Rechargeable lithium–sulfur batteries (LSBs) have recently attracted increased attention as promising energy storage systems due to their low cost and the high specific energy of sulfur cathodes. However, despite significant advances in the field of LSBs over the past 20 years, the practical application of LSBs is hindered due to issues caused by the shuttling effect of the cathode and dendritic growth on the anode. The uncontrollable growth of lithium (Li) dendrites on the surface of the Li-metal anode induces the evolution of dead Li, unstable solid electrolyte interphase, and internal short circuit, thus leading to explosion hazards. In addition, the severe shuttling effects by lithium polysulfide (LPS) lead to low utilization of active materials, low Coulombic efficiency, rapid capacity decay, and passivation of Li-metal anode, eventually leading to the degradation of the battery life. Therefore, it is necessary to overcome these limitations to achieve high–performance LSBs. In this work, I address these issues through advanced design of various battery components and implement the high–performance LSBs. Generally, LSB is consisted of sulfur cathode, separator, electrolyte, and Li metal anode. As the first approach, I have studied an advanced design of battery components for cathode through optimization of sulfur cathode. Among the components of the cathode, a polymer binder is small content, but as a mechanical regulator, it improves the physical stability of the electrode. By assigning the functionality as electrochemical regulator to the polymer binder, the functional polymer binder is used for the cathode to increase the utilization of the active material(sulfur) in the initial stage, and improve the stability of the cathode. Secondly, I have demonstrated an advanced design of battery components for cathode and separator by introducing a new functional layer called “interlayer” onto separator, the functionality of separator is enhanced with increasing the rate of re-using LPS in electrolyte, reinforcing the mechanical and thermal properties of separator, and reducing the corrosion of the Li-anode through blocking LPS. For preparing the interlayer, I fabricated functional materials based on high affinity to LPS and fabricated functional material was simply coating on the separator. Finally, I have introduced an advanced design of battery components for cathode, separator, and anode. As an expanded design from the interlayer-design, called “shield”, it is a study that gives multi-functions by coating a unique material on both sides of the separator. In particular, based on the newly introduced gallium oxide in LSB research field, prepared LSB with gallium oxide shield presents long-life cycling through highly suppression of LPS shuttle effects of sulfur cathode, improved thermal/mechanical properties of separator, and inhibition of lithium dendrite growth on anode. The approaches through the advanced design of battery components present various improvements in aspects such as the capacitive performance, cycling performance, and battery fabricating process, and the proposed designs are expected to play a variety of roles depending on the application of the battery (from small application to large application).
리튬-황 이차 전지(LSB)는 저렴한 비용과 황의 높은 에너지 용량 때문에 유망한 에너지 저장 시스템으로 주목받고 있다. 그러나 지난 20년 동안 LSB의 개발에 상당한 진전이 있었음에도 불구하고, LSB의 충ㆍ방전 과정에서 발생하는 리튬폴리설파이드 (LPS)와 이에 의한 셔틀효과, 황의 낮은 전도성과 충방전과정 속의 부피팽창, 그리고 리튬 금속 음극에서의 리튬 수지상 성장은 LSB의 상용화에 커다란 걸림돌이 되고 있다. 본 연구에서는 배터리 구성요소의 차세대 설계를 통한 접근으로 LSB가 직면한 문제점을 해결하고, 고성능의 LSB를 구현하고자 한다. 일반적으로 배터리 구성요소는 양극, 음극, 분리막, 전해질 등으로 구성되어 있다. 이 중, 첫번째로 양극의 최적화를 위한 배터리 구성요소의 설계로서 양극에 사용되는 고분자 바인더에 기능성을 부여하여 제조하였다. 고분자 바인더는 양극 구성요소 중 양은 적지만 보유한 기능성에 따라, 기계적, 전기화학적 조절자로서 역할을 수행할 수 있다. 기능성 고분자 바인더로서 천연고분자인 키토산을 기반으로 산화 그래핀과 네트워크 복합체를 형성하여, 양극의 안정성을 높이고, 양극에서 발생하는 LPS에 의한 셔틀 효과를 억제하여 LSB의 수명과 성능을 향상하였다. 양극을 위한 두번째 설계로서, 키토산과 카복실화 니트릴 부타디엔 고무와의 복합체 형성을 통하여, 기계적 물성이 우수한 바인더를 제조하여 적은 양 (3 %)의 함량에도 불구하고 양극의 안정성과 LSB의 율속 특성을 향상시켰다. 다음으로 배터리의 양극과 분리막을 위한 구성요소의 설계로서, 양극과 분리막 사이에 기능성 중간층을 도입하였다. 기능성 물질로서 C3N4와 Fe3O4로 구성된 나노 구조체를 제조하여, 분리막 위 간편한 코팅방법으로 중간층을 제조하였다. 중간층의 도입은 LPS에 의한 셔틀 효과를 효율적으로 제어하여, 황의 활용률을 높여 LSB의 용량의 손실을 줄이고 성능을 향상시켰다. 또한, 분리막의 기계적/열적 성질을 향상시켜 배터리의 안정성에도 기여하였다. 마지막으로, 배터리의 양극, 분리막, 음극을 위한 구성요소의 설계로서 분리막의 양면에 기능성 물질을 간편한 공정으로 코팅한 쉴드를 배터리에 적용하였다. 기능성 물질로서 다양한 산소 결함을 가진 나노 크기의 Ga2O3을 도입하였다. 양극에 대해서는 LPS와의 상호작용을 극대화하여 LPS에 의한 셔틀 효과를 억제 및 양극의 활 물질 활용률을 극대화하였고, 분리막에 대해서는 분리막의 기계적/열적 성질을 강화하였다. 더불어 음극면에 위치한 Ga2O3 층은 리튬 메탈의 수지상 성장을 효과적으로 제어하여 음극의 수명연장에 도움을 주었다. 이와 같은 구성요소의 설계는 배터리의 성능뿐만 아니라 장 수명의 LSB로 이어지게 하였고, 더불어 리튬화된 그라파이트 음극을 적용한 경우에도 우수한 성능을 보여주었다. 결과적으로, 다양한 배터리 구성요소의 차세대 설계를 통하여 LSB의 성능향상과 수명연장에 관한 연구를 제시하였고, 이러한 개발된 다양한 구성요소의 적합한 배치와 조립은 앞으로 LSB의 상업화에 이바지할 것이다.