KR100373835B1 - A Lithium-Sulfur Secondary Battery - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 설퍼 2차 전지에 관한 것으로서, ⅰ) 단체황, 리튬설파이드, 및 리튬폴리설파이드로 이루어진 군에서 선택되는 활물질을 사용하는 양극, ⅱ) 리튬금속 또는 리튬금속의 합금을 사용하는 음극 및 ⅲ) 이온 전도성과 전기적 전도성을 동시에 가지며, 상기 양극 활물질을 코팅하는 폴리머 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 설퍼 2차 전지를 제공함으로써 리튬 설퍼 2차 전지의 수명특성을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a lithium sulfur secondary battery, i) a positive electrode using an active material selected from the group consisting of simple sulfur, lithium sulfide, and lithium polysulfide, ii) a negative electrode using lithium metal or an alloy of lithium metal; Iii) The lithium sulfur secondary battery can improve the lifespan of the lithium sulfur secondary battery by providing a lithium sulfur secondary battery having both ion conductivity and electrical conductivity at the same time and including a polymer film coating the positive electrode active material.
Description
본 발명은 리튬 설퍼 2차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 리튬 설퍼 2차 전지에 양극으로 사용되는 양극 극판의 전도성을 향상시킴으로써 리튬 설퍼 2차 전지의 용량을 증대시킬 수 있는 개선된 리튬 설퍼 2차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium sulfur secondary battery, and more particularly, an improved lithium sulfur 2 which can increase the capacity of a lithium sulfur secondary battery by improving conductivity of a positive electrode plate used as a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery. Relates to a car battery.
휴대용 전자기기의 급속한 발전에 따라 2차 전지의 수요를 증가시키고 있다. 휴대용 전자기기의 경박단소의 추세에 부응할 수 있는 고 에너지 밀도의 전지의 등장이 지속적으로 요구되고 있으며, 이러한 요구에 부응하기 위해서는 값싸고 안전하고 환경친화적인 면을 만족시키는 전지의 개발이 필요하다.With the rapid development of portable electronic devices, the demand for secondary batteries is increasing. There is a continuous demand for high energy density batteries to meet the trend of light and small size of portable electronic devices, and to meet these demands, development of batteries that satisfy inexpensive, safe and environmentally friendly aspects is required. .
이러한 요구를 만족시키는 여러 가지 전지들 중에 리튬설퍼전지는 현재까지 개발되고 있는 전지 중 에너지 밀도면에서 가장 유망하며, 리튬의 에너지 밀도는 3830 mAh/g, 황(S8)의 에너지 밀도가 1675 mAh/g으로 사용되는 활물질 자체가 값싸고 환경친화적인 물질이나 아직 이 전지 시스템으로 상용화에 성공한 예는 없는 실정이다.Lithium sulfur battery is the most promising in terms of energy density among the batteries developed so far, and the energy density of lithium is 3830 mAh / g, and the sulfur (S 8 ) energy density is 1675 mAh. The active material used in / g itself is an inexpensive and environmentally friendly material, but there are no examples of commercialization with this battery system.
리튬 설퍼 전지가 상용화될 수 없는 이유는 우선 황을 활물질로 사용하면 투입된 황의 양에 대한 전지 내 전기화학적 산화환원 반응에 참여하는 황의 양을 나타내는 이용율이 낮아 극히 낮은 전지 용량을 나타낸다는 것이다.The reason why the lithium sulfur battery cannot be commercialized is that when sulfur is used as the active material, the utilization rate indicating the amount of sulfur participating in the electrochemical redox reaction in the battery relative to the amount of sulfur added is very low, resulting in extremely low battery capacity.
또한, 산화환원 반응시에 황의 전해질로의 유출로 야기되는 전지수명의 열화 및 적절한 전해액을 선택하지 못했을 경우 황의 환원물질인 리튬설파이드(Li2S)가 석출되어 더 이상 전기화학반응에 참여하지 못하게 되는 문제점이 있다.In addition, the degradation of the battery life caused by sulfur leakage into the electrolyte during the redox reaction and when the appropriate electrolyte solution is not selected, lithium sulfide (Li 2 S), a reducing substance of sulfur, is precipitated so that it can no longer participate in the electrochemical reaction. There is a problem.
미국특허 제6,030,720호에서는 주용매가 R1(CH2CH2O)nR2(여기에서 n은 2 내지 10이고, R은 알킬 또는 알콕시 그룹), 공용매는 도우너(donor) 넘버가 15 이상인 혼합 용매를 사용하며 이러한 전해액으로는 크라운 에테르(crown ether), 크립탠드(cryptand), 도우너 용매(donor number) 중 적어도 하나를 포함하는 용매를 포함하는 액체 전해액을 사용하여 상기의 문제점을 해결하고자 하였다.In US Pat. No. 6,030,720, the main solvent is R 1 (CH 2 CH 2 O) n R 2 (where n is 2 to 10 and R is an alkyl or alkoxy group), and the cosolvent has a donor number of at least 15 Solvent is used as the electrolyte solution to solve the above problems by using a liquid electrolyte containing a solvent containing at least one of crown ether, cryptand, donor number (donor number).
또한, 미국 특허 제5,961,672호에서는 리튬 금속 음극에 폴리머 필름을 입혀 수명과 안정성을 개선하기 위하여 1M의 LiSO3CF3, 1,3-디옥소란/디그라임/설포란/디메톡시에탄(50/20/10/20)의 비율의 혼합액을 전해액으로 사용한 것을 개시하고 있다.In addition, US Pat. No. 5,961,672 discloses 1M LiSO 3 CF 3 , 1,3-dioxolane / diglyme / sulforan / dimethoxyethane (50 / The use of the liquid mixture of the ratio of 20/10/20 as electrolyte solution is shown.
미국특허 제 5,523,179호와 미국특허 제 5,814,420호에서도 상기의 문제점들을 해결하기 위한 기술적 개선 방향을 제시하고 있다.U.S. Patent No. 5,523,179 and U.S. Patent No. 5,814,420 also present technical improvement directions for solving the above problems.
한편, 리튬 설퍼 2차 전지는 리튬 금속을 음극으로 사용함으로써 전지수명의 열화를 해결해야 한다는 문제점이 있다.On the other hand, a lithium sulfur secondary battery has a problem in that deterioration of battery life is solved by using lithium metal as a negative electrode.
상기의 원인으로는 우선 충방전이 진행됨으로 인해 리튬 금속 표면에서 석출되어 성장하는 덴드라이트가 양극표면까지 닿아 전지를 단락시켜 더 이상 전지로서의 기능을 하지 못하게 되며, 또한 리튬표면과 전해액과의 반응으로 야기되는 리튬의 부식으로 전지용량의 감소가 있다.The reason for the above is that due to the charge and discharge process, the dendrites, which are deposited on the lithium metal surface and grow on the anode surface, reach the anode surface and short-circuit the battery so that the battery can no longer function as a battery. There is a reduction in battery capacity due to corrosion of lithium.
이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서는 미국특허 제6,017,651호, 미국특허 제6,025,094호 및 미국특허 제5,961,672호 등에서는 리튬전극의 표면에 보호막을 형성하는 기술을 개시하고 있다.To solve this problem, US Pat. No. 6,017,651, US Pat. No. 6,025,094, US Pat. No. 5,961,672 and the like disclose a technique for forming a protective film on the surface of a lithium electrode.
상기의 리튬 보호막이 제대로 작동하기 위한 전제 조건은 리튬 이온의 출입은 자유로워야 하나 리튬과 전해질과의 접촉을 막아야 한다. 그러나, 현재까지 알려진 방법들은 몇 가지 문제점을 안고 있다.The prerequisite for the lithium protective film to function properly is that lithium ions should be free to enter and prevent contact between lithium and the electrolyte. However, the methods known to date present some problems.
대부분의 리튬 보호막들은 전지가 조립된 후 전해액 중 첨가제와 리튬의 반응에 의해 리튬 보호막이 형성되도록 하고 있으나, 이 방법은 그 막의 형성이 치밀하지 못하여 틈으로 상당량의 전해액이 리튬 금속에 침투해 접촉할 수 있게 된다는 문제점이 있다.Most of the lithium protective films allow the lithium protective film to be formed by the reaction between the additive and the lithium in the electrolyte after the battery is assembled, but this method is not dense so that a large amount of electrolyte penetrates into the lithium metal and contacts the lithium metal. There is a problem that can be.
또 한가지 방법으로는 질소 플라즈마를 리튬 표면에서 반응시켜 리튬나이트라이드(Li3N)층을 리튬 표면에 형성시키는 방법이 있으나 이 방법도 그레인 바운더리(grain boundary)를 통한 전해액의 침투가 가능하고, 리튬나이트라이드가 수분에 약해 그 층이 분해되기 쉽고 무엇보다도 포텐셜 윈도우(potential window)가 낮아(0.45 V) 실제로 사용되기 어렵다는 문제점이 있다.Another method is to form a lithium nitride (Li 3 N) layer on the surface of lithium by reacting a nitrogen plasma on the surface of lithium, but this method also allows the electrolyte to penetrate through grain boundaries. Nitride is weak in moisture and the layer is easy to decompose, and above all, the potential window (potential window) is low (0.45 V) is difficult to actually use.
또 다른 방법으로는 LiPON(Litium phosphorus oxynitride)을 리튬표면에 스퍼터링하는 방법에 의해 박막을 입히는 방법이 있다. 그러나, 이 방법에 의해 제조된 LiPON도 다공성이어서 사용하기엔 적합하지 않으며 또 그 방법 자체가 고비용이어서 전지 공정에 불리한 면이 있다는 문제점이 있다.Another method is to deposit a thin film by sputtering LiPON (Litium phosphorus oxynitride) on the lithium surface. However, LiPON produced by this method is also porous, which is not suitable for use, and the method itself is expensive and thus disadvantageous in battery processing.
미국특허 제5,919,587호에서는 양극이 -S-S-S- 부분을 포함하는 전기적으로 활성(electroactive)인 황 함유 물질과 이를 감싸는 전기적으로 활성인 전이 금속의 칼코겐화 화합물(transition metal chalcogenide)로 이루어진 리튬 설퍼 2차 전지를 개시하고 있다.U.S. Patent No. 5,919,587 discloses a lithium sulfur secondary battery in which the anode consists of an electrically active sulfur containing material comprising a -SSS- moiety and an electrically active transition metal chalcogenide surrounding the same. It is starting.
이 특허에서 사용한 방법은 전기적으로 활성인 전이 금속의 칼코겐화 화합물 용액에 전기적으로 활성인 황 함유 물질을 넣은 후 도전제를 넣어 양극합제를 만드는 방법으로 기본적으로는 칼코겐화 화합물이 황 함유 양극 물질을 효과적으로 감싸고 붙잡아주는 것으로 이는 화학적인 정전기적 인력으로 붙잡는 것이므로, 물리적인 힘보다는 그 결합이 약하므로 양극을 효과적으로 감쌀 수 없다는 문제점이 있다.The method used in this patent is a method in which an electrically active sulfur-containing material is added to a solution of an electrically active transition metal chalcogenide compound, followed by a conductive agent to make a positive electrode mixture. Since it effectively wraps and catches it, it catches with a chemical electrostatic attraction, and thus, there is a problem in that the anode cannot be effectively wrapped because the bond is weaker than the physical force.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 리튬 설퍼 2차 전지에 사용되는 양극판을 개선하여 수명특성이 향상된 리튬 설퍼 2차 전지를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the problems described above, an object of the present invention is to provide a lithium sulfur secondary battery with improved life characteristics by improving the positive electrode plate used in the lithium sulfur secondary battery.
본 발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은The present invention to achieve the above object, the present invention
ⅰ) 단체황, 리튬설파이드, 및 리튬폴리설파이드로 이루어진 군에서 선택되는 활물질을 사용하는 양극;Iii) a positive electrode using an active material selected from the group consisting of simple sulfur, lithium sulfide, and lithium polysulfide;
ⅱ) 리튬금속 또는 리튬금속의 합금을 사용하는 음극; 및Ii) a negative electrode using lithium metal or an alloy of lithium metal; And
ⅲ) 이온 전도성과 전기적 전도성을 동시에 가지며, 상기 양극 활물질을 코팅하는 폴리머 필름Iii) a polymer film having an ion conductivity and an electrical conductivity at the same time, and coating the cathode active material
을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 설퍼 2차 전지를 제공한다.It provides a lithium sulfur secondary battery comprising a.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에서는 리튬 설퍼 2차 전지의 양극 활물질로 사용되는 S8, 리튬폴리설파이드, 리튬설파이드 등의 전극 반응 중에 전해액에 녹거나 또는 석출되어 양극판 밖으로 빠져나와 더 이상 전기화학반응에 참여하지 못하는 것을 개선하기 위한 것으로 양극 극판 제조시 S8, 리튬설파이드, 리튬폴리설파이드 등의 양극 활물질로 사용되는 활성황을 적합한 폴리머로 코팅하여 양극 활물질의 탈락을 억제하도록 한 것이다.In the present invention, during the electrode reaction of S 8 , lithium polysulfide, and lithium sulfide used as a positive electrode active material of a lithium sulfur secondary battery, it melts or precipitates in an electrolyte and escapes from the positive electrode plate, thereby preventing it from participating in the electrochemical reaction any more. In order to prevent the dropping of the positive electrode active material by coating an active sulfur used as a positive electrode active material such as S 8 , lithium sulfide, lithium polysulfide in the production of a positive electrode plate with a suitable polymer.
상기 폴리머로는 이온 전도성 및 전기 전도성이 있는 폴리머가 바람직하다.The polymer is preferably a polymer having ion conductivity and electric conductivity.
폴리머로는 양극 활물질에 코팅되는 폴리머로는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)와 헥사플루오르포스페이트(HFP)의 공중합체, 폴리(메틸메타아크릴레이트), 폴리(비닐아세테이트), 폴리(비닐 부티랄-코-비닐알콜-코-비닐아세테이트), 폴리(메틸메타아크릴레이트-코-에틸아크릴레이트), 폴리아크릴니트릴, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐클로라이드-코-비닐아세테이트, 폴리비닐알콜, 폴리(1-비닐피롤리돈-코-비닐아세테이트), 셀루로우스 아세테이트, 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택되는 폴리머를 사용하는 것이 바람직하며, 사용되는 전해액에서 이온전도도를 지닐 수 있는 폴리머를 사용하는 것이 바람직하다.Polymers coated on the positive electrode active material include polyvinylidene fluoride (PVDF), copolymers of polyvinylidene fluoride (PVDF) and hexafluorophosphate (HFP), poly (methyl methacrylate), and poly (vinyl). Acetate), poly (vinyl butyral-co-vinylalcohol-co-vinylacetate), poly (methylmethacrylate-co-ethylacrylate), polyacrylonitrile, polyethylene oxide, polyvinylchloride-co-vinylacetate, It is preferable to use a polymer selected from the group consisting of polyvinyl alcohol, poly (1-vinylpyrrolidone-co-vinylacetate), cellulose acetate, and polyvinylpyrrolidone, and ion conductivity in the electrolyte solution used Preference is given to using polymers capable of having.
상기 양극 활물질을 코팅하는 폴리머는 전해액에 대한 용해도가 지나치게 높거나 팽윤되면 코팅막으로서의 역할을 수행하지 못하므로 전해액에 대한 용해도가 적정하여야 한다.The polymer coating the cathode active material does not play a role as a coating film if the solubility in the electrolyte is too high or swelled, so the solubility in the electrolyte should be appropriate.
상기 폴리머의 양은 양극판을 구성하는 전체 합제의 양에 대하여 20 중량% 이하가 바람직하며, 더욱 바람직하기로는 10 중량% 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 바인더의 양이 많아지면 이온 전도성 및 전기 전도성이 저하될 뿐만 아니라 극판의 에너지 밀도도 감소하며 바인더의 양이 적으면 목적하는 효과가 발생하지 않는다.The amount of the polymer is preferably 20% by weight or less, more preferably 10% by weight or less with respect to the total amount of the mixture constituting the positive electrode plate. Increasing the amount of the binder not only decreases the ion conductivity and the electrical conductivity, but also decreases the energy density of the electrode plate. When the amount of the binder is small, the desired effect does not occur.
또한, 양극판의 전도성을 향상시키기 위하여 도전성 물질을 더욱 포함하여 사용할 수 있다. 도전성 물질로는 카본 또는 금속 분말을 사용할 수 있다.In addition, a conductive material may be further included to improve conductivity of the positive electrode plate. Carbon or metal powder may be used as the conductive material.
상기 전도성 물질의 사용량은 바람직하기로는 20 중량% 이하를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 전도성 물질의 사용량이 20 중량%를 넘는 경우에는 극판의 에너지 밀도가 낮아지므로 바람직하지 않다.The amount of the conductive material is preferably used 20% by weight or less. If the amount of the conductive material exceeds 20% by weight, it is not preferable because the energy density of the electrode plate is lowered.
상기 전도성 물질은 양극판 제조시 폴리머필름에 도전성 물질을 함께 분산하여 제조한다.The conductive material is prepared by dispersing the conductive material together in the polymer film during the production of the positive electrode plate.
한편, 상기 전기화학반응 중에 양극 활물질이 전해액으로의 용해를 통한 또는 용해되지 않은 리튬 설파이드, 리튬폴리설파이드 등의 석출등으로 인한 활물질의 손실을 막기 위해서는 상기 폴리머필름의 코팅 두께는 평균 20 ㎛ 이하가 바람직하고, 더욱 바람직하기로는 5 ㎛ 이하이어야 한다.On the other hand, in order to prevent loss of the active material due to the dissolution of the positive electrode active material into the electrolyte during the electrochemical reaction or due to undissolved lithium sulfide, lithium polysulfide, etc., the coating thickness of the polymer film is 20 μm or less on average. Preferably, more preferably 5 μm or less.
본 발명에서 사용될 수 있는 전해액으로는 벤젠, 플루오르벤젠, 톨루엔, 트리플루오로톨루엔(FT), 자일렌(xylene), 사이클로헥산, 테트라하이드로퓨란(THF), 2-메틸테트라하이드로퓨란(2-MeTHF), 에탄올, 이소프로필알콜(IPA), 디메틸카보네이트(DMC), 에틸렌메틸렌카보네이트(EMC), 디에틸카보네이트(DEC), 메틸프로필카보네이트(MPC), 메틸프로피오네이트(MP), 에틸프로피오네이트(EP), 메틸아세테이트(MA), 에틸아세테이트(EA), 프로필아세테이트(PA), 디메틸에스테르(DME), 1,3-디옥소란(1,3-Dioxolane), 디그라임(DGM), 테트라그라임(TGM), 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 감마부틸로락톤(GBL), 설포란, 디메틸설폰, 디알킬카보네이트, 디메틸카보네이트(DMC), 부틸로락톤, N-메틸피롤리돈, 테트라메틸우레아, 그라임, 에테르, 크라운에테르, 디메톡시에탄, 디그라임, 디메톡시 에탄, 헥사메틸포스포아미드, 피리딘, N,N-디에틸아세트아미드, N,N-디에틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, 테트라메틸우레아, N,N-디메틸아세트아미드, N,N-디메틸포름아미드, 트리부틸포스페이트, 트리메틸포스페이트, 테트라메틸렌디아민, 테트라메틸프로필렌디아민, 펜타메틸디에틸렌트리아민 트리메틸포스페이트, 및 테트라메틸렌디아민으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 전해액을 사용할 수 있다.Electrolytes that can be used in the present invention include benzene, fluorobenzene, toluene, trifluorotoluene (FT), xylene, cyclohexane, tetrahydrofuran (THF), 2-methyltetrahydrofuran (2-MeTHF ), Ethanol, isopropyl alcohol (IPA), dimethyl carbonate (DMC), ethylene methylene carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), methyl propyl carbonate (MPC), methyl propionate (MP), ethyl propionate (EP), methyl acetate (MA), ethyl acetate (EA), propyl acetate (PA), dimethyl ester (DME), 1,3-dioxolane (1,3-Dioxolane), diglyme (DGM), tetra Glyme (TGM), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), gamma butyrolactone (GBL), sulfolane, dimethyl sulfone, dialkyl carbonate, dimethyl carbonate (DMC), butyrolactone, N-methylpy Ralidone, Tetramethylurea, Glyme, Ether, Crownether, Dimethoxyethane, Diglyme, Methoxy ethane, hexamethylphosphoamide, pyridine, N, N-diethylacetamide, N, N-diethylformamide, dimethylsulfoxide, tetramethylurea, N, N-dimethylacetamide, N, N- One or more electrolyte solutions selected from the group consisting of dimethylformamide, tributyl phosphate, trimethyl phosphate, tetramethylenediamine, tetramethylpropylenediamine, pentamethyldiethylenetriamine trimethylphosphate, and tetramethylenediamine can be used.
한편, 전해염으로는 LiPF6, LiSO3CF3, LiN(SO2CF3)2, LiClO4, LiBF4, 및 LiAsF6로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 리튬염을 사용하는 것이 바람직하다.On the other hand, it is preferable to use at least one lithium salt selected from the group consisting of LiPF 6 , LiSO 3 CF 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiClO 4 , LiBF 4 , and LiAsF 6 .
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 제시한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 발명이 하기하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention. However, the following examples are only presented to aid the understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
전지의 제조Manufacture of batteries
실시예Example
(양극 제조)(Anode manufacturing)
아세토니트릴을 용매로 하여 폴리(메틸메타아크릴레이트)를 녹여 겔상의 바인더 용액을 제조하고 여기에 전기적 전도성을 확보하기 위한 도전제로 카본분말(super-P)를 첨가하여 분산시킨 후 평균입도가 20 ㎛ 정도가 되도록 분쇄된 황(S8) 분말을 추가하여 볼밀로 하루 이상 교반하였다. 에어스프레이를 이용하여 허공에 분사시켜 용매가 휘발되어 순간적으로 건조된 미세한 입자들을(< 100 ㎛) 얻을 수 있었다.Melt poly (methyl methacrylate) using acetonitrile as a solvent to prepare a gel-like binder solution, and disperse it by adding carbon powder (super-P) as a conductive agent to ensure electrical conductivity. Sulfur (S 8 ) powder pulverized to the degree was added and stirred with a ball mill for at least one day. By spraying the air using an air spray, the solvent was volatilized to obtain instantaneously dried fine particles (<100 μm).
황 주위에 코팅된 폴리머는 아세토니트릴의 증발로 발생한 미세한 기공(pore)으로 인하여 이후로 전해액에 침적하는 경우 이온 전도성을 획득할 수 있도록 제조되었으며 또한 같이 투입된 카본 분말은 전기적인 전도성을 부여하였다.The polymer coated around the sulfur was prepared to obtain ionic conductivity when it is subsequently deposited in the electrolyte due to the fine pores generated by evaporation of acetonitrile, and the carbon powder added together imparts electrical conductivity.
이렇게 제조된 분말(황+도전제+폴리머)을 폴리머 필름에 대한 용해성이 전혀 없는 이소프로필알콜(iosopropylalcohol)에 넣고 여기에 전극의 바인더로 사용될폴리비닐피리돈(polyvinylpylidone)과 도전제로 슈퍼-P를 추가로 투입한 뒤 볼밀을 이용하여 하루 이상 교반한 뒤 카본이 코팅된 알루미늄 기재 위에 코팅하여 양극 극판을 형성시킨 뒤 60 ℃ 열풍 건조로에서 1시간 정도 건조하여 양극판을 완성하였다.The powder (sulfur + conductor + polymer) thus prepared is placed in isopropylalcohol having no solubility in a polymer film, and super-P is used as a polyvinylpylidone and a conductive agent. After additionally, the mixture was stirred for at least one day using a ball mill and then coated on a carbon-coated aluminum substrate to form a positive electrode plate, followed by drying for about 1 hour in a 60 ° C. hot air drying furnace, to complete the positive electrode plate.
완성된 양극판 합제의 조성은 황:PMMA;PVP:슈퍼-P의 중량%비가 60:10:10:20이 되도록 하였다.The composition of the finished positive electrode mixture was such that the weight% ratio of sulfur: PMMA; PVP: super-P was 60: 10: 10: 20.
(음극 제조)(Cathode production)
음극으로는 산화되지 않은 두께가 50 마이크론인 리튬금속호일을 사용하였다.As the cathode, a lithium metal foil having a thickness of 50 microns without oxidation was used.
(전지 조립)(Battery assembly)
제조된 양극을 진공오븐(60 ℃)에서 하루 이상 방치한 후 수분과 산소가 제어되는 글로브 박스로 옮기고 이후 작업은 글로브 박스에서 진행하였다. 양극판과 음극판을 일정한 크기로 잘라 양극과 음극용 탭을 부탁시킨 후 폴리에틸렌 세퍼레이터를 사이에 두고 일정한 장력(tension)을 가하면서 와인딩(winding) 권취하여 전지의 외장재인 파우치(pouch)에 삽입하고 전해액이 주입될 부분만 제외하고 나머지 부분은 밀봉시켰다.The prepared anode was left in a vacuum oven (60 ℃) for more than one day and then moved to a glove box in which moisture and oxygen are controlled. Cut the positive and negative plates to a certain size, and ask for the positive and negative tabs. Winding is applied with a certain tension between the polyethylene separators and inserted into a pouch. The remaining part was sealed except for the part to be injected.
(전해액 주입)(Electrolyte injection)
전해액은 1 M의 LiSO3CF3, 1,3-디옥소란/디그라임/설포란/디메톡시 에탄을 부피비로 50/20/10/20의 비율로 사용하였고, 이를 파우치 주입부를 통해 주입한 후밀봉시킨 후 하루 이상 방치하여 숙성(aging)시킨 후 전지 특성을 평가하였다.The electrolyte solution was used in a ratio of 50/20/10/20 of 1 M LiSO 3 CF 3 , 1,3-dioxolane / diglyme / sulfolane / dimethoxy ethane in a volume ratio, which was injected through the pouch inlet After sealing, the cells were left for one day or more to age and then battery characteristics were evaluated.
비교예Comparative example
양극제만이 실시예와 다르고 나머지 과정은 실시예와 동일하게 진행하여 리튬설퍼 전지를 제조하였다.Only the positive electrode was different from the embodiment, and the rest of the procedure was carried out in the same manner as in the embodiment to prepare a lithium sulfur battery.
양극은 이소프로필알콜을 용매로 하여 전지의 바인더로 쓰이는 폴리비닐피롤리돈을 녹여 바인더 용액을 제조하고 여기에 전기적 전도성을 확보하기 위한 도전제로 카본분말(Super-P)를 첨가하여 분산시킨 후 평균입도가 20 마이크론 정도로 분쇄된 황(S8) 분말을 추가하여 볼밀로 하루 이상 교반하였다(S8:바인더:도전제=60:20:20). 이를 카본 코팅이 된 알루미늄 호일 기재에 일정한 두께로 닥터 블레이드를 이용하여 코팅한 후 60 ℃ 건조로에서 1시간 건조하였다.The positive electrode was prepared by dissolving polyvinylpyrrolidone, which is used as a battery binder, using isopropyl alcohol as a solvent to prepare a binder solution, and adding and dispersing carbon powder (Super-P) as a conductive agent to ensure electrical conductivity. Sulfur (S 8 ) powder, which had a particle size of about 20 microns, was added and stirred with a ball mill for at least one day (S 8 : binder: conductive agent = 60: 20: 20). It was coated on a carbon coated aluminum foil substrate using a doctor blade with a constant thickness and then dried in a 60 ° C. drying furnace for 1 hour.
상기의 실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 전지를 1 mA/㎠의 일정한 전류밀도로 충방전을 반복하여 수명특성을 비교하였으며 충전 및 방전 컷-오프(cut-off)는 각각 2.75 V와 1.8 V에서 하였다. 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.The battery prepared by Example 1 and Comparative Example 1 was repeated charging and discharging at a constant current density of 1 mA / ㎠ to compare the life characteristics and the charge and discharge cut-off (cut-off) is 2.75 V and At 1.8 V. The results are shown in Table 1 below.
표 1Table 1
상기 표 1에 기재된 실시예와 비교예의 결과를 살펴보면, 사이클 회수가 거듭될수록 전지의 사이클 용량이 실시예에 의해 제조된 본 발명의 양극판을 사용하는 전지가 비교예의 전지보다 용량의 감소가 적은 것을 알 수 있다.Looking at the results of the Examples and Comparative Examples described in Table 1, it is found that as the number of cycles is repeated, the battery using the positive electrode plate of the present invention produced by the Example has a smaller decrease in capacity than the battery of the Comparative Example Can be.
본 발명의 양극판을 사용하여 제조된 리튬 설퍼 2차 전지는 수명특성이 향상되었음을 알 수 있다.It can be seen that the lithium sulfur secondary battery manufactured using the positive electrode plate of the present invention has improved life characteristics.
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