Haneol Kang, Hoon Kim, Moon Jeong Park*

 

미래의 리튬 배터리가 직면한 과제는 높은 용량, 신뢰할 수 있는 배터리 수명, 빠른 충전 속도, 그리고 향상된 안전성의 실현이다. 이에 본 연구진은 0.1C (10시간동안 충전 혹은 방전을 시킬 수 있는 전류)에서 1346 mAh/g의 높은 방전용량 뿐만 아니라 10C (6분 만에 충전 혹은 방전을 시킬 수 있는 전류)에서 833 mAh/g의 향상된 고속 충방전 특성을 보였으며 500번의 충방전 과정 동안 사이클 당 0.052%의 낮은 용량감소율을 보인 가황 고분자를 개발하였다. 향상된 전기화학적 특성은 링커로 조절된 가황고분자의 대량 합성에 의해 실현되었으며 링커의 도입을 통해 전하 전달을 조절하고 화학적 상호작용으로 lithium polysulfide의 shuttle effect (충방전 과정 중 발생하는 polysulfide 중간체가 전해액에 용출되면서 야기되는 지속적인 용량감소 문제)를 효과적으로 억제시킬 수 있었다. 특히 tetra(allyloxy)-1,4-benzoquinone (TABQ) 링커의 사용은 기존 황 전극과 비교했을 때 450배가량 향상된 전기전도 특성을 보였으며 리튬확산속도 역시 2배가량 향상된 결과를 보였다. 본 연구결과는 유기 황 전극 재료의 근본적인 한계를 극복함으로써 차세대 리튬 전지 개발의 길을 었으며, 2018년 10월 국제학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼스 (Advanced Energy Materials)에 게재되었다.

 

Pressing challenges facing future lithium batteries include the realization of a high specific capacity, reliable cycle life, fast charging, and improved safety. Herein, cutting-edge lithium–sulfur batteries based on sulfur-rich polymers that demonstrate a high discharge capacity of 1346 mAh g−1 at 0.1C, a recordhigh rate performance of 833 mAh g−1 at 10C, and long lifetime of 500 cycles with a low capacity decay of 0.052% per cycle are reported. These are realized via the linker-controlled mass synthesis of sulfur-rich polymers with the possible tuning of charge transfer properties and effective suppression of the polysulfide-shuttle via chemical interactions. In particular, the use of tetra(allyloxy)-1,4-benzoquinone linker enables the conductivity enhancement by a factor of 450 and lithium diffusion kinetics improvement by two orders of magnitude during redox reactions, compared with elemental sulfur cathodes. This work overcomes fundamental limitations of organosulfur cathode materials, and could pave the way for the development of next-generation lithium batteries.