Development of electrolytes to suppress the dissolution of polysulfides for Li-S batteries

Abstract

Lithium-sulfur batteries are one of the most promising next-generation batteries due to its high theoretical energy density, which is up to 6 times that of lithium-ion batteries, and the abundance of active material sulfur reducing the cost. The demand for batteries with high energy density is on the rise and this is emphasized in the case of electric vehicles that need to be able to travel at least 500km. However, the commercialization of Li-S batteries is hindered due to several issues that remain to be solved. The most important problem is the insulating nature of sulfur because it limits the utilization of the active material. Sulfur requires a conductive network that can transport electrons instead of it. Therefore, carbon/sulfur composites are the main active material that is widely researched to maximize the energy density. Since sulfur particles relatively far from the carbon network is unable to contribute to the electrochemical reaction, nano-sized porous carbon became an ideal material candidate and typical electrolytes used for this system dissolve sulfur and its reduction product polysulfides to ensure the contact with conductive carbon. These electrolytes, which usually are ether electrolytes, have high solubilites of polysulfides and low viscosities to improve electrode reactivity. Catholyte-like electrolytes suffer from active material loss because of the side reactions of polysulfide and lithium metal. The consequential shuttle phenomenon renders the battery dead due to continuous decrease in capacity and efficiency of recharging. In this thesis, I will propose a nonpolar electrolyte in order to suppress the dissolution of polysulfides. Controlling the solubility of polysulfide is key to separating the issues of increasing the sulfur composition and the shuttle effect caused by polysulfide dissolution with the use of soluble electrolyte. The performance of this nonpolar electrolyte will be compared to common electrolytes and electrochemical studies will analyze the difference of this novel electrolyte.

리튬-황 배터리는 리튬이온배터리의 6배에 달하는 매우 높은 이론 에너지 밀도를 가진 차세대 배터리 시스템이다. 충전 한 번에 500km 이상을 달릴 수 있어야하는 전기차는 무게 당 부피당 대용량 배터리를 요구하게 되는데 이를 리튬-황 배터리가 충족시킬 수 있다. 하지만 리튬-황 배터리의 상용화를 막는 난관은 단일 방법으로 해결하기 어려운 복합적인 문제이며 이를 모두 개선할 수 있는 전지 성능 극대화 연구 개발이 필요하다. 황은 지구상에 존재하는 원소 중에 이차전지 양극 소재로 쓸 수 있는 이론적인 에너지 용량이 가장 높은 물질이지만, 전극 소재로 작용하기 위해서는 전자의 이동을 필요로 하는 산화 환원 반응이 진행되어야 하고 황은 부도체이기 때문에 전자의 이동 경로를 만들어 줘야한다. 황 입자의 형태를 유지하며 탄소와 복합체를 만들면 황 입자의 표면은 도전재인 탄소와의 거리가 가까워 반응속도가 빠를 수 있지만, 황 입자 내부로 가면서 반응 속도가 크게 떨어지게 된다. 따라서 이상적인 전극 소재는 수 nm 크기의 pore가 균일한 porous한 탄소에 sulfur를 주입하는 것이 유효한 전략이 될 것이다. 전해질은 황 입자 내부도 반응에 참여시키기 위해 용매에 용해되어 확산하면서 탄소 표면에서 반응이 진행되는 것을 쓰게 되면 셔틀 현상이 일어나 음극이 소모되는 문제를 겪게 된다. 전극 반응성을 높이기 위해서 전해액의 점도를 낮추고 용해도를 높이는 방향으로 연구가 이뤄졌으나 황과 다황화물이 용해 되면서 점도가 높아지고 반응 속도가 떨어지는 문제가 있었다. 이 논문에서 나는 비극성 용매를 활용하여 다황화물의 용해를 억제하고자 하였다. 다황화물의 용해도 조절은 셔틀 현상을 제어하기 위한 필수적인 단계이며 그 다음 단계인 황 조성 극대화를 노려보고자 한다. 이 연구에서는 비극성 전해질이 보통의 전해질과 비교되며 그 가능성을 증명하고자 한다.