KR101583948B1 - 리튬황 전지용 양극 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬황 전지용 양극에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다공성 탄소구조체에 활물질이 삽입되어 있고 그 다공성 탄소구조체의 표면이 도전재로 치밀하게 코팅되어 있어서, 집전체 없이 전극 내에 활물질 및 도전재의 함량을 극대화시킴으로써, 충방전 효율과 충전 용량 및 수명이 향상된 리튬황 전지용 양극 구조에 관한 것이다.

Description

리튬황 전지용 양극{Lithium-sulfur battery cathode}
본 발명은 리튬황 전지용 양극에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다공성 탄소구조체에 활물질이 삽입되어 있고 그 다공성 탄소구조체의 표면이 도전재로 치밀하게 코팅되어 있어서, 집전체 없이 전극 내에 활물질 및 도전재의 함량을 극대화시킴으로써, 충방전 효율과 충전 용량 및 수명이 향상된 리튬황 전지용 양극 구조에 관한 것이다.
리튬황 전지용 양극은 일반적으로 도전재, 활물질, 바인더, 용매가 함께 혼합된 슬러리 상태로 제조되어 금속 집전체 위에 코팅작업을 거쳐 전극으로 제작된다.
이러한 기존의 일반적인 리튬황 전지용 양극은 정밀하고 정성적인 코팅작업을 통해 제작되어 있어서, 도전재-도전재, 도전재-활물질 간 접촉이 충실히 잘 되어 있으나, 셀로 제작된 이후 사용과정에서 충방전이 반복되면서 활물질의 형태가 변하게 되고 일부 활물질의 소실로 인해 충방전 효율과 에너지 효율이 저하되고 셀의 수명이 줄어들게 된다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해, 리튬황 전지의 양극 제조를 위해 유황, 바인더, 도전재, 용매를 슬러리 형태로 혼합한 후 metal collector 위에 캐스팅한 후 건조하여 전극으로 사용하는 기술이 제안되어 있다. 그러나 이러한 기술은 용매를 사용하는 습식 혹은 용매를 사용하지 않는 건식 방법 모두에서 황과 도전재가 고른 접촉면(contact area)를 가지고 있는 상태로 혼합하기 어려운 문제가 있다. 특히, 최근 들어서 리튬황 전지의 수명이 짧은 이유는 활물질과 도전재 등의 균일한 형태의 양극 구조가 헐겁게 유지되어 있는 구조로 이루어져 있어서 이로 인해 충방전 이후 초기 균형 상태가 급속히 무너진다는 연구 결과가 발표되고 있다[Journal of The Electrochemical Society, 159 (8) A1226-A1229 (2012)]. 예컨대, 리튬황 전지의 양극 구조에서 활물질이 도전재에 균일하게 혼재되어 있는 초기 상태가 충방전을 반복하면서 초기 상태의 균일한 구조가 무너져서 황이 용출되는 등의 문제가 발생하여 충방전 용량을 현저하게 저하시킨다.
또한, 한국공개특허 제2002-39823호에서는 탄소 섬유로 제조된 다공성 전류 집전체에 리튬-황 전지용 양극 활물질 슬러리를 코팅하여 얻어진 리튬-황 전지용 양극에 관하여 제안하고 있으며, 한국공개특허 제2011-40565호에서는 카본 펠트를 사용한 섬유 도전체 상에 탄소 나노튜브가 포함된 용액을 분사하여 상기 섬유 도전체 내부로 유황 전극 활물질을 포함시키는 방법이 제안되어 있다.
그리고, 국제공개특허(WO) 제2013-123131호에서는 다공성 지지체를 포함하는 전지의 전극구조로서, 장섬유로 구성된 다공성 지지체로 구성되며 활성물질로 황을 포함하는 리튬-황 전지 구조에서 상기 다공성 지지체의 포어에 부분적으로 도전성 물질이 코팅된 다공성 지지체를 포함하는 기술이 제안되어 있다. 또한, 일본공개특허 평8-31451호에서는 카본 섬유 직포로 구성된 매트에 양극 활물질인 유황(S)을 함침시킨 구조를 가지는 나트륨-유황 전지에 관하여 기재하고 있다.
그러나 상기와 같은 종래의 기술들은 전지용 전극에서 활물질을 다공성 집전체나 지지체 또는 도전체 등에 포함시키는 기술 등을 제안하여 충방전 효율이나 용량 개선 등에 어느 정도의 진전이 있으나, 아직도 활물질의 성능 극대화가 충분하지 못하고, 특히 활물질이 지지체나 도전체 외부로 유출되어 소실되거나 전도성 면에서 안정성이 떨어지는 문제가 있었다.
1. 한국공개특허 제2002-39823호 2. 한국공개특허 제2011-40565호 3. 국제공개특허(WO) 제2013-123131호 4. 일본공개특허 평8-31451호
1. Journal of The Electrochemical Society, 159 (8) A1226-A1229 (2012)
상기와 같은 종래기술들에서 나타나는 문제점을 해결하기 위하여 오랫동안 연구 검토한 결과, 리튬황 전지의 양극 구조를 구성함에 있어서 다공성 탄소구조체에 활물질을 삽입하고 그 다공성 탄소구조체의 표면을 비표면적이 넓은 도전재로 코팅하여 치밀한 도전재 코팅층을 형성시키게 되면, 활물질이 전극 내에서만 효율적으로 존재하고 소실이 없어서 그 이용률을 극대화시킬 수 있으므로 충전 용량을 최대화하고 수명 특성 또한 향상시킬 수 있다는 사실을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 활물질이 삽입된 다공성 탄소구조체의 표면이 도전재로 코팅된 새로운 구조의 리튬황 전지용 양극을 제공하는데 있다.
또한 본 발명은 전극 표면에 비표면적이 넓은 도전재가 코팅되어 있어서 활물질의 소실이 없고 충방전 용량을 극대화함을 물론 수명 특성도 향상시킬 수 있는 개선된 리튬황 전지용 양극을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 다공성 탄소구조체에 활물질을 삽입하고 그 표면을 도전재로 코팅하는 새로운 구조의 리튬황 전지용 양극을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
위와 같은 과제 해결을 위한 목적 달성을 위해, 본 발명은 전극의 몸체를 이루는 플레이트 상의 다공성 탄소구조체의 공극 내부에 유황 활물질이 삽입되어 있고, 그 다공성 탄소구조체의 표면 전체에는 나노입자상의 도전재가 치밀하게 코팅된 도전재 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 양극을 제공한다.
또한, 본 발명은 양극의 몸체를 구성하는 플레이트 상의 다공성 탄소구조체를 제조하는 단계, 상기 탄소구조체의 표면 중 넓은 표면 하나만 남기고 나머지 5면을 나노입자의 도전재로 치밀하게 코팅하여 5면에 도전재 코팅층을 형성하는 단계, 도전재가 5면 코팅된 탄소구조체 내부로 유황 활물질을 삽입하는 단계, 활물질이 삽입된 탄소구조체를 건조하는 단계, 상기 건조된 탄소구조체의 표면 중 도전재가 코팅되지 않은 나머지 하나의 면을 도전재로 치밀하게 코팅하여 나머지 면에 도전재 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 리튬황 전지용 양극의 제조방법을 제공한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 리튬황 전지용 양극은 전기적 전도성이 좋은 도전재로 표면을 코팅하여 밀폐함으로써 부피 팽창 조건에서도 전극 내 전기적 전도성을 안정적으로 유지할 수 있고, 전극 사용 과정에서 생성되는 폴리설파이드가 전해질에 용해되었을 때 전극 및 셀 내 확산을 억제하고 폴리설파이드와 도전재의 반응성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 이러한 구조적 특징으로 인해, 기존의 집전체 대신에 탄소구조체의 표면에 치밀하게 도전재를 코팅하여 그 도전재 코팅층이 전도성을 안정적으로 유지하게 하고 집전체의 역할을 대신하게 할 수 있어서, 셀의 충방전 효율, 수명, 용량 및 에너지 밀도 등이 크게 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬황 전지용 양극의 구조를 개념적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 리튬황 전지용 양극의 제조 과정에서 탄소구조체의 5면에 도전재 코팅층이 형성된 상태, 그 이후에 여기에 활물질 주입 후의 탄소구조체, 그리도 최종적으로 마지막으로 나머지 하나의 면에 도전재 코팅층을 형성한 후의 최종 전극 구조 등을 차례로 보여주는 제조과정의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 제조된 리튬황 전지용 양극의 탄소구조체와 그 표면에 형성된 도전재 코팅층의 형성 구조를 보여주는 주사전자현미경 단면 사진이다.
이하, 본 발명을 하나의 바람직한 구현예로서 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 리튬황 전지용 양극 구조에서, 양극의 몸체를 이루는 다공성 탄소구조체에 활물질이 삽입되어 있고 활물질이 위치하는 탄소구조체의 외표면 전체에는 도전재가 치밀하게 코팅되어 있어서 활물질이 전극 내에서만 존재하도록 함으로써, 활물질 이용률을 극대화시킨 새로운 구조의 리튬황 전지용 양극에 관한 것이다.
본 발명에서 양극의 몸체를 이루는 탄소구조체는 탄소섬유로 제조될 수 있고, 탄소섬유를 이용한 부직포 또는 미세 공극을 가지는 다양한 형태의 직물, 예를 들어 Woven Carbon Fiber, Caron Fabric, Carbon Fiber Cloth 중에서 선택된 하나이상으로 구성할 수 있다. 이러한 탄소구조체는 양극 몸체와 같은 형상의 플레이트 상으로 형성되며, 바람직하게는 기공율이 30~90%인 것이 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면 유황 활물질은 상기 다공성 탄소구조체의 공극 내부에 함유되어있는데, 이러한 활물질은 다공성 탄소구조체의 공극 내에서 탄소구조체의 사이 사이에 부착, 코팅되거나 공극이 채워진 상태로 균일하게 존재할 수 있다. 상기 다공성 탄소구조체의 공극에는 활물질 이외에도 양극의 제조에 사용되는 도전재, 바인더 또는 이들 모두가 추가로 함유될 수 있다. 이때의 도전재로서는 나노탄소섬유 (vapour-grown carbon nanofibers, VGCF), 슈퍼탄소(Super C), 케첸블랙(Ketjen Black), 탄소섬유(Carbon Nanotube) 중에서 선택된 것이 하나 이상 사용될 수 있고, 바인더로서는 PVDF (Polyvinylidene Fluoride), PVdF-co-HFP (Polyvinylidene Fluoride Co - Hexafluoropropylene), SBR-CMC (Styrene Butadiene Rubber - Carboxymethyl Cellulose), PVA (Polyvinyl Alcohol), PTFE (Polytetrafluoroethylene 중에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 탄소구조체의 전체 표면에 걸쳐서 나노입자의 도전재가 치밀하게 코팅된 도전재 코팅층 구조를 갖는다. 여기서, 도전재 코팅층에 적용되는 나노입자의 도전재로서는 예컨대 케첸블랙(Ketjen Black), 슈퍼카본(Super C) 중에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다. 이러한 도전재는 비표면적이 큰 나노입자로서, 그 입자 크기는 입경 20 ~ 100 nm, 더욱 좋기로는 30 ~ 40 nm인 나노입자 도전재가 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면 상기 도전재 코팅층의 두께는 예컨대 1~30㎛의 두께, 바람직하게는 5~15㎛의 두께로 탄소구조체의 전체 표면에 걸쳐 코팅되어 있으며, 이때 적용되는 각 표면의 도전재 코팅층의 성분 구성과 두께는 각각 동일하거나 다를 수도 있다.
이러한 도전재 코팅층은 탄소구조체의 표면 전체에 '치밀하게' 코팅되어 있는바, 여기서 '치밀하게' 코팅된 것이라 함은 상기 탄소구조체 내에 포함되어 있는 활물질이 전해질에 용해되어 전극 및 셀 내부에서 확산이 진행될 때 그 활물질이 양극의 탄소구조체 표면의 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있는 정도의 형태로 나노입자의 도전재가 코팅되어 있는 상태를 의미한다.
본 발명에 따른 리튬황 전지용 양극은 전형적으로는 도 1에 도시한 바와 같은 단면 구조를 가질 수 있다. 도 1에서 보면, 양극의 몸체를 이루는 탄소구조체(11)의 섬유(11a)에 의해 만들어지는 공극 내에 유황성분의 활물질(12)과 도전재(13a, 13b)가 균일하게 분포된 구조를 예시하고 있다. 특히, 도 1에서 상기 탄소구조체(11)의 표면에는 도전재로 코팅된 도전재 코팅층(14)이 형성되어 있어서 밀폐되는 효과가 있으므로 활물질(12)이 전해질에 용해되는 경우 이러한 도전재 코팅층(14)에 의해 외부 유출을 방지할 수 있는 바람직한 구조를 보여주고 있다.
이러한 본 발명에 따른 리튬황 전지용 양극의 제조방법을 하나의 구현예로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 양극의 몸체를 구성하는 플레이트 상의 다공성 탄소구조체를 준비하는 단계에서는, 상기한 탄소성분의 부직포나 또는 직물 등으로 제조된 것을 사용할 수 있다. 탄소구조체를 제조하는 방법으로서는 Reaction template 방법, 기체발포법 등을 이용할 수 있고, 바람직하게는 sacrificial template 방법으로 제작될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이때 다공성 탄소구조체는 양극을 구성하는 몸체 역할을 하는 것이므로 제작하고자 하는 양극의 크기와 두께를 고려하여 준비한다.
다음으로, 상기 준비된 탄소구조체의 표면 중 넓은 표면 하나만 남기고 나머지 5면을 나노입자의 도전재로 치밀하게 코팅하여 5면에 도전재 코팅층을 형성하는 단계를 거친다.
이 과정에서는 탄소구조체에 삽입될 활물질이 잘 주입되어 함유될 수 있도록 하기 위해, 그리고 활물질 등이 삽입된 이후에 도전재 코팅층을 형성할 때 공정상의 어려움 등을 고려하여 탄소구조체의 6면 중에 활물질 삽입 공정을 위해 필요한 하나의 넓은 면만을 남기기 위해 6면 중에서 5면에만 우선적으로 도전재를 코팅하여 도전재 코팅층을 형성하는 것이다. 이때 도전재 코팅층이 형성되지 아니한 면은 넓은 표면이어야 활물질 삽입이 가능하다. 이러한 형태로 탄소구조체의 하나의 면을 제외하고 5면에 도전재 코팅층이 형성된 상태는 도 2의 첫번째 그림에서 개념적으로 나타내었다.
본 발명에 따르면 이러한 도전재 코팅은 바람직한 예로서는 케스팅(Casting)법 및 에어로졸 디포지션(Aerosol Deposition)법으로 탄소구조체의 표면에 나노입자의 도전재를 코팅하는 방법으로 먼저 5면에 도전재 코팅층을 형성하게 된다. 이러한 도전재 코팅층은 예컨대 1~20㎛의 두께, 바람직하게는 5~15㎛의 두께로 형성할 수 있다.
위와 같이, 도전재 코팅층이 탄소구조체의 5면에 형성된 후에는 상기 탄소구조체 내부로 유황 활물질을 삽입시키는 단계를 거친다.
여기서 유황 활물질의 삽입은 슬러리 함침법이나 융융법을 적용하여 삽입시킬 수 있다.
만일, 슬러리 함침법을 적용하는 경우에는 유황 활물질 및 도전재 등을 함유하는 슬러리를 이용하여 삽입하게 되는데, 이때 함침되는 유황 활물질 및 도전재 등을 함유하는 슬러리는 예컨대 상기한 바인더와, NMP(N-Methyl Pyrrolidone) 용매 등이 혼합된 슬러리가 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 하나의 바람직한 예로서는 유황 : 도전재가 6:4 ~ 9:1의 중량비율로 혼합된 것이 사용될 수 있다. 만일, 바인더가 사용되는 경우의 바람직한 예로서는 유황 : 도전재 : 바인더가 6:2:2 ~ 7:2:1의 중량비율로 혼합되어 제조된 것을 함침용 슬러리로 사용할 수 있다.
이러한 슬러리에 탄소구조체의 함침 과정에서는 바람직하게는 500 ~ 5000 cps의 점도로 함침 슬러이의 점도을 조절하여 탄소구조체 내의 압력이 1.2 ~ 2.6 MPa의 범위가 되도록 압력을 가하여 함침시키는 것이 좋다. 이렇게 압력을 가하여야만 부직포 재질의 탄소구조체의 공극 내부로 활물질과 도전재 등이 단시간에 골고루 용이하게 침투하여 균일하게 분산 함침된 상태를 얻을 수 있다.
또한, 상기 슬러리 함침법 이외에 용융법을 적용하는 경우는 유황 활물질 또는 유황 활물질과 도전재의 혼합물을 바인더 사용 없이 용융시켜 주입하거나 혹은 액상으로 주입하여 활물질을 삽입하는 방법이 사용될 수 있고, 또는 폴리설파이드(PS)나 황을 용해한 전해질을 사용하여 삽입하는 방법으로 적용할 수도 있다.
이때 사용되는 전해질로서는 DME(Dimethyl Ether), TEGDME(Tridthylene glycol dimethyl ether), Dioxlane 중에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다. 또한, 유황 활물질과 함께 추가의 바인더를 사용할 수도 있다.
본 발명에 따르면 용융법을 적용하는 경우 140 ℃ ~ 250 ℃에서 1.5 Mpa ~ 2.0 MPa의 압력으로 주입하는 방법으로 수회에 걸쳐 탄소구조체에 활물질을 주입할 수 있다.
이렇게 활물질이 삽입된 탄소구조체는 건조하는 단계를 거친다. 이러한 건조단계에서는 활물질이 삽입된 상태의 탄소구조체를 예컨대 열풍건조기 등의 건조기를 이용하여 서서히 건조하는 것이 바람직한데, 예를 들면 40~80℃에서 8~18시간 건조할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 건조된 탄소구조체는 그 표면 중에서 도전재가 코팅되지 않은 나머지 하나의 면을 도전재로 치밀하게 코팅하여 나머지 도전재 코팅층을 형성하는 단계를 거친다.
이러한 마지막 하나의 면에 형성되는 도전재 코팅층은 상기와 동일한 방법으로 코팅하여 형성할 수 있다. 이때 형성되는 도전재 코팅층은 상기 성분과 두께 범위에서 이미 코팅된 5면의 도전재 코팅층과 동일하거나 다른 성분 또는 두께로 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 이러한 제조공정은 도 2에서와 같이, 5면에 도전재 코팅층이 형성된 상태의 탄소구조체, 그리고 이후에 여기에 활물질 주입 후의 탄소구조체 및 최종적으로 마지막으로 나머지 하나의 면에 도전재 코팅층을 형성한 후의 최종 전극 구조 등을 차례로 보여주고 있다.
이와 같이, 본 발명에 따라 제조된 리튬황 전지용 양극은 기존의 리튬황 전지에서 유황이 리튬과 반응하여 폴리설파이드 생성하고 이 과정에서 변화되는 부피 팽창 조건에서도 전기적 전도성이 좋은 도전재로 표면 전체를 밀폐하는 효과가 있어 전극 내 전기적 전도성을 안정적으로 유지할 수 있다. 또한, 폴리설파이드가 전해질에 용해되었을 때 전극 및 셀 내에서 외부로의 확산이나 초기 구조의 흐트러짐 등을 억제하는 효과가 있다. 그뿐만 아니라, 이때에 표면에 코팅된 도전재 코팅층의 비표면적이 높은 점을 활용하여 전해질에 녹아 있는 폴리설파이드의 반응성을 향상시키는 효과도 있다.
또한, 본 발명의 양극 구조는 충전시에도 전해질에 용해되어 있는 폴리설파이드가 탄소구조체 표면에 코팅된 비표면적이 높은 도전재와 반응성이 좋아서 충전 효율이 향상되는 효과가 있으며, 기존 집전체 대신에 탄소구조체의 표면에 치밀하게 도전재를 코팅하여 주어서 전도성을 안정적으로 유지하게 하여 집전체의 역할을 대신할 수 있다. 그리고 전극 표면에 형성된 도전재 코팅층은 전기전도성이 우수하므로 충전시에도 유리한 구조를 가지는 것이다.
따라서 본 발명에 따른 리튬황 전지용 양극은 상기와 같은 작용 효과를 바탕으로 유활 활물질의 소실을 최소화하고 그 이용율을 극대화함으로써 셀의 충방전 효율, 수명, 용량, 에너지 밀도 등이 모두 향상된다.
본 발명의 상기와 같은 리튬황 전지용 양극을 이용하여 리튬황 전지용 셀을 제작하는 것은 통상의 방법으로 제작할 수 있으며, 이렇게 새로운 구조의 전극을 양극으로 적용한 리튬황 전지는 그 충방전 효율이 98% 이상의 효과를 나타낸다.
그러므로, 본 발명은 상기와 같은 본 발명에 따른 리튬황 전지용 양극을 포함하는 리튬황 전지를 포함한다.
이러한 본 발명에 따른 새로운 양극 구조가 적용된 리튬황 전지는 자동차용으로 유용하게 적용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
JNTG사(한국)에서 구입한 탄소구조체(기공율 87%)를 절단하여 전극 제조용 탄소구조체를 준비하였다(가로 X 세로 X 두께=50 mm X 50 mm X 0.2 mm).
준비된 탄소구조체에 30 nm 크기의 나노입자 Ketjen Black을 케스팅법으로 코팅하여 10 ㎛ 두께로 앞면을 제외한 5면에 걸쳐서 코팅층을 형성하였다(도 2 참조).
이렇게 5면이 도전재로 코팅된 탄소구조체 내에 유황 및 도전재 함유 슬러리를 함침시켰다. 이때 유황 및 도전재(CNT)는 NMP에 용해된 PVDF 바인더와 함께 슬러리 형태로 존재하는데, 이때 혼합물은 유황:도전재(CNT):PVDF를 6:2:2의 중량비율로 슬러리화하여, 그 점도가 1000cps가 되게 조절하고 탄소구조체 내의 압력을 1.5 MPa로 가하여 탄소구조체에 상기 슬러리를 함침하였다.
상기와 같이 유황 활물질이 함침된 탄소구조체를 열풍건조기에 60℃로 12시간을 유지하여 건조시켰다. 건조된 탄소구조체의 나머지 하나의 면을 다시 상기와 같은 방법으로 Ketjen Black 나노입자를 이용하여 10 ㎛로 치밀하게 코팅하여 리튬황 전지용 양극을 제조하였다.
실시예 2 ~ 4
상기 실시예와 동일하게 실시하되 다음 표 1과 같이 도전재 종류 및 코팅 방법을 달리하여 각각 리튬황 전지용 양극을 제조하였다.
비교예 1
기존의 방법과 같이 알루미늄 집전체 위에 유황:도전재(VGCF):PVDF = 6:2:2의 무게비로 케스팅법을 통해 리튬황 전지용 양극을 제하였다.
비교예 2
.상기 실시예 1과 동일하게 실시하되 도전재를 변경하여 각각 리튬황 전지용 양극을 제조하였다
구성 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2
탄소구조층 탄소 섬유 탄소 섬유 탄소 섬유 탄소 섬유 - -
코팅층 소재 Ketjen Black Ketjen Black SuperC SuperC - -
코팅법 Casting Aerosol Deposition Casting Aerosol Deposition - -
양극 및
바인더		 유황
PVDF		 유황
PVDF		 유황
PVDF		 유황
PVDF		 유황
PVDF		 유황
PVDF
도전재 VGCF VGCF SuperC SuperC VGCF SuperC
실험예 1
상기 실시예 1에서 제조된 리튬환 전지용 양극에 대하여, 표면에 형성된 도전재 코팅층의 형성 상태 확인하기 위해 주사전자현미경으로 촬영한 결과, 도 3에서와 같이 좌측의 성글게 보이는 탄소구조체 내에는 유화 활물질과 도전재가 함유된 상태가 확인되고, 우측의 표면 부위에서는 치밀하게 도전재 코팅층이 형성되었음을 확인할 수 있었다.
실험예 2
상기 실시예와 비교예에서 제작된 전극을 양극으로 적용하여 기존의 리튬황 배터리 셀 제작 방법을 통해 셀 제작을 하여 충방전 수명 평가와 충방전 효율 등의 물성을 시험하였다. 그 실험결과는 다음 표 1에 나타내었다.
측정항목 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2
수명평가
(30회 충방전 후 용량 기준)		 980 mAh/g-S 960 mAh/g-S 1020 mAh/g-S 970 mAh/g-S 830 mAh/g-S 800 mAh/g-S
상기 표 2의 결과로부터, 도전재 코팅층이 적용된 셀의 성능이 최소 17%이상 향상됨을 확인할 수 있었다.
[산업상 이용성]
본 발명에 따른 리튬황 전지용 양극은 리튬황 전지의 새로운 양극으로 적용하는 경우 기존에 비해 충방전 효율과 수명이 연장된 리튬황 전지로서 적용이 가능하다.
특히, 본 발명에 따른 새로운 양극 구조를 이용하는 리튬황 전지는 자동차용 으로 활용이 가능하다.
11 - 탄소구조체
11a - 섬유
12 - 유황 활물질
13 - 도전재
14 - 도전재 코팅층

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  9. 양극의 몸체를 구성하는 플레이트 상의 다공성 탄소구조체를 제조하는 단계;
    상기 탄소구조체의 표면 중 넓은 표면 하나만 남기고 나머지 5면을 나노입자의 도전재로 치밀하게 코팅하여 5면에 도전재 코팅층을 형성하는 단계;
    도전재가 5면에 코팅된 탄소구조체 내부로 유황 활물질을 삽입하는 단계;
    활물질이 삽입된 탄소구조체를 건조하는 단계; 및
    상기 건조된 탄소구조체의 표면 중 도전재가 코팅되지 않은 나머지 하나의 면을 도전재로 치밀하게 코팅하여 나머지 면에 도전재 코팅층을 형성하는 단계
    를 포함하는 리튬황 전지용 양극의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 도전재 코팅층의 형성은 캐스팅법 또는 Aerosol Deposition법으로 코팅하여 형성하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 양극의 제조방법.
  11. 청구항 9에 있어서, 활물질 삽입은 슬러리 함침법 또는 용융법으로 삽입하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 양극의 제조방법.
  12. 청구항 9 또는 청구항 11에 있어서, 활물질 삽입 시에 활물질과 함께 도전재, 바인더 또는 이들 모두를 추가로 삽입하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 양극.
  13. 청구항 9에 있어서, 건조는 40~80℃에서 8~18시간 건조하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 양극의 제조방법.
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