The necessity of eco-friendly energy generating and storing devices emerges due to the extreme climate changes. In order to replace fossil fuels, energy devices with superior energy density and energy efficiency are required. With the lowest redox potential, light weight, and high specific capacity, lithium has received attention in energy device market as a most valuable material. Various electrochemical reactions, lithium can generate the electric energy and store it by dynamic materials or states. Lithium-ion batteries (LIB) having intercalation chemistry are currently commercialized as first-generation lithium secondary batteries and are widely used. However, LIB needs further developments with respect to the energy density and cost reduction. Basically, it comes from the heavy and expensive transition metal oxide materials. To overcome it, new type of lithium based secondary battery break away from the layered transition metal oxide cathodes. In this respect, researches on lithium-sulfur batteries are active.
This thesis begins with the general background and needs of lithium secondary battery systems. It then addresses the requirements of lithium sulfur battery having theoretically high energy density. Specifically, this work deals with the electrolyte designing methods to increase the energy density in terms of electrode/electrolyte interfaces amending in lithium sulfur batteries. Chapter 2 deals with a strategy to enhance the discharge capacity of lithium sulfur battery by addressing the carbon surface passivation by insulating lithium sulfide. By introducing the high AN additive, 3-D growth of Li2S can be achieved due to its high Li2S solubility. Chapter 3 shows the synergetic effect of high DN and AN properties with SCN- anion. Sulfur utilization is raised by increased Li2S and LiPS solubility and Li metal anode is protected by robust Li3N SEI layer. Chapter 4 presents deep analysis to elucidate the challenges for extremely lean electrolyte lithium sulfur batteries and breakthrough of it. It claims that sluggish redox kinetics of lithium polysulfides at the cathode/electrolyte interface and Li metal corrosion by highly active polysulfides are critical for extremely lean electrolyte condition. And it was figured out that RbNO3 additive can modify both cathode/electrolyte and anode/electrolyte interfaces with readily reductive Rb2S material.
극심한 기후 변화로 인해 친환경 에너지 생성 및 저장 장치의 필요성이 대두되고 있다. 화석연료를 대체하기 위해서는 에너지 밀도와 에너지 효율이 우수한 에너지 장치가 필요한 실정이다. 산화환원 전위가 가장 낮고 무게가 가벼우며 용량이 높은 리튬은 에너지 소자 시장에서 가장 가치 있는 소재로 주목받고 있다. 다양한 전기 화학 반응을 통하여, 리튬은 전기 에너지를 생성하고 이는 다양한 상태의 물질들로 저장할 수 있습니다. 리튬 이온이 인터칼레이션 되는 리튬이온전지(LIB)는 현재 1세대 리튬이차전지로 상용화되어 널리 사용되고 있다. 그러나 LIB는 에너지 밀도 및 비용 절감 측면에서 추가 개발이 필요합니다. 기본적으로 무겁고 값비싼 전이 금속 산화물 재료가 개발의 포인트이다. 이를 극복하기 위해 새로운 유형의 리튬 기반 이차 전지는 층상 전이 금속 산화물 음극에서 탈피했습니다. 이에 리튬황 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문은 리튬이차전지 시스템의 일반적인 배경과 장점들을 설명하면서 글을 시작한다. 그런 다음 이론적으로 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬 황 배터리의 요구 사항을 짚는다. 구체적으로, 본 연구는 리튬황 전지에서 수정되는 전극/전해질 계면의 관점에서 에너지 밀도를 증가시키기 위한 전해질 설계 방법을 다룬다. 2장에서는 황화리튬 절연에 의한 탄소 표면 부동화를 해결함으로써 리튬황 배터리의 방전 용량을 향상시키는 전략을 다룬다. 높은 AN 첨가제를 도입함으로써 높은 Li2S 용해도로 인해 Li2S의 3차원 성장을 달성할 수 있다. 3장에서는 SCN-음이온과 함께 높은 DN 및 AN 특성의 시너지 효과를 보여줍니다. Li2S 및 LiPS 용해도가 증가하여 황 이용률이 높아지고 Li 금속 양극은 견고한 Li3N SEI 층으로 보호된다. 4장에서는 극도로 희박한 전해질 리튬황 배터리의 문제점과 그 돌파구를 밝히기 위한 심층 분석을 제공한다. 음극/전해질 계면에서 리튬 폴리설파이드의 느린 산화환원 동역학 및 고활성 폴리설파이드에 의한 Li 금속 부식이 극도로 희박한 전해질 조건에 중요하다고 주장한다. 그리고 RbNO3 첨가제는 쉽게 환원되는 Rb2S 물질로 음극/전해질 및 양극/전해질 계면 모두를 개질할 수 있게 된다.
