Lithium-sulfur battery, with abundant sulfur sources and high theoretical capacity, is one of promising future battery technology. LiS cathode has a theoretical capacity of 1672 $mAhg^{-1}$, which is an order of magnitude higher than the transition metal oxides of commercial lithium-ion batteries. However, the commercialization of Li-S battery is still struggling due to poor cyclic stability and limited kinetics. These problems come from the low electrical conductivity of sulfur and $Li_2S$, polysulfide shuttling effect and large volume change during cycling. Herein, we report two types of interlayers composed of magnesium oxide (MgO) and carbon substrate: MgO/PAN-derived carbon and Mg-MOF-74-derived MgO/carbon interlayer. The roles of MgO on carbon substrate in mitigating polysulfide shuttling are investigated. Dispersed MgO on carbon film acts as a good barrier to stop polysulfide migration and enhances cycling retention. Especially, with MOF-derived MgO/carbon interlayer, the high surface area can effectively suppress migration of polysulfides. Due to low electrical conductivity and polysulfide dissolution of the sulfur cathode, increasing loading mass of the cathode and electrolyte could be detrimental to Li-S cell performance. However, with MgO/carbon interlayer, this limitation could be overcome.
리튬-황 배터리는 매장량이 풍부하고 이론적 용량이 높아 차세대 배터리 기술 중 하나로 주목받고있다. 양극재인 황의 이론적 용량은 1672 $mAh g^{-1}$ 으로 리튬 이온 배터리에 사용되는 산화 전이 금속 보다 약 6배 가량 높다. 그러나, 황과 황화리튬의 전기전도성이 낮고, 중간 반응물인 다황화물의 용해도가 높으며, 충방전 동안 발생하는 부피 변화로 인해 반응속도와 사이클 안정성이 떨어지는 문제가 있다. 특히 전해질에 용해된 다황화물이 음극으로 이동하여 황화리튬을 형성하는 것이 용량 감소의 주요한 원인으로 알려져 있다. 본 연구에서는 전기전도성이 우수한 탄소중간층에 황화리튬의 흡착과 확산을 촉진시키는 산화마그네슘을 도입한 MgO/carbon 중간층을 도입하여 다황화물의 이동을 억제함으로써 사이클 안정성을 향상시킬 수 있었다. 특히 유기금속구조체(metal-organic framework, MOF)를 이용해 제조한 MgO/carbon 중간층은 표면적이 넓어 다황화물의 이동을 억제하고 다황화물의 환원반응이 양극에서 일어나도록 함으로써 용량을 효과적으로 유지하였다. 리튬-황 배터리의 상용화를 위해서는 양극재의 낮은 전기전도성과 다황화물의 용해 문제해결이 필수적인데, MgO/carbon 중간층 도입으로 이러한 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
