전고체 리튬-황전지를 위한 전하 이동이 강화된 MoS2 기반 황 복합 양극재 개발

Abstract

고체 전해질 시스템 리튬-황 전지(All-solid-state Li-S battery, ASSLSB)는 높은 에너지 밀도, 경제적인 가격, 높은 안전성과 폴리설파이드의 용출이 없다는 장점이 있다. 하지만 고체 전해질 시스템에서 황을 활물질로 사용하는 것은 황의 이온 및 전기적 절연 특성 때문에 어려운 과제이다. 본 연구에서는 양극에서 상호 연결된 이온 및 전기 전도 경로를 설계할 수 있는 황이 로딩된 Flower-shape의 복합체를 소개한다. 호스트 물질로서 나노 시트로 이루어진 MoS2 입자는 큰 비표면적을 가지며 이를 통해 황을 효과적으로 활물질로 활용할 수 있도록 리튬 이온과 전자를 공동으로 전도할 수 있다. 그러나 나노 시트로 이루어진 MoS2 입자는 물리적인 밀링으로 인한 Flower shape의 변형에 취약하여 황과 혼합 과정에서 호스트 물질로서 황을 로딩하지 못하고 물리적 및 전기화학적 분리를 야기시킨다. 이 연구에서는 Flower-shaped MoS2와 황을 낮은 에너지의 볼 밀링을 통해 혼합하고 용융 확산 법으로 활물질을 로딩하여 균일한 황/MoS2 복합체를 형성하였다. 이러한 황/MoS2 복합체는 양극 복합체 내 물질 간 상호 연결이 가능하여 연속적인 전도 경로를 구축한다. 제안된 황/MoS2 복합체를 사용한 고체 전해질 시스템 리튬-황 전지는 독특한 Flower-shaped MoS2의 모포로지를 활용해 높은 황 이용률을 보여주며 약 1000회의 장기 구동 동안 대략 100%의 쿨롱 효율을 구현하였다. 해당 연구는 고체 전해질 시스템 리튬-황 전지 용 소재의 고유한 특성뿐만 아니라 황 양극 복합체의 구조 설계의 중요성을 강조한다.