リチウム硫黄電池の設計上の考慮事項：リチウムポリサルファイドの質量輸送

Design considerations for lithium-sulfur batteries: mass transport of lithium polysulfides.

• Seong-Jun Kim
• Yunseo Jeoun
• Jungjin Park
• Seung-Ho Yu
• Yung-Eun Sung

抄録

可逆的な可溶性リチウムポリ硫化物（LiPS）の損失は、リチウム硫黄電池の性能を劣化させる大きな障害となっている。最近、これらのLiPSの問題を解決するために、複数の革新的なアプローチが開発されています。多孔質炭素への硫黄の融解拡散は、LiPSからの拡散を防ぐための代表的な解決策であり、電気化学的に活性なサイト上の硫黄をそれに応じて調整することを目的としている。しかし、LiPSの質量輸送運動が高性能化に重要な役割を果たしていることは見落とされてきた。本論文では、溶融拡散を利用した固体硫黄とカソライトを用いた3次元多孔質炭素を用いたカソード構造を導入することで、カソード構造における可溶性硫黄の物質輸送の重要性に着目した。溶融拡散を利用した硫黄正極の容量は、細孔の小さい炭素ではLiPSがゆっくりと拡散して離れていくためによく保存されているが、カソード由来の硫黄正極は、細孔の大きい炭素では物質輸送が速いために優れた性能を示すことがわかった。細孔径と物質輸送を制御する4つの異なる組み合わせとの比較から、多孔質炭素を用いた出発物質の初期状態を適切に選択することが最適なセル性能を発揮することが明らかになった。

Irreversible loss of soluble lithium polysulfides (LiPSs) is a major obstacle deteriorating the performance of lithium-sulfur batteries. Multiple innovative approaches have recently been developed to resolve these LiPS issues. Melt-diffusion of sulfur into porous carbon is a representative solution for preventing the diffusion out of LiPSs, which aims to coordinate the sulfur on the electrochemically active site, accordingly. However, it has been overlooked that the mass transport motion of LiPSs has a crucial role in achieving high-performance. In this paper, we highlight the importance of the mass transport of soluble sulfur in the cathode structure by introducing various starting materials, i.e., solid sulfur using melt-diffusion and a catholyte, using 3-dimensional ordered macroporous carbon. The capacity of the sulfur cathode using melt-diffusion is well conserved in carbon with small pores because LiPSs are slowly diffused away, however, the catholyte derived sulfur cathode shows superior performance in carbon with large pores due to their rapid mass transport. The comparison with the four different combinations that control the pore size and mass transport reveals that proper selection of the initial state of starting materials using porous carbons demonstrates the optimal cell performance.