초고에너지밀도 리튬황 1차전지: 콜리플라워 기반

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 14949(2015) 이 기사 인용

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이전 문헌에서는 거의 보고되지 않았던 리튬-황 1차 전지가 이번 연구에서 개발되었습니다. 실제 에너지 밀도를 최대화하기 위해 리튬 이온 수송 및 황 조절을 촉진하기 위해 새로운 콜리플라워와 같은 계층적 다공성 C/S 음극이 설계되었습니다. 이러한 종류의 양극은 6 ~ 14 mg cm−2의 황 함량에서 약 1300 mAh g−1(S) 용량을 방출할 수 있으며 실온에서 한 달 동안 테스트하는 동안 우수한 저장 안정성을 나타냈습니다. 그 결과, 조립된 Li-S 소프트 패키지 배터리는 504Wh kg−1(654Wh L−1)의 에너지 밀도를 달성했으며, 이는 우리가 아는 한 보고된 것 중 가장 높은 값입니다. 이 연구는 실제 적용 가능성이 큰 1차 Li-S 배터리 개발에 대한 관심을 불러일으킬 수 있습니다.

높은 에너지 밀도와 낮은 비용의 1차 전지를 개발하려는 노력은 18세기 볼트(Volt) 전지가 발명된 이래로 중단된 적이 없습니다1,2. 많은 중요한 발전은 1970~90년대에 이루어졌으며 전자 기술의 동시 개발, 휴대용 전원에 대한 새로운 수요, 우주, 군사 및 환경 개선 프로그램에 대한 지원에 의해 촉진되었습니다. 특히 최근에는 산소 환경에 유리한 Zn-O2, Mg-O2, Al-O2, Na-O2 및 Li-O2 시스템3과 같이 에너지 밀도가 높은 배터리가 대량으로 개발되었습니다. 그 외에도 현재 개발된 Li-SO2, Li-SOCl2, Li-MnO2 및 Li-CFx 시스템과 같은 격리된 조건의 배터리도 해양, 우주 등의 응용 분야용으로 개발되었습니다.

표 13,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13에서 볼 수 있듯이 개발 중인 이들 1차 전지는 이미 높은 실제 비용량 밀도, 우수한 저온 성능 또는 높은 전력 밀도를 달성했습니다. 그러나 만족스럽지 못한 보안, 전압 히스테리시스, 상당한 전기화학적 분극 또는 상대적으로 높은 재료 비용과 같은 몇 가지 특징적인 문제가 여전히 존재합니다. 게다가, 기존 배터리 시스템이 성숙해지고 새롭거나 시도되지 않은 배터리 재료 및 화학 물질의 부족으로 인해 새로운 고에너지 배터리 개발이 제한됨에 따라 지난 10년 동안 1차 배터리의 에너지 밀도 증가가 점차 줄어들었습니다. 따라서, 높은 에너지 밀도를 갖는 새로운 일차전지를 개발하는 것은 여전히 ​​바람직하지만 어려운 과제이다.

현재 Li-S 배터리는 전 세계적으로 큰 주목을 받고 있습니다14,15,16,17,18,19. 이 배터리 시스템은 매우 저렴한 비용, 매우 높은 비에너지 밀도(2600Wh kg−1) 및 환경 친화성을 갖추고 있어 지금까지 개발된 가장 유망한 배터리 시스템 중 하나입니다20,21,22,23,24,25,26,27, 28,29,30,31. 그러나 Li-S 배터리는 일반적으로 2차 전지로 간주되는 반면, 1차 전지로서의 잠재력은 어느 정도 무시되었습니다. 실제로 Li-S 배터리의 사이클링 안정성은 상용 리튬 이온 배터리에 비해 아직 만족스럽지 않지만 초기 방전 비용량이 이론값에 도달할 정도로 매우 높아 1차 응용 분야에 적합합니다. 또, 1차 전지 개발 과정에서 2차 Li-S 전지에 대한 보다 이론적이고 실제적인 경험도 축적될 수 있었습니다. 한편, Li-S 시스템의 충전식 특성으로 인해 이전에 보고된 1차 배터리보다 경쟁력이 높아질 수 있습니다. 현재 Li-S 1차전지 개발에서 가장 어려운 과제는 다른 상용 배터리 시스템과 경쟁할 수 있도록 실제 에너지 밀도를 더욱 높이는 것입니다.

이 목표를 달성하기 위해서는 실제 배터리 지정에 따라 높은 황 함량과 높은 황 부하("2하이"35)를 갖는 황 음극을 설계하는 것이 매우 필수적입니다. 그러나 황(또는 활성 물질)의 활용도를 높이는 것은 증가된 저항 저항 또는 전하 이동 분극으로 인해 어려운 문제입니다. 이를 감안할 때, 리튬 이온 수송, 황 분포 및 수용 상태를 개선하기 위해 전체 음극(C/S 재료만 제외)의 다공성 구조를 더욱 최적화해야 합니다26,38,39,40. 그러나 황 입자의 절연 특성으로 인해 음극에는 다량의 전자 전도성 물질(예: 탄소)을 첨가해야 합니다. 따라서 고성능 C/S 구성을 개발하기 위해 많은 노력을 기울였음에도 불구하고 "two high" 음극은 여전히 ​​거의 보고되지 않았습니다. 그래핀 스폰지-S36 및 CNT-S 종이41 기반 음극은 각각 최대 10 및 6 mg cm-2의 황 함량을 감당할 수 있지만 상업적인 고려 사항에 따라 권선 또는 적층 유형으로 조립하려면 아직 더 많은 기술 혁신이 필요합니다.