리튬의 이해

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4811(2022) 이 기사 인용

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리튬-황 배터리의 산화환원 공정의 다단계 상전이 및 반응 동역학에 대한 복잡한 상호 작용과 부분적인 이해는 전기화학적 에너지 저장 시스템의 발전과 광범위한 배포를 방해하는 주요 걸림돌입니다. 이러한 측면을 더 잘 이해하기 위해 여기에서는 Li-S 산화 환원 공정의 반응 동역학을 조사하고 다황화물 생성 / 진화 및 황 침착에 대한 기계적 통찰력을 제공하기 위해 Operando 공 초점 라만 현미경 측정을보고합니다. 반응물과 중간체의 Operando 시각화 및 정량화를 통해 Li-S 산화환원 중 전위 의존 속도의 특성화와 황 기반 전극의 전자 전도도 및 다황화물 농도를 전지 성능에 연결하는 것이 가능해졌습니다. 우리는 또한 셀 작동 중 단계적 방전 및 병렬 재충전 메커니즘을 보여주는 다양한 폴리설파이드의 계면 진화 및 확산 과정의 시각화를 보고합니다. 이러한 결과는 Li-S 산화환원 반응의 메커니즘과 동역학에 대한 근본적인 통찰력을 제공합니다.

리튬-황(Li-S) 배터리는 높은 에너지 밀도, 자연적으로 풍부한 유황 및 낮은 환경 영향으로 인해 차세대 에너지 저장 기술의 가장 유망한 후보 중 하나입니다. Li-S 산화환원에는 고체 황, 액체 다황화물 및 고체 황화리튬(Li2S) 간의 다단계 화학 및 상 변환이 포함되며, 이는 Li-S 배터리에 고유한 문제를 야기합니다. 중요한 문제는 배터리 작동 중 용해성 중간체 폴리설파이드의 형성과 "셔틀 효과"입니다. 폴리황화물은 고체 절연 황과 황화리튬(Li2S)을 연결하고 순수 고체 황의 높은 저항과 느린 전기화학 반응을 부분적으로 완화합니다. 그러나 확산을 통해 양극에서 다유화물이 이동하면 활성 물질이 손실되어 두 전극 모두에서 심각한 용량 저하 및 패시베이션이 발생합니다1,2,3.

다황화물 셔틀 현상을 해결하기 위한 목적으로, 다황화물 산화환원 경로를 조절/전기촉매화하고 음극, 전해질 및 중간층4,5,6,7,8의 설계 개발을 통해 다황화물 확산을 제한하는 데 상당한 노력이 기울여졌습니다. 다황화물을 매개하는 접근법에 대한 수많은 보고에도 불구하고, 기본적인 Li-S 산화환원 동역학 및 계면 다황화물 진화 과정의 기본 기계적 세부 사항은 아직 파악하기 어렵습니다. 싱크로트론 기반 방법9,10,11,12, 전자현미경(EM)13,14, 원자력 현미경(AFM)15,16, 핵자기공명(NMR)을 포함한 최첨단 현장/오퍼란도 특성화 기술 ) 분광학17,18,19,20,21, 라만 분광학22,23,24,25 및 자외선-가시광선(UV-vis) 분광학26,27,28은 Li-S 반응 메커니즘에 대한 지식 기반을 확립하는 데 도움이 됩니다29,30, 31. X선 기반 방법은 다양한 황 종을 구별/식별하고 Li-S 산화환원 과정 동안 변환 경로를 밝히기 위해 광범위하게 사용되었습니다9,32,33,34. Operando 투과 X선 현미경 및 현장 X선 형광 현미경을 사용하면 황 및 관련 폴리황화물 중간체35,36,37의 진화를 매핑할 수 있습니다. X선 흡수 분광법을 사용하여 Wang et al. 방전 시 폴리설파이드의 평균 사슬 길이를 정량화하여 폴리설파이드 변환에 대한 상대 속도 상수의 첫 번째 추정치를 제시했습니다. 복잡한 Li-S 산화환원을 철저히 이해하려면 고해상도 이미징, 다양한 (폴리)황화물 종의 동시 식별, 신속한 다중 현장 감지 및 정량 분석의 조합이 필요합니다. 대부분의 특성화 도구의 경우, 공간 분포의 제한된 분해능 및/또는 다양한 폴리황화물의 명확한 구별 부족으로 인해 Li-S 산화환원 공정의 반응 메커니즘 및 동역학에 대한 정확한 특성화 및 포괄적인 진단이 제한됩니다.