KR101994879B1 - Non-aqueous liquid electrolye for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬-황 전지의 용량 유지율을 향상시키는 전해액에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬 덴드라이트 성장을 억제하여 리튬 전극을 안정화시키는 전해액 및 이를 포함하는 리튬-황 전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 비수계 전해액을 구비하는 리튬-황 전지는 리튬 전극의 안정화를 도모하여, 사이클에 따른 용량 유지율이 우수하며, 이로 인한 전지 수명 특성이 개선되는 효과가 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrolyte solution for improving the capacity retention rate of a lithium-sulfur battery, and more particularly, to an electrolyte solution for stabilizing a lithium electrode by suppressing lithium dendrite growth and a lithium-sulfur battery including the same. The lithium-sulfur battery including the non-aqueous liquid electrolyte according to the present invention has the effect of stabilizing the lithium electrode, exhibiting excellent capacity retention according to the cycle, and improving battery life characteristics.
Description
본 발명은 리튬-황 전지의 용량 유지율을 향상시키는 전해액에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬 금속을 안정화하여 리튬 덴드라이트 성장을 억제함으로써, 리튬 전극을 안정화시키는 전해액 및 이를 포함하는 리튬-황 전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrolyte solution for improving the capacity retention rate of a lithium-sulfur battery, and more particularly, to an electrolyte solution for stabilizing a lithium electrode by stabilizing lithium metal to suppress lithium dendrite growth, and a lithium- .
최근 전자제품, 전자기기, 통신기기 등의 소형 경량화가 급속히 진행되고 있으며, 환경 문제와 관련하여 전기 자동차의 필요성이 크게 대두됨에 따라 이들 제품의 동력원으로 사용되는 이차전지의 성능 개선에 대한 요구도 증가하는 실정이다. 그 중 리튬 이차전지는 고 에너지밀도 및 높은 표준전극 전위 때문에 고성능 전지로서 상당한 각광을 받고 있다.In recent years, miniaturization and weight reduction of electronic products, electronic devices, and communication devices are rapidly proceeding. As the necessity of electric automobiles has been greatly increased with respect to environmental problems, there has been an increase in demand for performance improvement of secondary batteries used as power sources for these products . Among them, lithium secondary batteries are attracting considerable attention as high performance batteries due to high energy density and high standard electrode potential.
특히 리튬-황(Li-S) 전지는 S-S 결합(Sulfur - sulfur bond)을 갖는 황 계열 물질을 양극 활물질로 사용하고, 리튬 금속을 음극 활물질로 사용하는 이차전지이다. 양극 활물질의 주재료인 황은 자원이 매우 풍부하고, 독성이 없으며, 낮은 원자당 무게를 가지고 있는 장점이 있다. 또한 리튬-황 전지의 이론 방전용량은 1672mAh/g-sulfur이며, 이론 에너지밀도가 2,600Wh/kg로서, 현재 연구되고 있는 다른 전지시스템의 이론 에너지밀도(Ni-MH 전지: 450Wh/kg, Li-FeS 전지: 480Wh/kg, Li-MnO2 전지: 1,000Wh/kg, Na-S 전지: 800Wh/kg)에 비하여 매우 높기 때문에 현재까지 개발되고 있는 전지 중에서 가장 유망한 전지이다.In particular, a lithium-sulfur (Li-S) battery is a secondary battery in which a sulfur-based material having a sulfur-sulfur bond is used as a cathode active material and lithium metal is used as an anode active material. Sulfur, the main material of the cathode active material, is very rich in resources, has no toxicity, and has a low atomic weight. The theoretical energy density of the lithium-sulfur battery is 1672 mAh / g-sulfur and the theoretical energy density is 2,600 Wh / kg. The theoretical energy density (Ni-MH battery: 450 Wh / , Which is the most promising among the batteries that have been developed to date, because it is much higher than the FeS battery (480Wh / kg), Li-MnO 2 battery (1,000Wh / kg) and Na-S battery (800Wh / kg).
리튬-황 전지의 방전 반응 중 음극에서는 리튬의 산화 반응이 발생하고, 양극에서는 황의 환원 반응이 발생한다. 방전 전의 황은 환형의 S8 구조를 가지고 있는데, 환원 반응(방전) 시 S-S 결합이 끊어지면서 S의 산화수가 감소하고, 산화 반응(충전) 시 S-S 결합이 다시 형성되면서 S의 산화수가 증가하는 산화-환원 반응을 이용하여 전기 에너지를 저장 및 생성한다. 이런 반응 중 황은 환형의 S8에서 환원 반응에 의해 선형 구조의 리튬 폴리설파이드(Lithium polysulfide, Li2Sx, x = 8, 6, 4, 2)로 변환되게 되며, 결국 이러한 리튬 폴리설파이드가 완전히 환원되면 최종적으로 리튬 설파이드(Lithium sulfide, Li2S)가 생성되게 된다. 각각의 리튬 폴리설파이드로 환원되는 과정에 의해 리튬-황 전지의 방전 거동은 리튬 이온전지와는 달리 단계적으로 방전 전압을 나타내는 것이 특징이다.During the discharge reaction of the lithium-sulfur battery, the oxidation reaction of lithium occurs at the cathode and the reduction reaction of sulfur occurs at the anode. Sulfur before discharging has an annular S 8 structure. When the SS bond is cut off during the reduction reaction (discharging), the oxidation number of S decreases, and when the oxidation reaction (charging) The reduction reaction is used to store and generate electrical energy. During this reaction, the sulfur is converted to a linear polysulfide (Li 2 S x , x = 8, 6, 4, 2) by the reduction reaction at the cyclic S 8 , When it is reduced, lithium sulfide (Li 2 S) is finally produced. The discharge behavior of the lithium-sulfur battery by the process of reducing to each lithium polysulfide characterizes the discharge voltage stepwise unlike the lithium ion battery.
Li2S8, Li2S6, Li2S4, Li2S2 등의 리튬 폴리설파이드 중에서, 특히 황의 산화수가 높은 리튬 폴리설파이드(Li2Sx, 보통 x > 4)는 친수성의 전해액에 쉽게 녹는다. 전해액에 녹은 리튬 폴리설파이드는 농도 차에 의해서 리튬 폴리설파이드가 생성된 양극으로부터 먼 쪽으로 확산되어 간다. 이렇게 양극으로부터 용출된 리튬 폴리설파이드는 양극 반응 영역 밖으로 유실되어 리튬 설파이드(Li2S)로의 단계적 환원이 불가능하다. 즉, 양극과 음극을 벗어나 용해된 상태로 존재하는 리튬 폴리설파이드는 전지의 충·방전 반응에 참여할 수 없게 되므로, 양극에서 전기화학 반응에 참여하는 황 물질의 양이 감소하게 되고, 결국 리튬-황 전지의 충전 용량 감소 및 에너지 감소를 일으키는 주요한 요인이 된다.Among lithium polysulfides such as Li 2 S 8 , Li 2 S 6 , Li 2 S 4 and Li 2 S 2 , lithium polysulfide (Li 2 S x , usually x> 4) having a high oxidation number of sulfur is used in a hydrophilic electrolytic solution It melts easily. The lithium polysulfide dissolved in the electrolytic solution diffuses away from the anode where the lithium polysulfide is generated due to the difference in the concentration. Thus, the lithium polysulfide eluted from the anode is lost outside the positive electrode reaction region, and it is impossible to perform the stepwise reduction to lithium sulfide (Li 2 S). That is, since the lithium polysulfide existing in a dissolved state from the anode and the cathode is not able to participate in the charge-discharge reaction of the battery, the amount of the sulfur material participating in the electrochemical reaction at the anode is reduced, Which is a major factor in reducing the charge capacity and energy of the battery.
뿐만 아니라 음극으로 확산한 리튬 폴리설파이드는 전해액 중에 부유 또는 침전되는 것 이외에도, 리튬과 직접 반응하여 음극 표면에 Li2S 형태로 고착되므로 리튬 금속 음극을 부식시키는 문제를 발생시킨다.In addition to being suspended or precipitated in the electrolyte solution, the lithium polysulfide diffused into the cathode causes a problem of corrosion of the lithium metal cathode because it reacts directly with lithium and is fixed in the form of Li 2 S on the surface of the cathode.
Li + Li2Sx → Li2SLi + Li 2 S x → Li 2 S
상기 반응식에 의한 반응으로 인하여 리튬 금속 음극 표면은 충·방전 동안에 리튬 금속의 석출, 용해로 생성된 리튬 금속 입자와 리튬 설파이드가 혼재되어 있다. 이로 인하여 리튬 음극의 표면은 다공성 구조로 바뀌게 되고, 일부는 수지상으로 성장하여 리튬 덴드라이트(Dendrite)를 이루게 된다. 이와 같이 형성된 다공성 구조 및 리튬 덴드라이트로 인하여, 리튬 금속의 손실이 가속되고, 비가역 용량을 초래하여 리튬-황 전지의 수명은 감소하게 된다. 또한 리튬 덴드라이트는 반응성이 매우 뛰어나 리튬-황 전지의 단락, 발열, 발화 및 폭발을 일으켜 안정성에 심각한 문제를 야기한다. Due to the reaction according to the above reaction formula, lithium metal particles and lithium sulfide produced by precipitation and dissolution of lithium metal are mixed in the surface of the lithium metal cathode during charge and discharge. As a result, the surface of the lithium negative electrode is changed to a porous structure, and a part of the lithium negative electrode is dendritic to form a lithium dendrite. Due to the porous structure and lithium dendrite formed in this manner, the loss of lithium metal accelerates, resulting in irreversible capacity and a reduction in the lifetime of the lithium-sulfur battery. In addition, lithium dendrites are highly reactive and lead to short-circuit, heat, ignition and explosion of lithium-sulfur batteries, thus causing serious problems in stability.
따라서 리튬-황 전지의 상용화를 위해서, 리튬 폴리 설파이드와 리튬 덴드라이트 문제는 가장 우선적으로 해결해야 할 과제이다.Therefore, for the commercialization of lithium-sulfur battery, the problem of lithium polysulfide and lithium dendrite is the first priority to be solved.
상기한 바와 같이 리튬 폴리설파이드의 용출 억제를 위하여, 양극 구조를 설계하거나, 차단층(Mediator) 등을 적용하는 시도가 이루어지고 있으나, 양극의 제조 공정이 복잡하고 차단층 성분의 합성이 어려운 단점이 있다. 또한 리튬 덴드라이트 성장 억제를 위해 다양한 첨가제를 이용하거나, 전해질의 가교 구조를 형성하는 등의 기술이 제안된 바 있으나, 현재까지 만족할만한 효과를 나타내지 못하는 실정이다.As described above, attempts have been made to design an anode structure or to apply a mediator or the like in order to inhibit the dissolution of lithium polysulfide, but the manufacturing process of the anode is complicated and the synthesis of the barrier layer component is difficult have. In addition, various techniques have been proposed to inhibit the growth of lithium dendrite, such as the use of various additives or the formation of a crosslinked structure of an electrolyte. However, such a technique has not been satisfactory to date.
이에 본 발명자들은 리튬-황 전지의 문제점을 해결하기 위한 보다 효과적인 방법으로서, 전해액의 조성을 통하여 리튬 폴리설파이드의 용출 문제를 해결하고, 리튬 금속의 안정성을 강화하고자 연구와 실험을 계속한 결과, 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have continued research and experiment to solve the problem of dissolution of lithium polysulfide through the composition of the electrolytic solution and to enhance the stability of the lithium metal as a more effective method for solving the problem of the lithium-sulfur battery, .
따라서, 본 발명의 목적은 리튬-황 전지용 비수계 전해액을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a non-aqueous liquid electrolyte for a lithium-sulfur battery.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 비수계 전해액을 포함하는 리튬-황 전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a lithium-sulfur battery including the non-aqueous liquid electrolyte.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 에테르(Ether)계 용매; 설포네이트(Sulfonate)계 용매; 리튬비스플루오로설포닐이미드(Lithium bis(fluorosulfonyl)imide: LiFSI); 및 질산계 화합물을 포함하는 리튬-황 전지용 비수계 전해액을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a process for producing an organic solvent, Sulfonate-based solvents; Lithium bis (fluorosulfonyl) imide: LiFSI); And a non-aqueous liquid electrolyte for a lithium-sulfur battery including a nitric acid-based compound.
또한 본 발명은 상기 전해액을 포함하는 리튬-황 전지를 제공한다.The present invention also provides a lithium-sulfur battery including the electrolyte.
본 발명에 따른 비수계 전해액을 구비하는 리튬-황 전지는 리튬 전극을 안정화시켜, 리튬 덴드라이트 생성을 억제하고 리튬 폴리설파이드의 용출을 방지하여, 사이클에 따른 용량 유지율이 우수하며, 이로 인한 전지 수명 특성이 개선되는 효과가 있다.The lithium-sulfur battery including the non-aqueous liquid electrolyte according to the present invention stabilizes the lithium electrode, suppressing the generation of lithium dendrite, preventing elution of the lithium polysulfide, and exhibiting excellent capacity retention ratio according to the cycle, The characteristics are improved.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 실시예 및 비교예의 사이클에 따른 용량 유지율을 나타내는 그래프이다.1 is a graph showing the capacity retention rate according to the cycle of the embodiment and the comparative example according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 양태로 구현될 수 있으며, 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
본 명세서에 있어서, 「~」를 사용하여 나타낸 수치 범위는 「~」의 전후에 기재되는 수치를 각각 최소치 및 최대치로서 포함하는 범위를 나타낸다. 또한 본 명세서에 있어서, 「이들의 조합」이란 특별한 언급이 없는 한, 둘 이상을 혼합 또는 결합하여 하나의 요소로 적용하거나, 각각을 개별의 요소로 적용하는 것 모두를 포함하는 의미이며, 상기 적용 형태를 불문하고 「이들의 조합」은 1종으로 간주된다.In the present specification, the numerical range indicated by using " ~ " indicates a range including numerical values before and after " ~ " as the minimum value and the maximum value, respectively. In the present specification, the term " combination thereof " is intended to include both of mixing two or more of them as a single element or applying each of them as a separate element, Any combination of these, regardless of their form, is regarded as one species.
본 발명은 에테르(Ether)계 용매; 설포네이트(Sulfonate)계 용매; 리튬염; 및 질산계 첨가제를 포함하는 리튬 이차전지용 비수계 전해액을 제공한다. 이하 각 구성 요소별로 본 발명을 상세히 설명한다.The present invention relates to an ether-based solvent; Sulfonate-based solvents; Lithium salts; And a non-aqueous liquid electrolyte for a lithium secondary battery comprising a nitric acid-based additive. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
에테르계 용매Ether solvent
본 발명에 따른 에테르계 용매는 선형 에테르(Non-cyclic ether), 환형 에테르(Cyclic ether), 폴리에테르(Polyether) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.The ether solvent according to the present invention may be a non-cyclic ether, a cyclic ether, a polyether or a mixture thereof.
상기 선형 에테르는 비제한적인 예로서, 디에틸 에테르(Diethyl ether), 디프로필 에테르(Dipropyl ether), 디부틸 에테르(Dibutyl ether), 디메톡시메탄(Dimethoxymethane, DMM), 트리메톡시메탄(Trimethoxyethane, TMM), 디메톡시에탄(Dimethoxyethane, DME), 디에톡시에탄(Diethoxyethane, DEE) 및 디메톡시프로판(Dimethoxypropane, DMP) 군으로부터 선택 가능하다.Examples of the linear ether include, but are not limited to, diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether, dimethoxymethane (DMM), trimethoxyethane, (TM), dimethoxyethane (DME), diethoxyethane (DEE), and dimethoxypropane (DMP).
상기 환형 에테르는 비제한적인 예로서, 디옥솔란(Dioxolane, DOL), 메틸디옥솔란(Methyldioxolane), 옥세인(Oxane), 디옥세인(Dioxane), 트리옥세인(Trioxane), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF), 디하이드로피란(Dihydropyran, DHP), 테트라하이드로피란(Tetrahydropyran, THP) 및 메틸테트라하이드로퓨란(Methyltetrahydrofuran), 퓨란(Furan) 및 메틸 퓨란(Methyl furan) 군으로부터 선택 가능하다. The cyclic ethers include, but are not limited to, Dioxolane (DOL), Methyldioxolane, Oxane, Dioxane, Trioxane, Tetrahydrofuran, Tetrahydrofuran (THF), dihydropyran (DHP), tetrahydropyran (THP) and methyltetrahydrofuran, furan and methyl furan.
또한 상기 폴리에테르는 비제한적인 예로서, 디에틸렌글리콜 디메틸에테르(Diethyleneglycol dimethyl ether), 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르(Triethyleneglycol dimethyl ether), 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르(Tetraethyleneglycol dimethyl ether), 에틸렌글리콜 디비닐에테르(Ethyleneglycol divinyl ether), 디에틸렌글리콜 디비닐에테르(Diethyleneglycol divinyl ether), 트리에틸렌글리콜 디비닐에테르(Triethyleneglycol divinyl ether), 디프로필렌 글리콜 디메틸렌 에테르(Dipropyleneglycol dimethylene ether) 및 부틸렌 글리콜 에테르(Butyleneglycol ether) 군으로부터 선택 가능하다.Examples of the polyether include, but are not limited to, diethyleneglycol dimethyl ether, triethyleneglycol dimethyl ether, tetraethyleneglycol dimethyl ether, ethylene glycol divinyl ether ( Ethyleneglycol divinyl ether, diethyleneglycol divinyl ether, triethyleneglycol divinyl ether, dipropyleneglycol dimethylene ether and butyleneglycol ether groups. Lt; / RTI >
보다 구체적으로, 상기 에테르계 용매는 1,3-디옥솔란(1,3-Dioxolane: DOL), 1,2-디메톡시에탄(1,2-Dimethoxyethane: DME), 퓨란(Furan), 2-메틸 퓨란(2-Methylfuran), 2,5-디메틸퓨란(2,5-Dimethylfuran), 테트라하이드로 퓨란(Tetrahydrofuran), 에틸렌 옥사이드(Ethylene oxide), 1,4-옥세인(1,4-Oxane), 4-메틸-1,3-디옥솔란(4-Methyl-1,3-Dioxolane), 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르(TEGDME) 또는 이들의 혼합 용매일 수 있다.More specifically, the ether solvent may include 1,3-dioxolane (DOL), 1,2-dimethoxyethane (DME), furan, 2-methyl 2-Methylfuran, 2,5-Dimethylfuran, Tetrahydrofuran, Ethylene oxide, 1,4-Oxane, 4 Methyl-1,3-dioxolane, tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), or a mixture thereof.
바람직하게는, 선형 에테르와 환형 에테르에서 각각 1종씩 선택하여 혼합할 수 있으며, 보다 바람직하게는 1,3-디옥솔란(1,3-Dioxolane: DOL)과 1,2-디메톡시에탄(1,2-Dimethoxyethane: DME)을 소정의 부피비로 혼합 적용하는 것으로, 일례로 1 : 1의 부피비로 혼합된 용액일 수 있다.Preferably, one of the linear ether and the cyclic ether can be selected and mixed. More preferably, 1,3-dioxolane (DOL) and 1,2-dimethoxyethane (1, 2-dimethoxyethane: DME) in a predetermined volume ratio. For example, the mixed solution may be mixed at a volume ratio of 1: 1.
상기 에테르계 용매는 전해액의 점도를 감소시킴과 동시에, 에테르 대칭 구조에 의해 리튬 양이온을 킬레이션(Chelation)시켜 리튬염의 해리도를 높이고, 전해액의 이온 전도도를 크게 향상시킬 수 있다. 이온 전도도는 일반적으로 전해액 안에서 이온들의 이동도에 따라 결정되므로, 이온 전도도에 영향을 주는 인자는 전해액의 점도와 용액 내의 이온 농도이다. 용액의 점도가 낮을수록 용액 내에서의 이온의 이동이 자유롭고 이온 전도도는 증가하며, 용액 내에서의 이온의 농도가 높을수록 전하 수송체인 이온의 양이 증가하여 이온 전도도가 증가하게 된다.The ether solvent can reduce the viscosity of the electrolytic solution and chelate the lithium cation by the ether symmetric structure to increase the dissociation degree of the lithium salt and greatly improve the ionic conductivity of the electrolytic solution. Since ionic conductivity is generally determined by the mobility of ions within the electrolyte, the factors affecting ionic conductivity are the viscosity of the electrolyte and the concentration of ions in the solution. The lower the viscosity of the solution, the more the ions move in the solution and the ionic conductivity increases. The higher the concentration of ions in the solution, the higher the ionic conductivity of the charge transport chain.
본 발명의 리튬-황 전지용 비수계 전해액에 있어, 상기 에테르계 용매의 함량은 전지의 성능을 향상시키고자 하는 목표에 따라 조절 가능하나, 전해액 전체 부피를 기준으로 50 ~ 95 % 범위 내에서 적용하는 것이 바람직하다. 50 % 미만을 사용하는 경우 원하는 성능 향상 효과가 미미하며, 최소 5 %는 하기 설명하는 설포네이트계 용매를 사용해야 하기 때문에 95 %를 초과할 수 없다.In the non-aqueous liquid electrolyte for a lithium-sulfur battery of the present invention, the content of the ether-based solvent may be adjusted according to the goal of improving the performance of the battery, but is applied within the range of 50 to 95% based on the total volume of the electrolyte . If less than 50% is used, the desired performance improvement is insignificant, and at least 5% can not exceed 95%, since the sulfonate-based solvent described below must be used.
설포네이트계Sulfonate system 용매 menstruum
본 발명에 따른 설포네이트계 용매의 비제한적인 예로는 메틸 메탄설포네이트(Methyl methansulfonate), 에틸 메탄설포네이트(Ethyl methansulfonate), 메틸 에탄설포네이트(Methyl ethansulfonate), 프로필 메탄설포네이트(Propyl methansulfonate), 메틸 프로판설포네이트(Methyl propansulfonate), 에틸 프로판설포네이트(Ethyl propansulfonate), 에테닐 메탄설포네이트(Ethenyl methansulfonate), 프로페닐 메탄설포네이트(Propenyl methansulfonate), 에테닐 벤젠설포네이트(Ethenyl benzenesulfonate), 프로페닐 프로펜설포네이트(Propenyl propensulfonate), 프로페닐 시아노에탄설포네이트(Propenyl cyanoethansulfonate) 등이 있으나, 이에 한정하지 않는다. 또한, 이들은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.Non-limiting examples of the sulfonate-based solvent according to the present invention include methyl methanesulfonate, ethyl methanesulfonate, methyl ethanesulfonate, propyl methanesulfonate, Methyl propanesulfonate, ethyl propanesulfonate, Ethenyl methanesulfonate, propenyl methanesulfonate, Ethenyl benzenesulfonate, propenylsulfonate, But are not limited to, propenyl propensulfonate, propenyl cyanoethanesulfonate, and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
상기 설포네이트계 용매는 전기적 환원시, 설포네이트기의 산소에 리튬 이온이 배위되고, 설포네이트기의 황과 치환기 간의 결합이 끊어지면서, 리튬 설포네이트 라디칼(-SO3 -Li+) 및 치환기 라디칼을 형성한다. 본 발명의 설포네이트계 용매는 설포네이트기의 치환기를 포함한다. 따라서, 본 발명에서는 상기에서 형성되는 치환기 라디칼(예컨대, 알릴 라디칼)이 화학적으로 안정한 공명 구조(Resonance)를 가질 수 있으며, 이는 설포네이트계 용매의 환원에 유리하게 작용할 수 있다. In the sulfonate-based solvent, lithium ions are coordinated to the oxygen of the sulfonate group and the bond between the sulfur of the sulfonate group and the substituent is broken, and a lithium sulfonate radical (-SO 3 - Li + ) and a substituent radical . The sulfonate-based solvent of the present invention includes a substituent of a sulfonate group. Therefore, in the present invention, the substituent radical (for example, an allyl radical) formed in the above may have a chemically stable resonance structure, which may be advantageous in reduction of a sulfonate-based solvent.
리튬-황 전지는 리튬 이온이 탄소 전극으로 삽입(Intercalation)되고 탈리(Deintercalation)되는 과정을 반복하면서 충·방전이 진행되는데, 이때 리튬은 반응성이 강하므로 탄소 전극과 반응하여 Li2CO3, LiO2, LiOH 등을 생성시켜 음극의 표면에 피막을 형성하며, 이러한 피막을 고체 전해질(Solid electrolyte interface; 이하 SEI) 막이라고 한다. 이러한 SEI 막은 최초 충전시 일단 형성되고 나면 이후 전지 사용에 의한 충·방전 반복 시 리튬 이온과 음극 또는 다른 물질과의 반응을 막아주며, 전해액과 음극 사이에서 리튬 이온만을 통과시키는 이온 터널로서의 역할을 수행하게 된다.The lithium-sulfur battery is charged and discharged while intercalating and deintercalating lithium ions into the carbon electrode. Since lithium is highly reactive, it reacts with the carbon electrode to generate Li 2 CO 3 , LiO 2 , LiOH, and the like to form a film on the surface of the negative electrode. Such a film is called a solid electrolyte interface (SEI) film. These SEI membranes, once formed during the initial charge, prevent the reaction between lithium ions and the negative electrode or other materials during repetition of charging and discharging by using batteries, and serve as ion tunnels for passing only lithium ions between the electrolyte and the negative electrode .
본 발명에서 사용하는 설포네이트계 용매는 전해액 내에서 설포네이트 음이온으로 해리되고, 이는 리튬 양이온과 기타 전해액 내 다른 이온들(NO3 음이온, 리튬염 내 설포네이트 음이온)과 높은 반응성을 나타내 이들 간의 이온 결합을 통해 음극 표면에 SEI 막을 형성한다. 상기 SEI 막은 막 구조 내 S, 및 O와 같은 극성기를 함유하여 리튬 이온전도성이 우수할 뿐만 아니라 종래 전해액의 용매로서 카보네이트 계열 용매를 사용하거나 에테르계 용매를 단독 사용하는 경우에 형성되는 SEI 막과 비교하여 보다 조밀하고 안정한 막 특성을 갖는다. 이로 인해, 최종 제조된 전지의 용량 및 수명 특성이 개선되는 효과를 확보할 수 있다.The sulfonate-based solvent used in the present invention is dissociated into a sulfonate anion in the electrolyte solution, which is highly reactive with lithium ions and other ions (NO 3 anion, sulfonate anion in the lithium salt) in the electrolyte, The SEI film is formed on the surface of the negative electrode through bonding. The SEI film contains a polar group such as S and O in the film structure and thus has excellent lithium ion conductivity. In addition, the SEI film is excellent in lithium ion conductivity and is comparable to SEI film formed when a carbonate-based solvent is used as a solvent of a conventional electrolyte solution or when an ether- So that it has more dense and stable film characteristics. As a result, it is possible to secure an effect of improving the capacity and life characteristic of the finally produced battery.
본 발명의 리튬-황 전지용 비수계 전해액에 있어, 상기 설포네이트계 용매의 함량은 전지의 성능을 향상시키고자 하는 목표에 따라 조절 가능하나, 전해액 전체 부피를 기준으로 5 ~ 50 % 범위 내에서 적용하는 것이 바람직하다. 5 % 미만을 사용하는 경우 원하는 성능 향상 효과가 미미하며, 50 %를 초과하는 경우 전지의 저항이 커질 수 있다. 따라서 상술한 에테르계 용매와 설포테이트계 용매는 50 : 50 ~ 95 : 5의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.In the nonaqueous electrolyte solution for a lithium-sulfur battery of the present invention, the content of the sulfonate solvent may be adjusted according to the aim of improving the performance of the battery, but it is applied within the range of 5 to 50% based on the total volume of the electrolyte solution . If less than 5% is used, the desired performance improvement is insignificant, and if it exceeds 50%, the resistance of the battery may be increased. Therefore, the ether solvent and the sulfatoate solvent are preferably mixed in a volume ratio of 50:50 to 95: 5.
리튬염Lithium salt
본 발명의 리튬-황 전지용 비수계 전해액에 포함되는 리튬염인 LiFSI((FSO2)2NLi)는 145℃ 융점을 가지며, 200℃까지 열적으로 안정하다. LiFSI는 LiPF6, LiTFSI((CF3SO2)2NLi)보다 높은 전기전도도를 나타낼 뿐만 아니라, 가수분해 측면에서 LiPF6 보다 안정하고, LiTFSI 보다 낮은 부식성을 가지므로, LiPF6 또는 LiTFSI를 리튬염으로 사용하는 경우에 발생하였던 집전체 부식성과 같은 문제가 개선될 수 있다.LiFSI ((FSO 2 ) 2 NLi), which is a lithium salt contained in the nonaqueous electrolyte solution for a lithium-sulfur battery of the present invention, has a melting point of 145 캜 and is thermally stable up to 200 캜. LiFSI not only exhibits higher electrical conductivity than LiPF 6 , LiTFSI ((CF 3 SO 2 ) 2 NLi), but also exhibits higher electrical conductivity than LiPF 6 More stable and less corrosive than LiTFSI, LiPF 6 Or LiTFSI as a lithium salt, problems such as current collecting corrosion may be solved.
또한 LiFSI는 음극 표면에 견고하고 안정한 상술한 SEI 막을 형성함으로써 초기 출력 특성, 저온 및 고온 출력 특성을 개선시킴은 물론, 45℃ 이상의 고온 사이클 작동 시 발생할 수 있는 양극 표면의 분해를 억제하고 전해액의 산화 반응을 방지하여 이차전지의 용량 특성을 동시에 향상시킬 수 있다.In addition, LiFSI improves the initial output characteristics, low temperature and high temperature output characteristics by forming a solid and stable SEI film on the surface of the anode, inhibits decomposition of the anode surface which may occur during operation at a high temperature of 45 ° C or more, It is possible to improve the capacity characteristics of the secondary battery at the same time.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 LiFSI는 상기 전해액 중의 농도는 0.05 ~ 5 M 범위 내에서, 바람직하게는 0.1 ~ 1 M로 사용한다. 만약 그 농도가 상기 범위 미만이면 리튬-황 전지의 출력 개선 및 사이클 특성 개선 효과가 미미하고, 상기 범위를 초과하면 전지의 충·방전 시 전해액 내의 부반응이 과도하게 발생하여 고온 사이클 시 양극 표면의 분해로 인해 가스가 지속적으로 발생되어 전지의 두께가 증가되는 스웰링(Swelling) 현상이 일어날 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the concentration of LiFSI in the electrolytic solution is in the range of 0.05 to 5 M, preferably 0.1 to 1 M. If the concentration is less than the above range, the improvement of the output and cycle characteristics of the lithium-sulfur battery is insignificant. If the concentration exceeds the above range, a side reaction in the electrolyte is excessively generated during charging and discharging of the battery, A swelling phenomenon may occur in which gas is continuously generated to increase the thickness of the battery.
본 발명에 따른 리튬염은 LiFSI 단독으로 사용되거나, 또는 당업계에서 통상적으로 사용되는 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiC4BO8, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, (C2F5SO2)2NLi, (CF3SO2)3CLi, 클로로 보란 리튬, 저급지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등의 보조 리튬염과 혼합되어 사용될 수 있다. 예컨대, LiFSI는 LiPF6와 함께 사용될 수 있다. 이 경우, 양극 집전체의 부식 억제의 효과가 있으며, 음극 계면 안정화에 도움을 주어 상온 및 저온에서의 용량 유지율 개선을 확인할 수 있다.The lithium salt according to the invention LiFSI solely used or, or industry conventionally used in the art as LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4,
상기 LiFSI과 보조 리튬염과의 혼합비는 몰비로서, 1 : 1 내지 9 : 1인 것이 바람직하다. 상기 LiFSI과 보조 리튬염의 혼합비가 상기 몰비의 범위를 벗어날 경우, 전지의 충·방전 시 전해액 내의 부반응이 과도하게 발생하여 스웰링 현상이 일어날 수 있다.The molar ratio of LiFSI to the auxiliary lithium salt is preferably 1: 1 to 9: 1. When the mixing ratio of the LiFSI and the auxiliary lithium salt is out of the range of the molar ratio, a side reaction in the electrolytic solution occurs excessively during charging / discharging of the battery, and swelling phenomenon may occur.
첨가제additive
본 발명의 리튬-황 전지용 비수계 전해액은 첨가제로서 질산계 화합물을 사용한다. 상기 질산계 화합물은 리튬 전극에 안정적인 피막을 형성하고 충ㆍ방전 효율을 크게 향상시키는 효과가 있다. 이러한 질산계 화합물로는 본 발명에서 특별히 한정하지는 않으나, 질산리튬(LiNO3), 아질산리튬(LiNO2) 등의 무기계 질산 화합물; 니트로메탄(CH3NO2), 메틸나이트레이트(CH3NO3) 등의 유기계 질산 화합물; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하며, 바람직하게는 질산리튬(LiNO3)을 사용한다.The nonaqueous electrolyte solution for a lithium-sulfur battery of the present invention uses a nitric acid compound as an additive. The nitric acid compound has the effect of forming a stable film on the lithium electrode and greatly improving the charge / discharge efficiency. Examples of such nitric acid compounds include, but are not limited to, inorganic nitric acid compounds such as lithium nitrate (LiNO 3 ) and lithium nitrite (LiNO 2 ); Organic nitrate compounds such as nitromethane (CH 3 NO 2 ) and methyl nitrate (CH 3 NO 3 ); And a combination thereof. Lithium nitrate (LiNO 3 ) is preferably used.
상기 질산계 화합물은 전체 전해액 조성 100 중량% 내에서 0.01 ~ 10 중량% 범위 내에서, 바람직하게는 0.1 ~ 5 중량%로 사용한다. 만약 그 함량이 상기 범위 미만이면 상기한 효과를 확보할 수 없고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하게 되면 피막에 의해 오히려 저항이 증가할 우려가 있으므로, 상기 범위 내에서 적절히 조절한다.The nitric acid compound is used in an amount of 0.01 to 10% by weight, preferably 0.1 to 5% by weight within 100% by weight of the total electrolyte composition. If the content is less than the above range, the above-mentioned effect can not be ensured. On the other hand, if the content exceeds the above range, resistance may increase due to the coating film.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 전해액은 에테르계 용매, 설포네이트계 용매, LiFSI 리튬염 및 질산계 화합물 4종류의 성분 조합 시, 리튬 금속의 안정성을 강화할 수 있고, 보다 바람직하게 Li-S 전지에서는 리튬 폴리설파이드 용출 문제를 해결할 수 있다.As described above, the electrolyte according to the present invention can enhance the stability of the lithium metal when the four kinds of components of the ether type solvent, the sulfonate type solvent, the LiFSI lithium salt and the nitric acid type compound are combined, and more preferably the Li- The problem of dissolving lithium polysulfide can be solved.
본 발명에 따른 상기 전해액의 제조방법은 특별히 한정하지 않고 당업계에 공지된 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있다.The method for producing the electrolytic solution according to the present invention is not particularly limited and can be produced by a conventional method known in the art.
리튬-황 전지Lithium-sulfur battery
전술한 본 발명의 리튬-황 전지용 비수 전해액은 음극과 양극을 구비하는 통상적인 리튬-황 전지에 적용된다. 본 발명에 따른 리튬-황 전지는 서로 대향 배치되는 양극 및 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 상기 양극, 음극 및 분리막에 함침되며 이온 전도성을 가지는 전해액을 포함하는 리튬-황 전지로서, 본 발명의 일 실시 태양은 리튬-황 전지일 수 있다.The nonaqueous electrolyte solution for a lithium-sulfur battery of the present invention described above is applied to a conventional lithium-sulfur battery having a negative electrode and a positive electrode. The lithium-sulfur battery according to the present invention comprises a positive electrode and a negative electrode arranged opposite to each other; A separator interposed between the anode and the cathode; And a lithium-sulfur battery impregnated with the positive electrode, the negative electrode, and the separator, and having an ionic conductivity. One embodiment of the present invention may be a lithium-sulfur battery.
양극anode
본 발명에 따른 양극은 리튬-황 전지의 양극으로서, 양극 활물질층 및 이를 지지하기 위한 양극 집전체를 포함할 수 있다.The positive electrode according to the present invention may include a positive electrode active material layer and a positive electrode collector for supporting the positive electrode active material layer as a positive electrode of a lithium-sulfur battery.
상기 양극 활물질은 황 원소(Elemental sulfur, S8), 황 계열 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 황 계열 화합물은 구체적으로, Li2Sn(n≥1), 유기황 화합물 또는 탄소-황 폴리머((C2Sx)n: x=2.5 ~ 50, n≥2) 등일 수 있다. 이들은 황 물질 단독으로는 전기전도성이 없기 때문에 도전재와 복합하여 적용한다.The cathode active material may include elemental sulfur (S8), a sulfur-based compound, or a mixture thereof. Specifically, the sulfur-based compound may be Li 2 S n ( n ? 1), an organic sulfur compound or a carbon-sulfur polymer ((C 2 S x ) n : x = 2.5 to 50, n? They are applied in combination with the conductive material since the sulfur alone does not have electrical conductivity.
상기 도전재는 다공성일 수 있다. 따라서, 상기 도전재로는 다공성 및 도전성을 갖는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 다공성을 갖는 탄소계 물질을 사용할 수 있다. 이와 같은 탄소계 물질로는 카본 블랙, 그라파이트, 그래핀, 활성탄, 탄소 섬유 등을 사용할 수 있다. 또한, 금속 메쉬 등의 금속성 섬유; 구리, 은, 니켈, 알루미늄 등의 금속성 분말; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 유기 도전성 재료도 사용할 수 있다. 상기 도전성 재료들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다. The conductive material may be porous. Therefore, any conductive material having porosity and conductivity may be used without limitation, and for example, a carbon-based material having porosity may be used. Examples of such carbon-based materials include carbon black, graphite, graphene, activated carbon, carbon fiber, and the like. Further, metallic fibers such as metal mesh; Metallic powder such as copper, silver, nickel, and aluminum; Or an organic conductive material such as a polyphenylene derivative can also be used. The conductive materials may be used alone or in combination.
상기 바인더는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 스티렌-부타디엔 고무, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체, 불화비닐리덴-헥사 플루오로프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 불화비니리덴-펜타프루오로 프로필렌 공중합체, 프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌-테트라 플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-퍼플루오로메틸비닐에테르-테트라플루오로 에틸렌 공중합체, 에틸렌-아크릴산 공중합제 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 바인더로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.The binder may include a thermoplastic resin or a thermosetting resin. For example, it is possible to use polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene-butadiene rubber, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, vinylidene fluoride- Vinylidene fluoride copolymer, fluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoro Ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymers, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymers, vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene copolymers, ethylene -Acrylic acid copolymer or the like may be used alone or in combination, but not always limited thereto, Anything that can be used as a binder in the technical field is possible.
상기 양극 집전체로는 기술분야에서 집전체로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하고, 구체적으로 우수한 도전성을 갖는 발포 알루미늄, 발포 니켈 등을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.The positive electrode current collector may be any as long as it can be used as a current collector in the technical field. Specifically, it may be preferable to use foamed aluminum or foamed nickel having excellent conductivity.
상기와 같은 양극은 통상의 방법에 따라 제조될 수 있으며, 구체적으로는 양극 활물질과 도전재 및 바인더를 유기 용매 상에서 혼합하여 제조한 양극 활물질층 형성용 조성물을, 집전체 위에 도포 및 건조하고, 선택적으로 전극 밀도의 향상을 위하여 집전체에 압축 성형하여 제조할 수 있다. 이때 상기 유기 용매로는 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 균일하게 분산시킬 수 있으며, 쉽게 증발되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란, 물, 이소프로필알코올 등을 들 수 있다.The positive electrode may be prepared by a conventional method. Specifically, a composition for forming a positive electrode active material layer prepared by mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder in an organic solvent is applied on a current collector, And then compression molding the current collector to improve the electrode density. At this time, it is preferable that the organic solvent, the cathode active material, the binder and the conductive material can be uniformly dispersed and easily evaporated. Specific examples thereof include acetonitrile, methanol, ethanol, tetrahydrofuran, water, isopropyl alcohol and the like.
음극cathode
본 발명에 따른 음극은 리튬-황 전지의 음극으로서, 음극 활물질층 및 상기 이의 지지를 위한 음극 집전체를 선택적으로 더 포함할 수도 있다.The negative electrode according to the present invention may further include a negative electrode active material layer and a negative electrode current collector for supporting the negative electrode active material layer as a negative electrode of a lithium-sulfur battery.
상기 음극으로는 음극 활물질로서 리튬 이온(Li+)을 가역적으로 흡장(Intercalation) 또는 방출(Deintercalation)할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 사용할 수 있다. 상기 리튬 이온(Li+)을 가역적으로 흡장 또는 방출할 수 있는 물질은 예컨대 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 리튬 이온(Li+)과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질은 예를 들어, 산화주석, 티타늄나이트레이트 또는 실리콘일 수 있다. 상기 리튬 합금은 예를 들어, 리튬(Li)과 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 알루미늄(Al) 및 주석(Sn)으로 이루어지는 군에서 선택되는 금속의 합금일 수 있다.Examples of the negative electrode include a material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions (Li + ) as a negative electrode active material, a material capable of reversibly forming a lithium-containing compound by reacting with lithium ions, Lithium alloy may be used. The material capable of reversibly storing or releasing lithium ions (Li < + & gt ; ) may be, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof. The material capable of reacting with the lithium ion (Li < + & gt ; ) to reversibly form a lithium-containing compound may be, for example, tin oxide, titanium nitride or silicon. The lithium alloy includes, for example, lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), francium (Fr), beryllium (Be), magnesium (Mg) Ca, strontium (Sr), barium (Ba), radium (Ra), aluminum (Al), and tin (Sn).
상기 바인더는 음극 활물질의 페이스트화, 활물질간 상호 접착, 활물질과 집전체와의 접착, 활물질 팽창 및 수축에 대한 완충 효과 등의 역할을 한다. 구체적으로 상기 바인더는 앞서 양극의 바인더에서 설명한 바와 동일하다.The binder acts as a paste for the anode active material, mutual adhesion between the active materials, adhesion between the active material and the current collector, buffering effect on expansion and contraction of the active material, and the like. Specifically, the binder is the same as that described above for the positive electrode binder.
또한 상기 음극은 리튬 금속 또는 리튬 합금일 수 있다. 비제한적인 예로, 음극은 리튬 금속의 박막일 수도 있으며, 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al 및 Sn 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속과의 합금일 수 있다.The negative electrode may be a lithium metal or a lithium alloy. As a non-limiting example, the negative electrode may be a thin film of lithium metal, and may include one or more metals selected from the group consisting of lithium, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, / RTI >
상기 음극 집전체는 구체적으로 구리, 스테인리스스틸, 티타늄, 은, 팔라듐, 니켈, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다. 상기 스테인리스스틸은 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면 처리될 수 있으며, 상기 합금으로는 알루미늄-카드뮴 합금이 사용될 수 있다. 그 외에도 소성 탄소, 도전제로 표면 처리된 비전도성 고분자, 또는 전도성 고분자 등이 사용될 수도 있다.The negative electrode current collector may be specifically selected from the group consisting of copper, stainless steel, titanium, silver, palladium, nickel, alloys thereof, and combinations thereof. The stainless steel may be surface-treated with carbon, nickel, titanium or silver, and an aluminum-cadmium alloy may be used as the alloy. In addition, fired carbon, a nonconductive polymer surface treated with a conductive agent, or a conductive polymer may be used.
분리막Membrane
양극과 음극 사이는 통상적인 분리막이 개재될 수 있다. 상기 분리막은 전극을 물리적으로 분리하는 기능을 갖는 물리적인 분리막으로서, 통상의 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하며, 특히 전해액의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다.A conventional separator may be interposed between the anode and the cathode. The separation membrane is a physical separation membrane having a function of physically separating the electrode. Any separator membrane can be used without any particular limitations as long as it is used as a conventional separation membrane. Particularly, it is preferable that the separator membrane is low in resistance against ion movement of the electrolyte solution and excellent in electrolyte wettability.
또한 상기 분리막은 양극과 음극을 서로 분리 또는 절연시키면서 양극과 음극 사이에 리튬 이온의 수송을 가능하게 한다. 이러한 분리막은 다공성이고 비전도성 또는 절연성인 물질로 이루어질 수 있다. 상기 분리막은 필름과 같은 독립적인 부재이거나, 또는 양극 및/또는 음극에 부가된 코팅층일 수 있다.In addition, the separator separates or insulates the positive electrode and the negative electrode from each other, and enables transport of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode. Such a separator may be made of a porous, nonconductive or insulating material. The separator may be an independent member such as a film, or a coating layer added to the anode and / or the cathode.
구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 또는 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Specifically, a porous polymer film made of a polyolefin-based polymer such as an ethylene homopolymer, a propylene homopolymer, an ethylene / butene copolymer, an ethylene / hexene copolymer and an ethylene / methacrylate copolymer may be used alone Or they may be laminated. Alternatively, nonwoven fabrics made of conventional porous nonwoven fabrics such as glass fibers of high melting point, polyethylene terephthalate fibers and the like may be used, but the present invention is not limited thereto.
상기 리튬-황 전지에 포함되는 상기 양극, 음극 및 분리막은 각각 통상적인 성분과 제조 방법에 따라 준비될 수 있으며, 또한 리튬-황 전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(Pouch)형 또는 코인(Coin)형 등이 될 수 있다.The anode, the cathode, and the separator included in the lithium-sulfur battery may be prepared according to a common component and a manufacturing method, respectively. In addition, the external shape of the lithium-sulfur battery is not particularly limited, but a cylindrical, square, A pouch type, a coin type, or the like.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the embodiments according to the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention.
<실시예 1> 비수계 전해액의 제조≪ Example 1 > Preparation of non-aqueous liquid electrolyte
1,3-디옥솔란(DOL), 1,2-디메톡시에탄(DME) 및 메틸 메탄설포네이트(MMS)의 부피비가 40 : 40 : 20 의 조성을 갖는 비수성 유기 용매 및 1.0M의 LiFSI((FSO2)2NLi)를 포함하는 전해액에, 전해액 총량을 기준으로 LiNO3 1wt%를 첨가하여 비수계 전해액을 제조하였다.Aqueous organic solvent having a volume ratio of 1,3-dioxolane (DOL), 1,2-dimethoxyethane (DME) and methyl methane sulfonate (MMS) of 40:40:20 and 1.0M LiFSI ( FSO 2 ) 2 NLi) was added to 1 wt% of LiNO 3 based on the total amount of the electrolytic solution to prepare a nonaqueous electrolyte solution.
<비교예 1> 비수계 전해액의 제조≪ Comparative Example 1 > Preparation of non-aqueous liquid electrolyte
에틸렌 카보네이트(EC)와 디메틸 카보네이트(DMC)의 부피비가 1 : 1 의 조성을 갖는 비수성 유기 용매 및 1.0M의 LiTFSI((CF3SO2)2NLi)를 포함하는 전해액에, 전해액 총량을 기준으로 LiNO3 1wt%를 첨가하여 비수계 전해액을 제조하였다.Aqueous electrolytic solution containing a nonaqueous organic solvent having a composition ratio of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) of 1: 1 and 1.0 M of LiTFSI ((CF 3 SO 2 ) 2 NLi) 1 wt% of LiNO 3 was added to prepare a non-aqueous liquid electrolyte.
<비교예 2> 비수계 전해액의 제조≪ Comparative Example 2 > Preparation of non-aqueous liquid electrolyte
1,3-디옥솔란(DOL)과 1,2-디메톡시에탄(DME)의 부피비가 1 : 1 의 조성을 갖는 비수성 유기 용매 및 1.0M의 LiTFSI((CF3SO2)2NLi)를 포함하는 전해액에, 전해액 총량을 기준으로 LiNO3 1wt%를 첨가하여 비수계 전해액을 제조하였다.A nonaqueous organic solvent having a composition of 1: 1 by volume of 1,3-dioxolane (DOL) and 1,2-dimethoxyethane (DME) and 1.0 M LiTFSI ((CF 3 SO 2 ) 2 NLi) , 1 wt% of LiNO 3 was added based on the total amount of the electrolytic solution to prepare a nonaqueous electrolytic solution.
<비교예 3> 비수계 전해액의 제조≪ Comparative Example 3 > Preparation of non-aqueous liquid electrolyte
1,3-디옥솔란(DOL), 1,2-디메톡시에탄(DME) 및 메틸 메탄설포네이트(MMS)의 부피비가 40 : 40 : 20의 조성을 갖는 비수성 유기 용매 및 1.0M의 LiTFSI((CF3SO2)2NLi)를 포함하는 전해액에, 전해액 총량을 기준으로 LiNO3 1wt%를 첨가하여 비수계 전해액을 제조하였다.Aqueous organic solvent having a composition ratio of 1: 3 dioxolane (DOL), 1,2-dimethoxyethane (DME) and methyl methanesulfonate (MMS) of 40:40:20, and 1.0 M LiTFSI ( CF 3 SO 2 ) 2 NLi) was added to 1 wt% of LiNO 3 based on the total amount of the electrolytic solution to prepare a non-aqueous electrolytic solution.
<실험예 1> 리튬-황 전지 제조 및 충ㆍ방전 특성 분석<Experimental Example 1> Preparation of lithium-sulfur battery and analysis of charge / discharge characteristics
(1) 리튬-황 전지 제조(1) Manufacture of lithium-sulfur battery
황 65 중량%, 카본 블랙 25 중량%, 및 폴리에텔렌 옥사이드 10 중량%를 아세토니트릴과 혼합하여 양극 활물질을 준비하였다. 상기 양극 활물질을 알루미늄 집전체 상에 코팅하고 이를 건조하여 양극을 제조하였다. 또, 두께 150㎛의 리튬 금속을 음극으로 하였다.65 wt% sulfur, 25 wt% carbon black, and 10 wt% polyether oxide were mixed with acetonitrile to prepare a cathode active material. The positive electrode active material was coated on an aluminum current collector and dried to prepare a positive electrode. Lithium metal having a thickness of 150 mu m was used as a negative electrode.
상기 제조한 양극과 음극을 대면하도록 위치시키고 그 사이에 폴리에틸렌 분리막을 개재한 후, 상기 제조한 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 전해액으로 충전하였다.The prepared positive electrode and negative electrode were positioned to face each other, and a polyethylene separator was interposed therebetween, and then filled with the electrolytic solution of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3.
(2) 사이클별 충·방전 특성 측정(2) Measurement of charging and discharging characteristics by cycle
상기 제조된 리튬-황 전지의 충·방전 특성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1 및 도 1에 나타내었다.The charge and discharge characteristics of the lithium-sulfur battery were measured, and the results are shown in Table 1 and FIG.
Capacity retention rate (50 times)
(40:40:20, v/v)DOL: DME: MMS
(40:40:20, v / v)
(50:50, v/v)EC: DEC
(50:50, v / v)
(50:50, v/v)DOL: DME
(50:50, v / v)
(40:40:20, v/v)DOL: DME: MMS
(40:40:20, v / v)
DOL: 1,3-Dioxolan
DME: 1,2-Dimethoxyethane
MMS: Methyl methansulfonate
EC: Ethylene carbonate
DEC: Dimethyl carbonateweek)
DOL: 1,3-Dioxolane
DME: 1,2-Dimethoxyethane
MMS: Methyl methansulfonate
EC: Ethylene carbonate
DEC: Dimethyl carbonate
상기 표 1 및 도 1에 나타난 결과를 살펴보면, 종래 전해액으로 사용되는 카보네이트계 용매와 리튬염(LiTFSI)의 단순 조합인 비교예 1의 경우, 용량 유지율이 약 15.0%로서, 실시예 1과 비교하여 약 6배 이상 낮은 수치를 보였다. 1 and Comparative Example 1, which is a simple combination of a carbonate-based solvent and a lithium salt (LiTFSI) used as a conventional electrolytic solution, the capacity retention ratio was about 15.0% Which was about 6 times lower than that of the previous study.
또한, 용매로서 에테르계 용매만을 사용한 비교예 2의 경우 카보네이트계 용매를 사용한 비교예 1에 비하여 용량 유지율이 다소 증가하였으나, 실시예 1에 비하여 약 2배 정도 낮은 결과를 나타냈다.In the case of Comparative Example 2 using only an ether solvent as a solvent, the capacity retention rate was somewhat increased as compared with Comparative Example 1 using a carbonate solvent, but was about twice as low as that of Example 1.
더불어, 비교예 3의 전지는 리튬염으로서 LiFSI가 아닌 LiTFSI를 사용한 것으로서, 본 발명에서 제시하는 3가지 성분인 에테르계 용매와 설포네이트계 용매 및 첨가제를 함께 사용함에도 불구하고 용량 유지율이 70% 내외 수준으로 나타났다.In addition, the battery of Comparative Example 3 uses LiTFSI, which is not LiFSI, as the lithium salt. Even though the ether-based solvent and the sulfonate-based solvent and the additive, which are the three components of the present invention, are used together, the capacity retention ratio is about 70% Respectively.
이러한 결과로부터, 리튬-황 전지에서 비수계 전해액으로서 에테르계 용매, 설포네이트계 용매, LiFSI, 및 LiNO3를 모두 포함할 때 리튬 금속의 안정성을 강화하고 리튬 폴리설파이드 용출 문제를 해소하여, 전지의 충·방전 용량을 증가시킬 뿐만 아니라 90% 이상의 높은 용량 유지율을 확보할 수 있음을 알 수 있다.From these results, it was found that when the lithium-sulfur battery contains both ether-based solvent, sulfonate-based solvent, LiFSI, and LiNO 3 as a non-aqueous liquid electrolyte, stability of the lithium metal is enhanced and the problem of lithium polysulfide elution is solved, It can be seen that not only the charge / discharge capacity is increased but also the high capacity retention ratio of 90% or more can be secured.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail, the scope of the present invention is not limited thereto.
Claims (9)
설포네이트(Sulfonate)계 용매;
리튬비스플루오로설포닐이미드(Lithium bis(fluorosulfonyl)imide: LiFSI); 및
질산계 화합물;
을 포함하는 리튬-황 전지용 비수계 전해액으로,
상기 설포네이트계 용매는 메틸 메탄설포네이트, 에틸 메탄설포네이트, 메틸 에탄설포네이트, 프로필 메탄설포네이트, 메틸 프로판설포네이트, 에틸 프로판설포네이트, 에테닐 메탄설포네이트, 프로페닐 메탄설포네이트, 에테닐 벤젠설포네이트, 프로페닐 프로펜설포네이트, 프로페닐 시아노에탄설포네이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 비수계 전해액.
Ether-based solvents;
Sulfonate-based solvents;
Lithium bis (fluorosulfonyl) imide: LiFSI); And
Nitrate compounds;
Aqueous electrolyte solution for a lithium-sulfur battery,
Examples of the sulfonate solvent include methyl methanesulfonate, ethyl methanesulfonate, methyl ethanesulfonate, propyl methanesulfonate, methyl propanesulfonate, ethyl propanesulfonate, ethenyl methanesulfonate, propenyl methanesulfonate, ethenyl Benzene sulfonate, propenyl propane sulfonate, propenyl cyanoethanesulfonate, and combinations thereof. 2. The nonaqueous electrolyte solution for a lithium-sulfur battery according to claim 1,
상기 에테르계 용매는 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 디부틸 에테르, 디메톡시메탄, 트리메톡시메탄, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 디메톡시프로판, 디옥솔란, 메틸디옥솔란, 옥세인, 디옥세인, 트리옥세인, 테트라하이드로퓨란, 디하이드로피란, 테트라하이드로피란, 메틸테트라하이드로퓨란, 퓨란, 메틸퓨란, 디에틸렌글리콜 디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 에틸렌글리콜 디비닐에테르, 디에틸렌글리콜 디비닐에테르, 트리에틸렌글리콜 디비닐에테르, 디프로필렌 글리콜 디메틸렌 에테르, 부틸렌 글리콜 에테르 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 비수계 전해액.
The method according to claim 1,
The ether solvent may be at least one selected from the group consisting of diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether, dimethoxymethane, trimethoxymethane, dimethoxyethane, diethoxyethane, dimethoxypropane, dioxolane, methyl dioxolane, , Trioxane, tetrahydrofuran, dihydropyrane, tetrahydropyrane, methyltetrahydrofuran, furan, methylfuran, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol divinyl ether , Diethylene glycol divinyl ether, triethylene glycol divinyl ether, dipropylene glycol dimethylene ether, butylene glycol ether, and combinations thereof. The nonaqueous system for a lithium-sulfur battery Electrolytic solution.
상기 에테르계 용매와 설포네이트계 용매의 부피비는 50 : 50 내지 95 : 5 인 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 비수계 전해액.
The method according to claim 1,
Wherein the volume ratio of the ether solvent to the sulfonate solvent is 50:50 to 95: 5.
상기 에테르계 용매는 1,3-디옥솔란(1,3-Dioxolane: DOL)과 1,2-디메톡시에탄(1,2-Dimethoxyethane: DME)의 혼합 용매인 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 비수계 전해액.
The method according to claim 1,
Wherein the ether-based solvent is a mixed solvent of 1,3-dioxolane (DOL) and 1,2-dimethoxyethane (DME) Aqueous electrolyte.
상기 리튬비스플루오로설포닐이미드의 농도는 0.05 ~ 5 M로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 비수계 전해액.
The method according to claim 1,
The nonaqueous electrolyte solution for a lithium-sulfur battery according to claim 1, wherein the concentration of the lithium bis-fluorosulfonylimide is 0.05 to 5 M.
상기 질산계 화합물은 질산리튬(LiNO3), 아질산리튬(LiNO2)을 포함하는 무기계 질산 화합물; 니트로메탄(CH3NO2), 메틸나이트레이트(CH3NO3)을 포함하는 유기계 질산 화합물; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 비수계 전해액.
The method according to claim 1,
The nitric acid-based compound is an inorganic nitric acid compound including lithium nitrate (LiNO 3 ) and lithium nitrite (LiNO 2 ); Organic nitrate compounds including nitromethane (CH 3 NO 2 ), methyl nitrate (CH 3 NO 3 ); And a combination thereof. 2. The nonaqueous electrolyte solution for a lithium-sulfur battery according to claim 1,
상기 질산계 화합물은 전체 전해액 조성물 내에서 0.01 ~ 10 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 비수계 전해액.
The method according to claim 1,
The nonaqueous electrolyte solution for a lithium-sulfur battery according to claim 1, wherein the nitric acid compound is contained in the total electrolyte composition in an amount of 0.01 to 10 wt%.
상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및
상기 양극, 음극 및 분리막에 함침되며 이온 전도성을 가지는 전해액;
을 포함하되,
상기 전해액은 제1항, 제2항, 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항의 비수계 전해액인 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지.
An anode and a cathode arranged opposite to each other;
A separator interposed between the anode and the cathode; And
An electrolyte solution impregnated into the positive electrode, the negative electrode and the separation membrane and having ion conductivity;
≪ / RTI >
The lithium-sulfur battery according to claim 1, wherein the electrolyte is a non-aqueous liquid electrolyte according to any one of claims 1, 2 and 4 to 8.
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