KR100398468B1 - Sulfur positive electrode for lithium battery and it's fabrication method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬전지용 유황양전극 및 그의 제조 방법에 관한 것으로,The present invention relates to a sulfur positive electrode for a lithium battery and a manufacturing method thereof.
유황기저(sulfur-based) 성분으로 이루어진 활물질과, 전지 도전물질 및 이온전도체로 사용되는 고분자 전해질의 혼합물로 이루어지는 리튬전지용 유황양전극에 있어서, 상기 혼합물 전체를 100중량%로 하였을 때 상기 유황기저성분의 함량은 60 내지 80중량%을 가지며, 상기 유황전극은 이론 방전용량(1675mAh/유황g)의 70% 이상의 방전용량을 가지는 리튬전지용 유황양전극과; 유황기저(sulfur-based) 성분으로 이루어진 활물질과, 전지 도전물질 및 이온전도체로 사용되는 고분자 전해질의 혼합물로 이루어지는 리튬전지용 유황양전극의 제조방법에 있어서, 상기 혼합물 전체를 100중량%로 하였을 때 상기 유황기저성분의 함량 60 내지 80중량%와, PEO(Polyethylene oxide)의 함량 8∼35중량%와 탄소의 함량 15∼30중량으로 이루워진 혼합물을 ACN(Acentonitile)과 혼합하는 단계와, 상기 혼합된 혼합물을 박막형태로 유황전극으로 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬전지용 유황양전극 제조방법에 관한 것이다.In a sulfur positive electrode for a lithium battery comprising a mixture of an active material consisting of a sulfur-based component and a polymer electrolyte used as a battery conductive material and an ion conductor, the total amount of the mixture is 100% by weight. It has a content of 60 to 80% by weight, the sulfur electrode is a sulfur positive electrode for lithium batteries having a discharge capacity of 70% or more of the theoretical discharge capacity (1675mAh / sulfur g); In the method for producing a sulfur positive electrode for a lithium battery comprising a mixture of an active material consisting of a sulfur-based component and a polymer electrolyte used as a battery conductive material and an ion conductor, when the total mixture is 100% by weight Mixing a mixture consisting of 60 to 80% by weight of the base component, 8 to 35% by weight of polyethylene oxide (PEO) and 15 to 30% by weight of carbon with an acentonitile (ACN); and the mixed mixture It relates to a method for manufacturing a sulfur positive electrode for a lithium battery comprising the step of manufacturing a sulfur electrode in a thin film form.
따라서 본 발명은 60 내지 80중량%의 유황기저성분을 포함하고, 유황전극에 포함되는 PEO와 탄소의 함량을 적절히 조절한 리튬전지용 양전극은 우수한 방전용량을 나타내고, 또한 방전용량을 나타낼 수 있는 집전체나 요철을 가한 집전체에 양전극을 바로 제조함으로서 전극을 간단하게 제조가 가능한 효과가 있으므로 리튬유황전지 제조 산업상 매우 뛰어난 발명인 것이다.Therefore, the present invention includes a 60 to 80% by weight sulfur base component, the positive electrode for a lithium battery in which the content of PEO and carbon contained in the sulfur electrode is properly adjusted, the current collector may exhibit excellent discharge capacity, and also can exhibit a discharge capacity It is an excellent invention in the lithium sulfur battery manufacturing industry because the electrode can be easily manufactured by directly manufacturing the positive electrode to the current collector to which the unevenness is applied.
Description
본 발명은 리튬전지용 유황양전극 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세히 60 내지 80중량%의 유황기저성분을 포함하고, 유황전극에 포함되는 PEO와 탄소의 함량을 적절히 조절하여 우수한 방전용량을 갖을 수 있는 리튬전지용 양전극 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sulfur positive electrode for a lithium battery and a method for manufacturing the same, and more specifically, containing a sulfur base component of 60 to 80% by weight, and can have an excellent discharge capacity by appropriately adjusting the content of PEO and carbon contained in the sulfur electrode. The present invention relates to a positive electrode for a lithium battery and a method of manufacturing the same.
전 세계적으로 전자제품 및 통신기기의 소형화가 급속히 진전되고 있고, 전기자동차의 필요성이 크게 대두됨에 따라, 이들 제품의 이동용 전원으로 사용되는 이차전지의 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 그러한 전지성능의 개선이 크게 요구되고 있다. 이에 따라 이차전지 성능의 중요한 요인인 방전용량 또는 에너지밀도가 큰 전지에 대한 연구가 진행되고 있다.As the miniaturization of electronic products and communication devices is rapidly progressing all over the world, and the necessity of electric vehicles is increasing, the development of secondary batteries used as mobile power sources for these products is actively progressing, and such battery performance is improved. This is greatly demanded. Accordingly, studies on batteries having a large discharge capacity or energy density, which are important factors of secondary battery performance, are being conducted.
이차전지의 성능을 좌우하는 한 요인인 전극에 대하여 살펴보면, 전극재료는 우선 단위 질량당 에너지밀도 또는 방전용량이 커야하며, 일정한 온도 범위내에서의 열 및 화학적 안정성을 가짐과 동시에, 우수한 산화/환원 가역성을 구비하고, 충분한 전기 화학적 전기 및 이온전도성을 가져야한다. 그밖에 전극재료는 독성이 없고 저렴하며, 용이하게 입수가능 하여야 한다. 그 중에서 전지의 성능에 가장 중요한 것은 전극이 방전용량, 즉 에너지밀도로서, 우수한 성능을 가지는 이차전지를 개발하기 위해서는 단위 무게당 방전용량(Ah/kg)이 큰 전극을 개발하여야 한다.Looking at the electrode, which is a factor that determines the performance of the secondary battery, the electrode material should first have a high energy density or discharge capacity per unit mass, have thermal and chemical stability within a certain temperature range, and have excellent oxidation / reduction. It must be reversible and have sufficient electrochemical electrical and ion conductivity. In addition, the electrode material should be non-toxic, inexpensive and readily available. Among them, the most important thing for the performance of the battery is the discharge capacity, that is, the energy density. In order to develop a secondary battery having excellent performance, an electrode having a large discharge capacity per unit weight (Ah / kg) must be developed.
그러나, 일반적으로 전기자동차등에 사용되는 납전지 또는 니켈/카드늄전지, 니켈 하이브리드 전지의 경우에는 큰 성능의 저하없이 여러번의 충방전이 가능하다는 장점이 있으나, 비교적 낮은 단위 질량당 에너지밀도를 가진다는 단점이 있다. 또한, 일반적으로 사용되고 있는 이차전지인 Ni/MH전지의 경우 가장 높은 전극용량을 나타내는 것이 마그네슘계로서 500mAh/g정도를 나타내며, Li전지의 경우 V2O5가 가장 큰 용량을 나타내는데, 약 400mAh/g정도이다. 그런데 유황(S)은 원자량이 적고, 가격이 저렴하므로, 전극재료로서 매우 유망한 재료이다. 특히 Li/S 전지쌍은 이론 에너지 밀도가 2800Wh/kg(1675mAh/g)으로 다른 전지시스템에 비하여 월등히 높다. 따라서 많은 연구자들이 유황을 이용하여, 리튬 이차전지를 구성하려고 하였다. Rauh 등(R.D. Rauh, G.F.Person and S.B. Brummer, J. Electrochem.Soc., 6, 1761-1766 (1977))은 양극으로 탄소전극을 사용하고, 유기전해질내에 유황을 용해시켜 전지를 구성하였고, Peled와 Yamin( E.Peled and H.Yamin, J. Power Sources, 9, 281-287 (1983))은 유기용매를 변환시켜 전지를 구성하였다. 그러나 유기용매와 유황의 반응으로 인하여 높은 방전용량을 얻을 수 없었다. 유기용매의 문제점을 해결하기 위하여 고체고분자전해질을 이용하는 연구가 진행되었다. 미국특허 제 5,686,201호에서 Chu등( M.Y.Chu, Okakland, Calif, U.S. Patent NO. 5,686,201 )은 50wt% 유황, 16wt% 탄소, 34wt% (PEO)49LiTFSi를 이용하여 리튬전지의 양전극을 제조하여 90℃에서 최대 1500mAh/g.sulfur (750mAh/g. cathode)의 에너지 밀도를 얻었다.However, in general, in the case of lead batteries, nickel / cadmium batteries, and nickel hybrid batteries used in electric vehicles, there are advantages in that they can be charged and discharged many times without deteriorating performance, but they have a relatively low energy density per unit mass. There is this. In addition, in the case of Ni / MH batteries which are generally used secondary batteries, the highest electrode capacity is about 500 mAh / g, which is magnesium-based, and in the case of Li batteries, V 2 O 5 shows the largest capacity, about 400 mAh / g or so. However, sulfur (S) is a very promising material as an electrode material because of its low atomic weight and low price. In particular, the Li / S battery pair has a theoretical energy density of 2800 Wh / kg (1675 mAh / g), which is much higher than other battery systems. Therefore, many researchers have tried to construct lithium secondary batteries using sulfur. Rauh et al. (RD Rauh, GFPerson and SB Brummer, J. Electrochem. Soc., 6, 1761-1766 (1977)) used a carbon electrode as an anode and dissolved sulfur in an organic electrolyte to construct a cell. Yamin (E.Peled and H. Yamin, J. Power Sources, 9, 281-287 (1983)) converted organic solvents to construct a cell. However, high discharge capacity could not be obtained due to the reaction of organic solvent and sulfur. In order to solve the problem of the organic solvent, a study using a solid polymer electrolyte has been conducted. In US Pat. No. 5,686,201, Chu et al. (MYChu, Okakland, Calif, US Patent No. 5,686,201), prepared a positive electrode of a lithium battery using 50wt% sulfur, 16wt% carbon, 34wt% (PEO) 49 LiTFSi at 90 ℃ Energy densities of up to 1500 mAh / g.sulfur (750 mAh / g. Cathode) were obtained.
Cairns ( D.Marmorstein, T.H.Yu, K.A.Stiebel, F.R.McLarnon, J.Hou,E.J.Cairns, J. Power Sources, 89 p.219-226, 2000)등은 75wt% 유황, 7.5wt% 탄소, 15wt% PEGDME/LiTFSi(30:1), 2.5wt% PEO를 이용하여 23℃에서 430(mAh/g.cathode, 570mAh/g.sulfur)를 얻었다.Cairns (D.Marmorstein, THYu, KAStiebel, FRMcLarnon, J.Hou, EJCairns, J. Power Sources, 89 p.219-226, 2000) are 75wt% sulfur, 7.5wt% carbon, 15wt% PEGDME 430 (mAh / g. Cathode, 570 mAh / g.sulfur) was obtained at 23 ° C. using / LiTFSi (30: 1) and 2.5 wt% PEO.
안효준 ( 안효준 등, 특허출원번호. 10-1999-0017811 ) 등은 리튬전지의 양극을 40wt% 유황, 19.2wt%, 36wt% PEO, 4.8wt%의 Li(CF3SO3)의 조성으로 제조하여 90℃에서 약 1540(mAh/g.sulfur)의 방전용량을 나타내었다.Hyo-Jun Ahn (Hyo-Jun Ahn, Patent Application No. 10-1999-0017811), etc., prepared a lithium battery positive electrode with a composition of 40 wt% sulfur, 19.2 wt%, 36 wt% PEO, and 4.8 wt% Li (CF 3 SO 3 ). The discharge capacity was about 1540 (mAh / g.sulfur) at 90 ° C.
그러나 이전의 연구에서 최고 75wt%의 유황으로 Li/S 전지를 구성하여 방전특성을 살펴본 경우 그 이용률이 저조하였다. 이에 유황의 함량을 증가시켜 전극을 제조하고자 하였다. 고함량의 유황전극일 경우 sulfur당 에너지 밀도가 같은 경우 양전극당 에너지 밀도가 증가하게 된다. 유황의 함량을 증가시키면 이온전도체인 PEO(poly(ethylene oxide)), 전기전도체인 탄소의 함량이 감소하게 되어 전극의 조성이 중요하다. 유황이 전기부도체이므로 전기전도체의 탄소가 적절히 있어야 하며 이온전도체인 PEO 역시 일정 양 이상 있어야 방전용량이 우수하게 나타난다. 조성이 적절하지 않은 경우는 PEO나 탄소가 역할을 제대로 하지 못하여 방전용량이 감소하게 된다. 또한 binder 역할을 하는 PEO의 감소는 전극의 기계적 강도를 낮게 하여 부스러지기가 쉬워 전극 제조에 어려움이 있다. 따라서 고함량일 경우 어떻게 유황전극의 조성비율을 맞출 것인가와 전극의 기계적 강도를 사용하기에 어떻게 알맞게 유지할 것인가가 전지의 특성을 좌우할 것이다.However, in the previous study, when the Li / S battery was composed of up to 75wt% of sulfur and its discharge characteristics were examined, its utilization was low. Thus, to increase the content of sulfur to prepare the electrode. In the case of high sulfur electrodes, if the energy density per sulfur is the same, the energy density per positive electrode increases. Increasing the content of sulfur decreases the content of PEO (poly (ethylene oxide)), which is an ion conductor, and carbon, which is an electrical conductor. Sulfur is an electrical insulator, so the carbon in the electrical conductor must be adequate and PEO, an ion conductor, must also be above a certain amount for excellent discharge capacity. If the composition is not appropriate, the discharge capacity is reduced because PEO or carbon does not play a role. In addition, the reduction of PEO that acts as a binder lowers the mechanical strength of the electrode, making it brittle, making it difficult to manufacture the electrode. Therefore, how to adjust the composition ratio of the sulfur electrode at high content and how to maintain the proper mechanical strength of the electrode will determine the characteristics of the battery.
유황전극은 활물질로 사용하는 유황 및 전기전도체로 사용할 수 있는 탄소, 흑연, 구리, 니켈 등 도전성이 좋은 분말과 이온전도체로 사용될 수 있는 고분자 전해질인 PEO(Poly(ethylene oxide)), PAN(Polyacrylonitrile), PVdF (Poly(vinylidene -fluoride))등을 잘 혼합하여 사용하여야 한다.Sulfur electrode is a conductive powder such as carbon, graphite, copper, and nickel that can be used as sulfur and an electric conductor, and a polymer electrolyte that can be used as an ion conductor (PEO (Poly (ethylene oxide)), PAN (Polyacrylonitrile) , PVdF (Poly (vinylidene -fluoride)) should be mixed well.
따라서 본 발명의 목적은 리튬이차전지용 고함량 유황전극을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a high content sulfur electrode for a lithium secondary battery.
또한 본 발명의 다른 목적은 유황전극의 구성성분의 조성을 적절하게 함으로서 우수한 방전용량을 나타내는 리튬전지용 유황전극을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a sulfur electrode for a lithium battery, which exhibits excellent discharge capacity by appropriately constituting a composition of a sulfur electrode.
도 1는 본 발명에 의하여 제조된 60중량%의 유황을 함유하는 양전극으로 구성된 리튬전지의 방전곡선을 도시한다.1 shows a discharge curve of a lithium battery composed of a positive electrode containing 60% by weight of sulfur prepared according to the present invention.
도 2는 본 발명에 의하여 제조된 60중량%의 유황을 함유하고 탄소의 함량에 따른 유황전극을 양전극으로 하는 리튬전지의 방전곡선을 도시한다.Figure 2 shows the discharge curve of a lithium battery containing 60% by weight of sulfur produced according to the present invention and the sulfur electrode according to the carbon content as a positive electrode.
도 3은 본 발명에 의하여 제조된 70중량%의 유황을 함유하는 양전극으로 구성된 리튬전지의 방전곡선을 도시한다.Figure 3 shows the discharge curve of a lithium battery composed of a positive electrode containing 70% by weight of sulfur prepared by the present invention.
도 4는 본 발명에 의하여 제조된 80중량%의 유황을 함유하는 양전극으로 구성된 리튬전지의 방전곡선을 도시한다.4 shows a discharge curve of a lithium battery composed of a positive electrode containing 80% by weight of sulfur prepared according to the present invention.
도 5는 본 발명에 의하여 제조된 80중량%의 유황과 10중량%의 탄소를 함유하는 양전극으로 집전체를 알루미늄 박에 요철을 가한 것을 사용하여 구성된 리튬전지의 방전곡선을 도시한다.FIG. 5 shows a discharge curve of a lithium battery constructed by applying an unevenness to an aluminum foil of a current collector with a positive electrode containing 80 wt% sulfur and 10 wt% carbon prepared according to the present invention.
도 6은 본 발명에 의하여 제조된 80중량%의 유황을 함유하고 탄소의 함량에 따른 유황전극을 양전극으로 집전체를 알루미늄 박에 요철을 가한 것을 사용하여 구성된 리튬전지의 방전곡선을 도시한다.FIG. 6 illustrates a discharge curve of a lithium battery including 80 wt% sulfur prepared according to the present invention and using a sulfur electrode according to a carbon content as a positive electrode and applying an unevenness to an aluminum foil of a current collector.
도 7은 본 발명에 의하여 제조된 80중량%의 유황과 10중량%의 탄소를 함유하는 양전극으로 집전체를 Al current collector를 사용하여 구성된 리튬전지의 방전곡선을 도시한다.FIG. 7 illustrates a discharge curve of a lithium battery in which a positive electrode containing 80 wt% sulfur and 10 wt% carbon prepared by the present invention is configured using an Al current collector.
본 발명은 유황기저(sulfur-based) 성분으로 이루어진 활물질과, 전지 도전물질 및 이온전도체로 사용되는 고분자 전해질의 혼합물로 이루어지는 리튬전지용 유황양전극에 있어서, 상기 혼합물 전체를 100중량%로 하였을 때 상기 유황기저성분의 함량은 60 내지 80중량%을 가지며, 상기 유황양전극의 기계적강도와 전기적 성질을 최적화하기 위하여 PEO(Polyethylene oxide) 8∼35중량%; 탄소 15∼30중량%; 및 LiCF3SO3,LiClO4,LiBF4,LiAsF4,LiPF6중 선택된 어느 하나의 리튬염 2내지 8중량%를 함유하며 상기 유황전극은 이론 방전용량(1675mAh/유황g)의 70∼100%의 방전용량을 가지는 것을 특징으로 하는 리튬전지용 유황양전극에 관한 것이다.또한 유황기저(sulfur-based) 성분으로 이루어진 활물질과, 전지 도전물질 및 이온전도체로 사용되는 고분자 전해질의 혼합물로 이루어지는 리튬전지용 유황양전극의 제조방법에 있어서, 상기 혼합물 전체를 100중량%로 하였을 때 상기 유황기저성분의 함량은 60 내지 80중량%을 가지며, 상기 유황양전극의 기계적강도와 전기적 성질을 최적화하기 위하여 PEO(Polyethylene oxide) 8∼35중량%; 탄소 15∼30중량%; 및 LiCF3SO3,LiClO4,LiBF4,LiAsF4,LiPF6중 선택된 어느 하나의 리튬염 2내지 8중량%로 이루워진 혼합물을 ACN(Acentonitile)과 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 혼합물을 박막형태로 유황전극으로 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬전지용 유황양전극 제조방법에 관한 것이다.본 발명에 의한 유황양전극은, 결정질 유황, 비결정질 유황, CS(C: 탄소, S: 유황), MS(M: 전이금속, S: 유황)등과 같은 유황기저 성분으로 이루어진 유황활물질과, 금속 또는 탄소, 흑연과 같은 전기 도전물질 및, PEO(Poly(ethylene oxide)), PAN(Polyacrylonitrile), PVdF (Poly(vinylidene fluoride))계 고체고분자 전해질과 같은 이온전도체의 혼합물로 이루어짐으로써, 90℃에서 이론 방전용량(1675mAh/gsulfur)의 80%이상의 방전용량을 가지는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a sulfur positive electrode for a lithium battery comprising a mixture of an active material consisting of a sulfur-based component and a polymer electrolyte used as a battery conductive material and an ion conductor, wherein the sulfur is 100% by weight. The base component is 60 to 80% by weight, PEO (polyethylene oxide) 8 to 35% by weight to optimize the mechanical strength and electrical properties of the sulfur positive electrode; 15-30% by weight of carbon; And lithium salt 2 to 8 wt% of any one selected from LiCF 3 SO 3, LiClO 4, LiBF 4, LiAsF 4, and LiPF 6 , wherein the sulfur electrode is 70-100% of the theoretical discharge capacity (1675 mAh / g of sulfur). The present invention relates to a sulfur positive electrode for a lithium battery having a discharge capacity of. A sulfur positive electrode for a lithium battery comprising a mixture of an active material composed of a sulfur-based component and a polymer electrolyte used as a battery conductive material and an ion conductor. In the production method of, the content of the sulfur base component when the total mixture to 100% by weight has a 60 to 80% by weight, in order to optimize the mechanical strength and electrical properties of the sulfur positive electrode PEO (Polyethylene oxide) 8 35 wt%; 15-30% by weight of carbon; And mixing 2 to 8% by weight of a lithium salt of any one selected from LiCF 3 SO 3, LiClO 4, LiBF 4, LiAsF 4, and LiPF 6 with Acentonitile (ACN); And a method of manufacturing a sulfur positive electrode for a lithium battery, comprising the steps of preparing the mixed mixture as a sulfur electrode in a thin film form. The sulfur positive electrode according to the present invention includes crystalline sulfur, amorphous sulfur, and CS (C: Sulfur active materials composed of sulfur base components such as carbon, S: sulfur), MS (M: transition metal, S: sulfur) and the like, metal or electric conductive materials such as carbon and graphite, and PEO (Poly (ethylene oxide)), It consists of a mixture of ionic conductors such as polyacrylonitrile (PAN) and poly (vinylidene fluoride) (PVD) -based solid polymer electrolytes, and has a discharge capacity of 80% or more of the theoretical discharge capacity (1675 mAh / gsulfur) at 90 ° C. .
상기 각 성분의 함량은 혼합물 전체를 100중량%로 하였을 때, 상기 유황기저성분의 함량은 60내지 80중량%를 가지며, 상기 전기전도물질은 약 15 내지 35중량%, 이온전도체는 10내지 30중량%로 이루어진다.When the content of each component is 100% by weight of the mixture as a whole, the content of the sulfur base component is 60 to 80% by weight, about 15 to 35% by weight of the electrically conductive material, 10 to 30% by weight of the ion conductor In percent.
그리고 본 발명은 유황이 고함량으로 활물질의 이용률이 낮아 80중량% 유황함유 양전극의 경우에 전기전도물질인 탄소를 적절한 양으로 혼합함으로써 방전효율을 증가시키도록 하였다.In addition, the present invention was to increase the discharge efficiency by mixing the carbon, an electrically conductive material in an appropriate amount in the case of 80% by weight sulfur-containing positive electrode with a low sulfur content of the active material.
따라서, 상기 유황양전극은 기계적강도, 전기전도성과 이온전도성을 최적화하기 위하여 PEO(Polyethylene oxide)를 5 내지 20중량% 그리고 탄소를 3 내지 17중량% 더 포함할 수 있다.Therefore, the sulfur positive electrode may further include 5 to 20% by weight of polyethylene oxide (PEO) and 3 to 17% by weight of carbon in order to optimize mechanical strength, electrical conductivity and ionic conductivity.
또한, 60중량% 유황양전극인 경우, 기계적강도와 전기적 성질을 최적화하기 위하여 PEO(Polyethylene oxide)를 8∼35중량% 그리고 탄소의 함량을 15∼30중량 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, in the case of a 60% by weight sulfur positive electrode, it is preferable to further include 8 to 35% by weight of polyethylene oxide (PEO) and 15 to 30% by weight of carbon in order to optimize the mechanical strength and electrical properties.
그리고, 80중량% 유황양전극인 경우에는, 기계적강도와 전기적 성질을 최적화하여 PEO(Polyethylene oxide)를 8∼12중량% 그리고 탄소의 함량을 10∼12중량 더 포함하는 것이 바람직하다.In the case of the 80% by weight sulfur positive electrode, it is preferable to further include 8 to 12% by weight of polyethylene oxide (PEO) and 10 to 12% by weight of carbon by optimizing the mechanical strength and electrical properties.
또한, 본 발명에 의한 유황양전극은 이온전도체의 도전성을 증가시키기 위하여 약 2내지 8중량% 정도의 LiCF3SO3,LiClO4,LiBF4,LiAsF4,LiPF6와 같은 리튬염을 추가로 포함할 수 있다.In addition, the sulfur positive electrode according to the present invention may further include a lithium salt such as LiCF 3 SO 3, LiClO 4, LiBF 4, LiAsF 4, LiPF 6 of about 2 to 8% by weight in order to increase the conductivity of the ion conductor. Can be.
본 발명의 제조방법을 공정별로 살펴보면, 60%, 70%, 80%유황과 전기전도물질 탄소와 이온전도물질 PEO(Polyethylene oxide)와 Li salt를 ACN(Acentonitile)에 혼합하여 하루이상 교반하여 골고루 분산되게 하였다. 이것을 film으로 제조하여 50℃에서 진공중에 12시간이상으로 건조하였다.Looking at the manufacturing method of the present invention by process, 60%, 70%, 80% sulfur and electrically conductive materials carbon and ionic conductors PEO (polyethylene oxide) and Li salt mixed in ACN (Acentonitile) and stirred evenly dispersed over a day It was made. It was made into a film and dried at 50 DEG C in vacuum for at least 12 hours.
또한 위와 Chu 등의 특허와 같은 방법으로 제조하면 본 발명에서는 고함량 유황전극을 제조 후에 전극의 기계적 강도가 낮아 유황필름의 형태가 유지되기 어려울 정도가 되기 때문에 유황전극 제조공정 중 혼합물을 교반한 후 집전체에 요철을 부여하여 집전체와 유황전극의 접착성을 주었다. 본 발명에서 제조된 유황 양전극을, 음전극으로는 Li 금속리본을, 고분자 전해질로는 PEO(Polyethylene oxide)전해질을 사용하여 리튬전지를 구성하였다.In addition, if manufactured by the same method as in the above and Chu et al. In the present invention, after the high-sulfur electrode is manufactured, the mechanical strength of the electrode is low, so that it is difficult to maintain the form of the sulfur film. Unevenness was given to the current collector to give adhesion between the current collector and the sulfur electrode. The lithium battery was constructed by using a sulfur positive electrode prepared in the present invention, a Li metal ribbon as a negative electrode, and a polyethylene oxide (PEO) electrolyte as a polymer electrolyte.
또한, 본 발명에 의한 유황전극의 방전용량을 조사하기 위하여, 상기와 같이 제조된 리튬전지를 90℃에서 방전 실험한 결과, 60% 유황전극으로 1489mAh/g(S)의 방전용량을 얻었다.In addition, in order to investigate the discharge capacity of the sulfur electrode according to the present invention, the discharge test of the lithium battery prepared as described above at 90 ℃, to obtain a discharge capacity of 1489mAh / g (S) with a 60% sulfur electrode.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
[실시예 1] 60중량%의 유황함유 양전극제조Example 1 Preparation of Sulfur-Containing Positive Electrode of 60% by Weight
60중량% 유황, 20중량% 탄소, 17중량% PEO, 3중량% Li salt를 혼합한 후 아세토니트릴(ACN)에 용해시켜 하루 이상 교반하였다. 균질하게 혼합된 혼합액을 그래스 캐스팅(glass casting)법에 의하여 얇은 필름형태로 제조한 후 전극내의 수분을 제거하기 위해 50℃ 진공 중에서 12시간 이상 건조하여 전극을 제조하였다.60 wt% sulfur, 20 wt% carbon, 17 wt% PEO, and 3 wt% Li salt were mixed and dissolved in acetonitrile (ACN) and stirred for at least one day. The homogeneously mixed mixture was prepared in a thin film form by glass casting, and then dried in a vacuum at 50 ° C. for at least 12 hours to remove moisture in the electrode, thereby preparing an electrode.
[실시예 2] 70중량%의 유황함유 양전극제조Example 2 70 wt% sulfur-containing positive electrode
상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로, 70중량% 유황, 15중량% 탄소, 12.25중량% PEO, 2.25중량% Li salt로 이루어진 유황양전극을 제조하였다.In the same manner as in Example 1, a sulfur positive electrode consisting of 70% by weight sulfur, 15% by weight carbon, 12.25% by weight PEO, 2.25% by weight Li salt was prepared.
[실시예 3] 80중량%의 유황함유 양전극제조Example 3 Preparation of 80 wt% Sulfur-Containing Positive Electrode
상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로, 80중량% 유황, 10중량% 탄소, 8.5중량% PEO, 1.5중량% Li salt로 이루어진 유황양전극을 제조하였다.In the same manner as in Example 1, a sulfur positive electrode consisting of 80% by weight sulfur, 10% by weight carbon, 8.5% by weight PEO, 1.5% by weight Li salt was prepared.
[실시예 4] 집전체를 이용한 5중량% 탄소를 혼합한 80중량%의 유황함유 양전극제조Example 4 80 wt% sulfur-containing positive electrode was prepared by mixing 5 wt% carbon using a current collector
상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로, 80중량% 유황, 5중량% 탄소, 13중량% PEO(Polyethylene oxide), 2중량% Li salt로 이루어진 유황양전극을 제조한 후 유리판 대신에 집전체로 사용되는 알루미늄 박위에 glass casting하였다.In the same manner as in Example 1, after preparing a sulfur positive electrode consisting of 80% by weight sulfur, 5% by weight carbon, 13% by weight polyethylene oxide (PEO), 2% by weight Li salt is used as a current collector instead of a glass plate Glass casting was performed on aluminum foil.
[실시예 5] 집전체를 이용한 10중량% 탄소를 혼합한 80중량%의 유황함유 양전극제조Example 5 80 wt% sulfur-containing positive electrode was prepared by mixing 10 wt% carbon using a current collector
상기 실시예 4에서와 동일한 방법으로, 80중량% 유황, 10중량% 탄소, 8중량% PEO(Polyethylene oxide), 2중량% Li salt로 이루어진 유황양전극을 제조하였다.In the same manner as in Example 4, a sulfur positive electrode made of 80 wt% sulfur, 10 wt% carbon, 8 wt% polyethylene oxide (PEO), and 2 wt% Li salt was prepared.
[실시예 6] 집전체를 이용한 15중량% 탄소를 혼합한 80중량%의 유황함유 양전극제조Example 6 80 wt% sulfur-containing positive electrode was prepared by mixing 15 wt% carbon using a current collector
상기 실시예 4에서와 동일한 방법으로, 80중량% 유황, 15중량% 탄소, 3중량% PEO(Polyethylene oxide), 2중량% Li salt로 이루어진 유황양전극을 제조하였다.In the same manner as in Example 4, a sulfur positive electrode consisting of 80% by weight sulfur, 15% by weight carbon, 3% by weight PEO (polyethylene oxide), 2% by weight Li salt was prepared.
[실시예 7} 집전체를 이용한 10중량%탄소를 혼합한 80중량%의 유황함유 양전극제조Example 7 80 wt% sulfur-containing positive electrode was prepared by mixing 10 wt% carbon using a current collector
상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로, 80중량% 유황, 10중량% 탄소, 8중량% PEO(Polyethylene oxide), 2중량% Li salt로 이루어진 유황양전극을 제조한 후 유리판 대신에 Al 집전체(current collector) 위에 글라스 캐스팅 하였다.In the same manner as in Example 1, after fabricating a sulfur positive electrode consisting of 80% by weight sulfur, 10% by weight carbon, 8% by weight polyethylene oxide (PEO), 2% by weight Li salt after the Al current collector (current instead of a glass plate) Glass casting on the collector).
[실시예 8] 본 발명에 의한 유황전극을 구비하는 리튬전지(60중량% 유황함유전극)Example 8 Lithium Battery with Sulfur Electrode According to the Present Invention (60 wt% Sulfur-Containing Electrode)
본 발명에 의한 유황양전극의 방전특성을 알아보기 위하여, 본 발명에 의한 유황양전극/고분자고체전해질/음전극으로 이루어지는 리튬전지를 제조하였다. 양전극은 상기 실시예 1에서 제조한 것을 사용하였으며, 음극은 리튬금속리본을 사용하였고, 전해질은 PEO(Polyethylene oxide)필름을 사용하였다.In order to examine the discharge characteristics of the sulfur positive electrode according to the present invention, a lithium battery comprising a sulfur positive electrode / polymer solid electrolyte / negative electrode according to the present invention was prepared. The positive electrode was prepared in Example 1, the negative electrode was used a lithium metal ribbon, the electrolyte was used a polyethylene oxide (PEO) film.
방전실험은 90℃에서 실시하였고, 방전전류는 50mA/g(S)로 하였다. 도 1은 실험결과 방전곡선을 도시한 것으로서, 90℃에서 방전용량이 약 1490mAh/g(S)으로 나타났으며, 방전전압은 2.4V 및 2.1V 두 개의 평탄구간으로 이루어져 있다. 이와 같이 90℃에서 적절한 방전전압을 유지하면서 이론 방전용량인 1675mAh/g의 약 89%인 높은 방전용량을 나타내고 있다.Discharge test was carried out at 90 ℃, discharge current was 50mA / g (S). Figure 1 shows the discharge curve as a result of the experiment, the discharge capacity was found to be about 1490mAh / g (S) at 90 ℃, the discharge voltage is composed of two flat sections of 2.4V and 2.1V. Thus, while maintaining an appropriate discharge voltage at 90 degreeC, the high discharge capacity which is about 89% of the theoretical discharge capacity of 1675 mAh / g is shown.
[실시예 9] 본 발명에 의한 유황전극을 구비하는 리튬전지(70중량% 유황함유전극)Example 9 Lithium Battery with Sulfur Electrode according to the Present Invention (70 wt% Sulfur-Containing Electrode)
상기 실시예 2에 의하여 제조된 유황전극을 이용하여 상기 실시예 8에서와 동일한 방법으로 리튬전지를 제조하고 방전실험을 실시하였다. 도 3 은 그 결과를 도시하고 있으며, 상기 실시예 7에서와 유사한 방전곡선 형태를 보여주지만, 방전용량은 상기 실시예 7보다 약간 낮은 약 1337mAh/g(이론값의 약 80%)의 방전용량을 나타내고 있다.A lithium battery was manufactured in the same manner as in Example 8 using the sulfur electrode prepared in Example 2, and a discharge test was performed. FIG. 3 shows the results, showing a discharge curve shape similar to that of Example 7, but with a discharge capacity of about 1337 mAh / g (about 80% of theory), which is slightly lower than that of Example 7. It is shown.
[실시예 10] 본 발명에 의한 유황전극을 구비하는 리튬전지(80중량% 유황함유전극)Example 10 Lithium Battery (80 wt% Sulfur-Containing Electrode) Having a Sulfur Electrode according to the Present Invention
상기 실시예 3에 의하여 제조된 유황전극을 이용하여 상기 실시예 8에서와 동일한 방법으로 리튬전지를 제조하고 방전실험을 실시하였다. 도4는 그 결과를 도시하고 있으며, 방전용량은 약 883mAh/g(이론값의 약 53%)의 방전용량을 나타내고 있다.A lithium battery was manufactured in the same manner as in Example 8 using the sulfur electrode prepared in Example 3, and a discharge test was performed. 4 shows the result, and the discharge capacity shows a discharge capacity of about 883 mAh / g (about 53% of theory).
[실시예 11] 본 발명에 의한 유황전극을 구비하는 리튬전지(80중량% 유황, 5중량%탄소 함유전극)Example 11 Lithium Battery with Sulfur Electrode According to the Present Invention (80 wt% Sulfur, 5 wt% Carbon-Containing Electrode)
상기 실시예 4에 의하여 제조된 유황전극을 이용하여 상기 실시예 8에서와 동일한 방법으로 리튬전지를 제조하고 방전실험을 실시하였다.The lithium battery was manufactured in the same manner as in Example 8 using the sulfur electrode prepared according to Example 4, and discharge experiments were performed.
[실시예 12] 본 발명에 의한 유황전극을 구비하는 리튬전지(80중량% 유황, 10중량%탄소 함유전극)Example 12 A lithium battery having a sulfur electrode according to the present invention (80 wt% sulfur, 10 wt% carbon-containing electrode)
상기 실시예 5에 의하여 제조된 유황전극을 이용하여 상기 실시예 8에서와 동일한 방법으로 리튬전지를 제조하고 방전실험을 실시하였다. 도 5는 그 결과를 도시하고 있으며, 방전용량은 약 1047mAh/g(이론값의 약 63%)의 방전용량을 나타내고 있다.A lithium battery was manufactured in the same manner as in Example 8 using the sulfur electrode prepared in Example 5, and a discharge test was performed. FIG. 5 shows the result, and the discharge capacity shows a discharge capacity of about 1047 mAh / g (about 63% of theory).
[실시예 13] 본 발명에 의한 유황전극을 구비하는 리튬전지(80중량% 유황, 15중량%탄소 함유전극)[Example 13] A lithium battery having a sulfur electrode according to the present invention (80 wt% sulfur, 15 wt% carbon-containing electrode)
상기 실시예 6에 의하여 제조된 유황전극을 이용하여 상기 실시예 8에서와 동일한 방법으로 리튬전지를 제조하고 방전실험을 실시하였다.A lithium battery was manufactured in the same manner as in Example 8 using the sulfur electrode prepared in Example 6, and a discharge test was performed.
[실시예 14] 본 발명에 의한 유황전극을 구비하는 리튬전지(80중량% 유황함유전극)Example 14 Lithium Battery (80 wt% Sulfur-Containing Electrode) Having a Sulfur Electrode according to the Present Invention
상기 실시예 7에 의하여 제조된 유황전극을 이용하여 상기 실시예 8에서와 동일한 방법으로 리튬전지를 제조하고 방전실험을 실시하였다. 도 7 은 그 결과를 도시하고 있으며 방전용량은 약 1026mAh/g(이론값의 약 61%)의 방전용량을 나타내고 있다.A lithium battery was manufactured in the same manner as in Example 8 using the sulfur electrode prepared according to Example 7, and a discharge test was performed. 7 shows the result, and the discharge capacity shows a discharge capacity of about 1026 mAh / g (about 61% of theory).
이상의 실시예에서 설명한 바와 같이 60 내지 80중량%의 유황기저성분을 포함하고, 유황전극에 포함되는 PEO와 탄소의 함량을 적절히 조절한 리튬전지용 양전극은 우수한 방전용량을 나타낸다. 또한 방전용량을 나타낼 수 있는 집전체나 요철을 가한 집전체에 양전극을 바로 제조함으로서 전극을 간단하게 제조가 가능한 가능한 효과가 있으므로 리튬유황전지 제조 산업상 매우 유용한 발명인 것이다.As described in the above embodiment, the positive electrode for a lithium battery including a sulfur base component of 60 to 80% by weight, and appropriately adjusting the content of PEO and carbon included in the sulfur electrode exhibits excellent discharge capacity. In addition, it is a very useful invention in the lithium sulfur battery manufacturing industry because there is an effect that it is possible to simply manufacture the electrode by directly manufacturing the positive electrode to the current collector that can exhibit the discharge capacity or the uneven current collector.
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