Organic-Inorganic Composite Functional Separator to Reduce Shuttle Effect in Lithium Sulfur Battery

Abstract

Lithium ion batteries (LIBs) have been used in portable electronic devices due to high energy density, rechargeable characteristics, and tiny memory effect. However, advanced portable electronic device, electric vehicles (EVs), and large scale energy storage system (ESS) require high specific capacity (energy density), light weight, and low cost LIBs. The elemental sulfur is one of the most abundant materials on earth and has a high theoretical capacity. However, there are some problems. The first problem is the dissolution of the polysulfide. The intermediate lithium polysulfides which was formed during the charge and discharge process are soluble in the typical organic electrolytes for LIBs. This leads to continuous cathode active material consumption, eventually the capacity is faded during cycle. The second problem is the safety and stability of the lithium metal used as the anode. Lithium metal surface control is a necessary step not only for the stability of Li metal anode, but also for a high capacity with a high coulombic efficiency(C.E). In this study, we developed poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropene) (PVdF-HFP) coated anodic aluminum oxide (PAAO) separator to blocking polysulfide shuttle effect and to control lithium metal interface. PAAO was prepared by coating PVdF-HFP solution on anodic aluminum oxide (AAO). AAO provides mechanically, chemically, and thermally stability. The vertical aligned pores of AAO are filled with PVdF-HFP which has been used as gel polymer electrolyte, offer high lithium ion conductivity with conventional electrolyte. PVdF-HFP selectively passes lithium ions and effectively blocks dissolution of the polysulfide into the anode region. Consequently, the proposed system conserved high specific capacity with high C.E. during the cycle. Prepared PAAO showed high specific capacity (∼850 mAh g-1, 0.2C), high C.E. (>98%), and long cycle life (>100 cycles, 0.5C). The suggested PAAO separator effectively block the polysulfide shuttle effect and improve the poor cyclability of the lithium-sulfur system. It suggests that this novel poreless separator can be a possible candidate of the powerful separator for lithium sulfur batteries.

리튬 이온 배터리 (LIB)는 높은 에너지 밀도, 재충전 특성 및 작은 메모리 효과로 인해 휴대용 전자 장치에 널리 사용되어왔다. 그러나 첨단 휴대용 전자 장치, 전기 자동차 (EV) 및 대규모 에너지 저장 시스템 (ESS)은 높은 에너지 밀도, 경량 및 저비용 LIB를 필요로 한다. 황은 지구상에서 가장 풍부한 물질 중 하나이며 이론적 인 용량이 높다. 그러나 몇 가지 문제가 있다. 첫 번째 문제는 폴리 설파이드의 용해이다. 충전 및 방전 과정 동안 형성되는 리튬 폴리 설파이드는 LIB의 유기 전해질에 가용성이다. 이는 연속적인 양극 활물질 소비로 이어지고, 결국 용량은 사이클이 반복되면서 줄어든다. 두 번째 문제는 양극으로 사용되는 리튬 금속의 안전성과 안정성입니다. 리튬 금속 표면 제어는 Li 금속 음극의 안정성 뿐만 아니라 높은 쿨롱 효율과 고 용량을 위해 필요한 단계이다. 본 연구에서 우리는 polysulfide 셔틀 효과를 방지하고 리튬 금속 계면을 제어하기 위해 poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropene) (PVdF-HFP)로 코팅 된 양극 산화 알루미늄 (PAAO) 분리막을 개발하였다. 양극 산화 알루미늄 (AAO) 상에 PVdF-HFP 용액을 코팅하여 PAAO를 제조 하였으며 AAO는 기계적, 화학적 및 열적 안정성을 제공한다. AAO의 수직 정렬 기공은 겔 폴리머 전해질로 사용 된 PVdF-HFP로 채워지며, 기존의 전해질과 함께 높은 리튬 이온 전도성을 제공한다. PVdF-HFP는 리튬 이온을 선택적으로 통과시키고 폴리 설파이드가 음극영역으로의 용해를 효과적으로 차단한다. 결과적으로, 제안 된 시스템은 사이클 동안 높은 쿨롱 효율로 높은 용량을 유지했다. 제조 된 PAAO는 높은 비 용량 (~ 850 mAh / g, 0.2C), 높은 쿨롱 효율 (> 98 %) 및 긴 사이클 수명 (> 100 사이클, 0.5C)을 나타냈다. 제안 된 PAAO 분리기는 폴리 설파이드 셔틀 효과를 효과적으로 차단하고 LI-S 시스템의 열악한 사이클 특성을 개선할 수 있다.