Passivation of a sulfur cathode by uncontrolled growth of insulating lithium sulfide imposes a limitation in achieving high sulfur utilization of lithium-sulfur batteries. In electrolytes based on solvents with high Gutmann Donor Number, sulfur utilization can be augmented; however, this approach reveals the drawback of violent lithium metal corrosion. Here we report that particulate lithium sulfide growth can be achieved when using a salt anion with a high donor number such as bromide or triflate. The use of bromide leads to ~95 % sulfur utilization by suppressing electrode passivation. More importantly, the electrolytes with high-donor number salt anions are notably compatible with lithium metal electrodes. The approach enables a high sulfur-loaded cell with areal capacity higher than 4 mA h $cm^{-2}$ and high sulfur utilization (> 90 %). This finding offers a simple but practical strategy to modulate lithium sulfide growth mode, while conserving the stability for high-performance lithium-sulfur batteries.
리튬-황 전지는 1675mAh $g^{-1}$의 높은 이론 용량과 원료 물질의 가격경쟁력을 바탕으로 현행 리튬 이온 전지의 대체 물질로 각광받고 있다. 그러나 기존 리튬 삽입형 층상 구조 양극과 달리 황을 활물질으로 하는 양극의 경우 방전 및 충전 과정 중 다양한 화학 종간의 전환 반응이 존재하고, 최종 방전생성물인 리튬 설파이드 ($Li_2S$) 의 전극 내 불규칙한 축적으로 인해 전극간의 전기적 단락을 유발하게 된다. 따라서 이론 용량의 최대 사용이 제한되는 상황이다. 따라서 본 연구에서는 리튬 설파이드의 전극 내 해리도와 이동도를 높일 수 있는 높은 전자 기여도 (Gutmann Donor Number)를 가진 전해질 염 (LiTf, LiBr) 을 현재 LiTFSI 염을 대체하여 사용함으로써 부도체인 리튬 설파이드의 전극 위 3차원 성장을 유도하였고, 이를 통해 전극의 부동화를 늦추어 이론 용량의 92 % 에 달하는 높은 방전 용량을 ~100 cycle 동안 유지하는 고성능 리튬-황 전지를 개발하였다.
