KR101841278B1 - Lithium sulfur battery - Google Patents

Lithium sulfur battery Download PDF

Info

Publication number
KR101841278B1
KR101841278B1 KR1020110021886A KR20110021886A KR101841278B1 KR 101841278 B1 KR101841278 B1 KR 101841278B1 KR 1020110021886 A KR1020110021886 A KR 1020110021886A KR 20110021886 A KR20110021886 A KR 20110021886A KR 101841278 B1 KR101841278 B1 KR 101841278B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lithium
polymer
active material
filler
sulfur battery
Prior art date
Application number
KR1020110021886A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20120103378A (en
Inventor
선양국
스크로사티 브루노
하쏘운 유세프
정훈기
김정훈
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Priority to KR1020110021886A priority Critical patent/KR101841278B1/en
Publication of KR20120103378A publication Critical patent/KR20120103378A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101841278B1 publication Critical patent/KR101841278B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30PRESSES
    • B30BPRESSES IN GENERAL
    • B30B9/00Presses specially adapted for particular purposes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065Solid electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

리튬 설퍼 전지에 관한 것으로서, 이 리튬 설퍼 전지는 황-탄소 복합체 양극 활물질을 포함하는 양극 리튬 금속 음극 활물질을 포함하는 음극 및 리튬염, 고분자, 필러 및 Li2S를 포함하는 고체 전해질을 포함한다.The present invention relates to a lithium sulfur battery, which comprises a negative electrode comprising a positive electrode lithium metal negative electrode active material containing a sulfur-carbon composite positive electrode active material, and a solid electrolyte including a lithium salt, a polymer, a filler and Li 2 S.

Description

리튬 설퍼 전지{LITHIUM SULFUR BATTERY}Lithium Sulfur Battery {LITHIUM SULFUR BATTERY}

본 기재는 리튬 설퍼 전지에 관한 것이다.The present disclosure relates to a lithium sulfur battery.

최근 첨단 전자 산업의 발달로 전자장비의 소량화 및 경량화가 가능하게 됨에 따라 휴대용 전자 기기의 사용이 증대되고 있다. 이러한 휴대용 전자 기기의 전원으로 높은 에너지 밀도를 가진 전지의 필요성이 증대되어 리튬 이차 전지의 연구가 활발하게 진행되고 있다.Recently, with the development of advanced electronic industry, it has become possible to reduce the size and weight of electronic equipment, and the use of portable electronic devices is increasing. The need for a battery having a high energy density as a power source for such portable electronic devices has been increased, and research on lithium secondary batteries has been actively conducted.

이러한 리튬 이차 전지로는 리튬 이온 전지, 리튬-설퍼 전지, 리튬-공기 전지 등이 있다. 이러한 리튬 이차 전지에 대한 에너지 밀도 및 안전성 등을 향상시키기 위한 연구가 계속 요구되고 있다. 그 예로, 전이 삽입 화학(transition insertion chemisty)에서, 혁신적인 전환 시스템(innovative conversion system)에 대한 연구가 이루어지고 있으며, 그 중 하나가 리튬 설퍼 시스템이다. 리튬 설퍼 시스템은, 16Li+S8→8Li2S의 반응을 하는 시스템으로서, 종래 리튬 이온 전지(500Whkg-1)보다 매우 높은 에너지(2,500Whkg-1)를 얻을 수 있는 시스템이다. Examples of such lithium secondary batteries include a lithium ion battery, a lithium-sulfur battery, and a lithium-air battery. There is a continuing need for research to improve the energy density and safety of such lithium secondary batteries. For example, in transition-insertion chemistry, an innovative conversion system is being studied, one of which is the lithium sulfur system. The lithium sulfur system is a system for reacting 16Li + S 8 → 8Li 2 S, which is a system capable of obtaining much higher energy (2,500Whkg -1 ) than a conventional lithium ion battery (500Whkg -1 ).

그러나 리튬 설퍼 전지는, 양극에서 설퍼 해리로 인하여 사이클 수명이 제한적이고, 리튬 금속 음극 활물질의 반응성으로 인하여 안전성이 좋지 않고, 양극 활물질의 전기전도성이 좋지 않아, 율 특성이 좋지 않은 문제점이 있어, 실제 적용되지 못하고 있는 실정이다.However, the lithium sulfur battery has a problem that the cycle life is limited due to the sulfur dissociation at the anode, the safety is poor due to the reactivity of the lithium metal anode active material, the electric conductivity of the cathode active material is poor, It is not applicable.

본 발명의 일 구현예는 전지 성능이 우수한 리튬 설퍼 전지를 제공하는 것이다.One embodiment of the present invention is to provide a lithium sulfur battery having excellent battery performance.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 양극 활물질을 포함하는 양극 음극 활물질을 포함하는 음극 및 리튬염, 고분자, 필러 및 Li2S를 포함하는 고체 전해질을 포함하는 리튬 설퍼 전지를 제공한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a lithium sulfur battery including a negative electrode including a positive electrode active material including a positive electrode active material, and a solid electrolyte including a lithium salt, a polymer, a filler, and Li 2 S.

상기 고체 전해질에서, Li2S의 함량은 상기 고분자 100몰에 대하여 1 내지 10 몰일 수 있다. In the solid electrolyte, the content of Li 2 S may be 1 to 10 moles with respect to 100 moles of the polymer.

상기 고체 전해질은 리튬염, 고분자, 필러 및 Li2S를 핫-프레스하여 제조된 것일 수 있다. 상기 핫-프레스 공정은, 80℃ 내지 90℃에서, 0.2톤 내지 1톤의 압력으로 15분 내지 20 분간 1차 프레스한 후, 다시 80℃ 내지 90℃에서, 4톤 내지 5톤의 압력으로 60분 내지 90 분간 2차 프레스하는 공정으로 실시할 수 있다. The solid electrolyte is a lithium salt, polymer, filler, and Li 2 S hot-may be manufactured by a press. The hot-press process is a process in which the primary press is performed at a temperature of 80 to 90 DEG C at a pressure of 0.2 to 1 ton for 15 to 20 minutes and then at 80 to 90 DEG C for 60 to 60 ton at a pressure of 4 to 5 tons. Min to 90 min.

상기 고체 전해질은 상기 고분자 및 상기 리튬염의 복합체에 필러 및 Li2S가 분산되어 있다.In the solid electrolyte, a filler and Li 2 S are dispersed in a complex of the polymer and the lithium salt.

상기 고분자는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다. 또한, 상기 필러는 ZrO2, Al2O3, SiO2, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.The polymer may be selected from the group consisting of polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, and combinations thereof. In addition, the filler may be selected from the group consisting of ZrO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 , and combinations thereof.

상기 필러의 평균 크기는 10nm 내지 20nm일 수 있다.The average size of the filler may be 10 nm to 20 nm.

상기 리튬염은 LiCF3SO3, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiB(C2O4), LiN(SO2F)2, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F3)2, LiCF6SO3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.The lithium salt LiCF 3 SO 3, LiPF 6, LiClO 4, LiBF 4, LiB (C 2 O 4), LiN (SO 2 F) 2, LiN (SO 2 CF 3) 2, LiN (SO 2 C 2 F 3 ) 2 , LiCF 6 SO 3, and combinations thereof.

기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other details of the embodiments of the present invention are included in the following detailed description.

본 발명의 리튬 설퍼 전지는 신뢰성 및 안전성이 우수하다.The lithium sulfur battery of the present invention is excellent in reliability and safety.

도 1a는 실시예 1에 따라 제조된 고체 고분자 전해질의 냉각 및 가열 상태에서의 이온 전도도를 나타낸 그래프.
도 1b는 실시예 1에 따라 제조된 고체 고분자 전해질의 임피던스를, 60℃ 이상의 온도에서, 온도를 변화시키면서 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 1c는 실시예 1에 따라 제조된 고체 고분자 전해질의 임피던스를, 60℃ 미만의 온도에서, 온도를 변화시키면서 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 2는 실시예 1에 따라 제조된 리튬 설퍼 전지의 70℃ 및 90℃에서 충방전을 실시하여, 얻어진 전지 충방전 특성을 나타낸 그래프.
도 3a는 실시예 1에 따라 제조된 리튬 설퍼 전지를 완충전을 실시한 후, 70℃에서, 전류량을 변화시켜가면서 충방전을 실시하여, 얻어진 충방전 특성 결과를 나타낸 그래프.
도 3b는 실시예 1에 따라 제조된 리튬 설퍼 전지를 완충전을 실시한 후, 70℃에서, 전류량을 변화시켜가면서 충방전을 실시하여, 사이클에 따른 비용량 변화를 측정하여 나타낸 그래프.
도 4는 비교예 1에 따라 제조된 리튬 설퍼 전지의 충방전 특성 결과를 나타낸 그래프.
도 5는 실시예 1에 따라 제조된 리튬 설퍼 전지를 완충전을 실시한 후, 분해하여 얻어진 양극 활물질의 SEM 사진.
FIG. 1A is a graph showing ion conductivity of a solid polymer electrolyte prepared according to Example 1 under cooling and heating conditions. FIG.
FIG. 1B is a graph showing the results of measuring the impedance of the solid polymer electrolyte prepared according to Example 1 at a temperature of 60.degree. C. or more while changing the temperature. FIG.
1C is a graph showing the results of measuring the impedance of the solid polymer electrolyte prepared according to Example 1 at a temperature lower than 60 DEG C while changing the temperature.
FIG. 2 is a graph showing the charge / discharge characteristics of a battery obtained by charging / discharging the lithium sulfur battery prepared in Example 1 at 70 ° C. and 90 ° C. FIG.
FIG. 3A is a graph showing the results of charging / discharging characteristics obtained by fully charging a lithium sulfur battery manufactured according to Example 1, charging / discharging at 70 DEG C while changing the amount of current, and FIG.
FIG. 3B is a graph showing the results of charging and discharging the lithium sulfur battery prepared in Example 1 while varying the amount of current at 70 ° C, and measuring the specific capacity change according to the cycle. FIG.
4 is a graph showing the charging / discharging characteristics of a lithium sulfur battery manufactured according to Comparative Example 1. Fig.
5 is a SEM photograph of a cathode active material obtained by thoroughly charging a lithium sulfur battery produced according to Example 1 and decomposing.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.

본 발명의 일 구현예는 양극 활물질을 포함하는 양극 음극 활물질을 포함하는 음극 및 리튬염, 고분자, 필러 및 Li2S를 포함하는 고체 전해질을 포함하는 리튬 설퍼 전지를 제공한다One embodiment of the present invention provides a lithium sulfur battery including a negative electrode including a positive electrode active material including a positive electrode active material, and a solid electrolyte including a lithium salt, a polymer, a filler, and Li 2 S

본 발명의 일 구현예에 따른 상기 고체 전해질에서, Li2S의 함량은 상기 고분자 100몰에 대하여, 1 내지 10 몰일 수 있다. Li2S의 함량이 이 범위에 포함되는 경우에는 고체 전해질의 리튬 이온 전도도를 향상시킬 뿐만 아니라, 충방전 중에 생기는 설파이드계 화합물의 전해질에 대한 용해를 억제하는 장점이 있을 수 있다.In the solid electrolyte according to an embodiment of the present invention, the content of Li 2 S may be 1 to 10 moles per 100 moles of the polymer. When the content of Li 2 S is included in this range, not only the lithium ion conductivity of the solid electrolyte can be improved but also it is possible to suppress the dissolution of the sulfide-based compound in the electrolyte during charging and discharging.

상기 고체 전해질은 상기 고분자 및 상기 리튬염의 복합체(composite)에 필러 및 Li2S가 분산되어 있는 것이다. 이러한 고체 전해질은 리튬염, 고분자, 필러 및 Li2S를 핫-프레스하여 제조된 것이다. The solid electrolyte has a filler and Li 2 S dispersed in a composite of the polymer and the lithium salt. These solid electrolytes are prepared by hot-pressing lithium salts, polymers, fillers and Li 2 S.

상기 핫-프레스 공정은, 80℃ 내지 90℃에서, 0.2톤 내지 1톤의 압력으로 15분 내지 20 분간 1차 프레스한 후, 다시 80℃ 내지 90℃에서, 4톤 내지 5톤의 압력으로 60분 내지 90 분간 2차 프레스하는 공정으로 실시할 수 있다. The hot-press process is a process in which the primary press is performed at a temperature of 80 to 90 DEG C at a pressure of 0.2 to 1 ton for 15 to 20 minutes and then at 80 to 90 DEG C for 60 to 60 ton at a pressure of 4 to 5 tons. Min to 90 min.

핫-프레스 공정을 상기 온도 범위 및 압력하에서 실시하면, 고분자와 리튬염, Li2S가 고루 섞일 수 있으며, 높은 강도의 고체전해질을 제조하는 장점이 있을 수 있다.When the hot-pressing process is carried out under the above temperature range and pressure, the polymer and the lithium salt, Li 2 S, can be uniformly mixed, and there is an advantage of producing a solid electrolyte of high strength.

상기 리튬염, 고분자, Li2S의 혼합 비율은 1 : 20 : 0.2 몰비 내지 1 : 20 : 2몰비일 수 있다. 또한, 필러의 함량은, 리튬염, 고분자, Li2S의 혼합 중량과의 비율로 조절하여 사용할 수 있으며, 그 혼합 비율은 상기 혼합 중량(리튬염, 고분자, Li2S의 함량) : 필러가 95 : 5 중량% 내지 90 : 10 중량%가 되도록 사용할 수 있다.The mixing ratio of the lithium salt, polymer, and Li 2 S may be 1: 20: 0.2 to 1: 20: 2. Further, the content of the filler is, a lithium salt, a polymer, may be used to adjust the ratio of the mixture by weight of Li 2 S, a mixing ratio (the content of the lithium salt, polymer, and Li 2 S) the mixing weight: filler 95: 5% by weight to 90: 10% by weight.

상기 고분자는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The polymer may be selected from the group consisting of polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, and combinations thereof.

상기 필러는 이온 전도도를 향상시킬 수 있고, 리튬 전달 개수를 향상시킬 수 있어 폴리머 전지의 전달 특성을 향상시킬 수 있고, 또한 리튬 금속 전극 및 전해질 계면의 안정화제로서의 역할을 할 수 있다. 이러한 필러의 구체적인 예로는 ZrO2, Al2O3, SiO2, 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 상기 필러는 마이크로미터 사이즈 이하의 것을 사용할 수 있으나, 나노 사이즈 크기를 갖는 필러를 사용하는 것이 전도도 및 기계적 강도가 보다 우수한 장점이 있다. 나노 사이즈의 필러는 평균 크기가 10nm 내지 20nm일 수 있다.The filler can improve the ionic conductivity, improve the number of lithium transfer, improve the transfer characteristics of the polymer battery, and can also serve as a stabilizer for the lithium metal electrode and electrolyte interface. Specific examples of such fillers include ZrO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 , or a combination thereof. The filler may have a micrometer size or smaller, but the use of a filler having a nano size size is advantageous in that the conductivity and the mechanical strength are more excellent. The nano-sized filler may have an average size of 10 nm to 20 nm.

상기 리튬염은 LiCF3SO3, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiB(C2O4), LiN(SO2F)2, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F3)2, LiCF6SO3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The lithium salt LiCF 3 SO 3, LiPF 6, LiClO 4, LiBF 4, LiB (C 2 O 4), LiN (SO 2 F) 2, LiN (SO 2 CF 3) 2, LiN (SO 2 C 2 F 3 ) 2 , LiCF 6 SO 3, and combinations thereof.

상기 고체 고분자 전해질은 100㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있다. 고체 고분자 전해질의 두께가 상기 범위에 포함되면, 이후 전지 제조 공정에 적합한 기계적 강도를 얻을 수 있고, 두꺼운 두께로 인한 저항증가를 줄이는 장점을 얻을 수 있다. The solid polymer electrolyte may have a thickness of 100 탆 to 500 탆. When the thickness of the solid polymer electrolyte is within the above range, it is possible to obtain a mechanical strength suitable for a battery manufacturing process thereafter and to reduce an increase in resistance due to a thick thickness.

이와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 고체 고분자 전해질은, 액상을 포함하지 않는 완전한 고체 상태의 전해질임에 따라, 리튬 설퍼 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 고분자와 리튬염의 복합체는 리튬 이온 전달을 가능하게 하고, Li2S는 전도도를 향상시키고, 양극으로부터 설파이드 해리를 억제할 수 있어, 리튬 설퍼 전지의 성능을 향상시킬 수 있다. As described above, the solid polymer electrolyte according to one embodiment of the present invention can improve the safety of the lithium sulfur battery because it is a completely solid electrolyte containing no liquid phase. In addition, the composite of the polymer and the lithium salt enables lithium ion transmission, Li 2 S improves the conductivity, can inhibit sulfide dissociation from the anode, and can improve the performance of the lithium sulfur battery.

본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 설퍼 전지에서, 양극은 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질 층을 포함한다. In a lithium sulfur battery according to an embodiment of the present invention, the anode includes a cathode active material layer including a cathode active material.

상기 양극 활물질로는 설퍼-탄소 복합체, 황 원소, 황계 화합물(Li2Sn(n ≥1), 캐솔라이트(catholyte)에 용해된 Li2Sn(n ≥1), 유기 황 화합물 및 탄소-황 폴리머((C2Sx)n: x=2.5 내지 50, n ≥2)) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있다. 이중에서, 설퍼-탄소 복합체를 적절하게 사용할 수 있다. The positive electrode active material is a sulfur-carbon composite, elemental sulfur, sulfur-based compound (Li 2 S n (n ≥1 ), dissolved in the cache solrayiteu (catholyte) Li 2 S n ( n ≥1), organic sulfur compounds and carbon- (C 2 S x ) n : x = 2.5 to 50, n ≧ 2), and a mixture thereof. Among them, a sulfur-carbon composite can be suitably used.

상기 설퍼-탄소 복합체는 Li2S 또는 S와 탄소 복합체를 의미한다. 이 설퍼-탄소 복합체는 Li2S 또는 S와, 탄소계 물질을 1 : 0.5 내지 1 : 1.5 중량비로 혼합하고, 이 혼합물을 볼밀링하여 제조할 수 있다. 상기 탄소계 물질로는 리튬 이차 전지에서 도전재로 사용되는 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 예로 흑연계 물질, 카본계 물질 등을 사용할 수 있다. 상기 흑연계 물질로는 KS 6(Timcal사 제품)를 사용할 수 있고, 상기 카본계 물질로는 수퍼 P(MMM사 제품), 케첸 블랙(Ketjen black), 덴카 블랙(denca black), 아세틸렌 블랙, 카본 블랙 등을 사용할 수 있다.The sulfur-carbon composite refers to Li 2 S or S and a carbon composite. The sulfur-carbon composite may be prepared by mixing Li 2 S or S and a carbonaceous material in a weight ratio of 1: 0.5 to 1: 1.5, and ball milling the mixture. As the carbon-based material, any material used as a conductive material in a lithium secondary battery can be used. For example, a graphite-based material, a carbon-based material, or the like can be used. KS 6 (manufactured by Timcal Co.) may be used as the graphite based material, and Super P (manufactured by MMM), Ketjen black, denca black, acetylene black, carbon Black or the like can be used.

상기 Li2S 또는 S는 비정질 또는 결정질을 사용할 수 있고, 그 중 결정질을 사용하는 것이 공기 중에 안정하고 전해질에 대한 용해가 억제되는 장점이 있을 수 있다.The Li 2 S or S may be amorphous or crystalline, and the use of the crystalline material may be advantageous in that it is stable in the air and dissolution of the electrolyte is suppressed.

상기 볼밀링 공정은, 저에너지 볼밀링법(low evergy ball milling, LEBM)으로 실시할 수 있고, 1 내지 5 시간 동안 실시할 수 있다.The ball milling process may be performed by low-energy ball milling (LEBM), and may be performed for 1 to 5 hours.

상기 양극 활물질 층은, 양극 활물질 종류에 따라 도전재 및 바인더를 더욱 포함할 수 있다. The cathode active material layer may further include a conductive material and a binder depending on the type of the cathode active material.

상기 도전재로는 전자가 양극 내에서 원활하게 이동할 수 있도록 하는 전지 전도성 도전재를 사용할 수 있다. 이러한 도전재로는 특히 한정하지 않으나, 흑연계 물질, 카본계 물질 등과 같은 전도성 물질 또는 전도성 고분자를 사용할 수 있다. 상기 흑연계 물질로는 KS 6(Timcal사 제품)가 있고 카본계 물질로는 수퍼 P(MMM사 제품), 케첸 블랙(Ketjen black), 덴카 블랙(denca black), 아세틸렌 블랙, 카본 블랙 등이 있다. 상기 전도성 고분자의 예로는 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리티롤 등이 있다. 이들 전도성 도전재들은 단독으로 사용하거나 둘 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.As the conductive material, a cell conductive conductive material that allows electrons to move smoothly in the anode can be used. Such a conductive material is not particularly limited, but a conductive material such as a graphite-based material, a carbon-based material, or a conductive polymer may be used. KS 6 (manufactured by Timcal) is used as the graphite based material, Super P (manufactured by MMM), Ketjen black, denca black, acetylene black, carbon black, etc. are used as the carbon- . Examples of the conductive polymer include polyaniline, polythiophene, polyacetylene, polythiol, and the like. These conductive conductive materials may be used alone or in combination of two or more.

상기 바인더로는 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌과 폴리비닐리덴 플루오라이드의 코폴리머(상품명: Kynar), 폴리에틸 아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리카프로락탐, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리아크릴릭 엑시드, 이들의 유도체, 블랜드, 코폴리머 등을 사용할 수 있다.As the binder, a copolymer of poly (ethylene oxide), polyvinyl pyrrolidone, poly (methyl methacrylate), polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene and polyvinylidene fluoride (trade name: Kynar), polyethyl acrylate Polytetrafluoroethylene, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polycaprolactam, polyethylene terephthalate, polybutadiene, polyisoprene, polyacrylic acid, derivatives thereof, blends, copolymers and the like can be used.

상기 도전재 및 바인더의 함량은 적절하게 조절할 수 있으며, 특별하게 한정되지 않는다.The content of the conductive material and the binder can be appropriately adjusted, and is not particularly limited.

또한, 상기 양극은 상기 양극 활물질 층을 지지하는 전류 집전체로서, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 티타늄 등의 도전성 물질을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 전류 집전체로서 카본-코팅된 알루미늄 집전체를 적절하게 사용할 수 있다. 이러한 카본-코팅된 알루미늄 집전체를 사용하는 것이 카본이 코팅되지 않은 것에 비해 활물질에 대한 접착력이 우수하고, 접촉 저항이 낮으며, 알루미늄의 폴리설파이드에 의한 부식을 방지할 수 있는 장점이 있다. The positive electrode may be a current collector for supporting the positive electrode active material layer, and may be made of a conductive material such as stainless steel, aluminum, copper, or titanium. However, the present invention is not limited thereto. In particular, a carbon-coated aluminum current collector as the current collector can be suitably used. The use of such a carbon-coated aluminum current collector is advantageous in that it has an excellent adhesion to an active material, has a low contact resistance, and can prevent corrosion caused by aluminum polysulfide, as compared with a carbon-coated aluminum current collector.

이러한 구성을 갖는 양극은 다음과 같은 공정으로 제조될 수 있다. The anode having such a structure can be produced by the following process.

상기 양극은 용매를 사용하지 않고, 고상 형태로 제조할 수 있으며, 용매를 사용한 슬러리 형태로 제조할 수도 있다. 이하 각 공정에 대하여, 양극 활물질로 설퍼-탄소 복합체를 사용하는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.The positive electrode may be prepared in the form of a solid without using a solvent, or may be prepared in the form of a slurry using a solvent. Hereinafter, the case where the sulfur-carbon composite is used as the cathode active material will be described for each step.

1) 용매를 사용하지 않는 경우1) When solvent is not used

황을 포함하는 물질과 탄소계 물질을 1 : 0.5 내지 1 : 1.5 중량비로 혼합하여 제1 혼합물을 제조한다. 상기 황을 포함하는 물질로는, Li2S, S 또는 이들의 조합을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 이러한 황을 포함하는 물질은 혼합 전에, 60℃ 내지 100℃의 진공오븐에서 12시간 이상, 최대 24 시간 건조하여 사용할 수 있다.The first mixture is prepared by mixing the sulfur-containing material and the carbon-based material in a weight ratio of 1: 0.5 to 1: 1.5. Examples of the material containing sulfur include, but are not limited to, Li 2 S, S, or a combination thereof. The material containing such sulfur can be used by drying in a vacuum oven at 60 ° C to 100 ° C for at least 12 hours and for a maximum of 24 hours before mixing.

상기 탄소계 물질로는 리튬 이차 전지에서 도전재로 사용되는 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 예로 흑연계 물질, 카본계 물질 등을 사용할 수 있다. 상기 흑연계 물질로는 KS 6(Timcal사 제품)를 사용할 수 있고, 상기 카본계 물질로는 수퍼 P(MMM사 제품), 케첸 블랙(Ketjen black), 덴카 블랙(denca black), 아세틸렌 블랙, 카본 블랙 등을 사용할 수 있다.As the carbon-based material, any material used as a conductive material in a lithium secondary battery can be used. For example, a graphite-based material, a carbon-based material, or the like can be used. KS 6 (manufactured by Timcal Co.) may be used as the graphite based material, and Super P (manufactured by MMM), Ketjen black, denca black, acetylene black, carbon Black or the like can be used.

상기 제1 혼합물에 고분자와 리튬염의 제2 혼합물을 첨가한다. 이 고분자로는 상술한 바인더는 어떠한 것도 사용할 수 있고, 상기 리튬염으로는, 상술한 리튬염 종류를 어떠한 것도 사용할 수 있다. 상기 고분자와 리튬염의 혼합 비율은 40 : 1 내지 10: 1 몰비일 수 있다.A second mixture of the polymer and the lithium salt is added to the first mixture. As the polymer, any of the above-mentioned binders can be used. As the lithium salt, any of the above-mentioned lithium salts can be used. The mixing ratio of the polymer and the lithium salt may be 40: 1 to 10: 1.

상기 제1 혼합물과 제2 혼합물의 혼합 비율은, 제1 혼합물 100 중량부 대비 제2 혼합물 10 내지 40 중량부일 수 있다. 제1 혼합물과 제2 혼합물의 혼합 비율이 상기 범위에 포함되는 경우, 활물질끼리 또는 활물질과 집전체와의 접착력을 향상시킬 수 있다.The mixing ratio of the first mixture and the second mixture may be 10 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the first mixture. When the mixing ratio of the first mixture and the second mixture is within the above range, the adhesion between the active materials or between the active material and the current collector can be improved.

이어서, 상기 혼합물을 1 내지 12시간 동안 볼밀링하고, 얻어진 생성물을 전류 집전체에 도포하고, 핫-프레스하여 전극을 제조할 수 있다. 이 핫-프레스 공정은 80℃ 내지 120℃의 온도에서 2톤 내지 5톤의 압력으로 30분 내지 2시간 동안 실시할 수 있다.Then, the mixture is ball-milled for 1 to 12 hours, the obtained product is applied to a current collector, and hot-pressed to produce an electrode. The hot-pressing process can be carried out at a temperature of 80 to 120 DEG C at a pressure of 2 to 5 tons for 30 minutes to 2 hours.

2) 용매를 사용하는 경우2) When solvent is used

먼저, 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 용매에 첨가하여 슬러리 타입의 양극 활물질 조성물을 제조한다. 이때, 상기 용매로는 양극 활물질, 바인더, 도전재 및 첨가제를 균일하게 분산시킬 수 있으며, 쉽게 증발되는 것을 사용할 수 있고, 대표적으로는 N-메틸피롤리돈, 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 테트라하이드로퓨란, 물, 이소프로필알콜, 디메틸 피롤리돈 등을 사용할 수 있다.First, a cathode active material, a binder, and a conductive material are added to a solvent to prepare a slurry-type cathode active material composition. At this time, as the solvent, a cathode active material, a binder, a conductive material and an additive can be uniformly dispersed and easily evaporated. Typical examples thereof include N-methylpyrrolidone, acetonitrile, methanol, ethanol, Butanol, tetrahydrofuran, water, isopropyl alcohol, dimethylpyrrolidone and the like can be used.

제조된 조성물을 전류 집전체에 도포하고, 건조하여 양극을 형성한다.The prepared composition is applied to a current collector and dried to form a positive electrode.

상기 음극은 음극 활물질을 포함한다. 이러한 음극 활물질로는 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 및 리튬 합금으로 이루어진 군에서 선택되는음극 활물질을 사용할 수 있다. 이 중에서, 리튬 금속을 적절하게사용할 수 있다. The negative electrode includes a negative electrode active material. Examples of such an anode active material include a material capable of reversibly intercalating / deintercalating lithium ions, a material capable of reversibly reacting with lithium ions to form a lithium-containing compound, a lithium metal and a lithium alloy May be used. Of these, lithium metal can be suitably used.

상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질은 탄소계 활물질을 사용할 수 있고, 리튬 이온 이차 전지에서 일반적으로 사용되는 탄소계 음극 활물질은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들을 함께 사용할 수 있다. 또한, 상기 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질의 대표적인 예로는 산화 주석(SnO2), 티타늄 나이트레이트, 실리콘(Si) 등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 리튬 합금으로는 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택되는금속의 합금이 사용될 수 있다. As the material capable of reversibly intercalating / deintercalating lithium ions, a carbon-based active material can be used, and any carbon-based negative electrode active material commonly used in lithium ion secondary batteries can be used. May be crystalline carbon, amorphous carbon or a combination thereof. Typical examples of the material capable of reacting with the lithium ion to form a lithium-containing compound reversibly include tin oxide (SnO 2 ), titanium nitrate, silicon (Si), and the like, but are not limited thereto. As the lithium alloy, an alloy of lithium and a metal selected from the group consisting of Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al and Sn can be used.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described. The following embodiments are only examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments.

(실시예 1)(Example 1)

순수한 결정성 황(S, Aldrich) 및 카본 블랙(Super P, MMM사 Belgium)을 1 : 1 중량비율로, 전체 중량이 2g이 되도록, 플래네터리 프릿츠 프버리셋 7(planetary Fritsch Pulverisett 7)을 사용하여, 낮은 에너지 볼밀링(low energy ball milling, LEBM)으로 공기 중에서, 밀링을 3시간 동안 실시하여, 설퍼-탄소 복합체 양극 활물질을 제조하였다.(Planetary Fritsch Pulverisett 7) at a ratio of 1: 1 by weight of pure crystalline sulfur (S, Aldrich) and carbon black (Super P, MMM Ltd. Belgium) And milling in air with low energy ball milling (LEBM) for 3 hours to prepare a sulfur-carbon composite cathode active material.

제조된 양극 활물질을, 카본 블랙(슈퍼 P, MMM사 Belgium) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드 바인더(6020, Solvay)와 함께 N-메틸피롤리돈 용매 중에서 80 : 10 : 10 중량비로 혼합하여, 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이 양극 활물질 슬러리를 알루미늄 포일에 닥터 블레이드법으로 도포하고, 건조하여 양극 필름을 제조하였다.The prepared positive electrode active material was mixed with carbon black (Super P, MMM Company, Belgium) and polyvinylidene fluoride binder (6020, Solvay) in an N-methylpyrrolidone solvent in an 80:10:10 weight ratio to obtain a positive electrode active material Slurry. The cathode active material slurry was coated on an aluminum foil by a doctor blade method and dried to prepare a cathode film.

폴리에틸렌옥사이드(중량평균분자량: 6 X 105), LiCF3SO3, Li2S 및 ZrO2(Aldrich, 평균 크기 20nm)를 건조하고, 분급한 후, 봉인된 폴리에틸렌 병에 정확한 분율로 넣었다. 이때, 폴리에틸렌옥사이드, LiCF3SO3, Li2S 및 ZrO2의 혼합 비율은 20 : 1 : 1 : 10 몰비이고, ZrO2는 폴리에틸렌옥사이드, LiCF3SO3, Li2S 및 ZrO2의 전체 중량에 대하여 10 중량%였다. 이 병을 24시간 동안 소프트 글래스 볼밀링으로 완전하게 혼합하여, 균일한 분말 혼합물을 얻었다. 공기 오염을 방지하기 위하여 모든 공정을 조절된, 아르곤 분위기 건조 박스에서 실시하였다. Polyethylene oxide (weight average molecular weight: 6 x 10 5 ), LiCF 3 SO 3 , Li 2 S and ZrO 2 (Aldrich, average size 20 nm) were dried, classified and placed in sealed polyethylene bottles in the correct proportions. The mixing ratio of polyethylene oxide, LiCF 3 SO 3 , Li 2 S and ZrO 2 was 20: 1: 1: 10, ZrO 2 was the total weight of polyethylene oxide, LiCF 3 SO 3 , Li 2 S and ZrO 2 To 10% by weight. The bottle was thoroughly mixed with a soft glass ball mill for 24 hours to obtain a uniform powder mixture. All processes were carried out in a controlled, argon atmosphere dry box to prevent air contamination.

상기 분말 혼합물을 90℃에서 0.5톤의 압력으로 15분간 1차 프레스한 후, 90℃에서 4톤의 압력으로 60분간 2차 프레스 성형하여 150㎛ 두께의 균일하고 견고한 고분자 전해질을 제조하였다.The powder mixture was first pressed for 15 minutes at a pressure of 0.5 ton at 90 ° C and then subjected to secondary press molding at 90 ° C and a pressure of 4 tons for 60 minutes to prepare a 150 μm thick uniform and rigid polymer electrolyte.

상기 양극 필름, 고분자 전해질 및 리튬 금속을 차례대로 적층한 후, 테플론 컨테이너에서, 이 적층물을 전류 집전체인 스테인레스 스틸 플레이트 두 개 사이에 위치시켜, 리튬 설퍼 전지를 제조하였다. 이 공정은 모두 조절되고, 아르곤 충진되었으며, 수분 및 산소 함량이 모두 10ppm 미만인 건조 박스에서, 실시하였다. The positive electrode film, the polymer electrolyte and the lithium metal were laminated in order, and then the laminate was placed between two stainless steel plates, which are current collectors, in a Teflon container to prepare a lithium sulfur battery. This process was carried out in a dry box where all of the regulated, argon filled, moisture and oxygen contents were all less than 10 ppm.

(실시예 2)(Example 2)

순수한 결정성 리튬설파이드(Li2S, Aldrich) 및 카본 블랙(Super P, MMM사 Belgium)을 1 : 1 중량비율로, 전체 중량이 2g이 되도록, 플래네터리 프릿츠 프버리셋 7(planetary Fritsch Pulverisett 7)을 사용하여, 낮은 에너지 볼밀링(low energy ball milling, LEBM)으로 공기 중에서, 밀링을 3시간 동안 실시하여, 설퍼-탄소 복합체 양극 활물질을 제조하였다.(Planetary Fritsch Pulveriset 7) was added in a weight ratio of 1: 1, pure crystalline lithium sulfide (Li 2 S, Aldrich) and carbon black (Super P, 7) was milled in air with low energy ball milling (LEBM) for 3 hours to prepare a sulfur-carbon composite cathode active material.

상기 설퍼-탄소 복합체에, 폴리에틸렌 옥사이드(중량평균분자량 6 X 105) 및 LiCF3SO3을 20:1의 몰비로 섞은 혼합물을 첨가하였다. 이때, 상기 설퍼 탄소 복합체 100 중량부에 대하여, 상기 혼합물은 30 중량비로하였다. To the sulfur-carbon composite, a mixture of polyethylene oxide (weight average molecular weight: 6 × 10 5 ) and LiCF 3 SO 3 in a molar ratio of 20: 1 was added. At this time, the mixture was adjusted to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the sulfur-containing carbon composite material.

상기 혼합물을, 12시간 동안 볼밀링하였다. 볼밀링으로 얻어진 생성물은 알루미늄 포일 전류 집전체 위에 골고루 펼쳐 도포하고, 90℃의 온도에서 4톤의 압력으로 1시간 동안 핫-프레스하여 양극을 제조하였다.The mixture was ball milled for 12 hours. The product obtained by ball milling was spread evenly on an aluminum foil current collector and hot-pressed at a temperature of 90 DEG C and a pressure of 4 tons for 1 hour to prepare a positive electrode.

상기 양극, 상기 실시예 1에서 제조된 고분자 전해질 및 리튬 금속을 차례대로 적층한 후, 테플론 컨테이너에서, 이 적층물을 전류 집전체인 스테인레스 스틸 플레이트 두 개 사이에 위치시켜, 리튬 설퍼 전지를 제조하였다. 이 공정은 모두 조절되고, 아르곤 충진되었으며, 수분 및 산소 함량이 모두 10ppm 미만인 건조 박스에서, 실시하였다.The positive electrode, the polymer electrolyte prepared in Example 1, and the lithium metal were laminated in order, and then the laminate was placed between two stainless steel plates as a current collector to produce a lithium sulfur battery . This process was carried out in a dry box where all of the regulated, argon filled, moisture and oxygen contents were all less than 10 ppm.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

1.0M LiPF6를 에틸렌 카보네이트 및 디에틸 카보네이트의 혼합 용매(1 : 1 부피비)에 용해시켜 전해질을 제조하였다.1.0 M LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate (1: 1 by volume) to prepare an electrolyte.

상기 전해질과, 상기 실시예 1에서 제조된 양극 및 리튬 금속을 차례대로 적층한 후, 테플론 컨테이너에서, 이 적층물을 전류 집전체인 스테인레스 스틸 플레이트 두 개 사이에 위치시켜, 리튬 설퍼 전지를 제조하였다. 이 공정은 모두 조절되고, 아르곤 충진되었으며, 수분 및 산소 함량이 모두 10ppm 미만인 건조 박스에서, 실시하였다.
The electrolyte, the positive electrode prepared in Example 1 and the lithium metal were laminated in order, and then the laminate was placed between two stainless steel plates, which are current collectors, in a Teflon container to produce a lithium sulfur battery . This process was carried out in a dry box where all of the regulated, argon filled, moisture and oxygen contents were all less than 10 ppm.

* 이온 전도도 측정* Ionic conductivity measurement

상기 실시예 1에서 제조된 전해질을 테플론 O-링에서 8mm의 직경을 갖게 제조하고, 이 전해질을 스테인레스 스틸 블락킹 전극(blocking electrode) 사이에 위치시켜 제조된 전지를 제조하였다. 이 전지를 전지를 약 120℃로 가열하고, 이 온도에서 24시간 동안 유지하여, 열적 평형에 도달하게 한 후, 하였다. 이어서, 이 전지를 이용하여 VersaStat Ametek 설비를 이용하여 AC 임피던스 스펙트로스코피로, 이온 전도도를 측정하였다. 상기 측정은 냉각 및 가열 스캔에서 120-40℃의 온도 범위에서 실시하였다. The electrolyte prepared in Example 1 was made to have a diameter of 8 mm in a Teflon O-ring, and the electrolyte was placed between stainless steel blocking electrodes to prepare a battery. The battery was heated to about 120 ° C and maintained at that temperature for 24 hours to reach thermal equilibrium. Then, the ion conductivity was measured by AC impedance spectroscopy using VersaStat Ametek equipment using this battery. The measurements were carried out in the temperature range of 120-40 < 0 > C for cooling and heating scans.

측정된 결과를 도 1a에 나타내었다. 도 1a에 나타낸 것과 같이, 통상 70℃를 넘는 고온에서 안정한 폴리머인 폴리에틸렌 옥사이드 고분자 전해질의 비정질 영역에서 리튬 이온 전달이 주로 발생하기 때문에, 저온 범위에서는 전도도가 저하되었다.The measured results are shown in Fig. As shown in FIG. 1A, since lithium ion transfer occurs mainly in an amorphous region of a polyethylene oxide polymer electrolyte which is a polymer stable at a high temperature exceeding 70 ° C, the conductivity is lowered in a low temperature range.

또한, 이는 상기 전지의 임피던스를 60℃ 이상 및 60℃ 미만의 온도에서 측정하여, 그 결과를 나타낸 도 1b 및 도 1c에 나타낸 결과로부터 명백하게 알 수 있다. 이 임피던스 측정은, 60℃ 이상에서는 50kHz 내지 100Hz 범위에서, 60℃ 미만에서는 50kHz 내지 1Hz 주파수 범위에서 측정하였다. 상기 전지를 60℃ 이상의 온도에서 측정된 임피던스 결과는 전체 측정된 주파수 범위에서 선형(linear) 형태를 나타내었으며, 이는 빠르고, 균일하고 액상과 유사한 전도체와 유사한 거동이다. 60℃ 미만의 온도에서는 폴리에틸렌옥사이드 사슬이 결정화되기 시작하고, 따라서, 온도가 낮아짐에 따라 보다 넓어지는 낮은 주파수 세미원형을 나타내고, 이는 인터 파티클 그레인 바운더리 저항(inter particle grain boundary resistance)을 나타낸다. 이 결과는 도 1a에 나타낸 결과와 실직적으로 차이가 없고, 비가역적인 열적 영항이 발생함을 나타내는 것이다. It can also be clearly seen from the results shown in Figs. 1B and 1C that the impedance of the battery was measured at a temperature of 60 DEG C or more and less than 60 DEG C, and the results are shown. This impedance measurement was carried out in the frequency range of 50 kHz to 100 Hz at 60 ° C or higher and in the frequency range of 50 kHz to 1 Hz at temperatures lower than 60 ° C. The impedance results measured at temperatures above 60 ° C of the cell exhibited a linear shape over the entire measured frequency range, which is a fast, uniform, liquid-like conductance-like behavior. At temperatures below 60 ° C, the polyethylene oxide chains begin to crystallize and thus exhibit a broader low frequency semi-circular shape as temperature decreases, which represents inter particle grain boundary resistance. This result is not different from the results shown in FIG. 1A in an actual manner, and shows that an irreversible thermal effect occurs.

도 1a 내지 도 1c의 결과로부터, 실시예 1에 따른 고체 고분자 전해질이 약 70℃ 이상의 온도에서 10-4 내지 10-3Scm-1의 전도도를 나타냄을 알 수 있다.
From the results shown in Figs. 1A to 1C, it can be seen that the solid polymer electrolyte according to Example 1 has a conductivity of 10 -4 to 10 -3 Scm -1 at a temperature of about 70 ° C or higher.

* 갈바노스태틱 충방전(galvanostatic charge-discharge) 특성 측정* Galvanostatic charge-discharge characteristics measurement

상기 실시예 1에 따라 제조된 리튬 설퍼 전지를 1.5 내지 3.0V 전압 범위에서 70℃ 및 90℃의 온도에서 갈바노스태틱 충방전을 C/20(1C=836mA/g)으로 실시한 후, 그 충방전 특성을 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타낸 결과는 전형적인 리튬 설퍼 전지의 충방전 특성을 나타내면서, 또한 70℃에서는 비용량이 비교적 낮은 반면, 90℃에서는 거의 이론치에 가까운 용량이 얻어졌다. 이 결과는 충방전 쿨롱 효율이 거의 100%에 도달함을 의미하며, 이는 리튬 설파이드의 해리가 잘 조절되었음을 의미한다. The lithium sulfur battery produced according to Example 1 was subjected to Galvano static charge / discharge at a temperature of 70 ° C and 90 ° C in a voltage range of 1.5 to 3.0 V with C / 20 (1C = 836 mA / g) The characteristics are shown in Fig. The results shown in Fig. 2 show the charging / discharging characteristics of a typical lithium sulfur battery, and at 70 deg. C, the cost was comparatively low, while at 90 deg. C, a capacity close to the theoretical value was obtained. This result means that the charge / discharge Coulomb efficiency reaches almost 100%, which means that the dissociation of lithium sulfide is well controlled.

충방전 효율이 거의 100%에 도달한다는 것은, 활물질의 손실없이 전극 안정성을 효과적으로 조절할 수 있음을 의미하고, 이는 도 2에 나타낸 것과 같이 충방전 비용량이 높게 나옴을 의미하고, 또한 제조된 전해질이 리튬 설퍼 전지를 구동하기에 적합한 이온 전도도를 지니고 있음을 나타낸다. 이 결과로부터, 고분자 전해질에 포함된 Li2S에 의해 설퍼전지의 충방전 과정 중에 만들어지는 리튬폴리설파이드(Li2Sn, 1≤n)가 전해질로의 해리를 억제하여 충방전 효율이 거의 100%에 도달할 수 있었으며, 아울러 수명 특성도 향상시킬 수 있었다.
The fact that the charge / discharge efficiency reaches almost 100% means that the electrode stability can be effectively controlled without loss of the active material, which means that the charge / discharge cost is high as shown in FIG. 2, and the produced electrolyte is lithium Indicating that the ionic conductivity is suitable for driving the sulfur cell. From these results, it can be seen that lithium polysulfide (Li 2 S n , 1? N) produced during charging and discharging of the sulfur battery by Li 2 S contained in the polymer electrolyte suppresses dissociation into the electrolyte, %, And the lifetime characteristics could be improved as well.

* 실시예에 따라 제조된 전지의 충방전 특성 평가Evaluation of charge / discharge characteristics of the battery manufactured according to the example

상기 실시예 2에 따라 제조된 전지를 70℃에서, 1/20 C로 완충전을 실시한 후, 이 전지를 다시 70℃에서, 전류량을 변화시켜가면서 1.5 내지 3.2V 전압 범위에서, 충방전을 실시하였다. 그 결과 중, 충방전 특성 결과를 도 3a에, 사이클에 따른 비용량 변화를 도 3b에 나타내었다. 도 3a에서 x축의 위쪽에 나타낸 용량값은, 사용된 Li2S만의 질량을 고려한 것이고, 아래쪽에 나타낸 용량값은 Li2S-C의 질량을 고려한 값이다. 또한, 도 3b에서, 왼쪽의 용량값은, 사용된 Li2S만의 질량을 고려한 것이고, 오른쪽에 나타낸 용량값은 Li2S-C의 질량을 고려한 값이다. 또한 도 3a에서, 120mA/g, 75mA/g, 60mA/g, 40mA/g 및 30mA/g은 전류랑을 나타낸다.The battery prepared in Example 2 was thoroughly charged at 70 ° C at 1/20 C and then charged and discharged again at 70 ° C in a voltage range of 1.5 to 3.2 V while varying the amount of current Respectively. Among these results, the charge / discharge characteristics results are shown in Fig. 3A, and the non-capacity change according to the cycle is shown in Fig. 3B. In Fig. 3A, the capacitance value shown on the x-axis takes into consideration the mass of only Li 2 S used, and the capacitance value on the lower side takes into account the mass of Li 2 SC. Further, in Figure 3b, the capacitance value of the left side, will only consider a mass of Li 2 S used, the capacitance shown in the right side is a value taking into account the mass of Li 2 SC. Also, in FIG. 3A, 120 mA / g, 75 mA / g, 60 mA / g, 40 mA / g and 30 mA /

도 3a에서, 약 290mAh/g의 비용량은 Li2S-C 양극 활물질 질량을 고려한 것이고, 만약 Li2S만의 질량을 고려한다면 비용량은 580mAh/g까지 증가될 수 있다. 이러한 높은 에너지 밀도는 일반적인 리튬 이온 전지에 비하여 매우 높은 것으로서, 이 결과로부터, 실시예 1의 리튬 설퍼 전지는 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있다.In Fig. 3A, a specific capacity of about 290 mAh / g accounts for the Li 2 SC cathode active material mass, and if the mass of Li 2 S alone is taken into account, the specific capacity can be increased to 580 mAh / g. These high energy densities are very high as compared with general lithium ion batteries. From this result, it can be seen that the lithium sulfur battery of Example 1 can be usefully used.

도 3(b)에 나타낸 것과 같이, 사이클이 반복되어도 안정성을 유지하며, 사이클이 증가할수록 용량 감소율이 증가하나, 충방전이 초기 전류량으로 복귀되면, 용량 또한 원래 값으로 변환되었다.
As shown in FIG. 3 (b), the stability is maintained even if the cycle is repeated, and the capacity decrease rate increases as the cycle increases. However, when the charge / discharge returns to the initial capacity, the capacity is also converted to the original value.

* 비교예에 따라 제조된 전지의 충방전 특성 평가* Evaluation of charge / discharge characteristics of batteries manufactured according to Comparative Example

비교예 1에 따라 제조된 전지를 0.05C로 0.3 내지 4.6V에서 충방전을 8회 실시하여, 그 충방전 특성을 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타낸 것과 같이, Li2S 양극 활물질을 리튬 이차 전지의 일반적인 전해액과 함께 사용하는 경우, 그 충방전 특성이 매우 열화됨을 알 수 있다.
The battery manufactured according to Comparative Example 1 was charged and discharged 8 times at 0.3 to 4.6 V at 0.05 C, and its charge-discharge characteristics are shown in FIG. As shown in FIG. 4, when the Li 2 S positive electrode active material is used together with a general electrolyte of a lithium secondary battery, the charge / discharge characteristics are greatly deteriorated.

* SEM 사진* SEM pictures

상기 실시예 2에 따라 제조된 전지를 1/20C로 완충전하였다. 이와 같이 완충전을 실시하면, 설퍼-탄소 상태의 양극 활물질이 Li2S-탄소 상태로 전환된다. 이에, 완충전을 실시한 후, 전지를 분해하여, 양극으로부터 양극 활물질을 분리하고, 분리한 양극 활물질의 SEM 사진을 측정하여, 그 결과를 도 5에 나타내었다.The battery prepared in Example 2 was fully charged with 1 / 20C. When the complete charging is performed in this manner, the cathode active material in the sulfur-carbon state is converted to the Li 2 S-carbon state. Thus, after complete charging, the battery was disassembled to separate the positive electrode active material from the positive electrode, and the SEM photograph of the separated positive electrode active material was measured. The results are shown in FIG.

도 5에 보면, 일부 Li2S 입자가 코팅되지 않은 상태로 남아있기에 활물질층으로부터 분리되어 있고, 따라서 전체 용량이 다소 감소될 것으로 예측될 수 있다. 그러나 앞선 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예 1에 따른 리튬 설퍼 전지는 70℃에서 고용량이 얻어졌으며, 이는 일반적인 폴리에틸렌옥사이드계 전해질을 사용하여서는 얻을 수 없는 물성이기에, 설퍼-탄소 복합체 양극 활물질 및 이온 전도성이 높은 전해질을 사용하여, 넓은 온도 범위에서 전지 성능이 유지되었기 때문으로 생각된다.5, it can be expected that some Li2S particles remain separated from the active material layer because they remain uncoated, and thus the total capacity is somewhat reduced. However, as can be seen from the foregoing results, the lithium sulfur battery according to Example 1 of the present invention had a high capacity at 70 DEG C, which is a property that can not be obtained using a general polyethylene oxide electrolyte. Therefore, the sulfur- It is thought that battery performance was maintained over a wide temperature range by using an electrolyte having a high ion conductivity.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims. As will be understood by those skilled in the art. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

Claims (9)

양극 활물질을 포함하는 양극;
음극 활물질을 포함하는 음극; 및
리튬염, 고분자, 나노 사이즈의 필러 및 Li2S를 포함하는 고체 전해질을 포함하는 리튬 설퍼 전지.
A cathode comprising a cathode active material;
A negative electrode comprising a negative electrode active material; And
Lithium salt, a polymer, a lithium sulfur battery comprising a solid electrolyte containing a filler, and Li 2 S nano-sized.
제1항에 있어서,
상기 고체 전해질에서, 상기 Li2S의 함량은 상기 고분자 100몰에 대하여 1 내지 10몰인 리튬 설퍼 전지.
The method according to claim 1,
In the solid electrolyte, the Li 2 S content is 1 to 10 moles per 100 moles of the polymer.
제1항에 있어서,
상기 고체 전해질은 상기 리튬염, 상기 고분자, 상기 필러 및 상기 Li2S를 핫-프레스하여 제조된 것인 리튬 설퍼 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the solid electrolyte is produced by hot-pressing the lithium salt, the polymer, the filler, and the Li 2 S.
제3항에 있어서,
상기 핫-프레스는 80℃ 내지 90℃에서, 0.2톤 내지 1톤의 압력으로 15분 내지 20 분간 1차 프레스한 후, 80℃ 내지 90℃에서, 4톤 내지 5톤의 압력으로 60분 내지 90 분간 2차 프레스하는 공정으로 실시하는 것인 리튬 설퍼 전지.
The method of claim 3,
The hot-press is first press-molded at a temperature of 80 to 90 占 폚 at a pressure of 0.2 to 1 ton for 15 to 20 minutes and then pressurized at 80 to 90 占 폚 at a pressure of 4 to 5 tons for 60 to 90 Wherein the lithium sulfur battery is carried out by a secondary pressing step for a minute.
제1항에 있어서,
상기 고체 전해질은 상기 고분자 및 상기 리튬염의 복합체에 상기 필러 및 상기 Li2S가 분산되어 있는 것인 리튬 설퍼 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the solid electrolyte has the filler and the Li 2 S dispersed in a composite of the polymer and the lithium salt.
제1항에 있어서,
상기 고분자는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 설퍼 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer is selected from the group consisting of polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 필러는 ZrO2, Al2O3, SiO2, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 설퍼 전지.
The method according to claim 1,
The filler is ZrO 2, Al 2 O 3, SiO 2, and a lithium sulfur battery is selected from the group consisting of.
제1항에 있어서,
상기 필러의 평균 크기는 10nm 내지 20nm인 리튬 설퍼 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the filler has an average size of 10 nm to 20 nm.
제1항에 있어서,
상기 리튬염은 LiCF3SO3, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiB(C2O4), LiN(SO2F)2, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F3)2, LiCF6SO3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 설퍼 전지.
The method according to claim 1,
The lithium salt LiCF 3 SO 3, LiPF 6, LiClO 4, LiBF 4, LiB (C 2 O 4), LiN (SO 2 F) 2, LiN (SO 2 CF 3) 2, LiN (SO 2 C 2 F 3 ) 2 , LiCF 6 SO 3, and combinations thereof.
KR1020110021886A 2011-03-11 2011-03-11 Lithium sulfur battery KR101841278B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110021886A KR101841278B1 (en) 2011-03-11 2011-03-11 Lithium sulfur battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110021886A KR101841278B1 (en) 2011-03-11 2011-03-11 Lithium sulfur battery

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120103378A KR20120103378A (en) 2012-09-19
KR101841278B1 true KR101841278B1 (en) 2018-03-23

Family

ID=47111501

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110021886A KR101841278B1 (en) 2011-03-11 2011-03-11 Lithium sulfur battery

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101841278B1 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9379383B2 (en) 2013-06-17 2016-06-28 Electronics And Telecommunications Research Institute Lithium battery and method of preparing the same
KR101709988B1 (en) * 2014-11-12 2017-02-27 주식회사 제이이노텍 Lithium-sulfur battery with high energy density
KR101671583B1 (en) * 2014-11-12 2016-11-17 한국기술교육대학교 산학협력단 High energy density lithium-sulfur battery having interlayer containing active materials
US10381680B2 (en) 2014-11-12 2019-08-13 J-Innotech Co., Ltd Lithium-sulfur battery
KR102229453B1 (en) 2017-11-24 2021-03-17 주식회사 엘지화학 A carbon -surfur complex, manufacturing method thereof and lithium secondary battery comprising the same

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010205449A (en) * 2009-02-27 2010-09-16 Nippon Zeon Co Ltd Electrolyte layer for all-solid secondary battery, laminate for all-solid secondary battery, and all-solid secondary battery

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010205449A (en) * 2009-02-27 2010-09-16 Nippon Zeon Co Ltd Electrolyte layer for all-solid secondary battery, laminate for all-solid secondary battery, and all-solid secondary battery

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120103378A (en) 2012-09-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lin et al. Lithium phosphide/lithium chloride coating on lithium for advanced lithium metal anode
JP7109879B2 (en) High capacity polymer cathode and high energy density rechargeable battery containing said cathode
KR101073223B1 (en) anode mixture for lithium secondary battery and Lithium secondary battery using the same
US10361451B2 (en) Sulfide solid electrolyte material, lithium solid battery, and producing method for sulfide solid electrolyte material
JP6585007B2 (en) Method for producing positive electrode, sodium ion electrochemical cell, reversible sodium cell, sodium injection
US20140057166A1 (en) Composite graphite particles and use thereof
KR20150098573A (en) Method of producing solid state lithium battery module
US10403885B2 (en) Active material for batteries
Suzuki et al. Composite sulfur electrode for all-solid-state lithium–sulfur battery with Li2S–GeS2–P2S5-based thio-LISICON solid electrolyte
KR101915852B1 (en) Positive electrode active material for secondary battery and secondary battery comprising the same
KR20140121953A (en) Negative electrode for secondary battery, the preparation method thereof and secondary battery comprising the same
US20230136818A1 (en) Solid-state electrochemical cells, processes for their preparation and uses thereof
KR101841278B1 (en) Lithium sulfur battery
JP2023513248A (en) Surface-modified electrodes, methods of preparation and use in electrochemical cells
CN111668484A (en) Negative electrode active material and electricity storage device
KR20190008637A (en) Positive electrode for lithium secondary battery, method for preparing the same and lithium secondary battery comprising the same
JP2020136125A (en) Polymer ceramic composite electrolyte membrane
KR20180134309A (en) Negative electrode, lithium secondarty battery comprising the negative electrode, and method for manufacturing the negative electrode
KR20180087169A (en) Negative electrode for lithium secondary battery, lithium secondary battery comprising the same, and preparing method thereof
KR20170103610A (en) Lithium ion secondary battery
KR20190022310A (en) All solid state secondary battery
US10840539B2 (en) Lithium batteries, anodes, and methods of anode fabrication
US9819207B2 (en) All solid state battery system
KR20180028797A (en) Anode with improved swelling phenomenon and Lithium secondary battery comprising the anode
KR20160009952A (en) Electrolyte solution for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising the same

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant