In order to satisfy growing demands for electronic devices such as electric vehicles or energy storage systems, batteries with higher energy density and specific capacity are required. Lithium-sulfur (Li-S) batteries are one of the most promising with high energy density (~2600 $Wh$ $kg^{-1}$) and specific capacity (~1675 $mAh$ $g^{-1}$). Although Li-S batteries have these advantages, there are three big challenges to overcome, i) low electrical conductivity of sulfur, ii) volume change during cycles, and iii) loss of active material due to polysulfide shuttling effect. Number of studies have been done to mitigate these obstacles, usually by utilizing porous and conduct material such as carbon. Herein, we investigated free-standing hemp-derived carbon fiber (HCF) sheet as cathode material for high sulfur load. The HCF cathode had high sulfur loading of 10 $mg$ $cm^{-2}$ and areal capacity of 6.1 $mAh$ $cm^{-2}$. To improve electrical conductivity and sulfur utilizing, carbon nanofibers (CNFs) were added to HCF, fabricating HCF-CNF composite. The cathode had lower impedance and polarization during charge and discharge, showing improved electrochemical reaction.
최근 들어 휴대전화와 같은 소형 전자기기 뿐 아니라 전기 자동차 및 에너지 저장 장치와 같은 대형 전자기기에 대한 수요가 급속하게 늘고 있다. 이러한 전자기기의 상용화가 이루어지기 위해서는 고 에너지 밀도, 고 용량을 갖는 전지의 개발이 필수적이다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 이차 전지인 리튬 이온 전지는 기술적으로 더 높은 성능을 확보하기 어려운 상태이다. 따라서 차세대 전지의 개발이 이루어지고 있는데, 그 중 리튬-황 전지는 1675 $mAh$ $g^{-1}$의 높은 이론 용량 및 2600 $Wh$ $kg^{-1}$의 높은 에너지 밀도를 갖고 있으며, 원료인 황은 가격이 싸고 독성이 없다는 장점 또한 지니고 있다. 그러나, 황의 낮은 전기 전도도, 충방전 과정에서 밠생하는 큰 부피 변화, 폴리설파이드의 용출로 인한 활성 물질의 감소 등이 해결되어야 한다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 탄소 등 전도성을 갖는 물질과 황의 복합체를 이루는 연구가 주로 진행되어 왔으며, 본 연구 또한 1차원 탄소 물질, 그 중에서도 바이오매스 기반의 탄소 섬유 네트워크를 형성한 후 상용 탄소 나노섬유와의 복합체를 제조하는 과정을 통해 단위 면적 당 포함되는 황의 함량을 높여 실제 사용될 수 있는 용량을 구현하며, 탄소-황 시스템의 전기 전도도 역시 확보하는 데에 초점을 맞추었다. 1차원 구조를 갖는 대마 섬유를 탄화 및 활성화하여 제조된 탄소 섬유를 리튬-황 전지 양극에 적용하였으며 10 $mg$ $cm^{-2}$ 의 황 함량과 6.1 $mAh$ $cm^{-2}$ 의 면적 당 용량을 구현하였으며 이는 상용 리튬 이온 전지와 비교하였을 때 약 2배 정도에 해당하는 수준이다.
