이온성 액체 전해질을 이용한 그래핀-리튬 황 전지 특성 연구

Abstract

이 논문에서는 PPV-MoS2라는 물질을 양극재로 이용한 리튬 황 전지의 전해질에 이온성 액체를 용매와 일정 비율로 섞었을 때의 배터리 성능이 어떻게 변하는지 관찰했다. 현대 사회에서는 기존의 화석연료 고갈과 지속적인 에너지 사용량 증가로 인해 여러가지의 이차전지 분야가 연구되고 있는데, 그 중에서도 리튬 이온 배터리가 우수한 성능으로 인해 가장 각광받고 있다. 그러나 리튬 이온 배터리 같은 경우에는 이론적인 용량에 한계가 있어서 고용량의 이차전지를 만드는 것에 한계가 있어서 이론적인 용량이 높고, 황의 저렴한 가격, 가벼운 무게 등 상용화하기에 여러가지 장점을 가지고 있는 리튬 황 전지의 연구가 활발하게 연구되고 있다. 리튬 황 전지란 황을 양극재로 쓰고 리튬 금속을 음극재로 쓰며, 양극재와 음극재 사이에 산화, 환원 반응이 일어나면서 에너지가 생성되게 되는 배터리를 말한다. 리튬 황 전지에서 황은 여러가지 형태의 동원소의 형태로 존재하게 되는데 가장 흔한 형태의 황은 Cyclo-octasulfur (cyclo-S8) 이라는 형태로 존재하며 방전될 때에는 음극재인 리튬 금속이 산화되어 리튬이온으로 변하게 되고 양극재인 황 물질이 점차적으로 환원되면서 폴리 설파이드(Li2S2, Li2S4, Li2S6, Li2S8.)가 생성되고 최후에는 Li2S로 완전히 환원되게 된다. 충전이 될 때에는 리튬이온이 리튬으로 환원되고 낮은 차수의 폴리 설파이드가 높은 차수의 폴리 설파이드로, 그리고 최종적으로 원소 형태의 황으로 산화되게 된다. 리튬 황 전지가 차세대 신재생 에너지로 각광받는 이유는, 양극재로 쓰이는 황이 무게가 가볍고 저렴한 가격으로 인하여 상용화하기에 용이하며 이론적으로 리튬 이온 배터리보다 높은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문이다. 그러나 상용화하기에 넘어야 하는 단점들도 존재하는데, 황의 높은 저항 값으로 인해 형성되는 낮은 전도도, poor cycling efficiency, short life cycle, high self-discharge rate, shuttle mechanism이다. Shuttle mechanism이란 리튬 황 전지가 지속적으로 충. 방전되면서 양극재 물질이 녹아 나와 리튬 황 전지의 용량을 줄어들게 하는 문제점을 말한다. 이러한 단점을 극복하고 더 성능이 좋은 리튬 황 전지를 만들기 위해 shuttling mechanism에 가장 영향을 끼치는 부분 중의 하나인 전해액 관련 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 여러 가지 연구되고 있는 전해액 분야 중에 이온성 액체가 있는데, 이온성 액체는 상온에서 액체상태의 염으로 존재하는 물질로 유기 양이온과 무기 음이온으로 구성된다. 이온성 액체는 낮은 난연성, 낮은 휘발성, 높은 이온 전도도 그리고 높은 열정 안정성이라는 특성을 보여서 전해액에 이온성 액체를 섞을 경우 폴리설파이드가 전해액에 녹는 양이 줄어들어, shuttle mechanism이 일어나는 것을 막아주는 것으로 알려져 있다. 이러한 정보를 바탕으로 이 논문 에서는 두 가지 종류의 이온성 액체들을 (Reliance사의 이온성 액체, 1-Hexyl-3-methylimidazolium bromide((Ionic liquid H)) 용매(EC:DMC=1:1, 1,3-Dioxolane)들과 여러가지 비율(2:8, 4:6)으로 섞은 전해액을 사용하여 Graphene-MoS2 리튬 황 전지의 성능을 비용량, cyclic voltammetry, 임피던스 등을 측정해 이온성 액체를 넣지 않은 전해액을 사용한 Graphene-MoS2 리튬 황 전지와 비교해보았다. 측정결과 Reliance사의 이온성 액체와 1,3-Dioxolane을 2:8의 비율로 섞은 전해질을 사용했을 때 가장 높은 비용량 값을 (~400mAh/g) 유지하면서 오랫동안 충. 방전 되는 것을(300 사이클) 관찰했고 계속 충. 방전이 되면서 비용량이 급격하게 감소하지 않고 일정한 비율로 감소하는 형태를 보여 높은 안정성을 가지고 있다고 말할 수 있다. 또한 이온성 액체를 넣은 Graphene-MoS2 리튬 황 전지의 Cyclic voltammetry 그래프를 관찰했을 때도 형성되는 폴리 설파이드의 양이 적어서 shuttle mechanism이 덜 일어나게 끔 영향을 주는 것으로 알 수 있다. 이는 리튬 황 전지의 전해질에 이온성 액체를 섞음으로써 shuttle mechanism, stability등 여러가지 단점들을 보완해주는 것을 알 수 있다.