KR20030027395A - Lithium sulfur battery - Google Patents
Lithium sulfur battery Download PDFInfo
- Publication number
- KR20030027395A KR20030027395A KR1020010060582A KR20010060582A KR20030027395A KR 20030027395 A KR20030027395 A KR 20030027395A KR 1020010060582 A KR1020010060582 A KR 1020010060582A KR 20010060582 A KR20010060582 A KR 20010060582A KR 20030027395 A KR20030027395 A KR 20030027395A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrode
- lithium
- negative electrode
- sulfur battery
- carbon
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/36—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34
- H01M10/38—Construction or manufacture
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Abstract
Description
본 발명은 리튬 황 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 황을 포함하는 활물질이 코팅된 양극과 리튬 금속 음극을 포함하는 리튬 황 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium sulfur battery. More specifically, the present invention relates to a lithium sulfur battery including an anode coated with an active material including sulfur and a lithium metal anode.
근래에 널리 사용되고 있는 휴대 전화기, 캠코더, 노트북 컴퓨터 등의 모든 휴대용 전자 기기에는 휴대용 전원이 요구된다. 최근에는 리튬 금속 산화물을 양극 재료로, 리튬 이온의 층간 삽입이 가능한 카본을 음극 재료로 사용하는 리튬 이온 전지가 휴대용 전원으로 사용되고 있다. 이들을 이용한 리튬 이온 전지는 약 100∼180Wh/kg의 에너지 밀도를 나타낸다. 그러나 전자 기기의 고성능화, 전기 자동차 등의 개발과 더불어 고용량 이차 전지의 필요성이 대두되고 있으며, 이로 인하여 기존의 양극 재료 및 음극 재료보다 에너지 밀도가 증가한 새로운 재료의 개발이 필요하게 되었다.Portable power supplies are required for all portable electronic devices such as mobile phones, camcorders, and notebook computers that are widely used in recent years. Recently, lithium ion batteries using lithium metal oxide as a cathode material and carbon capable of intercalating lithium ions as a cathode material have been used as portable power sources. The lithium ion battery using these shows an energy density of about 100 to 180 Wh / kg. However, along with the development of high performance electronic devices and electric vehicles, the necessity of high capacity secondary batteries is emerging. As a result, the development of new materials with increased energy density is required.
황은 1675mAh/g의 높은 용량을 나타내며, 저렴한 가격과 금속 산화물에 비하여 환경 친화적이라는 장점으로 인하여 새로운 양극 재료로 많은 연구가 진행되고 있으며, 리튬 금속을 포함한 1족 또는 2족 원소로 이루어지는 음극과 전지로 구성되어 높은 에너지를 구현할 수 있다.Sulfur has a high capacity of 1675 mAh / g, and a lot of research is being carried out as a new positive electrode material due to its low price and environmentally friendly advantages over metal oxides, and has a negative electrode and a battery composed of Group 1 or Group 2 elements including lithium metal. Can be configured to achieve high energy.
미합중국 특허 제5,789,108호(issued to Chu)에는 상기 황 분말과 카본 및 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide ; PEO)를 아세토나이트릴(acetonitrile)에 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 집전체에 코팅하여 양극을 제조하고, 상기와 같이 제조된 양극과 리튬 금속을 음극으로 사용하여 리튬 황 전지를 구성한 일 예가 개시되어 있다.In US Pat. No. 5,789,108 (issued to Chu), sulfur powder, carbon and polyethylene oxide (PEO) are mixed with acetonitrile to prepare a slurry, and then coated on a current collector to prepare a positive electrode. An example of configuring a lithium sulfur battery using a cathode prepared as described above and a lithium metal as a cathode is disclosed.
상기 황과 리튬을 사용하는 리튬 황 전지의 충,방전시 진행되는 반응은 도 1에 도시한 바와 같다.The reaction proceeds during charging and discharging of the lithium sulfur battery using sulfur and lithium is shown in FIG. 1.
도 1을 참조하면, Li2S8, Li2S6, Li2S4, Li2S2등을 폴리설파이드(polysulfide)라 칭하며, 특히 황의 산화수가 높은 폴리설파이드(Li2Sx, 보통 x>4)는 테트라하이드로퓨란, 테트라하이드로파이란, 다이옥신, 다이옥소레인, 테트라에틸렌 글리콜, 디메틸 에테르, 디글라임, 폴리(에틸렌 글리콜)다이메틸 에테르, 다이메톡시 에탄 등의 에테르 계열의 전해액에 쉽게 녹는다. 전해액에 녹은 폴리설파이드는 농도차에 의해서 폴리설파이드가 생성된 양극으로부터 먼 쪽으로 확산된다. 상기 양극으로부터 확산된 폴리설파이드는 연속된 리튬설파이드(Li2S)로의 환원이 불가능하다. 즉, 양극과 음극을 벗어나 용해된 상태로 존재하는 폴리설파이드는 전지의 충,방전에 전혀 참여할 수 없다. 따라서, 리튬 황 전지의 충전 용량 감소 및 에너지 감소를 일으키는 주요한 요인이 된다.Referring to FIG. 1, Li 2 S 8 , Li 2 S 6 , Li 2 S 4 , Li 2 S 2 , and the like are referred to as polysulfides (polysulfide), in particular, polysulphide (Li 2 S x , usually x having a high oxidation number of sulfur). > 4) is readily soluble in ether-based electrolytes such as tetrahydrofuran, tetrahydropyrane, dioxin, dioxolane, tetraethylene glycol, dimethyl ether, diglyme, poly (ethylene glycol) dimethyl ether and dimethoxy ethane. . The polysulfide dissolved in the electrolyte diffuses away from the anode where polysulfide is formed due to the concentration difference. Polysulfide diffused from the anode is impossible to reduce to continuous lithium sulfide (Li 2 S). That is, the polysulfide present in the dissolved state beyond the positive electrode and the negative electrode cannot participate in charging and discharging of the battery at all. Therefore, it is a major factor causing a decrease in charge capacity and a decrease in energy of the lithium sulfur battery.
도 2는 종래의 리튬 황 전지의 단위 셀을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view illustrating a unit cell of a conventional lithium sulfur battery.
도 2를 참조하면, 리튬 메탈 음극(100)과 양극(102) 사이에 존재하는 폴리설파이드(104a)는 충,방전 과정에서 산화 및 환원 반응을 수행하여 리튬 황 전지의 충전 용량에 기여할 수 있다. 그러나, 음극(100)과 포장재(106) 사이에 존재하는 폴리설파이드(104b)는 반응에 참여할 수 없어 리튬 황 전지의 충전 용량에 기여할 수 없다.Referring to FIG. 2, the polysulfide 104a existing between the lithium metal negative electrode 100 and the positive electrode 102 may perform oxidation and reduction reactions during charging and discharging to contribute to the charging capacity of the lithium sulfur battery. However, the polysulfide 104b present between the negative electrode 100 and the packaging material 106 cannot participate in the reaction and thus cannot contribute to the charging capacity of the lithium sulfur battery.
또한, 종래의 리튬 황 전지는 사용 수명이 짧고, 안정성에 문제가 있다. 리튬 황 전지의 사용 수명과 안정성은 모두 리튬 금속 음극에 관련이 있으며, 충,방전 과정에서 리튬 금속 음극의 부식에 따른 구조적 변화, 즉 매우 미세한 입자를 갖는 다공성 구조로의 변화와 직접적인 관련이 있다. 일반적으로, 리튬 금속의 부식은 전해액에 포함된 용매 및 용질과 관련이 있으며, 리튬 황 전지의 경우에는 충,방전 반응의 중간 생성물인 폴리설파이드에 의해서 리튬 금속의 부식이 크게 증가된다.In addition, the conventional lithium sulfur battery has a short service life and has a problem in stability. The service life and stability of the lithium sulfur battery are all related to the lithium metal negative electrode, and are directly related to the structural change due to corrosion of the lithium metal negative electrode during charging and discharging, that is, to the porous structure having very fine particles. In general, corrosion of lithium metal is related to solvents and solutes contained in the electrolyte, and in the case of lithium sulfur batteries, corrosion of lithium metal is greatly increased by polysulfide, which is an intermediate product of charge and discharge reactions.
도 3은 충,방전이 장시간 반복된 리튬 황 전지의 리튬 금속 음극의 구조 변화를 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining the structural change of the lithium metal negative electrode of the lithium sulfur battery repeated charging and discharging for a long time.
도 3을 참조하면, 충전 또는 방전 과정에서 생성된 폴리설파이드(104)가 양극에서 환원 또는 산화반응에 참여하지 못하고, 농도 차이에 의해서 리튬 금속 음극(100)을 부식시키는 문제를 발생시킨다.Referring to FIG. 3, the polysulfide 104 generated during the charging or discharging process does not participate in the reduction or oxidation reaction at the positive electrode and causes a problem of corroding the lithium metal negative electrode 100 due to the difference in concentration.
Li + Li2Sx→Li2SLi + Li 2 S x → Li 2 S
상기 반응식에 의한 반응으로 인하여 리튬 금속 음극(100) 표면은 리튬설파이드(108)와 충,방전 동안에 리튬 금속의 석출, 용해로 생성된 리튬 금속 입자가 혼재되어 있다. 이로 인하여 리튬 금속 음극(100)의 표면은 다공성 구조로 바뀌게 되고, 일부는 수지상으로 성장하여 리튬 덴드라이트(110, dendrite)를 이루게 된다. 상기와 같이 형성된 다공성 구조 및 리튬 덴드라이트(110)는 반응성이 매우 뛰어나 리튬 황 전지의 단락, 발열, 발화 및 폭발을 일으켜 안정성에 심각한 문제를 야기한다. 또한, 리튬과 용해성 폴리설파이드의 반응으로 생성된 리튬설파이드(108)는 음극(100)으로부터 석출되어 전해액 중에 부유 또는 침전하게 되고, 리튬 금속의 손실이 가속되어 리튬 황 전지의 수명은 감소하게 된다. 또한, 계속적인 리튬 음극(100)과 폴리설파이드(104)의 반응으로 양극 활물질로 사용되는 황이 손실되어 충,방전의 사이클이 진행됨에 따라서 리튬 황 전지의 용량 및 에너지를 감소시킨다.Due to the reaction according to the above reaction scheme, the surface of the lithium metal negative electrode 100 is mixed with lithium sulfide 108 and lithium metal particles generated by precipitation and dissolution of lithium metal during charging and discharging. As a result, the surface of the lithium metal negative electrode 100 is changed into a porous structure, and part of the lithium metal negative electrode 100 grows dendritic to form lithium dendrite 110. The porous structure and the lithium dendrites 110 formed as described above are highly reactive, causing short circuit, heat generation, ignition and explosion of the lithium sulfur battery, causing serious problems in stability. In addition, lithium sulfide 108 produced by the reaction of lithium and soluble polysulfide is precipitated from the negative electrode 100 to be suspended or precipitated in the electrolyte, and the loss of lithium metal is accelerated, thereby reducing the life of the lithium sulfur battery. In addition, the sulfur used as the positive electrode active material is lost due to the reaction of the lithium negative electrode 100 and the polysulfide 104, thereby reducing the capacity and energy of the lithium sulfur battery as the cycle of charge and discharge proceeds.
상기 리튬 황 전지의 수명을 향상시키고, 안정성을 확보하기 위한 일 예가 미합중국 특허 제5,919,587호(issued to Mukherjee, et al.)와 제6,110,619호(issued to Zhang, et al.) 및 제6,210,831호(issued to Gorkovenko, et al.)에 개시되어 있다. 상기 특허들에 의하면, 황과 탄소 그리고 양이온 폴리머(cationic polymer) 또는 전이 금속(transition metal) 칼코게나이드(chalcogenide)를 혼합하여 양극을 제조한다. 상기 양이온 폴리머 또는 전이 금속 칼코게나이드가 용해성 폴리설파이드를 흡수 또는 차단하여 리튬 금속 음극과 폴리설파이드의 반응을 억제하고, 이에 따라 리튬 금속 음극의 안정성을 확보함으로서 리튬 황 전지의 수명을 연장시킨다.Examples of improving the life of the lithium sulfur battery and securing stability are disclosed in US Pat. Nos. 5,919,587 (issued to Mukherjee, et al.) And 6,110,619 (issued to Zhang, et al.) And 6,210,831 (issued). to Gorkovenko, et al. According to the above patents, a positive electrode is prepared by mixing sulfur with carbon and a cationic polymer or transition metal chalcogenide. The cationic polymer or transition metal chalcogenide absorbs or blocks the soluble polysulfide to inhibit the reaction of the lithium metal negative electrode and the polysulfide, thereby securing the stability of the lithium metal negative electrode, thereby extending the life of the lithium sulfur battery.
그런데, 상기와 같은 방법으로 리튬 황 전지의 수명을 연장시키고자 할 경우 충,방전시 발생하는 많은 양의 폴리설파이드를 흡수 또는 차단하기 위해 많은 양의 양이온 폴리머 또는 전이 금속 칼코게나이드가 첨가되어야 하고, 이에 따라 활물질로 사용되는 황의 담지량이 감소하게 된다. 또한, 용해성 폴리설파이드의 완벽한 흡수는 불가능하며, 용해성 폴리설파이드의 지속적인 발생으로 리튬 황 전지의 용량 및 에너지가 감소하게 된다.However, in order to extend the life of the lithium sulfur battery as described above, a large amount of cationic polymer or transition metal chalcogenide should be added to absorb or block a large amount of polysulfide generated during charging and discharging. As a result, the amount of sulfur used as the active material is reduced. In addition, complete absorption of soluble polysulfides is not possible and the continued generation of soluble polysulfides leads to a reduction in capacity and energy of lithium sulfur cells.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 리튬 황 전지의 충,방전 동안에 발생하는 용해성 폴리설파이드의 손실을 최소화시키고, 상기 폴리설파이드와 리튬 금속 음극과의 반응을 최소화시키기 위한 탄소 전극을 포함하는 리튬 황 전지를 제공하는데 있다.The present invention for solving the above problems is to minimize the loss of soluble polysulfide generated during charging and discharging of a lithium sulfur battery, lithium including a carbon electrode for minimizing the reaction of the polysulfide and lithium metal negative electrode To provide a sulfur battery.
도 1은 리튬 황 전지의 충,방전 동안에 진행되는 반응을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a reaction that proceeds during the charging and discharging of a lithium sulfur battery.
도 2는 종래의 리튬 황 전지를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view for explaining a conventional lithium sulfur battery.
도 3은 충,방전이 장시간 반복된 리튬 황 전지의 리튬 금속 음극의 구조 변화를 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining the structural change of the lithium metal negative electrode of the lithium sulfur battery repeated charging and discharging for a long time.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 권취형 리튬 황 전지를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.4 is a schematic configuration diagram illustrating a wound lithium sulfur battery according to a first embodiment of the present invention.
도 5는 도 4에 도시한 양극과 탄소 전극을 설명하기 위한 사시도이다.FIG. 5 is a perspective view illustrating the anode and the carbon electrode illustrated in FIG. 4.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 리튬 황 전지를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.6 is a schematic diagram illustrating a lithium sulfur battery according to a second embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 리튬 황 전지의 양극 구조를 설명하기 위한 사시도이다.7 is a perspective view for describing a cathode structure of a lithium sulfur battery according to a third exemplary embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 리튬 황 전지의 양극 구조를 설명하기 위한 사시도이다.8 is a perspective view illustrating a cathode structure of a lithium sulfur battery according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
도 9는 비교예와 제1실시예의 충,방전 실험 결과에 따른 황 이용률을 나타내는 그래프이다.9 is a graph showing the sulfur utilization rate according to the charge and discharge test results of the comparative example and the first embodiment.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
100, 310, 320, 330, 340 : 양극 102, 314, 324 : 음극100, 310, 320, 330, 340: anode 102, 314, 324: cathode
104 : 폴리설파이드 106 : 포장재104: polysulfide 106: packaging material
108 : 리튬설파이드 200, 202 : 단위 셀108: lithium sulfide 200, 202: unit cell
300, 302 : 전극군 312, 322 : 격리막300, 302: electrode group 312, 322: separator
316, 326 : 탄소 전극316, 326: carbon electrode
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 리튬 황 전지는 황을 포함하는 활물질과 탄소 또는 전도성 고분자로 이루어지는 도전재를 혼합한 혼합물이 코팅된 집전체를 포함하는 양극과, 상기 양극과 마주보도록 구비되고, 리튬 또는 리튬 합금으로 이루어지는 음극을 적층하고, 이를 상기 음극이 외측으로 노출되도록 권취함으로서 형성되는 전극군과, 상기 전극군이 권취된 방향으로 상기전극군을 둘러싸도록 구비되고, 상기 도전재가 코팅된 집전체로 이루어지고, 상기 양극과 연결되는 탄소 전극과, 상기 양극과 상기 음극 사이 및 상기 음극과 상기 탄소 전극 사이에 제공되고, 상기 양극, 상기 음극 및 상기 탄소 전극과 접촉하는 전해질을 포함하는 단위 셀을 적어도 하나 포함한다.A lithium sulfur battery according to an aspect of the present invention for achieving the above object is a positive electrode comprising a current collector coated with a mixture of an active material containing sulfur and a conductive material made of carbon or a conductive polymer, and the positive electrode And an electrode group formed by stacking a negative electrode made of lithium or a lithium alloy and winding the negative electrode so as to be exposed to the outside, and surrounding the electrode group in a direction in which the electrode group is wound. A current collector coated with the conductive material and provided between a carbon electrode connected to the positive electrode, between the positive electrode and the negative electrode, and between the negative electrode and the carbon electrode, and contacting the positive electrode, the negative electrode and the carbon electrode At least one unit cell containing an electrolyte.
여기서, 상기 양극은 상기 권취된 전극군의 양쪽 측면에 인접하는 상기 집전체의 양쪽 가장자리 부위에는 활물질이 포함되지 않은 상기 도전재를 코팅하고, 상기 집전체의 나머지 부위에는 상기 혼합물을 코팅하여 형성되는 것을 더 포함한다.Here, the positive electrode is formed by coating the conductive material containing no active material on both edge portions of the current collector adjacent to both sides of the wound electrode group, and coating the mixture on the remaining portions of the current collector It includes more.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 리튬 황 전지는 황을 포함하는 활물질과 탄소 또는 전도성 고분자로 이루어지는 도전재를 혼합한 혼합물이 코팅된 집전체를 포함하는 양극과, 상기 양극과 마주보도록 구비되고, 리튬 또는 리튬 합금으로 이루어지는 음극을 포함하고, 상기 음극이 외측으로 노출되도록 상기 양극과 상기 음극이 번갈아 적층된 전극군과, 상기 도전재가 코팅된 집전체로 이루어지고, 상기 외측으로 노출된 음극과 마주보도록 구비되고, 상기 양극과 연결되는 탄소 전극과, 상기 양극과 상기 음극 사이 및 상기 음극과 상기 탄소 전극 사이에 제공되고, 상기 양극과 상기 음극 및 상기 탄소 전극과 접촉하는 전해질을 포함하는 단위셀을 적어도 하나 포함한다.Lithium sulfur battery according to another aspect of the present invention for achieving the above object is a positive electrode comprising a current collector coated with a mixture of an active material containing sulfur and a conductive material consisting of carbon or conductive polymer, facing the positive electrode A negative electrode made of lithium or a lithium alloy, comprising an electrode group in which the positive electrode and the negative electrode are alternately stacked such that the negative electrode is exposed to the outside, and a current collector coated with the conductive material, and exposed to the outside. And an electrolyte provided to face the negative electrode, provided between the positive electrode and the negative electrode, between the positive electrode and the negative electrode, and between the positive electrode, the negative electrode, and the carbon electrode. At least one unit cell is included.
여기서, 상기 양극은 상기 집전체의 가장자리 부위에는 활물질이 포함되지 않은 상기 도전재를 코팅하고, 상기 집전체의 나머지 부위에는 상기 혼합물을 코팅하여 형성되는 것을 더 포함한다.Here, the positive electrode further comprises the coating of the conductive material does not contain an active material in the edge portion of the current collector, and the remaining portion of the current collector is formed by coating the mixture.
상기 활물질은 황분자(S8), 폴리설파이드(Li2Sx, x>1), 황-카본 폴리머, 디엠시티(DMcT, 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole) 및 티티씨에이(TTCA, 1,3,5-trithiocyanuic acid) 등의 유기황화합물을 포함한다.The active material is sulfur (S 8 ), polysulfide (Li 2 S x , x> 1), sulfur-carbon polymer, DMC (DMcT, 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole) and T Organic sulfur compounds such as (TTCA, 1,3,5-trithiocyanuic acid).
상기 집전체는 알루미늄, 니켈, 구리 및 스테인레스 스틸로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어지는 금속, 전도성 고분자 및 금속이 증착된 고분자로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진다.The current collector is made of any one selected from the group consisting of a metal, a conductive polymer, and a metal deposited polymer formed of any one selected from the group consisting of aluminum, nickel, copper, and stainless steel.
상기 리튬 황 전지는 상기 양극과 상기 음극 사이 및 상기 탄소 전극과 상기 음극 사이에 제공되는 격리막을 더 포함하고, 상기 음극은 나트륨 또는 나트륨 합금으로 이루어지는 것을 더 포함한다.The lithium sulfur battery further includes a separator provided between the positive electrode and the negative electrode and between the carbon electrode and the negative electrode, and the negative electrode further comprises sodium or sodium alloy.
따라서, 리튬 황 전지의 충,방전 동안에 생성되는 폴리설파이드가 산화,환원 반응에 참여할 수 있는 공간을 상기 탄소 전극이 제공함으로서 손실되는 폴리설파이드의 양을 최소화시킨다. 이에 따라, 양극 활물질로 사용되는 황의 이용률이 증가된다. 또한, 폴리설파이드와 리튬 금속 음극의 반응을 최소화시켜 리튬 황 전지의 수명을 연장시키고, 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 리튬 황 전지의 용량 및 에너지 감소를 최소화시킬 수 있다.Therefore, the amount of polysulfide lost by minimizing the amount of polysulfide lost by the carbon electrode provides a space for the polysulfide generated during the charging and discharging of the lithium sulfur battery to participate in the oxidation and reduction reaction. As a result, the utilization rate of sulfur used as the positive electrode active material is increased. In addition, by minimizing the reaction between the polysulfide and the lithium metal negative electrode, the life of the lithium sulfur battery may be extended and stability may be ensured. In addition, the capacity and energy reduction of the lithium sulfur battery can be minimized.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 권취형 리튬 황 전지의 단위 셀을 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.4 is a schematic diagram illustrating a unit cell of a wound lithium sulfur battery according to a first embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 권취형 리튬 황 전지의 단위 셀(200)은 양극(310), 격리막(312) 및 음극(314)을 순차적으로 적층하고, 이를 권취함으로서 형성된다. 단위 셀(200)의 형성 과정을 살펴보면 다음과 같다.Referring to FIG. 4, the unit cell 200 of the wound lithium sulfur battery is formed by sequentially stacking and winding the positive electrode 310, the separator 312, and the negative electrode 314. Looking at the formation process of the unit cell 200 is as follows.
먼저, 양극(310), 격리막(312) 및 음극(314)을 양극(310), 격리막(312), 음극(314), 격리막(312)의 순으로 적층하고, 이를 음극(314)이 외측으로 노출되도록 권취하여 권취형 전극군(300)을 형성한다. 이때, 권취형 전극군(300)의 단면을 보면, 양극(310)과 음극(314)이 격리막(312)을 사이에 두고 번갈아 배열되는 구조를 갖는다.First, the anode 310, the separator 312, and the cathode 314 are stacked in the order of the anode 310, the separator 312, the cathode 314, and the separator 312, and the cathode 314 is moved outward. It is wound so as to be exposed to form a wound electrode group 300. At this time, the cross section of the wound electrode group 300 has a structure in which the anode 310 and the cathode 314 are alternately arranged with the separator 312 interposed therebetween.
상기와 같이 권취된 전극군(300)의 외측 부위는 외측으로부터 음극(314), 격리막(312), 양극(310), 격리막(312)의 단부가 순차적으로 배열되어 있다. 그리고, 상기 전극군(300)을 둘러싸도록 탄소 전극(316)이 구비되고, 탄소 전극(316)은 양극(310)의 단부에 용접에 의해 연결된다. 즉, 외측으로 노출된 음극(314)과 마주보도록 양극(310)과 연결된 탄소 전극(316)이 구비되고, 음극(314)과 탄소 전극(316) 사이에는 격리막(312)이 연장되어 구비된다. 상기 전극군(300)과 탄소 전극(316)을 포함하는 단위 셀(200)의 단면을 보면, 외측으로부터 탄소 전극(316), 격리막(312), 음극(314), 격리막(312), 양극(310)의 순으로 전극들이 배열된다.As for the outer part of the electrode group 300 wound as mentioned above, the edge part of the cathode 314, the separator 312, the anode 310, and the separator 312 is arranged in order from the outer side. The carbon electrode 316 is provided to surround the electrode group 300, and the carbon electrode 316 is connected to the end of the anode 310 by welding. That is, the carbon electrode 316 connected to the anode 310 is provided to face the cathode 314 exposed to the outside, and the separator 312 extends between the cathode 314 and the carbon electrode 316. In the cross section of the unit cell 200 including the electrode group 300 and the carbon electrode 316, the carbon electrode 316, the separator 312, the cathode 314, the separator 312, and the anode ( The electrodes are arranged in the order of 310.
상기와 같이 권취된 단위 셀(200)의 양극(310)과 음극(314)에 각각 단자를 용접하고, 압착한 후, 전해액 주입 및 포장의 단계를 거쳐 리튬 황 전지의 제작을 완성한다. 이때, 리튬 황 전지는 다수개의 단위 셀(200)을 연결하여 용량을 증가시킬 수도 있다.Terminals are welded to the positive electrode 310 and the negative electrode 314 of the unit cell 200 wound as described above, and pressed, and then the lithium sulfur battery is completed through the steps of electrolyte injection and packaging. In this case, the lithium sulfur battery may increase capacity by connecting a plurality of unit cells 200.
상기와 같은 리튬 황 전지를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Referring to the lithium sulfur battery as described above in more detail.
상기 양극은 황을 포함하는 활물질과 탄소 또는 전도성 고분자로 이루어지는 도전재 및 바인더를 혼합하여 혼합물을 형성한 후, 상기 혼합물을 집전체에 코팅하고, 이를 건조하여 형성시킨다. 상기 집전체로는 알루미늄, 니켈, 구리, 스테인레스 스틸 등을 포함하는 금속, 전도성 고분자 및 금속이 증착된 고분자 등을 사용한다.The positive electrode is formed by mixing an active material containing sulfur and a conductive material and a binder made of carbon or a conductive polymer to form a mixture, and then coating the mixture on a current collector and drying it. As the current collector, a metal including aluminum, nickel, copper, stainless steel, a conductive polymer, a polymer on which metal is deposited, and the like are used.
사용 가능한 양극 활물질로는 황 또는 유기황 등이며, 리튬 이온이 인터컬레이션(intercalation)이 가능한 금속산화물, 금속 자체 또는 충,방전시 산화,환원이 가능한 전도성 고분자 등의 다양한 보조적인 활물질의 첨가가 가능하다. 활물질로서 황 또는 유기황이란 충,방전 과정에서 황-황 원자의 결합,분리가 가능한 물질을 의미한다. 이러한 의미에서 상기 활물질은 황분자(S8), 폴리설파이드(Li2Sx, x>1), 황-카본 폴리머, 디엠시티(DMcT, 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole) 및 티티씨에이(TTCA, 1,3,5-trithiocyanuic acid) 등을 포함하는 다이설파이드화합물을 포함한다.The positive electrode active material may be sulfur or organic sulfur, and various auxiliary active materials such as a metal oxide capable of intercalation of lithium ions, a metal itself, or a conductive polymer capable of oxidizing and reducing during charging and discharging may be added. It is possible. Sulfur or organic sulfur as an active material means a material capable of bonding and separating sulfur-sulfur atoms during charging and discharging. In this sense, the active material is sulfur molecule (S 8 ), polysulfide (Li 2 S x , x> 1), sulfur-carbon polymer, DMC (DMcT, 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole) And disulfide compounds including TTCA (1,3,5-trithiocyanuic acid) and the like.
활물질과 도전재의 결합을 위한 바인더로는 다양한 종류가 사용될 수 있다. 일 예로서 부타디엔계 공중합체 및 폴리사카라이계 폴리머가 혼합된 바인더를 사용할 수 있다. 여기서, 상기 바인더 물질은 전극 총 중량 100중량부에 대하여 부타디엔-스티렌 1∼10중량부 및 카르복시메틸셀룰로오스 1∼10중량부가 혼합된 것이 바람직하다. 활물질, 도전재 및 바인더 외에도 분산제, 리튬 이온 안정화를 위한 첨가제, 충,방전 속도를 향상시킬 수 있는 첨가제 등 다양한 물질이 첨가될 수 있다.Various kinds of binders may be used as the binder for bonding the active material and the conductive material. As an example, a binder in which a butadiene copolymer and a polysaccharai polymer may be mixed. Here, the binder material is preferably mixed 1 to 10 parts by weight of butadiene-styrene and 1 to 10 parts by weight of carboxymethyl cellulose with respect to 100 parts by weight of the total electrode. In addition to the active material, the conductive material and the binder, various materials such as dispersants, additives for stabilizing lithium ions, and additives for improving charge and discharge rates may be added.
탄소 전극은 상기 설명한 양극과 같은 방법으로 제조되지만, 집전체에 코팅되는 혼합물에는 활물질이 포함되지 않는다.The carbon electrode is manufactured by the same method as the positive electrode described above, but the active material is not included in the mixture coated on the current collector.
음극으로는 주기율표 상의 1족 또는 2족 원소로서, 보통 리튬 금속, 리튬 금속 분말, 리튬 합금 , 나트륨 금속 또는 나트륨 합금 등을 이용할 수 있다.As the negative electrode, a lithium metal, lithium metal powder, lithium alloy, sodium metal, sodium alloy or the like can be used as a group 1 or group 2 element on the periodic table.
전해액은 적층형 구조 및 권취형 구조로 셀을 조립한 후에 주입하는 방법을 사용한다. 젤 형태의 고분자 전해질을 사용하는 경우에는 전해액이 함유된 고분자 전해질을 이용하여 셀을 조립한다. 이 경우 양극 내에도 황, 카본과 함께 고분자 전해질을 첨가할 수 있다. 젤 형태가 아닌 고체 고분자 전해질 역시 사용할 수 있으며 이 경우에는 액체 전해질의 추가적인 주입은 없다.The electrolyte solution is a method of injecting after assembling the cells in a laminated structure and a wound structure. In the case of using the gel-type polymer electrolyte, the cell is assembled using the polymer electrolyte containing the electrolyte solution. In this case, a polymer electrolyte may be added together with sulfur and carbon in the anode. Non-gel solid polymer electrolytes may also be used, in which case there is no additional injection of liquid electrolyte.
리튬 황 전지에 사용 가능한 전해액으로는 테트라하이드로퓨란, 테트라하이드로파이란, 다이옥산, 다이옥소레인, 테트라에틸렌 글리콜, 디메틸 에테르, 디글라임, 폴리(에틸렌 글리콜)다이메틸 에테르, 다이메톡시 에탄 등의 에테르 계열이 선호되며, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트 계열의 카보네이트 및 아세토니트릴, 감마-부틸로락톤 등이 사용가능하다. 이들의 다양한 혼합 사용 역시 가능하며, 여기에 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아마이드, 헥사메틸포스포아마이드, 설포레인, 톨루엔, 벤젠, 크실렌 등이 첨가될 수 있다. 사용되는 염으로는 일반적으로 리튬전지에 사용되는 염이 사용될 수 있다. 예를 들면 리튬 염은 LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiAsF6,LiAsCl6, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2CF2CF3)2등이 사용 가능하다. 특히, 리튬 황 전지의 경우에는 충전 또는 방전 과정에서 양극에서 생성되는 폴리설파이드 음이온과 음극에서 생성되는 리튬 양이온으로 인하여 용질의 사용이 꼭 요구되지는 않는다.Examples of electrolytes that can be used in lithium sulfur batteries include ethers such as tetrahydrofuran, tetrahydropyrane, dioxane, dioxolane, tetraethylene glycol, dimethyl ether, diglyme, poly (ethylene glycol) dimethyl ether, and dimethoxy ethane. Preference is given to ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl carbonate-based carbonates and acetonitrile, gamma-butyrolactone and the like. Various mixed uses of these are also possible, to which dimethylsulfoxide, dimethylformamide, hexamethylphosphoamide, sulfolane, toluene, benzene, xylene and the like can be added. As the salt used, a salt generally used in a lithium battery may be used. For example, the lithium salt may be LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiAsCl 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 CF 2 CF 3 ) 2, and the like. . In particular, in the case of lithium sulfur batteries, the use of the solute is not necessarily required due to the polysulfide anion generated at the positive electrode and the lithium cation generated at the negative electrode during the charging or discharging process.
도 5는 도 4에 도시한 양극과 탄소 전극을 설명하기 위한 사시도이다.FIG. 5 is a perspective view illustrating the anode and the carbon electrode illustrated in FIG. 4.
도 5를 참조하면, 상기에서 설명한 바와 같이 형성되는 양극(310)의 일측에 탄소 전극(316)이 용접되어 있다. 이는 권취형 리튬 황 전지의 단위 셀을 형성하기 전에 미리 각각의 길이를 설정하고, 이에 따라 미리 탄소 전극(316)을 양극(310)에 용접한 것이다. 또 다른 방법으로, 양극(310)과 탄소 전극(316)의 집전체 길이를 미리 설정하고, 상기 집전체에 활물질과 도전재를 혼합한 혼합물을 코팅하고, 일측 단부에 도전재만을 코팅하여 형성시킬 수도 있다.Referring to FIG. 5, the carbon electrode 316 is welded to one side of the anode 310 formed as described above. This is to set the respective length in advance before forming the unit cell of the wound lithium sulfur battery, and thus the carbon electrode 316 is welded to the anode 310 in advance. In another method, the current collector length of the positive electrode 310 and the carbon electrode 316 may be set in advance, and the current collector may be formed by coating a mixture of an active material and a conductive material, and coating only a conductive material on one end thereof. It may be.
상기와 같은 구성을 갖는 단위 셀은 적층형으로도 제작될 수 있다. 즉, 양극, 격리막, 음극의 적층 구조를 갖고, 상기 양극 및 음극을 번갈아 적층함으로서 적층형 리튬 황 전지가 형성된다. 이때, 젤 형태의 고분자 전해질, 고체 고분자 전해질 또는 접착성이 부여된 격리막을 사용할 수 있다. 또한, 젤 형태의 고분자 전해질, 고체 고분자 전해질 또는 접착성이 부여된 격리막을 사용하지 않더라도 외부적인 압력을 가하여 적층 구조의 전지를 제작할 수 있다.The unit cell having the configuration as described above may be manufactured in a stacked type. That is, a laminated lithium sulfur battery is formed by having a laminated structure of a positive electrode, a separator, and a negative electrode, and alternately laminating the positive electrode and the negative electrode. In this case, a gel-type polymer electrolyte, a solid polymer electrolyte, or a separator provided with adhesion may be used. In addition, even without using a gel-type polymer electrolyte, a solid polymer electrolyte, or a separator provided with adhesion, an external pressure may be applied to fabricate a battery having a laminated structure.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 리튬 황 전지의 단위 셀을 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.6 is a schematic diagram illustrating a unit cell of a lithium sulfur battery according to a second exemplary embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 제1실시예와 동일한 방법으로 형성되는 양극(320) 및 음극(324)이 번갈아 적층되어 있는 구조를 갖는 적층형 리튬 황 전지의 단위 셀(202)이 도시되어 있다. 적층 구조는 음극(324), 격리막(322), 양극(320), 격리막(322), 음극(324)의 순으로 적층되고, 외측으로 음극(324)이 노출된다. 즉, 양극(320)과 음극(324)이 격리막(322)을 사이에 두고, 번갈아 적층된 구조를 갖고, 최외각에 음극(324)이 배치된다. 도시된 양극(320) 및 음극(324)은 각각 하나와 두 개이지만, 각각의 전극 수는 다양하게 변경될 수 있다. 상기와 같이 적층된 전극군(302)의 양측에는 탄소 전극(326)이 구비된다. 전극군(302)의 양측에는 각각 음극(324)이 배치되므로 탄소 전극(326)과 음극(324)이 마주보는 구성을 갖는다.Referring to FIG. 6, a unit cell 202 of a stacked lithium sulfur battery having a structure in which the anode 320 and the cathode 324 are alternately stacked in the same manner as in the first embodiment is illustrated. The stacked structure is stacked in order of the cathode 324, the separator 322, the anode 320, the separator 322, and the cathode 324, and the cathode 324 is exposed to the outside. That is, the anode 320 and the cathode 324 are alternately stacked with the separator 322 interposed therebetween, and the cathode 324 is disposed at the outermost side. Although the anode 320 and the cathode 324 shown are one and two, respectively, the number of electrodes may vary. Carbon electrodes 326 are provided at both sides of the electrode group 302 stacked as described above. Since the cathodes 324 are disposed at both sides of the electrode group 302, the carbon electrode 326 and the cathode 324 face each other.
상기와 같은 배열을 갖는 단위 셀(202)이 적층되면, 각각의 전극에 연결 단자를 형성시키고, 각각을 연결한다. 이때, 탄소 전극(326)은 양극(320)과 연결된다.When the unit cells 202 having the above arrangement are stacked, connection terminals are formed on respective electrodes, and the respective cells are connected. In this case, the carbon electrode 326 is connected to the anode 320.
본 발명의 제1실시예와 제2실시예의 탄소 전극은 리튬 황 전지의 충,방전시에 생성되는 폴리설파이드가 손실되는 것을 최소화하기 위한 것이다. 즉, 양극과 연결되는 탄소 전극은 상기 폴리설파이드가 충,방전시에 산화,환원 반응을 일으킬 수 있는 공간을 제공함으로서 활물질로 사용되는 황의 이용률을 높이는 역할을 한다. 따라서, 리튬 황 전지의 용량 및 에너지 손실을 줄일 수 있다. 또한, 상기 폴리설파이드가 리튬 금속 음극과 반응하여 음극을 부식시키는 것을 방지하여 리튬 황 전지의 수명 연장 및 안정성을 확보할 수 있다.The carbon electrode of the first and second embodiments of the present invention is to minimize the loss of polysulfide generated during charging and discharging of the lithium sulfur battery. That is, the carbon electrode connected to the anode serves to increase the utilization rate of sulfur used as an active material by providing a space for the polysulfide to cause oxidation and reduction reactions during charging and discharging. Therefore, the capacity and energy loss of the lithium sulfur battery can be reduced. In addition, the polysulfide may be prevented from reacting with the lithium metal negative electrode to corrode the negative electrode, thereby extending the lifespan and stability of the lithium sulfur battery.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 리튬 황 전지의 양극 구조를 설명하기위한 사시도이다.7 is a perspective view for describing a cathode structure of a lithium sulfur battery according to a third exemplary embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 권취형 리튬 황 전지의 단위 셀에서 권취되는 양극(330)의 양측 부위(330a)에 탄소 전극을 형성함으로서 폴리설파이드의 산화,환원 반응의 공간을 제공할 수 있다. 즉, 양극(330)을 형성함에 있어서, 양극(330)의 중앙 부위(330b)에는 활물질과 도전재의 혼합물을 코팅하고, 권취할 경우 단위 셀의 양측에 인접하는 양측 가장자리 부위(330a)에 도전재만을 코팅하는 것이다.Referring to FIG. 7, the carbon electrodes may be formed at both side portions 330a of the positive electrode 330 wound in the unit cell of the wound lithium sulfur battery to provide a space for oxidation and reduction of the polysulfide. That is, in forming the positive electrode 330, the center portion 330b of the positive electrode 330 is coated with a mixture of the active material and the conductive material, and when wound, only the conductive material on both side edge portions 330a adjacent to both sides of the unit cell To coat.
상기와 같은 구조를 갖는 양극을 사용할 경우 단위 셀의 양측으로 손실되는 폴리설파이드가 산화,환원 반응에 참여할 수 있는 공간을 단위 셀의 양측 부위에서 제공하는 것이다.In the case of using the positive electrode having the above structure, the polysulfide lost to both sides of the unit cell provides space at both sides of the unit cell to participate in the oxidation and reduction reaction.
또한, 적층형 리튬 황 전지에도 유사한 방법으로 폴리설파이드의 산화,환원 반응 공간을 제공할 수 있다.In addition, the stacked lithium sulfur battery may provide a space for oxidation and reduction of polysulfide in a similar manner.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 리튬 황 전지의 양극 구조를 설명하기 위한 사시도이다.8 is a perspective view illustrating a cathode structure of a lithium sulfur battery according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 적층형 리튬 황 전지의 단위 셀에서 적층되는 양극(340)의 가장자리 부위(340a)에 탄소 전극을 형성하고, 중앙 부위(340b)에 활물질과 도전재의 혼합물을 코팅함으로서 폴리설파이드의 산화,환원 반응 공간을 제공할 수 있다.Referring to FIG. 8, a carbon electrode is formed at the edge portion 340a of the positive electrode 340 stacked in the unit cell of the stacked lithium sulfur battery, and the mixture of the active material and the conductive material is coated on the central portion 340b of the polysulfide. Oxidation and reduction reaction space can be provided.
본 발명의 실시예에 따른 리튬 황 전지의 성능 평가를 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다.In order to evaluate the performance of the lithium sulfur battery according to the embodiment of the present invention, the following experiment was performed.
비교예Comparative example
높은 순도를 갖는 황 입자 60중량%와 도전재로서 카본 블랙 계열의 Super-P(MMM Carbon) 25중량%와 바인더로서 카르복시메틸셀룰로오스 3중량% 및 부타디엔-스티렌 9중량%에 불소계의 일종인 테트라플루오르에틸렌 9중량%를 균일하게 혼합하여 혼합물을 형성한 후, 상기 혼합물을 알루미늄 집전체 위에 코팅하여 황을 함유한 양극을 제조한다. 제조한 양극은 60℃에서 진공으로 1시간 건조한다. 제조된 양극의 전극 밀도는 0.82g/cm3이다. 리튬 금속을 음극으로 사용하고, 셀가드(Celard) 3501(Hoechst Celanese Corp.의 상품명)을 격리막으로 사용하여 권취형 리튬 황 전지의 단위 셀을 제조하고, 압착한 후 에테르 계열의 전해액을 전지에 함침시키고 포장하였다. 제조된 리튬 황 전지는 5시간의 상온 에이징을 수행한 후 사이클러를 사용하여 충,방전 실험을 수행하였다. 충전과 방전은 각각 0.1C의 속도로 수행하였으며, 전류 밀도는 0.47mA/cm2이었다. 방전시 가장 큰 황 이용률은 약 49%이며, 40회의 충,방전을 반복한 후에는 26%로 감소하였다.60% by weight of sulfur particles having high purity, 25% by weight of carbon black-based Super-P (MMM Carbon) as a conductive material, 3% by weight of carboxymethyl cellulose as a binder, and 9% by weight of butadiene-styrene as tetrafluoride, a kind of fluorine-based After uniformly mixing 9% by weight of ethylene to form a mixture, the mixture is coated on an aluminum current collector to prepare a sulfur-containing positive electrode. The prepared anode is dried for 1 hour in a vacuum at 60 ℃. The electrode density of the prepared anode is 0.82 g / cm 3 . A unit cell of a wound lithium sulfur battery was prepared by using lithium metal as a negative electrode and Celard 3501 (trade name of Hoechst Celanese Corp.) as a separator. After pressing, the ether-based electrolyte was impregnated into the cell. And packed. The prepared lithium sulfur battery was subjected to charge and discharge experiments using a cycler after aging at room temperature for 5 hours. Charge and discharge were performed at a rate of 0.1C, respectively, and the current density was 0.47 mA / cm 2 . The maximum sulfur utilization during discharge was about 49%, and after 40 charge and discharge cycles, it decreased to 26%.
제1실시예First embodiment
비교예와 동일하게 양극을 제조한 후, 권취형 리튬 황 전지를 제조하였다. 비교예와 다른 점은 최외각에 노출된 리튬 음극을 격리막으로 감싼 후, 활물질이 포함되지 않은 탄소 전극을 한바퀴 감고, 황이 포함된 양극과 용접하였다. 이후, 상온에서 에이징하고, 충,방전 실험을 수행하였다. 충전과 방전은 각각 0.1C의 속도로 수행하였다. 방전시 가장 높은 황의 이용률은 49%이며, 40회의 충,방전을 반복한 후에는 약 34%의 황 이용률을 나타내었다.After the positive electrode was prepared in the same manner as in the comparative example, a wound lithium sulfur battery was prepared. The difference from the comparative example is that the outermost exposed lithium negative electrode was wrapped with a separator, and then a carbon electrode containing no active material was wound once and welded with a positive electrode containing sulfur. Thereafter, aging at room temperature, charging and discharging experiments were performed. Charge and discharge were performed at a rate of 0.1C, respectively. The highest sulfur utilization during discharge was 49%, and after 40 charge and discharge cycles, the sulfur utilization was about 34%.
도 9는 비교예와 제1실시예의 충,방전 실험 결과에 따른 황 이용률을 나타내는 그래프이다.9 is a graph showing the sulfur utilization rate according to the charge and discharge test results of the comparative example and the first embodiment.
도 9를 참조하면, 40회 충,방정을 반복한 후 황의 이용률은 비교예(350)보다 제1실시예(360)에 따른 리튬 황 전지에서 약 30% 정도 증가한 것을 알 수 있다. 이는 상기한 바와 같이 활물질이 포함되지 않은 탄소 전극이 전해액에 떠돌아다니는 폴리설파이드가 충,방전시 산화,환원 반응할 수 있는 공간을 제공하기 때문이며, 이로서 손실되는 폴리설파이드 양을 최소화하여 양극 활물질인 황의 이용률을 증가시킨다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 9, it can be seen that the utilization rate of sulfur is increased by about 30% in the lithium sulfur battery according to the first embodiment 360 compared to the comparative example 350 after repeating 40 times charging and calculating. This is because, as described above, the carbon electrode that does not contain the active material provides a space for the polysulfide that floats in the electrolyte to oxidize and reduce the reaction during charging and discharging. It can be seen that the utilization increases.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 리튬 황 전지의 충,방전 동안에 생성되는 폴리설파이드가 산화,환원 반응에 참여할 수 있는 공간을 상기 탄소 전극이 제공함으로서 손실되는 폴리설파이드의 양을 최소화시켜 양극 활물질로 사용되는 황의 이용률을 증가시킨다.According to the present invention as described above, by minimizing the amount of polysulfide lost by the carbon electrode to provide a space in which the polysulfide generated during the charging and discharging of the lithium sulfur battery can participate in the oxidation, reduction reaction used as a positive electrode active material To increase the utilization of sulfur.
또한, 폴리설파이드의 산화,환원 반응으로 폴리설파이드와 리튬 금속 음극의 반응을 최소화시킴으로서 리튬 황 전지의 수명을 연장시키고, 안정성을 향상된다. 그리고, 양극 활물질로 사용되는 황의 이용률을 향상시킴으로서 리튬 황 전지의 용량 및 에너지를 향상시킨다.In addition, by minimizing the reaction between the polysulfide and the lithium metal anode by oxidation and reduction of the polysulfide, the life of the lithium sulfur battery is extended and stability is improved. The capacity and energy of the lithium sulfur battery are improved by improving the utilization rate of sulfur used as the positive electrode active material.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed within the scope of the invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020010060582A KR20030027395A (en) | 2001-09-28 | 2001-09-28 | Lithium sulfur battery |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020010060582A KR20030027395A (en) | 2001-09-28 | 2001-09-28 | Lithium sulfur battery |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR2020010035535U Division KR200265012Y1 (en) | 2001-11-19 | 2001-11-19 | Lithium sulfur battery |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20030027395A true KR20030027395A (en) | 2003-04-07 |
Family
ID=29562868
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020010060582A KR20030027395A (en) | 2001-09-28 | 2001-09-28 | Lithium sulfur battery |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20030027395A (en) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100485092B1 (en) * | 2002-08-06 | 2005-04-22 | 삼성에스디아이 주식회사 | Lithium-suflur battery |
| WO2009002426A1 (en) * | 2007-06-22 | 2008-12-31 | Sion Power Corporation | Lithium alloy/sulfur batteries |
| WO2014109523A1 (en) * | 2013-01-08 | 2014-07-17 | 주식회사 엘지화학 | Cathode active material for lithium-sulfur battery and manufacturing method therefor |
| US9040197B2 (en) | 2011-10-13 | 2015-05-26 | Sion Power Corporation | Electrode structure and method for making the same |
| US9123968B2 (en) | 2010-12-03 | 2015-09-01 | Hyundai Motor Company | Lithium ion-sulfur battery and electrode for the same |
| KR20160133832A (en) * | 2015-05-13 | 2016-11-23 | 주식회사 엘지화학 | Method for manufacturing electrode for lithium-sulphur battery, and electrode for lithium-sulphur battery using the same |
| US9548492B2 (en) | 2011-06-17 | 2017-01-17 | Sion Power Corporation | Plating technique for electrode |
| US10629947B2 (en) | 2008-08-05 | 2020-04-21 | Sion Power Corporation | Electrochemical cell |
| WO2020122452A3 (en) * | 2018-12-10 | 2020-07-30 | 경상대학교 산학협력단 | Sulfur electrode and method for manufacturing same |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09147868A (en) * | 1995-11-17 | 1997-06-06 | Yazaki Corp | Sulfide secondary battery and activated carbon fiber for electrode material |
| US6153337A (en) * | 1997-12-19 | 2000-11-28 | Moltech Corporation | Separators for electrochemical cells |
| KR20010043145A (en) * | 1998-05-01 | 2001-05-25 | 폴리플러스 배터리 컴퍼니 인코포레이티드 | Encapsulated lithium electrodes having glass protective layers and method for their preparation |
-
2001
- 2001-09-28 KR KR1020010060582A patent/KR20030027395A/en active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09147868A (en) * | 1995-11-17 | 1997-06-06 | Yazaki Corp | Sulfide secondary battery and activated carbon fiber for electrode material |
| US6153337A (en) * | 1997-12-19 | 2000-11-28 | Moltech Corporation | Separators for electrochemical cells |
| KR20010043145A (en) * | 1998-05-01 | 2001-05-25 | 폴리플러스 배터리 컴퍼니 인코포레이티드 | Encapsulated lithium electrodes having glass protective layers and method for their preparation |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100485092B1 (en) * | 2002-08-06 | 2005-04-22 | 삼성에스디아이 주식회사 | Lithium-suflur battery |
| WO2009002426A1 (en) * | 2007-06-22 | 2008-12-31 | Sion Power Corporation | Lithium alloy/sulfur batteries |
| US10629947B2 (en) | 2008-08-05 | 2020-04-21 | Sion Power Corporation | Electrochemical cell |
| US9123968B2 (en) | 2010-12-03 | 2015-09-01 | Hyundai Motor Company | Lithium ion-sulfur battery and electrode for the same |
| US9548492B2 (en) | 2011-06-17 | 2017-01-17 | Sion Power Corporation | Plating technique for electrode |
| US11456459B2 (en) | 2011-06-17 | 2022-09-27 | Sion Power Corporation | Plating technique for electrode |
| US9040197B2 (en) | 2011-10-13 | 2015-05-26 | Sion Power Corporation | Electrode structure and method for making the same |
| WO2014109523A1 (en) * | 2013-01-08 | 2014-07-17 | 주식회사 엘지화학 | Cathode active material for lithium-sulfur battery and manufacturing method therefor |
| US9985291B2 (en) | 2013-01-08 | 2018-05-29 | Lg Chem, Ltd. | Cathode active material for lithium-sulfur battery and manufacturing method therefor |
| KR20160133832A (en) * | 2015-05-13 | 2016-11-23 | 주식회사 엘지화학 | Method for manufacturing electrode for lithium-sulphur battery, and electrode for lithium-sulphur battery using the same |
| WO2020122452A3 (en) * | 2018-12-10 | 2020-07-30 | 경상대학교 산학협력단 | Sulfur electrode and method for manufacturing same |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100378014B1 (en) | Electrode for lithium secondary batteries and lithium secondary batteries | |
| US20110179636A1 (en) | Intercalation anode protection for cells with dissolved lithium polysulfides | |
| US20130095377A1 (en) | Lithium cell and method of forming same | |
| WO2010073978A1 (en) | Lithium secondary cell | |
| KR20040028558A (en) | Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery | |
| KR20030032182A (en) | Electrode active materials for lithium secondary batteries, method for preparing the same, and lithium secondary batteries using the same | |
| US6146791A (en) | Hydrogenated fullerenes as an additive to carbon anode for rechargeable lithium-ion batteries | |
| JP4664978B2 (en) | Non-aqueous electrolyte containing oxygen anion and lithium secondary battery using the same | |
| US6489061B1 (en) | Secondary non-aquenous electrochemical cell configured to improve overcharge and overdischarge acceptance ability | |
| US20130101903A1 (en) | Lithium electrochemical accumulator having a specific bipolar architecture | |
| KR20030027395A (en) | Lithium sulfur battery | |
| KR100484713B1 (en) | Lithium ion secondary battery comprising overdischarge retardant | |
| EP1479118B9 (en) | Electrochemical cell comprising carbonaceous material and molybdenum carbide as anode | |
| KR100529108B1 (en) | Current collector for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising same | |
| KR200265012Y1 (en) | Lithium sulfur battery | |
| KR20020055572A (en) | Non-aqueous electrolyte secondary battery | |
| KR100432669B1 (en) | Negative active material for rechargeable lithium batteries and preparing for same | |
| KR100370289B1 (en) | Lithium-Sulfur batteries | |
| KR20020068783A (en) | Method of Manufacturing Cathode And Energy Storage System Including The Same | |
| US20220393229A1 (en) | Secondary battery | |
| KR20220160721A (en) | Lithium-sulfur battery comprising sulfur-free based cathode | |
| KR100578796B1 (en) | Electrolyte for rechargeable lithium battery and rechargeable lithium battery comprising same | |
| KR100381612B1 (en) | Method for Enhancing the Cycling Efficiency of Lithium-Sulfur Batteries | |
| KR100553733B1 (en) | Organic electrolyte compositions and lithium secondary battery using the same | |
| KR20030006745A (en) | Cathodic electrode of lithium-sulfur battery and method for preparring the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| NORF | Unpaid initial registration fee |