In this work, a significant difference in $Li_2S$ phase structure depending on discharge rate is reported for a catholyte-type binder-free carbon nanofiber electrode, and relationships be-tween phase structures and lithium sulfur battery performances are investigated for a sul-fur/carbon composite electrode. For the catholyte-type electrode, crystalline $Li_2S$ is favored at a low discharge rate, however, at a high discharge rate, amorphous $Li_2S$ is promoted. The dif-ferences in the morphologies of the charged electrodes and the charging overvoltages clearly demonstrate that the amorphous $Li_2S$ is more easily oxidized to soluble PS during charging than the crystalline $Li_2S$. The smaller charging voltage spike and slower capacity fade for the sulfur/carbon composite electrode discharged at higher rate indicate the importance of $Li_2S$ phase structure on lithium sulfur battery performances. Impedance spectroscopic analysis show a faster Li ion diffusion through $Li_2S$ discharge product for the higher discharge rate. The effect of $Li_2S$ phase structure provides a feasible explanation on widely observed capaci-ty saturation behavior.
최근 모바일 기기의 사용 증가와 전기자동차, 에너지저장시스템 (ESS) 등 고용량을 요구하는 전지 수요의 증가로 인해 차세대 전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 그 중 리튬 황 전지는 차세대 전지 중에서도 높은 이론용량 (1,650 mAh/g)과 친환경 적이고 저렴한 가격이라는 장점으로 인해 매력적인 대체 전지로 주목을 받고 있다. 하지만 리튬 황전지의 빠른 용량 열화문제는 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 이러한 리튬 황 전지의 용량감소는 반복적인 충/방전 시 가역적으로 반응하지 못한 리튬 설파이드가 카본 표면에 축적되는 것에서 기인하게 된다.
본 연구에서는 방전속도에 따라 비정질 리튬 설파이드가 형성 될 수 있음을 전자현미경 (SEM), X선회절분석, 투과전자현미경(TEM)을 통해 확인하였고, 리튬 설파이드의 결정성이 리튬 황 전지의 용량 열화에 영향을 미친다는 사실을 확인 하였다. 이는 비정질 리튬 설파이드의 결정성 리튬설파이드에 비해 높은 리튬 이온 이동도에 의한 것으로 향상된 리튬 설파이드의 가역성은 충전 시 카본 표면에 축적되는 리튬설파이드의 양을 감소시켜 리튬 황전지의 용량감소를 둔화시키게 된다.
