KR102325631B1

KR102325631B1 - A carbon -surfur complex, manufacturing method thereof and lithium secondary battery comprising the same

Info

Publication number: KR102325631B1
Application number: KR1020170142277A
Authority: KR
Inventors: 김수현; 김기현; 손권남; 양두경
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2021-11-12
Also published as: KR20190047907A

Abstract

본 발명은 다공성 탄소재; 및 상기 다공성 탄소재의 내부 및 표면 중 적어도 일부에 황을 포함하는 황-탄소 복합체에 있어서, 상기 다공성 탄소재의 내부 및 외부 표면은 리튬 이온을 포함하는 폴리머로 코팅된, 황-탄소 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention is a porous carbon material; and a sulfur-carbon composite comprising sulfur on at least a portion of the interior and surface of the porous carbon material, wherein the interior and exterior surfaces of the porous carbon material are coated with a polymer containing lithium ions, sulfur-carbon composite and its It relates to a manufacturing method.

Description

황-탄소 복합체, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 {A CARBON -SURFUR COMPLEX, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}Sulfur-carbon composite, manufacturing method thereof, and lithium secondary battery comprising same

본 발명은 황-탄소 복합체, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a sulfur-carbon composite, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery comprising the same.

캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다.Efforts for research and development of electrochemical devices are becoming more concrete as the field of application is expanded to energy of camcorders, notebook PCs, and even electric vehicles.

전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받고 있는 분야이고 그 중에서도 충-방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 에너지 효율을 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구 개발로 진행되고 있다.Electrochemical devices are the field receiving the most attention in this respect, and among them, the development of rechargeable batteries capable of charging and discharging is the focus of interest. Research and development for the design of new electrodes and batteries is in progress.

현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다. Among the currently applied secondary batteries, lithium secondary batteries developed in the early 1990s have a higher operating voltage and significantly higher energy density than conventional batteries such as Ni-MH, Ni-Cd, and sulfuric acid-lead batteries using aqueous electrolyte solutions. is gaining popularity as

특히 리튬-황(Li-S) 전지는 S-S 결합(Sulfur - Sulfur bond)을 갖는 황 계열 물질을 양극 활물질로 사용하고, 리튬 금속을 음극 활물질로 사용하는 이차전지이다. 양극 활물질의 주재료인 황은 자원이 매우 풍부하고, 독성이 없으며, 낮은 원자당 무게를 가지고 있는 장점이 있다. 또한 리튬-황 전지의 이론 방전용량은 1675mAh/g-sulfur이며, 이론 에너지밀도가 2,600Wh/kg로서, 현재 연구되고 있는 다른 전지시스템의 이론 에너지밀도(Ni-MH 전지: 450Wh/kg, Li-FeS 전지: 480Wh/kg, Li-MnO₂ 전지: 1,000Wh/kg, Na-S 전지: 800Wh/kg)에 비하여 매우 높기 때문에 현재까지 개발되고 있는 전지 중에서 가장 유망한 전지이다.In particular, a lithium-sulfur (Li-S) battery is a secondary battery in which a sulfur-based material having an SS bond (Sulfur-Sulfur bond) is used as a positive electrode active material and lithium metal is used as a negative electrode active material. Sulfur, the main material of the cathode active material, has the advantage of being very abundant in resources, non-toxic, and having a low weight per atom. In addition, the theoretical discharge capacity of the lithium-sulfur battery is 1675 mAh/g-sulfur, and the theoretical energy density is 2,600 Wh/kg. FeS battery: 480 Wh/kg, Li-MnO ₂ battery: 1,000 Wh/kg, Na-S battery: 800 Wh/kg), it is the most promising battery among the batteries being developed so far.

리튬-황 전지의 방전 반응 중 음극(Anode)에서는 리튬의 산화 반응이 발생하고, 양극(Cathode)에서는 황의 환원 반응이 발생한다. 방전 전의 황은 환형의 S₈ 구조를 가지고 있는데, 환원 반응(방전) 시 S-S 결합이 끊어지면서 S의 산화수가 감소하고, 산화 반응(충전) 시 S-S 결합이 다시 형성되면서 S의 산화수가 증가하는 산화-환원 반응을 이용하여 전기 에너지를 저장 및 생성한다. 이런 반응 중 황은 환형의 S₈에서 환원 반응에 의해 선형 구조의 리튬 폴리설파이드(Lithium polysulfide, Li₂S_x, x = 8, 6, 4, 2)로 변환되게 되며, 결국 이러한 리튬 폴리설파이드가 완전히 환원되면 최종적으로 리튬 설파이드(Lithium sulfide, Li₂S)가 생성되게 된다. 각각의 리튬 폴리설파이드로 환원되는 과정에 의해 리튬-황 전지의 방전 거동은 리튬 이온전지와는 달리 단계적으로 방전 전압을 나타내는 것이 특징이다.During the discharging reaction of a lithium-sulfur battery, an oxidation reaction of lithium occurs at the anode, and a reduction reaction of sulfur occurs at the cathode. Sulfur before discharging has a cyclic S ₈ structure. During the reduction reaction (discharge), the oxidation number of S decreases as the SS bond is broken, and during the oxidation reaction (charge), the oxidation number of S increases as the SS bond is re-formed. Reduction reactions are used to store and generate electrical energy. During this reaction, sulfur _{is converted from cyclic S 8} into a linear lithium polysulfide (Lithium polysulfide, Li ₂ S _x , x = 8, 6, 4, 2) by a reduction reaction, and eventually this lithium polysulfide is completely When reduced, lithium sulfide (Li ₂ S) is finally produced. The discharge behavior of the lithium-sulfur battery by the process of reduction to each lithium polysulfide is characterized in that it shows the discharge voltage in stages, unlike the lithium ion battery.

그러나 이러한 리튬-황 전지의 경우, 황의 낮은 전기 전도도, 충방전시 리튬 폴리설파이드의 용출 및 부피 팽창 문제와 이로 인한 낮은 쿨롱 효율 및 충방전에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결해야 한다.However, in the case of such a lithium-sulfur battery, it is necessary to solve the problems of low electrical conductivity of sulfur, elution and volume expansion of lithium polysulfide during charging and discharging, low coulombic efficiency, and rapid capacity reduction due to charging and discharging.

이러한 리튬 황 전지 시스템에서, 리튬 황 전지는 이론 용량이 매우 높으나, 부도체의 황의 사용 및 도전성의 문제로 인하여 이론 용량을 충분히 낼 수 없다는 문제가 발생하였으며, 충방전 C-rate 가 높아질 수록 반응성이 떨어지는 문제점이 발생하였다. 이에 따라서, S/CNT 복합체 내/외부에 반응성을 높여 줄 수 있는 유기막을 코팅하여 반응성 향상 및 고율 충/방전시 반응성 감소를 줄여 줄 수 있는 소재가 필요하다는 인식이 있었다. 그러나 일반적인 폴리머를 코팅시키게 되면 과전압이 발생하고, 또 반응성이 줄어드는 문제가 있었다. In this lithium-sulfur battery system, the lithium-sulfur battery has a very high theoretical capacity, but there was a problem that the theoretical capacity could not be sufficiently produced due to the use of sulfur as an insulator and problems of conductivity. A problem occurred. Accordingly, there was a recognition that there was a need for a material capable of improving reactivity and reducing reactivity reduction during high-rate charge/discharge by coating an organic film capable of increasing reactivity inside/outside the S/CNT composite. However, when a general polymer is coated, there is a problem that overvoltage occurs and the reactivity decreases.

따라서, 과전압 발생을 줄이며, 내부 반응성을 높여 줄 수 있는 소재를 코팅할 수 있는 방법을 도입하는 것이 필요한 실정이다.Therefore, it is necessary to introduce a method for coating a material capable of reducing the occurrence of overvoltage and increasing the internal reactivity.

일본 공개 특허 제2014-139914호 "리튬이온 2차전지용 음극재, 리튬이온 2차전지용 음극 및 리튬이온 2차전지"Japanese Laid-Open Patent No. 2014-139914 "Anode material for lithium ion secondary battery, negative electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery"

본 발명자들은 다각적인 연구를 수행한 끝에, 리튬을 다량 포함하는 폴리머를 복합체 내/외부에 코팅하여 반응성이 향상시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 즉, 리튬을 다량 포함(Lithium Rich)하는 폴리머를 용매에 녹여 복합체에 적정한 농도로 코팅시킴으로써, 과전압 발생을 최소화 하며 반응성을 높일 수 있는 방법을 확인하였다. 이에, 본 발명에서는 복합체 내/외부에 고른 코팅을 위해 휘발성이 높은 THF or EtOH와 같은 용매 및 Di-water 용매를 사용하여 리튬을 다량 포함(Lithium Rich)하는 폴리머를 복합체에 코팅할 수 있다는 사실을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.After conducting various studies, the present inventors confirmed that the reactivity can be improved by coating a polymer containing a large amount of lithium inside/outside the composite. That is, by dissolving a lithium-rich polymer in a solvent and coating the composite with an appropriate concentration, a method was confirmed to minimize the occurrence of overvoltage and increase the reactivity. Therefore, in the present invention, the fact that a polymer containing a large amount of lithium (Lithium Rich) can be coated on the composite by using a solvent such as THF or EtOH with high volatility and a di-water solvent for uniform coating inside/outside of the composite It was confirmed that the present invention was completed.

따라서, 본 발명의 목적은, 과전압 발생을 줄이고, 내부 반응성을 높여 줄 수 있는 물질이 코팅된 황-탄소 복합체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a sulfur-carbon composite coated with a material capable of reducing the occurrence of overvoltage and increasing internal reactivity, and a method for manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다공성 탄소재; 및 상기 다공성 탄소재의 내부 및 표면 중 적어도 일부에 황을 포함하는 황-탄소 복합체에 있어서, 상기 다공성 탄소재의 내부 및 외부 표면은 리튬 이온을 포함하는 폴리머로 코팅된, 황-탄소 복합체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a porous carbon material; And in the sulfur-carbon composite comprising sulfur on at least a portion of the inner and surface of the porous carbon material, the inner and outer surfaces of the porous carbon material are coated with a polymer containing lithium ions, sulfur-carbon composite provided do.

또한, 본 발명은 (a) 황과 다공성 탄소재를 혼합한 후, 열처리하여 다공성 탄소재에 황을 담지시켜 황-탄소 복합체를 제조하는 단계; (b) 리튬 이온을 포함하는 폴리머를 물에 혼합한 후, 다시 휘발성 용매와 혼합하여 코팅용 조성물을 제조하는 단계; (c) 상기 (a) 단계의 황-탄소 복합체와 상기 (b) 단계의 코팅용 조성물을 혼합한 후, 교반하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계에서 교반된 황-탄소 복합체를 70 내지 150 ℃에서 15분 내지 1시간 동안 건조하는 단계; 를 포함하는 황-탄소 복합체의 제조방법 을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of: (a) mixing sulfur and a porous carbon material, followed by heat treatment to support sulfur on the porous carbon material to prepare a sulfur-carbon composite; (b) mixing a polymer containing lithium ions with water and then mixing with a volatile solvent again to prepare a coating composition; (c) mixing the sulfur-carbon composite of step (a) and the coating composition of step (b), followed by stirring; and (d) drying the sulfur-carbon composite stirred in step (c) at 70 to 150° C. for 15 minutes to 1 hour; It provides a method for producing a sulfur-carbon composite comprising a.

또한, 본 발명은 상기 황-탄소 복합체를 포함하는, 리튬-황 전지용 양극을 제공한다.In addition, the present invention provides a positive electrode for a lithium-sulfur battery comprising the sulfur-carbon composite.

또한, 본 발명은 상기 양극; 음극; 및 전해질;을 포함하는 리튬-황 전지를 제공한다.In addition, the present invention is the positive electrode; cathode; and an electrolyte; and a lithium-sulfur battery comprising a.

본 발명에 따르면, 반응성 향상 및 고율 충/방전시 반응성이 감소되는 문제를 방지하면서도, 종래 기술에서 사용하는 코팅 소재들과 달리 과전압 발생을 줄이고, 내부 반응성을 높여 줄 수 있다는 효과가 있다.According to the present invention, there is an effect of reducing the occurrence of overvoltage and increasing the internal reactivity, unlike coating materials used in the prior art, while improving the reactivity and preventing the problem of reduced reactivity during high-rate charge/discharge.

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예의 황-탄소 복합체로 제조된 리튬-황 전지의 방전용량 및 수명 특성을 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예 및 비교예의 황-탄소 복합체로 제조된 리튬-황 전지의 방전용량 및 수명 특성을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예 및 비교예의 황-탄소 복합체로 제조된 리튬-황 전지의 초기 방전 profile을 보여주는 그래프이다.1 is a graph showing the discharge capacity and lifespan characteristics of lithium-sulfur batteries prepared from sulfur-carbon composites of Examples and Comparative Examples of the present invention.
2 is a graph showing the discharge capacity and lifespan characteristics of the lithium-sulfur battery prepared with the sulfur-carbon composite of another Example and Comparative Example of the present invention.
3 is a graph showing an initial discharge profile of a lithium-sulfur battery prepared with a sulfur-carbon composite of another Example and Comparative Example of the present invention.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 한정되지 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in several different forms, and is not limited thereto.

도면에서는 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였고, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 사용하였다. 또한, 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 실제 축척과는 무관하며, 설명의 명료성을 위해 축소되거나 과장된 것일 수 있다.In the drawings, in order to clearly explain the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are used for similar parts throughout the specification. In addition, sizes and relative sizes of components shown in the drawings are independent of actual scale, and may be reduced or exaggerated for clarity of description.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best describe his invention. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is.

본 명세서에서 사용되고 있는 용어 “복합체(composite)”란 두 가지 이상의 재료가 조합되어 물리적·화학적으로 서로 다른 상(phase)를 형성하면서 보다 유효한 기능을 발현하는 물질을 의미한다.As used herein, the term “composite” refers to a material in which two or more materials are combined to form different phases physically and chemically while exhibiting more effective functions.

리튬-황 전지는 양극 활물질로 황을, 음극 활물질로 리튬 금속을 사용한다. 리튬-황 전지의 방전시 음극에서는 리튬의 산화 반응이 일어나고, 양극에서는 황의 환원 반응이 발생한다. 이때 환원된 황은 음극으로부터 이동되어 온 리튬 이온과 결합하여 리튬 폴리설파이드로 변환되고 최종적으로 리튬 설파이드를 형성하는 반응을 수반한다.A lithium-sulfur battery uses sulfur as a positive electrode active material and lithium metal as an anode active material. During discharging of a lithium-sulfur battery, an oxidation reaction of lithium occurs at the negative electrode and a reduction reaction of sulfur occurs at the positive electrode. At this time, the reduced sulfur is combined with lithium ions moved from the negative electrode to be converted into lithium polysulfide and finally accompanied by a reaction to form lithium sulfide.

리튬-황 전지는 기존의 리튬 이차 전지에 비해 월등히 높은 이론 에너지 밀도를 가지며, 양극 활물질로 사용되는 황은 자원이 풍부하여 가격이 저렴하므로 전지의 제조단가를 낮출 수 있다는 장점으로 인해 차세대 전지로 각광받고 있다.Lithium-sulfur batteries have a significantly higher theoretical energy density than conventional lithium secondary batteries, and sulfur used as a positive electrode active material is abundant in resources and is inexpensive, so it is in the spotlight as a next-generation battery due to the advantage of lowering the manufacturing cost of the battery. have.

이러한 장점에도 불구하고 양극 활물질인 황의 낮은 전기 전도도 및 리튬 이온 전도 특성으로 인해 실제 구동에 있어서는 이론적 에너지 밀도 전부를 구현하는데 어려움이 있다.Despite these advantages, it is difficult to realize all of the theoretical energy density in actual operation due to the low electrical conductivity and lithium ion conductivity of sulfur, which is a positive electrode active material.

황의 전기 전도도를 개선하기 위해 탄소, 고분자 등 전도성 소재와의 복합체 형성, 코팅 등의 방법이 사용되고 있다. 여러 방법 중 황-탄소 복합체가 양극의 전기 전도성을 개선에 효과적이기 때문에 양극 활물질로 가장 많이 사용되고 있지만, 충방전 용량 및 효율 측면에서는 아직 충분치 않다. 리튬-황 전지의 용량과 효율은 양극으로 전달되는 리튬 이온의 양에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 황-탄소 복합체 내부로 리튬 이온의 전달이 용이하게 하는 것이 전지의 고용량 및 고효율화에 중요하다.In order to improve the electrical conductivity of sulfur, methods such as composite formation with conductive materials such as carbon and polymer, and coating are used. Among various methods, the sulfur-carbon composite is most used as a positive electrode active material because it is effective in improving the electrical conductivity of the positive electrode, but it is not yet sufficient in terms of charge/discharge capacity and efficiency. The capacity and efficiency of a lithium-sulfur battery may vary depending on the amount of lithium ions delivered to the positive electrode. Therefore, facilitating the transfer of lithium ions into the sulfur-carbon composite is important for high capacity and high efficiency of the battery.

황-탄소 복합체Sulfur-Carbon Complex

이에 본 발명에서는 황-탄소 복합체와 전해액과의 반응성 및 리튬-황 전지의 용량 및 효율 특성 개선 효과를 확보하기 위해, 상기 다공성 탄소재의 내부 및 외부 표면은 리튬 이온을 포함하는 폴리머로 코팅된 황-탄소 복합체를 제공한다.Accordingly, in the present invention, in order to secure the effect of improving the reactivity between the sulfur-carbon composite and the electrolyte and the capacity and efficiency characteristics of the lithium-sulfur battery, the inner and outer surfaces of the porous carbon material are sulfur coated with a polymer containing lithium ions. -Provides a carbon complex.

본 발명의 황-탄소 복합체는, 다공성 탄소재; 및 상기 다공성 탄소재의 내부 및 표면 중 적어도 일부에 황을 포함한다. The sulfur-carbon composite of the present invention includes a porous carbon material; and sulfur in at least a portion of the inside and the surface of the porous carbon material.

상기 다공성 탄소재는 양극 활물질인 황이 균일하고 안정적으로 고정화될 수 있는 골격을 제공하고 황의 전기 전도도를 보완하여 전기화학 반응이 원활하게 진행될 수 있도록 한다.The porous carbon material provides a skeleton in which sulfur, which is a positive electrode active material, can be uniformly and stably immobilized, and supplements the electrical conductivity of sulfur so that the electrochemical reaction can proceed smoothly.

상기 다공성 탄소재는 일반적으로 다양한 탄소 재질의 전구체를 탄화시킴으로써 제조될 수 있다. 상기 다공성 탄소재는 내부에 일정하지 않은 기공을 포함하며 상기 기공의 평균 직경은 1 내지 200 ㎚ 범위이며, 기공도 또는 공극률은 다공성 전체 체적의 10 내지 90 % 범위일 수 있다. 만일 상기 기공의 평균 직경이 상기 범위 미만인 경우 기공 크기가 분자 수준에 불과하여 황의 함침이 불가능하며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 다공성 탄소의 기계적 강도가 약화되어 전극의 제조공정에 적용하기에 바람직하지 않다.The porous carbon material may be generally prepared by carbonizing precursors of various carbon materials. The porous carbon material includes non-uniform pores therein, and the average diameter of the pores is in the range of 1 to 200 nm, and the porosity or porosity may be in the range of 10 to 90% of the total porous volume. If the average diameter of the pores is less than the above range, impregnation of sulfur is impossible because the pore size is only at the molecular level. don't

상기 다공성 탄소재의 형태는 구형, 봉형, 침상형, 판상형, 튜브형 또는 벌크형으로 리튬-황 전지에 통상적으로 사용되는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다.The shape of the porous carbon material is spherical, rod-shaped, needle-shaped, plate-shaped, tube-shaped or bulk-shaped, as long as it is conventionally used in lithium-sulfur batteries, and may be used without limitation.

상기 다공성 탄소재는 다공성 구조이거나 비표면적이 높은 것으로 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이든 무방하다. 예를 들어, 상기 다공성 탄소재로는 그래파이트(graphite); 그래핀(graphene); 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본 블랙; 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 등의 탄소나노튜브(CNT); 그라파이트 나노파이버(GNF), 카본 나노파이버(CNF), 활성화 탄소 파이버(ACF) 등의 탄소 섬유; 및 활성탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.The porous carbon material may have a porous structure or a high specific surface area, as long as it is commonly used in the art. For example, the porous carbon material may include graphite; graphene; carbon black such as denka black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; carbon nanotubes (CNTs) such as single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs); carbon fibers such as graphite nanofibers (GNF), carbon nanofibers (CNF), and activated carbon fibers (ACF); And it may be at least one selected from the group consisting of activated carbon, but is not limited thereto.

상기 황은 무기 황(S₈), Li₂S_n(n ≥ 1), 유기 황 화합물 및 탄소-황 폴리머[(C₂S_x)_n, x=2.5 내지 50, n ≥ 2]로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 무기 황(S₈)을 사용할 수 있다.The sulfur is from the group consisting of inorganic sulfur (S ₈ ), Li ₂ S _n (n ≥ 1), organic sulfur compounds and carbon-sulfur polymers [(C ₂ S _x ) _n , x=2.5 to 50, n ≥ 2] It may be one or more selected. Preferably, inorganic sulfur (S ₈ ) may be used.

본 발명에 따른 황-탄소 복합체에서 전술한 황과 다공성 탄소재의 중량비는 9:1 내지 5:5, 바람직하게는 8:2 내지 7:3일 수 있다. 만약 상기 중량비 범위 미만인 경우 다공성 탄소재의 함량이 증가함에 따라 양극 슬러리 제조시에 필요한 바인더 첨가량이 늘어난다. 이러한 바인더 첨가량의 증가는 결국 전극의 면저항을 증가시키기게 되고 전자 이동(electron pass)을 막는 절연체 역할을 하게 되어 셀 성능을 저하시킬 수 있다. 반대로 상기 중량비 범위를 초과하는 경우 황이 그들끼리 뭉치게 되고, 전자를 받기 어려워서 전극 반응에 직접적으로 참여하기 어렵게 될 수 있다.In the sulfur-carbon composite according to the present invention, the weight ratio of sulfur to the porous carbon material may be 9:1 to 5:5, preferably 8:2 to 7:3. If the weight ratio is less than the above range, the amount of binder added when preparing the positive electrode slurry increases as the content of the porous carbon material increases. An increase in the amount of the binder added may eventually increase the sheet resistance of the electrode and act as an insulator to prevent electron pass, thereby degrading cell performance. Conversely, when the weight ratio exceeds the above range, sulfur may be agglomerated with each other, and it may be difficult to directly participate in the electrode reaction because it is difficult to receive electrons.

또한, 상기 황은 상기 다공성 탄소재의 기공 내부뿐만 아니라 표면에 위치하며 이때 상기 다공성 탄소재의 외부 전체 표면의 100% 미만, 바람직하게는 1 내지 95 %, 더욱 바람직하게는 60 내지 90 % 영역에 존재할 수 있다. 상기 황이 다공성 탄소재의 표면에 상기 범위 내에 있을 때 전자 전달 면적 및 전해액의 젖음성 면에서 최대 효과를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 상기 범위 영역에서 황이 다공성 탄소재의 표면에 얇고 고르게 함침되므로 충방전 과정에서 전자 전달 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 만약, 상기 황이 다공성 탄소재의 표면의 100% 영역에 위치하는 경우, 상기 다공성 탄소재가 완전히 황으로 덮여 전해액의 젖음성이 떨어지고 전극 내 포함되는 도전재와 접촉성이 떨어져 전자 전달을 받지 못해 반응에 참여할 수 없게 된다.In addition, the sulfur is located on the surface as well as inside the pores of the porous carbon material, and at this time, less than 100%, preferably 1 to 95%, more preferably 60 to 90% of the entire outer surface of the porous carbon material. can When the sulfur is within the above range on the surface of the porous carbon material, the maximum effect may be exhibited in terms of electron transport area and wettability of the electrolyte. Specifically, since sulfur is thinly and evenly impregnated on the surface of the porous carbon material in the above range, the electron transport contact area may be increased in the charge/discharge process. If the sulfur is located in 100% of the surface of the porous carbon material, the porous carbon material is completely covered with sulfur, so the wettability of the electrolyte is poor and the contact with the conductive material included in the electrode is poor, so it cannot receive electron transfer and participate in the reaction. it won't be possible

상기 황-탄소 복합체는 구조체 내 다양한 크기의 기공 및 3차원적으로 상호 연결되며 규칙적으로 정렬된 기공들로 인해 황을 높은 함량으로 담지할 수 있다. 이로 인해 전기화학 반응으로 용해성이 있는 폴리설파이드가 생성되더라도 황-탄소 복합체 내부에 위치할 수 있게 되면, 폴리설파이드 용출 시에도 3차원으로 얽혀 있는 구조가 유지되어 양극 구조가 붕괴되는 현상을 억제시킬 수 있다. 그 결과, 상기 황-탄소 복합체를 포함하는 리튬-황 전지는 고로딩(high loading)에서도 고용량을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 본 발명에 따른 황-탄소 복합체의 황 로딩량은 1 ~ 20 mg/cm²가 될 수 있다.The sulfur-carbon composite may support a high content of sulfur due to pores of various sizes and three-dimensionally interconnected and regularly arranged pores in the structure. Due to this, even if soluble polysulfide is generated by the electrochemical reaction, if it can be located inside the sulfur-carbon composite, the three-dimensional entangled structure is maintained even during polysulfide elution, thereby suppressing the collapse of the anode structure. have. As a result, the lithium-sulfur battery including the sulfur-carbon composite has an advantage that high capacity can be implemented even at high loading. The sulfur loading of the sulfur-carbon composite according to the present invention may be 1 to 20 mg/cm ² .

본 발명의 황-탄소 복합체는 상기 다공성 탄소재의 내부 및 외부 표면에 리튬 이온을 포함하는 폴리머로 코팅된다. The sulfur-carbon composite of the present invention is coated with a polymer containing lithium ions on the inner and outer surfaces of the porous carbon material.

본 발명에서 사용하는 리튬 이온을 포함하는 폴리머는 OH기를 포함하는 폴리머에 리튬이 치환되어 O-Li 형태로 리튬 이온을 포함하는 폴리머라면 특별한 제한이 없으며, 일례로 리튬화 폴리아크릴 산 (lithiated polyarcylic acid) 등을 사용할 수 있다.The lithium ion-containing polymer used in the present invention is not particularly limited as long as lithium is substituted for the OH group-containing polymer and contains lithium ions in the form of O—Li, for example, lithiated polyarcylic acid ) can be used.

상기 리튬 이온을 포함하는 폴리머는 100 내지 50,000의 분자량(Mw)를 가지는 것을 사용할 수 있으며, 상기 리튬 이온을 포함하는 폴리머는 리튬 이온이 OH기에 최대한 많은 리튬이 치환되어 있는 것이 바람직하다. 상기 리튬 이온을 포함하는 폴리머의 분자량이 상기 범위보다 작은 경우, 폴리머에 포함되는 리튬 이온의 양이 적게 되어 전지 제조 시에 전지 성능의 향상이 나타나지 않는 문제점이 있고, 상기 범위보다 큰 경우, 리튬이 너무 많이 포함되어 복합체의 형성이 잘되지 않고, 전지 제조시 과전압이 나타나는 문제점이 있다.As the lithium ion-containing polymer, a polymer having a molecular weight (Mw) of 100 to 50,000 may be used, and in the lithium ion-containing polymer, lithium ions are preferably substituted with as much lithium as possible in OH groups. When the molecular weight of the polymer containing lithium ions is smaller than the above range, the amount of lithium ions contained in the polymer is small, so there is a problem that the battery performance is not improved during battery manufacturing. Since it contains too much, the formation of the complex is not good, and there is a problem in that an overvoltage appears during battery manufacturing.

본 발명에서 사용하는 리튬 이온을 포함하는 폴리머의 함량은 황-탄소 복합체 전체 중량 대비 0.1 내지 10.0 중량%일 수 있으며, 바람직하게는 0.5 내지 5.0 중량%일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1.0 내지 3.0 중량%일 수 있다. 상기 리튬 이온을 포함하는 폴리머의 함량이 0.1 중량% 미만이면 상기 폴리머의 코팅에 따른 효과가 나타나지 않아 전지 제조 시에 전지 성능의 향상이 나타나지 않는 문제점이 있고, 10 중량%를 초과하면 리튬이 너무 많이 포함되어 복합체의 형성이 잘되지 않고, 전지 제조시 과전압이 나타나는 문제점이 있다.The content of the polymer containing lithium ions used in the present invention may be 0.1 to 10.0 wt%, preferably 0.5 to 5.0 wt%, more preferably 1.0 to 3.0 wt%, based on the total weight of the sulfur-carbon composite. It can be %. If the content of the polymer containing lithium ions is less than 0.1% by weight, there is a problem that the effect of the coating of the polymer does not appear, so that the improvement of battery performance does not appear during battery manufacturing, and when it exceeds 10% by weight, lithium is too much There is a problem in that the formation of the complex is not good due to the inclusion, and an overvoltage appears during the manufacturing of the battery.

황-탄소 복합체의 제조방법 및 이를 포함하는 양극의 제조방법Manufacturing method of sulfur-carbon composite and manufacturing method of positive electrode comprising same

본 발명의 황-탄소 복합체는 (a) 황과 다공성 탄소재를 혼합한 후, 열처리하여 다공성 탄소재에 황을 담지시켜 황-탄소 복합체를 제조하는 단계; (b) 리튬 이온을 포함하는 폴리머를 물에 혼합한 후, 다시 휘발성 용매와 혼합하여 코팅용 조성물을 제조하는 단계; (c) 상기 (a) 단계의 황-탄소 복합체와 상기 (b) 단계의 코팅용 조성물을 혼합한 후, 교반하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계에서 교반된 황-탄소 복합체를 70 내지 150 ℃에서 15분 내지 1시간 동안 건조하는 단계;를 통하여 제조된다.The sulfur-carbon composite of the present invention comprises the steps of: (a) mixing sulfur and a porous carbon material, followed by heat treatment to support sulfur on the porous carbon material to prepare a sulfur-carbon composite; (b) mixing a polymer containing lithium ions with water and then mixing with a volatile solvent again to prepare a coating composition; (c) mixing the sulfur-carbon composite of step (a) and the coating composition of step (b), followed by stirring; and (d) drying the sulfur-carbon composite stirred in step (c) at 70 to 150° C. for 15 minutes to 1 hour; it is prepared through.

먼저, 본 발명의 황-탄소 복합체의 제조방법은, 황과 다공성 탄소재를 혼합한 후, 열처리하여 다공성 탄소재에 황을 담지시켜 황-탄소 복합체를 제조하는 (a) 단계를 포함한다.First, the method for producing a sulfur-carbon composite of the present invention includes the step (a) of preparing a sulfur-carbon composite by mixing sulfur and a porous carbon material, followed by heat treatment to support sulfur on the porous carbon material.

상기 (a) 단계에서는 황과 다공성 탄소재를 혼합할 때, 황과 다공성 탄소재의 중량비는 9:1 내지 5:5, 바람직하게는 8:2 내지 7:3일 수 있다. 만약 상기 중량비 범위 미만인 경우 다공성 탄소재의 함량이 증가함에 따라 양극 슬러리 제조시에 필요한 바인더 첨가량이 늘어난다. 이러한 바인더 첨가량의 증가는 결국 전극의 면저항을 증가시키기게 되고 전자 이동(electron pass)을 막는 절연체 역할을 하게 되어 셀 성능을 저하시킬 수 있다. 반대로 상기 중량비 범위를 초과하는 경우 황이 그들끼리 뭉치게 되고, 전자를 받기 어려워서 전극 반응에 직접적으로 참여하기 어렵게 될 수 있다.In step (a), when sulfur and the porous carbon material are mixed, the weight ratio of sulfur and the porous carbon material may be 9:1 to 5:5, preferably 8:2 to 7:3. If the weight ratio is less than the above range, the amount of binder added when preparing the positive electrode slurry increases as the content of the porous carbon material increases. An increase in the amount of the binder added may eventually increase the sheet resistance of the electrode and act as an insulator to prevent electron pass, thereby degrading cell performance. Conversely, when the weight ratio exceeds the above range, sulfur may be agglomerated with each other, and it may be difficult to directly participate in the electrode reaction because it is difficult to receive electrons.

상기 (a) 단계에서 사용되는 상기 황과 다공성 탄소재의 특징은 앞서 살펴본 내용과 동일하다.The characteristics of the sulfur and the porous carbon material used in step (a) are the same as described above.

상기 (a) 단계에서 혼합된 황과 다공성 탄소재에 열처리하여 다공성 탄소재에 황을 담지시켜 황-탄소 복합체를 제조할 때, 당업계에서 사용하는 일반적인 열처리 방법을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 용융 확산(melt diffusion)을 통하여 열처리를 할 수 있다.When the sulfur and the porous carbon material mixed in step (a) are heat-treated to support sulfur on the porous carbon material to prepare a sulfur-carbon composite, a general heat treatment method used in the art may be used, preferably molten Heat treatment may be performed through melt diffusion.

다음으로, 본 발명의 황-탄소 복합체의 제조방법은, 리튬 이온을 포함하는 폴리머를 물에 혼합한 후, 다시 휘발성 용매와 혼합하여 코팅용 조성물을 제조하는 (b) 단계를 포함한다.Next, the method for producing the sulfur-carbon composite of the present invention includes the step (b) of preparing a coating composition by mixing a polymer containing lithium ions with water and then mixing with a volatile solvent again.

리튬 이온을 포함하는 폴리머를 복합체에 코팅시키기 위하여, 휘발성이 높은 에탄올이나 THF와 같은 휘발성 용매를 리튬 이온을 포함하는 폴리머와 혼합한 코팅용 조성물을 제조한다. In order to coat the polymer containing lithium ions on the composite, a coating composition in which a volatile solvent such as ethanol or THF with high volatility is mixed with a polymer containing lithium ions is prepared.

상기 (b) 단계에서 사용되는 상기 리튬 이온을 포함하는 폴리머의 특징은 앞서 살펴본 내용과 동일하다.The characteristics of the polymer containing lithium ions used in step (b) are the same as described above.

다음으로, 본 발명의 황-탄소 복합체의 제조방법은, 상기 (a) 단계의 황-탄소 복합체와 상기 (b) 단계의 코팅용 조성물을 혼합한 후, 교반하는 (c) 단계를 포함한다. Next, the method for producing the sulfur-carbon composite of the present invention includes the step (c) of mixing the sulfur-carbon composite of step (a) and the coating composition of step (b), followed by stirring.

다음으로, 본 발명의 황-탄소 복합체의 제조방법은, 상기 (c) 단계에서 교반된 황-탄소 복합체를 70 내지 150 ℃에서 15분 내지 1시간 동안 건조하는 (d) 단계를 포함한다.Next, the method for producing the sulfur-carbon composite of the present invention includes (d) drying the sulfur-carbon composite stirred in step (c) at 70 to 150° C. for 15 minutes to 1 hour.

상기 황-탄소 복합체의 건조 온도 및 건조 시간이 상기 범위를 만족하는 경우, 휘발성 용매가 충분히 휘발되어 리튬 이온을 포함하는 폴리머가 복합체 내에 균일하게 코팅될 수 있다.When the drying temperature and drying time of the sulfur-carbon composite satisfy the above ranges, the volatile solvent is sufficiently volatilized so that the polymer including lithium ions can be uniformly coated in the composite.

리튬-황 전지용 양극Positive electrode for lithium-sulfur batteries

본 발명에서 제시하는 황-탄소 복합체는 리튬-황 전지의 양극 활물질로서 바람직하게 사용이 가능하다. The sulfur-carbon composite presented in the present invention can be preferably used as a cathode active material of a lithium-sulfur battery.

상기 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질층 형성용 조성물을 도포 및 건조하여 제작된다. The positive electrode is manufactured by coating and drying a composition for forming a positive electrode active material layer on a positive electrode current collector.

구체적으로 상기 제조된 황-탄소 복합체에 추가적인 도전성을 부여하기 위하여, 상기 양극 조성물에는 도전재가 추가될 수 있다. 상기 도전재는 전자가 양극 내에서 원활하게 이동하도록 하기 위한 역할을 하는 것으로, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성이 우수하고 넓은 표면적을 제공할 수 있는 것이면 특별한 제한이 없으나, 바람직하게는 탄소계 물질을 사용한다.Specifically, in order to impart additional conductivity to the prepared sulfur-carbon composite, a conductive material may be added to the positive electrode composition. The conductive material serves to allow electrons to smoothly move within the positive electrode, and there is no particular limitation as long as it has excellent conductivity and can provide a large surface area without causing chemical change in the battery, but is preferably carbon-based. use material.

상기 탄소계 물질로는 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 그래핀(Graphene)과 같은 흑연(Graphite)계, 활성탄(Active carbon)계, 채널 블랙(Channel black), 퍼니스 블랙(Furnace black), 써말 블랙(Thermal black), 컨택트 블랙(Contact black), 램프 블랙(Lamp black), 아세틸렌 블랙(Acetylene black)과 같은 카본 블랙(Carbon black)계; 탄소 섬유(Carbon fiber)계, 탄소나노튜브(Carbon nanotube: CNT), 풀러렌(Fullerene)과 같은 탄소 나노 구조체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 사용할 수 있다. As the carbon-based material, natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, graphite such as graphene, active carbon, channel black, furnace black, thermal Carbon black such as black (Thermal black), contact black (Contact black), lamp black (Lamp black), acetylene black (Acetylene black); One selected from the group consisting of carbon nanostructures such as carbon fiber, carbon nanotube (CNT), fullerene, and combinations thereof may be used.

상기 탄소계 물질 이외에도, 목적에 따라 금속 메쉬 등의 금속성 섬유; 구리(Cu), 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 등의 금속성 분말; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 유기 도전성 재료도 사용할 수 있다. 상기 도전성 재료들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다. In addition to the carbon-based material, metallic fibers such as metal mesh according to the purpose; metallic powders such as copper (Cu), silver (Ag), nickel (Ni), and aluminum (Al); Alternatively, an organic conductive material such as a polyphenylene derivative can also be used. The conductive materials may be used alone or in combination.

또한 상기 양극 활물질에 집전체에 대한 부착력을 제공하기 위하여, 상기 양극 조성물에는 바인더가 추가적으로 포함될 수 있다. 상기 바인더는 용매에 잘 용해되어야 하며, 양극 활물질과 도전재와의 도전 네트워크를 잘 구성해주어야 할 뿐만 아니라 전해액의 함침성도 적당히 가져야 한다.In addition, in order to provide the positive electrode active material with adhesion to the current collector, a binder may be additionally included in the positive electrode composition. The binder should be well soluble in a solvent, and should not only form a conductive network between the positive electrode active material and the conductive material, but also have adequate impregnation property of the electrolyte.

본 발명에 적용 가능한 바인더는 당해 업계에서 공지된 모든 바인더들일 수 있고, 구체적으로는, 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVdF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는 불소 수지계 바인더; 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부티디엔 고무, 스티렌-이소프렌 고무를 포함하는 고무계 바인더; 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈를 포함하는 셀룰로오스계 바인더; 폴리 알코올계 바인더; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌를 포함하는 폴리 올레핀계 바인더; 폴리 이미드계 바인더, 폴리 에스테르계 바인더, 실란계 바인더;로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물이거나 공중합체일 수 있으나, 이에 제한되지 않음은 물론이다.The binder applicable to the present invention may be all binders known in the art, and specifically, a fluororesin binder including polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE). ; a rubber-based binder including a styrene-butadiene rubber, an acrylonitrile-butydiene rubber, and a styrene-isoprene rubber; Cellulose binders including carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, and regenerated cellulose; polyalcohol-based binders; Polyolefin-based binders including polyethylene and polypropylene; It may be one selected from the group consisting of a polyimide-based binder, a polyester-based binder, and a silane-based binder, or a mixture of two or more, or a copolymer, but is not limited thereto.

상기 바인더 수지의 함량은 상기 리튬-황 전지용 양극 총중량을 기준으로 0.5 ~ 30 중량%일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 상기 바인더 수지의 함량이 0.5 중량% 미만인 경우에는, 양극의 물리적 성질이 저하되어 양극 활물질과 도전재가 탈락할 수 있고, 30 중량%를 초과하는 경우에는 양극에서 활물질과 도전재의 비율이 상대적으로 감소되어 전지 용량이 감소될 수 있다.The content of the binder resin may be 0.5 to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode for a lithium-sulfur battery, but is not limited thereto. If the content of the binder resin is less than 0.5% by weight, the physical properties of the positive electrode may be lowered, and the positive electrode active material and the conductive material may fall off, and if it exceeds 30% by weight, the ratio of the active material and the conductive material in the positive electrode is relatively reduced The battery capacity may be reduced.

리튬-황 전지용 양극 조성물을 슬러리 상태로 제조하기 위한 용매는 건조가 용이해야하며, 바인더를 잘 용해시킬 수 있되, 양극 활물질 및 도전재는 용해시키지 않고 분산 상태로 유지시킬 수 있는 것이 가장 바람직하다. 용매가 양극 활물질을 용해시킬 경우에는 슬러리에서 황의 비중(D = 2.07)이 높기 때문에 황이 슬러리에서 가라앉게 되어 코팅시 집전체에 황이 몰려 도전 네트워크에 문제가 생겨 전지의 작동에 문제가 발생하는 경향이 있다.The solvent for preparing the cathode composition for a lithium-sulfur battery in a slurry state should be easy to dry and can dissolve the binder well, but the cathode active material and the conductive material are most preferably maintained in a dispersed state without dissolving. When the solvent dissolves the positive active material, the sulfur in the slurry has a high specific gravity (D = 2.07), so sulfur sinks in the slurry, causing sulfur to collect on the current collector during coating, causing problems in the conductive network and causing problems in battery operation. have.

본 발명에 따른 용매는 물 또는 유기 용매가 가능하며, 상기 유기 용매는 디메틸포름아미드, 이소프로필알콜, 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 유기 용매가 적용 가능하다.The solvent according to the present invention may be water or an organic solvent, and the organic solvent is an organic solvent including at least one selected from the group consisting of dimethylformamide, isopropyl alcohol, acetonitrile, methanol, ethanol, and tetrahydrofuran. possible.

상기 양극 조성물의 혼합은 통상의 혼합기, 예컨대 레이트스 믹서, 고속 전단 믹서, 호모 믹서 등을 이용하여 통상의 방법으로 교반할 수 있다.The positive electrode composition may be mixed in a conventional manner using a conventional mixer, such as a rate mixer, a high-speed shear mixer, a homo mixer, or the like.

상기 양극 조성물을 집전체에 도포하고, 진공 건조하여 리튬-황 전지용 양극을 형성할 수 있다. 상기 슬러리는 슬러리의 점도 및 형성하고자 하는 양극의 두께에 따라 적절한 두께로 집전체에 코팅할 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 300 ㎛ 범위 내에서 적절히 선택할 수 있다.The positive electrode composition may be applied to a current collector and vacuum dried to form a positive electrode for a lithium-sulfur battery. The slurry may be coated on the current collector to an appropriate thickness according to the viscosity of the slurry and the thickness of the positive electrode to be formed, and may be appropriately selected within the range of preferably 10 to 300 μm.

이때 상기 슬러리를 코팅하는 방법으로 그 제한은 없으며, 예컨대, 닥터 블레이드 코팅(Doctor blade coating), 딥 코팅(Dip coating), 그라비어 코팅(Gravure coating), 슬릿 다이 코팅(Slit die coating), 스핀 코팅(Spin coating), 콤마 코팅(Comma coating), 바 코팅(Bar coating), 리버스 롤 코팅(Reverse roll coating), 스크린 코팅(Screen coating), 캡 코팅(Cap coating) 방법 등을 수행하여 제조할 수 있다.At this time, the method of coating the slurry is not limited thereto, and for example, doctor blade coating, dip coating, gravure coating, slit die coating, spin coating ( spin coating), comma coating, bar coating, reverse roll coating, screen coating, cap coating, and the like.

상기 양극 집전체로는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들 수 있고, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특히 제한하지 않는다. 예컨대 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 티타늄 등의 전도성 금속을 사용할 수 있고, 바람직하게는 알루미늄 집전체를 사용할 수 있다. 이러한 양극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체 또는 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The positive electrode current collector may be generally made to have a thickness of 3 to 500 μm, and is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery. For example, a conductive metal such as stainless steel, aluminum, copper, or titanium may be used, and preferably an aluminum current collector may be used. The positive electrode current collector may have various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam body, or a non-woven body.

리튬-황 전지Lithium-sulfur battery

본 발명의 일 실시예로서, 리튬-황 전지는 상술한 리튬-황 전지용 양극; 음극 활물질로서 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함하는 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 상기 음극, 양극 및 분리막에 함침되어 있으며, 리튬염과 유기용매를 포함하는 전해질을 포함할 수 있다.As an embodiment of the present invention, the lithium-sulfur battery includes the above-described lithium-sulfur battery positive electrode; a negative electrode comprising lithium metal or a lithium alloy as an anode active material; a separator interposed between the anode and the cathode; and an electrolyte impregnated in the negative electrode, the positive electrode and the separator, and containing a lithium salt and an organic solvent.

상기 음극은 음극 활물질로서 리튬 이온(Li⁺)을 가역적으로 인터칼레이션(Intercalation) 또는 디인터칼레이션(Deintercalation)할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 사용할 수 있다. 상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션할 수 있는 물질은 예컨대 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질은 예를 들어, 산화주석, 티타늄나이트레이트 또는 실리콘일 수 있다. 상기 리튬 합금은 예를 들어, 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al 및 Sn으로 이루어지는 군에서 선택되는 금속의 합금일 수 있다. The negative electrode is a material capable ^{of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions (Li +} ) as an anode active material, and a material capable of reversibly forming a lithium-containing compound by reacting with lithium ions , lithium metal or lithium alloy may be used. The material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions may be, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof. The material capable of reversibly forming a lithium-containing compound by reacting with the lithium ions may be, for example, tin oxide, titanium nitrate, or silicon. The lithium alloy may be, for example, an alloy of lithium and a metal selected from the group consisting of Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al, and Sn.

또한, 리튬-황 전지를 충·방전하는 과정에서, 양극 활물질로 사용되는 황이 비활성 물질로 변화되어, 리튬 음극 표면에 부착될 수 있다. 이와 같이 비활성 황(Inactive sulfur)은 황이 여러 가지 전기화학적 또는 화학적 반응을 거쳐 양극의 전기화학 반응에 더 이상 참여할 수 없는 상태의 황을 의미하며, 리튬 음극 표면에 형성된 비활성 황은 리튬 음극의 보호막(Protective layer)으로서 역할을 하는 장점도 있다. 따라서, 리튬 금속과 이 리튬 금속 위에 형성된 비활성 황, 예를 들어 리튬 설파이드를 음극으로 사용할 수도 있다.In addition, in the process of charging and discharging a lithium-sulfur battery, sulfur used as a positive electrode active material may be changed to an inactive material and may be attached to the surface of the lithium negative electrode. As such, inactive sulfur refers to sulfur in a state in which sulfur can no longer participate in the electrochemical reaction of the positive electrode through various electrochemical or chemical reactions. There is also the advantage of acting as a layer). Accordingly, it is also possible to use lithium metal and an inert sulfur formed on the lithium metal, for example lithium sulfide, as the negative electrode.

본 발명의 음극은 상기 음극 활물질 이외에 리튬 이온 전도성 물질로 이루어진 전처리층 및 상기 전처리층 상에 형성된 리튬 금속 보호층을 추가적으로 더 포함할 수 있다.The negative electrode of the present invention may further include a pretreatment layer made of a lithium ion conductive material and a lithium metal protective layer formed on the pretreatment layer in addition to the negative electrode active material.

상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막은 양극과 음극을 서로 분리 또는 절연시키고, 양극과 음극 사이에 리튬 이온의 수송을 가능하게 하는 것으로 다공성 비전도성 또는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 분리막은 높은 이온 투과도 및 기계적 강도를 가지는 절연체로서 얇은 박막 또는 필름과 같은 독립적인 부재일 수도 있고, 양극 및/또는 음극에 부가된 코팅층일 수도 있다. 또한 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.The separator interposed between the positive electrode and the negative electrode separates or insulates the positive electrode and the negative electrode from each other, and enables the transport of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode, and may be made of a porous non-conductive or insulating material. The separator may be an independent member such as a thin film or film as an insulator having high ion permeability and mechanical strength, or may be a coating layer added to the anode and/or cathode. In addition, when a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.

상기 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이 바람직하며, 이러한 분리막으로는, 유리 전해질(Glass electrolyte), 고분자 전해질 또는 세라믹 전해질 등이 사용될 수 있다. 예컨대 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머, 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포, 크라프트지 등이 사용된다. 현재 시판중인 대표적인 예로는 셀가드 계열(Celgard^R 2400, 2300 Hoechest Celanese Corp. 제품), 폴리프로필렌 분리막(Ube Industries Ltd. 제품 또는 Pall RAI사 제품), 폴리에틸렌 계열(Tonen 또는 Entek) 등이 있다.The pore diameter of the separator is generally 0.01 to 10 μm, and the thickness is generally preferably 5 to 300 μm, and as such a separator, a glass electrolyte, a polymer electrolyte, or a ceramic electrolyte may be used. For example, a sheet, nonwoven fabric, kraft paper, etc. made of an olefin-based polymer such as chemical-resistant and hydrophobic polypropylene, glass fiber, or polyethylene is used. Representative examples currently on the market include Celgard series (Celgard ^R 2400, 2300 manufactured by Hoechest Celanese Corp.), polypropylene separator (manufactured by Ube Industries Ltd. or Pall RAI), and polyethylene series (Tonen or Entek).

고체 상태의 전해질 분리막은 약 20 중량% 미만의 비수성 유기 용매를 포함할 수도 있으며, 이 경우에는 유기 용매의 유동성을 줄이기 위하여 적절한 겔 형성 화합물(Gelling agent)을 더 포함할 수도 있다. 이러한 겔 형성 화합물의 대표적인 예로는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐리덴플루라이드, 폴리아크릴로니트릴 등을 들 수 있다.The solid electrolyte separator may contain less than about 20% by weight of the non-aqueous organic solvent, and in this case, an appropriate gelling agent may be further included to reduce the fluidity of the organic solvent. Representative examples of such a gel-forming compound include polyethylene oxide, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, and the like.

상기 음극, 양극 및 분리막에 함침되어 있는 전해질은 리튬염을 함유하는 비수계 전해질로서 리튬염과 전해액으로 구성되어 있으며, 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질 및 무기 고체 전해질 등이 사용된다.The electrolyte impregnated in the negative electrode, the positive electrode and the separator is a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, and is composed of a lithium salt and an electrolyte. As the electrolyte, a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, and an inorganic solid electrolyte are used.

본 발명의 리튬염은 비수계 유기용매에 용해되기 좋은 물질로서, 예컨대, LiSCN, LiCl, LiBr, LiI, LiPF₆, LiBF₄, LiSbF₆, LiAsF₆, LiB₁₀Cl₁₀, LiCH₃SO₃, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiClO₄, LiAlCl₄, Li(Ph)₄, LiC(CF₃SO₂)₃, LiN(FSO₂)₂, LiN(CF₃SO₂)₂, LiN(C₂F₅SO₂)₂, LiN(SFO₂)₂, LiN(CF₃CF₂SO₂)₂, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 리튬 이미드 및 LitFSI, LiFSI 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 하나 이상이 포함될 수 있다.The lithium salt of the present invention is a material readily soluble in a non-aqueous organic solvent, for example, LiSCN, LiCl, LiBr, LiI, LiPF ₆ , LiBF ₄ , LiSbF ₆ , LiAsF ₆ , LiB ₁₀ Cl ₁₀ , LiCH ₃ SO ₃ , LiCF ₃ SO ₃ , LiCF ₃ CO ₂ , LiClO ₄ , LiAlCl ₄ , Li(Ph) ₄ , LiC(CF ₃ SO ₂ ) ₃ , LiN(FSO ₂ ) ₂ , LiN(CF ₃ SO ₂ ) ₂ , LiN(C _{2 )} F ₅ SO ₂ ) ₂ , LiN(SFO ₂ ) ₂ , LiN(CF ₃ CF ₂ SO ₂ ) ₂ , lithium chloroborane, lithium lower aliphatic carboxylate, lithium tetraphenyl borate, lithium imide and LitFSI, LiFSI and combinations thereof One or more may be included from the group consisting of.

상기 리튬염의 농도는, 전해질 혼합물의 정확한 조성, 염의 용해도, 용해된 염의 전도성, 전지의 충전 및 방전 조건, 작업 온도 및 리튬 배터리 분야에 공지된 다른 요인과 같은 여러 요인에 따라, 0.2 ~ 2 M, 구체적으로 0.6 ~ 2 M, 더욱 구체적으로 0.7 ~ 1.7 M일 수 있다. 0.2 M 미만으로 사용하면 전해질의 전도도가 낮아져서 전해질 성능이 저하될 수 있고, 2 M을 초과하여 사용하면 전해질의 점도가 증가하여 리튬 이온(Li⁺)의 이동성이 감소될 수 있다.The concentration of the lithium salt varies from 0.2 to 2 M, depending on several factors such as the exact composition of the electrolyte mixture, the solubility of the salt, the conductivity of the dissolved salt, the charging and discharging conditions of the battery, the operating temperature and other factors known in the art of lithium batteries, Specifically, it may be 0.6 to 2 M, more specifically 0.7 to 1.7 M. If the amount is less than 0.2 M, the conductivity of the electrolyte may be lowered and the electrolyte performance may be deteriorated, and if used in excess of 2 M, the viscosity of the electrolyte may increase and ^{the mobility of lithium ions (Li +} ) may be reduced.

상기 비수계 유기용매는 리튬염을 잘 용해시켜야 하며, 본 발명의 비수계 유기용매로는, 예컨대, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부티로락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소란, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소란, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소란 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있으며, 상기 유기 용매는 하나 또는 둘 이상의 유기 용매들의 혼합물일 수 있다.The non-aqueous organic solvent should dissolve lithium salt well, and the non-aqueous organic solvent of the present invention includes, for example, N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, di ethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, gamma-butyrolactone, 1,2-dimethoxy ethane, 1,2-diethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1, 3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxene, diethyl ether, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, triester phosphate, trime Aprotic, such as oxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyropionate, and ethyl propionate An organic solvent may be used, and the organic solvent may be one or a mixture of two or more organic solvents.

상기 유기 고체 전해질로는, 예컨대, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(Agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphoric acid ester polymers, poly agitation lysine, polyester sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, ionic dissociation. A polymer comprising a group and the like can be used.

상기 무기 고체 전해질로는, 예컨대, Li₃N, LiI, Li₅NI₂, Li₃N-LiI-LiOH, LiSiO₄, LiSiO₄-LiI-LiOH, Li₂SiS₃, Li₄SiO₄, Li₄SiO₄-LiI-LiOH, Li₃PO4-Li₂S-SiS₂ 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다. Examples of the inorganic solid electrolyte include Li ₃ N, LiI, Li ₅ NI ₂ , Li ₃ N-LiI-LiOH, LiSiO ₄ , LiSiO ₄ -LiI-LiOH, Li ₂ SiS ₃ , Li ₄ SiO ₄ , Li ₄ Nitrides, halides, sulfates, etc. of Li such as SiO ₄ -LiI-LiOH, Li ₃ PO4-Li ₂ S-SiS _{2 may be used.}

본 발명의 전해질에는 충·방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예컨대, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-ethylene carbonate), PRS(Propene sultone), FPC(Fluoro-propylene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.In the electrolyte of the present invention, for the purpose of improving charge/discharge characteristics and flame retardancy, for example, pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, nitro Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N,N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxyethanol, aluminum trichloride, etc. may be added. . In some cases, in order to impart incombustibility, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high-temperature storage characteristics, and FEC (Fluoro-ethylene) carbonate), propene sultone (PRS), fluoro-propylene carbonate (FPC), etc. can be further included.

상기 전해질은 액상 전해질로 사용할 수도 있고, 고체 상태의 전해질 세퍼레이터 형태로도 사용할 수 있다. 액상 전해질로 사용할 경우에는 전극을 물리적으로 분리하는 기능을 갖는 물리적인 분리막으로서 다공성 유리, 플라스틱, 세라믹 또는 고분자 등으로 이루어진 분리막을 더 포함한다.The electrolyte may be used as a liquid electrolyte or in the form of a solid electrolyte separator. When used as a liquid electrolyte, a separator made of porous glass, plastic, ceramic, polymer, or the like is further included as a physical separator having a function of physically separating the electrodes.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred examples are presented to aid the understanding of the present invention, but the following examples are merely illustrative of the present invention and it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention, It goes without saying that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.

[실시예][Example]

황-탄소 복합체의 제조Preparation of Sulfur-Carbon Complex

[실시예 1][Example 1]

탄소나노튜브 0.6 g과 황 1.4 g을 고르게 혼합한 후, 155 ℃에서 30 분 동안 열처리하여 황-탄소 복합체를 제조하였다.After evenly mixing 0.6 g of carbon nanotubes and 1.4 g of sulfur, heat treatment was performed at 155° C. for 30 minutes to prepare a sulfur-carbon composite.

Lithiated polyacrylic acid (MW 1,000,000) 0.33g을 DI-water 2g에 묽혀 용액 1을 제조하였다. 이 후, 상기 용액 1에 에탄올 4g을 혼합하여 코팅용 조성물을 준비하였다. A solution 1 was prepared by diluting 0.33 g of lithiated polyacrylic acid (MW 1,000,000) in 2 g of DI-water. Thereafter, 4 g of ethanol was mixed with the solution 1 to prepare a coating composition.

상기 제조된 복합체와 코팅용 조성물을 유발로 15분간 교반한 후, 교반된 복합체 슬러리를 50℃ 오븐에서 overnight로 건조하여, 리튬 이온을 포함하는 폴리머로 코팅된 황-탄소 복합체를 제조하였다.After stirring the prepared composite and the coating composition with a mortar for 15 minutes, the stirred composite slurry was dried overnight in an oven at 50° C. to prepare a sulfur-carbon composite coated with a polymer containing lithium ions.

[실시예 2][Example 2]

Lithiated polyacrylic acid 0.66g을 DI-water 3g에 묽혀 용액 1을 제조하였다. 이 후, 상기 용액 1에 THF 5g을 혼합하여 코팅용 조성물을 준비하였다. Solution 1 was prepared by diluting 0.66 g of lithiated polyacrylic acid in 3 g of DI-water. Thereafter, 5 g of THF was mixed with the solution 1 to prepare a coating composition.

[비교예 1][Comparative Example 1]

실험예Experimental example 1: 전지 성능 평가 1 1: Battery performance evaluation 1

실시예 1 및 3 및 비교예 1에서 제조된 복합체를 이용하여, 황-탄소 복합체: 도전재: 바인더=90:5:5의 중량비로 슬러리를 제조한 후 20 ㎛ 두께의 알루미늄 호일의 집전체에 코팅하여 양극을 제조하였다. 이때 도전재는 카본블랙을, 바인더로는 스티렌부타디엔 고무, 카르복시메틸 셀룰로오스를 사용하였다. 이 후, 분리막으로 폴리에틸렌을 사용하고, 음극으로서 50 ㎛ 두께의 리튬 호일을 사용하여 리튬-황 전지 코인 셀을 제조하였다. Using the composites prepared in Examples 1 and 3 and Comparative Example 1, a slurry was prepared in a weight ratio of sulfur-carbon composite: conductive material: binder=90:5:5, and then on a current collector of 20 μm thick aluminum foil. A positive electrode was prepared by coating. In this case, carbon black was used as a conductive material, and styrene-butadiene rubber and carboxymethyl cellulose were used as binders. Thereafter, a lithium-sulfur battery coin cell was prepared using polyethylene as a separator and a lithium foil having a thickness of 50 μm as an anode.

이때, 상기 코인 셀은, DOL/DME을 5:5로 혼합하고, 1M LitFSI를 첨가한 전해질을 사용했다. At this time, as the coin cell, an electrolyte in which DOL/DME was mixed in a ratio of 5:5 and 1M LitFSI was added was used.

이 후, 제조된 코인 셀을 충방전 측정 장치를 이용하여 1.8에서 2.6 V까지의 용량을 측정했다. 구체적으로, 0.1/0.1, 0.3/0.3, 0.5/0.5 충/방전하는 사이클을 100 회 반복하여 셀 테스트를 실시하였다. 이때 얻어진 결과는 도 1에 나타내었다.Thereafter, the capacity of the prepared coin cell was measured from 1.8 to 2.6 V using a charge/discharge measuring device. Specifically, 0.1/0.1, 0.3/0.3, 0.5/0.5 charging/discharging cycles were repeated 100 times to perform a cell test. The results obtained at this time are shown in FIG. 1 .

도 1을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 3의 황-탄소 복합체로 제조된 리튬-황 전지는 비교예로 제조된 리튬-황 전지에 비하여 방전용량 및 수명특성이 개선되는 것을 알 수 있었다. 이를 통하여, 본 발명과 같이 리튬 이온을 포함하는 폴리머로 코팅된 황-탄소 복합체를 사용하게 되면, 고율 구간에서 반응성이 향상됨을 알 수 있었다. Referring to FIG. 1 , it was found that the lithium-sulfur batteries prepared with the sulfur-carbon composites of Examples 1 and 3 had improved discharge capacity and lifespan characteristics compared to the lithium-sulfur batteries prepared as Comparative Examples. Through this, it was found that when a sulfur-carbon composite coated with a polymer containing lithium ions was used as in the present invention, the reactivity was improved in the high-rate section.

실험예Experimental example 2: 전지 성능 평가 2 2: Battery performance evaluation 2

실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 복합체를 이용하여, 황-탄소 복합체: 도전재: 바인더=90:5:5의 중량비로 슬러리를 제조한 후 20 ㎛ 두께의 알루미늄 호일의 집전체에 코팅하여 양극을 제조하였다. 이때, 상기 코인 셀은 디옥솔란 (DOL)/디메틸에테르(DME)를 5:5의 부피비로 혼합한 용매에 1 M LitFSI, 1 % LiNO₃을 용해시켜 제조된 전해질을 사용한 것을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 충방전 효율을 측정하였다. 이때 얻어진 결과는 도 2에 나타내었다.Using the composite prepared in Example 1 and Comparative Example 1, a slurry was prepared in a weight ratio of sulfur-carbon composite: conductive material: binder=90:5:5, and then coated on a current collector of 20 μm thick aluminum foil. A positive electrode was prepared. _{At this time, the coin cell was prepared by dissolving 1 M LitFSI and 1% LiNO 3} in a solvent mixed with dioxolane (DOL)/dimethyl ether (DME) in a volume ratio of 5:5, except that the above experiment was used. The charging and discharging efficiency was measured in the same manner as in Example 1. The results obtained at this time are shown in FIG. 2 .

도 2를 참조하면, 실시예 1의 황-탄소 복합체로 제조된 리튬-황 전지는 비교예 1로 제조된 리튬-황 전지에 비하여 방전용량 및 수명특성이 개선되는 것을 알 수 있었다. 이를 통하여, 본 발명과 같이 리튬 이온을 포함하는 폴리머로 코팅된 황-탄소 복합체를 사용하게 되면, 로딩을 높인 경우에 비교예 1의 경우 고율 구간에서 반응을 하지 않지만, 리튬 리치 폴리머를 코팅한 실시예 1의 경우 고율 구간에서도 반응성이 높아지는 것을 확인 할 수 있다. Referring to FIG. 2 , it was found that the lithium-sulfur battery prepared by the sulfur-carbon composite of Example 1 had improved discharge capacity and lifespan characteristics compared to the lithium-sulfur battery prepared in Comparative Example 1. Through this, when a sulfur-carbon composite coated with a polymer containing lithium ions is used as in the present invention, in the case of Comparative Example 1 when the loading is increased, the reaction does not occur in the high rate section, but the lithium-rich polymer is coated In the case of Example 1, it can be seen that the reactivity is increased even in the high-rate section.

또한, 도 3은 실시예 1 및 비교예 1의 복합체를 사용한 전지의 충방전 profile을 보여주는 것으로, 그래프가 오른쪽으로 많이 진행할수록 동일 황(sulfur)의 양 대비 방전 용량이 증가함으로 보여주는 그래프이다. 이를 통하여, 높이(y축)을 통하여 과전압이 관찰되는 것을 확인할 수 있으며, 동일 로딩에서 실시예 1 및 2의 반응성이 향상됨을 알 수 있었다.In addition, FIG. 3 is a graph showing the charge/discharge profile of the battery using the composite of Example 1 and Comparative Example 1, showing that the more the graph progresses to the right, the greater the discharge capacity versus the amount of the same sulfur. Through this, it can be confirmed that the overvoltage is observed through the height (y-axis), and it can be seen that the reactivity of Examples 1 and 2 is improved at the same loading.

Claims

다공성 탄소재; 및
상기 다공성 탄소재의 내부 및 표면 중 적어도 일부에 황을 포함하는 황-탄소 복합체에 있어서,
상기 다공성 탄소재의 내부 및 외부 표면은 리튬 이온을 포함하는 폴리머로 코팅되고,
상기 리튬 이온을 포함하는 폴리머는, 100 내지 50,000의 분자량(Mw)를 가지는, 황-탄소 복합체.porous carbon material; and
In the sulfur-carbon composite comprising sulfur in at least a portion of the inside and the surface of the porous carbon material,
The inner and outer surfaces of the porous carbon material are coated with a polymer containing lithium ions,
The polymer containing lithium ions, having a molecular weight (Mw) of 100 to 50,000, sulfur-carbon composite.

제1항에 있어서,
상기 리튬 이온을 포함하는 폴리머는, 상기 폴리머의 OH기에 리튬이 치환되어 O-Li 형태로 리튬 이온을 포함하는, 황-탄소 복합체.According to claim 1,
The polymer containing lithium ions is a sulfur-carbon composite, wherein lithium is substituted in the OH group of the polymer to contain lithium ions in the form of O-Li.

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제1항에 있어서,
상기 리튬 이온을 포함하는 폴리머의 함량이 황-탄소 복합체 전체 중량 대비 0.1 내지 10.0 중량%인, 황-탄소 복합체.According to claim 1,
The content of the polymer including lithium ions is 0.1 to 10.0 wt% based on the total weight of the sulfur-carbon composite, sulfur-carbon composite.

제1항에 있어서,
상기 리튬 이온을 포함하는 폴리머의 함량이 황-탄소 복합체 전체 중량 대비 0.5 내지 5.0 중량%인, 황-탄소 복합체.According to claim 1,
The content of the polymer including lithium ions is 0.5 to 5.0 wt% based on the total weight of the sulfur-carbon composite, sulfur-carbon composite.

제1항에 있어서,
상기 황-탄소 복합체는 황과 다공성 탄소재가 9:1 내지 5:5의 중량비로 포함되는, 황-탄소 복합체.According to claim 1,
The sulfur-carbon composite includes sulfur and a porous carbon material in a weight ratio of 9:1 to 5:5, a sulfur-carbon composite.

제1항에 있어서,
상기 다공성 탄소재는 그래파이트, 그래핀, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 탄소 섬유 및 활성탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인, 황-탄소 복합체.According to claim 1,
The porous carbon material is at least one selected from the group consisting of graphite, graphene, carbon black, carbon nanotubes, carbon fibers and activated carbon, sulfur-carbon composite.

제1항, 제2항, 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항의 황-탄소 복합체를 포함하는, 리튬-황 전지용 양극.The positive electrode for a lithium-sulfur battery comprising the sulfur-carbon composite of any one of claims 1, 2, and 4 to 7.

(a) 황과 다공성 탄소재를 혼합한 후, 열처리하여 다공성 탄소재에 황을 담지시켜 황-탄소 복합체를 제조하는 단계;
(b) 리튬 이온을 포함하는 폴리머를 물에 혼합한 후, 다시 휘발성 용매와 혼합하여 코팅용 조성물을 제조하는 단계;
(c) 상기 (a) 단계의 황-탄소 복합체와 상기 (b) 단계의 코팅용 조성물을 혼합한 후, 교반하는 단계; 및
(d) 상기 (c) 단계에서 교반된 황-탄소 복합체를 70 내지 150 ℃에서 15분 내지 1시간 동안 건조하는 단계; 를 포함하는 제1항의 황-탄소 복합체의 제조방법.(a) mixing sulfur and a porous carbon material, followed by heat treatment to support sulfur on the porous carbon material to prepare a sulfur-carbon composite;
(b) mixing a polymer containing lithium ions with water and then mixing with a volatile solvent again to prepare a coating composition;
(c) mixing the sulfur-carbon composite of step (a) and the coating composition of step (b), followed by stirring; and
(d) drying the sulfur-carbon composite stirred in step (c) at 70 to 150° C. for 15 minutes to 1 hour; The method of claim 1 comprising a sulfur-carbon composite.

제9항에 있어서,
상기 다공성 탄소재는 그래파이트, 그래핀, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 탄소 섬유 및 활성탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인, 황-탄소 복합체의 제조방법.10. The method of claim 9,
The porous carbon material is at least one selected from the group consisting of graphite, graphene, carbon black, carbon nanotubes, carbon fibers, and activated carbon, a method for producing a sulfur-carbon composite.

제9항에 있어서,
상기 리튬 이온을 포함하는 폴리머는, 상기 폴리머의 OH기에 리튬이 치환되어 O-Li 형태로 리튬 이온을 포함하는, 황-탄소 복합체의 제조방법.10. The method of claim 9,
The polymer containing lithium ions is a method for producing a sulfur-carbon composite, wherein lithium is substituted in the OH group of the polymer to contain lithium ions in the form of O-Li.

제9항에 있어서,
상기 휘발성 용매는 에탄올 및 THF로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인, 황-탄소 복합체의 제조방법.10. The method of claim 9,
The volatile solvent is any one or more selected from the group consisting of ethanol and THF, the method for producing a sulfur-carbon complex.

제8항의 양극; 음극; 및 전해질;을 포함하는 리튬-황 전지.The positive electrode of claim 8; cathode; And electrolyte; Lithium-sulfur battery comprising a.