고성능 리튬-황 음극 재료로 니켈 폼 위에 전기 증착된 황 나노점

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-08

중국 난카이 대학(Nankai University) 소속의 연구팀은 유연한 니켈 폼(nickel foam) 위에 직접적으로 전기 증착시킨 평균 2 nm 크기의 황 나노점(sulfur nanodot)으로 이루어진 고성능 리튬-황 배터리(Li-sulfur battery)를 위한 음극 재료(cathode materials)를 고안했다. 새로운 유형의 음극 재료는 탄소 또는 바인더를 결합할 필요가 없다. 니켈 폼 위에 0.45 mg/cm2의 황을 가지는 최적화된 음극은 0.1 C에서 1458 mAh/g의 높은 초기 방전 용량, 10 C에서 521 mAh/g의 높은 방전 용량비(rate capability), 5 C에서 1400회의 주기 후 528 mAh/g과 0.5 C에서 300회의 주기 후 895 mAh/g의 긴 주기 안정성 등의 우수한 성능을 나타냈다. ACS Nano Letters 저널에 발표된 연구에서, 연구진은 뛰어난 전기화학적 성능을 얻을 수 있는 신속하고, 손쉬운 단일 단계 음극 준비 방법이 리튬-황 배터리에서 황 음극 재료에 대한 기술적 발전으로 이어질 수 있다고 제안했다. 여러 번 언급된 것처럼 리튬-황 배터리는 1675 mAh/g의 높은 이론적인 용량, 2500 Wh/kg의 높은 비에너지 밀도, 낮은 비용 및 환경 친화도 등의 장점을 가지기 때문에, 특히 전기 자동차를 위한 매력적인 차세대 배터리이다. 그러나 리튬-황 배터리의 음극에서 벌크 황의 전기화학적 불활성은 해결될 필요가 있는 중요한 문제 중 하나이다. 이것은 불활성 벌크 황이 열악한 전기 전도성, 느린 역학 및 불완전한 전기화학적 전환 등으로 이어지기 때문이다. 추가로 이러한 단점은 리튬-황 배터리의 낮은 속도 성능과 짧은 주기 수명을 초래하는 결과로 이어진다. 위에 언급한 단점을 해결하기 위한 주요 전략은 나노구조를 가지는 음극을 구축하기 위하여 수많은 탄소 재료에 황을 스며들게 하는 것이다. 예를 들면, 3−5 nm의 폐쇄된 기공(confined pores)을 가지는 다공성 탄소/황 복합 재료와 59 wt %의 황은 0.5 C에서 100회의 주기 후 750 mAh/g의 용량을 나타냈다. 70 wt %의 황을 가지는 그래핀-황-그래핀 샌드위치 음극(graphene−sulfur−graphene sandwich cathode)은 0.1 C에서 300회의 주기 후 680 mAh/g의 용량을 나타냈다. 직경 200 nm의 탄소 나노튜브에 60 wt %의 황을 주입하는 것은 0.2 C에서 100회의 주기 후 670 mAh/g의 용량을 나타냈다. 이것은 나노구조를 가지는 탄소 재료로 구성된 음극이 리튬-황 배터리의 성능을 강화하는 데 있어서 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다고 연구진은 밝혔다. 그러나 이러한 탄소 기반의 음극은 자체적인 도전 과제를 안고 있다고 저자들은 지적했다.이러한 탄소 기반의 나노구조를 가지는 복합 재료에서 황 함량(sulfur content)은 일반적으로 70wt % 이상을 넘지 못한다. 이것은 음극 전체 질량으로 계산된 낮은 용량을 초래한다. ∼10 wt %의 카본 블랙과 ∼ 10 wt %의 PTFE(polytetrafluoroethylene)와 같은 바인더 등과 같은 전도성 첨가물의 사용은 추가적으로 음극에서 황 비율을 더 낮춘다. 또 바인더는 특히 높은 속도의 충전/방전에서 전극 분극(electrode polarization)과 낮은 역학의 결과를 초래할 것이다. 전극의 분해는 전지의 신속한 분해로 이어질 수 있다. 따라서 100%에 가까운 높은 황 함량을 가지는 음극을 준비하는 것이 중요한 한편, 전극 붕괴의 효과를 제거하기 위하여 주기가 이루어지는 동안 높은 상태 완전성을 유지하는 것이 중요하다. S에서 Li2S에 이르는 반응 메커니즘의 연구는 두 가지 상반된 관점을 발견했다. 낮은 황 주파수(sulfur radios)에서 탄소의 차폐 효과(shielding effect) 때문에, 황 신호가 급격하게 약화되는 한편, 황 함량의 증가는 반응성이 감쇄되고 불완전 반응을 초래할 수 있다. 따라서 리튬-황 배터리를 위한 바인더가 없으며, 탄소를 가진 매우 반응성이 높은 황 음극을 준비하는 것은 가치 있는 것이다. 전기 도금(electrodeposition)은 산업 응용뿐 아니라 나노재료의 준비에서도 사용되어 왔기 때문에, 니켈 폼의 유연한 기질 위에 100% 황 음극을 준비하는 적절한 방법이 될 수 있다고 연구진은 밝혔다. 그림1> 전기 화학적 성능. (a) 0.1 C에서 방전과 충전 프로파일, (b) 다양한 황 함량과 벌크 황 음극을 가지는 나노 황 음극의 주기 성능(Li2S8의 추가가 없는 경우), (c) 속도 성능, (d) 선택된 나노 황(0.45 mg/cm2) 음극과 벌크 황(0.50 mg/cm2)의 쿨롱 효율에 따른 주기 성능(Li2S8의 추가가 없는 경우) 3010894_greencarcongress_20150105_fig1.jpg http://www.greencarcongress.com/2015/01/20150103-nankai.html