In this study, lithium/sulfur rechargeable batteries based on the plasticized polymer electrolytes and the protected Li anodes were prepared and their electrochemical characteristics were investigated.
Lithium/sulfur rechargeable batteries consist of sulfur cathode, electrolyte, and lithium anode. The sulfur cathode with a new polymer binder, P(VdF-co-HFP), was prepared by newly proposed method. The morphological and electrochemical characteristics of the cathodes were investigated with the composition of the sulfur/carbon black/ P(VdF-co-HFP).
The plasticized polymer electrolytes based on P(VdF-co-HFP), tetra(ethylene glycol) dimethyl ether (TEGDME), and lithium perchlorate $(LiClO_4)$ with a different salt concentration were prepared for the lithium/sulfur batteries by solution casting with a doctor-blade. The polymer electrolyte with EO:Li ratio of 16:1 showed the maximum ionic conductivity, 6.5×$10^{-4}$ S/cm at room temperature. To understand the effect of the salt concentration in the polymer electrolyte and the cathode on the electrochemical performance, the polymer electrolytes were characterized using FRA, FT-IR, viscometer, and DSC. The higher concentration and mobility of the charge carriers could lead to enhance the utilization of sulfur active materials and the cyclability of the Li/S unit cell.
The protection layer on the Li anode was introduced to enhance the charge/discharge performance of lithium sulfur batteries. The protection layer reduced the growth of SEI layer and suppressed the reaction between Li and soluble polysulfide to prevent overcharge phenomena. The charge/discharge performance of the unit cells with the protected Li anodes was investigated with different electrolytes, liquid electrolyte and plasticized polymer electrolyte. The unit cells with liquid electrolytes showed the averaged discharge capacity, 270 mAh/g-cathode, which was twice as high as that of lithium ion battery within 100 cycles. Therefore, the cell with protected Li anode/liquid electrolyte/S cathode is recommended as a good candidate for lithium/sulfur batteries. All the charge/discharge tests were operated at room temperature.
본 연구에서는 가소화된 고분자 전해질과 보호막을 입힌 리튬 음극을 바탕으로 한 리튬/황 이차전지를 제조하여 전기화학적 특성을 연구하였다.
리튬/황 이차전지는 황을 활물질로 적용한 양극과 전해질 그리고 리튬 음극으로 구성된다. 새로운 고분자 바인더인 P(VdF-co-HFP)를 적용한 양극을 새로이 제안된 방법으로 제조하여, 황/카본 블랙/ P(VdF-co-HFP)의 조성에 따른 양극의 몰폴로지 및 전기화학적 특성을 조사하였다.
P(VdF-co-HFP), Tetra(ethylene glycol) dimethyl ether (TEGDME). LiClO4를 기초로 한 가소화된 고분자 전해질을 doctor-blade를 이용한 용액 캐스팅 법으로 제조하여, 리튬염의 농도에 따른 전해질의 전기화학적 특성을 연구하였다. 상온에서 EO:Li의 비율이 16:1인 가소화된 고분자 전해질이 가장 높은 이온전도도, $6.5×10^{-4}$ S/cm,를 나타내었다. 고분자 전해질과 양극 내에서의 리튬염 농도의 전기화학적 성능에 미치는 효과를 이해하기 위해, 고분자 전해질은 FRA, FR-IR, viscometer, DSC를 이용해 특성화되었다. 이온 전도체의 높은 농도와 좋은 이동도는 리튬/황 이차전지의 황 이용률과 수명특성을 향상시키게 되었다.
리튬 음극의 보호막은 전지의 충방전 특성과 안정성을 향상시키기 위해 도입되었다. 보호막은 리튬의 부동태 피막의 형성을 감소시켰고, 리튬과 폴리설파이드의 반응을 억제시킴으로써 과충전 현상을 막을 수 있었다. 보호막을 입힌 음극에 액체 전해질과 가소화된 고분자 전해질을 도입하여 전지 성능을 알아보았다. 액체전해질을 도입한 경우에 100회 충방전 하는 동안 270 mAh/g-cathode의 평균 방전 용량을 보여주었다. 이는 현재 상용화된 리튬 이온 전지의 양극 용량에 2배에 해당하는 값이다. 이는 액체전해질 도입에 따른 양극에서의 반응성 향상과, 보호막으로 인한 음극의 반응 안정성에 의한 결과로 해석된다. 따라서, 보호막을 입힌 음극과 액체전해질을 도입한 것은 리튬/황 이차전지의 상용화를 앞당길 좋은 시스템의 후보로 적합하다. 모든 충방전 실험은 상온에서 이루어졌다.
