KR101802594B1 - Lithium-sulfur battery and method for manufacturing same - Google Patents
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Abstract
베이스 전해질(base electrolyte)을 준비하는 단계, 상기 베이스 전해질 및 탄소 재료(carbon material)를 기계적 혼합(mechanical mixing)하여 전해질 혼합용액(electrolyte mixture)을 제조하는 단계, 및 상기 전해질 혼합용액을 전지구조체(battery structure)에 주입하는 단계를 포함하는 리튬 황 전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.Preparing a base electrolyte, mechanically mixing the base electrolyte and a carbon material to produce an electrolyte mixture, and separating the electrolyte mixture into a battery structure battery structure according to the present invention.
Description
본 발명은 리튬 황 전지 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 전해질을 함유한 자가조립 탄소막을 이용하여 제조된 리튬 황 전지, 및 그 제조 방법에 관련된 것이다. The present invention relates to a lithium sulfur battery and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a lithium sulfur battery manufactured using a self-assembled carbon film containing an electrolyte, and a method of manufacturing the same.
최근 각국 정부의 친환경 정책과 온실가스 규제가 본격화 됨에 따라 고효율의 친환경 에너지 기술 개발에 대한 성장이 빨라지고 있다. 또한, 스마트그리드로 대변되는 21세기 전력망을 구현하기 위하여, 전력의 생산과 소비의 완충적 역할을 할 수 있는 에너지 저장 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 따라, 전기자동차 및 에너지 저장 시스템용 등의 중대형 이차전지로 이용 가능한 리튬 이차 전지에 대한 수요가 급증하고 있다.Recently, as governments' eco-friendly policies and greenhouse gas regulations have been fully implemented, the development of high-efficiency eco-friendly energy technologies is accelerating. Also, in order to realize the 21st century power grid represented by the smart grid, there is a growing interest in energy storage technology that can act as a buffer for power generation and consumption. Accordingly, a demand for a lithium secondary battery that can be used as a medium- or large-sized secondary battery such as an electric vehicle and an energy storage system is increasing rapidly.
따라서, 전기자동차 및 중대형 에너지 저장장치에 적용되는 만큼 리튬 이차 전지의 안정성 및 고용량 확보에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Therefore, studies on securing stability and high capacity of a lithium secondary battery as applied to electric vehicles and medium and large-sized energy storage devices are being actively conducted.
예를 들어, 국제 공개 번호 WO15005694A1 (출원인: 주식회사 엘지화학, 국제출원번호 WO2014KR006195)에는, 전극 집전체의 한면 또는 양면에 전극 슬러리 합제층을 도포하여 제1 전극을 형성시키고, 제1 전극을 이소시아네이트계 화합물을 비수계 용매에 용해시킨 코팅 용액에 침지하여 코팅 용액을 코팅한 후, 건조하여 폴리우레탄계 코팅층이 형성된 제2 전극을 형성함으로써, 전극 표면 상의 폴리우레탄계 코팅층 형성에 의해 수명 특성이 향상된 리튬 이차전지의 전극의 제조 기술이 개시되어 있다.For example, in International Publication No. WO15005694A1 (Applicant: LG Chem International, International Application No. WO2014KR006195), an electrode slurry mixture layer is applied to one or both surfaces of an electrode current collector to form a first electrode, Based coating layer on the electrode surface by forming a polyurethane-based coating layer on the surface of the electrode by immersing the compound in a coating solution in which the compound is dissolved in a non-aqueous solvent, coating the coating solution, A manufacturing technique of an electrode of a plasma display panel is disclosed.
전기 자동차의 및 중대형 에너지 저장장치의 상용화를 위해, 리튬이온전지보다 용량 특성이 우수한 리튬 황 전지에 대하여 용량 및 수명 특성을 향상시킬 수 있는 리튬 황 전지의 제조 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.In order to commercialize an electric vehicle and a medium to large-sized energy storage device, it is necessary to study a method of manufacturing a lithium sulfur battery capable of improving capacity and lifetime characteristics of a lithium sulfur battery having superior capacity characteristics than a lithium ion battery.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 수명 특성이 향상된 리튬 황 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a lithium sulfur battery having improved lifetime characteristics and a method of manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 용량 특성이 향상된 리튬 황 전지 및 그 제조 방법을 방법을 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a lithium sulfur battery having improved capacity characteristics and a method of manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전기전도성이 향상된 리튬 황 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. It is another object of the present invention to provide a lithium sulfur battery having improved electrical conductivity and a method of manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 이온전도성이 향상된 리튬 황 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide a lithium-sulfur battery having improved ion conductivity and a method of manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조 비용이 감소된 리튬 황 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a lithium sulfur battery having a reduced manufacturing cost and a method of manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.The technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 리튬 황 전지의 제조 방법을 제공한다.In order to solve the above-described technical problems, the present invention provides a method for producing a lithium sulfur battery.
일 실시 예에 따르면, 상기 리튬 황 전지의 제조 방법은, 베이스 전해질(base electrolyte)을 준비하는 단계, 상기 베이스 전해질 및 탄소 재료(carbon material)를 기계적 혼합(mechanical mixing)하여 전해질 혼합용액(electrolyte mixture)을 제조하는 단계, 및 상기 전해질 혼합용액을 전지구조체(battery structure)에 주입하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a lithium sulfur battery, comprising: preparing a base electrolyte; mechanically mixing the base electrolyte and a carbon material to form an electrolyte mixture ), And injecting the electrolyte mixture solution into a battery structure.
일 실시 예에 따르면, 상기 리튬 황 전지의 제조 방법은, 상기 전해질 혼합용액이 전지구조체에 주입된 후, 상기 전해질 혼합용액 내의 상기 베이스 전해질의 적어도 일부가 상기 전지구조체로 흡수되어, 잔존하는 상기 탄소 재료 및 상기 베이스 전해질을 포함하는 전해질을 함유한 자가조립탄소막(self-assembly carbon layer)이 형성되는 것을 포함할 수 있다.According to one embodiment, after the electrolyte mixture solution is injected into the cell structure, at least a part of the base electrolyte in the electrolyte mixture solution is absorbed into the cell structure, And a self-assembly carbon layer containing an electrolyte including the base electrolyte.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 전해질 및 상기 탄소 재료를 기계적 혼합하는 것은, 상기 베이스 전해질 및 상기 탄소 재료를 교반(stirring)하는 것을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the mechanical mixing of the base electrolyte and the carbonaceous material may include stirring the base electrolyte and the carbonaceous material.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소 재료는, 1종 이상의 탄소 동소체(carbon allotrope)를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the carbon material may include at least one carbon allotrope.
일 실시 예에 따르면, 상기 전지구조체는, 차례로 적층된 양극(cathode), 분리막(separator), 및 음극(anode)을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the cell structure may include a cathode, a separator, and an anode, which are stacked in sequence.
일 실시 예에 따르면, 상기 전해질 혼합용액을 전지구조체에 주입하는 단계는, 상기 전해질 혼합용액이 상기 양극 및 상기 분리막 사이에 주입되는 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the step of injecting the electrolyte mixed solution into the cell structure may include injecting the electrolyte mixed solution between the anode and the separator.
일 실시 예에 따르면, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막은, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막과 접촉하는 상기 양극의 일면 및 상기 분리막의 일면의 형상에 대응되는 형상으로 자기조립(self-assembly)하는 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the self-assembled carbon film containing the electrolyte may be self-assembled into a shape corresponding to the shape of one surface of the anode and the surface of the separator contacting the self-assembled carbon film containing the electrolyte, Lt; / RTI >
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 리튬 황 전지를 제공한다.In order to solve the above technical problems, the present invention provides a lithium sulfur battery.
일 실시 예에 따르면, 상기 리튬 황 전지는, 탄소(C) 및 황(S)을 포함하는 양극(cathode), 상기 양극 상에 배치되고, 상기 양극의 일면의 형상에 대응하는 형상을 갖고, 전해질을 함유한 자가조립탄소막(self-assembly carbon layer), 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막 상의 분리막(separator), 및 상기 분리막 상의 리튬(Li)을 포함하는 음극(anode)를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the lithium sulfur battery includes a cathode containing carbon (C) and sulfur (S), a cathode disposed on the anode, having a shape corresponding to the shape of one surface of the anode, A self-assembly carbon layer containing the electrolyte, a separator on the self-assembled carbon film containing the electrolyte, and an anode containing lithium on the separator.
일 실시 예에 따르면, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막은, 1종 이상의 탄소 동소체(carbon allotrope)를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the self-assembled carbon film containing the electrolyte may include at least one carbon allotrope.
일 실시 예에 따르면, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막은, 3 내지 4mg의 상기 탄소 재료를 포함하는 것을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the self-assembled carbon film containing the electrolyte may contain 3 to 4 mg of the carbon material.
일 실시 예에 따르면, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막은, 상기 양극의 일면과 접촉하고, 상기 양극의 상기 일면의 형상에 대응하는 제1 전해질 면(first electrolyte surface), 및 상기 분리막의 일면과 접촉하고, 상기 분리막의 상기 일면의 형상에 대응하는 제2 전해질 면(second electrolyte surface)을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the self-assembled carbon film containing the electrolyte includes a first electrolyte surface in contact with one surface of the anode and corresponding to the shape of the one surface of the anode, And a second electrolyte surface corresponding to the shape of the one surface of the separator.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극의 상기 일면이 볼록부를 갖는 경우, 상기 제1 전해질 면은 상기 양극의 상기 일면의 볼록부에 대응하는 오목부를 갖고, 상기 양극의 상기 일면이 오목부를 갖는 경우, 상기 제1 전해질 면은 상기 양극의 상기 일면의 오목부에 대응하는 볼록부를 갖는 것을 포함할 수 있다.According to one embodiment, when the one surface of the anode has a convex portion, the first electrolyte surface has a concave portion corresponding to the convex portion of the one surface of the anode, and when the one surface of the anode has a concave portion, And the first electrolyte surface may have a convex portion corresponding to the concave portion of the one surface of the anode.
일 실시 예에 따르면, 상기 리튬 황 전지는, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막의 상기 제1 전해질 면의 표면 거칠기(surface roughness)가 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막의 상기 제2 전해질 면의 표면 거칠기보다 큰 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the lithium sulfur battery may further include a first electrode layer having a surface roughness of the first electrolyte surface of the self-assembled carbon film containing the electrolyte, a surface roughness of the surface of the second electrolyte layer of the self- May be larger than roughness.
일 실시 예에 따르면, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막의 상기 제1 전해질면 및 상기 제2 전해질면의 초기 형상은, 리튬 황 전지의 사이클이 증가해도 일정하게 유지되는 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the initial shape of the first electrolyte surface and the second electrolyte surface of the self-assembled carbon film containing the electrolyte may include a state in which the cycle of the lithium sulfur battery is kept constant.
본 발명의 실시 예에 따르면, 탄소 재료를 포함하는 전해질 혼합용액을 제조하고, 상기 전해질 혼합용액을 전지구조체의 양극 및 분리막 사이에 주입하여, 전해질을 함유한 자가조립탄소막(self-assembly carbon layer)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막을 포함하는 리튬 황 전지의 공정 시간 및 공정 비용이 감소될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a self-assembly carbon layer containing an electrolyte is prepared by preparing an electrolyte mixture solution containing a carbon material, injecting the electrolyte mixture solution between the positive electrode and the separator of the battery structure, Can be formed. Accordingly, the process time and the process cost of the lithium sulfur battery including the self-assembled carbon film containing the electrolyte can be reduced.
또한, 상기 전해질 혼합용액의 상기 베이스 전해질의 적어도 일부가 상기 전지구조체 내로 흡수되어, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막이 상기 양극의 일면 및 상기 분리막의 일면의 형상에 대응되는 형상으로 자기조립될 수 있다. 이에 따라, 상기 양극 및 상기 분리막과 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막의 접촉면적이 증가되어, 이온전도성 및 전기전도성이 향상된 리튬 황 전지 및 그 제조방법이 제공될 수 있다. Also, at least a part of the base electrolyte of the electrolyte mixture solution is absorbed into the battery structure, and the self-assembled carbon film containing the electrolyte may be self-assembled into a shape corresponding to the shape of one surface of the anode and one surface of the separator. have. Accordingly, a lithium selenium battery in which the contact area between the anode and the self-assembled carbon film containing the electrolyte and the electrolyte is increased to improve ionic conductivity and electrical conductivity, and a method of manufacturing the same can be provided.
뿐만 아니라, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막에 포함된 상기 탄소 재료로 인해, 상기 양극으로부터 용출되는 황(S)을 효율적으로 억제할 수 있고, 상기 탄소 재료의 전기적 특성으로 인해, 전지 내의 전기전도도가 향상될 수 있다. 이에 따라, 전지의 용량 및 수명 특성이 향상되어, 충방전 효율이 향상된 고신뢰성의 리튬 황 전지 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.In addition, due to the carbon material contained in the self-assembled carbon film containing the electrolyte, sulfur (S) eluted from the anode can be effectively suppressed, and the electrical conductivity of the battery Can be improved. Accordingly, the capacity and life characteristics of the battery are improved, and a highly reliable lithium-sulfur battery improved in charging and discharging efficiency and a manufacturing method thereof can be provided.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 황 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전해질 혼합용액의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 A를 확대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 리튬 황 전지를 설명하기 위한 도면이다
도 5는 도 4의 B를 확대한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 리튬 황 전지에 포함된 bare MWCNT 막 및 MWCNT-자가조립탄소막의 표면 및 측면의 SEM 이미지들이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예 및 실시 예에 따른 리튬 황 전지에 포함된 bare MWCNT 막 및 MWCNT-자가조립탄소막의 FIB-SEM 이미지들이다.
도 8은 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 리튬 황 전지에 포함된 bare MWCNT 막 및 MWCNT-자가조립탄소막 내의 MWCNT에 대한 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지 및 EELS(electron energy loss spectroscopy) 이미지들이다.
도 9는 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 MWCNT-자가조립탄소막 및 bare MWCNT막을 포함하는 리튬 황 전지의 current rate별 전압(voltage)에 따른 비용량(specific capacity) 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 리튬 황 전지의 전지 사이클 수(cycle number) 증가에 따른 비용량(specific capacity) 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 리튬 황 전지의 MWCNT-자가조립탄소막에 포함된 MWCNT 양이 다른 경우, 전지 사이클 수 증가에 따른 비용량 값을 나타낸 그래프이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a lithium sulfur battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining a method of producing an electrolyte mixed solution according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an enlarged view of FIG. 2 A. FIG.
4 is a view for explaining a lithium sulfur battery manufactured according to an embodiment of the present invention
FIG. 5 is an enlarged view of FIG. 4B.
6 is SEM images of the surface and side surfaces of the bare MWCNT film and the MWCNT-self-assembled carbon film included in the lithium sulfur battery according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
7 is FIB-SEM images of the bare MWCNT film and the MWCNT self-assembled carbon film included in the lithium sulfur battery according to the comparative example and the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a TEM (Transmission Electron Microscope) image and electron energy loss spectroscopy (EELS) images of a bare MWCNT film and an MWCNT-self-assembled carbon film included in a lithium selenium battery according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
FIG. 9 is a specific capacity graph of a lithium selenium battery including the MWCNT self-assembled carbon film and the bare MWCNT film manufactured according to the embodiment of the present invention and the comparative example according to the voltage according to the current rate.
FIG. 10 is a graph of specific capacity according to an increase in the cycle number of a lithium-sulfur battery manufactured according to the examples and comparative examples of the present invention.
FIG. 11 is a graph showing a specific capacity value according to an increase in the number of battery cycles when the amount of MWCNT contained in the MWCNT-self-assembled carbon film of the lithium sulfur battery manufactured according to the embodiment of the present invention is different.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. In this specification, when an element is referred to as being on another element, it may be directly formed on another element, or a third element may be interposed therebetween. Further, in the drawings, the thicknesses of the films and regions are exaggerated for an effective explanation of the technical content.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.Also, while the terms first, second, third, etc. in the various embodiments of the present disclosure are used to describe various components, these components should not be limited by these terms. These terms have only been used to distinguish one component from another. Thus, what is referred to as a first component in any one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment. Each embodiment described and exemplified herein also includes its complementary embodiment. Also, in this specification, 'and / or' are used to include at least one of the front and rear components.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.The singular forms "a", "an", and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. It is also to be understood that the terms such as " comprises "or" having "are intended to specify the presence of stated features, integers, Should not be understood to exclude the presence or addition of one or more other elements, elements, or combinations thereof.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will also be appreciated that many modifications and variations will be apparent to those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 황 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전해질 혼합용액의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2의 A를 확대한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 황 전지 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 4의 B를 확대한 도면이다. FIG. 1 is a flow chart for explaining a method of manufacturing a lithium-sulfur battery according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view for explaining a method of manufacturing an electrolyte mixed solution according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a view for explaining a lithium sulfur battery according to an embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same, and FIG. 5 is an enlarged view of FIG.
도 1 및 도 2를 참조하면, 베이스 전해질(base electrolyte, 100)이 준비된다(S100). 상기 베이스 전해질(100)은, 리튬염(lithium salts) 및 유기 용매를 포함하는 비수 전해액을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬염은, LiTFSI, LiNO3, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 1 and 2, a
예를 들어, 상기 유기용매를 포함하는 비수 전해액은, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.For example, the non-aqueous electrolyte containing the organic solvent may be at least one selected from the group consisting of N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylenecarbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate , Ethylmethyl carbonate, gamma-butylolactone, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3- But are not limited to, dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxane, diethyl ether, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, , Dioxolane derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ether, methyl pyrophosphate and ethyl propionate May include at least one or more .
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 전해질(100)은, 유기 고체 전해질 또는 무기 고체 전해질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 유기 고체 전해질은, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 무기 고체 전해질은, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염으로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the
상기 베이스 전해질(100)이 탄소 재료(carbon material, 200)와 기계적 혼합되어, 전해질 혼합용액(electrolyte mixture, 120)이 제조될 수 있다(S200). 상기 탄소 재료(200)는, 1종 이상의 탄소 동소체(carbon allotrope)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 동소체는, 탄소 나노 튜브(싱글벽 탄소 나노 튜브(SWCNT, single wall carbon nanotube) 또는 다중벽 탄소 나노 튜브(MWCNT, multi wall carbon nanotube)), 그래핀(graphene), 그라파이트(graphite), 활성 탄소(activated carbon), 및 다공성 탄소(porous carbon) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 기계적 혼합은, 교반공정(stirring) 일 수 있다. 예를 들어, 다이메톡시에탄(dimethoxyethane), 1,3-다이옥소레인(1,3-dioxolane), LiTFSI(liyhium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide), 및 리튬나이트레이트(LiNO3)를 포함하는 상기 베이스 전해질(100)에 상기 다중벽 탄소 나노 튜브(MWCNT)가 첨가된 후, 상온에서 300rpm의 속도로 교반되어, 상기 전해질 혼합 용액(120)이 제조될 수 있다.The
도 3에 도시된 것과 같이, 상기 베이스 전해질(100)이 탄소 나노 튜브(205)를 포함하는 경우, 상기 베이스 전해질(100)은, 상기 탄소 나노 튜브(205)의 측벽의 격자 내에, 또는 상기 탄소 나노 튜브(205)로 둘러싸인 공간 내에 제공될 수 있다.3, when the
도 1 및 도 4를 참조하면, 전지 구조체(600)가 준비된다. 상기 전지 구조체(600)는, 양극(cathode, 300), 음극(anode, 400), 및 분리막(separator, 500)을 포함할 수 있다. 상기 전지구조체(600)는, 상기 양극(300), 상기 분리막(400), 및 상기 음극(500)이 차례로 적층되는 것을 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 4, a
상기 양극(300)은 황(S) 및 도전성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 도전성 재료는, 흑연(천연 흑연, 인조 흑연 등), 카본블랙(카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등), 도전성 섬유(탄소 섬유, 금속 섬유 등), 금속 분말(불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등), 도전성 위스키(산화아연, 티탄산 칼륨 등), 도전성 금속 산화물(산화 티탄 등), 도전성 소재(폴리페닐렌 유도체 등) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.The
상기 양극(300)은, 상기 황(S) 및 상기 도전성 재료가 바인더 및 용매에 혼합되어, 집전체 상에 코팅 및 건조되어 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 바인더는, 플루오르화 폴리비닐리덴(PVDF, polyvinylidene fluoride), 상기 용매는, N-메틸-2-피롤리돈(N-methly-2-pyrrolidone)일 수 있다. The
상기 집전체는, 도전성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 집전체는 구리, 니켈, 알루미늄 스테인리스강 등으로 형성될 수 있다. 상기 집전체는 산화 방지를 위한 피복층이 코팅될 수 있다.The current collector may be formed of a conductive material. For example, the current collector may be formed of copper, nickel, aluminum stainless steel, or the like. The current collector may be coated with a coating layer for preventing oxidation.
상기 분리막(400)은, 유리 섬유, 올레핀계 수지, 불소계 수지(예를 들어, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오루에틸렌 등), 에스터계 수지(예를 들어, 폴레에틸렌테레프탈레이트 등), 또는 셀룰로오스계 부직포 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 분리막(400)은 상술된 예들 외에 다양한 종류의 물질들로 형성될 수 있다.The
상기 음극(500)은, 리튬(Li)을 포함할 수 있다. 상기 음극은 리튬 금속, 또는 리튬과 다른 금속의 합금으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 음극(500)은, 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 마그네슘(Mg), 인듐(In), 바나듐(V) 등과 상기 리튬(Li)의 합금을 포함할 수 있다.The
상기 전해질 혼합용액(120)은, 상기 전지 구조체(600)에 주입(injection) 될 수 있다(S300). 다시 말해서, 상기 전해질 혼합용액(120)은, 상기 전지구조체(600)의 차례로 적층된 상기 양극(300) 및 상기 분리막(400) 사이에 주입될 수 있다. 상기 전지구조체(600)의 상기 양극(300) 및 상기 분리막(400) 사이에 주입된 상기 전해질 혼합용액(120)은, 건조공정(drying process)에 의해 전해질을 함유한 자가조립탄소막(self-assembly carbon layer, 150)으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질 혼합용액(120)은, 노즐(nozzle) 또는 바늘(needle)에 의해 상기 양극(300) 및 상기 분리막(400) 사이에 주입된 후, 자연건조(natural drying) 될 수 있다.The
상기 건조공정에 의해, 상기 양극(300) 및 상기 분리막(400) 사이에 주입된 상기 전해질 혼합용액(120) 내의 상기 베이스 전해질(100)의 적어도 일부가 상기 전지구조체(600)로 흡수될 수 있다. 이에 따라, 상기 전해질 혼합용액(120)에 잔존하는 상기 탄소 재료(200) 및 상기 베이스 전해질(100)을 포함하는 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막(150)이 형성될 수 있다. At least a portion of the
상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막(150) 내의 상기 탄소 재료(200)의 함량이 3mg보다 작거나, 또는 4mg보다 큰 경우, 전지의 비용량(specific capacity) 특성이 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막(150)은, 3 내지 4mg의 상기 탄소 재료(200)를 포함할 수 있다.If the content of the
상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막(150)은, 상기 양극(300)의 일면과 접촉하는 제1 전해질 면(first electrolyte surface, 150a) 및 상기 분리막(400)의 일면과 접촉하는 제2 전해질 면(second electrolyte surface, 150b)을 포함할 수 있다. 상기 전해질 혼합용액(120)의 상기 베이스 전해질(100)의 적어도 일부가 상기 양극(300) 및/또는 상기 음극(400)으로 흡수되어 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막(150)이 형성되는 과정에서, 상기 양극(300)의 일면과 접촉하는 상기 제1 전해질 면(150a)은, 상기 양극(300)의 일면의 형상에 대응하는 형상을 갖도록 자기조립(self assembly) 될 수 있다. 이와 동일하게, 상기 전해질 혼합용액(120)의 상기 베이스 전해질(100)의 적어도 일부가 상기 양극(300) 및/또는 상기 음극(400)으로 흡수되어 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막(150)이 형성되는 과정에서, 상기 분리막(400)의 일면과 접촉하는 상기 제2 전해질 면(150b)은, 상기 분리막(400)의 일면의 형상에 대응하는 형상을 갖도록 자기조립 될 수 있다. The self-assembled
상기 양극(150)의 표면 거칠기(surface roughness)는, 상기 분리막(400)의 표면 거칠기보다 클 수 있다. 이에 따라, 상기 양극(150)의 일면의 형상에 대응하는 형상으로 자기조립되어 형성된 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막(150)의 상기 제1 전해질 면(150a)의 표면 거칠기는, 상기 분리막(400)의 일면의 형상에 대응하는 형상으로 자기조립되어 형성된 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막(150)의 상기 제2 전해질 면(150b)의 표면 거칠기보다 클 수 있다.The surface roughness of the
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막(150)의 상기 제1 전해질면(150a)에 접촉하는 상기 양극(300)의 일면이 볼록부(300V)를 갖는 경우, 상기 제1 전해질 면(150a)은, 상기 양극(300)의 상기 일면의 상기 볼록부(300V)에 대응하는 오목부(150C)를 갖도록 자기조립 될 수 있다. 또한, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막(150)의 상기 제1 전해질 면(150a)에 접촉하는 상기 양극(300)의 일면이 오목부(300C)를 갖는 경우, 상기 제1 전해질 면(150a)은, 상기 양극(300)의 상기 일면의 오목부(300C)에 대응하는 볼록부(150V)를 갖도록 자기조립 될 수 있다.5, when one surface of the
상술된 바와 같이, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막(150)이, 상기 양극(300)의 상기 일면 및 상기 분리막(400)의 상기 일면의 형상에 대응하는 형상으로 자기조립되어, 상기 양극(300)의 일면과 상기 제1 전해질 면(150a)의 접촉 면적 및 상기 분리막(400)의 일면과 상기 제2 전해질 면(150b)의 접촉 면적이 증가될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 리튬 황 전지 내의 이온전도성 및 전기전도성이 향상될 수 있다.The self-assembled
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 양극으로부터 황(sulfur)이 용출되는 것을 억제하기 위해, 황(sulfur)을 흡착하는 성질의 물질로 형성된 다공성 탄소막을 전해질 내에 삽입하여 리튬 황 전지를 제조하는 경우, 상기 다공성 탄소막의 제조를 위해, 진공펌프를 이용한 필터링(filtering), 파일링 오프(peeling off), 및 건조(drying) 등의 복잡한 제조 공정이 요구되므로, 공정시간 및 공정비용이 증가하여, 대량 생산에 한계가 존재한다. 또한, 상기 전해질 내로 삽입되는 상기 다공성 탄소막은, 상기 양극 및 분리막과 구조적으로 불완전하게 통합되므로, 상기 다공성 탄소막과 상기 양극 및 상기 분리막의 접촉면적이 좁아 전지 내의 이온전도성 및 전기전도성 특성이 좋지 않다. 뿐만 아니라, 상기 다공성 탄소막은, 상기 양극으로부터 용출되는 황(S)을 억제하는데 한계가 존재하여, 용량 및 수명 특성이 좋지 않다.Unlike the embodiment of the present invention described above, in order to suppress the elution of sulfur from the anode, when a lithium carbon battery is manufactured by inserting a porous carbon film formed of a substance capable of adsorbing sulfur into the electrolyte A complicated manufacturing process such as filtering, peeling off, and drying using a vacuum pump is required for manufacturing the porous carbon film, so that the process time and process cost are increased, and mass production There is a limit to In addition, since the porous carbon membrane inserted into the electrolyte is structurally incompletely integrated with the anode and the separator, the contact area between the porous carbon membrane and the anode and the separator is narrow, so that the ion conductivity and electrical conductivity in the cell are poor. In addition, the porous carbon film has a limitation in suppressing sulfur (S) eluted from the anode, and the capacity and life characteristics are poor.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 탄소 재료(200)를 포함하는 상기 전해질 혼합용액(120)을 제조하고, 상기 전해질 혼합용액(120)을 상기 전지구조체(600)의 상기 양극(300) 및 분리막(400) 사이에 주입하여, 상기 탄소 재료(200)를 포함하는 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막(150)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막(150)을 포함하는 리튬 황 전지의 공정 시간 및 공정 비용이 감소될 수 있다.However, as described above, according to the embodiment of the present invention, the
또한, 상기 전해질 혼합용액의 상기 베이스 전해질의 적어도 일부가 상기 전지구조체 내로 흡수되어, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막이 상기 양극의 일면 및 상기 분리막의 일면의 형상에 대응되는 형상으로 자기조립될 수 있다. 이에 따라, 상기 양극 및 상기 분리막과 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막의 접촉면적이 증가되어, 이온전도성 및 전기전도성이 향상된 리튬 황 전지 및 그 제조방법이 제공될 수 있다. Also, at least a part of the base electrolyte of the electrolyte mixture solution is absorbed into the battery structure, and the self-assembled carbon film containing the electrolyte may be self-assembled into a shape corresponding to the shape of one surface of the anode and one surface of the separator. have. Accordingly, a lithium selenium battery in which the contact area between the anode and the self-assembled carbon film containing the electrolyte and the electrolyte is increased to improve ionic conductivity and electrical conductivity, and a method of manufacturing the same can be provided.
뿐만 아니라, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막에 포함된 상기 탄소 재료로 인해, 상기 양극으로부터 용출되는 황(S)을 효율적으로 억제할 수 있고, 상기 탄소 재료의 전기적 특성으로 인해, 전지 내의 전기전도도가 향상될 수 있다. 이에 따라, 전지의 용량 및 수명 특성이 향상되어, 충방전 효율이 향상된 고신뢰성의 리튬 황 전지 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.In addition, due to the carbon material contained in the self-assembled carbon film containing the electrolyte, sulfur (S) eluted from the anode can be effectively suppressed, and the electrical conductivity of the battery Can be improved. Accordingly, the capacity and life characteristics of the battery are improved, and a highly reliable lithium-sulfur battery improved in charging and discharging efficiency and a manufacturing method thereof can be provided.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 리튬 황 전지에 대한 특성 평가 결과가 설명된다.Hereinafter, a characteristic evaluation result of the lithium sulfur battery manufactured according to the above-described embodiment of the present invention will be described.
실시 예에 따른 리튬 황 전지 제조Preparation of Lithium Sulfate Battery According to Examples
다이메톡시에탄(dimethoxyethane) 및 1,3-다이옥소레인(1,3-dioxolane)를 50ml의 바이알(vial)에 1:1의 비율로 첨가한 후, 교반(stirring)하여 혼합용매를 제조하였다. 제조된 상기 혼합용매에 1M의 LiTFSI(liyhium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 및 0.4M의 리튬나이트레이트(LiNO3)를 첨가한 후, 상온(25℃)에서 교반하여 베이스 전해질을 제조하였다. 상기 베이스 전해질 5mL에 0.25g의 다중벽 탄소 나노 튜브(MWCNT)를 첨가한 후, 아르곤 가스(Ar gas) 환경의 글러브 박스(glove box) 안에서 교반하여, 전해질 혼합용액을 제조하였다. Dimethoxyethane and 1,3-dioxolane were added to a 50 ml vial at a ratio of 1: 1, followed by stirring to prepare a mixed solvent . 1 M LiTFSI (trifluoromethanesulfonyl) imide) and 0.4 M lithium nitrate (LiNO 3 ) were added to the prepared mixed solvent, followed by stirring at room temperature (25 캜) to prepare a base electrolyte. 0.25 g of multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) was added to 5 mL of the base electrolyte and stirred in a glove box of an argon gas environment to prepare an electrolyte mixed solution.
황(sulfur), 탄소 도전제, 및 플루오르화 폴리비닐리덴(PVDF)을 8:1:1의 비율로, N-메틸-2-피롤리돈(N-methly-2-pyrrolidone) 용매에 혼합하여 슬러리 형태의 집전체를 제조하였다. 상기 슬러리 형태의 집전체를 알루미늄 호일(aluminum foil)에 100㎛의 두께로 코팅한 후, 50℃의 진공오븐(vaccum oven)에서 24시간 동안 건조시켜, 잔존 용매를 제거하여 양극을 제조하였다.Sulfur, a carbon conductive agent, and fluorinated polyvinylidene (PVDF) in a ratio of 8: 1: 1 to a solvent of N-methyl-2-pyrrolidone A slurry type current collector was produced. The current collector in the form of a slurry was coated on an aluminum foil to a thickness of 100 mu m and dried in a vacuum oven at 50 DEG C for 24 hours to remove the remaining solvent to prepare a positive electrode.
황(sulfur)의 함유량이 3mg/cm2인 상기 양극, 폴리프로필렌(polypropylene)을 포함하는 다공성의 분리막, 및 리튬(Li) 호일을 포함하는 음극을 이용하여 전지구조체를 제조하였다. 상기 전지구조체의 상기 양극 및 상기 분리막 사이에, 제조된 상기 전해질 혼합용액을 주입한 후, 건조시켜 본 발명의 실시 예에 따른 전해질을 함유한 자가조립탄소막, 즉, MWCNT-자가조립탄소막이 형성된 리튬 황 전지를 제조하였다. 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 형성된 리튬 황 전지의 전지 사이클은, 1.9V 내지 2.8V 전압범위 내에서 0.5C의 일정한 current rate로 반복 진행되었다.A battery structure was manufactured using the above anode having a sulfur content of 3 mg / cm 2 , a porous separator containing polypropylene, and a negative electrode including a lithium foil. The prepared electrolyte solution mixture was injected between the anode and the separator of the cell structure, and then dried to form a self-assembled carbon film containing the electrolyte according to an embodiment of the present invention, that is, a lithium battery having an MWCNT- A sulfur battery was prepared. The battery cycle of the lithium sulfur battery in which the MWCNT-self-assembled carbon film was formed was repeated at a constant current rate of 0.5 C within a voltage range of 1.9 V to 2.8 V.
비교 예에 따른 리튬 황 전지 제조Preparation of Lithium Sulfate Battery According to Comparative Example
물(water) 용매에 다중벽 탄소 나노 튜브(MWCNT)를 첨가하여, 진공펌프를 이용한 필터링(filtering), 파일링 오프(peeling off), 및 건조(drying) 공정 처리하여, 전해질을 포함하지 않는 탄소 재료를 포함하는 막, 즉, bare MWCNT막을 제조하였다. The multiwalled carbon nanotube (MWCNT) is added to a water solvent and subjected to a filtering, peeling off and drying process using a vacuum pump to obtain a carbon material containing no electrolyte That is, a bare MWCNT film.
상술된 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 양극 및 상기 분리막 사이에 상기 베이스 전해질을 액상 상태로 주입한 후, 상기 액상 상태의 전해질 내에 상기 bare MWCNT를 삽입하여, 상기 bare MWCNT막이 형성된 리튬 황 전지를 제조하였다. 상기 bare MWCNT막을 포함하는 리튬 황 전지의 전지 사이클은, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 황 전지와 마찬가지로, 1.9V 내지 2.8V 전압범위 내에서 0.5C의 일정한 current rate로 반복 진행되었다.The bare MWCNT is inserted into the electrolyte in the liquid phase state after the base electrolyte is injected in a liquid state between the anode and the separator manufactured according to the embodiment of the present invention, . The battery cycle of the lithium-sulfur battery including the bare MWCNT film was repeated at a constant current rate of 0.5 C within the voltage range of 1.9 V to 2.8 V, like the lithium-sulfur battery according to the embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 리튬 황 전지에 포함된 bare MWCNT 막 및 MWCNT-자가조립탄소막의 표면 및 측면의 SEM 이미지들이다. 구체적으로, 도 6의 (a)는 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따른 bare MWCNT막의 표면 및 측면의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지이고, 도 6의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 MWCNT-자가조립탄소막의 표면 및 측면의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지이다.6 is SEM images of the surface and side surfaces of the bare MWCNT film and the MWCNT-self-assembled carbon film included in the lithium sulfur battery according to Examples and Comparative Examples of the present invention. 6 (a) is an SEM (Scanning Electron Microscope) image of a surface and a side surface of a bare MWCNT film according to a comparative example of the embodiment of the present invention, and FIG. 6 (b) SEM (Scanning Electron Microscope) images of the surface and side surfaces of the MWCNT self-assembled carbon film.
도 6을 참조하면, SEM(Scanning Electron Microscope) 기기를 이용하여, 상술된 실시 예 및 비교 예에 따른 리튬 황 전지의 충방전 사이클을 수행한 후, 실시 예 및 비교 예에 따른 리튬 황전지에 포함된 상기 MWCNT-자가조립탄소막 및 상기 bare MWCNT막의 표면 및 측면의 상세 이미지를 측정하였다.6, a lithium-sulfur battery according to the above-described Examples and Comparative Examples was subjected to a charge-discharge cycle using an SEM (Scanning Electron Microscope) The detailed images of the surface and side of the MWCNT-self-assembled carbon film and the bare MWCNT film were measured.
도 6의 (a) 및 도 6의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 양극의 표면을 MWCNT가 완전히 덮고 있는 것을 확인하였다.6 (a) and 6 (b), it was confirmed that the surface of the anode was completely covered with the MWCNT.
또한, 도 6의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 bare MWCNT막의 표면에서는 크랙(cracks)을 확인하였고, 상기 bare MWCNT막의 측면에서는 상기 bare MWCNT막이 상기 양극과 불완전하게 통합되어 있는 것을 확인하였다. 이는, 상기 bare MWCNT막은, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 MWCNT-자가조립탄소막과 달리, 전지 조립 시, 본연의 형상을 갖는 별개의 한 구성요소로써, 전지의 다른 구성요소와의 구조적 순응성(flexibility)이 낮아 나타난 결과로 판단된다.6 (a), cracks were observed on the surface of the bare MWCNT film, and on the side of the bare MWCNT film, the bare MWCNT film was incompletely integrated with the cathode. This bare MWCNT film is different from the MWCNT self-assembled carbon film according to the embodiment of the present invention in that it is a separate component having the original shape in assembling the battery, ) Is low.
반면, 도 6의 (b)에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 MWCNT-자가조립탄소막의 표면에서는 크랙이 존재하지 않고, 전체적으로 타이트한 표면 구조를 갖고 있는 것을 확인하였다. 상기 MWCNT-자가조립탄소막의 측면에서는 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 상기 양극과 완전하게 통합되어 있는 것을 확인하였다. 이는, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 MWCNT-자가조립탄소막은 상기 양극 및 상기 분리막 사이에서 자기조립되어 형성되므로, 상기 양극과의 구조적 순응성(flexibility)이 높아 나타난 결과로 판단된다. 상기 양극과 상기 MWCNT-자가조립탄소막의 타이트하게 통합된 구조는, 상기 양극으로부터 용출되는 황(S)을 효율적으로 억제할 수 있고, 전자이동경로(electron transfer path)를 효율적으로 제공할 수 있다.On the other hand, as can be seen from FIG. 6 (b), it was confirmed that the surface of the MWCNT self-assembled carbon film according to the embodiment of the present invention had no cracks and had a totally tight surface structure. On the side of the MWCNT-self-assembled carbon film, it was confirmed that the MWCNT-self-assembled carbon film was completely integrated with the anode. This is because the MWCNT-self-assembled carbon film according to the embodiment of the present invention is self-assembled between the anode and the separator, so that the structural flexibility with the anode is high. The tightly integrated structure of the anode and the MWCNT-self-assembled carbon film can effectively suppress sulfur (S) eluted from the anode and efficiently provide an electron transfer path.
도 7은 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예 및 실시 예에 따른 리튬 황 전지에 포함된 bare MWCNT 막 및 MWCNT-자가조립탄소막의 FIB-SEM 이미지들이다. 구체적으로, 도 7의 (a)는 비교 예에 따른 리튬 황전지에 포함된 상기 bare MWCNT막의 FIB-SEM 이미지이고, 도 7의 (b)는 실시 예에 따른 리튬 황전지에 포함된 상기 MWCNT-자가조립탄소막의 FIB-SEM 이미지이다.7 is FIB-SEM images of the bare MWCNT film and the MWCNT self-assembled carbon film included in the lithium sulfur battery according to the comparative example and the embodiment of the present invention. 7 (a) is an FIB-SEM image of the bare MWCNT film included in the lithium selenium battery according to the comparative example, and FIG. 7 (b) is a FIB-SEM image of the MWCNT- FIB-SEM image of self-assembled carbon film.
도 7을 참조하면, FIB-SEM(Focused Ion Beam Scanning Electron Microscope) 기기를 이용하여, 상술된 실시 예 및 비교 예에 따른 리튬 황 전지의 충방전 사이클을 수행한 후, 실시 예 및 비교 예에 따른 리튬 황전지에 포함된 상기 MWCNT-자가조립탄소막 및 상기 bare MWCNT막의 양극의 일면에 대응하는 방향에서의 단면 이미지를 측정하였다.7, a charge / discharge cycle of the lithium-sulfur battery according to the above-described Examples and Comparative Examples was carried out using a FIB-SEM (Focused Ion Beam Scanning Electron Microscope) The cross-sectional images of the MWCNT-self-assembled carbon film included in the lithium sulfur battery and the bare MWCNT film in the direction corresponding to one surface of the anode were measured.
도 7의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 bare MWCNT막의 단면에서는 다량의 사이즈가 큰 pore와 크랙(cracks)을 확인하였다. 상기 bare MWCNT막의 단면에 존재하는 사이즈가 큰 상기 pore 와 크랙으로 인해, 상기 bare MWCNT막은 상기 양극으로부터 용출되는 황(S)을 효율적으로 억제할 수 없는 구조로 판단되었다.As shown in FIG. 7 (a), a large amount of pores and cracks were observed on the cross section of the bare MWCNT film. The bare MWCNT film was judged to have a structure in which sulfur (S) eluted from the anode could not be efficiently suppressed due to the pores and cracks having a large size existing in the cross section of the bare MWCNT film.
반면, 도 7의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 MWCNT-자가조립탄소막의 단면은, 상기 bare MWCNT막 대비 상대적으로 타이트한 구조이고, 미세한 사이즈의 pore가 존재하는 것을 확인하였다. 상기 MWCNT-자가조립탄소막의 단면에 존재하는 미세한 사이즈의 상기 pore는 전자이동경로(electron transfer path)를 효율적으로 제공할 수 있고, 상기 양극으로부터 용출되는 황(S)을 효율적으로 억제할 수 있다.On the other hand, as can be seen from FIG. 7 (b), the cross-section of the MWCNT-self-assembled carbon film was relatively tight compared to the bare MWCNT film and confirmed that fine pores existed. The fine pore in the cross section of the MWCNT-self-assembled carbon film can effectively provide an electron transfer path and effectively suppress sulfur (S) eluted from the anode.
도 8은 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 리튬 황 전지에 포함된 bare MWCNT 막 및 MWCNT-자가조립탄소막 내의 MWCNT에 대한 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지 및 EELS(electron energy loss spectroscopy) 이미지들이다. 구체적으로, 도 8의 (a) 및 도 8의 (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 상기 MWCNT-자가조립탄소막 내의 MWCNT에 대한 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지 및 EELS(electron energy loss spectroscopy) 이미지이다. 도 8의 (b) 및 도 8의 (d)는 본 발명의 비교 예에 따른 상기 bare MWCNT막 내의 MWCNT의 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지 및 EELS(electron energy loss spectroscopy) 이미지이다.FIG. 8 is a TEM (Transmission Electron Microscope) image and electron energy loss spectroscopy (EELS) images of a bare MWCNT film and a MWCNT-self-assembled carbon film included in a lithium sulfur battery according to Examples and Comparative Examples of the present invention. 8 (a) and 8 (c) illustrate TEM (Transmission Electron Microscope) images and electron energy loss spectroscopy (EELS) images of MWCNTs in the MWCNT self-assembled carbon film according to an embodiment of the present invention. to be. 8B and 8D are TEM (Transmission Electron Microscope) images and EELS (electron energy loss spectroscopy) images of the MWCNTs in the bare MWCNT film according to the comparative example of the present invention.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 MWCNT-자가조립탄소막을 포함하는 리튬 황 전지 및 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따라 제조된 상기 bare MWCNT막을 포함하는 리튬 황 전지에 대해 100cycles(1.9~2.8V, 0.5C)의 충방전을 수행한 뒤, 상기 MWCNT-자가조립탄소막을 포함하는 리튬 황 전지 및 상기 bare MWCNT막을 포함하는 리튬 황 전지로부터 상기 MWCNT-자가조립탄소막 및 상기 bare MWCNT막을 분리하여, TEM(Transmission Electron Microscope) 및 EELS(electron energy loss spectroscopy) 이미지를 측정하였다.8, a lithium sulfur battery including the MWCNT self-assembled carbon film manufactured according to an embodiment of the present invention, and a lithium sulfur battery including the bare MWCNT membrane manufactured according to the comparative example of the present invention, (1.9 to 2.8 V, 0.5 C) to the MWCNT-self-assembled carbon film and the lithium selenium battery including the bare MWCNT film and the MWCNT-self-assembled carbon film, The bare MWCNT films were separated and TEM (Transmission Electron Microscope) and EELS (electron energy loss spectroscopy) images were measured.
도 8의 (a) 및 도 8의 (c)에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 MWCNT-자가조립탄소막의 MWCNT의 경우, 상기 양극으로부터 용출된 황(S)을 흡착했음에도 불구하고, 상기 MWCNT의 표면은 매끄러운 것을 확인하였다.8 (a) and 8 (c), in the case of the MWCNT of the MWCNT self-assembling carbon film manufactured according to the embodiment of the present invention, even though sulfur (S) eluted from the anode was adsorbed Nevertheless, the surface of the MWCNT was found to be smooth.
도 8의 (b) 및 도 8의 (d)에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따라 제조된 상기 bare MWCNT막의 MWCNT의 경우, 상기 양극으로부터 용출된 황(S)이 상기 MWCNT 표면에 울퉁불퉁한 형태로 흡착된 것을 확인하였다.8 (b) and 8 (d), in the case of the MWCNT of the bare MWCNT film prepared according to the comparative example of the embodiment of the present invention, sulfur (S) It was confirmed that the adsorbed on the surface of MWCNT was rugged.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따라 제조된 상기 bare MWCNT막의 경우보다, 전지의 사이클 수행 시, 전지의 용량 및 수명 특성이 우수하게 유지되는 것을 알 수 있었다.Thus, the MWCNT self-assembled carbon film manufactured according to the embodiment of the present invention is superior to the bare MWCNT film manufactured according to the comparative example of the present invention, And the characteristics were maintained excellent.
도 9는 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 MWCNT-자가조립탄소막 및 bare MWCNT막을 포함하는 리튬 황 전지의 current rate별 전압(voltage)에 따른 비용량(specific capacity) 그래프이다. 구체적으로, 도 9의 (a)는 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따라 제조된 상기 bare MWCNT막의 current rate별 전압(voltage)에 따른 비용량(specific capacity) 그래프이고, 도 9의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 MWCNT-자가조립탄소막의 current rate별 전압(voltage)에 따른 비용량(specific capacity) 그래프이다.FIG. 9 is a specific capacity graph of a lithium selenium battery including the MWCNT self-assembled carbon film and the bare MWCNT film manufactured according to the embodiment of the present invention and the comparative example according to the voltage according to the current rate. 9 (a) is a graph showing a specific capacity according to a voltage according to a current rate of the bare MWCNT film manufactured according to the comparative example of the embodiment of the present invention, and FIG. 9 (b) Is a specific capacity graph according to the voltage of the MWCNT-self-assembled carbon film manufactured according to the embodiment of the present invention, according to the current rate.
도 9을 참조하면, 본 발명의 실시 예 및 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따라 제조된 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 형성된 리튬 황 전지 및 상기 bare MWCNT막이 형성된 리튬 황 전지에 대해, current rate(0.1C, 0.2C, 0.5C)를 달리하여 100cycles의 충방전을 수행한 후, 전압(voltage)에 따른 비용량(specific capacity)을 측정하였다.Referring to FIG. 9, for the lithium sulfur battery having the MWCNT self-assembling carbon film formed according to the embodiment of the present invention and the comparative example according to the embodiment of the present invention and the lithium sulfur battery having the bare MWCNT film formed, (0.1C, 0.2C, and 0.5C), 100 cycles were charged and discharged, and specific capacity according to the voltage was measured.
도 9의 (a) 및 도 9의 (b)에서 알 수 있듯이, current rate를 0.5C로 하여, 100cycles의 충방전을 수행한 경우가 current rate를 0.1C 및 0.2C로 하여 100cycles의 충방전을 수행한 경우보다 전압에 따른 비용량 변화값이 큰 것을 확인하였다. 동일한 전압에서 current rate가 0.5C일 때의 상기 bare MWCNT막이 형성된 리튬 황 전지의 최초 비용량 값은 783mAh g-1, current rate가 0.5일 때의 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 형성된 리튬 황 전지의 전압에 따른 최초 비용량 값은 851mAh g-1으로, 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 형성된 리튬 황 전지의 전압에 따른 최초 비용량 값이 상기 bare MWCNT막이 형성된 리튬 황 전지의 최초 비용량 값보다 큰 것을 확인하였다.As can be seen from Figures 9 (a) and 9 (b), when the current rate is 0.5 C and 100 cycles are charged / discharged, the current rate is 0.1 C and 0.2 C, It was confirmed that the non-capacitance change value according to the voltage was larger than that in the case where the voltage was applied. The initial specific capacity value of the lithium sulfur battery in which the bare MWCNT film formed at the same voltage and current rate is 0.5 C is 783 mAh g -1 and the current rate is 0.5, the voltage of the lithium sulfur battery in which the MWCNT- Was 851 mAh g < -1 & gt ;. It was confirmed that the initial specific capacity value according to the voltage of the lithium sulfur battery in which the MWCNT-self-assembled carbon film was formed was larger than the initial specific capacity value of the lithium sulfur battery in which the bare MWCNT film was formed Respectively.
도 9의 (a) 및 도 9의 (b)에 도시되지 않았으나, 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 형성된 리튬 황 전지 및 상기 bare MWCNT막이 형성된 리튬 황 전지에 대하여 100cycles의 충방전을 수행한 후, 전류밀도(0.1A g-1 내지 3A g-1)를 달리하여 비용량 값을 측정하였다. 상기 도 9의 (a) 및 도 9의 (b)를 참조하여 설명된 것과 유사하게, 상대적으로 낮은 전류밀도인 0.1A g-1(current rate으로 환산 시, 대략 0.06C)인 경우에는, 전류밀도에 따른 비용량 값이 큰 차이가 없는 것을 확인하였다. 반면, 상대적으로 높은 전류밀도인 3A g-1인 경우에는 전류밀도가 0.1A g-1인 경우보다 비용량 값이 2.4배 높은 것을 확인하였다. 이는, 도 6을 참조하여 설명된 것과 같이, 본 발명에 따라 제조된 상기 MWCNT-자가조립탄소막의 크랙(cracks) 없는 타이트한 구조와 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 상기 양극과 완전하게 통합되어 있는 구조로 인해, 구조적으로 전지 내에서 전자이동경로(electron transfer path)를 효율적으로 제공하여 나타난 결과로 판단된다.Although not shown in FIGS. 9A and 9B, the lithium selenium battery having the MWCNT-self-assembled carbon film formed thereon and the lithium selenium battery having the bare MWCNT film formed therein are subjected to charge and discharge of 100 cycles, The specific capacity was measured by varying the density (0.1 A g -1 to 3 A g -1 ). Similarly to the case described with reference to FIGS. 9A and 9B, in the case of a relatively low current density of 0.1 A g -1 (approximately 0.06 C in terms of current rate) It was confirmed that there was no large difference in the specific capacity value according to the density. On the other hand, in the case of 3A g -1 , which is a relatively high current density, it was confirmed that the specific capacity was 2.4 times higher than that in the case of the current density of 0.1 A g -1 . This is because, as described with reference to FIG. 6, the structure of the MWCNT-self-assembled carbon film manufactured according to the present invention is not cracks-tight and the MWCNT-self-assembled carbon film is completely integrated with the anode Therefore, it is judged that the electron transfer path is structurally provided in the cell efficiently.
도 10은 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 리튬 황 전지의 전지 사이클 수(cycle number) 증가에 따른 비용량(specific capacity) 그래프이다.FIG. 10 is a graph of specific capacity according to an increase in the cycle number of the lithium-sulfur battery manufactured according to the embodiment of the present invention and the comparative example.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시 예 및 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따라 제조된 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 형성된 리튬 황 전지 및 상기 bare MWCNT막이 형성된 리튬 황 전지와 상기 MWCNT-자가조립탄소막 및 상기 bare MWCNT막이 형성되지 않은 본래의 리튬 황 전지(양극/전해질/분리막/음극)에 대해, current rate가 0.5C인 경우, 전지 사이클 수 증가에 따른 비용량 값을 측정하였다.Referring to FIG. 10, the lithium sulfur battery having the MWCNT-self-assembling carbon film formed according to the embodiment of the present invention and the comparative example according to the embodiment of the present invention and the lithium sulfur battery in which the bare MWCNT film is formed and the MWCNT- For the original carbonaceous membrane and the original lithium-sulfur battery (anode / electrolyte / separator / cathode) in which the bare MWCNT film was not formed, the specific capacity with increasing battery cycle was measured when the current rate was 0.5C.
도 10에서 알 수 있듯이, 상기 본래의 리튬 황 전지의 비용량 값이 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 형성된 리튬 황 전지 및 상기 bare MWCNT막이 형성된 리튬 황 전지보다 현저하게 낮은 것을 확인하였다. 이로부터, 상기 양극으로부터 용출되는 황(S)을 억제하기 위한 구조가 구비되지 않은 경우, 전지의 성능이 좋지 않은 것을 확인하였다.As can be seen from FIG. 10, it was confirmed that the specific capacity value of the original lithium-sulfur battery was significantly lower than that of the lithium sulfur battery in which the MWCNT-self-assembling carbon film was formed and the bare MWCNT film. From this, it was confirmed that the performance of the battery was poor when the structure for suppressing the sulfur (S) eluted from the anode was not provided.
반면, 본 발명의 실시 예 및 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따라 제조된 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 형성된 리튬 황 전지 및 상기 bare MWCNT막이 형성된 리튬 황 전지의 경우, 상기 본래의 리튬 황 전지보다 전지 사이클 수 증가에 따른 비용량 값이 월등히 높은 것을 확인하였다. 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 형성된 리튬 황 전지의 비용량 값은 상기 bare MWCNT막이 형성된 리튬 황 전지의 비용량 값보다 22% 큰 것을 확인하였다.On the other hand, in the case of the lithium sulfur battery in which the MWCNT self-assembling carbon film was formed and the lithium selenium battery in which the bare MWCNT film was formed according to the examples of the present invention and the comparative examples of the present invention, It was confirmed that the non-capacity value was much higher as the battery cycle number increased. The non-capacity value of the lithium-sulfur battery in which the MWCNT-self-assembled carbon film was formed was found to be 22% larger than that of the lithium-sulfur battery in which the bare MWCNT film was formed.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 리튬 황 전지의 MWCNT-자가조립탄소막에 포함된 MWCNT 양이 다른 경우, 전지 사이클 수 증가에 따른 비용량 값을 나타낸 그래프이다.FIG. 11 is a graph showing a specific capacity value according to an increase in the number of battery cycles when the amount of MWCNT contained in the MWCNT-self-assembled carbon film of the lithium sulfur battery manufactured according to the embodiment of the present invention is different.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 형성된 리튬 황 전지를 제조하되, 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 포함하는 MWCNT 양(0mg, 2mg, 3mg, 및 4mg)을 달리하여 제조하였다. 포함된 MWCNT양이 다른 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 형성된 리튬 황 전지에 대해, current rate가 0.5C인 경우, 전지 사이클 수 증가에 따른 비용량 값을 측정하였다.Referring to FIG. 11, a lithium sulfur battery having the MWCNT-self-assembled carbon film was prepared according to an embodiment of the present invention. The amount of MWCNT (0 mg, 2 mg, 3 mg, and 4 mg) . For the lithium-sulfur battery in which the MWCNT-self-assembled carbon film was formed with different amounts of MWCNTs contained therein, the non-capacity value with increasing battery cycles was measured when the current rate was 0.5C.
도 11에서 알 수 있듯이, 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 포함하는 MWCNT 양이 3mg 및 4mg인 경우, 초기 비용량 값은 약 900mAh g-1이고, 전지에 대하여 100cycles의 충방전을 수행한 후에도 비용량 값이750mAh g-1이상으로, 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 포함하는 MWCNT 양이 1mg 및 2mg인 경우보다 비용량 특성이 월등히 우수한 것을 알 수 있었다. 이로부터, 본 발명에 따른 상기 MWCNT-자가조립탄소막 제조 시, 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 3 내지 4mg의 탄소 재료(carbon material)을 포함하도록 제조하면, 상기 MWCNT-자가조립탄소막이 포함된 리튬 황 전지의 성능을 최적화시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.11, when the amount of MWCNT contained in the MWCNT-self-assembled carbon film is 3 mg and 4 mg, the initial specific capacity value is about 900 mAh g -1 , and even after 100 cycles of charging / Value of 750 mAh g < -1 > or more, and the MWCNT content of the MWCNT-self-assembled carbon film was 1 mg and 2 mg, respectively. Thus, when the MWCNT-self-assembled carbon film is manufactured to contain 3 to 4 mg of carbon material in the production of the MWCNT-self-assembled carbon film according to the present invention, the lithium sulfur It was found that the performance of the battery can be optimized.
도 11의 결과로부터, 본 발명에 따른 상기 자가조립탄소막은 황 3mg에서 3~4mg의 상기 탄소재료를 포함시켜, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 황 전지를 제조하는 경우, 리튬 황 전지의 전지 성능을 최적화 할 수 있다는 것을 알 수 있었다.11, when the self-assembled carbon film according to the present invention contains 3 to 4 mg of the carbon material at 3 mg of sulfur and thus produces a lithium sulfur battery according to an embodiment of the present invention, the battery performance Can be optimized.
이와 같이, 전지구조체 내에 탄소 재료(carbon material)를 포함하는 전해질을 함유한 자가조립탄소막을 형성시켜, 리튬 황 전지를 제조할 수 있다. 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막은, 교반(stirring) 및 건조(drying) 등의 간소화된 공정을 통해 제조되어, 공정 시간 및 공정비용이 감소될 수 있다. 또한, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막은, 상기 양극 및 상기 분리막 사이에서 자기조립하여 형성되므로, 상기 양극 및 상기 분리막과 밀접하게 접촉되어 있는 구조를 갖기 때문에, 이온전도성 및 전기전도성이 향상된 리튬 황 전지가 제공될 수 있다.Thus, a lithium-sulfur battery can be manufactured by forming a self-assembled carbon film containing an electrolyte containing a carbon material in a battery structure. The self-assembled carbon film containing the electrolyte can be produced through a simplified process such as stirring and drying, so that process time and process cost can be reduced. Since the self-assembled carbon film containing the electrolyte is formed by self-assembling between the anode and the separator, it has a structure in which the anode and the separator are in intimate contact with each other. Therefore, lithium ions having improved ionic conductivity and electric conductivity A battery may be provided.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will also be appreciated that many modifications and variations will be apparent to those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
100: 베이스 전해질
120: 전해질 혼합용액
150: 전해질을 함유한 자가조립탄소막
150a: 제1 전해질 면
150b: 제2 전해질 면
150c,300c: 오목부
150v,300v: 볼록부
200: 탄소 재료
205: 탄소 나노 튜브
400: 음극
500: 분리막
600: 전지구조체100: Base electrolyte
120: electrolyte mixture solution
150: self-assembled carbon film containing electrolyte
150a: first electrolyte side
150b: the second electrolyte side
150c and 300c:
150v, 300v: convex portion
200: carbon material
205: Carbon nanotubes
400: cathode
500: membrane
600: battery structure
Claims (14)
상기 베이스 전해질 및 탄소 재료(carbon material)를 기계적 혼합(mechanical mixing)하여 전해질 혼합용액(electrolyte mixture)을 제조하는 단계; 및
상기 전해질 혼합용액을 전지구조체(battery structure)에 주입하는 단계를 포함하되,
상기 전해질 혼합용액이 상기 전지구조체에 주입된 후,
상기 전해질 혼합용액 내의 상기 베이스 전해질의 적어도 일부가 상기 전지 구조체로 흡수되어, 잔존하는 상기 탄소 재료 및 상기 베이스 전해질을 포함하는 전해질을 함유한 자가조립탄소막(self-assembly carbon layer)이 형성되는 것을 포함하는 리튬 황 전지의 제조 방법.
Preparing a base electrolyte;
Preparing an electrolyte mixture by mechanically mixing the base electrolyte and the carbon material; And
And injecting the electrolyte mixture solution into a battery structure,
After the electrolyte mixture solution is injected into the cell structure,
At least a portion of the base electrolyte in the electrolyte mixture solution is absorbed into the cell structure to form a self-assembly carbon layer containing the remaining carbon material and the electrolyte including the base electrolyte Gt; < tb >< / TABLE >
상기 베이스 전해질 및 상기 탄소 재료를 기계적 혼합하는 것은,
상기 베이스 전해질 및 상기 탄소 재료를 교반(stirring)하는 것을 포함하는 리튬 황 전지의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The mechanical mixing of the base electrolyte and the carbon material,
And stirring the base electrolyte and the carbon material.
상기 탄소 재료는, 1종 이상의 탄소 동소체(carbon allotrope)를 포함하는 리튬 황 전지의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon material comprises at least one kind of carbon allotrope.
상기 전지구조체는, 차례로 적층된 양극(cathode), 분리막(separator), 및 음극(anode)을 포함하는 리튬 황 전지의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the battery structure comprises a cathode, a separator, and an anode which are sequentially stacked.
상기 전해질 혼합용액을 전지구조체에 주입하는 단계는,
상기 전해질 혼합용액이 상기 양극 및 상기 분리막 사이에 주입되는 것을 포함하는 리튬 황 전지의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The step of injecting the electrolyte mixed solution into the cell structure comprises:
Wherein the electrolyte mixture solution is injected between the anode and the separator.
상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막은, 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막과 접촉하는 상기 양극의 일면 및 상기 분리막의 일면의 형상에 대응되는 형상으로 자기조립(self-assembly)하는 것을 포함하는 리튬 황 전지의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the self-assembled carbon film containing the electrolyte is formed by self-assembling a surface of the anode in contact with the self-assembled carbon film containing the electrolyte and a shape corresponding to the shape of one surface of the separator, Gt;
상기 양극 상에 배치되고, 상기 양극의 일면의 형상에 대응하는 형상을 갖고, 전해질을 함유한 자가조립탄소막(self-assembly carbon layer);
상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막 상의 분리막(separator); 및
상기 분리막 상의 리튬(Li)을 포함하는 음극(anode)를 포함하되,
상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막은, 상기 양극의 일면과 접촉하고, 상기 양극의 상기 일면의 형상에 대응하는 제1 전해질 면(first electolyte surface), 및 상기 분리막의 일면과 접촉하고, 상기 분리막의 상기 일면의 형상에 대응하는 제2 전해질 면(second electrolyte surface)을 포함하고,
상기 양극의 상기 일면이 볼록부를 갖는 경우, 상기 제1 전해질 면은 상기 양극의 상기 일면의 볼록부에 대응하는 오목부를 갖고,
상기 양극의 상기 일면이 오목부를 갖는 경우, 상기 제1 전해질 면은 상기 양극의 상기 일면의 오목부에 대응하는 볼록부를 갖는 것을 포함하는 리튬 황 전지.
A cathode comprising carbon (C) and sulfur (S);
A self-assembly carbon layer disposed on the anode, the self-assembly carbon layer having a shape corresponding to the shape of one surface of the anode and containing an electrolyte;
A separator on the self-assembled carbon film containing the electrolyte; And
And an anode including lithium (Li) on the separator,
Wherein the self-assembled carbon film containing the electrolyte has a first electolyte surface in contact with one surface of the anode and corresponding to the shape of the one surface of the anode, and a second electolyte surface in contact with one surface of the separator, And a second electrolyte surface corresponding to the shape of the one surface,
When the one surface of the anode has a convex portion, the first electrolyte surface has a concave portion corresponding to the convex portion of the one surface of the anode,
Wherein the first electrolyte surface has a convex portion corresponding to a concave portion of the one surface of the anode when the one surface of the anode has a concave portion.
상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막은, 1종 이상의 탄소 동소체(carbon allotrope)를 포함하는 리튬 황 전지.
9. The method of claim 8,
The self-assembled carbon film containing the electrolyte includes at least one carbon allotrope.
상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막은, 3 내지 4mg의 상기 탄소를 포함하는 것을 포함하는 리튬 황 전지.
9. The method of claim 8,
Wherein the self-assembled carbon film containing the electrolyte comprises 3 to 4 mg of the carbon.
상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막의 상기 제1 전해질 면의 표면 거칠기(surface roughness)가 상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막의 상기 제2 전해질 면의 표면 거칠기보다 큰 것을 포함하는 리튬 황 전지.
9. The method of claim 8,
Wherein the surface roughness of the first electrolyte surface of the self-assembled carbon film containing the electrolyte is larger than the surface roughness of the second electrolyte surface of the self-assembled carbon film containing the electrolyte.
상기 전해질을 함유한 자가조립탄소막의 상기 제1 전해질면 및 상기 제2 전해질면의 초기 형상은, 리튬 황 전지의 사이클이 증가해도 일정하게 유지되는 것을 포함하는 리튬 황 전지.9. The method of claim 8,
Wherein the initial shape of the first electrolyte surface and the second electrolyte surface of the self-assembled carbon film containing the electrolyte is kept constant even when the cycle of the lithium sulfur battery is increased.
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