KR101794317B1 - Ladder structure carbon-tinoxide-sulfur composite, preparation method thereof and cathode material for lithium-sulfur battary comprising the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a carbon-tin oxide-sulfur composite, a preparation method thereof and a positive electrode material for a lithium-sulfur battery. A ladder structure carbon-tin oxide-sulfur composite by a strong chemical bond is manufactured. By using the same, a lithium-sulfur battery inhibits elution of polysulfide and volume expansion of sulfur during charging and discharging, and has excellent lifespan properties and electrochemical performance due to smooth electron transfer.

Description

사다리형 구조의 탄소-주석산화물-황 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬-황 전지용 양극소재{Ladder structure carbon-tinoxide-sulfur composite, preparation method thereof and cathode material for lithium-sulfur battary comprising the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ladder-type carbon-tin oxide-sulfur composite, a method for producing the same, and a cathode material for a lithium-

본 발명은 사다리형 구조의 탄소-주석산화물-황 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬-황 전지용 양극소재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사다리형 구조의 탄소-주석산화물-황 복합체를 제조하고, 이를 이용하여 우수한 전기화학적 성능을 갖는 리튬-황 전지용 양극소재로 응용하는 기술에 관한 것이다.
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a carbon-tin oxide-sulfur composite having a ladder structure, a method for producing the same, and a cathode material for a lithium-sulfur battery including the same. More particularly, the present invention relates to a carbon- The present invention relates to a technique for application as a cathode material for a lithium-sulfur battery having excellent electrochemical performance using the same.

최근 전기차 시장의 확대와 함께 이차전지 시장의 주도권이 IT용 소형전지에서 중대형 전지로 이동되면서 고 에너지 밀도를 가진 전지의 등장이 지속적으로 요구되고 있으며, 값이 싸고 환경친화적인 전지가 요구되고 있다. 특히, 고 에너지밀도 구현을 위해서는 이론 용량이 큰 전극 활물질의 개발이 필수적이다.With the recent expansion of the electric vehicle market, the initiative of the secondary battery market has shifted from small batteries for IT to medium and large batteries, and the emergence of batteries with high energy density is continuously required, and costly and environmentally friendly batteries are demanded. Particularly, in order to realize a high energy density, development of an electrode active material having a large theoretical capacity is essential.

리튬-황 전지는 기존 리튬이온전지에 비해 8 배 이상 높은 이론 용량(1,675 mAh/g), 에너지 밀도(2,600 Wh/kg)를 가지고 있고, 더불어 양극 활물질로 사용되는 황은 값이 싸고 환경친화적인 물질이라는 장점이 있어 고밀도 에너지 저장매체로서 다음 세대의 주목받는 전지 소재이다. 이러한 리튬-황 전지는 황-황 결합을 갖는 황 계열 화합물을 양극 활물질로 사용하고, 리튬과 같은 알칼리 금속을 음극활물질로 사용하는 이차전지이다. 환원 반응인 방전시 황-황 결합이 끊어지면서 황의 산화수가 감소하고, 산화반응인 충전시 황의 산화수가 증가하면서 다시 황-황 결합이 형성되는 산화-환원 반응을 이용하여 전기적 에너지를 저장하고 생성한다.Lithium-sulfur batteries have a theoretical capacity (1,675 mAh / g) and an energy density (2,600 Wh / kg) that are eight times higher than conventional lithium-ion batteries. In addition, sulfur, which is used as a cathode active material, And is a next-generation high-density battery material as a high-density energy storage medium. Such a lithium-sulfur battery is a secondary battery using a sulfur-based compound having a sulfur-sulfur bond as a cathode active material and an alkali metal such as lithium as an anode active material. The reduction energy is stored and generated by the oxidation-reduction reaction in which sulfur-sulfur bonds are cut off during the reduction reaction, the oxidation number of sulfur is decreased, and oxidation-reduction sulfur is oxidized and sulfur-sulfur bonds are formed again .

그러나 황은 전기전도도가 1 × 10-16 S/m로 부도체에 가깝고 전기화학 반응으로 생성된 전자의 이동이 어려운 문제점을 가지고 있다. 또한, 실제 전지 구동 시 황 양극과 액체 전해질 사이의 화학적 반응에 의한 제반 현상이 일어나게 되며, 그 과정 중 폴리설파이드(polysulfide)가 전해질로 용출되어 활물질 손실을 가져오거나, 전해액의 종류에 따라 폴리설파이드 형태로 리튬과 반응하여 리튬설파이드(Li2S) 형태로 진행되고 더 이상 전지반응에 참여하지 못하게 됨으로써 결국 리튬-황 전지의 가역 용량을 저하시키고 전지의 수명을 열화시킨다.However, sulfur has an electrical conductivity of 1 × 10 -16 S / m, which is close to non-conducting, and has difficulties in transferring electrons generated by electrochemical reactions. In addition, during actual cell operation, a chemical phenomenon occurs due to a chemical reaction between a sulfur anode and a liquid electrolyte. During the process, polysulfide dissolves into an electrolyte to cause active material loss. Depending on the type of electrolyte, polysulfide (Li 2 S) and reacts with lithium to form a lithium sulfide (Li 2 S), and is no longer able to participate in the cell reaction, thereby lowering the reversible capacity of the lithium-sulfur battery and deteriorating the life of the battery.

따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 폴리설파이드의 용출 현상을 억제시키는 고 기능성 양극 활물질 소재 제조 및 전극을 설계하는데 있어서 차별화된 방향의 연구가 필요하다. 구체적인 종래의 특허 기술을 나열하면, 비표면적이 넓은 탄소재를 포함하는 리튬-황 전지용 양극(특허문헌 1), 양친매성 물질이 코팅된 탄소나노튜브 도전재를 포함하는 리튬-황 전지용 양극(특허문헌 2), 리튬화된 비정질 규소산화물 음전극을 포함하는 리튬-황 전지(특허문헌 3), 특정 입도를 갖는 Al2O3 첨가제를 포함한 리튬-황 전지 양극 활물질(특허문헌 4), 비표면적이 넓은 다공성 그래핀 시트가 사용된 리튬-황 전지 양극 활물질(특허문헌 5), 다공성 구조체의 형상으로 응집된 탄소나노튜브와 황의 혼성 복합체를 포함한 리튬-황 전지 양전극(특허문헌 6)이 있다.Therefore, in order to solve these problems, it is necessary to study a different direction in manufacturing a high-performance cathode active material and designing an electrode to suppress the elution of polysulfide. Specific examples of conventional patent technologies include a positive electrode for a lithium-sulfur battery including a carbon material having a large specific surface area (Patent Document 1), a positive electrode for a lithium-sulfur battery including a carbon nanotube conductive material coated with an amphipathic material A lithium-sulfur battery including a lithium-doped amorphous silicon oxide negative electrode (Patent Document 3), a lithium-sulfur battery positive electrode active material containing an Al 2 O 3 additive having a specific particle size (Patent Document 4) There is a lithium-sulfur battery positive electrode (Patent Document 5) using a wide porous graphene sheet, and a lithium-sulfur battery positive electrode including a hybrid composite of carbon nanotubes and sulfur coagulated in the form of a porous structure (Patent Document 6).

일반적으로 전도성이 없는 황의 원활한 전기화학적 반응 사이트를 제공할 수 있는 탄소 소재를 같이 사용하고 있으나, 탄소물질은 무극성으로서 극성인 폴리설파이드를 효율적으로 붙잡지 못하기 때문에 전기화학 반응 시 빠른 용량 감소 경향을 보여준다. 따라서, 강한 화학적 결합을 형성하여 폴리설파이드를 붙잡을 수 있는 금속산화물 소재를 사용한다. 최근 전도성이 있는 탄소물질과 극성 금속산화물을 포함하는 하이브리드 구조가 보고되었다. 탄소나노튜브에 TiO2를 코팅한 양극 활물질 (비특허문헌 1), Hollow 탄소 나노파이버에 MnO2 나노시트를 채워넣은 양극 활물질(비특허문헌 2) 등을 사용함으로써 안정된 전지 수명 성능을 나타냈다고 보고된 바 있다. In general, carbon materials that can provide a smooth electrochemical reaction site of sulfur, which is not conductive, are used together. However, since carbon materials are nonpolar and can not efficiently hold polar polysulfide, a tendency to decrease capacity rapidly Show. Therefore, a metal oxide material is used which can form a strong chemical bond and capture the polysulfide. Recently, a hybrid structure including a conductive carbon material and a polar metal oxide has been reported. (Non-Patent Document 1) in which TiO 2 is coated on carbon nanotubes (Non-Patent Document 1), and a cathode active material (Non-Patent Document 2) in which a hollow carbon nanofiber is filled with MnO 2 nanosheet, .

이에, 본 발명자는 사다리형 구조의 탄소-주석산화물-황 복합체를 제조할 수 있으며, 이를 이용하여 우수한 전기화학적 성능을 갖는 리튬-황 전지용 양극소재로 응용할 수 있음에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
Accordingly, the present inventors have completed the present invention by focusing on the fact that a carbon-tin oxide-sulfur composite having a ladder structure can be prepared and used as a cathode material for a lithium-sulfur battery having excellent electrochemical performance It came.

특허문헌 1. 한국 등록특허 공보 제10-15591240000호Patent Document 1. Korean Patent Publication No. 10-15591240000 특허문헌 2. 한국 공개특허 공보 제10-2013-0146145호Patent Document 2: Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2013-0146145 특허문헌 3. 한국 공개특허 공보 제10-2015-0013087호Patent Document 3: Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2015-0013087 특허문헌 4. 한국 등록특허 공보 제10-05089200000호Patent Document 4: Korean Patent Publication No. 10-05089200000 특허문헌 5. 한국 공개특허 공보 제10-2014-0072485호Patent Document 5: Korean Patent Publication No. 10-2014-0072485 특허문헌 6. 한국 등록특허 공조 제10-14298420000호Patent Document 6. Korean Patent Registration No. 10-14298420000

비특허문헌 1. Hwang et. al., Adv. Energy Mater. 6, 1501480(2016)Non-Patent Document 1. Hwang et. al., Adv. Energy Mater. 6, 1501480 (2016) 비특허문헌 2. Li et. al., Angew. Chem. Int. Ed. 54, 12886-12890(2015)Non-Patent Document 2. Li et. al., Angew. Chem. Int. Ed. 54, 12886-12890 (2015)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 강한 화학적 결합에 의한 사다리형 구조의 탄소-주석산화물-황 복합체 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a carbon-tin oxide-sulfur composite having a ladder structure by strong chemical bonding and a method of manufacturing the same.

본 발명의 제2 목적은 본 발명에 따른 탄소-주석-황 복합체를 포함함으로써, 충/방전시 폴리설파이드의 용출 및 황의 부피팽창이 억제될 뿐만 아니라, 전자의 이동이 원활하여 우수한 수명특성 및 전기화학적 성능을 갖는 리튬-황 전지를 제공하고자 하는 것이다.
The second object of the present invention is to provide a carbon-tin-sulfur composite according to the present invention, which not only inhibits elution of polysulfide and volumetric expansion of sulfur during charging / discharging, And to provide a lithium-sulfur battery having chemical performance.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은, 탄소나노튜브, 주석산화물 및 황을 포함하는 탄소-주석산화물-황 복합체로서, 상기 주석산화물은 상기 탄소나노튜브의 내벽 사이에 간격을 두고 위치하여 상기 주석산화물로 이루어지는 가로대가 간격을 두고 정렬된 사다리 형태를 형성하고;According to an aspect of the present invention, there is provided a carbon-tin oxide-sulfur composite including carbon nanotubes, tin oxide, and sulfur, wherein the tin oxide has a gap between the inner walls of the carbon nanotubes And wherein the cross bars of the tin oxide form a ladder shape arranged at intervals;

상기 황은 상기 주석산화물로 이루어지는 가로대 사이의 빈 공간에 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소-주석산화물-황 복합체에 관한 것이다.Wherein the sulfur is filled in a void space between the cross bars made of the tin oxide.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon nanotubes may be multi-wall carbon nanotubes.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 주석산화물의 입자 크기는 1 내지 50 nm일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the particle size of the tin oxide may be 1 to 50 nm.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 간격은 5 내지 50 nm일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the gap may be 5 to 50 nm.

본 발명의 다른 측면은 (a) 끝단이 개방된 탄소나노튜브 내벽 사이에 주석산화물을 삽입하여, 상기 주석산화물이 상기 탄소나노튜브의 내벽 사이에 간격을 두고 위치하여 사다리 형태의 구조체를 수득하는 단계; 및 (b) 상기 사다리 형태의 구조체에 황을 확산시키는 단계;를 포함하는 탄소-주석산화물-황 복합체의 제조방법에 관한 것이다.(A) inserting tin oxide between the inner walls of the open carbon nanotubes to obtain a structure in the shape of a ladder with the tin oxide being spaced between the inner walls of the carbon nanotubes ; And (b) diffusing sulfur to the ladder-type structure. The present invention also relates to a method for producing a carbon-tin oxide-sulfur composite.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon nanotubes may be multi-wall carbon nanotubes.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 (a) 단계는 끝단이 개방된 탄소나노튜브 내벽 사이에 주석산화물 전구체를 주입한 후 건식 플라즈마로 환원시킴으로써 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the step (a) may be performed by injecting a tin oxide precursor between the inner walls of the open carbon nanotubes and reducing the plasma to dry plasma.

본 발명의 또 다른 측면은 본 발명에 따른 탄소-주석산화물-황 복합체를 포함하는 리튬-황 전지용 양극소재에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a cathode material for a lithium-sulfur battery comprising a carbon-tin oxide-sulfur composite according to the present invention.

본 발명의 또 다른 측면은 본 발명에 따른 리튬-황 전지용 양극소재를 포함하는 리튬-황 전지에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a lithium-sulfur battery including a cathode material for a lithium-sulfur battery according to the present invention.

본 발명의 또 다른 측면은 본 발명에 따른 리튬-황 전지용 양극소재를 포함하는 전기 디바이스로서, 상기 전기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력 저장장치 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 전기 디바이스에 관한 것이다.
Yet another aspect of the present invention is an electrical device comprising a cathode material for a lithium-sulfur battery according to the present invention, wherein the electrical device is one selected from an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, To an electric device.

본 발명에 따르면, 강한 화학적 결합에 의한 사다리형 구조의 탄소-주석산화물-황 복합체 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a carbon-tin oxide-sulfur composite having a ladder structure by strong chemical bonding and a method for producing the same.

또한, 본 발명에 따른 탄소-주석-황 복합체를 포함함으로써, 충/방전시 폴리설파이드의 용출 및 황의 부피팽창이 억제될 뿐만 아니라, 전자의 이동이 원활하여 우수한 수명특성 및 전기화학적 성능을 갖는 리튬-황 전지를 제공할 수 있다.
Further, by including the carbon-tin-sulfur complex according to the present invention, not only the dissolution of polysulfide and the volume expansion of sulfur at the time of charging / discharging are suppressed, but also lithium having a good life characteristic and electrochemical performance - A sulfur battery can be provided.

도 1은 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 탄소-주석산화물-황 복합체의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 탄소-주석산화물-황 복합체의 (가) 고분해능 주사투과 전현미경(HR-STEM) 이미지 및 (나) EDX 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 비교예 1로부터 제조된 탄소-황 복합체 및 실시예 1로부터 제조된 탄소-주석산화물-황 복합체를 양극소재로 사용한 리튬-황 전지의 수명 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1로부터 제조된 탄소-황 복합체 및 실시예 1로부터 제조된 탄소-주석산화물-황 복합체를 양극소재로 사용한 리튬-황 전지의, (a),(b) 자외선-가시광선(UV-vis) 분석 및 (c),(d) 주사전자현미경(SEM)의 에너지분산 X선분광분석(EDX) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1로부터 제조된 탄소-황 복합체(가) 및 실시예 1로부터 제조된 탄소-주석산화물-황 복합체(나)를 양극소재로 사용한 리튬-황 전지의 실시간 투과주사전자현미경(In-situ TEM) 이미지이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram of a carbon-tin oxide-sulfur composite prepared from Example 1 of the present invention. FIG.
2 is a graph showing a high resolution scan transmission electron microscope (HR-STEM) image and (b) EDX analysis results of the carbon-tin oxide-sulfur composite prepared in Example 1 of the present invention.
3 is a graph showing lifetime characteristics of a carbon-sulfur composite prepared from Comparative Example 1 of the present invention and a lithium-sulfur battery using the carbon-tin oxide-sulfur composite prepared from Example 1 as a cathode material.
FIG. 4 is a graph showing the results of (a) and (b) ultraviolet-visible spectra of the lithium-sulfur battery using the carbon-sulfur composite prepared in Comparative Example 1 of the present invention and the carbon-tin oxide- (C), and (d) energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) of a scanning electron microscope (SEM).
FIG. 5 is a graph showing the results of a real-time transmission scanning electron microscope (SEM) of a lithium-sulfur battery using the carbon-sulfur composite (a) prepared in Comparative Example 1 of the present invention and the carbon-tin oxide- It is an in-situ TEM image.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.In the following, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 측면은, 탄소나노튜브, 주석산화물 및 황을 포함하는 탄소-주석산화물-황 복합체로서, 상기 주석산화물은 상기 탄소나노튜브의 내벽 사이에 간격을 두고 위치하여 상기 주석산화물로 이루어지는 가로대가 간격을 두고 정렬된 사다리 형태를 형성하고; 상기 황은 상기 주석산화물로 이루어지는 가로대 사이의 빈 공간에 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소-주석산화물-황 복합체에 관한 것이다.One aspect of the present invention is a carbon-tin oxide-sulfur composite including carbon nanotubes, tin oxide, and sulfur, wherein the tin oxide is positioned between the inner walls of the carbon nanotubes with an interval therebetween, ≪ / RTI > forming an array of spaced apart ladders; Wherein the sulfur is filled in a void space between the cross bars made of the tin oxide.

구체적인 예로, 상기 탄소-주석산화물-황 복합체의 종단면은 상기 탄소나노튜브의 내벽 사이에 상기 주석산화물로 이루어지는 가로대가 소정의 간격을 두고 정렬된 사다리 형태일 수 있다.As a specific example, the longitudinal cross-section of the carbon-tin oxide-sulfur composite may be in the form of a ladder between the inner walls of the carbon nanotubes, with a cross bar made of the tin oxide arranged at predetermined intervals.

본 발명에 따른 탄소-주석산화물-황 복합체를 리튬-황 전지용 양극소재로 적용할 경우, 주석산화물(SnO)이 탄소나노튜브의 벽 사이를 지탱해주는, 강한 화학적 결합의 사다리형 구조를 띰으로써 내구성이 높아지고, 충/방전 시 폴리설파이드가 전해질로 유출되는 것을 방지하여 전지의 수명을 현저히 향상시키는 장점이 있다.When the carbon-tin oxide-sulfur composite according to the present invention is applied to a cathode material for a lithium-sulfur battery, tin oxide (SnO 2) has a strong chemical bond ladder structure that supports the walls of carbon nanotubes, And the polysulfide is prevented from flowing out to the electrolyte during charging / discharging, thereby remarkably improving the lifetime of the battery.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다. 바람직하게는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있는데, 단일벽 탄소나노튜브 또는 이중벽 탄소나노튜브를 사용하는 경우에 비해, 다중벽으로 인한 높은 공간 이용율로 인하여 전지화학적 반응으로 생성된 전자의 이동이 원할한 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon nanotube may be a single-walled carbon nanotube, a double-walled carbon nanotube, or a multi-walled carbon nanotube. Preferably, the multi-walled carbon nanotube may be a single-walled carbon nanotube or a double-walled carbon nanotube. Compared with the case of using a single-walled carbon nanotube or a double-walled carbon nanotube, It is effective.

상기 주석산화물은 복합체 내에서 전기 전도체 역할을 수행할 수 있다. 즉, 다중벽 탄소나노튜브만을 사용하는 경우에 비해 전자 이동 사이트(site)가 증가되어 양극소재의 가역용량 및 율특성을 향상시켜줄 수 있다.The tin oxide may serve as an electrical conductor in the composite. That is, compared to the case where only the multi-walled carbon nanotubes are used, the electron transfer site can be increased and the reversible capacity and the rate characteristic of the cathode material can be improved.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 주석산화물의 입자 크기는 1 내지 50 nm, 바람직하게는 5 내지 20 nm일 수 있으며, 상기 바람직한 수치범위를 벗어나는 경우, 본 발명에 따른 탄소-주석산화물-황 복합체가 사다리형 구조를 띨 수 없음을 확인하였다.According to another embodiment of the present invention, the particle size of the tin oxide may be 1 to 50 nm, preferably 5 to 20 nm, and when it is outside the preferred range, the carbon-tin oxide-sulfur It was confirmed that the composite did not have a ladder structure.

즉, 주석산화물 입자의 크기가 5 nm 미만으로 너무 작으면 탄소나노튜브 내에 주입된 황과 탄소나노튜브의 접촉면적이 넓어져 사다리꼴 구조를 만들어 주는 주석산화물의 역할이 미미해지면서 부피팽창을 억제하기 힘들고, 입자의 크기가 20 nm 초과로 너무 클 경우에는 탄소나노튜브 내로 황의 주입에 한계가 있어 결국 활물질 양이 적어지므로 높은 용량을 발현하기 어려운 문제가 발생한다.That is, if the size of the tin oxide particles is less than 5 nm, the contact area between the sulfur injected into the carbon nanotubes and the carbon nanotubes is widened and the role of the tin oxide which makes the trapezoidal structure becomes insignificant, , When the particle size is excessively larger than 20 nm, injection of sulfur into the carbon nanotube is limited and the amount of the active material is small, which makes it difficult to express a high capacity.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 간격은 5 내지 50 nm이고, 바람직하게는 10 내지 20 nm일 수 있다. 상기 바람직한 수치범위에서는 황의 부피팽창을 위한 충분한 공간을 제공하는 완충층 역할을 수행할 수 있으며, 상기 바람직한 수치범위를 벗어나는 경우에는 황의 부피팽창을 방지하는 효과가 현저히 감소하는 것을 확인하였다. According to another embodiment of the present invention, the gap may be 5 to 50 nm, preferably 10 to 20 nm. It is possible to perform the function of a buffer layer which provides sufficient space for volume expansion of sulfur in the above preferred numerical range and it is confirmed that the effect of preventing the bulge expansion of sulfur is significantly reduced when the value is out of the preferred range.

본 발명의 다른 측면은 (a) 끝단이 개방된 탄소나노튜브 내벽 사이에 주석산화물을 삽입하여, 상기 주석산화물이 상기 탄소나노튜브의 내벽 사이에 간격을 두고 위치하여 사다리 형태의 구조체를 수득하는 단계; 및 (b) 상기 사다리 형태의 구조체에 황을 확산시키는 단계;를 포함하는 탄소-주석산화물-황 복합체의 제조방법에 관한 것이다.(A) inserting tin oxide between the inner walls of the open carbon nanotubes to obtain a structure in the shape of a ladder with the tin oxide being spaced between the inner walls of the carbon nanotubes ; And (b) diffusing sulfur to the ladder-type structure. The present invention also relates to a method for producing a carbon-tin oxide-sulfur composite.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon nanotubes may be multi-wall carbon nanotubes.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 (a) 단계는 끝단이 개방된 탄소나노튜브 내벽 사이에 주석산화물 전구체를 주입한 후 건식 플라즈마로 환원시킴으로써 수행될 수 있다. 상기 건식 플라즈마 환원법은 70 ℃ 이하의 온도와 대기압 하에서 유독성 환원제를 사용하지 않고 전도성 산화물을 합성할 수 있는 방법으로, 균일하고 안정적으로 합성할 수 있어 다양한 기술에 활용될 수 있다. 기존 습식 플라스마환원 방법은 합성 후에, 이온성 액체(ionic liquid)와 용매를 제거해야 하는 불편함이 있었는데 건식 플라즈마 환원 방법은 합성 시 용매가 필요하지 않기 때문에 비교적 간단하게 합성할 수 있는 장점이 있다. 더욱 상세하게는, 플라즈마는 기질의 에칭, 코팅, 표면개질 하는 성질뿐만 아니라 이온을 환원시키는 역할도 하는데, 건식 플라즈마 환원법은 플라즈마의 이러한 성질을 이용하여 지지체 위에서 금속이온을 환원시켜줌으로써 담지금속을 만드는 방법으로, 절차가 간단하고 환경오염을 유발하지 않으며 상온 대기압과 같은 조건 하에서 합성이 가능한 경제적, 친환경적인 공정이다.According to another embodiment of the present invention, the step (a) may be performed by injecting a tin oxide precursor between the inner walls of the open carbon nanotubes and reducing the plasma to dry plasma. The dry plasma reduction method is a method capable of synthesizing a conductive oxide without using a toxic reducing agent at a temperature of 70 ° C or less and at atmospheric pressure, and can be synthesized uniformly and stably, and can be utilized in various technologies. Conventional wet plasma reduction method has inconvenience to remove ionic liquid and solvent after synthesis. Dry plasma reduction method has a merit that it can be synthesized relatively easily since solvent is not needed in synthesis. More specifically, the plasma not only has a property of etching, coating, or modifying the surface of the substrate, but also has a role of reducing ions. In the dry plasma reduction method, the metal ions are reduced on the support by using such a property of the plasma It is an economical, eco-friendly process that can be synthesized under conditions such as room temperature and atmospheric pressure, which is simple and does not cause environmental pollution.

상기 (b) 단계는 용융함침방법을 통해 140 내지 170 ℃, 바람직하게는 150 내지 160 ℃에서 열처리함으로써 황(S)을 상기 사다리형 구조체 내에 확산시켜, 탄소-주석산화물-황 복합체를 형성시키는 단계이다.The step (b) is a step of forming a carbon-tin oxide-sulfur composite by diffusing sulfur (S) in the ladder-like structure by heat treatment at 140 to 170 ° C, preferably 150 to 160 ° C through a melt infiltration method to be.

본 발명의 또 다른 측면은 본 발명에 따른 탄소-주석산화물-황 복합체를 포함하는 리튬-황 전지용 양극소재에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a cathode material for a lithium-sulfur battery comprising a carbon-tin oxide-sulfur composite according to the present invention.

본 발명의 또 다른 측면은 본 발명에 따른 리튬-황 전지용 양극소재를 포함하는 리튬-황 전지에 관한 것으로서, 구체적인 예로는, 본 발명에 따른 탄소-주석산화물-황 복합체를 포함하는 양극; 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 및 리튬 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 전해액을 포함하는 리튬-황 전지를 제공할 수 있다. Another aspect of the present invention relates to a lithium-sulfur battery including a cathode material for a lithium-sulfur battery according to the present invention, including a cathode comprising a carbon-tin oxide-sulfur composite according to the present invention; A negative electrode comprising a negative active material selected from the group consisting of a material capable of reacting with lithium ions to reversibly form a lithium-containing compound, a lithium metal, and a lithium alloy; And a lithium-sulfur battery including an electrolyte.

상기 양극에서 양극 활물질로는 황(S), 황 계열 화합물 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.As the cathode active material in the anode, sulfur (S), a sulfur-based compound, or a mixture thereof may be used.

또한, 상기 전해액으로는 전해염과 유기 용매를 포함하는 것을 사용할 수 있다. 상기 유기 용매로는 단일 유기 용매 또는 2 개 이상의 혼합 유기 용매를 사용 할 수 있다. 2 개 이상의 혼합 유기 용매를 사용하는 경우에는 약한 극성 용매 그룹, 강한 극성 용매 그룹, 리튬 메탈 보호 용매 그룹, 및 두 개 이상의 그룹 중에서 선택되는 하나 이상의 용매를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 약한 극성 용매는 아릴 화합물, 바이사이클릭 에테르 및 비환형 카보네이트 중에서 황 원소를 용해시킬 수 있는, 유전상수가 15보다 작은 용매로 정의되고, 강한 극성 용매는 비사이클릭 카보네이트, 설폭사이드 화합물, 락톤 화합물, 케톤 화합물, 에스테르 화합물, 설페이트 화합물 및 설파이트 화합물 중에서 리튬 폴리설파이드를 용해시킬 수 있는, 유전 상수가 15보다 큰 용매로 정의되며, 리튬 보호 용매는 포화된 에테르 화합물, 불포화된 에테르 화합물, N, O, S 또는 이들의 조합이 포함된 헤테로 고리 화합물과 같은 리튬금속에 안정한 SEI(Solid Electrolyte Interface) 필름을 형성하는 충방전 사이클 효율(cycle efficiency)이 50% 이상인 용매로 정의될 수 있다.The electrolytic solution may include electrolytic salts and organic solvents. As the organic solvent, a single organic solvent or two or more mixed organic solvents may be used. When two or more mixed organic solvents are used, it is preferable to select and use at least one solvent selected from the group consisting of a weak polar solvent group, a strong polar solvent group, a lithium metal protective solvent group, and two or more groups. A weak polar solvent is defined as a solvent having a dielectric constant of less than 15, which is capable of dissolving a sulfur element among aryl compounds, bicyclic ethers and acyclic carbonates, and the strong polar solvent is a bicyclic carbonate, a sulfoxide compound, a lactone compound , A ketone compound, an ester compound, a sulfate compound, and a sulfite compound, wherein the lithium protecting solvent is a saturated ether compound, an unsaturated ether compound, an N, O, S or a heterocyclic compound containing a combination thereof. The electrolyte may be a solvent having a charge / discharge cycle efficiency of 50% or more to form a stable SEI (Solid Electrolyte Interface) film on a lithium metal.

본 발명의 또 다른 측면은 본 발명에 따른 리튬-황 전지용 양극소재를 포함하는 전기 디바이스로서, 상기 전기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력 저장장치 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 전기 디바이스에 관한 것이다.
Yet another aspect of the present invention is an electrical device comprising a cathode material for a lithium-sulfur battery according to the present invention, wherein the electrical device is one selected from an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, To an electric device.

이하에서는 본 발명에 따른 제조예 및 실시예를 첨부된 도면과 함께 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, production examples and embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제조예 1: 끝단이 개방된 다중벽 탄소나노튜브의 제조Production Example 1: Preparation of multi-walled carbon nanotubes having open ends

17-20 nm 의 직경 및 수십 마이크로미터 길이의 다중벽 탄소나노튜브(한화 나노텍)를 공기 분위기 하에 375 ℃에서 30 분 동안 열처리하여 양쪽 끝단을 개방시킨 후 30 mL의 37% 염산(진 화학)에 분산시키고, 촉매 불순물을 제거하기 위해 1 시간 동안 초음파 처리하였다. 마지막으로 pH가 중성이 될 때까지 증류수로 수차례 세척한 후 70 ℃에서 밤새 건조시켜, 끝단이 개방된 다중벽 탄소나노뷰트를 제조하였다.
The multi-walled carbon nanotubes (Hanwha Nanotech) having a diameter of 17-20 nm and a length of several tens of micrometers were annealed at 375 ° C for 30 minutes under an air atmosphere, and both ends were opened. Then, 30 ml of 37% hydrochloric acid Dispersed and ultrasonicated for 1 hour to remove catalyst impurities. Finally, the solution was washed several times with distilled water until the pH became neutral, and then dried overnight at 70 ° C to prepare a multi-walled carbon nanobut having open ends.

제조예 2: 주석산화물(SnO)을 포함하는 다중벽 탄소나노튜브의 제조Preparation Example 2: Preparation of multi-walled carbon nanotubes containing tin oxide (SnO)

상기 제조예 1로부터 제조된 끝단이 개방된 다중벽 탄소나노튜브 100 g을 10 mM의 SnCl5H2O가 포함된 20 mL의 이소프로판올(isopropanol)에 혼합합 혼합물을 2 시간 동안 울트라-초음파 처리를 통해 분산시킨 후, 70 ℃의 진공오븐에서 이소프로판올을 증발시켜 주석산화물(SnO)이 봉입된 다중벽 탄소나노튜브를 얻었다.100 g of the multi-walled carbon nanotubes prepared in Preparation Example 1 was added to 20 mL of isopropanol containing 10 mM of SnCl 4 .5H 2 O and the mixture was subjected to ultrasound treatment for 2 hours , And isopropanol was evaporated in a vacuum oven at 70 ° C. to obtain a multiwalled carbon nanotube in which tin oxide (SnO 2) was encapsulated.

상기 주석산화물을 다중벽 탄소나노튜브 내에 정렬시키기 위해 반응기에서 건식 플라즈마 환원공정을 수행하였다. 대기압 하의 플라즈마는 160 W의 일정한 전력과 5 L/min-1 속도의 아르곤 분위기에서 발생시켰고, 5 mm/s의 속도로 기판을 움직이며 상온에서 15 분 동안 플라즈마 처리하여 사다리형 구조의, 주석산화물을 포함하는 다중벽 탄소나노튜브를 제조하였다.
A dry plasma reduction process was performed in the reactor to align the tin oxide into the multi-walled carbon nanotubes. The plasma under atmospheric pressure was generated at a constant power of 160 W and an argon atmosphere at a rate of 5 L / min -1 . The substrate was moved at a rate of 5 mm / s and plasma treated at room temperature for 15 minutes to form a ladder- Walled carbon nanotubes were prepared.

실시예 1: 탄소-주석산화물-황 복합체의 제조Example 1: Preparation of carbon-tin oxide-sulfur complex

상기 제조예 2로부터 제조된 주석산화물을 포함하는 다중벽 탄소나노튜브에 99.98% 황(시그마 알드리치)을 용융함침방법을 통해 주입시켰다.99.98% sulfur (Sigma Aldrich) was injected into the multi-walled carbon nanotubes containing tin oxide prepared in Preparation Example 2 through a melt infiltration method.

주석산화물을 포함하는 다중벽 탄소나노튜브 및 황을 1:3 질량비로 혼합하고, 탄소나노튜브 밖의 과적된 황을 제거하기 위해 155 ℃에서 8 시간, 250 ℃에서 2 시간 동안 아르곤 분위기에서 2 단계 열처리를 수행하였다. 그후 상온에서 자연냉각하여 황이 주입된, 사다리형 구조의, 주석산화물을 포함하는 다중벽 탄소나노튜브 형태의 탄소-주석산화물-황 복합체를 제조하였다.
The multi-walled carbon nanotubes containing tin oxide and sulfur were mixed at a mass ratio of 1: 3. To remove excess sulfur outside the carbon nanotubes, a two-stage heat treatment was performed in an argon atmosphere at 155 DEG C for 8 hours and at 250 DEG C for 2 hours Respectively. Thereafter, the mixture was naturally cooled at room temperature to prepare a carbon-tin oxide-sulfur composite having a ladder-type structure containing tin oxide, in which sulfur was implanted, in the form of a multi-wall carbon nanotube.

비교예 1: 탄소-황 복합체의 제조Comparative Example 1: Preparation of carbon-sulfur complex

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제조예 2로부터 제조된 주석산화물을 포함하는 다중벽 탄소나노튜브가 아닌 제조예 1로부터 제조된 끝단이 개방된 다중벽 탄소나노튜브를 사용하여 탄소-황 복합체를 제조하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that the multi-walled carbon nanotubes prepared in Preparation Example 1 were used instead of the multi-walled carbon nanotubes containing tin oxide prepared in Preparation Example 2, .

도 1은 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 탄소-주석산화물-황 복합체의 구성도이다. 먼저 주석산화물(SnO)을 형성하기 위해 건식 플라즈마 환원(Dry Plasma Reduction, DPR)공정을 통해 주석(Sn) 전구체를 양쪽이 끝단이 개방된 다중벽 탄소나노튜브 안에 넣어 제조하였다. 합성된 사다리 형태의 주석산화물(SnO)을 포함하는 다중벽 탄소나노튜브 복합체에 간단한 용융함침방법을 통해 155 ℃에서 열처리하여 황을 주입시켜 고 기능성을 갖는 리튬-황 전지용 양극 활물질을 제조하였다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram of a carbon-tin oxide-sulfur composite prepared from Example 1 of the present invention. FIG. First, a tin (Sn) precursor was prepared by the dry plasma reduction (DPR) process to form tin oxide (SnO) in a multiwalled carbon nanotube having both open ends. The multi - walled carbon nanotube composite containing the synthesized ladder - type tin oxide (SnO) was heat - treated at 155 ℃ through simple melt impregnation method to inject high - performance cathode active material for lithium - sulfur battery.

도 2는 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 탄소-주석산화물-황 복합체의 (가) 고분해능 주사투과 전현미경(HR-STEM) 이미지 및 (나) 에너지분산 X선분광분석(EDX) 결과를 나타낸 그래프이다. 고분해능 주사투과전자현미경(HR-TEM)분석은 200kV에서 작동하는 FEI Tecnai F20(Tecnai)를 사용하였고, 원소 맵핑분석은 300 kV의 가속전압에서 작동하였으며, 에너지 분산 X선 분광분석기(EDX)가 장착된 FEI Titan 80-300 주사투과전자현미경을 사용하였다. 또한, 화합물 내 황의 함량은 질소분위기와 25-600 ℃의 온도범위에서 10 ℃·min-1의 스캔 속도 조건으로 열중량분석기(TGA, Q600, TA Instrument)를 사용하였다.2 is a graph showing the results of (a) HR-STEM image and (b) energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) images of the (a) high resolution scan transmission electron microscope (HR-STEM) images of the carbon- Graph. FE-Tecnai F20 (Tecnai) operating at 200 kV was used for the analysis of high-resolution scanning transmission electron microscopy (HR-TEM). Element mapping analysis was performed at an acceleration voltage of 300 kV and an energy dispersive X-ray spectrometer The FEI Titan 80-300 transmission electron microscope was used. The content of sulfur in the compound was determined by using a thermogravimetric analyzer (TGA, Q600, TA Instrument) under a nitrogen atmosphere and a temperature range of 25-600 ° C at a scan rate of 10 ° C min -1 .

도 2에서 볼 수 있듯이, 5-12 nm 크기의 주석산화물(SnO) 나노입자가 다중벽 탄소나노튜브 안에 주입된 모습을 보이고 있다. 또한, 사다리 형태로 제조된 탄소-주석산화물-황 복합체 내에서 주석산화물(SnO)을 포함하는 가로대 사이의 간격은 10-20 nm임을 알 수 있다. 원소성분을 확인하기 위해 EDX 분석 결과를 보면 탄소, 황, 주석, 산소 원소들이 각각 0.27, 2.32, 3.46, 0.52 keV의 에너지 준위에서 나타냄을 확인할 수 있다.
As shown in FIG. 2, tin oxide (SnO) nanoparticles having a size of 5-12 nm are injected into the multi-walled carbon nanotube. It can also be seen that the distance between the cross bars containing tin oxide (SnO) in the carbon-tin oxide-sulfur composite made in ladder form is 10-20 nm. The EDX analysis results show that the carbon, sulfur, tin, and oxygen elements appear at energy levels of 0.27, 2.32, 3.46, and 0.52 keV, respectively.

도 3은 본 발명의 비교예 1로부터 제조된 탄소-황 복합체 및 실시예 1로부터 제조된 탄소-주석산화물-황 복합체를 양극소재로 사용한 리튬-황 전지의 수명 특성을 나타내는 그래프이다. 전기화학적 측정은 이슬점 온도 -100.2 ℃ 이하의 드라이룸에서 제작된 CR2032 코인전지를 사용하였다. 작동전극은 70중량%의 활물질, 20중량%의 도전제(Denka black 100), 10중량%의 폴리아크릴산(poly(acrylic acid)) 바인더로 구성하였고, 이들을 소형 진동볼 분쇄기를 사용하여 에탄올에 분산시켰다. 이렇게 만들어진 슬러리는 닥터블레이드를 이용하여 알루미늄호일에 캐스팅하고, 50 ℃의 진공오븐에서 밤새 건조시켰다. 12 mm의 직경으로 뚫린 양극물질의 밀도는 5.5-6.2 mg·cm-2였고, 평균적인 황 함량은 1.0-1.3 mg·cm-2였다. 전해질은 0.3 M의 질산리튬을 포함하여 1,3-디옥솔란(1,3-dioxolane)(DOL, 99.8%, 시그마 알드리치)과 디메톡시메탄(dimethoxymethane)(DME, 99.5%, 시그마 알드리치)을 1:1의 부피비율로 혼합한 용매에 1.0 M의 비스(트리플루오로메탄)술폰이미드 리튬 염(bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt)(LiTFSI, 99.95%, 시그마 알드리치)을 사용하였다. 순수한 리튬 메탈 호일(웰코스)과 microporous polypropylene membrane(Celgard 2400)은 각각 상대전극과 분리막으로 사용하였고, 정전류 충/방전 실험은 상온에서 1.7-2.8 V(vs. Li/Li+)의 cut-off 전위창 안에 다양한 전류밀도에서 전지실험시스템(Maccor series-4000)을 이용하여 진행하였으며, 비용량은 황의 질량을 기준으로 계산하였다.3 is a graph showing lifetime characteristics of a carbon-sulfur composite prepared from Comparative Example 1 of the present invention and a lithium-sulfur battery using the carbon-tin oxide-sulfur composite prepared from Example 1 as a cathode material. The electrochemical measurement was performed using a CR2032 coin battery manufactured in a dry room having a dew point temperature of -100.2 DEG C or less. The working electrode consisted of 70 wt% active material, 20 wt% conductive agent (Denka black 100) and 10 wt% poly (acrylic acid) binder and dispersed in ethanol using a small vibrating ball mill . The slurry thus formed was cast on an aluminum foil using a doctor blade and dried in a vacuum oven at 50 DEG C overnight. The density of the anode material drilled at a diameter of 12 mm was 5.5-6.2 mg · cm -2 and the average sulfur content was 1.0-1.3 mg · cm -2 . The electrolyte was prepared by dissolving 1, 3-dioxolane (DOL, 99.8%, Sigma Aldrich) and dimethoxymethane (DME, 99.5%, Sigma Aldrich) : 1.0 M bis (trifluoromethane) sulfonimide lithium salt (LiTFSI, 99.95%, Sigma Aldrich) was used as a solvent mixed in a volume ratio of 1: 1. Pure lithium metal foil (well course) and microporous polypropylene membrane (Celgard 2400) were used as counter electrode and separator, respectively. The constant current charge / discharge test was performed at room temperature using a cut-off potential of 1.7-2.8 V (vs. Li / Li +) The experiments were carried out at various current densities in a window using a battery experimental system (Maccor series-4000). The specific capacity was calculated based on the mass of sulfur.

실험조건은 1.7-2.8 V의 전위범위에서 초반 5 사이클 동안은 167.5 mA g-1(0.1 C)의 전류밀도에서 측정되었고, 이후 1000 사이클까지는 837.5 mA g-1(0.5 C)의 전류밀도에서 측정되었다. The experimental conditions were measured at a current density of 1.7-2.8 V at the current density of 167.5 mA g -1 (0.1 C) for the first 5 cycles and then at a current density of 837.5 mA g -1 (0.5 C) .

도 3을 참조하면, 황이 주입된 사다리 형태의 주석산화물(SnO)을 포함하는 다중벽 탄소나노튜브 복합체인 실시예 1의 양전극은 1682.4 mAh g-1의 초기방전용량을 가졌고, 1000 사이클 이후에는 100%에 가까운 쿨롱효율과 530.1 mAh g-1의 안정된 용량을 발현하였다. 반면에, 주석산화물(SnO)을 포함하지 않는 비교예 1의 양전극은 훨씬 빠른 용량감소를 보였고, 1000 사이클 이후 99.9%의 쿨롱효율과 349.3 mAh g-1의 방전용량을 나타냈다. 따라서, 주석산화물(SnO)을 포함하는 양전극이 더욱 우수한 가역성과 용량유지 특성을 보여주었다. 이렇게 우수한 사이클 특성은 사이클 동안 주석산화물(SnO) 나노입자들이 황 이모빌라이저(immobilizer)역할을 함으로써, 효과적으로 리튬폴리설파이드의 용출를 막아주었기 때문으로 판단된다.
3, the positive electrode of Example 1, which is a multi-walled carbon nanotube composite containing tin oxide (SnO) in the form of ladder with sulfur implanted, had an initial discharge capacity of 1682.4 mAh g < -1 & % Coulomb efficiency and a stable capacity of 530.1 mAh g -1 . On the other hand, the positive electrode of Comparative Example 1, which did not contain tin oxide (SnO), exhibited much faster capacity reduction and exhibited a coulombic efficiency of 99.9% after 1000 cycles and a discharge capacity of 349.3 mAh g -1 . Therefore, the positive electrode containing tin oxide (SnO) showed better reversibility and capacity retention characteristics. This excellent cycle characteristic is believed to be due to the fact that tin oxide (SnO) nanoparticles act as a sulfur immobilizer during the cycle, effectively preventing the dissolution of lithium polysulfide.

도 4는 본 발명의 비교예 1로부터 제조된 탄소-황 복합체 및 실시예 1로부터 제조된 탄소-주석산화물-황 복합체를 양극소재로 사용한 리튬-황 전지의, (a),(b) 자외선-가시광선(UV-vis) 분석 및 (c),(d) 주사전자현미경(SEM)의 EDX 분석 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing the results of (a) and (b) ultraviolet-visible spectra of the lithium-sulfur battery using the carbon-sulfur composite prepared in Comparative Example 1 of the present invention and the carbon-tin oxide- (C), (d) scanning electron microscope (SEM).

비교예 1 및 실시예 1의 양극소재를 사용한 리튬-황 전지를 1000 사이클 후 셀을 분해하여, 전극을 전해질 안에 넣어 흔들고 그 용액의 자외선-가시광선(UV-vis) 분석을 하였다. 흡수 스펙트라는 270-280 nm에서 뚜렷한 흡광도를 나타냈고, 이는 긴 체인을 가진 황 원소(S8과 S6 2 -)에 의한 것이다. 게다가 310 nm와 334 nm에서의 숄더피크(shoulder peaks)는 각각 S6 2 -/S4 2 -와 S3 2 -에 의한 것이다. 이러한 결과들은 황과 폴리설파이드가 주석산화물(SnO)을 포함하지 않는 양극 보다 주석산화물(SnO)을 포함하는 양극에서 더 낮은 이동성을 가진다는 의미이다[도 4(a) 및 4(b) 참조]. 이 뿐만 아니라, 1000 사이클 후의 양극에 존재하는 황의 분포를 알아보기 위해 두 양극에 대한 SEM-EDX 분석을 수행한 결과, 무극성 물질로서 다중벽 탄소나토튜브 지지체는 극성 폴리설파이드를 약하게 잡고 있는 반면, 극성 물질로서 주석산화물을 포함하는 다중벽 탄소나노튜브 지지체는 주석산화물(SnO)과 폴리설파이드 사이의 쌍극자-쌍극자 상호작용으로 인해 폴리설파이드를 강하게 붙잡고 있다. 그러므로 2.35 keV에서 주석산화물(SnO)을 포함하지 않는 양극 대비 주석산화물(SnO)을 포함하는 양극의 더 약한 황 피크는 황과 폴리설파이드 음이온의 확산이 다중벽 탄소나노튜브 안의 주석산화물(SnO) 나노입자들에 의해 저해된다는 것을 확인하였다.
After 1000 cycles of the lithium-sulfur battery using the cathode material of Comparative Example 1 and Example 1, the cell was disassembled, the electrode was shaken in the electrolyte, and the solution was subjected to ultraviolet-visible (UV-vis) analysis. Absorption spectra showed a distinct absorbance at 270-280 nm, due to the sulfur elements with long chains (S 8 and S 6 2 - ). In addition, the shoulder peaks at 310 nm and 334 nm are due to S 6 2 - / S 4 2 - and S 3 2 - , respectively. These results indicate that sulfur and polysulfide have lower mobility at the anode containing tin oxide (SnO) than the anode containing no tin oxide (SnO) (see Figures 4 (a) and 4 (b) . In addition, SEM-EDX analysis of the two anodes to observe the distribution of sulfur present in the anode after 1000 cycles showed that the multi-walled carbon nanotube support as a non-polar material grabbed the polar polysulfide weakly, A multi-walled carbon nanotube support containing tin oxide as a material strongly retains the polysulfide due to dipole-dipole interactions between tin oxide (SnO) and the polysulfide. Therefore, the weaker sulfur peak of the anode containing tin oxide (SnO 2), which does not contain tin oxide (SnO 2) at 2.35 keV, is due to the diffusion of sulfur and polysulfide anions into tin oxide (SnO 2) nano It was confirmed that it was inhibited by the particles.

도 5는 본 발명의 비교예 1로부터 제조된 탄소-황 복합체(가) 및 실시예 1로부터 제조된 탄소-주석산화물-황 복합체(나)를 양극소재로 사용한 리튬-황 전지의 실시간 투과주사전자현미경(In-situ TEM) 이미지이다.FIG. 5 is a graph showing the results of a real-time transmission scanning electron microscope (SEM) of a lithium-sulfur battery using the carbon-sulfur composite (a) prepared in Comparative Example 1 of the present invention and the carbon-tin oxide- It is an in-situ TEM image.

도 5에서, 다중벽 탄소나노튜브 안에 정렬된 주석산화물(SnO) 나노입자들의 역할을 명확하게 하기 위해 실시간 투과전자현미경(In-situ TEM) 분석을 통해 리튬화 과정 동안 양극 활물질의 부피팽창을 확인하였다. 일단 3 V 직류전압으로 리튬화 과정을 시작하면, 주석산화물(SnO)을 포함하지 않는 양극의 부피는 시간에 따라 점점 증가하고 있다[도 5(가) 참조]. 반면에 주석산화물(SnO)을 포함하는 양극에서는 자체의 강한 나노구조 때문에 이러한 부피팽창이 관측되지 않았다[도 5(나) 참조]. 다중벽 탄소나노튜브 안에 정렬된 주석산화물(SnO)이 황의 용출를 방지하는 단단한 지지체로 작용하면서, 부피팽창을 억제하고 전도성도 증가시키는 것을 확인하였다. 이러한 사다리형태의 구조는 주석산화물(SnO)을 포함하는 양전극의 향상된 전기화학적 성능에 기여한다.In FIG. 5, in order to clarify the role of tin oxide (SnO) nanoparticles aligned in multi-walled carbon nanotubes, a volumetric expansion of the cathode active material during the lithiation process was confirmed by real-time transmission electron microscopy (In-situ TEM) Respectively. Once the lithiation process begins with a 3 V DC voltage, the volume of the anode that does not contain tin oxide (SnO) is increasing over time (see FIG. 5 (a)). On the other hand, in the anode containing tin oxide (SnO), this volume expansion was not observed due to its strong nanostructure (see FIG. 5 (B)). It has been confirmed that tin oxide (SnO) aligned in the multi-walled carbon nanotube acts as a rigid support for preventing elution of sulfur, while suppressing volume expansion and increasing conductivity. This ladder-like structure contributes to the improved electrochemical performance of the positive electrode comprising tin oxide (SnO).

그러므로 본 발명에 따르면, 강한 화학적 결합에 의한 사다리형 구조의 탄소-주석산화물-황 복합체 및 이의 제조방법을 제공할 수 있으며, 이를 이용하여 충/방전시 폴리설파이드의 용출 및 황의 부피팽창이 억제될 뿐만 아니라, 전자의 이동이 원활하여 우수한 수명특성 및 전기화학적 성능을 갖는 리튬-황 전지로 응용할 수 있다.Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a carbon-tin oxide-sulfur composite having a ladder-like structure by strong chemical bonding and a method for producing the same, and by using the same, the dissolution of polysulfide and the volume expansion of sulfur can be suppressed In addition, it can be applied to a lithium-sulfur battery having an excellent lifetime characteristic and electrochemical performance because electrons move smoothly.

Claims (10)

탄소나노튜브, 주석산화물 및 황을 포함하는 탄소-주석산화물-황 복합체로서,
상기 주석산화물은 상기 탄소나노튜브의 내벽 사이에 간격을 두고 위치하여 상기 주석산화물로 이루어지는 가로대가 간격을 두고 정렬된 사다리 형태를 형성하고;
상기 황은 상기 주석산화물로 이루어지는 가로대 사이의 빈 공간에 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소-주석산화물-황 복합체.
A carbon-tin oxide-sulfur composite comprising carbon nanotubes, tin oxides and sulfur,
Wherein the tin oxide is located between the inner walls of the carbon nanotubes at an interval and forms a ladder shape in which the cross bars made of the tin oxide are aligned at intervals;
Wherein the sulfur is filled in a void space between the cross bars made of the tin oxide.
제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 탄소-주석산화물-황 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon nanotubes are multi-walled carbon nanotubes.
제1항에 있어서,
상기 주석산화물의 입자 크기는 1 내지 50 nm인 것을 특징으로 하는 탄소-주석산화물-황 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the tin oxide has a particle size of 1 to 50 nm.
제1항에 있어서,
상기 간격은 5 내지 50 nm인 것을 특징으로 하는 탄소-주석산화물-황 복합체.
The method according to claim 1,
Lt; RTI ID = 0.0 > 50 < / RTI > nm.
(a) 끝단이 개방된 탄소나노튜브 내벽 사이에 주석산화물을 삽입하여, 상기 주석산화물이 상기 탄소나노튜브의 내벽 사이에 간격을 두고 위치하여 사다리 형태의 구조체를 수득하는 단계; 및
(b) 상기 사다리 형태의 구조체에 황을 확산시키는 단계;를 포함하는 탄소-주석산화물-황 복합체의 제조방법.
(a) inserting tin oxide between the inner walls of the carbon nanotubes having open ends, the tin oxides being spaced between the inner walls of the carbon nanotubes to obtain a ladder-like structure; And
(b) diffusing sulfur into the ladder-like structure.
제5항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 탄소-주석산화물-황 복합체의 제조방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the carbon nanotubes are multi-walled carbon nanotubes.
제5항에 있어서,
상기 (a) 단계는 끝단이 개방된 탄소나노튜브 내벽 사이에 주석산화물 전구체를 주입한 후 건식 플라즈마로 환원시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소-주석산화물-황 복합체의 제조방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the step (a) is performed by injecting a tin oxide precursor between the inner walls of the opened carbon nanotubes and then reducing the carbon nanotubes to dry plasma.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 탄소-주석산화물-황 복합체를 포함하는 리튬-황 전지용 양극소재.A positive electrode material for a lithium-sulfur battery comprising a carbon-tin oxide-sulfur composite according to any one of claims 1 to 4. 제8항에 따른 리튬-황 전지용 양극소재를 포함하는 리튬-황 전지.9. A lithium-sulfur battery including a cathode material for a lithium-sulfur battery according to claim 8. 제8항에 따른 리튬-황 전지용 양극소재를 포함하는 전기 디바이스로서,
상기 전기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력 저장장치 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 전기 디바이스.
An electric device comprising a cathode material for a lithium-sulfur battery according to claim 8,
Wherein the electrical device is one selected from an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, and a power storage device.
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