Simple Synthesis of Mesoporous Carbon Spheres with Ultra-Large Pore for Lithium-Sulfur Batteries

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The past ten years represent an explosive growth in the synthesis, characterization, and application of mesoporous carbon spheres (MCS). It exhibits several unique features such as regular geometry, good liquidity, tunable porosity and controllable particle size distribution as a compared to powders or flakes, and therefore these innovative materials present a great utilitarian value for catalysis, adsorption, water and air purification, energy storage and conversion. Various synthetic strategies including templating, hydrothermal carbonization, emulsion polymerization, and self-assembly have been developed for the preparation of MCS. Among the traditional synthetic strategies, the evaporation-induced self-assembly (EISA) is a feasible way to control porosity of inorganic materials. EISA method has great advantage to synthesize Mesoporous carbons. Nevertheless, the resulting materials of EISA always possess large irregular particle morphologies. Synthesizing shape-controlled mesoporous materials by EISA has been challenging issue. To control particle morphology, EISA has been combined with other templating method to synthesize MCS, which eliminate the strength of EISA.
In this study, we developed one-pot synthetic route of MCS by EISA by combining blockcopolymer (BCP)/homopolymer blend phase separation. Polyethylene oxide?b-polystyrene (PEO-b-PS) BCP (Mw = 45,000, PEO 18.8 wt%) was prepared by Atomic Transfer Radical Polymerization (ATRP). The Polystyrene with large molecular weight (Mw = 350,000) was used to derive macrophase separation between BCP phase and homopolymer phase. The macrophase separation driven by polystyrene made spherical region of BCP phase where microphase separation occurs. Thermosetting polymer, phenolic resin (Mw ~ 500), was selectively incorporated into PEO block and converted to carbon wall after high-temperature annealing in N2. The MCS by this method has unique closed pore structure which was effective to lithium-sulfur cathode. The MCS/sulfur composite cathode showed much higher areal capacity in lithium-sulfur battery than traditional bulk mesoporous carbon/sulfur composite cathode.

국문 초록 (Abstract)

구형 다공성 탄소 입자의 합성은 특유의 기하학적 대칭성과 기공 크기 및 입자 크기 조절의 용이성 등의 장점을 가져 기존의 불규칙적 입자에 비해 다양한 분야에서 활용도가 더욱 높다. 특히 촉매 반응, 수처리, 공기 정화 및 에너지 저장과 변환에서 높은 활용도를 보이고 있다. 이러한 효용성에 의해 다양한 합성법이 개발되어 왔으며, 용매증발 자기조립 합성법(evaporation-induced self-assembly, EISA)방법은 다공성 물질을 합성하기에 용이하여 특히 자주 응용되어 왔다. 그러나 용매증발 자기조립 합성법의 경우 입자의 모양을 조절하기가 쉽지 않기 때문에 다른 합성법과의 결합을 통하여 입자의 모양을 조절하는 경우가 많았고, 이 과정에서 용매증발 자기조립 합성법의 강점이 사라진다는 한계가 있었다.
본 논문에서는 용매증발 자기조립 합성법의 장점을 유지하면서 입자의 모양을 조절할 수 있는 새로운 방법으로 고분자 블랜드의 상거동 현상을 용매증발 자기조립 합성과정에 접목시켰다. A-b-B 블록공중합체가 A 고분자와 섞일 경우, A고분자의 분자량에 따라 A-b-B / A 고분자 블랜드의 상거동 현상이 달라지게 된다. 특히, A고분자의 분자량이 충분히 큰 경우 A-b-B 블록공중합체와 분리된 독립된 상을 형성하게 되며, 이 경우 A-b-B 블록공중합체가 형성하는 마이크로 상 분리 현상과 더불어 A고분자가 형성한 매크로 상 분리 현상이 계층적인 구조를 이루게 된다.
이러한 고분자 블랜드의 상거동 현상은 고분자 학계에서 널리 관찰되어 왔으나, 무기소재로 도입하여 실용화 된 바가 없으며, 무기소재에서 간단하게 얻기 어려운 계층적인 구조를 고분자 블랜드에서 손쉽게 보여준다는 점을 착안하여 둘의 장점을 모두 갖춘 합성법을 고안하였다. 더불어 그 결과 둥근 형태의 메조포러스 탄소 입자를 성공적으로 합성하였고, 리튬-황 전지에서 둥근 입자가 더욱 좋은 성능을 보여주었음을 확인할 수 있었다. 특히, 둥근 입자의 기하학적 대칭성으로 인하여 리튬-황 전지의 양극 활물질간의 입자 밀도가 치밀하여 전기전도성이 높아지고 과전압 현상이 비교적 적어지는 것을 확인하였다.
본 연구에서 제시한 방법으로 합성한 탄소 소재가 실제 에너지 저장 물질로써 기존의 물질보다 나은 성능을 보여주었음을 확인할 수 있었으며, 고분자 블랜드가 가지는 독특하고 계층적인 구조를 무기소재 분야로 접목시킬 수 있는 가능성을 보여주었다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of Figures iv
• I. Introduction 1
• II. Experimental 6
• III. Result & Discussion 11
• IV. Conclusion 24
• Reference 26
• Summary in Korean 29
• Acknowledgements 31
• Curriculum Vitae 32