KR100550981B1 - 리튬 설퍼 전지의 충전 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 설퍼 전지의 충전 방법에 관한 것으로서, 이 충전 방법은 양극 활물질을 포함하는 양극 및 음극 활물질을 포함하는 음극을 포함하는 리튬 설퍼 전지를 방전하고; 상기 방전된 리튬 설퍼 전지를 1회 충전하고; 상기 1회 충전한 리튬 설퍼 전지를 n회(n은 2 이상) 충전하는 공정을 포함하는 리튬 설퍼 전지의 충전 방법에서, 상기 충전하는 공정 중 n번째 충전 공정의 컷-오프 전압과 n-1번째 내지 첫 번째 중 적어도 한 단계의 컷-오프 전압이 서로 상이하고, 상기 n번째 충전 공정에서의 충전량이 전지 용량의 50% 이하이다.
상술한 것과 같이, 본 발명에서는 충방전 조건을 조절하여 리튬 설퍼 전지의 사이클 수명 특성을 향상시켰다.
충전방법,설퍼전지,컷오프전압,사이클수명

Description

리튬 설퍼 전지의 충전 방법{METHOD FOR CHARGING LITHIUM SULFUR BATTERY}
도 1은 리튬 설퍼 전지의 충방전 커브를 나타낸 그래프.
도 2는 비교예 1 내지 3의 사이클 수명 특성을 나타낸 그래프.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 리튬 설퍼 전지의 충전 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사이클 수명 특성을 향상시킬 수 있는 리튬 설퍼 전지의 충전 방법에 관한 것이다.
[종래 기술]
휴대 전자 기기의 발전으로 가볍고 고용량 전지에 대한 요구가 갈수록 증가하고 있다. 이러한 요구를 만족시키는 이차 전지로 리튬 설퍼 전지와 리튬 이온 전지가 있다.
이중에서, 상기 리튬 설퍼 전지는 리튬 이온 전지에 비해 고용량을 낼 수 있어 차세대 전지로 연구되고 있다.
리튬 설퍼 전지는 양극 활물질로 황-황 결합(Sulfur-Sulfur bond)을 가지는 황 계열 화합물을 양극 활물질로 사용하고, 리튬과 같은 알카리 금속을 음극 활물 질로 사용하는 이차 전지이다. 환원 반응시(방전시) S-S 결합이 끊어지면서 S의 산화수가 감소하고, 산화 반응시(충전시) S의 산화수가 증가하면서 S-S 결합이 다시 형성되는 산화-환원 반응을 이용하여 전기적 에너지를 저장 및 생성한다.
리튬 금속은 가볍고 에너지 밀도가 우수하여 리튬 설퍼 전지에서 음극 활물질로 널리 사용되고 있으나, 리튬의 반응성이 뛰어나 원하는 수명을 만족시키지 못하는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 리튬 이온만 선택적으로 투과가 가능한 보호막을 리튬 표면에 위치시켜 리튬과 전해액과의 접촉을 차단하는 방법이 유력한 대안으로 제시되었고, 이러한 보호막 물질들로는 LIPON(Lithium Phosphorus Oxy-Nitride), 리튬 나이트라이드, 리튬 설파이드 등이 있다.
그러나 이러한 무기 보호막들은 물리적 특성이 약하여 충방전시 리튬의 출입 속도가 빨라질수록 파괴 또한 잘 일어나 전지의 고율 특성을 만족시키지 못하여 이러한 보호막의 파괴는 곧바로 전지 수명의 열화로 이어진다(Solid State Ionics 148(2002) 405-416, Doran Aurbach)
따라서 전지 수명을 향상시키기 위한 방법 중 하나로 미국 특허 제 6,329,789 호에 리튬 설퍼 전지를 0.2mA/cm2 미만의 낮은 충전 전류 밀도로 충전하고, 이어서 0.2mA/cm2 보다 큰 높은 충전 전류 밀도로 충전하는 공정이 기술되어 있다. 그러나 이 방법을 적용하기 위해서는 충전기의 전류 밀도를 변경하여야 하는 고가의 공정이 요구되어 실제 적용상에는 어려움이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 충전 공정을 조절하여 리튬 음극을 효과적으로 보호할 수 있어 사이클 수명 특성을 향상시킬 수 있는 리튬 설퍼 전지의 충전 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 양극 활물질을 포함하는 양극 및 음극 활물질을 포함하는 음극을 포함하는 리튬 설퍼 전지를 방전하고; 상기 방전된 리튬 설퍼 전지를 1회 충전하고; 상기 1회 충전한 리튬 설퍼 전지를 n회(n은 2 이상) 충전하는 공정을 포함하는 리튬 설퍼 전지의 충전 방법에서, 상기 충전하는 공정 중 n회 충전 공정의 컷-오프 전압과 n-1회 내지 1회 중 적어도 한 단계의 컷-오프 전압이 서로 상이하고, 상기 n회 충전 공정에서의 충전량이 전지 용량의 50% 이하인 리튬 설퍼 전지의 충전 방법을 제공한다.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 리튬 설퍼 전지의 수명을 향상시키기 위한 방법으로 충전 방법을 개선하여 리튬 음극에 주는 손상(damage)을 감소시킬 수 있다.
일반적인 리튬 설퍼 전지의 충방전 커브를 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타낸 커브에서 충전시 대략 2.35V 이상의 영역에서의 충전량은 방전 용량에 크게 기여하지 못한다. 또한 전지 성능이 열화됨에 따라 충전시 2.35V에 도달하는 지점이 점점 빨라지게 된다.
따라서 본 발명은 2.3V 부근 이상에서의 충전이 최소로 일어나도록 충전 조건을 조절하여 수명 특성을 향상시키는 방법이다.
본 발명의 충전 방법은 리튬 설퍼 전지를 방전한 후, 이 방전된 전지를 1회 충전한다. 이어서, 상기 1회 충전한 전지를 다시 n회(n은 2 이상) 충전한다. 이때, 최종 충전 공정인 n번째 충전 공정시 컷-오프(cut-off) 전압과 최종 충전 공정 전의 적어도 한 단계, 즉 n-1번째 내지 첫 번째 충전 공정 중 적어도 한 단계의 컷-오프 전압이 서로 상이하게 충전 공정을 실시한다. 이를 다시 설명하면, n-1번째 내지 첫 번째 충전 공정 중 적어도 한 단계의 컷-오프 전압이 최종 충전 공정의 컷-오프 전압보다 낮게 충전 공정을 실시하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 n-1번째 내지 첫 번째 충전 공정 중 적어도 한 단계의 컷-오프 전압이 최종 충전 공정의 컷-오프 전압보다 낮은 것이 바람직하다.
충전 공정은 컷-오프 전압이 서로 상이하게 1번씩 총 2번 실시해도 본 발명의 효과를 얻을 수 있으나, 바람직하게는 총 2 내지 10회, 더욱 바람직하게는 3 내지 5회를 실시하는 것이 본 발명의 효과를 극대화할 수 있다.
첫 번째 충전 공정 조건과 n번째의 최종 충전 공정 조건은 컷-오프 전압과 충전량 중 먼저 도달하는 것으로 조절하여도 무방하나, 첫 번째 충전 공정 조건은 컷-오프 전압으로, n번째의 최종 충전 공정 조건은 충전량, 즉 충전 시간으로 조절하는 것이 바람직하다. 아울러, 상기 첫 번째 충전 공정 전에 충전량, 즉 충전 시간으로 조절하는 예비 충전 공정을 더욱 실시할 수도 있다.
상기 n번째 충전시 컷-오프 전압은 2.5 내지 3.2V가 바람직하며, 상기 n-1번째 충전 내지 첫 번째 충전 중 적어도 한 단계의 컷-오프 전압이 2.30 내지 2.50V인 것이 바람직하다. 최종 단계 이전의 충전 조건 전압을 조절하여 전압이 더 이 상 증가되지 않는 셔틀반응이 일어나는 전압인 2.35V 부근에서의 충전량을 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 상기 각 충전 공정 사이에 충전량의 10 내지 20%를 방전하여 충전 과정 중에 리튬 음극에 지속적으로 리튬이 석출(deposition)됨에 따라 리튬 전극 표면에서 전류가 불균일하게 분포되게 되어 리튬 열화에 큰 영향이 미치는 문제점을 방지할 수 있다. 상기 방전 공정 대신 각 충전 공정 사이에 휴지 시간을 주는 방법을 실시할 수도 있고, 상기 방전 공정과 휴지 시간을 주는 방법을 함께 실시할 수도 있다. 상기 휴지 시간은 1분 내지 60 분이 바람직하다. 상기 휴지 시간을 주는 공정은 반응 중에 리튬 금속이 안정화될 시간을 주는 공정이다.
또한, 상기 최종 충전 공정은 n번째 충전 공정에서의 충전량이 전지 용량의 50% 이하가 되도록 충전하는 것이 바람직하며, 10 내지 30%가 보다 바람직하다.
본 발명의 리튬 설퍼 전지에서, 양극에 포함되는 양극 활물질은 황 원소(elemental sulfur, S8) 또는 황 계열 화합물을 사용할 수 있다. 이러한 황 계열 화합물로는 Li2Sn(n ≥ 1), 유기 황 화합물 또는 탄소-황 폴리머((C2 Sx)n: x= 2.5 내지 50, n ≥ 2)를 하나 이상 사용할 수 있다.
음극에 포함되는 음극 활물질은 리튬 금속 또는 리튬 금속의 합금을 사용할 수 있다. 상기 리튬 금속의 합금을 형성할 수 있는 물질로는 Al, Mg, K, Na, Ca, Sr, Ba, Si, Ge, Sb, Pb, In 및 Zn로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 리튬 설퍼 전지는 전해액을 포함하며, 이 전해액은 유기 용매와 전해염을 포함한다.
상기 유기 용매로는 단일 용매를 사용할 수도 있고 2이상의 혼합 유기용매를 사용할 수도 있다. 2이상의 혼합 유기 용매를 사용하는 경우 약한 극성 용매 그룹, 강한 극성 용매 그룹, 및 리튬 메탈 보호용매 그룹 중 두 개 이상의 그룹에서 하나 이상의 용매를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
약한 극성용매는 아릴 화합물, 바이사이클릭 에테르, 비환형 카보네이트 중에서 황 원소를 용해시킬 수 있는 유전 상수가 15보다 작은 용매로 정의되고, 강한 극성 용매는 비사이클릭 카보네이트, 설폭사이드 화합물, 락톤 화합물, 케톤 화합물, 에스테르 화합물, 설페이트 화합물, 설파이트 화합물 중에서 리튬 폴리설파이드를 용해시킬 수 있는 유전 상수가 15보다 큰 용매로 정의되며, 리튬 보호 용매는 포화된 에테르 화합물, 불포화된 에테르 화합물, N, O, S 또는 이들의 조합이 포함된 헤테로 고리 화합물과 같은 리튬금속에 안정한 SEI(Solid Electrolyte Interface) 필름을 형성하는 충방전 사이클 효율(cycle efficiency)이 50% 이상인 용매로 정의된다.
약한 극성 용매의 구체적인 예로는 자일렌(xylene), 디메톡시에탄, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 톨루엔, 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디글라임, 테트라글라임 등이 있다.
강한 극성 용매의 구체적인 예로는 헥사메틸 포스포릭 트리아마이드(hexamethyl phosphoric triamide), 감마-부티로락톤, 아세토니트릴, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, N-메틸피롤리돈, 3-메틸-2-옥사졸리돈, 디메틸 포름아마이드, 설포란, 디메틸 아세트아마이드 또는 디메틸 설폭사이드, 디메틸 설페이트, 에틸렌 글리콜 디아세테이트, 디메틸 설파이트, 에틸렌 글리콜 설파이트 등을 들 수 있다.
리튬 보호용매의 구체적인 예로는 테트라하이드로 퓨란, 디옥솔란, 3,5-디메틸 이속사졸, 2,5-디메틸 퓨란, 퓨란, 2-메틸 퓨란, 1,4-옥산, 4-메틸디옥솔란 등이 있다.
상기 전해염인 리튬염으로는 리튬 트리플루오로메탄설폰이미드 또는 리튬 트리플레이트 중 하나 이상 사용할 수 있다. 이때, 리튬염의 농도는 0.6 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하며, 0.7 내지 1.6M 범위 내에서 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 리튬염의 농도가 0.6M 미만이면 전해질의 전도도가 낮아져 전해질 성능이 저하되고, 2.0M을 초과하는 경우에는 전해질의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 감소되는 문제점이 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(비교예 1)
아세토니트릴 용매에 폴리에틸렌옥사이드(분자량 5,000,000, Aldrich)를 용해하여 바인더 용액을 제조하였다. 이 바인더 용액에 전기적 전도성을 확보하기 위한 도전재로 카본 분말(슈퍼 P, MMM carbon Co.)과 평균 입도 5㎛ 정도로 조절된 황(S8) 분말을 추가하여 볼밀로 하루동안 교반하여 양극 활물질 조성물을 제조하였다. 상기 양극 활물질 조성물을 카본 코팅된 알루미늄 기재(REXAM)에 코팅하여 60℃ 열풍 건조로에서 한시간 동안 건조하여 양극을 제조하였다.
제조된 양극 합제 조성은 황/도전재/바인더=75/15/10(중량%)이었다. 얻어진 양극을 수분이 제어되는 드라이룸에서 압연기로 압연하고 리튬 메탈(120㎛ 두께)과 세퍼레이터(Tonen 16㎛)와 적층하여 파우치에 넣고 전해액을 주액한 후 파우치를 실링하여 리튬 설퍼 전지를 제조하였다. 이때, 전해액은 1M LiSO3CF3이 용해된 1,3-디옥솔란/디글라임/설포란/디메톡시에탄(50/20/10/20 부피비)을 사용하였다.
제조된 전지(용량 25mAh)를 상온 대기 중에서 밤새 방치한 후, 다음 조건으로 충방전을 실시하여 사이클 수명 특성을 평가하였다.
방치한 전지를 0.4mA/cm2의 전류 밀도로 방전한 후, 0.4mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 충전을 2.8V 컷-오프(cut-off) 전압 또는 5.5시간 동안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시하고, 1.0mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 방전을 1.5V 컷-오프 전압까지 실시하였다. 각 스텝별 휴지 시간은 5분으로 하였다.
(비교예 2)
상기 비교예 1의 방법에 따라 제조된 전지의 충방전 조건을 다음과 같이 변경하여 사이클 수명 특성을 측정하였다.
0.4mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 충전을 2.8V 컷-오프 전압 또는 6.5시간 동 안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시하고, 1.0mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 방전을 1.5V 컷-오프 전압까지 실시하였다.
(비교예 3)
상기 비교예 1의 방법에 따라 제조된 전지의 충방전 조건을 다음과 같이 변경하여 사이클 수명 특성을 측정하였다.
충전은 1.0mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 충전을 2.8V 컷-오프 전압 또는 2.5시간 동안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시하고, 1.0mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 방전을 1.5V 컷-오프 전압까지 실시하였다.
상기 비교예 1 내지 3의 조건으로 충전하여 얻은 사이클 수명 특성을 도 2에 나타내었다. 도 2의 결과를 보면, 전지 수명을 위해서는 과충전 시간이 짧을수록, 충전 전류가 낮을수록 수명에 좋다는 결론을 얻을 수 있다. 그러나 전지 사용자 입장에서는 낮은 충전 전류가 오랜 시간의 충전 시간이 필요하다는 것을 의미하므로 바람직하지 않다.
(실시예 1)
비교예 1의 방법에 따라 제조된 전지의 충방전 조건을 다음과 같이 변경하여 사이클 수명 특성을 측정하였다.
0.4mA/cm2의 전류 밀도로 첫 번째 정전류 충전을 2.35V 컷-오프 전압 또는 5시간 동안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시하고, 0.4mA/cm2의 전류 밀도로 두 번째 정전류 충전을 2.8V 컷-오프 전압 또는 1시간 동안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시하였다. 이어서, 1.0mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 방전을 1.5V 컷-오프 전압까지 실시하였다.
(실시예 2)
비교예 1의 방법에 따라 제조된 전지의 충방전 조건을 다음과 같이 변경하여 사이클 수명 특성을 측정하였다.
0.4mA/cm2의 전류 밀도로 첫 번째 정전류 충전을 2.35V 컷-오프 전압 또는 5시간 동안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시하고, 1.0mA/cm2의 전류 밀도로 두 번째 정전류 충전을 2.8V 컷-오프 전압 또는 0.4시간 동안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시하였다. 이어서, 1.0mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 방전을 1.5V 컷-오프 전압까지 실시하였다.
(실시예 3)
비교예 1의 방법에 따라 제조된 전지의 충방전 조건을 다음과 같이 변경하여 사이클 수명 특성을 측정하였다.
0.4mA/cm2의 전류 밀도로 첫 번째 정전류 충전을 2.8V 컷-오프 전압 또는 1시간 동안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시하고, 0.4mA/cm2의 전류 밀도로 두 번째 정전류 충전을 2.35V 컷-오프 전압 또는 4시간 동안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시하였다. 이어서, 0.4mA/cm2의 전류 밀도로 세 번째 정전류 충전을 2.8V 컷-오프 전압 또는 1시간 동안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시하고, 1.0mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 방전을 1.5V 컷-오프 전압까지 실시하였다.
(실시예 4)
비교예 1의 방법에 따라 제조된 전지를 충방전 조건을 다음과 같이 변경하여 사이클 수명 특성을 측정하였다.
0.4mA/cm2의 전류 밀도로 첫 번째 정전류 충전을 2.8V 컷-오프 전압 또는 1시간 동안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시하고, 0.4mA/cm2의 전류 밀도로 두 번째 정전류 충전을 2.35V 컷-오프 전압 또는 4시간 동안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시하였다. 이어서, 0.4mA/cm2의 전류 밀도로 세 번째 정전류 충전을 2.8V 컷-오프 전압 또는 0.5시간 동안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시하고, 0.4mA/cm2의 전류 밀도로 네 번째 정전류 충전을 2.8V 컷-오프 전압 또는 0.5시간 동안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시하였다. 이어서, 1.0mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 방전을 1.5V 컷-오프 전압까지 실시하였다.
(실시예 5)
비교예 1의 방법에 따라 제조된 전지를 충방전 조건을 다음과 같이 변경하여 사이클 수명 특성을 측정하였다.
0.4mA/cm2의 전류 밀도로 첫 번째 정전류 충전을 2.8V 컷-오프 전압 또는 1.1시간 동안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시하고, 5분 휴지 후 0.1 시간 동안 0.4mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 방전을 실시하였다. 이어서, 0.4mA/cm2의 전류 밀도로 두 번째 정전류 충전을 2.35V 컷-오프 전압 또는 4.1시간 동안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시한 후, 5분 휴지 후 0.1 시간 동안 0.4mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 방전을 실시하였다. 0.4mA/cm2의 전류 밀도로 세 번째 정전류 충전을 2.8V 컷-오프 전압 또는 0.6시간 동안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시한 후, 5분 휴지 후 0.1 시간 동안 0.4mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 방전을 실시하였다. 이어서, 0.4mA/cm2의 전류 밀도로 네 번째 정전류 충전을 2.8V 컷-오프 전압 또는 0.5시간 동안의 충전 시간 중 어느 단계에 먼저 도달할 때까지 실시한 후, 1.0mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 방전을 1.5V 컷-오프 전압까지 실시하였다.
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1에 따라 제조된 전지의 사이클 수명을 측정하여 그 결과인 용량 유지율(%)을 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
1 사이클 98 101 105 101 101 101
10 사이클 90 95 97 95 95 96
50 사이클 70 90 85 91 92 90
상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 충전 조건을 조절함에 따라 충방전 사이클 진행에 따른 용량 감소를 억제할 수 있다. 즉, 우수한 사이클 수명 특성(용량 유지율)을 나타냄을 알 수 있다.
상술한 것과 같이, 본 발명에서는 충방전 조건을 조절하여 리튬 설퍼 전지의 사이클 수명 특성을 향상시켰다.

Claims (7)

  1. 양극 활물질을 포함하는 양극 및 음극 활물질을 포함하는 음극을 포함하는 리튬 설퍼 전지에서;
    리튬 설퍼 전지를 n회(n은 2 이상) 충전하는
    공정을 포함하는 리튬 설퍼 전지의 충전 방법에서,
    상기 충전하는 공정 중 n번째 충전 공정의 컷-오프 전압과 n-1번째 내지 첫 번째 중 적어도 한 단계의 컷-오프 전압이 서로 상이하고,
    상기 n번째 충전 공정에서의 충전량이 전지 용량의 10 내지 30%인 리튬 설퍼 전지의 충전 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 n번째의 컷-오프 전압은 2.5 내지 3.2V인 것인 리튬 설퍼 전지의 충전 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 n-1번째 내지 첫 번째 중 적어도 한 단계의 컷-오프 전압이 2.30 내지 2.50V인 리튬 설퍼 전지의 충전 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 n은 2 내지 10의 정수인 리튬 설퍼 전지의 충전 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 황 원소(elemental sulfur, S8), Li2Sn(n ≥ 1), 유기 황 화합물 및 탄소-황 폴리머((C2Sx) n: x= 2.5 내지 50, n ≥ 2)로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 설퍼 전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 활물질은 리튬 금속 또는 리튬 금속의 합금인 리튬 설퍼 전지.
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