황-탄소 비율과 집전체 개선에 따른 전고체 리튬-황 전지 연구

Abstract

Recently, as regulations on carbon emissions have been strengthened worldwide, various support policies such as subsidies for the introduction of eco-friendly vehicles instead of gasoline vehicles that emit exhaust gas have been implemented. Accordingly, the demand for electric vehicles surged, which stimulated the growth of the electric vehicle market. However, an electric vehicle using a lithium ion battery has a disadvantage in that it has a shorter mileage when charged once compared to a gasoline vehicle. Among the factors that determine the mileage of a vehicle, the energy density of the battery used occupies the largest part. Many studies have been conducted on Ni-rich lithium ion batteries to increase energy density, but to reach higher energy density, the next generation of Na-ion, Lithium-Air, Lithium-Sulfur, and all solid state batteries have been developed. Research and development of batteries is inevitable. Among many next-generation batteries, lithium-sulfur (Li-S) batteries not only have high theoretical capacity (~1675 mAh g-1) and energy density (~2500 Wh kg-1), but also have abundant sulfur resources used as active materials, making them economical. In addition, it has the advantage of being able to increase the energy density by using Li metal having a high theoretical capacity (~3860 mAh g-1) and a low oxidation/reduction potential as a anode. However, in Li-S batteries, carbon-based conductive materials are used together due to the low electrical conductivity of the reactant S8 (5 x 10-30 S cm-1) and the product Li2S (1 x 10-13 S cm-1). It has several disadvantage in that the energy density is lowered due to a decrease in the ratio of the active material, and lithium polysulfide (Li2Sx, 4≤x≤8), an intermediate product generated during the electrochemical reaction, is dissolved in a liquid electrolyte used as a lithium ion transport medium. Since the sulfide shuttle effect occurs, loss of active material and deterioration of battery performance, it is difficult to put into practical. In this study, an oxide-based solid electrolyte and a polymer-based solid electrolyte were combined to prepare a composite solid electrolyte that complemented each other's shortcomings. In addition, by using this composite solid electrolyte instead of a liquid electrolyte, the polysulfide shuttle effect was physically suppressed. At the same time, ignited materials were removed, thereby improving the safety of the battery. In an all-solid-state lithium-sulfur battery manufactured using a composite solid electrolyte, the ratio of carbon, a conductive material added to improve the low electrical conductivity of sulfur, and sulfur, a cathode active material, affects the all-solid-state lithium-sulfur battery. Experiments were carried out for each ratio of carbon. Experiments were conducted for each ratio of sulfur and carbon to determine whether the In addition, many studies are being conducted to improve the performance degradation in high-loading due to the low conductivity of all solid state Li-S batteries, and among them, the research was conducted focusing on the current collector. A study was conducted to confirm whether 3D current collector carbon cloth used instead of the existing 2D current collector Al foil can contribute to the improvement of the performance of all solid state Li-S batteries.|최근, 전 세계적으로 탄소배출에 대한 규제가 강화됨에 따라 배기가스를 배출하는 가솔린차 대신 친환경차의 도입을 위한 보조금 등 각종 지원정책이 시행되었다. 이에 따라 전기차의 수요가 급증하였고 이는 전기차 시장의 성장을 촉진하였다. 하지만 리튬이온 (lithium ion) 전지를 사용하는 전기차의 경우 가솔린차 대비 한번 충전 시 주행거리가 짧다는 단점을 가지고 있다. 자동차의 주행거리를 결정하는 여러 요인 중 전지의 에너지밀도는 가장 큰 부분을 차지하고 있다. 이러한 단점을 개선하고자 에너지밀도를 증가시킨 Ni-rich 리튬이온전지 등 많은 연구가 진행되어 왔지만 더 높은 수준의 에너지밀도에 도달하기 위해서는 Na-ion 전지, Lithium-Air 전지, Lithium-Sulfur 전지, 전고체 전지 등의 차세대 전지에 대한 연구와 개발이 필연적이다. 여러 차세대 전지 중 리튬-황 (Lithium-Sulfur) 전지는 높은 이론용량 (~1675 mAh g-1) 및 에너지 밀도 (~2500Wh kg-1)를 가지고 있을 뿐 아니라 활물질로 사용되는 황의 자원이 풍부하여 경제적으로도 매우 유리하다. 또한, 높은 이론용량 (~3860 mAh g-1)과 낮은 산화/환원 전위를 가지는 Li metal을 음극으로 사용하여 에너지밀도를 높일 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 리튬-황 전지는 반응물인 S8 (5x10-30 S cm-1)과 생성물인 Li2S (1x10-13 S cm-1)의 낮은 전기전도도로 인하여 탄소 계열의 도전재가 함께 사용되기 때문에 활물질의 비율저하로 인하여 에너지밀도가 낮아진다는 단점을 가지고 있고 전기화학반응 중 생성되는 중간생성물인 리튬폴리설파이드 (Li2Sx, 4≤x≤8)가 리튬이온의 이동 매개체인 유기액체전해질에 용해되면서 발생하는 폴리설파이드 셔틀현상이 발생하여 활물질의 손실과 전지의 성능을 저하시키기 때문에 실용화에 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 산화물계 고체전해질과 고분자계 고체전해질을 복합하여 각 고체전해질의 단점을 보완한 복합고체전해질을 제조하였다. 이 복합고체전해질을 액체전해질 대신 사용하여 폴리설파이드 셔틀현상을 물리적으로 억제함과 동시에 발화물질을 제거하여 전지의 안전성을 향상시켰다. 또한, 복합고체전해질을 사용하여 제조한 전고체 리튬-황 전지는 황의 낮은 전기전도도를 향상시키기 위해 첨가하는 도전재인 탄소와 양극 활물질인 황의 비율이 전고체 리튬-황 전지에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자 황과 탄소의 비율 별 실험을 진행하였다. 또한 전고체 리튬-황 전지의 낮은 전도도로 인한 고로딩에서의 성능저하를 개선하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 집전체에 초점을 맞추어 연구를 진행하여 기존의 2D 집전체인 Al foil 대신 사용한 3D 집전체 carbon cloth가 전고체 리튬-황 전지의 성능 향상에 기여할 수 있는지 확인하기 위한 연구를 진행하였다.