KR100382302B1 - Positive active material composition for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery manufactured using same - Google Patents

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KR100382302B1 KR10-2000-0076694A KR20000076694A KR100382302B1 KR 100382302 B1 KR100382302 B1 KR 100382302B1 KR 20000076694 A KR20000076694 A KR 20000076694A KR 100382302 B1 KR100382302 B1 KR 100382302B1
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Abstract

본 발명은 리튬-황 전지용 양극 활물질 조성물 및 이를 사용하여 제조된 리튬-황 전지로서, 상기 양극 활물질 조성물은 황 화합물을 포함하는 양극 활물질, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 아세테이트 및 폴리비닐 피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 폴리머를 포함하는 바인더, 도전재 및 디메틸포름아미드, 이소프로필알콜 및 아세토니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 것인 유기 용매를 포함한다.The present invention is a lithium-sulfur battery positive electrode active material composition and a lithium-sulfur battery prepared using the same, the positive electrode active material composition is a positive electrode active material containing a sulfur compound, polyvinylidene fluoride, polyvinyl acetate and polyvinyl pyrrolidone It includes a binder, a conductive material and at least one organic solvent selected from the group consisting of dimethylformamide, isopropyl alcohol and acetonitrile.

상기 활물질 조성물을 이용하여 제조된 리튬-황 전지는 초기 방전 용량뿐만 아니라 사이클 수명 특성이 기존의 리튬-황 전지에 비하여 크게 향상되었음을 알 수 있다.Lithium-sulfur battery prepared using the active material composition can be seen that not only the initial discharge capacity but also the cycle life characteristics are significantly improved compared to the conventional lithium-sulfur battery.

Description

리튬-황 전지용 양극 활물질 조성물 및 이를 사용하여 제조된 리튬-황 전지{POSITIVE ACTIVE MATERIAL COMPOSITION FOR LITHIUM-SULFUR BATTERY AND LITHIUM-SULFUR BATTERY MANUFACTURED USING SAME}A positive electrode active material composition for a lithium-sulfur battery, and a lithium-sulfur battery manufactured using the same, the present invention relates to a lithium-sulfur battery.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 리튬-황 전지용 양극 활물질 조성물 및 이를 사용하여 제조된 리튬-황 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양극 활물질 결착력이 우수하여, 사이클 수명 특성이 우수한 리튬-황 전지용 양극 활물질 조성물 및 이를 사용하여 제조된 리튬-황 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode active material composition for a lithium-sulfur battery and a lithium-sulfur battery manufactured using the same, and more particularly, a positive electrode active material composition for a lithium-sulfur battery having excellent positive electrode active material binding ability and excellent cycle life characteristics, and use thereof It relates to a lithium-sulfur battery prepared by.

[종래 기술][Prior art]

휴대용 전자기기의 급속한 발전에 따라 이차 전지의 수요가 증가되고 있다.특히, 휴대용 전자기기의 작고, 가볍고, 얇고, 작아지는 추세에 부응할 수 있는 고 에너지 밀도의 전지의 등장이 지속적으로 요구되고 있으며, 또한, 값싸고 안전하며 환경친화적인 면을 만족시켜야 하는 전지가 요구되고 있다.With the rapid development of portable electronic devices, the demand for secondary batteries is increasing. In particular, there is a continuous demand for the emergence of high energy density batteries that can meet the trend toward smaller, lighter, thinner and smaller portable electronic devices. In addition, there is a need for a battery that must satisfy inexpensive, safe and environmentally friendly aspects.

리튬-황 전지는 사용되는 활물질 자체가 값싸고 환경친화적인 물질이며, 에너지 밀도 측면에서 리튬의 에너지 밀도는 3830 mAh/g이고, 황의 에너지 밀도는 1675 mAh/g으로 에너지 밀도가 높을 것으로 예상됨에 따라 상기 조건을 만족시키는 가장 유망한 전지로 부각되고 있다.Lithium-Sulfur battery is an inexpensive and environmentally friendly material, the energy density of lithium in terms of energy density is 3830 mAh / g, the energy density of sulfur is expected to be 1675 mAh / g high energy density It is emerging as the most promising battery which satisfies the above conditions.

이러한 리튬-황 전지는 황-황 결합(Sulfur-Sulfur combination)을 가지는 황 계열 화합물을 양극 활물질로 사용하고, 리튬과 같은 알카리 금속 또는 리튬 이온 등과 같은 금속 이온의 삽입 및 탈삽입이 일어나는 탄소계 물질을 음극 활물질로 사용하는 이차 전지로서, 환원 반응시(방전시) S-S 결합이 끊어지면서 S의 산화수가 감소하고, 산화 반응시(충전시) S의 산화수가 증가하면서 S-S 결합이 다시 형성되는 산화-환원 반응을 이용하여 전기적 에너지를 저장 및 생성한다.The lithium-sulfur battery uses a sulfur-based compound having a sulfur-sulfur combination as a positive electrode active material, and an alkali metal such as lithium or a carbon-based material in which insertion and deintercalation of metal ions such as lithium ions occur. As a negative electrode active material, wherein the oxidation number of S decreases as the SS bond is broken during the reduction reaction (discharge), and the oxidation of the SS bond is formed again when the oxidation number of S increases during the oxidation reaction (charging). Reduction reactions are used to store and generate electrical energy.

상기 리튬-황 전지에서 양극은 양극 활물질, 바인더, 도전재 및 유기 용매를 혼합하여 양극 활물질 슬러리 조성물을 제조하고, 이 슬러리 조성물을 전류 집전체에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더는 활물질이나 도전재가 상기 전류 집전체로부터 떨어지지 않도록 하는 역할을 한다. 리튬-황 전지에서 사용되는 바인더로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 폴리에틸렌 옥사이드 등을 들 수 있다. 그러나 이러한 바인더를 사용하여도 리튬-황 전지에서 양극 활물질이 상기 전류 집전체로부터 떨어지기 쉬운 문제점이 있었다.In the lithium-sulfur battery, the positive electrode is prepared by mixing a positive electrode active material, a binder, a conductive material, and an organic solvent to prepare a positive electrode active material slurry composition, and coating the slurry composition on a current collector. The binder serves to prevent the active material or the conductive material from falling off from the current collector. Examples of the binder used in the lithium-sulfur battery include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride or polyethylene oxide. However, even when such a binder is used, there is a problem in that a positive electrode active material easily falls from the current collector in a lithium-sulfur battery.

따라서 양극 활물질의 탈락을 방지하기 위하여, 미국 특허 제 5,919,587 호(Moltech사)에는 -S-S-S- 잔기를 포함하는 전기활성 황-함유 물질(electroactive sulfur-containing material)과 이를 감싸는 전기활성 전이 금속 칼코게나이드(electroactive transition metal chalcogenide)로 이루어진 양극 활물질이 기술되어 있다. 상기 미국 특허에서 사용한 방법은 전기활성 전이 금속 칼코게나이드 용액에 전기활성 황-함유 물질을 넣은 후 도전재를 넣어 양극 활물질 슬러리 조성물을 만들고, 이 양극 활물질 슬러리 조성물을 전류 집전체에 코팅하는 방법이다. 상기 미국 특허에서는, 사용한 전기활성 전이 금속 칼코게나이드가 전기활성 황-함유 음극 물질을 효과적으로 감싸고, 붙잡아주는 것이다. 이 방법은 전이 금속 칼코게나이드가 양극 활물질을 화학적인 정전기적 인력으로 붙잡아 전류 집전체로부터의 탈락을 방지하는 방법이나, 그 효과가 크지 않다.Therefore, in order to prevent dropping of the positive electrode active material, US Patent No. 5,919,587 (Moltech) discloses an electroactive sulfur-containing material including -SSS- moiety and an electroactive transition metal chalcogenide surrounding the same. A cathode active material consisting of (electroactive transition metal chalcogenide) is described. The method used in the above-mentioned US patent is a method of adding an electroactive sulfur-containing material to an electroactive transition metal chalcogenide solution and then adding a conductive material to prepare a cathode active material slurry composition, and coating the cathode active material slurry composition on a current collector. . In this U.S. patent, the electroactive transition metal chalcogenides used effectively wrap and hold the electroactive sulfur-containing negative electrode material. This method is a method in which the transition metal chalcogenide catches the positive electrode active material by chemical electrostatic attraction to prevent dropping from the current collector, but its effect is not great.

미국 특허 제 5,961,672 호(Moltech 사)에는 리튬 금속 음극에 폴리머 필름을 입혀 수명과 안전성을 향상시킨 특허이다. 여기서 사용한 양극 바인더로는 TEFLONTM(PTFE-K30, 듀폰)을 사용했으나 이 바인더로 인한 성능 개선에 대한 언급은 전혀 없는 실정이다.U.S. Patent No. 5,961,672 (Moltech) discloses a polymer film coated on a lithium metal anode to improve its life and safety. TEFLON (PTFE-K30, DuPont) was used as the positive electrode binder, but there is no mention of improvement in performance due to the binder.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 양극 활물질을 전류 집전체에 견고하게 부착시킬 수 있는 리튬-황 전지용 양극 활물질 조성물을 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a cathode active material composition for a lithium-sulfur battery capable of firmly attaching a cathode active material to a current collector.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 양극 활물질을 전류 집전체에 견고하게 부착시킬 수 있으며, 우수한 이온 전도성을 나타내어 전지의 수명을 증가시킬 수 있는 리튬-황 전지용 양극 활물질 조성물을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to attach the positive electrode active material to the current collector firmly, exhibiting excellent ion conductivity can increase the life of the battery positive electrode active material for lithium-sulfur battery It is to provide a composition.

본 발명의 다른 목적은 상기 양극 활물질 조성물을 이용하여 제조된 리튬-황 전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention to provide a lithium-sulfur battery prepared using the positive electrode active material composition.

도 1은 본 발명의 실시예 1 내지 5의 리튬-황 전지의 사이클 수명을 나타낸 그래프.1 is a graph showing the cycle life of the lithium-sulfur battery of Examples 1 to 5 of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 실시예 6 내지 8의 리튬-황 전지의 사이클 수명을 나타낸 그래프.2 is a graph showing the cycle life of the lithium-sulfur battery of Examples 1 to 3 and Examples 6 to 8 of the present invention.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 황 화합물을 포함하는 양극 활물질; 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 아세테이트 및 폴리비닐 피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 폴리머를 포함하는 바인더; 도전재; 및 디메틸포름아미드, 이소프로필알콜 및 아세토니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 것인 유기 용매를 포함하는 리튬-황 전지용 양극 활물질 조성물을 제공한다. 상기 바인더는 폴리에틸렌 옥사이드 및 폴리프로필렌 옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 이온 전도성 폴리머를 더욱 포함하며, 1,3-디옥솔란 및 아세토니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 용매를 더욱 포함할 수 도 있다.In order to achieve the above object, the present invention is a positive electrode active material containing a sulfur compound; A binder comprising at least one polymer selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinyl acetate and polyvinyl pyrrolidone; Conductive material; And dimethylformamide, isopropyl alcohol, and acetonitrile. The present invention provides an anode active material composition for a lithium-sulfur battery, including an organic solvent. The binder further includes at least one ion conductive polymer selected from the group consisting of polyethylene oxide and polypropylene oxide, and may further include a solvent selected from the group consisting of 1,3-dioxolane and acetonitrile.

본 발명은 또한 황 화합물을 포함하는 양극 활물질, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 아세테이트 및 폴리비닐 피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 폴리머를 포함하는 바인더 및 도전재를 포함하는 양극; 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬과 가역적으로 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 및 리튬 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 리튬염과 유기 용매를 포함하는 전해질을 포함하는 리튬-황 전지를 제공한다.The present invention also provides a positive electrode active material comprising a sulfur compound, a positive electrode comprising a binder and a conductive material comprising at least one polymer selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinyl acetate and polyvinyl pyrrolidone; A negative electrode including a negative electrode active material selected from the group consisting of a material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions, a material capable of forming a compound reversibly with lithium, a lithium metal and a lithium alloy; And it provides a lithium-sulfur battery comprising an electrolyte comprising a lithium salt and an organic solvent.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 리튬-황 전지의 양극 극판을 제조하기 위한, 양극 활물질 조성물에서 사용되는 바인더에 관한 것이다.The present invention relates to a binder used in a positive electrode active material composition for producing a positive electrode plate of a lithium-sulfur battery.

상기 양극 활물질 조성물은, 양극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매로 구성되며, 이 조성물을 집전체에 코팅하고 건조하여 양극 극판을 제조한다. 이때 중요한 것은 바인더와 용매의 선정이다. 바인더는 먼저 용매에 잘 녹아야 하며, 황과 도전재와의 도전 네크워크를 잘 구성해주여야 하며, 또한 전해액의 함침성도 적당히 가져야 한다. 용매는 바인더를 잘 녹일 수 있어야 하며 건조가 쉬어야 한다. 또한 용매는 황을 녹여서는 안된다. 용매가 황을 녹일 경우에는 슬러리의 황이 비중이 높아(D=2.07) 황이 슬러리에서 가라앉게 되어 코팅시 집전체에 황이 몰려 도전 네트워크에 문제가 생겨 전지의 작동이 잘 안되는 경향이 있다.The positive electrode active material composition is composed of a positive electrode active material, a conductive material, a binder, and a solvent. The composition is coated on a current collector and dried to produce a positive electrode plate. The important thing at this time is the choice of binder and solvent. The binder must first be well dissolved in the solvent, and must form a conductive network of sulfur and a conductive material, and must also have an impregnation property of the electrolyte. The solvent must be able to dissolve the binder well and dry easily. Also, the solvent should not dissolve sulfur. When the solvent dissolves sulfur, the sulfur of the slurry has a high specific gravity (D = 2.07), so that the sulfur sinks in the slurry, so that the current is concentrated in the current collector during coating, causing problems in the conductive network, and thus, the battery does not operate well.

본 발명에서는 이러한 조건을 만족시키기 위한 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 아세테이트 또는 폴리비닐 피롤리돈을 하나 이상 사용하고, 유기 용매로 디메틸포름아미드, 이소프로필알콜 또는 아세토니트릴을 포함하는 유기 용매를 사용하였다.In the present invention, at least one of polyvinylidene fluoride, polyvinyl acetate or polyvinyl pyrrolidone is used as a binder to satisfy these conditions, and an organic solvent including dimethylformamide, isopropyl alcohol or acetonitrile as an organic solvent. Was used.

상기 폴리비닐리덴 플루오라이드는 활물질이나 도전재를 전류 집전체에서 떨어지지 않도록 접착력이 우수하고, 충방전이 계속 진행되어도 전기화학적으로 반응을 하지 않으며, 혼합시 분산도에서 장점이 있는 바인더이다. 또한, 상기 폴리비닐리덴 플루오라이드는 일반적으로 폴리머를 잘 용해시키는 물성을 갖는 리튬-황 전지에서 사용되는 전해질의 유기 용매에 용해되지 않는 바인더이다. 또한, 상기 폴리비닐 아세테이트는 전해액에 대한 함침성이 우수하고, 폴리비닐 피롤리돈은 전해액의 용매 중 일부에만 용해되는 적당한 함침성을 갖는 바인더이다.The polyvinylidene fluoride is a binder that has excellent adhesive strength so that the active material or the conductive material does not fall from the current collector, does not react electrochemically even when charging and discharging continues, and has an advantage in dispersion when mixing. In addition, the polyvinylidene fluoride is a binder that does not dissolve in the organic solvent of the electrolyte generally used in lithium-sulfur batteries having physical properties of dissolving the polymer well. In addition, the polyvinyl acetate is excellent in the impregnation of the electrolyte solution, polyvinyl pyrrolidone is a binder having a suitable impregnation ability to dissolve only a part of the solvent of the electrolyte solution.

이와 같이, 상기 세 가지 바인더는 리튬-황 전지에서 바인더에 요구되는 물성을 모두 갖고 있으며, 특히 폴리비닐리덴 플루오라이드는 종래에도 리튬-황 전지에서 바인더로 시도되었다. 그러나 폴리비닐리덴 플루오라이드를 실제로 리튬-황 전지에 사용한 결과 전지 특성이 매우 열화되어 실제로 사용하기는 어려웠다. 그 이유는 전지에서 양극을 제조하기 위해서는 우선 양극 활물질, 도전재와 바인더를 유기 용매에서 혼합한 슬러리 형태의 양극 활물질 조성물을 제조해야 한다. 이때 사용되는 유기 용매는 바인더는 용해시키고, 양극 활물질과 도전재는 용해시키지 않고 분산 상태로 유지시킬 수 있는 것이 가장 바람직하다. 이러한 물성을 고려할 때 폴리비닐리덴 플루오라이드 바인더에 가장 적합한 유기 용매는 N-메틸피롤리돈이다. 그러나 N-메틸피롤리돈을 사용하여 리튬-황 전지를 제조하는 경우에는, N-메틸피롤리돈이 양극 활물질인 황 화합물을 잘 용해시킬 뿐만 아니라, 충방전 사이클이 진행되지 않는 문제점이 있었다. 이러한 문제점으로 인하여, 그동안 전지에 적합한 특성을 많이 갖고 있는 폴리비닐리덴 플루오라이드 바인더를 리튬-황 전지에서는 사용할 수 없었던 것이다.As such, the three binders have all the physical properties required for the binder in the lithium-sulfur battery. In particular, polyvinylidene fluoride has been attempted as a binder in the lithium-sulfur battery. However, polyvinylidene fluoride was actually used in lithium-sulfur batteries, which resulted in very deteriorated battery characteristics, making it difficult to use in practice. The reason is that in order to manufacture a positive electrode in a battery, first, a positive electrode active material composition in the form of a slurry in which a positive electrode active material, a conductive material and a binder are mixed in an organic solvent should be prepared. The organic solvent used at this time is most preferably capable of dissolving a binder and maintaining it in a dispersed state without dissolving the positive electrode active material and the conductive material. Considering these physical properties, the most suitable organic solvent for the polyvinylidene fluoride binder is N-methylpyrrolidone. However, in the case of manufacturing a lithium-sulfur battery using N-methylpyrrolidone, N-methylpyrrolidone not only dissolves the sulfur compound which is a positive electrode active material, but also has a problem that the charge and discharge cycle does not proceed. Due to these problems, polyvinylidene fluoride binders having many properties suitable for batteries have not been available in lithium-sulfur batteries.

본 발명자들은 이러한 문제를 해결하고자 계속 연구를 진행하던 중, 유기 용매로 디메틸포름아미드, 이소프로필알콜 또는 아세토니트릴을 사용할 경우, N-메틸피롤리돈을 사용할 경우 발생되는 문제점이 없이 폴리비닐리덴 플루오라이드를, 게다가 폴리비닐 아세테이트와 폴리비닐 피롤리돈도 바인더로 리튬-황 전지에 사용할 수 있음을 알게되어 본 발명을 완성하였다.The present inventors continue to study to solve this problem, when using dimethylformamide, isopropyl alcohol or acetonitrile as an organic solvent, polyvinylidene fluoride without the problem that occurs when using N-methylpyrrolidone The present invention has been completed by knowing that the ride, in addition, polyvinyl acetate and polyvinyl pyrrolidone may be used as a binder in lithium-sulfur batteries.

본 발명에서, 바인더로 더욱 바람직하게는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 아세테이트 또는 폴리비닐 피롤리돈을 둘 이상 사용한다. 이는 바인더를 하나만 사용할 경우보다 접착력 및 전해액 함침성이 더 우수해지므로 바람직하다.In the present invention, two or more of polyvinylidene fluoride, polyvinyl acetate or polyvinyl pyrrolidone is more preferably used as the binder. This is preferable because the adhesive force and the electrolyte impregnation property is better than when only one binder is used.

또한, 바인더의 이온 전도성을 증가시켜 사이클 수명 특성을 더욱 증가시키기 위하여, 폴리에틸렌 옥사이드 또는 폴리프로필렌 옥사이드의 이온 전도성 폴리머를 더욱 사용할 수 도 있다. 이때에는 기본 바인더로 사용되는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 아세테이트 및 폴리비닐 피롤리돈(이하 "기본 바인더"라 한다)을 용해시킬 수 있는 디메틸포름아미드, 이소프로필알콜 또는 아세토니트릴 이외에, 상기 이온 전도성 폴리머를 용해시킬 수 있는 1,3-디옥솔란 또는 아세토니트릴의 용매를 더욱 사용하여야 한다. 바람직하게는, 유기 용매로 디메틸포름아미드와 1,3-디옥솔란을 사용한다.In addition, in order to further increase the cycle life characteristics by increasing the ion conductivity of the binder, an ion conductive polymer of polyethylene oxide or polypropylene oxide may be further used. In this case, in addition to dimethylformamide, isopropyl alcohol or acetonitrile which can dissolve polyvinylidene fluoride, polyvinyl acetate, and polyvinyl pyrrolidone (hereinafter referred to as "basic binder") used as a basic binder, Solvents of 1,3-dioxolane or acetonitrile that can dissolve the conductive polymer should be further used. Preferably, dimethylformamide and 1,3-dioxolane are used as the organic solvent.

본 발명에서 사용되는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리에틸렌 옥사이드 또는 폴리프로필렌 옥사이드는 분자량이 10,000 내지 5,000,000인 것을 사용한다.Polyvinylidene fluoride, polyvinyl acetate, polyvinyl pyrrolidone, polyethylene oxide or polypropylene oxide used in the present invention uses those having a molecular weight of 10,000 to 5,000,000.

본 발명의 양극 활물질 조성물은 기본 바인더를 5 내지 30 중량% 포함하며, 이온 전도성 폴리머 바인더를 더욱 사용할 경우에는, 기본 바인더 5 내지 30 중량%와 이온 전도성 폴리머 바인더 2 내지 20 중량%를 포함한다. 상기 기본 바인더 및이온 전도성 폴리머 바인더의 함량이 상술한 범위보다 작을 경우에는 바인더 사용에 따른 효과가 적으며, 상술한 범위를 초과하는 경우에는 상대적으로 양극 활물질 양이 적어져 용량이 감소되므로 바람직하지 않다. 아울러, 기본 바인더를 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 아세테이트 또는 폴리비닐 피롤리돈 중 두 종류 이상을 사용할 경우, 이들의 혼합 비율은 원하는 물성에 따라 적절히 조절하면 되며, 특별히 제한할 필요는 없다.The positive electrode active material composition of the present invention includes 5 to 30% by weight of the base binder, and when using an ion conductive polymer binder, 5 to 30% by weight of the base binder and 2 to 20% by weight of the ion conductive polymer binder. When the content of the basic binder and the ion conductive polymer binder is smaller than the above-mentioned range, the effect of using the binder is less, and when the content of the above-mentioned range is exceeded, the amount of the positive electrode active material is relatively small and the capacity is reduced, which is not preferable. . In addition, when using two or more types of polyvinylidene fluoride, polyvinyl acetate, or polyvinyl pyrrolidone as the base binder, the mixing ratio thereof may be appropriately adjusted according to the desired physical properties, and there is no particular limitation.

본 발명의 양극 활물질 조성물에서 양극 활물질로는 황(elemental sulfur, S8) 고체 Li2Sn(n ≥1), Li2Sn(n ≥1)가 용해된 캐쏠라이트, 유기황 화합물 및 탄소-황 폴리머[(C2Sx)n, x = 2.5 내지 50, n ≥ 2]로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 황 화합물을 사용할 수 있다.In the cathode active material composition of the present invention, the cathode active material is a cathode, an organic sulfur compound, and carbon in which sulfur (elemental sulfur, S 8 ) solid Li 2 S n (n ≧ 1), Li 2 S n (n ≧ 1) is dissolved One or more sulfur compounds selected from the group consisting of -sulfur polymers [(C 2 S x ) n , x = 2.5 to 50, n> 2] can be used.

또한, 본 발명의 양극 활물질 조성물은 상기 양극 활물질과 함께 전자가 양극활물질 내에서 원활하게 이동하도록 하기 위한 전기 전도성 도전재를 포함하며, 상기 도전재로는 특히 한정하지 않으나, 카본(상품명: 슈퍼 P), 카본 블랙과 같은 전도성 물질 또는 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤과 같은 전도성 고분자를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.In addition, the positive electrode active material composition of the present invention includes an electrically conductive conductive material for allowing electrons to move smoothly in the positive electrode active material together with the positive electrode active material, and the conductive material is not particularly limited, but may be carbon (trade name: Super P ), Conductive materials such as carbon black or conductive polymers such as polyaniline, polythiophene, polyacetylene, polypyrrole may be used alone or in combination.

본 발명의 양극을 제조하기 위해서는 먼저, 유기 용매에 기본 바인더를 용해하여 바인더 용액을 제조한다. 이온 전도성 폴리머 바인더를 더욱 사용할 경우에는 기본 바인더와 이온 전도성 폴리머 바인더를 N,N-디메틸포름아미드, 아세토니트릴 또는 이소프로필 알콜과 1,3-디옥솔란 또는 아세토니트릴의 혼합 용매에 첨가하고 혼합하여 바인더 용액을 제조한다.In order to manufacture the positive electrode of the present invention, first, a basic binder is dissolved in an organic solvent to prepare a binder solution. When further using an ion conductive polymer binder, the basic binder and the ion conductive polymer binder are added to a mixed solvent of N, N-dimethylformamide, acetonitrile or isopropyl alcohol, and 1,3-dioxolane or acetonitrile and mixed to binder Prepare a solution.

여기에 전기적 전도성을 확보하기 위한 도전재를 첨가하고 분산시킨 후, 이 생성물에 양극 활물질을 첨가하여 양극 활물질 조성물, 예를 들어 슬러리 형태의 조성물을 제조한다. 이 양극 활물질 조성물을 전류 집전체에 도포하여 양극을 제조한다. 이 전류 집전체로는 특히 제한하지 않으나 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 티타늄 등의 도전성 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 카본-코팅된 알루미늄 집전체를 사용하면 더욱 바람직하다. 탄소가 코팅된 Al 기판을 사용하는 것이 탄소가 코팅되지 않은 것에 비해 활물질에 대한 접착력이 우수하고, 접촉 저항이 낮으며, 알루미늄의 폴리설파이드에 의한 부식을 방지할 수 있는 장점이 있다.After adding and dispersing a conductive material for securing electrical conductivity thereto, a positive electrode active material is added to the product to prepare a positive electrode active material composition, for example, a composition in the form of a slurry. This positive electrode active material composition is applied to a current collector to prepare a positive electrode. The current collector is not particularly limited, but conductive materials such as stainless steel, aluminum, copper, and titanium are preferably used, and more preferably, a carbon-coated aluminum current collector is used. The use of an Al substrate coated with carbon has an advantage in that the adhesion to the active material is excellent, the contact resistance is low, and the corrosion by polysulfide of aluminum can be prevented, compared with the non-carbon coated Al substrate.

상기 양극과 함께 사용되는 음극으로는 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속과 가역적으로 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함하는 음극 활물질로 제조된 것을 사용한다. 리튬 합금으로는 리튬/알루미늄 합금, 리튬/주석 합금을 사용할 수 있다. 또한, 리튬-황 전지를 충방전하는 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 더이상 참여할 수 없는 상태의 황를 말하며, 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 수 도 있다.As the negative electrode used together with the positive electrode, a material capable of reversibly intercalating lithium ions, a material capable of reversibly forming a compound with lithium metal, and a material made of a negative electrode active material including lithium metal or a lithium alloy are used. do. As the lithium alloy, a lithium / aluminum alloy or a lithium / tin alloy may be used. In addition, in the process of charging and discharging the lithium-sulfur battery, sulfur used as the positive electrode active material may be changed into an inert material and adhered 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 anode through various electrochemical or chemical reactions, and inactive sulfur formed on the surface of the lithium anode is a protective layer of the lithium cathode. It also has the advantage of playing a role. Therefore, lithium metal and inert sulfur formed on the lithium metal, for example lithium sulfide, may be used as the negative electrode.

상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션할 수 있는 물질로는 탄소 물질로서, 리튬 이온 이차 전지에서 일반적으로 사용되는 탄소 음극 활물질은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들을 함께 사용할 수 있다. 또한, 상기 리튬 금속과 가역적으로 화합물을 형성할 수 있는 물질의 대표적인 예로는 티타늄 나이트레이트를 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.As a material capable of reversibly intercalating lithium ions, any carbon negative active material generally used in a lithium ion secondary battery may be used, and representative examples thereof include crystalline carbon, amorphous carbon, or a combination thereof. Can be used. In addition, a representative example of a material capable of reversibly forming a compound with the lithium metal may include titanium nitrate, but is not limited thereto.

본 발명의 양극과 함께 사용되는 전해질은 지지 전해염으로 리튬염을 포함하고, 비수성 유기 용매를 포함한다. 리튬-황 전지에서 사용되는 전해질의 유기 용매는 적절히 황 원소(S8), 리튬 설파이드(Li2S), 리튬 폴리설파이드(Li2Sn, n = 2, 4, 6, 8...)를 잘 용해시키는 것을 사용한다. 상기 유기 용매로는 벤젠, 플루오로벤젠, 톨루엔, 트리플루오로톨루엔, 자일렌, 사이클로헥산, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸 테트라하이드로퓨란, 사이클록헥사논, 에탄올, 이소프로필알콜, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 디메톡시 에탄, 1,3-디옥솔란, 디글라임, 테트라글라임, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, γ-부티로락톤 및 설포란으로 이루어진 군에서 선택되는 용매를 하나 이상 사용한다.The electrolyte used with the positive electrode of the present invention includes a lithium salt as a supporting electrolytic salt and a non-aqueous organic solvent. The organic solvent of the electrolyte used in the lithium-sulfur battery is suitably the elemental sulfur (S 8 ), lithium sulfide (Li 2 S), lithium polysulfide (Li 2 S n , n = 2, 4, 6, 8 ...) Dissolve well. The organic solvent may be benzene, fluorobenzene, toluene, trifluorotoluene, xylene, cyclohexane, tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran, cyclohexanone, ethanol, isopropyl alcohol, dimethyl carbonate, ethyl Methyl carbonate, diethyl carbonate, methylpropyl carbonate, methylpropionate, ethylpropionate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, dimethoxy ethane, 1,3-dioxolane, diglyme, tetraglyme, ethylene carbonate At least one solvent selected from the group consisting of propylene carbonate, γ-butyrolactone and sulfolane.

상기 리튬염으로는 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬 헥사플루오로아제네이트(LiAsF6), 리튬 퍼클로레이트LiClO4) 및 리튬 트리플루오로메탄설포네이트(CF3SO3Li)로 이루어진 군에서 선택되는 화합물 하나 이상을 사용한다. 상기 전해질은 리튬염을 0.5 내지 2.0M의 농도로 포함한다.The lithium salts include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium hexafluoroazate (LiAsF 6 ), lithium perchlorateLiClO 4 , and lithium trifluoromethanesulfonate ( CF 3 SO 3 Li)) is used at least one compound selected from the group consisting of. The electrolyte contains a lithium salt in a concentration of 0.5 to 2.0M.

상기 전해질은 액상 전해질로 사용할 수 도 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 세퍼레이터를 더욱 포함한다.The electrolyte may be used as a liquid electrolyte, or may be used in the form of a solid electrolyte separator. When used as a liquid electrolyte, a physical separator having a function of physically separating an electrode further includes a separator made of porous glass, plastic, ceramic, or polymer.

상기 전해질 세퍼레이터는 전극을 물리적으로 분리하는 기능과 금속 이온을 이동시키기 위한 이동 매질의 기능을 하는 것으로서, 전기 화학적으로 안정한 전기 및 이온 도전성 물질이 모두 사용될 수 있다. 이와 같은 전기 및 이온 전도성 물질로는 유리 전해질(glass electrolyte), 고분자 전해질 또는 세라믹 전해질 등이 사용될 수 있다. 특히 바람직한 고체 전해질로는 폴리에테르, 폴리이민, 폴리티오에테르 등과 같은 고분자 전해질에 상기 지지 전해염을 혼합하여 사용한다. 상기 고체 상태의 전해질 세퍼레이터는 약 20 중량% 미만의 비수성 유기 용매를 포함할 수 도 있으며, 이 경우에는 유기 용매의 유동성을 줄이기 위하여 적절한 겔 형성 화합물(gelling agent)을 더욱 포함할 수 도 있다.The electrolyte separator functions as a physical separation of the electrode and a transfer medium for moving metal ions, and both electrochemically stable electric and ion conductive materials may be used. As such an electrically and ion conductive material, a glass electrolyte, a polymer electrolyte, or a ceramic electrolyte may be used. As a particularly preferred solid electrolyte, the supported electrolyte salt is mixed with a polymer electrolyte such as polyether, polyimine, polythioether, or the like. The solid electrolyte separator may include less than about 20% by weight of the non-aqueous organic solvent, and in this case, may further include a suitable gelling agent to reduce the fluidity of the organic solvent.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예 1)(Example 1)

디메틸포름아미드(DMF) 양극 활물질 슬러리 유기 용매에 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 바인더를 용해하여 바인더 용액을 제조하였다. 이 바인더 용액에 카본 분말(슈퍼 P) 도전재를 첨가하여 분산시킨 후, 양극 활물질 분말인 평균 입도 20㎛ 정도로 분쇄된 황(S8) 분말을 추가하여 볼밀로 하루 이상 교반하여 양극 활물질 슬러리 조성물을 제조하였다. 이때, 양극 활물질(S8) : 바인더 : 도전재의 혼합 비율은 60 : 20 : 20 중량%로 하였다.Dimethylformamide (DMF) positive electrode active material slurry A polyvinylidene fluoride (PVdF) binder was dissolved in an organic solvent to prepare a binder solution. After dispersing by adding a carbon powder (super P) conductive material to the binder solution, a powder of sulfur (S 8 ) pulverized to an average particle size of 20 μm, which is a positive electrode active material, was added and stirred with a ball mill for at least one day to prepare a positive electrode active material slurry composition. Prepared. At this time, the mixing ratio of the positive electrode active material (S 8 ): binder: conductive material was 60: 20: 20 wt%.

제조된 양극 활물질 슬러리 조성물을 탄소 코팅된 Al 전류 집전체에 코팅한 후, 80℃ 건조로에서 1시간 건조하였다. 건조된 극판을 롤프레스를 이용하여 극판 두께가 50㎛이 되도록 하여 양극을 제조하였다.The prepared positive electrode active material slurry composition was coated on a carbon-coated Al current collector, and then dried in an 80 ° C. drying furnace for 1 hour. The dried electrode plate was rolled using a roll press so that the electrode plate had a thickness of 50 μm to prepare a positive electrode.

음극은 산화되지 않은 리튬 금속 호일(두께 50㎛)을 사용하였다.As the negative electrode, an unoxidized lithium metal foil (thickness 50 mu m) was used.

제조된 양극을 진공 오븐(60℃)에서 l시간 이상 방치한 후 수분과 산소가 제어되는 글로브 박스로 옮기고, 글로브 박스 내에서, 상기 양극과 음극을 이용하여 통상의 방법으로 코인셀을 제조하였다. 이때, 전해액으로는 1M LiSO3CF3가 용해된 1,3-디옥솔란, 디글라임, 설포란 및 디메톡시에탄 혼합물(50 : 20 : 10 : 20 부피비)을 사용하였다.After the prepared positive electrode was left in a vacuum oven (60 ° C.) for at least 1 hour, it was transferred to a glove box in which moisture and oxygen were controlled, and a coin cell was prepared in a conventional method using the positive electrode and the negative electrode in the glove box. In this case, a 1,3-dioxolane, diglyme, sulfolane and dimethoxyethane mixture (50: 20: 10: 20 by volume) in which 1M LiSO 3 CF 3 was dissolved was used.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

N-메틸피롤리돈(NMP) 양극 활물질 슬러리 유기 용매에 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 바인더를 녹여 바인더 용액을 제조하였다. 상기 바인더 용액에 카본분말(슈퍼 P) 도전재를 첨가하여 분산시킨 후, 양극 활물질인 평균 입도 20㎛ 정도로 분쇄된 황(S8) 분말을 추가하여 볼밀로 하루이상 교반하여 양극 활물질 슬러리 조성물을 제조하였다. 이때, 양극 활물질(S8) : 바인더 : 도전재의 혼합 비율은 60 : 20 : 20 중량%로 하였다.N-methylpyrrolidone (NMP) positive electrode active material slurry A polyvinylidene fluoride (PVdF) binder was dissolved in an organic solvent to prepare a binder solution. After dispersing by adding a carbon powder (super P) conductive material to the binder solution, a powder (S 8 ) pulverized to an average particle size of 20㎛ as a positive electrode active material was added and stirred with a ball mill for at least one day to prepare a positive electrode active material slurry composition It was. At this time, the mixing ratio of the positive electrode active material (S 8 ): binder: conductive material was 60: 20: 20 wt%.

제조된 양극 활물질 슬러리 조성물을 카본 코팅된 Al 전류 집전체에 코팅한 후 80℃ 건조로에서 12시간 이상 건조하였다. 건조된 극판을 롤프레스를 이용하여 극판 두께가 50㎛이 되도록 하여 양극을 제조하였다.The prepared positive electrode active material slurry composition was coated on a carbon-coated Al current collector and then dried in an 80 ° C. drying furnace for at least 12 hours. The dried electrode plate was rolled using a roll press so that the electrode plate had a thickness of 50 μm to prepare a positive electrode.

음극은 산화되지 않은 리튬 금속 호일(두께 50㎛)을 사용하였다.As the negative electrode, an unoxidized lithium metal foil (thickness 50 mu m) was used.

제조된 양극을 진공 오븐(60℃)에서 1시간 이상 방치한 후 수분과 산소가 제어되는 글로브 박스로 옮기고, 글로브 박스 내에서, 상기 양극과 음극을 이용하여 통상의 방법으로 코인 셀을 제조하였다. 이때, 전해액으로는 1M LiSO3CF3가 용해된 1,3-디옥솔란, 디글라임, 설포란 및 디메톡시에탄의 혼합물(50 : 20 : 10 : 20 부피비)을 사용하였다.The prepared anode was left in a vacuum oven (60 ° C.) for at least 1 hour and then transferred to a glove box in which moisture and oxygen were controlled. In the glove box, a coin cell was manufactured by a conventional method using the anode and the cathode. In this case, a mixture of 1,3-dioxolane, diglyme, sulfolane and dimethoxyethane (50: 20: 10: 20 by volume) in which 1M LiSO 3 CF 3 was dissolved was used.

상기 실시예 1 및 비교예 1의 리튬-황 전지를 상온에서 24시간 에이징한 후 컷-오프 충전 계산 용량의 110%, 방전 1.8V 조건으로 0.1C 1회 충방전, 0.2C 3회 충방전, 0.5C 5회 충방전, 1.0C 100회 충방전을 실시하였다. 100회 충방전 사이클 수명 특성과 초기 방전 용량을 하기 표 1에 나타내었다.Aging of the lithium-sulfur batteries of Example 1 and Comparative Example 1 at room temperature for 24 hours and then 110% of the cut-off charge calculation capacity, 0.1C once charging and discharging under the conditions of discharge 1.8V, 0.2C three times charging, discharging, Charge and discharge of 0.5C five times and charge and discharge of 1.0C 100 times were performed. 100 charge and discharge cycle life characteristics and initial discharge capacity are shown in Table 1 below.

비고Remarks 유기 용매/바인더Organic solvent / binder 수명 특성(100회)[mAhg]Life characteristic (100 times) [mAhg] 초기 방전 용량[mAh/g]Initial Discharge Capacity [mAh / g] 실시예 1Example 1 DMF/PVdF 사용Use DMF / PVdF 6060 550550 비교예 1Comparative Example 1 NMP/PVdF 사용 전지NMP / PVdF Battery -- 1010

상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 실시예 1의 리튬-황 전지가 비교예 1의 전지에 비해 초기 방전 용량이 월등히 높은 것을 알 수 있다. 또한, 비교예 1의 전지는 100회 충방전 후에는 용량이 측정되지 않는 것으로 보아 사용이 불가능하나, 실시예 1의 전지는 사용 가능한 전지임을 알 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that the initial discharge capacity of the lithium-sulfur battery of Example 1 is much higher than that of Comparative Example 1. In addition, although the battery of Comparative Example 1 cannot be used because the capacity is not measured after 100 charge / discharge cycles, it can be seen that the battery of Example 1 is a usable battery.

(실시예 2)(Example 2)

바인더로 폴리비닐 피롤리돈(PVP)을 사용하고 양극 활물질 슬러리 유기 용매로 이소프로필알콜(IPA)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.Except for using polyvinyl pyrrolidone (PVP) as a binder and isopropyl alcohol (IPA) as a positive electrode active material slurry organic solvent was carried out in the same manner as in Example 1.

(실시예 3) (Example 3)

바인더로 폴리비닐 아세테이트(PVAc)를 사용하고 양극 활물질 슬러리 유기 용매로 아세토니트릴(Acetonitrile)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.Except for using polyvinyl acetate (PVAc) as a binder and acetonitrile (Acetonitrile) as the positive electrode active material slurry organic solvent was carried out in the same manner as in Example 1.

(실시예 4)(Example 4)

폴리비닐리덴 플루오라이드와 폴리비닐 아세테이트를 N,N-디메틸포름아미드 양극 활물질 슬러리 유기 용매에 녹여 바인더 용액을 제조하였다. 이때, 폴리비닐리덴 플루오라이드와 폴리비닐 아세테이트의 혼합 비율은 중량비로 1 : 1로 하였다. 제조된 바인더 용액을 황 원소 60 중량%, 슈퍼-P 20 중량%와, 슬러리가 완전히 섞일때까지 혼합하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이때, 상기 바인더의 양이 슬러리 전체 중량의 20 중량%가 되도록 하였다. 상기 양극 활물질 슬러리를 탄소-코팅된 Al 전류 집전체에 코팅하였다.Polyvinylidene fluoride and polyvinyl acetate were dissolved in N, N-dimethylformamide positive electrode active material slurry organic solvent to prepare a binder solution. At this time, the mixing ratio of polyvinylidene fluoride and polyvinyl acetate was 1: 1. The prepared binder solution was mixed with 60 wt% of sulfur element, 20 wt% of Super-P, and mixed until the slurry was completely mixed to prepare a positive electrode active material slurry. At this time, the amount of the binder was 20% by weight of the total weight of the slurry. The positive electrode active material slurry was coated on a carbon-coated Al current collector.

코팅된 양극판을 건조한 후, 이를 다시 12시간 이상 진공 하에서 건조하여 양극 극판을 제조하였다. 제조된 양극 극판과 진공 건조된 세퍼레이터를 글로브 박스로 옮겼다. 상기 양극 극판 위에 1M LiSO3CF3를 염으로 사용하는 1,3-디옥솔란/디글라임/설포란/디메톡시 에탄(50/20/10/20 부피비) 전해액을 적당량 떨어뜨렸다. 이어서, 세퍼레이터를 그 위에 놓고, 전해액을 조금 더 더하였다. 그 위에 리튬 전극을 얹었다.The coated positive electrode plate was dried and then dried under vacuum for at least 12 hours to prepare a positive electrode plate. The prepared positive electrode plate and the vacuum dried separator were transferred to a glove box. On the positive electrode plate, an appropriate amount of 1,3-dioxolane / diglyme / sulforan / dimethoxyethane (50/20/10/20 volume ratio) electrolyte using 1M LiSO 3 CF 3 as a salt was dropped. Subsequently, the separator was placed thereon and a little more electrolyte was added. The lithium electrode was put on it.

(실시예 5)(Example 5)

바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 아세테이트 및 폴리비닐 피롤리돈의 혼합 바인더(1 : 1 : 1 중량비)를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일하게 실시하였다.It carried out similarly to Example 4 except having used the mixed binder (1: 1: 1 weight ratio) of polyvinylidene fluoride, polyvinyl acetate, and polyvinyl pyrrolidone as a binder.

바인더 종류에 따른 수명 특성과 초기 방전 용량의 변화를 알아보기 위하여, 상기 실시예 1-5의 방법으로 제조된 리튬-황 전지의 수명 특성과 초기 방전 용량을 측정하였다. 측정 조건은 상기 실시예 1-5의 전지를 상온에서 24시간 에이징한 후, 컷-오프 전압으로 전압 1.5∼2.8V 조건으로 0.1C 1회 충방전, 0.2C 3회 충방전, 0.5C 5회 충방전, 1.0C 100회 충방전을 실시하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.In order to determine the change in life characteristics and initial discharge capacity according to the binder type, the life characteristics and initial discharge capacity of the lithium-sulfur battery manufactured by the method of Example 1-5 were measured. After measuring the battery of Example 1-5 at room temperature for 24 hours, the measurement conditions were 0.1C once charge / discharge, 0.2C three charge / discharge, 0.5C five times under the condition of 1.5-2.8V voltage with cut-off voltage. Charge and discharge, 1.0C Charge and discharge were performed 100 times. The results are shown in Table 2 below.

양극 바인더/용매Anode Binder / Solvent 수명 특성(100회)/초기 %Lifetime Characteristics (100 Times) / Initial% 초기 방전 용량[mAh/g]Initial Discharge Capacity [mAh / g] 실시예 1Example 1 PVdF/DMFPVdF / DMF 1111 550550 실시예 2Example 2 PVAc/ACNPVAc / ACN 4444 571571 실시예 3Example 3 PVP/IPAPVP / IPA 5252 600600 실시예 4Example 4 PVdF/PVAc(1 : 1)/DMFPVdF / PVAc (1: 1) / DMF 5050 585585 실시예 5Example 5 PVdF/PVAc/PVP(1 : 1 : 1)/DMFPVdF / PVAc / PVP (1: 1: 1) / DMF 5858 594594

* PVdF: 폴리비닐리덴 플루오라이드PVdF: polyvinylidene fluoride

* PVAc: 폴리비닐 아세테이트* PVAc: Polyvinyl Acetate

* PVP: 폴리비닐 피롤리돈* PVP: Polyvinyl Pyrrolidone

* DMF: N,N-디메틸 포름아미드* DMF: N, N-dimethyl formamide

* ACN: 아세토니트릴* ACN: acetonitrile

* IPA: 이소프로필 알콜* IPA: Isopropyl Alcohol

상기 표 2에 나타낸 것과 같이, 실시예 4 및 5의 리튬-황 전지는 실시예 1 보다 수명 특성이 월등히 우수하고, 초기 방전 용량은 우수하며, 실시예 2 보다는 수명 특성 및 초기 방전 용량이 우수함을 알 수 있다. 또한, 실시예 4 및 5의 전지는 실시예 3보다 수명 특성 및 초기 방전 용량이 동등하거나 우수하게 나타났음을 알 수 있다.As shown in Table 2, the lithium-sulfur batteries of Examples 4 and 5 have much better life characteristics than Example 1, better initial discharge capacity, and better life characteristics and initial discharge capacity than Example 2. Able to know. In addition, it can be seen that the battery of Examples 4 and 5 showed the same or better life characteristics and initial discharge capacity than Example 3.

또한, 실시예 1과 실시예 2를 비교하면 방전 용량은 큰 차이가 없으나 바인더의 종류에 따라 수명이 크게 증가함을 볼 수 있다(11%→44%). 이는 폴리비닐 아세테이트의 전해액에 대한 함침성이 폴리비닐리덴 플루오라이드에 비해 우수하여황의 산화/환원 반응이 원활하게 진행되어 수명이 증가되는 것으로 생각된다.In addition, when comparing Example 1 and Example 2, the discharge capacity does not have a large difference, but it can be seen that the lifespan is greatly increased according to the type of binder (11% to 44%). It is thought that the impregnation of the polyvinyl acetate in the electrolyte solution is superior to that of polyvinylidene fluoride, so that the oxidation / reduction reaction of sulfur proceeds smoothly and the service life is increased.

또한, 실시예 2와 실시예 3을 비교해보면 초기 용량면에서도 약 5% 이상(571→600)의 향상을 보이고 있고, 수명 특성 또한 44%에서 52%까지 좋아진 특성을 보인다. 이러한 결과도 또한 폴리비닐 피롤리돈이 전해액에 대한 함침성이 가장 우수함에 따른 것으로 보인다.In addition, when comparing Example 2 and Example 3, the initial capacity is also improved by about 5% or more (571 → 600), and the lifespan characteristics are also improved by 44% to 52%. This result also seems to be due to the polyvinyl pyrrolidone having the best impregnation with the electrolyte.

또한, 실시예 1 내지 5의 리튬-황 전지의 충방전 사이클에 따른 용량(사이클 수명 특성)을 도 1에 나타내었으며, 이 결과는 실시예 5의 사이클 수명 특성이 가장 우수하게 나타났으며, 실시예 1을 제외하고는, 실시예 2-5의 결과가 거의 비슷하게 나타났음을 알 수 있다. 이 결과는 실시예 1의 전지가 세 가지 기본 바인더 중에서 전해액에 대한 함침성이 가장 낮은 폴리비닐리덴 플루오라이드를 사용함에 따라 나타난 것으로 생각된다.In addition, the capacity (cycle life characteristic) according to the charge / discharge cycles of the lithium-sulfur batteries of Examples 1 to 5 is shown in FIG. 1, and the results show that the cycle life characteristics of Example 5 were the best. Except for Example 1, it can be seen that the results of Example 2-5 were almost the same. This result is thought to have appeared as the battery of Example 1 used polyvinylidene fluoride having the lowest impregnation with the electrolyte solution among the three basic binders.

(실시예 6)(Example 6)

폴리비닐리덴 플루오라이드와 폴리에틸렌 옥사이드를 N,N-디메틸포름아마이드와 1,3-디옥솔란 혼합 용매에 녹여 바인더 용액을 제조하였다. 이때, 폴리비닐리덴 플루오라이드와 폴리비닐 아세테이트의 혼합 비율은 중량비로 1 : 1로 하였다. 제조된 바인더 용액에 황 원소, 슈퍼-P를 첨가하고 완전히 섞일때까지 혼합하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이때, 상기 황 원소 : 슈퍼-P : 폴리비닐리덴 플루오라이드와 폴리에틸렌 옥사이드의 혼합 중량의 혼합 비율은 60 중량%: 20 중량% : 20 중량%로 하였다. 상기 양극 활물질 슬러리를 탄소-코팅된 Al 전류 집전체에 코팅하였다.Polyvinylidene fluoride and polyethylene oxide were dissolved in a mixed solvent of N, N-dimethylformamide and 1,3-dioxolane to prepare a binder solution. At this time, the mixing ratio of polyvinylidene fluoride and polyvinyl acetate was 1: 1. Sulfur element, Super-P was added to the prepared binder solution and mixed until it was thoroughly mixed to prepare a cathode active material slurry. At this time, the mixing ratio of the mixed weight of the elemental sulfur: super-P: polyvinylidene fluoride and polyethylene oxide was 60% by weight: 20% by weight: 20% by weight. The positive electrode active material slurry was coated on a carbon-coated Al current collector.

코팅된 양극판을 건조한 후, 이를 다시 12시간 이상 진공 하에서 건조하여 양극 극판을 제조하였다. 제조된 양극 극판과 진공 건조된 세퍼레이터를 글로브 박스로 옮겼다. 상기 양극 극판 위에 1M LiSO3CF3를 염으로 사용하는 1,3-디옥솔란 디글라임/설포란/디메톡시 에탄(50/20/10/20 부피비) 전해액을 적당량 떨어뜨렸다. 이어서, 세퍼레이터를 그 위에 놓고, 전해액을 조금 더 더하였다. 그 위에 리튬 전극을 얹었다.The coated positive electrode plate was dried and then dried under vacuum for at least 12 hours to prepare a positive electrode plate. The prepared positive electrode plate and the vacuum dried separator were transferred to a glove box. Dropwise an appropriate amount of 1,3-dioxolane diglyme / sulfolane / dimethoxy ethane (50/20/10/20 volume ratio) electrolyte solution used in the salt 1M LiSO 3 CF 3 on the positive electrode plate. Subsequently, the separator was placed thereon and a little more electrolyte was added. The lithium electrode was put on it.

(실시예 7)(Example 7)

바인더로 폴리비닐 아세테이트와 폴리에틸렌 옥사이드를 사용하고, 용매로 아세토니트릴 및 1,3-디옥솔란을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 실시하였다.Polyvinyl acetate and polyethylene oxide were used as the binder, and acetonitrile and 1,3-dioxolane were used as the solvent, and the same procedure as in Example 6 was carried out.

(실시예 8)(Example 8)

바인더로 폴리비닐 피롤리돈과 폴리에틸렌 옥사이드를 사용하고, 용매로 이소프로필 알콜과 1,3-디옥솔란을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 실시하였다.Polyvinyl pyrrolidone and polyethylene oxide were used as the binder and isopropyl alcohol and 1,3-dioxolane were used as the solvent, and the same procedure as in Example 6 was carried out.

이온 전도성 폴리머 바인더를 더욱 사용한 전지의 전기화학적 특성을 알아보기 위하여, 상기 실시예 1 내지 3 및 실시예 6 내지 8의 방법으로 조립된 전지를 상온에서 24시간 에이징한 후, 컷-오프 전압으로 전압 1.5∼2.8V 조건으로 0.1C 1회 충방전, 0.2C 3회 충방전, 0.5C 5회 충방전, 1.0C 100회 충방전을 실시하였다. 수명 특성 및 초기 방전 용량을 측정하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.In order to investigate the electrochemical characteristics of the battery further using the ion conductive polymer binder, the battery assembled by the method of Examples 1 to 3 and Examples 6 to 8 was aged at room temperature for 24 hours, and then the voltage was cut-off voltage. 0.1C one time charge and discharge, 0.2C three times charge and discharge, 0.5C five times charge and discharge, 1.0C 100 times charge and discharge under 1.5-2.8V conditions. The life characteristics and initial discharge capacity were measured and the results are shown in Table 3 below.

양극 바인더/용매Anode Binder / Solvent 수명 특성(100회)/초기 %Lifetime Characteristics (100 Times) / Initial% 초기 방전 용량[mAh/g]Initial Discharge Capacity [mAh / g] 실시예 1Example 1 PVdF/DMFPVdF / DMF 1111 550550 실시예 6Example 6 PVdF/PEO/DMF/DOXPVdF / PEO / DMF / DOX 2020 576576 실시예 2Example 2 PVAc/ACNPVAc / ACN 4444 571571 실시예 7Example 7 PVAc/PEO/ACN/DOXPVAc / PEO / ACN / DOX 5454 590590 실시예 3Example 3 PVP/IPAPVP / IPA 5252 600600 실시예 8Example 8 PVP/PEO/IPA/DOXPVP / PEO / IPA / DOX 6060 650650

* PVdF: 폴리비닐리덴 플루오라이드PVdF: polyvinylidene fluoride

* PVAc: 폴리비닐 아세테이트* PVAc: Polyvinyl Acetate

* PVP: 폴리비닐 피롤리돈* PVP: Polyvinyl Pyrrolidone

* PEO: 폴리에틸렌 옥사이드* PEO: polyethylene oxide

* DMF: N,N-디메틸 포름아미드* DMF: N, N-dimethyl formamide

* ACN: 아세토니트릴* ACN: acetonitrile

* IPA: 이소프로필 알콜* IPA: Isopropyl Alcohol

* DOX: 1,3-디옥솔란* DOX: 1,3-dioxolane

상기 표 3에 나타낸 것과 같이, 실시예 1 내지 3 보다 양극 바인더로 폴리에틸렌 옥사이드를 각각 더욱 사용한 실시예 6 내지 8의 전지가 방전 용량이 약간 증가하였고(19-50mAh/g), 수명도 8-10% 증가하였음을 알 수 있다. 이는 이온 전도성 폴리머인 폴리에틸렌 옥사이드가 바인더의 역할을 하면서 동시에 양극판 내에서 리튬 이온의 이동을 활발하게 해주는 역할을 해주었기 때문으로 판단된다.As shown in Table 3, the batteries of Examples 6 to 8, each using polyethylene oxide as the positive electrode binder more than Examples 1 to 3, slightly increased the discharge capacity (19-50 mAh / g), and the lifetime was 8-10. It can be seen that the percent increase. This is because polyethylene oxide, an ion conductive polymer, acts as a binder and plays a role in activating the movement of lithium ions in the positive electrode plate.

또한, 실시예 1 내지 3, 및 실시예 6 내지 8의 리튬-황 전지의 충방전 사이클에 따른 용량(사이클 수명 특성)을 도 2에 나타내었으며, 그 결과 실시예 6을 제외하고는 실시예 2-3 및 실시예 7-8의 결과가 거의 비슷하게 나타났음을 알 수 있다. 이 결과는 실시예 6에서 세 가지 기본 바인더 중에서 전해액에 대한 함침성이 가장 낮은 폴리비닐리덴 플루오라이드를 사용함에 따라 나온 것으로 생각된다.In addition, the capacity (cycle life characteristic) according to the charge / discharge cycles of the lithium-sulfur batteries of Examples 1 to 3 and Examples 6 to 8 is shown in FIG. 2, and as a result, Example 2 except Example 6 It can be seen that the results of -3 and Examples 7-8 are almost similar. This result is thought to have come from the use of polyvinylidene fluoride having the lowest impregnation with the electrolyte solution among the three basic binders in Example 6.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 리튬-황 전지는 초기 방전 용량뿐만 아니라 사이클 수명 특성이 기존의 리튬-황 전지에 비하여 크게 향상되었음을 알 수 있다.As described above, the lithium-sulfur battery prepared according to the present invention can be seen that the cycle life characteristics as well as the initial discharge capacity is greatly improved compared to the conventional lithium-sulfur battery.

Claims (11)

황 화합물을 포함하는 양극 활물질;A positive electrode active material containing a sulfur compound; 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 아세테이트 및 폴리비닐 피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 폴리머를 포함하는 바인더;A binder comprising at least one polymer selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinyl acetate and polyvinyl pyrrolidone; 도전재; 및Conductive material; And 디메틸포름아미드, 이소프로필알콜 및 아세토니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 것인 유기 용매Organic solvent selected from the group consisting of dimethylformamide, isopropyl alcohol and acetonitrile 를 포함하는 리튬-황 전지용 양극 활물질 조성물.A positive electrode active material composition for a lithium-sulfur battery comprising a. 제 1 항에 있어서, 상기 바인더는 폴리에틸렌 옥사이드 및 폴리프로필렌 옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 이온 전도성 폴리머를 더욱 포함하며,The method of claim 1, wherein the binder further comprises at least one ion conductive polymer selected from the group consisting of polyethylene oxide and polypropylene oxide, 1,3-디옥솔란 및 아세토니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 용매를 더욱 포함하는 것인 리튬-황 전지용 양극 활물질 조성물.A positive electrode active material composition for a lithium-sulfur battery, further comprising a solvent selected from the group consisting of 1,3-dioxolane and acetonitrile. (삭 제)(delete) 제 1 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 황(elemental sulfur, S8), 고체 Li2Sn(n ≥1), Li2Sn(n ≥1)가 용해된 캐쏠라이트, 유기황 화합물 및 탄소-황 폴리머[(C2Sx)n, x = 2.5 내지 50, n ≥ 2]로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 황 화합물을 포함하는 리튬-황 전지용 양극 활물질 조성물.The cathode active material of claim 1, wherein the cathode active material is a cathode, an organic sulfur compound, and carbon in which elemental sulfur (S 8 ), solid Li 2 S n (n ≧ 1), and Li 2 S n (n ≧ 1) are dissolved -Sulfur polymer [(C 2 S x ) n , x = 2.5 to 50, n ≥ 2] positive electrode active material composition for a lithium-sulfur battery comprising at least one sulfur compound selected from the group consisting of. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 활물질 조성물은 상기 바인더를 5 내지 30 중량%의 양으로 포함하는 것인 리튬-황 전지용 양극 활물질 조성물.The cathode active material composition of claim 1, wherein the cathode active material composition comprises the binder in an amount of 5 to 30% by weight. 황 화합물을 포함하는 양극 활물질, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 아세테이트 및 폴리비닐 피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 폴리머를 포함하는 바인더 및 도전재를 포함하는 양극;A positive electrode comprising a positive electrode active material comprising a sulfur compound, a binder and a conductive material comprising at least one polymer selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinyl acetate and polyvinyl pyrrolidone; 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬과 가역적으로 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 및 리튬 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 음극 활물질을 포함하는 음극; 및A negative electrode including a negative electrode active material selected from the group consisting of a material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions, a material capable of forming a compound reversibly with lithium, a lithium metal and a lithium alloy; And 리튬염과 유기 용매를 포함하는 전해질Electrolyte Containing Lithium Salt And Organic Solvent 을 포함하는 리튬-황 전지.Lithium-sulfur battery comprising a. 제 6 항에 있어서, 상기 바인더는 폴리에틸렌 옥사이드 및 폴리프로필렌 옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 이온 전도성 폴리머를 더욱 포함하며,The method of claim 6, wherein the binder further comprises at least one ion conductive polymer selected from the group consisting of polyethylene oxide and polypropylene oxide, 1,3-디옥솔란 및 아세토니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 용매를 더욱 포함하는 것인 리튬-황 전지.A lithium-sulfur battery further comprising a solvent selected from the group consisting of 1,3-dioxolane and acetonitrile. 제 6 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 황 원소, 고체 Li2Sn(n ≥1), Li2Sn(n ≥1)가 용해된 캐쏠라이트, 유기황 화합물 및 탄소-황 폴리머[(C2Sx)n, x = 2.5 내지 50, n ≥ 2)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 황 화합물을 포함하는 것은 리튬-황 전지.7. The cathode active material of claim 6, wherein the cathode active material is a cathode, an organic sulfur compound, and a carbon-sulfur polymer in which elemental sulfur, solid Li 2 S n (n? 1), Li 2 S n (n? 2 S x ) n , x = 2.5 to 50, n ≥ 2) containing at least one sulfur compound selected from the group consisting of lithium-sulfur battery. 제 6 항에 있어서, 상기 유기 용매는 벤젠, 플루오로벤젠, 톨루엔, 트리플루오로톨루엔, 자일렌, 사이클로헥산, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸 테트라하이드로퓨란, 사이클록헥사논, 에탄올, 이소프로필알콜, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 디메톡시 에탄, 1,3-디옥솔란, 디글라임, 테트라글라임, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, γ-부티로락톤 및 설포란으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 용매인 리튬-황 전지.The method of claim 6, wherein the organic solvent is benzene, fluorobenzene, toluene, trifluorotoluene, xylene, cyclohexane, tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran, cyclohexanone, ethanol, isopropyl alcohol , Dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, diethyl carbonate, methylpropyl carbonate, methylpropionate, ethylpropionate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, dimethoxy ethane, 1,3-dioxolane, diglyme, tetra A lithium-sulfur battery, which is at least one solvent selected from the group consisting of glyme, ethylene carbonate, propylene carbonate, γ-butyrolactone and sulfolane. 제 6 항에 있어서, 상기 리튬염은 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬 헥사플루오로아제네이트(LiAsF6), 리튬 퍼클로레이트(LiClO4) 및 리튬 트리플루오로메탄설포네이트(CF3SO3Li)로 이루어진 군에서 선택되는 화합물 하나 이상인 것인 리튬-황 전지.The lithium salt of claim 6, wherein the lithium salt is lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium hexafluoroazate (LiAsF 6 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), and lithium tri Lithium-sulfur battery that is at least one compound selected from the group consisting of fluoromethanesulfonate (CF 3 SO 3 Li). 제 6 항에 있어서, 상기 전해질은 리튬염을 0.5 내지 2.0M의 농도로 포함하는 것인 리튬-황 전지.The lithium-sulfur battery of claim 6, wherein the electrolyte comprises lithium salt at a concentration of 0.5 to 2.0 M. 8.
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