리튬황전지의 연구동향 1-1 - CHERIC · 2014. 8. 19. · L.Nazar" etal.,...
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1 리튬황전지의 연구동향 1-1 Recent Development of Advanced Materials for Li-sulfur Batteries 정 훈 기 한국과학기술연구원 [email protected]
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리튬황전지의 연구동향 1-1 Recent Development of Advanced Materials for Li-sulfur Batteries
정 훈 기
한국과학기술연구원
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리튬황전지의 원리 및 특징
Li-S 전지는 높은 용량 (이론 용량: 1675 mAh/g)와, 낮은 가격 (0.06 US$/kg) 등의 장점으로 차세대 전지로 각광 받고 있음 그러나 리튬 폴리설파이드의 높은 용해 특성, 낮은 전도도로 인한 출력 특성저하, 음극을 Li metal 사용으로 인한 안전성 저하 등의 문제점이 있음
Cell reactions
Ø 리튬 폴리 설파이드의 높은 용해성
Ø 낮은 수명 특성, 낮은 출력 특성
Ø 황의 낮은 전기전도도
Ø Li metal 사용으로 인한 안전성 저하
Anodic rxn.: 2Li → 2Li+ + 2e-
Cathodic rxn.: S + 2e - → S2-
Overall rxn.: 2Li + S → Li2S, ΔG= -439.084kJ/mol
Theoretical capacity : 1675 mAh/g-sulfur
문제점 Lio
Negativecharge
discharge
S8/C
Positive
Li2S
Li2S2
Li2S4
Li2S6
Li2S8
S8
Li+Li+ Li+
Li+Li+
Li+
Li
Li
Li
LiS
SS
SLiS S
SLi
SS S
S LiS
shuttle
short chain
long chain
polysulfide
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리튬황전지의 연구개발 동향
Ø Ball-milling with carbon black
sulfur
carbon
solvent
sulfur
carbon
Ø Wrapping with polythiophene
R. Chen et al., J. Phys. Chem. C, 115 (2011) 6057 S. H. Oh et al., Chem. Commun., (2012) doi:10.1039/c2cc36986a
황의 낮은 전기 전도도 -> 전도성 소재 코팅 및 복합체 제조
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Ø Imbibition into micro/meso/macro porous carbon by melt-impregnation
L. Nazar et al., Nature Mater. 8 (2009) 500
CMK-3
SEM
FIB EDX
Scheme
Y.-‐K. Sun et al., Adv. Funct. Mater. 23 (2013) 1076
Mesoporous Carbon Spheres
황의 낮은 전기 전도도 -> 전도성 소재 코팅 및 복합체 제조
리튬황전지의 연구개발 동향
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황의 낮은 전기 전도도 -> 전도성 소재 코팅 및 복합체 제조 Ø Hollow carbon Ø Graphene
A. Archer et al., Angew. Chem. Int. Ed. 50 (2011) 5904
Y. Cui et al., Nano Le?. 11 (2011) 2644 L. Nazar et al., Chem. Commun. 48 (2012) 1233
리튬황전지의 연구개발 동향
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리튬폴리설파이드의 용출, 셔틀 반응 -> 전해액 첨가제, 보호막
D. Aurbach et al., J. Electrochem. Soc., 156 (2009) A694-‐A702
Ø LiNO3 additive
J. A. Read et al., J. Power Sources, 200 (2012) 77-‐82
H.S. Kim et al., Abstract #1224, Honolulu PRiME 2012 6
1.5
2
2.5
3
3.5
-500 0 500 1000 1500
1.5 M3.0 M4.0 M5.0 M
Pote
ntia
l / V
Capacity / mAh gS
-1
overcharge 1st cycle, C/10
Ø Common ion effect (LITFSI)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 5 10 15 20
Ove
rcha
rge
amou
nt /
mA
h g S-1
Cycle No.
C/10 C/2 red - 1.5M
blue - 5.0M
green - 3.0Mgrey - 4.0M
purple - 2.0M
S. H. Oh et al., Chem. Commun., (2013) doi:10.1039/c2cc36986a
리튬황전지의 연구개발 동향
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1.6
2
2.4
2.8
3.2
Pote
ntia
l / V
ü During charge process!
Li2S → Li2S2 → Li2S4 → Li2S6 → Li2S8 → S8"
Nega%ve electrode
Posi%ve electrode
Li+ → Li"
long chain!short chain !
reduction!
Ø Physical barrier – conducting polymer wrapping, metal oxide coating….!Ø Polysulfide reservoir – mesoporous metal oxide, mesoporous carbon ….!Ø SEI formation on the anode – electrolyte additive: LiNO3 ….!Ø Electrolyte – Polymer electrolyte, ionic liquid ….!
dissolution & diffusion!
Li2S
overcharge
oxidation! Highly soluble!Less soluble!
polysulfide
region
ü Suppression of Shuttle Reaction!
Polysulfide dissolution and shuttle reaction
리튬황전지의 연구개발 동향
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Ø Metal oxide coating
L. Nazar et al., Adv. Energy Mater. DOI: 10.1002/aenm.201200006
Ø Conductive polymer coating
Y. Cui et al., ACS Nano, 11 (2011) 9187-‐9193
리튬황전지의 연구개발 동향
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Ø Hollow metal oxide
Yi Cui et al., Nature Commun., (2013) doi:10.1038/ncomms2327
리튬황전지의 연구개발 동향
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Ø Li2S/C cathode coupled with non-Li anodes
Y. Yang et al., Nano Le?., 10 (2010) 1486 B. ScrosaW et al., Angew. Chem. Int. Ed., 49 (2010) 1
Si nanowires Sn/C composites
Li2S/CMK3 is made from reac%on of S/CMK-‐3 composite with n-‐butyllithium
리튬황전지의 연구개발 동향
