe2 embedded platelet Ordered Mesoporous Silica network (pOMS/MoSe2) are prepared through the Selenization of Molybdenum oxide nanoparticles. 10 nm sized MoSe2 nanoparticles are well spread inside the pOMS system to provide the ways to sulfur utilization. And, we applied vapor deposition method in 300 °C to loading sulfur into the sulfur host, identified the sulfur has been well loaded more than conventional melt diffusion method. Both electrochemical performance and theoretical calculations reveal that introducing the MoSe2 can not only enhance the affinity toward the polysulfide intermediate, but also significantly accelerate the polysulfide interconversion compared with that of the pristine platelet Ordered Mesoporous Silica (pOMS). Keywords: Non-carbonaceous sulfur host, LiPSs adsorption ability, high conductive catalyst, Li-S battery.