Emerging energy storage demands in smart grid and electric vehicles are requiring an energy storage capability several times higher than that of the state of the art Li-ion technology. In this regard Li-sulfur battery is expected to transform the electrochemical energy storage technology to the next level as it holds the possibility to get two to three times higher energy density than the state of the art Li-ion battery. However, the poor electrical conductivity of sulfur and the high dissolution of the intermediate lithium polysulfides create various problems, which limited the utilization of its full potential. Non-carbonaceous sulfur hosts such as $TiO_2$ and TiN, which can effectively immobilize polysulfides in the cathode, make it possible to get remarkable improvements in active material utilization and capacity retention for long term cycling. However, it has not been possible to use these polar, conductive, ceramic materials for higher active material loading (> 2 mg/$cm^2$) due to their low flexibility compared to carbonaceous materials. Here we demonstrated the possibility of designing three dimensional freestanding electrode using 1-D $TiO_2$ and polycrystalline 1-D TiN for a relatively higher sulfur loading of 2.5 mg/$cm^2$. Structural analysis of the electrodes and electrochemical performances reveal that the 1-D ceramic materials are promising candidates to be used as freestanding electrode for high loading Li-S system. This study is among the early attempts to use non-carbon based materials for freestanding electrode design and paves way for the development such system to higher loading and better performance.
스마트 그리드 및 전기 자동차를 위한 에너지 저장 장치에 대한 수요는 기존의 리튬이온전지의 용량보다 수배 높은 저장용량을 요구하고 있다. 이와 같은 측면에서 리튬-황 전지는 현재 리튬이온전지의 2~3배에 달하는 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다는 점에서 에너지 저장 기술을 더 우수한 단계로 이끌어 갈 것이라고 예측된다. 하지만 황의 낮은 전기전도도와 중간생성물인 폴리설파이드의 빠른 확산은 리튬-황 전지의 주요 문제점 중 하나이며 리튬-황 전지의 우수한 특성을 실현하기 위해 필수적으로 해결해야한다. 탄소 소재를 포함하지 않는 황 저장소재로써 $TiO_2$와 TiN은 양극에서 폴리설파이드를 고정할 효과적으로 고정할 수 있으며 양극 소재의 활용도를 높이고 장기적인 수명 특성을 향상시킬 수 있다. 하지만 이와 같이 극성을 가지는 세라믹 소재는 높은 황 함량 (> 2 mg/$cm^2$) 을 가지는 전극을 구현하기가 탄소 소재에 비해 어렵다. 본 연구에서는 1차원 나노구조체를 가지는 $TiO_2$ 및 TiN을 이용하여 2.5 mg/$cm^2$의 높은 황 함량을 가지는 자가지지가 가능한 3차원 전극 구조를 형성하였다. 구조적 및 전기화학적 분석 결과 1차원 세라믹 소재는 자가지지가 가능하며 높은 황 함량을 가지는 리튬-황 전지용 전극 구조체를 만들기에 우수한 물질임을 확인하였다. 본 연구는 비-탄소계열 소재를 사용하여 전극구조를 설계하고 높은 함량과 우수한 성능을 구현한 연구로써 의의가 있다.
