Sustainable Li-metal Protection in Li-S Batteries with Lean Electrolyte

Abstract

높은 이론용량을 갖는 황 (1675 mAh g-1)과 리튬금속 (3860 mAh g-1)을 포함하는 리튬-황 (Li-S) 전지의 실질적인 고에너지밀도를 구현하기 위해서는 전해액 양을 최소화하는 것이 핵심이다. 희박 전해질 (Lean electrolyte) 사용은 전지 저항의 급격한 증가와 리튬과의 부반응으로 기인한 전해액 변질 및 소모를 유발해 급격한 수명 퇴화로 이어져 상용화의 제약이 되고 있다. 리튬 음극에 보호막을 도입해 극복 가능이 예상되나 초기 리튬 용출 과정으로 부터 기인한 리튬-황 전지 내 보호막의 불규칙한 구조적 진화 및 퇴화로 인해 적용의 한계가 있다. 본 연구에서는 리튬 음극에 고분자계 보호막 도입에 따른 열화 메커니즘과 희박 전해액을 포함한 리튬-황 전지 성능에 미치는 영향을 규명한다. 특히, 상용 리튬의 불균일한 표면 산화층에 기인한 국부적인 리튬 용출의 심각성과 이에 따른 고분자 보호막 종류에 따른 구조 진화과정을 관찰하였다. 리튬-황 전지의 초기 방전/충전에 따라 보호막의 탈리 및 천공, 변형 등 퇴화모드가 고분자/리튬 간 계면 에너지 및 유연 특성에 대한 의존성을 다루고자 한다. 또한, 퇴화모드에 따른 전해액 침투 및 리튬-전해액간 부반응 정도 차이와 리튬 표면 열화도 (전극 부피팽창 및 쿨롱 효율)와의 상관관계를 규명하고자 한다. 앞선 결과를 바탕으로 고분자와 계면 에너지를 낮추면서 기계적 유연성이 충분한 고분자가 결합된 이중층 (Dual-layer) 보호막을 도입하여 희박 전해질 환경에서 기존 리튬 음극 대비 2배 향상된 성능을 확인했다 (80% 용량유지율 기준). 본 연구를 통해 향후 Dual-layer보호막을 설계에 있어 추가로 고려할 수 있는 기술들과 초기 리튬 용출 거동 제어를 통한 성능 향상 가능성을 제안하고자 한다.