KR102071138B1 - Polysulfide infiltrated cathode for lithium-sulfur batteries - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 미세기공을 하나 이상 포함하는 탄소집전체; 리튬폴리설파이드가 용해되어 있는 양극액; 및 양극액에 잠입된 탄소집전체의 기공 내에 흡착되어 있는 양극활물질;을 포함하고, 양극활물질은 상기 양극액에 용해된 리튬폴리설파이드의 황을 포함하는 황화합물인 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지용 양극 및 리튬-황 이차전지용 양극을 포함하는 리튬-황 이차전지를 개시한다.Herein is a carbon current collector comprising one or more micropores; Anolyte in which lithium polysulfide is dissolved; And a cathode active material adsorbed in pores of the carbon current collector immersed in the anolyte solution, wherein the cathode active material is a sulfur compound including sulfur of lithium polysulfide dissolved in the anolyte solution. Disclosed is a lithium-sulfur secondary battery including a positive electrode and a positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery.

Description

폴리설파이드가 잠입된 리튬-황 이차전지용 양극 {Polysulfide infiltrated cathode for lithium-sulfur batteries} Polysulfide infiltrated cathode for lithium-sulfur batteries}

본 발명은 폴리설파이드가 잠입된 리튬-황 이차전지용 양극에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 탄소집전체에 폴리설파이드가 잠입된 리튬-황 이차전지용 양극, 상기 양극을 포함하는 리튬-황 이차전지, 및 상기 리튬-황 이차전지를 포함하는 전자기기에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery in which polysulfide is immersed, and more particularly, to a lithium-sulfur secondary battery in which polysulfide is immersed in a carbon current collector, a lithium-sulfur secondary battery including the positive electrode, and the The present invention relates to an electronic device including a lithium-sulfur secondary battery.

리튬이차전지는 에너지 밀도 및 생성하는 전압이 높기 때문에, 휴대전화와 노트북, 캠코더 등의 전자 기기에 흔히 이용된다. 최근에는 환경 보호에 대한 의식의 고양이나 관련법의 정비가 바탕이 되어, 리튬이차전지의 사용례가 더욱 증가하는 추세이다. 가령, 전기 자동차나 하이브리드 전기 자동차 등의 자동차에 동력을 공급하는 용도 내지 가정용 전력을 저장하는 축전지로서 리튬이차전지를 사용하는 방안이 고려된다. Lithium secondary batteries are commonly used in electronic devices such as mobile phones, laptops and camcorders because of their high energy density and high voltage. Recently, based on the maintenance of cats and related laws on environmental protection, the use of lithium secondary batteries is increasing. For example, a method of using a lithium secondary battery as a storage battery for storing electric power or a use for powering an automobile such as an electric vehicle or a hybrid electric vehicle is considered.

가장 중요한 전지의 특성으로서 고에너지 밀도를 고려할 수 있다. 고에너지 밀도를 구현하기 위해서는 이론 용량이 큰 전극 활물질의 개발이 필수적으로 요구된다. 그러나 기존의 리튬이차전지용 양극활물질인 전이금속 산화물은 그 이론 용량은 약 250mAh/g이하 정도에 불과하여, 전이금속 산화물을 포함하는 리튬이차전지의 고에너지 밀도화를 구현하는 것은 전혀 용이하지 않았다.High energy density can be considered as the most important battery characteristic. In order to realize high energy density, development of an electrode active material having a large theoretical capacity is required. However, the transition metal oxide, which is a positive electrode active material for a lithium secondary battery, has a theoretical capacity of only about 250 mAh / g or less, so it is not easy to realize high energy density of a lithium secondary battery including a transition metal oxide.

이를 극복하기 위한 일 방안으로, 황 계열의 화합물을 양극활물질로 사용하는 리튬-황 전지에 대한 개발이 활발하게 진행되고 있다. 리튬-황 전지는 이론적인 용량 밀도가 2,600mAh/kg에 달하여, 단순 계산시 통상의 전이금속 산화물의 10배에 해당하는 용량특성을 갖춘 것으로 알려져 있다. 따라서, 양극활물질로서 황을 포함하여, 종래 리튬이차전지에 비해 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있으리라 기대된다. 또한, 부수적으로 염가의 황을 이차전지의 주원료로 사용하여 이차전지의 생산단가를 낮출 수 있다. In order to overcome this problem, development of a lithium-sulfur battery using a sulfur-based compound as a cathode active material is being actively conducted. Lithium-sulfur batteries have a theoretical capacity density of 2,600 mAh / kg, and are known to have capacity characteristics equivalent to 10 times that of conventional transition metal oxides in simple calculations. Therefore, it is expected to be able to implement a higher energy density than the conventional lithium secondary battery, including sulfur as a positive electrode active material. In addition, by using inexpensive sulfur as a main raw material of the secondary battery can reduce the production cost of the secondary battery.

일반적으로 리튬-황 전지는 디설파이드(Disulfide) 결합을 갖는 황 계열 화합물을 양극활물질로 사용하고 리튬금속 혹은 리튬 이온을 포함하는 물질을 음극활물질로 사용하는 구조를 가진다. 구체적으로, 방전 시 음극에서 분해되어 나온 리튬 이온과 디설파이드 결합의 황이 반응하여 리튬황화물이 생성되고, 디설파이드 결합의 해리에 의하여 황의 산화수가 감소된다. 반대로, 충전 시 상기 리튬 이온이 다시 음극 표면에 도금되고, 디설파이드 결합이 생성되어 황의 산화수가 증가된다. 즉, 상술한 산화-환원 반응을 통하여 전기적 에너지가 저장되거나 방출된다.  In general, lithium-sulfur batteries have a structure in which a sulfur-based compound having a disulfide bond is used as a cathode active material and a material containing lithium metal or lithium ions as a cathode active material. Specifically, lithium ions decomposed at the cathode during discharging react with sulfur of the disulfide bond to generate lithium sulfide, and sulfur oxides are reduced by dissociation of the disulfide bond. On the contrary, during charging, the lithium ions are plated on the surface of the negative electrode again, and disulfide bonds are generated to increase the oxidation number of sulfur. That is, electrical energy is stored or released through the above-described redox reaction.

한편, 방전 시 양극에서 방전 생성물로서 액상의 리튬폴리설파이드(Li2Sx, 4≤x≤8) 및 고상의 불용성 리튬설파이드(Li2S2, Li2S)가 생성되고, 충전 시에는 그 역반응이 진행된다. 특히, 액상의 리튬폴리설파이드는 중성분자 내지 음이온의 형태로 전해질을 통해 확산된다. 리튬폴리설파이드가 양극의 영역 밖으로 확산됨에 따라, 양극에서 전기화학 반응에 참여하는 황의 양이 감소하게 된다. 황의 양의 감소는 결과적으로 용량의 감소를 초래한다. On the other hand, liquid lithium polysulfides (Li 2 S x , 4 ≦ x ≦ 8) and solid insoluble lithium sulfides (Li 2 S 2 , Li 2 S) are formed as discharge products at the anode during discharge, and during charging, A reverse reaction proceeds. In particular, the liquid lithium polysulfide diffuses through the electrolyte in the form of a heavy molecule or an anion. As lithium polysulfide diffuses out of the region of the anode, the amount of sulfur participating in the electrochemical reaction at the anode decreases. The reduction in the amount of sulfur results in a decrease in capacity.

또한, 음극과 리튬폴리설파이드의 부반응이 추가로 문제될 수 있다. 충방전 반응이 지속적으로 진행될수록 불용성 리튬설파이드(Li2S)가 음극과 표면에 고착된다. 표면에 고착된 불용성 리튬설파이드는 음극의 반응 활성도를 낮추고 전지의 전반적인 전위 특성을 악화시킨다.In addition, side reactions of the negative electrode and lithium polysulfide may be further problematic. As the charge and discharge reaction continues, insoluble lithium sulfide (Li 2 S) is fixed to the cathode and the surface. Insoluble lithium sulfide fixed on the surface lowers the reaction activity of the negative electrode and worsens the overall potential characteristics of the cell.

상술한 문제점을 해결하기 위한 대표적인 접근방법으로서, 다공성이며 높은 전도성을 가지는 탄소의 미세구조를 이용하여 황을 속박하는 방식이 제안되었다. 그러나, 이러한 방식은 전극의 면적당 황의 함량이 매우 적고, 전기화학적으로 불활성인 탄소 지지체가 전극의 상당 부분을 점유하는 문제점이 있었다.As a typical approach to solve the above problems, a method of constraining sulfur by using a microstructure of porous and highly conductive carbon has been proposed. However, this method has a problem that the sulfur content per electrode area is very small, and the electrochemically inert carbon support occupies a large part of the electrode.

한국등록특허 제10-0508920호Korea Patent Registration No. 10-0508920

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 리튬설파이드의 부생성 및 셔틀링을 억제하는 것을 대목적으로 한다. The present invention has been made in order to solve the above problems, and aims to suppress by-products and shuttleling of lithium sulfide.

또한, 본 발명은 불활성인 탄소 지지체의 사용을 배제하고 황의 로딩 밀도를 개선함으로써 양극의 단위면적당 용량을 증가시키는 것을 세부목적으로 한다.The present invention furthermore aims at increasing the capacity per unit area of the positive electrode by eliminating the use of inert carbon supports and improving the loading density of sulfur.

또한, 본 발명은 대량 생산이 용이한 리튬-황 이차전지용 양극을 제공하는 것을 추가적인 목적으로 한다. In addition, another object of the present invention is to provide a positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery that is easy to mass-produce.

상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 명세서는 미세기공을 하나 이상 포함하는 탄소집전체; 리튬폴리설파이드가 용해되어 있는 양극액; 및 양극액에 잠입된 탄소집전체의 기공 내에 흡착되어 있는 양극활물질;을 포함하고 양극활물질은 양극액에 용해된 리튬폴리설파이드의 황을 포함하는 황화합물인 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지용 양극을 개시한다. As a means for achieving the above object the present specification is a carbon current collector including one or more micropores; Anolyte in which lithium polysulfide is dissolved; And a positive electrode active material adsorbed in the pores of the carbon current collector immersed in the positive electrode solution, wherein the positive electrode active material is a sulfur compound including sulfur of lithium polysulfide dissolved in the positive electrode solution. It starts.

본 발명의 각 리튬-황 이차전지용 양극에 있어서, 양극액의 리튬폴리설파이드가 액상으로 탄소집전체에 고르게 주입되는 것이 바람직하다. In each lithium-sulfur secondary battery positive electrode of the present invention, it is preferable that lithium polysulfide of the positive electrode solution is evenly injected into the carbon current collector in the liquid phase.

본 발명의 각 리튬-황 이차전지용 양극에 있어서, 탄소집전체는 둘 이상의 탄소나노섬유를 포함하고, 탄소집전체는 탄소나노섬유가 교차하여 엉켜있는 탄소천(Carbon cloth)인 것이 바람직하다.In each of the positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery of the present invention, the carbon current collector includes two or more carbon nanofibers, and the carbon current collector is preferably a carbon cloth in which carbon nanofibers are intertwined.

본 발명의 각 리튬-황 이차전지용 양극에 있어서, 탄소집전체가 포함하는 미세기공의 직경이 0.5nm 이상 1.5nm 이하인 것인 것이 바람직하다.In each of the positive electrode for lithium-sulfur secondary battery of the present invention, the diameter of the micropores contained in the carbon current collector is preferably 0.5 nm or more and 1.5 nm or less.

본 발명의 각 리튬-황 이차전지용 양극에 있어서, 탄소집전체가 포함하는 미세기공의 직경이 0.7nm 이상 1.3nm 이하인 것인 것이 바람직하다.In the positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery of the present invention, the diameter of the micropores contained in the carbon current collector is preferably 0.7 nm or more and 1.3 nm or less.

본 발명의 각 리튬-황 이차전지용 양극에 있어서, 탄소집전체가 포함하는 미세기공의 직경이 1.1nm인 것인 것이 바람직하다.In each of the positive electrode for lithium-sulfur secondary battery of the present invention, the diameter of the micropores contained in the carbon current collector is preferably 1.1 nm.

본 발명의 각 리튬-황 이차전지용 양극에 있어서, 탄소집전체의 단위면적(cm2)당 양극활물질의 황이 2mg 초과 10mg 미만으로 탄소집전체에 흡착되어 있는 것이 바람직하다.In each of the positive electrode for lithium-sulfur secondary battery of the present invention, it is preferable that sulfur of the positive electrode active material per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector is adsorbed to the carbon current collector at more than 2 mg and less than 10 mg.

본 발명의 각 리튬-황 이차전지용 양극에 있어서, 탄소집전체의 단위면적(cm2)당 양극활물질의 황이 4mg 초과 8mg 미만으로 탄소집전체에 흡착되어 있는 것이 바람직하다.In each of the positive electrode for lithium-sulfur secondary battery of the present invention, it is preferable that sulfur of the positive electrode active material per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector is adsorbed to the carbon current collector to more than 4 mg and less than 8 mg.

본 발명의 각 리튬-황 이차전지용 양극에 있어서, 탄소집전체의 단위면적(cm2)당 양극활물질의 황이 탄소집전체에 6mg 흡착되어 있는 것이 바람직하다.In each of the positive electrode for lithium-sulfur secondary battery of the present invention, it is preferable that 6 mg of sulfur of the positive electrode active material per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector is adsorbed to the carbon current collector.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 명세서는 미세기공을 하나 이상 포함하는 탄소집전체, 리튬폴리설파이드가 용해되어 있는 양극액, 및 양극액에 잠입된 탄소집전체의 기공 내에 흡착되어 있는 양극활물질을 포함하고, 양극활물질은 양극액에 용해된 리튬폴리설파이드의 황을 포함하는 황화합물인 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지용 양극; 리튬, 리튬 합금 또는 탄소계열의 음극; 세퍼레이터를 포함하는 리튬-황 이차전지를 개시한다.In addition, the present specification as a means for achieving the above object is a carbon current collector containing one or more micropores, the anolyte solution in which lithium polysulfide is dissolved, and is adsorbed in the pores of the carbon current collector immersed in the anolyte solution A positive electrode active material, wherein the positive electrode active material is a sulfur compound including sulfur of lithium polysulfide dissolved in an anolyte solution; Lithium, lithium alloy or carbon-based negative electrode; A lithium-sulfur secondary battery comprising a separator is disclosed.

본 발명의 각 리튬-황 이차전지에 있어서, 양극액의 리튬폴리설파이드가 액상으로 탄소집전체에 고르게 주입되는 것이 바람직하다. In each lithium-sulfur secondary battery of the present invention, it is preferable that lithium polysulfide of the anolyte is evenly injected into the carbon current collector in the liquid phase.

본 발명의 각 리튬-황 이차전지에 있어서, 탄소집전체는 둘 이상의 탄소나노섬유를 포함하고, 탄소집전체는 탄소나노섬유가 교차하여 엉켜있는 탄소천(Carbon cloth)인 것이 바람직하다.In each of the lithium-sulfur secondary batteries of the present invention, the carbon current collector includes two or more carbon nanofibers, and the carbon current collector is preferably a carbon cloth in which carbon nanofibers cross each other.

본 발명의 각 리튬-황 이차전지에 있어서, 탄소집전체가 포함하는 미세기공의 직경이 0.5nm 이상 1.5nm 이하인 것인 것이 바람직하다.In each lithium-sulfur secondary battery of the present invention, the diameter of the micropores contained in the carbon current collector is preferably 0.5 nm or more and 1.5 nm or less.

본 발명의 각 리튬-황 이차전지에 있어서, 탄소집전체가 포함하는 미세기공의 직경이 0.7nm 이상 1.3nm 이하인 것인 것이 바람직하다.In each lithium-sulfur secondary battery of the present invention, the diameter of the micropores contained in the carbon current collector is preferably 0.7 nm or more and 1.3 nm or less.

본 발명의 각 리튬-황 이차전지에 있어서, 탄소집전체가 포함하는 미세기공의 직경이 1.1nm인 것인 것이 바람직하다.In each lithium-sulfur secondary battery of the present invention, it is preferable that the diameter of the micropores contained in the carbon current collector is 1.1 nm.

본 발명의 각 리튬-황 이차전지에 있어서, 탄소집전체의 단위면적(cm2)당 양극활물질의 황이 2mg 초과 10mg 미만으로 탄소집전체에 흡착되어 있는 것이 바람직하다.In each lithium-sulfur secondary battery of the present invention, it is preferable that sulfur of the positive electrode active material per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector is adsorbed to the carbon current collector in excess of 2 mg and less than 10 mg.

본 발명의 각 리튬-황 이차전지에 있어서, 탄소집전체의 단위면적(cm2)당 양극활물질의 황이 4mg 초과 8mg 미만으로 탄소집전체에 흡착되어 있는 것이 바람직하다.In each of the lithium-sulfur secondary batteries of the present invention, it is preferable that sulfur of the positive electrode active material per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector is adsorbed to the carbon current collector at more than 4 mg and less than 8 mg.

본 발명의 각 리튬-황 이차전지에 있어서, 탄소집전체의 단위면적(cm2)당 양극활물질의 황이 탄소집전체에 6mg 흡착되어 있는 것이 바람직하다.In each lithium-sulfur secondary battery of the present invention, it is preferable that 6 mg of sulfur of the positive electrode active material per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector is adsorbed onto the carbon current collector.

본 명세서는 본 발명의 각 리튬-황 이차전지용 양극; 리튬, 리튬 합금 또는 탄소계열의 음극; 세퍼레이터를 포함하는 리튬-황 이차전지를 개시하며, 나아가 본 발명의 각 리튬-황 이차전지를 포함하는 전자기기를 개시한다.Herein is a positive electrode for each lithium-sulfur secondary battery of the present invention; Lithium, lithium alloy or carbon-based negative electrode; Disclosed is a lithium-sulfur secondary battery comprising a separator, and further, an electronic device including each lithium-sulfur secondary battery of the present invention.

본 발명은 상술한 구성을 통하여, 불용성 리튬설파이드의 부생성 및 셔틀링을 억제함으로써 충/방전 사이클 특성이 개선된 리튬-황 이차전지를 제공한다.The present invention provides a lithium-sulfur secondary battery having improved charge / discharge cycle characteristics by suppressing by-products and shuttleling of insoluble lithium sulfide through the above-described configuration.

또한, 본 발명은 황의 로딩 밀도를 개선하여 단위면적당 높은 에너지 밀도를 가지는 리튬-황 이차전지를 구현할 수 있다. In addition, the present invention can implement a lithium-sulfur secondary battery having a high energy density per unit area by improving the loading density of sulfur.

더하여, 본 발명의 리튬-황 이차전지는 탄소집전체를 활용하여 불활성 탄소 지지체를 배제하고, 리튬-황 이차전지가 곡률변화와 무관하게 정상작동할 수 있는 특장점을 제공한다.In addition, the lithium-sulfur secondary battery of the present invention utilizes a carbon current collector to exclude the inert carbon support, and provides a feature that the lithium-sulfur secondary battery can operate normally regardless of the curvature change.

도 1은 본 발명의 실시예 1의 CV (Cyclic Voltametry)곡선이다.
도 2a는 본 발명의 비교예 1의 CV 곡선이다.
도 2b는 본 발명의 비교예 4의 CV 곡선이다.
도 3a는 본 발명의 실시예 1, 비교예 4를 포함하는 코인형 전지의 GCPL 사이클링 이후의 각 전지의 분해도 사진이다.
도 3b는 본 발명의 비교예 4를 포함하는 코인형 전지의 GCPL 사이클링 이후 세퍼레이터 측 탄소집전체의 표면 사진이다.
도 3c는 본 발명의 비교예 4를 포함하는 코인형 전지의 GCPL 사이클링 이후 리튬 음극 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1의 GCPL 사이클링 전후의 EIS spectra 그래프이다.
도 5은 본 발명의 비교예 4의 GCPL 사이클링 후의 EIS spectra 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1의 다른 전위 범위에서의 GCPL 사이클링 이후 방전용량 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 내지 4의 각 충/방전 사이클 횟수에 따른 방전용량 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 내지 4의 각 10번째 충/방전 프로파일이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 내지 4의 0.3C의 충/방전 사이클 100번째 황의 로딩(mgS/cm2)에 따른 면적용량의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1,4의 쿨롱 효율의 충/방전 사이클 횟수에 따른 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2의 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시예 2의 밴딩 간략도이다.
도 13은 본 발명의 실시예 2, 비교예 5,6의 충/방전 사이클 횟수에 따른 방전용량의 변화의 그래프이다.
1 is a CV (Cyclic Voltametry) curve of Example 1 of the present invention.
2A is a CV curve of Comparative Example 1 of the present invention.
2B is a CV curve of Comparative Example 4 of the present invention.
3A is an exploded photograph of each battery after GCPL cycling of a coin-type battery including Example 1 and Comparative Example 4 of the present invention.
3B is a surface photograph of a separator-side carbon current collector after GCPL cycling of a coin-type battery including Comparative Example 4 of the present invention.
3C is a photograph of a lithium negative electrode after GCPL cycling of a coin-type battery including Comparative Example 4 of the present invention.
4 is an EIS spectra graph before and after GCPL cycling of Example 1 of the present invention.
5 is an EIS spectra graph after GCPL cycling of Comparative Example 4 of the present invention.
6 is a graph showing a change in discharge capacity after GCPL cycling in another potential range of Example 1 of the present invention.
7 is a graph showing a change in discharge capacity according to the number of charge / discharge cycles of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 of the present invention.
8 shows each tenth charge / discharge profile of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 of the present invention.
9 is a graph showing the change in area capacity according to the loading (mgS / cm 2 ) of the 100th sulfur of the charge / discharge cycle of 0.3C of Example 1, Comparative Examples 1 to 4 of the present invention.
10 is a graph showing the change according to the number of charge / discharge cycles of the coulombic efficiency of Example 1 and Comparative Examples 1 and 4 of the present invention.
11 is a photograph of Embodiment 2 of the present invention.
12 is a schematic diagram of the bending of Embodiment 2 of the present invention.
13 is a graph showing changes in discharge capacity according to the number of charge / discharge cycles of Example 2 and Comparative Examples 5 and 6 of the present invention.

본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다"등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular examples only. Thus, for example, singular forms include plural forms unless the context clearly requires them to be singular. In addition, the terms "comprise" or "include" as used in the present application are used to clearly indicate that there exists a feature, step, function, component, or combination thereof described in the specification, and other features. It should be noted that it is not intended to preliminarily exclude the presence of elements, steps, functions, components, or combinations thereof.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다.On the other hand, unless defined otherwise, all terms used herein are to have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Accordingly, unless specifically defined herein, a particular term should not be construed in an excessively ideal or formal sense.

한편, 본 명세서에서는 "Li2S6가 잠입된 탄소집전체"를 이하 "CC-S"라고 서술한다. "CC-S의 단위 면적(cm2) 당 흡착되는 황의 중량 Xmg"을 이하 "CC-SX"라고 서술한다. 가령, 'CC-S6'는 탄소집전체의 단위 면적(cm2)당 흡착되는 황의 중량이 6mg인 Li2S6가 잠입된 탄소집전체를 의미한다.On the other hand, in this specification will be described as a "Li 2 S 6 has infiltrated the carbon current collector" below "CC-S". "The weight Xmg of sulfur adsorbed per unit area (cm <2> ) of CC-S" is described below as "CC-SX". For example, 'CC-S6' refers to a carbon current collector in which Li 2 S 6 having a weight of 6 mg of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector is infiltrated.

한편, 본 명세서의 "엉켜있다" 라는 표현은 그 사전적 의미인 "실이나 줄 따위가 풀기 힘들 정도로 서로 한데 얽히게 되다" 라는 뜻에 제한되지 않고, 유의어인 "뒤섞이다", "뒤엉키다" , "뒤얽히다" 등으로 해석될 수 있다. 또한, 본 명세서의 "엉켜있다"는 실이나 줄 따위가 불규칙적으로 배열되는 것을 포함하는 것은 물론이고, 실이나 줄 따위가 규칙적으로 배열되는 것도 포함한다. 또, 명세서 기재 전체의 맥락에서 통상의 기술자가 명확하게 이해할 수 있는 범위에서 확대해석 될 수도 있다. On the other hand, the expression "entangled" in the present specification is not limited to the dictionary meaning "to be entangled with each other so that threads or strings are difficult to loosen", the synonyms "mixed", "entangled", May be interpreted as "entangled" or the like. In addition, the term "entangled" in the present specification not only includes irregularly arranged threads or strings, but also includes regularly arranged threads or strings. In addition, in the context of the entire specification, it may be expanded in a range that can be clearly understood by those skilled in the art.

한편, 본 명세서에서 "리튬폴리설파이드"는 양극액에 용해될 수 있음을 내포하며 또,"리튬폴리설파이드"는 명세서 기재 전체의 맥락에서 "양극활물질"로도 이해될 수 있다. 이하 본 발명의 과제해결수단에 대해 구체적으로 상술한다.On the other hand, "lithium polysulfide" in the present specification implies that it can be dissolved in the anolyte, and "lithium polysulfide" may also be understood as "anode active material" in the context of the entire description. Hereinafter, the problem solving means of the present invention will be described in detail.

<본 발명의 리튬-황 이차전지용 양극><Positive electrode for lithium-sulfur secondary battery of the present invention>

이하에서는 본 발명의 리튬-황 이차전지용 양극조성물의 양극을 구성하는 각 구성요소에 대하여 상세히 서술한다. Hereinafter, each component constituting the positive electrode of the positive electrode composition for a lithium-sulfur secondary battery of the present invention will be described in detail.

양극액Anolyte

1. 리튬폴리설파이드1. Lithium Polysulfide

리튬폴리설파이드를 액상으로 탄소집전체에 고르게 주입하기 위하여 황 또는 리튬설파이드를 양극액 속에 용해시켜 제조한다. 예를 들어, 바람직하게는 Li2Sx(4≤x≤8, x는 양의 짝수)를 들 수 있다. x가 4이하인 경우 Li2Sx가 불용성이 되어 액상으로 주입할 수 없으며, x가 8이상인 경우 Li2Sx가 화학적으로 불안정해진다. In order to evenly inject the lithium polysulfide into the carbon current collector in the liquid phase, sulfur or lithium sulfide is dissolved in the anolyte solution. For example, Li 2 S x (4 ≦ x ≦ 8, where x is a positive even number) is preferable. If x is 4 or less, Li 2 S x is insoluble and cannot be injected into the liquid phase. If x is 8 or more, Li 2 S x is chemically unstable.

리튬폴리설파이드의 황은 탄소집전체의 기공에 흡착되어 양극활물질이 되고, 상기 양극활물질은 단체황(S0), 리튬설파이드 및 리튬폴리설파이드로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 형태를 포함하는 황화합물일 수 있다. 상기 양극활물질은 방전시 환원되어 용해성 리튬폴리설파이드 (Li2Sx(4≤x≤8)), 불용성 리튬 디설파이드(Li2S2), 불용성 리튬설파이드(Li2S)가 된다.Sulfur of lithium polysulfide is adsorbed into the pores of the carbon current collector to be a positive electrode active material, and the positive electrode active material may be a sulfur compound including at least one form selected from the group consisting of elemental sulfur (S 0 ), lithium sulfide and lithium polysulfide. have. The positive electrode active material is reduced upon discharge to form soluble lithium polysulfide (Li 2 S x (4 ≦ x ≦ 8)), insoluble lithium disulfide (Li 2 S 2 ), and insoluble lithium sulfide (Li 2 S).

탄소집전체의 기공에 흡착된 양극활물질의 환원반응으로 생성된 불용성 리튬설파이드는 탄소집전체의 기공에 증착되어 패시베이션층을 형성하게 된다. 본 발명의 패시베이션층(passivation layer)은 상기 양극활물질의 환원반응으로 생성된 불용성 리튬설파이드가 탄소집전체의 기공에 증착되어 생기는 불용성 리튬설파이드의 층이며, 탄소집전체의 기공을 폐색함으로써 리튬폴리설파이드의 셔틀링을 억제한다. 탄소집전체는 전지의 반응에 따라 생성된 리튬폴리설파이드의 구속층으로서 작용하게 된다. Insoluble lithium sulfide produced by the reduction reaction of the positive electrode active material adsorbed to the pores of the carbon current collector is deposited in the pores of the carbon current collector to form a passivation layer. The passivation layer of the present invention is a layer of insoluble lithium sulfide formed by depositing insoluble lithium sulfide produced by the reduction reaction of the cathode active material in the pores of the carbon current collector, and lithium polysulfide by blocking the pores of the carbon current collector. Suppress Shuttle. The carbon current collector acts as a confining layer of lithium polysulfide produced by the reaction of the battery.

2. 용매2. Solvent

양극액의 용매는 탄소집전체 기공 내 흡착된 리튬폴리설파이드의 셔틀링을 방지하는 것으로 충분하며, 그 외에 특별히 제한되는 것은 아니다. 양극액의 용매는 용해된 리튬폴리설파이드와의 극성 및/또는 특정 상호작용으로 인해 탄소집전체로부터 리튬폴리설파이드의 셔틀링을 방지한다. 리튬폴리설파이드는 수소결합이 가능한 물질로서 수계 용매에 쉽게 용해되므로, 본 발명의 바람직한 용매의 일 예로서 비수계 용매가 있다. The solvent of the anolyte solution is sufficient to prevent the shuttle of the lithium polysulfide adsorbed in the carbon current collector pores, but is not particularly limited. The solvent in the anolyte prevents the shuttle of the lithium polysulfide from the carbon current collector due to polarity and / or specific interaction with the dissolved lithium polysulfide. Since lithium polysulfide is easily dissolved in an aqueous solvent as a substance capable of hydrogen bonding, a non-aqueous solvent is an example of a preferred solvent of the present invention.

비수계 용매의 일 예로서 에테르계 용매는 예를 들어, 선형 에테르(Non-cyclic ether), 환형 에테르(Cyclic ether), 폴리에테르 (Polyether) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 에테르계 용매는 1,3-디옥솔란(1,3-Dioxolane: DOL), 1,2-디메톡시에탄(1,2-Dimethoxyethane: DME), 퓨란(Furan), 2-메틸퓨란(2-Methylfuran), 2,5-디메틸퓨란(2,5-Dimethylfuran), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 에틸렌옥사이드(Ethylene oxide), 1,4-옥세인(1,4-Oxane), 4-메틸-1,3-디옥솔란(4-Methyl-1,3-Dioxolane), 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르(TEGDME) 또는 이들의 혼합 용매일 수 있다. 바람직하게는 선형 에테르와 환형 에테르에서 각각 1종씩 선택하여 혼합할 수 있으며, 보다 바람직하게는 본 발명의 일 예와 같이 1,3-디옥솔란(1,3-Dioxolane: DOL)과 1,2-디메톡시에탄(1,2-Dimethoxyethane: DME)을 소정의 부피비로 혼합 적용하는 것으로, 1:1의 부피비로 혼합된 용액일 수 있다.As an example of the non-aqueous solvent, the ether solvent may be, for example, a non-cyclic ether, a cyclic ether, a polyether, or a mixture thereof. More specifically, the ether solvent is 1,3-dioxolane (DOL), 1,2-dimethoxyethane (1,2-Dimethoxyethane: DME), furan (Furan), 2-methyl Furan (2-Methylfuran), 2,5-dimethylfuran, tetrahydrofuran, ethylene oxide, 1,4-oxane, 1,4-Oxane, 4 -Methyl-1,3-dioxolane (4-Methyl-1,3-Dioxolane), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) or a mixed solvent thereof. Preferably, one selected from linear ether and cyclic ether may be selected and mixed, more preferably 1,3-dioxolane (1,3-Dioxolane: DOL) and 1,2- as in one embodiment of the present invention. Dimethoxyethane (1,2-Dimethoxyethane: DME) by mixing and applying in a predetermined volume ratio, it may be a solution mixed in a volume ratio of 1: 1.

본 발명의 리튬-황 이차전지용 비수계 용매에 있어, 상기 예의 에테르계 용매의 함량은 전지의 성능을 향상시키고자 하는 목표에 따라 조절 가능하나, 용매 전체 부피를 기준으로 50 ~ 95% 범위 내에서 적용하는 것이 바람직하다. 50% 미만을 사용하는 경우 원하는 성능 향상 효과가 미미하며, 최소 5%는 전지 성능을 향상시킬 수 있는 다른 용매 등을 함께 사용하는 것이 바람직하다. 상기 다른 용매의 일 예로서 설포네이트계 용매를 들 수 있다.In the non-aqueous solvent for a lithium-sulfur secondary battery of the present invention, the content of the ether solvent in the above example can be adjusted according to the goal of improving the performance of the battery, but within a range of 50 to 95% based on the total volume of the solvent. It is desirable to apply. If less than 50% is used, the desired performance improvement effect is insignificant, and at least 5% is preferably used together with other solvents that can improve battery performance. Examples of the other solvents include sulfonate solvents.

한편, 본 발명의 리튬염은 상기 비수계 용매에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2Nli, 클로로보란리튬, 저급 지방족 카르본산리튬, 페닐붕산리튬, LiTFSI가 있을 수 있으며, 바람직하게는 본 발명의 일 예로서 LiTFSI를 들 수 있다.On the other hand, the lithium salt of the present invention is a good material to be dissolved in the non-aqueous solvent, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6 , LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 Nli, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, phenyl lithium borate, there is LiTFSI And preferably LiTFSI as an example of the present invention.

탄소집전체Carbon collector

본 발명의 탄소집전체는 활성탄소의 미세 다공성 구조를 가지고 있어 황의 물리적 흡착에 유리하다. 둘 이상의 탄소나노섬유가 황이 흡착될 수 있는 미세기공을 하나 이상 가진 탄소집전체를 구성한다. 탄소나노섬유가 구성하는 방식은 탄소집전체의 내부에 리튬폴리설파이드가 충분히 잠입할 수 있는 기공을 포함하도록 구성하면 되고 특별히 제한되지는 않는다. 다만, 예를 들어, 바람직하게는 탄소집전체는 탄소나노섬유가 교차하고 엉켜있는 탄소천(Carbon cloth)인 것을 들 수 있다. The carbon current collector of the present invention has a microporous structure of activated carbon, which is advantageous for physical adsorption of sulfur. Two or more carbon nanofibers constitute a carbon current collector having one or more micropores to which sulfur can be adsorbed. The structure of the carbon nanofibers may be configured to include pores in which lithium polysulfide can sufficiently infiltrate the carbon current collector, and is not particularly limited. However, for example, preferably, the carbon current collector may be a carbon cloth in which carbon nanofibers are intersected and entangled.

한편, 전지의 충/방전이 지속적으로 이루어지는 경우 탄소집전체는 전지의 반응으로 생성되는 리튬폴리설파이드의 셔틀링을 억제하는 구속층으로서 역할하기 때문에 양극을 이루는 상기 탄소집전체의 구조에 변형이 있게 되면 전지의 성능이 저하될 수 있다. 따라서, 탄소집전체를 이루고 있는 탄소나노섬유는 물리적, 화학적으로 안정한 물질인 것이 바람직하다. On the other hand, when the battery is continuously charged / discharged, the carbon current collector serves as a restraining layer that suppresses the shuttle of lithium polysulfide generated by the reaction of the battery, so that the structure of the carbon current collector forming the positive electrode may be deformed. The performance of the battery may be degraded. Therefore, the carbon nanofibers forming the carbon current collector are preferably physically and chemically stable materials.

탄소집전체 기공의 비율로서는 전체 탄소집전체의 부피를 기준으로 볼 때, 기공의 부피 비율이 50% 내지 95% 정도의 높은 비율을 가지는 것이 바람직하다. 가령, 기공의 부피 비율이 50% 미만인 경우에는, 리튬폴리설파이드의 잠입이 충분히 이루어지지 않는 바, 리튬-황 이차전지로서 개선된 용량특성 및 수명특성 등을 향유할 수 없다. 반대로, 기공의 부피 비율이 95% 이상인 경우에는 탄소집전체의 전기 전도도가 감소하여 전지의 성능이 저하될 수 있다.As the ratio of the carbon current collector pores, it is preferable that the volume ratio of the pores has a high ratio of about 50% to 95% based on the volume of the entire carbon current collector. For example, when the volume ratio of pores is less than 50%, lithium polysulfide is not sufficiently infiltrated, and thus, lithium-sulfur secondary batteries cannot enjoy improved capacity characteristics and life characteristics. On the contrary, when the volume ratio of the pores is 95% or more, the electrical conductivity of the carbon current collector may decrease, thereby degrading the performance of the battery.

또한, 탄소집전체의 기공은 황이 흡착될 수 있으면 충분하고, 기공의 배열에 있어서 특별히 제한되는 것은 아니다. 일반적인 다공성 탄소 물질의 기공은 탄소 물질의 외면에서 내부로 방사형으로 배열되어, 탄소 물질 외면의 기공이 폐색되는 경우 황화합물인 양극활물질, 리튬 양이온 등이 방사형으로 배열되는 모든 기공 내부로의 침투가 비용이하게 되어 전지의 성능이 저하된다. 이와는 반면 본 발명의 일 예로서, 탄소집전체의 기공은 바람직하게는 탄소집전체의 외면에서 내부로 일렬로 배열될 수 있다. 탄소집전체 외면의 기공이 폐색되더라도, 양극활물질, 리튬 양이온 등이 폐색되지 않은 다른 외면 기공의 내부로의 침투가 용이하므로 기공이 외면에서 내부로 방사형으로 배열되는 경우에 비하여 양극활물질, 리튬 양이온 등의 침투가 효율적으로 용이하게 일어나므로 전지의 성능이 저하되지 않는다.In addition, the pores of the carbon current collector are sufficient as long as sulfur can be adsorbed, and the pore arrangement is not particularly limited. The pores of a general porous carbon material are radially arranged from the outer surface of the carbon material, and if the pores on the outer surface of the carbon material are blocked, the penetration into the inside of all the pores in which the sulfur compound anode active material and lithium cation are arranged radially is costly. The performance of the battery is reduced. On the other hand, as an example of the present invention, the pores of the carbon current collector may be preferably arranged in a line from the outer surface of the carbon current collector to the inside. Even if pores on the outer surface of the carbon current collector are occluded, it is easy to penetrate into the inside of other outer pores where the cathode active material and lithium cation are not occluded, and thus the cathode active material and lithium cation, etc. Penetration of Efficient Efficiently Occurs Efficiently and the Performance of the Battery is Not Degraded

탄소집전체의 기공은 내부 기공의 직경은 전해질의 침투가 용이하고 전지의 반응으로 생성되는 리튬폴리설파이드의 셔틀링을 억제할 수 있으면 충분하며, 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명의 탄소집전체의 미세 기공의 직경은 0.5nm 내지 1.5nm 사이인 것이 바람직하다. 만일, 상기 미세 기공의 직경이 0.5nm 미만이면, 양극으로 짧은 사슬구조의 S2-4, 전해질 및 리튬 양이온이 침투하는 것이 비용이하다. 반대로, 상기 미세 기공의 직경이 1.5nm 초과하면, 탄소집전체에 증착된 불용성 리튬설파이드의 패시베이션층이 기공을 충분히 폐색하지 못하여 리튬폴리설파이드의 셔틀링 억제가 이루어지지 않게 된다. 따라서, 미세 기공의 직경이 1.5nm를 초과하게 되면, 전지의 사이클 특성이 급격히 저하되게 된다.The pores of the carbon current collector may have a diameter of the internal pores that is easy to infiltrate the electrolyte and can suppress the shuttleling of the lithium polysulfide generated by the reaction of the battery, and is not particularly limited. For example, the diameter of the fine pores of the carbon current collector of the present invention is preferably between 0.5nm to 1.5nm. If the diameter of the micropores is less than 0.5 nm, it is inexpensive to penetrate the short chain structure S 2-4 , the electrolyte and the lithium cation into the anode. On the contrary, when the diameter of the fine pores exceeds 1.5 nm, the passivation layer of the insoluble lithium sulfide deposited on the carbon current collector does not sufficiently occlude the pores, thereby preventing the shuttle of the lithium polysulfide. Therefore, when the diameter of the fine pores exceeds 1.5 nm, the cycle characteristics of the battery rapidly decreases.

보다 바람직하게는 리튬 양이온과 전해질의 이동이 용이한 기공의 직경은 약 0.7nm 내지 1.3nm을 들 수 있다. 상기 미세 기공의 직경이 0.7nm 이상 1.3nm 이하인 경우 짧은 사슬구조의 S2-4, 링구조의 S8, 전해질 및 리튬 양이온의 침투가 용이하면서도, 탄소집전체에 증착된 불용성 리튬설파이드의 패시베이션층이 기공을 충분히 폐색하여 리튬폴리설파이드의 셔틀링 억제가 효율적으로 이루어져 우수한 사이클 특성을 확보할 수 있다. 보다 더 바람직하게는 약 1.1nm를 들 수 있다.More preferably, the diameter of the pores in which the lithium cation and the electrolyte are easily moved may be about 0.7 nm to 1.3 nm. The passivation layer of insoluble lithium sulfide deposited on a carbon current collector is easy to penetrate S 2-4 of a short chain structure, S 8 of a ring structure , an electrolyte and a lithium cation when the diameter of the fine pores is 0.7 nm or more and 1.3 nm or less. The pores are sufficiently occluded to suppress shuttleling of lithium polysulfide efficiently, thereby ensuring excellent cycle characteristics. Even more preferably about 1.1 nm.

결합양상과 특유효과Coupling Characteristics and Specific Effects

본 발명의 탄소집전체, 양극액 및 양극활물질의 조합으로 리튬폴리설파이드의 셔틀링이 억제되어, 수명특성, 사이클특성, 용량특성 등이 개선된 리튬-황 이차전지용 양극을 얻을 수 있다. 이하에서는 본 발명의 특유한 효과의 유래에 대하여 더욱 상세히 서술한다.The combination of the carbon current collector, the anolyte solution, and the positive electrode active material of the present invention suppresses the shuttleting of lithium polysulfide, thereby obtaining a positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery having improved life characteristics, cycle characteristics, capacity characteristics, and the like. Hereinafter, the origin of the peculiar effect of the present invention will be described in more detail.

1. 셔틀링 억제 - 충/방전 사이클 특성 1. Shuttle suppression-charge / discharge cycle characteristics

본 발명의 탄소집전체는 리튬폴리설파이드가 용해된 양극액에 잠입될 수 있다. 리튬폴리설파이드를 액상으로 탄소집전체에 고르게 주입하기 위하여 황 또는 리튬설파이드를 양극액 속에 용해시켜 제조한다. 상기 액상의 리튬폴리설파이드(Li2Sx)의 x는 4≤x≤8의 범위를 가질 수 있다. 본 발명의 탄소집전체가 전기화학 반응을 통해 양극액에 잠입되는 경우 탄소집전체의 기공과 리튬폴리설파이드가 용해되어 있는 양극액 사이의 반응면적이 최대화된다.The carbon current collector of the present invention may be immersed in the anolyte solution in which lithium polysulfide is dissolved. In order to evenly inject the lithium polysulfide into the carbon current collector in the liquid phase, sulfur or lithium sulfide is dissolved in the anolyte solution. X of the liquid lithium polysulfide (Li 2 S x ) may have a range of 4≤x≤8. When the carbon current collector of the present invention is immersed in the anolyte through an electrochemical reaction, the reaction area between the pores of the carbon current collector and the anolyte in which lithium polysulfide is dissolved is maximized.

상술한 내용과 더불어 탄소집전체는 미세 다공성 구조를 가지고 있으므로 양극액의 농도를 간단히 변경하여 탄소집전체에 흡착되는 황의 중량을 쉽게 제어할 수 있다. 상기 황의 중량을 제어함으로써 상기 황을 포함하는 양극활물질의 환원반응으로 생성되는 불용성 리튬설파이드의 증착양을 제어할 수 있다. 탄소집전체 기공에 흡착된 양극활물질의 환원반응으로 생성된 불용성 리튬설파이드가 셀프 트랩(self-trap)으로서 리튬폴리설파이드의 셔틀링을 억제하기 때문에, 본 발명의 탄소집전체는 전지의 반응에 따라 생성된 리튬폴리설파이드의 구속층으로서 역할을 할 수 있다. In addition to the above, since the carbon current collector has a microporous structure, the weight of sulfur adsorbed on the carbon current collector can be easily controlled by simply changing the concentration of the anolyte solution. By controlling the weight of the sulfur, it is possible to control the deposition amount of insoluble lithium sulfide produced by the reduction reaction of the positive electrode active material containing sulfur. Since the insoluble lithium sulfide produced by the reduction reaction of the positive electrode active material adsorbed to the carbon current collector pores inhibits the shuttle of lithium polysulfide as a self-trap, the carbon current collector of the present invention is dependent on the reaction of the battery. It can serve as a confining layer of the produced lithium polysulfide.

한편, 탄소집전체에 흡착되는 황의 중량이 너무 적은 경우 불용성 리튬설파이드의 증착양이 적어 패시베이션층을 충분히 형성하지 못하게 되고, 충/방전이 반복되는 경우 리튬폴리설파이드의 셔틀링을 억제하지 못한다. 또 황의 중량이 너무 많은 경우에는 상기 황을 포함하는 양극활물질의 환원반응이 촉진되므로 불용성 리튬설파이드의 패시베이션층을 비가역적으로 빠르게 형성하게 되어 전지의 특성을 저하시킨다. 반면에 적절한 양의 불용성 리튬설파이드가 탄소집전체 기공 내에 증착되는 경우, 증착된 불용성 리튬설파이드는 리튬폴리설파이드의 셔틀링을 억제하는 역할을 하면서도 충/방전에 따른 그 증착이 가역적으로 일어나 최종적으로 양극의 사이클 특성이 우수하다. On the other hand, when the weight of sulfur adsorbed to the carbon current collector is too small, the amount of insoluble lithium sulfide is not deposited enough to form a passivation layer sufficiently, and when charging / discharging is repeated, the shuttle of lithium polysulfide cannot be suppressed. In addition, when the weight of sulfur is too high, the reduction reaction of the positive electrode active material including sulfur is promoted, thereby rapidly forming irreversibly a passivation layer of insoluble lithium sulfide, thereby deteriorating the characteristics of the battery. On the other hand, when an appropriate amount of insoluble lithium sulfide is deposited in the carbon current collector pores, the deposited insoluble lithium sulfide serves to suppress the shuttle of the lithium polysulfide, but its deposition due to charging / discharging is reversible, resulting in a positive electrode. Its cycle characteristics are excellent.

적절한 양의 불용성 리튬설파이드를 증착시킬 수 있는 탄소집전체의 단위 면적당 (cm2) 흡착되는 황의 중량(mg)의 일 예로서, 바람직하게는 2mg 이상 10mg 이하를 들 수 있다. 2mg 이하에서는 불용성 리튬설파이드의 증착양이 너무 적어 리튬폴리설파이드의 셔틀링을 억제하지 못하며, 10mg 이상에서는 탄소집전체에 흡착된 황을 포함하는 양극활물질의 양이 과도하여 환원반응이 촉진되므로 불용성 리튬설파이드의 패시베이션층을 빠르게 형성하게 되며 불용성 리튬폴리설파이드의 증착이 비가역적으로 일어나 전지의 특성을 저하시킨다. As an example of the weight (mg) of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of a carbon current collector capable of depositing an appropriate amount of insoluble lithium sulfide, preferably 2 mg or more and 10 mg or less is mentioned. In 2 mg or less, the amount of insoluble lithium sulfide is too small to inhibit the shuttle of lithium polysulfide, and in the case of 10 mg or more, the amount of positive electrode active material including sulfur adsorbed to the carbon current collector is excessive, so that the reduction reaction is promoted. The passivation layer of sulfide is rapidly formed, and deposition of insoluble lithium polysulfide is irreversibly caused to deteriorate battery characteristics.

탄소집전체의 단위 면적당 (cm2) 흡착되는 황의 중량(mg)은 보다 바람직하게는 4mg 이상 8mg 이하를 들 수 있다. 4mg 이상에서부터 불용성 리튬설파이드가 충분히 패시베이션층을 형성하기 시작하여 리튬폴리설파이드의 셔틀링을 억제함과 동시에 황의 로딩밀도가 높아 우수한 전극 특성을 가지게 된다. 8mg 이상에서부터는 탄소집전체에 흡착된 황을 포함하는 양극활물질의 양이 과도하여 환원반응이 촉진되므로 불용성 리튬설파이드의 패시베이션층을 빠르게 형성하게 되며 불용성 리튬폴리설파이드의 증착이 비가역적으로 일어나 전지의 특성을 급격히 저하시킨다.The weight (mg) of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector is more preferably 4 mg or more and 8 mg or less. Insoluble lithium sulfide starts to form a passivation layer sufficiently from 4 mg or more, thereby inhibiting the shuttle of lithium polysulfide and at the same time having a high loading density of sulfur, thereby having excellent electrode characteristics. From 8 mg or more, the amount of positive electrode active material containing sulfur adsorbed on the carbon current collector is excessive, thereby facilitating a reduction reaction, thereby rapidly forming a passivation layer of insoluble lithium sulfide and irreversible deposition of insoluble lithium polysulfide. Sharply deteriorating properties.

탄소집전체의 단위 면적당 (cm2) 흡착되는 황의 중량(mg)은 보다 더 바람직하게는 6mg을 들 수 있다. 흡착되는 황의 중량이 6mg일때 불용성 리튬설파이드가 충분히 패시베이션층을 형성하여 리튬폴리설파이드의 셔틀링을 억제함과 동시에 불용성 리튬설파이드의 증착이 가역적으로 일어나 사이클 특성이 우수하다. 또한, 황의 로딩밀도가 높아 우수한 전극 특성을 가질 수 있다.The weight (mg) of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector is even more preferably 6 mg. When the weight of sulfur adsorbed is 6 mg, insoluble lithium sulfide sufficiently forms a passivation layer to suppress shuttle of lithium polysulfide and reversible deposition of insoluble lithium sulfide, resulting in excellent cycle characteristics. In addition, sulfur has a high loading density and may have excellent electrode characteristics.

즉, 본 발명의 양극액과 탄소집전체를 결합함으로써, 반응 면적의 최대화로 탄소집전체에 흡착되는 황의 중량을 쉽게 제어할 수 있다. 양극활물질의 환원반응으로 생성되는 불용성 리튬설파이드의 기공 내 증착양을 제어함으로써, 리튬폴리설파이드의 셔틀링 방지에 따른 개선된 전지특성을 향유할 수 있다.That is, by combining the anolyte and the carbon current collector of the present invention, it is possible to easily control the weight of sulfur adsorbed to the carbon current collector by maximizing the reaction area. By controlling the deposition amount in the pores of insoluble lithium sulfide produced by the reduction reaction of the positive electrode active material, it is possible to enjoy improved battery characteristics due to the prevention of the shuttle of the lithium polysulfide.

2. 신축성과 탄성2. elasticity and elasticity

본 발명의 탄소집전체의 일 예로서 탄소천 내에는 탄소나노섬유가 서로 교차하고 엉켜 있어 그 신축성, 탄성, 및 유연성이 우수하다. 구체적으로, 본 발명의 탄소나노섬유는 1.25배 이상 신장될 수 있으며, 이러한 신축성으로 전극의 손상이 없이도 충/방전과정에서의 부피변화(80%)를 충분히 수용할 수 있게 된다. 더하여, 본 발명의 탄소집전체를 활용함으로써, 본 발명의 리튬-황 이차전지는 밴딩을 반복하여도 방전용량이 일정하게 유지된다. 이와 관련된 자세한 내용은 후술하기로 한다.As an example of the carbon current collector of the present invention, in the carbon cloth, carbon nanofibers intersect and entangle with each other, and thus have excellent elasticity, elasticity, and flexibility. Specifically, the carbon nanofibers of the present invention can be stretched by 1.25 times or more, and this elasticity can sufficiently accommodate the volume change (80%) during the charge / discharge process without damaging the electrode. In addition, by utilizing the carbon current collector of the present invention, the lithium-sulfur secondary battery of the present invention maintains a constant discharge capacity even after repeated bending. Details thereof will be described later.

3. 에너지 밀도3. Energy density

본 발명의 탄소집전체는 집전체로서 개선된 기계적 특성과 전기 전도성을 가지고 있다. 구체적으로 충/방전 과정 중에 폴리설파이드 내지는 황을 구속하여 확산을 방지한다. 또한, 전해질을 함유할 수 있는 탄소집전체의 용량은 63μL/cm2 이상으로 기존의 금속 집전체 (탄소가 코팅된 Al, 0.0023μL/cm2)보다 훨씬 크다. 따라서, 본 발명의 탄소집전체를 양극액에 잠입시키는 방식으로 간단하게 황의 로딩밀도를 개선할 수 있다. The carbon current collector of the present invention has improved mechanical properties and electrical conductivity as a current collector. Specifically, polysulfide or sulfur is constrained during the charge / discharge process to prevent diffusion. In addition, the capacity of the carbon current collector that may contain an electrolyte is 63 µL / cm 2 or more, which is much larger than that of a conventional metal current collector (carbon coated Al, 0.0023 µL / cm 2 ). Therefore, the loading density of sulfur can be easily improved by immersing the carbon current collector of the present invention in the anolyte solution.

더불어, 본 발명의 탄소집전체는 활성탄소로서 황의 물리적 흡착에 유리한 미세 다공성 구조를 갖는다. 가령, 질소흡착 측정법에 따라 탄소집전체의 표면적 및 미세 기공의 부피를 계산할 시에, 탄소집전체 1g당 탄소집전체의 표면적은 대략 1630m2일 수 있으며, 미세 기공의 부피는 대략 0.87cm3일 수 있다. 이론적으로 본 발명의 탄소집전체의 미세기공에 최대로 흡착될 수 있는 황의 질량은 탄소집전체의 단위 면적 당(cm2) 약 11.5mg이다.In addition, the carbon current collector of the present invention has a microporous structure that is advantageous for physical adsorption of sulfur as activated carbon. For example, when calculating the surface area of the carbon current collector and the volume of the fine pores according to the nitrogen adsorption measurement method, the surface area of the carbon current collector per 1 g of the carbon current collector may be approximately 1630 m 2 , and the volume of the fine pores may be approximately 0.87 cm 3 days. Can be. Theoretically, the maximum amount of sulfur that can be adsorbed to the micropores of the carbon current collector of the present invention is about 11.5 mg per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector.

본 명세서는 상술한 문제점을 해결하기 위한 수단으로서 상기 탄소집전체에 대한 세부구성, 양극액에 대한 세부구성, 양극활물질에 대한 세부구성이 서로 독립적으로 조합된 리튬-황 이차전지용 양극을 포함한다. 본 명세서는 또한, 본 발명의 양극을 포함하는 리튬-황 이차전지 및 상기 리튬-황 이차전지를 포함하는 전자기기를 개시하고 있다.The present specification includes a positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery in which a detailed configuration for the carbon current collector, a detailed configuration for the anolyte solution, and a detailed configuration for the positive electrode active material are independently combined with each other as a means for solving the above problems. The present specification also discloses a lithium-sulfur secondary battery including the positive electrode of the present invention and an electronic device including the lithium-sulfur secondary battery.

<본 발명의 리튬-황 이차전지용 양극을 포함하는 리튬-황 이차전지 및 전자기기><Lithium-sulfur secondary battery and electronic device including the positive electrode for lithium-sulfur secondary battery of the present invention>

본 발명의 리튬-황 이차전지용 양극을 포함하는 리튬-황 이차전지Lithium-sulfur secondary battery comprising the positive electrode for lithium-sulfur secondary battery of the present invention

리튬-황 이차전지는 예를 들어, 코인셀, 비커셀, 파우치셀, 원통형셀, 각형셀 등 다양한 형태로 제조될 수 있다. 본 발명의 리튬-황 이차전지는 탄소집전체를 사용함으로써 불황성 탄소 지지체의 사용을 배제하여 신축성, 유연성 등의 물리적 특성을 갖고 있으며, 상기의 특성들을 유지된다는 전제 하에서, 전지를 구성하는 형태 상에는 특별한 제한이 없다. 다만, 탄소집전체의 개선된 기계적 특성을 최대한 활용하기 위한 일 방도로서 파우치셀을 고려할 수 있다.The lithium-sulfur secondary battery may be manufactured in various forms such as a coin cell, a beaker cell, a pouch cell, a cylindrical cell, a square cell, and the like. The lithium-sulfur secondary battery of the present invention has physical properties such as elasticity and flexibility by eliminating the use of a sulfur-free carbon support by using a carbon current collector, and on the premise of maintaining the above characteristics, There is no special limitation. However, the pouch cell may be considered as one way to maximize the improved mechanical properties of the carbon current collector.

본 발명의 리튬-황 이차전지는 본 발명의 양극, 음극, 및 세퍼레이터 등을 포함한다. 이하에서 서술하는 음극이나 세퍼레이터의 예시에 의하여 본 발명의 사상이 한정되지 않는다는 점을 주의할 필요가 있다.  The lithium-sulfur secondary battery of the present invention includes the positive electrode, the negative electrode, the separator, and the like of the present invention. It should be noted that the idea of the present invention is not limited by the examples of the negative electrode and the separator described below.

음극으로서 리튬금속 또는 리튬금속 합금 박막이 그대로 사용될 수 있다. 또는, 음극은 리튬금속 또는 리튬금속 합금 박막이 집전체인 전도성 기판 상에 배치된 상태로 사용될 수 있다. 리튬금속 박막은 집전체와 일체일 수 있다. 다르게는, 음극은 집전체 및 상기 집전체 상에 배치되는 음극 활물질 층을 포함할 수 있다. As the negative electrode, a lithium metal or lithium metal alloy thin film may be used as it is. Alternatively, the negative electrode may be used with a lithium metal or lithium metal alloy thin film disposed on a conductive substrate which is a current collector. The lithium metal thin film may be integrated with the current collector. Alternatively, the negative electrode may include a current collector and a negative electrode active material layer disposed on the current collector.

상기 음극에서 집전체는 스테인레스 스틸, 구리, 니켈, 철 및 코발트로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며, 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 전도성이 우수한 금속성 기판이라면 모두 가능하다. 예를 들어, 집전체는 전도성 산화물 기판, 전도성 고분자 기판 등일 수 있다. 또한, 집전체는 기판 전체가 전도성 재료로 이루어진 구조 외에 절연성 기판의 일 표면 상에 전도성 금속, 전도성 금속산화물, 전도성 고분자가 코팅된 형태 등 다양한 구조를 가질 수 있다. 한편, 상기 집전체는 유연성 기판일 수 있다. 이 경우, 집전체는 쉽게 굽혀질 수 있다. 또한, 굽혀진 후에, 집전체는 원래 형태로 복원이 용이할 수 있다. 따라서, 본 발명의 파우치셀 형태의 리튬-황 이차전지에 있어서 유연성 기판을 집전체로 사용하는 것이 기계적 물성을 적극 활용할 수 있다는 측면에서 바람직하다.The current collector in the negative electrode may be one selected from the group consisting of stainless steel, copper, nickel, iron and cobalt, but is not necessarily limited thereto, and may be any metal substrate having excellent conductivity that may be used in the art. For example, the current collector may be a conductive oxide substrate, a conductive polymer substrate, or the like. In addition, the current collector may have various structures such as a conductive metal, a conductive metal oxide, and a conductive polymer coated on one surface of the insulating substrate in addition to the structure of the entire substrate. On the other hand, the current collector may be a flexible substrate. In this case, the current collector can be easily bent. In addition, after bending, the current collector may be easily restored to its original form. Therefore, in the pouch cell type lithium-sulfur secondary battery of the present invention, it is preferable to use a flexible substrate as a current collector from the viewpoint that mechanical properties can be actively utilized.

또한, 음극은 리튬금속 또는 리튬금속 합금 외에 다른 음극 활물질을 추가적으로 포함할 수 있다. 음극은 리튬금속과 다른 음극 활물질의 합금, 리튬금속과 다른 음극 활물질의 복합체 또는 리튬금속과 다른 음극 활물질의 혼합물일 수 있다. 음극에 추가될 수 있는 다른 음극 활물질로는 예를 들어, 리튬과 합금 가능한 금속, 전이금속 산화물, 비전이금속산화물 및 탄소계 재료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. In addition, the negative electrode may further include other negative electrode active materials in addition to the lithium metal or the lithium metal alloy. The negative electrode may be an alloy of lithium metal and another negative electrode active material, a composite of lithium metal and another negative electrode active material, or a mixture of lithium metal and another negative electrode active material. Other negative electrode active materials that may be added to the negative electrode may include, for example, one or more selected from the group consisting of metals capable of alloying with lithium, transition metal oxides, non-transition metal oxides, and carbon-based materials.

예를 들어, 상기 리튬과 합금가능한 금속은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 아님), Sn-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님) 등일 수 있다. 상기 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po 또는 이들의 조합일 수 있다. For example, the metal alloyable with lithium is Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb Si-Y alloy (The Y is an alkali metal, alkaline earth metal, Group 13 element, Group 14 element, transition metal, rare earth Element or a combination thereof, not Si), Sn-Y alloy (Y is an alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal, rare earth element or combination thereof, and not Sn. ) And the like. As the element Y, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po or a combination thereof.

예를 들어, 상기 전이금속 산화물은 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등일 수 있고, 상기 비전이금속 산화물은 SnO2, SiOx(0<x<2) 등일 수 있다.For example, the transition metal oxide may be lithium titanium oxide, vanadium oxide, lithium vanadium oxide, or the like, and the non-transition metal oxide may be SnO 2 , SiO x (0 <x <2), or the like.

세퍼레이터는 리튬-황 이차전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태일 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 유연성이 뛰어난 세퍼레이터가 사용될 수 있다. The separator may be used as long as it is commonly used in lithium-sulfur secondary batteries. A low resistance to the ion migration of the electrolyte and excellent in the ability to hydrate the electrolyte can be used. For example, it is selected from glass fiber, polyester, teflon, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), or a combination thereof, and may be in the form of nonwoven or woven fabric. For example, a flexible separator such as polyethylene or polypropylene may be used.

전자기기Electronics

본 발명의 양극을 구비한 리튬-황 이차전지는 향상된 사이클 특성, 물리적 특성, 에너지 밀도를 가지므로 다양한 전자 기기의 전원으로 이용될 수 있다. 전자기기의 예시로는, 에어컨, 세탁기, TV, 냉장고, 냉동고, 냉방 기기, 노트북, 태블릿, 스마트폰, PC 키보드, PC용 디스플레이, 데스크탑형 PC, CRT 모니터, 프린터, 일체형 PC, 마우스, 하드 디스크, PC 주변기기, 다리미, 의류 건조기, 윈도우팬, 트랜시버, 송풍기, 환기팬, TV, 음악 레코더, 음악 플레이어, 오븐, 레인지, 세정 기능이 있는 변기, 온풍 히터, 차량 음향장치(car component), 차량 내비게이션, 회중전등, 가습기, 휴대 노래방 기계, 환기팬, 건조기, 공기 청정기, 휴대전화, 비상용전등, 게임기, 혈압계, 커피 분쇄기, 커피 메이커, 코타츠, 복사기, 디스크 체인저, 라디오, 면도기, 쥬서, 슈레더(shredder), 정수기, 조명 기구, 제습기, 식기 건조기, 전기밥솥, 스테레오, 스토브, 스피커, 바지 다리미, 청소기, 체지방계, 체중계, 가정용 소형 체중계(bathroom scales), 비디오 플레이어, 전기장판, 전기 밥솥, 전기스탠드, 전기 주전자, 전자 게임기, 휴대용 게임기, 전자사전, 전자수첩, 전자레인지, 전자조리기, 전자 계산기, 전동 카트, 전동 휠체어, 전동 공구, 전동 칫솔, 전기 발 온열 장치, 이발기구, 전화기, 시계, 인터폰, 에어 서큘레이터, 전격 살충기, 핫 플레이트, 토스터, 헤어 드라이어, 전동 드릴, 급탕기, 패널 히터, 분쇄기, 납땜인두, 비디오카메라, VCR, 팩시밀리, 푸드 프로세서, 이불 건조기, 헤드폰, 마이크, 마사지기, 믹서, 재봉틀, 떡을 치는 기계, 바닥 난방 패널, 랜턴, 리모컨, 냉온고, 냉수기, 냉풍기, 워드 프로세서, 거품기, 전자 악기, 오토바이, 장난감류, 잔디 깎는 기계, 낚시 찌, 자전거, 자동차, 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 철도, 배, 비행기, 비상용 축전지 등을 들 수 있다.Since the lithium-sulfur secondary battery having the positive electrode of the present invention has improved cycle characteristics, physical characteristics, and energy density, it may be used as a power source for various electronic devices. Examples of electronic devices include air conditioners, washing machines, TVs, refrigerators, freezers, air conditioners, laptops, tablets, smartphones, PC keyboards, displays for PCs, desktop PCs, CRT monitors, printers, integrated PCs, mice, and hard disks. , PC peripherals, Iron, Clothes dryer, Window fan, Transceiver, Blower, Ventilation fan, TV, Music recorder, Music player, Oven, Range, Toilet bowl with cleaning function, Warm air heater, Car component, Car navigation , Flashlight, Humidifier, Mobile Karaoke Machine, Ventilation Fan, Dryer, Air Purifier, Mobile Phone, Emergency Light, Game Machine, Sphygmomanometer, Coffee Grinder, Coffee Maker, Kotatsu, Copier, Disc Changer, Radio, Shaver, Juicer, Shredder ), Water purifiers, lighting fixtures, dehumidifiers, dish dryers, rice cookers, stereos, stoves, speakers, trouser presses, vacuum cleaners, body fat scales, scales, household scales, rain Dio player, electric board, rice cooker, electric stand, electric kettle, electronic game machine, portable game machine, electronic dictionary, electronic notebook, microwave oven, electric cooker, electronic calculator, electric cart, electric wheelchair, power tool, electric toothbrush, electric foot Warmer, Barber, Telephone, Clock, Intercom, Air circulator, Electric insecticide, Hot plate, Toaster, Hair dryer, Electric drill, Hot water heater, Panel heater, Grinder, Soldering iron, Video camera, VCR, Facsimile, Food processor, Quilt dryer, Headphones, Microphone, Massager, Mixer, Sewing machine, Rice cake machine, Floor heating panel, Lantern, Remote control, Hot and cold, Water cooler, Cold air conditioner, Word processor, Whisk, Electronic instrument, Motorcycle, Toys, Lawn mower , Fishing bobbers, bicycles, cars, hybrid cars, plug-in hybrid cars, electric cars, railways, ships, airplanes, emergency storage batteries, etc. The.

본 발명에 따른 리튬-황 이차전지는 특히 향상된 사이클 특성과 신축성, 유연성 등의 물리적 특성 등이 요구되는 노트북, 태블릿, 스마트폰, 전동 카트, 일체형 마우스, 게임기, 전자사전, 전자수첩 등의 소형 전자기기 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있다.The lithium-sulfur secondary battery according to the present invention is particularly small electronics such as notebooks, tablets, smartphones, electric carts, integrated mice, game consoles, electronic dictionaries, electronic notebooks, etc., which require improved cycle characteristics, elasticity, and flexibility. It can be used suitably as a power supply of an apparatus etc.

{실시예}{Example}

이하에서는 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 제공되는 것으로서, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 사상이 반드시 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, this is provided to be easily implemented by those of ordinary skill in the art, the present invention can be implemented in a number of different forms, the spirit of the invention is not necessarily limited to the embodiments no.

또한, 이하의 실시예 및 비교예에서 사이클 특성 및 율속 특성의 분석을 위한 GCPL(Galvanostatic cycling with potential limitation) 사이클링의 경우 WonATech사의 장비를 이용하였다. GCPL 사이클링에 앞서 준비단계로서 전극에 전해질과 양극액을 주입한 후 셀을 조립한 뒤 용액이 기공 속으로 침투할 수 있도록 6시간동안 충분히 기다린다. 다만, 실시예 2에 따른 CC-S6를 포함하는 파우치형 전지는 상기 6시간의 준비단계 없이 GCPL 사이클링을 진행하였다.In addition, in the following examples and comparative examples, in the case of Galvanostatic cycling with potential limitation (GCPL) cycling for analyzing cycle characteristics and rate characteristics, WonATech's equipment was used. In preparation for GCPL cycling, electrolyte and anolyte are injected into the electrode, then the cells are assembled and waited for 6 hours to allow the solution to penetrate into the pores. However, the pouch-type battery including CC-S6 according to Example 2 was subjected to GCPL cycling without the preparation step of 6 hours.

또한, 실시예 1, 비교예 1 내지 4에서 황의 중량(mg)대비 양극액의 부피(㎕)비는 약 22㎕/mg으로 높게 설정하였다. 상기 조건은 통상적인 리튬-황 이차전지의 경우보다 황 중량 대비 양극액 부피 비율을 높게 설정한 것이다. 일반적으로 충/방전을 거듭할수록 황 중량 대비 양극액의 부피가 줄어들면서 양극액에 용해되는 황의 용해량이 감소하게 된다. 반면에 상기 조건에서는 황 중량 대비 양극액의 부피가 상대적으로 높기 때문에 충/방전을 거듭하여도 양극액에 용해되는 황의 용해량이 비교적 잘 유지되게 된다. 따라서 상기 조건에서 충/방전이 반복되는 실험을 하는 경우 양극이 황의 셔틀링을 억제하는 성능, 황이 양극액에 용해되지 않고 양극에 구속되는지 여부를 더 잘 파악할 수 있게 된다. 즉, 상기 조건을 설정하여 충/방전 사이클 특성이 안정한 성능을 보이는 양극, 셀의 안정성을 용이하게 증명할 수 있게 된다. In Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, the volume (μl) ratio of the anolyte solution to the weight (mg) of sulfur was set high as about 22 μl / mg. The above condition is to set the volume ratio of the anolyte solution to the sulfur weight higher than that of the conventional lithium-sulfur secondary battery. In general, as the charge / discharge is repeated, the amount of sulfur dissolved in the anolyte decreases as the volume of the anolyte decreases relative to the weight of sulfur. On the other hand, under the above conditions, since the volume of the anolyte is relatively high relative to the weight of sulfur, the amount of sulfur dissolved in the anolyte is maintained relatively well even after repeated charging / discharging. Therefore, when the charging / discharging is repeated under the above conditions, the anode is able to better understand whether the sulfur inhibits the shuttleling of sulfur and whether sulfur is bound to the anode without dissolving in the anolyte solution. That is, by setting the above conditions, it is possible to easily prove the stability of the positive electrode and the cell having stable performance of charge / discharge cycle characteristics.

실시예 1 : CC-S6Example 1 CC-S6

DOL(1,3-Dioxolane)과 DME(1,2-Dimethoxyethane)를 1:1의 부피비로 혼합하여 본 발명의 양극액의 용매로서 사용하였다. 상기 용매에 리튬염 LiTFSI Trifluoromethanesulfonylimide,

Figure 112018050769482-pat00001
(CF3SO2)2NLi) 1M과 황의 소스인 Li2S6를 용해하여 양극액을 준비하였다. 더하여, 본 발명의 탄소집전체를 상기 양극액에 잠입시켜 본 발명의 양극을 제작하였다. 특히, 상기 탄소집전체의 단위 면적(cm2) 당 흡착되는 황의 중량이 6mg이었다.DOL (1,3-Dioxolane) and DME (1,2-Dimethoxyethane) were mixed at a volume ratio of 1: 1 and used as a solvent of the anolyte solution of the present invention. Lithium salt LiTFSI Trifluoromethanesulfonylimide, in the solvent
Figure 112018050769482-pat00001
(CF 3 SO 2 ) 2 NLi) 1M and Li 2 S 6 as a source of sulfur were dissolved to prepare an anolyte. In addition, the carbon current collector of the present invention was immersed in the anolyte solution to prepare a positive electrode of the present invention. In particular, the weight of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector was 6 mg.

비교예Comparative example 1 : CC-S2 1: CC-S2

실시예 1과 동일하게 제조하되, Li2S6가 잠입된 탄소집전체의 단위 면적(cm2)당 흡착되는 황의 중량 2mg인 것이 상이하다.Prepared in the same manner as in Example 1, except that Li 2 S 6 is 2 mg by weight of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the immersed carbon current collector.

비교예Comparative example 2 : CC-S4 2: CC-S4

실시예 1과 동일하게 제조하되, Li2S6가 잠입된 탄소집전체의 단위 면적(cm2)당 흡착되는 황의 중량 4mg인 것이 상이하다.Prepared in the same manner as in Example 1, except that Li 2 S 6 is 4 mg by weight of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the immersed carbon current collector.

비교예Comparative example 3 : CC-S8 3: CC-S8

실시예 1과 동일하게 제조하되, Li2S6가 잠입된 탄소집전체의 단위 면적(cm2)당 흡착되는 황의 중량 8mg인 것이 상이하다.Prepared in the same manner as in Example 1, except that Li 2 S 6 is 8 mg by weight of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the immersed carbon current collector.

비교예Comparative example 4 : CC-S10 4: CC-S10

실시예 1과 동일하게 제조하되, Li2S6가 잠입된 탄소집전체의 단위 면적(cm2)당 흡착되는 황의 중량 10mg인 것이 상이하다.Prepared in the same manner as in Example 1, except that Li 2 S 6 is 10 mg by weight of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the immersed carbon current collector.

실시예Example 2 : 2 : CC-S6를 포함하는 파우치형 전지Pouch type battery containing CC-S6

실시예 1을 파우치에 넣어 파우치형 전지를 구성한다. 상기 파우치의 소재는 플라스틱(폴리에틸렌)으로 구성했다. 탄소집전체(CH900-20, Kuractive)를 너비 2cm, 길이 6cm의 직사각형 형태로 하여 전극을 구성하고, 탄소집전체를 양극액에 잠입시킨다. 블랭크 전해질을 첨가하여 양극액 및 블랭크 전해질의 부피합이 100㎕가 되도록 하였다. 탄소집전체의 단위 면적(cm2) 당 흡착되는 황의 중량 6mg이 되도록 양극액의 양을 적절히 조절한다. 그 다음, 너비와 길이가 동일한 직사각형 형태의 세퍼레이터와 리튬금속 음극을 덧대어 파우치형 전지를 구성했다. Example 1 was put into the pouch and a pouch type battery is comprised. The pouch was made of plastic (polyethylene). The carbon current collector (CH900-20, Kuractive) is formed into a rectangular shape having a width of 2 cm and a length of 6 cm to form an electrode, and the carbon current collector is immersed in the anolyte. A blank electrolyte was added to bring the volume sum of the anolyte and the blank electrolyte to 100 μl. The amount of the anolyte is appropriately adjusted so that the weight of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector is 6 mg. Next, a pouch type battery was constructed by adding a rectangular separator and a lithium metal negative electrode having the same width and length.

비교예Comparative example 5 : CC-S6를 포함하는  5: containing CC-S6 코인형Coin type 전지 battery

실시예 2와 동일하게 제조하되, 탄소집전체(CH900-20m, Kuractive)를 직경 14mm의 원형 형태로 하여 전극을 구성하고, 탄소집전체를 양극액에 잠입시키며, 그 다음 직경 19mm의 원형형태 세퍼레이터와 리튬금속 음극을 덧대어 코인형 전지를 구성하는 것이 상이하다.Manufactured in the same manner as in Example 2, except that the carbon current collector (CH900-20m, Kuractive) was formed in a circular shape having a diameter of 14 mm, the electrode was immersed in the anolyte solution, and the circular separator having a diameter of 19 mm was then formed. It is different from a coin-type battery by attaching a lithium metal negative electrode.

비교예Comparative example 6 :  6: 밴딩Banding 테스트를 거치지 않은 CC-S6를 포함하는 파우치형 전지 Pouch type battery with untested CC-S6

실시예 2와 동일하게 제조하되, 밴딩 테스트를 거치지 않은 것이 상이하다. It is manufactured in the same manner as in Example 2, except that the banding test has not been performed.

<실시예 1과 비교예 1 내지 4의 평가><Evaluation of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4>

충/방전 사이클 특성Charge / discharge cycle characteristics

1. 도 1과 도 2 - CV(Cyclic Voltametry) 곡선의 해석1 and 2-Analysis of CV (Cyclic Voltametry) Curve

도 1과 도 2는 1.0 ~ 3.0 V vs. Li/Li+의 전위 범위에서 전위주사속도는 0.1mV/s인 충/방전 사이클에 따른 CV 곡선이다. 도 1은 실시예 1의 CV 곡선이며 도 2a, 도 2b는 각각 비교예 1, 4의 CV 곡선이다. 통상적으로 리튬-황 이차전지에서는 리튬과 황 사이의 전형적인 다단계 산화환원반응 때문에 두 개의 가파른 환원피크와 하나의 넓은 산화 피크가 나타난다. 1 and 2 show 1.0 to 3.0 V vs. In the potential range of Li / Li + , the potential scanning speed is a CV curve with a charge / discharge cycle of 0.1 mV / s. FIG. 1 is a CV curve of Example 1, and FIGS. 2A and 2B are CV curves of Comparative Examples 1 and 4, respectively. Typically, in lithium-sulfur secondary batteries, two steep reduction peaks and one broad oxidation peak appear due to the typical multistage redox reaction between lithium and sulfur.

보다 구체적으로, 도 1에서 실시예 1의 전위를 역방향으로 주사하는 경우에, 황으로부터 용해성 리튬폴리설파이드(Li2Sx(4≤x≤8))의 형성에 따른 2.3 V vs. Li/Li+에서 첫 번째 환원피크가 나타났고, 불용성 리튬 디설파이드(Li2S2) 또는 불용성 리튬설파이드(Li2S)의 형성에 따른 1.9 V vs. Li/Li+에서 두 번째 환원피크가 나타난다. 이어서 실시예 1의 전위를 정방향으로 주사하는 경우에는, 불용성 리튬설파이드에서 황으로의 연속적인 산화로 인하여 2.6 V vs. Li/Li+에서 넓은 산화피크가 나타난다. 도 1에서 실시예 1의 경우 충/방전 사이클을 거듭하면, 첫 번째 환원피크 (2.3 V vs. Li/Li+)는 미진하게 감소하며, 두 번째 환원피크 (1.9 V vs. Li/Li+)는 미진하게 증가한다. More specifically, in the case where the potential of Example 1 is scanned in the reverse direction in FIG. 1, 2.3 V vs. of the soluble lithium polysulfide (Li 2 S x (4 ≦ x ≦ 8)) is formed from sulfur. The first reduction peak was seen in Li / Li + and was 1.9 V vs. in the formation of insoluble lithium disulfide (Li 2 S 2 ) or insoluble lithium sulfide (Li 2 S). A second reduction peak is seen in Li / Li + . Subsequently, when the potential of Example 1 is scanned in the forward direction, 2.6 V vs. is due to the continuous oxidation of insoluble lithium sulfide to sulfur. A large oxide peak appears in Li / Li + . In the case of Example 1 in FIG. 1, when the charge / discharge cycle is repeated, the first reduction peak (2.3 V vs. Li / Li + ) is slightly decreased, and the second reduction peak (1.9 V vs. Li / Li + ) is shown. Increases marginally.

한편, 도 2a에서 비교예 1의 경우, 충/방전 사이클 횟수가 늘어날수록 전류밀도의 점진적인 감소가 보였다. 황의 용출을 통해 탄소집전체로부터 황이 유실되었기 때문이다. On the other hand, in the case of Comparative Example 1 in FIG. 2A, as the number of charge / discharge cycles increased, the current density gradually decreased. This is because sulfur was lost from the carbon current collector through the elution of sulfur.

또한, 도 2b의 비교예 4의 경우, 탄소집전체에 흡착된 황의 중량이 과도하여 환원반응이 촉진되므로 불용성 리튬설파이드의 패시베이션층이 비가역적으로 빠르게 형성하게 된다. 이로 인하여 충/방전 사이클 특성이 급격히 저하되어 도 1에 나타나 있는 실시예 1의 환원피크와 대비하여 전류밀도가 상당히 낮고, 불용성 리튬설파이드의 산화반응이 활발하게 일어나 산화피크로부터 과전위가 발생하였음을 확인할 수 있다. 또한, 과하게 적층된 불용성 리튬설파이드는 음극액에 남아있는 폴리설파이드의 기생반응을 유도하여 산화피크의 전류 밀도를 30

Figure 112018050769482-pat00002
mA/cm2까지 크게 증가시켰다.In addition, in Comparative Example 4 of FIG. 2B, since the weight of sulfur adsorbed on the carbon current collector is excessive to promote the reduction reaction, the passivation layer of insoluble lithium sulfide is irreversibly formed quickly. As a result, the charge / discharge cycle characteristics were drastically deteriorated, so that the current density was considerably lower than that of the reduction peak of Example 1 shown in FIG. You can check it. In addition, excessively stacked insoluble lithium sulfide induces parasitic reaction of polysulfide remaining in the catholyte to increase the current density of the oxide peak.
Figure 112018050769482-pat00002
It was greatly increased up to mA / cm 2 .

이러한 결과로부터 환원 반응으로 생성된 적정양의 불용성 리튬설파이드가 탄소집전체의 기공에 흡착되어 패시베이션층을 형성함으로써 탄소집전체의 기공 내에 흡착된 리튬폴리설파이드의 용해를 지연시킬 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 고성능 전극을 구현하기 위해서는 패시베이션층을 형성하는데 기여하는 불용성 리튬설파이드의 증착양을 제어하여야 한다. From these results, it can be seen that an appropriate amount of insoluble lithium sulfide produced by the reduction reaction is adsorbed into the pores of the carbon current collector to form a passivation layer, thereby delaying the dissolution of the lithium polysulfide adsorbed in the pores of the carbon current collector. . Therefore, in order to implement a high performance electrode, it is necessary to control the deposition amount of insoluble lithium sulfide which contributes to the formation of a passivation layer.

실시예 1의 경우, 불용성 리튬설파이드의 증착양을 적절히 제어함으로써 전극의 성능이 우수하면서도, 그 증착이 가역적으로 일어나 충/방전 사이클을 거듭해도 전류밀도가 거의 균일하게 유지되어 충/방전 사이클 특성이 뛰어나다. 반면, 비교예 1,4는 황이 과소하게 흡착되거나 과도하게 흡착되어 충/방전 사이클 특성이 현저하게 저하되었다. In Example 1, the electrode performance is excellent by controlling the deposition amount of insoluble lithium sulfide, but the current density is maintained almost uniform even if the deposition is reversible and the charge / discharge cycle is repeated, thereby improving the charge / discharge cycle characteristics. outstanding. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 4, sulfur was excessively adsorbed or excessively adsorbed, thereby significantly reducing the charge / discharge cycle characteristics.

2. 도 3 내지 도 6 - GCPL(Galvanostatic cycling with potential limitation) 사이클링 이후 EIS 분석2. FIGS. 3-6-EIS analysis after Galvanostatic cycling with potential limitation (GCPL) cycling

도 3a는 GCPL 사이클링 이후 실시예 1를 포함하는 코인셀과 비교예 4를 포함하는 코인셀을 조립 순서에 따라 분해한 사진이다. 도 3b는 GCPL 사이클링 이후 비교예 4를 포함하는 코인셀에 세퍼레이터와 접하는 쪽의 탄소집전체의 표면 사진이다. 도 3c는 GCPL 사이클링 이후 비교예 4를 포함하는 코인셀에서 리튬 음극 사진이다. 3A is a photograph of a coin cell including Example 1 and a coin cell including Comparative Example 4 after GCPL cycling according to an assembly sequence. 3B is a surface photograph of a carbon current collector on a side in contact with a separator in a coin cell including Comparative Example 4 after GCPL cycling. 3C is a photograph of a lithium anode in a coin cell including Comparative Example 4 after GCPL cycling.

도 4 내지 6에서 GCPL 사이클링은 1.8 ~ 2.6 V vs. Li/Li+의 전위 범위에서 0.3C (~ 500mA/g sulfur)의 정전류로 실시되었다. 또한, EIS(electrochemical impedance spectroscopy)는 300kHz에서 0.05 Hz까지 Bio-logic VSP에 의해 측정되었다. 500mA/g은 최대 전류 밀도를 초과하고 전위 범위가 전체 산화 환원 반응을 커버하기에 조금 좁으면, 실시예 1 및 비교예 4와 같은 높은 황 부하 전극은 GCPL 분석 중에 셔틀링이 발생하기 쉽기 때문에 리튬폴리설파이드의 셔틀링을 방지하는 능력을 평가하고 CC-S 전극의 사이클 특성을 평가할 수 있다. In Figures 4 to 6 GCPL cycling is 1.8 ~ 2.6 V vs. It was carried out with a constant current of 0.3 C (-500 mA / g sulfur) in the potential range of Li / Li + . In addition, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was measured by Bio-logic VSP from 300 kHz to 0.05 Hz. If 500 mA / g exceeds the maximum current density and the potential range is slightly narrow to cover the entire redox reaction, the high sulfur load electrodes, such as Example 1 and Comparative Example 4, are liable for shuttleling during GCPL analysis. The ability to prevent shuttles of polysulfides can be evaluated and the cycle characteristics of the CC-S electrodes can be evaluated.

도 3에 따르면 GCPL 사이클링 후 비교예 4를 포함하는 코인셀에서, 리튬폴리설파이드가 전해질로 용해되는 것을 시각적으로 확인이 가능했고, (도 3b) Li2S가 리튬 음극의 표면에 고착되는 것을 시각적으로 확인할 수 있었다(도 3c). 반면에, 이와는 대조되게 실시예 1의 코인셀에서는 리튬폴리설파이드의 용해에 대한 시각적인 징후가 없으며, Li2S가 리튬 음극의 표면에 고착되는 것도 시각적으로 확인할 수 없었다. 이러한 결과로부터, 비교예 4보다 실시예 1의 충/방전 사이클이 안정하다는 것을 알 수 있다.According to FIG. 3, in the coin cell including Comparative Example 4 after GCPL cycling, it was possible to visually confirm that the lithium polysulfide was dissolved into the electrolyte, and (FIG. 3b) to visually fix the Li 2 S to the surface of the lithium negative electrode. It could be confirmed (Fig. 3c). On the other hand, in contrast, in the coin cell of Example 1, there was no visual indication of dissolution of lithium polysulfide, and it was not visually confirmed that Li 2 S adhered to the surface of the lithium negative electrode. From these results, it can be seen that the charge / discharge cycle of Example 1 is more stable than that of Comparative Example 4.

도 4,5에서 GCPL 사이클링 전후의 임피던스의 변화가 모니터링되었다. 도 4의 결과로부터 GCPL 사이클링 전후에 전하 이동 저항에 해당하는 중간 주파수 반원이 잘 유지되고 있는 것으로 볼 때 실시예 1에서 불용성 리튬설파이드의 증착은 매우 가역적으로 일어나고 있음을 알 수 있다. 반면에 도 5의 결과로부터 비교예 4에서는 저항이 크게 증가하여, 전하 이동 저항에 해당하는 중간 주파수 반원이 잘 유지되고 있지 않은 것을 확인할 수 있다. 이는 급격한 전지 손상이 일어났기 때문이다. In Figures 4 and 5 the change in impedance before and after GCPL cycling was monitored. From the results of FIG. 4, it can be seen that the deposition of insoluble lithium sulfide in Example 1 is very reversible considering that the intermediate frequency semicircle corresponding to the charge transfer resistance is maintained well before and after GCPL cycling. On the other hand, in the comparative example 4 from the results of FIG. 5, the resistance was greatly increased, and it was confirmed that the intermediate frequency semicircle corresponding to the charge transfer resistance was not maintained well. This is because sudden battery damage occurred.

이러한 결과로부터, 비교예 4보다 실시예 1에서 불용성 리튬설파이드의 증착이 더 가역적으로 일어나고 있음을 유추할 수 있다. 실시예 1이 비교예 4보다 충/방전 사이클이 안정하다는 것을 알 수 있다.From these results, it can be inferred that deposition of insoluble lithium sulfide is more reversible in Example 1 than in Comparative Example 4. It can be seen that Example 1 has a more stable charge / discharge cycle than Comparative Example 4.

한편, 도 6에서 실시예 1은 1.8 ~ 2.6 V vs. Li/Li+의 전위 범위, 1.5 ~ 3.0 V vs. Li/Li+의 전위 범위 에서 0.3C (~ 500mA /g sulfur)의 정전류로 각각 사이클링 되었다. 도 6에 따르면, 다른 전위 범위에서 실시예 1에 대하여 GCPL 사이클링을 수행해도 방전용량이 유지되고 있어 다른 전위 범위에서도 실시예 1의 충/방전 사이클이 안정성이 유지되고 있음을 알 수 있다.On the other hand, in Figure 6 Example 1 is 1.8 ~ 2.6 V vs .. Li / Li + potential range, 1.5 to 3.0 V vs. Each was cycled with a constant current of 0.3C (~ 500mA / g sulfur) in the Li / Li + potential range. According to FIG. 6, it can be seen that discharge capacity is maintained even when GCPL cycling is performed with respect to Example 1 at different potential ranges, so that the charge / discharge cycles of Example 1 are maintained at other potential ranges.

3. 도 7 - 충/방전 사이클 횟수에 따른 방전용량(mAh/cm2)의 변화3. FIG. 7-Change of discharge capacity (mAh / cm 2 ) according to the number of charge / discharge cycles

도 7은 충/방전 사이클 횟수에 따른 방전용량(mAh/cm2)의 변화를 나타낸다. 실시예 1은 충/방전 사이클 횟수가 증가하여도 방전용량이 약 3~3.3mAh/cm2로 잘 유지되었다. 반면, 비교예 1은 방전용량이 약 2.3mAh/cm2부터 지속적으로 감소하고, 비교예 2는 방전용량이 충/방전 사이클 횟수가 100이하일 때는 약 2.5~2.7mAh/cm2의 범위에서 잘 유지되었으나, 충/방전 사이클 횟수가 100을 초과하면서부터는 방전용량이 약 2.7mAh/cm2에서부터 지속적으로 감소하였다.7 shows a change in discharge capacity (mAh / cm 2 ) according to the number of charge / discharge cycles. In Example 1, the discharge capacity was well maintained at about 3 to 3.3 mAh / cm 2 even though the number of charge / discharge cycles was increased. On the other hand, in Comparative Example 1, the discharge capacity is continuously decreased from about 2.3 mAh / cm 2 , and in Comparative Example 2, the discharge capacity is well maintained in the range of about 2.5 to 2.7 mAh / cm 2 when the number of charge / discharge cycles is 100 or less. However, since the number of charge / discharge cycles exceeded 100, the discharge capacity continuously decreased from about 2.7 mAh / cm 2 .

또한, 비교예 3은 방전용량이 충/방전 사이클 횟수가 35번을 초과하면서부터 급격하게 감소하게 되어 방전용량이 0mAh/cm2값에 가까운 데드 셀(dead cell)이 되고, 비교예 4는 방전용량이 충/방전 사이클 횟수가 100번을 초과하면서부터 급격하게 감소하여 방전용량이 0mAh/cm2값에 가까운 데드 셀이 된다.In addition, in Comparative Example 3, the discharge capacity rapidly decreases since the number of charge / discharge cycles exceeds 35, and thus the discharge capacity becomes a dead cell close to the value of 0 mAh / cm 2. The capacity decreases drastically from the number of charge / discharge cycles exceeding 100, resulting in a dead cell close to the value of 0 mAh / cm 2 .

이러한 결과로부터, 탄소집전체의 단위 면적(cm2)당 흡착되는 황의 중량이 4mg 이상인 경우(비교예 2)에는 불용성 리튬설파이드의 패시베이션층이 형성되기 시작하면서 충/방전 사이클 특성이 비교예 1에 비해 우수해지고, 실시예 1에서 충/방전 사이클 특성이 가장 우수함을 알 수 있다. 반면, 흡착되는 황의 중량이 실시예 1에 비해 증가하여 8mg, 10mg인 경우(비교예 3,4)에는 불용성 리튬설파이드의 패시베이션층이 비가역적으로 빠르게 형성되면서 충/방전 사이클 특성이 급격하게 저하됨을 알 수 있다. From these results, when the weight of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector is 4 mg or more (Comparative Example 2), the passivation layer of insoluble lithium sulfide starts to form and the charge / discharge cycle characteristics are compared to Comparative Example 1. It is excellent compared to, and it can be seen that the charge / discharge cycle characteristics are the most excellent in Example 1. On the other hand, when the weight of sulfur adsorbed is 8 mg and 10 mg (Comparative Examples 3 and 4), the passivation layer of insoluble lithium sulfide is rapidly irreversibly formed and the charge / discharge cycle characteristics rapidly decrease. Able to know.

용량 특성Capacity characteristics

1. 도 8 - 실시예 1, 비교예 1 내지 4의 충/방전 10번째 프로파일 8-Charge / discharge tenth profile of Example 1, Comparative Examples 1 to 4

도 8은 실시예 1, 비교예 1 내지 4의 충/방전 10번째 프로파일로, 약 1.5에서 2.7 V vs. Li/Li+의 구간에서 용량의 변화 그래프이다. 도 8에서 실시예 1의 10번째 충/방전 프로파일을 참조하면, 방전 프로파일에서는 약 2.3 및 2.0 V vs. Li/Li+에서 별개의 평탄한 구간이 나타나고, 충전 프로파일에서는 2.1에서 2.6 V vs. Li/Li+구간에서는 상승하는 구간이 나타난다. FIG. 8 is a charge / discharge tenth profile of Example 1, Comparative Examples 1 to 4, with about 1.5 to 2.7 V vs. It is a graph of the change in capacity in the Li / Li + interval. Referring to the tenth charge / discharge profile of Example 1 in FIG. 8, in the discharge profile, about 2.3 and 2.0 V vs. Separate flat sections appear in Li / Li + and 2.1 to 2.6 V vs. In the Li / Li + interval, the rising interval appears.

실시예 1은 전체 산화 환원 반응을 커버하기 충분한 범위인 1.5에서 2.7 V vs. Li/Li+에서 용량 손실이 0.03%에 불과하여 비교예 1 내지 4에 비하여 용량이 잘 유지되고 있다. 또한, 용량도 ~3.3 mAh/cm2로서 비교예 1 내지 4의 각각의 용량값인 ~ 2.1mAh/cm2, ~ 2.5mAh/cm2, ~ 1.5mAh/cm2, ~ 1.1mAh/cm2보다 더 컸다.Example 1 ranges from 1.5 to 2.7 V vs. sufficient to cover the entire redox reaction. The capacity loss in Li / Li + is only 0.03%, and the capacity is well maintained as compared with Comparative Examples 1 to 4. The capacitor also ~ 3.3 mAh / cm 2 as Comparative Example 1 to each of the capacitance of 4 ~ 2.1mAh / cm 2, ~ than 2.5mAh / cm 2, ~ 1.5mAh / cm 2, ~ 1.1mAh / cm 2 Was bigger.

2. 도 9 - 실시예 1 및 비교예 1 내지 4의 100번째 충/방전 프로파일 2. Fig. 9-100th charge / discharge profile of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4

도 9는 실시예 1 및 비교예 1 내지 4의 0.3C 충/방전 100번째 프로파일이다. 탄소집전체의 단위 면적(cm2)당 흡착되는 황의 중량(mg)에 따른 면적용량(mAh/cm2)의 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 9 shows the 0.3C charge / discharge 100th profile of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4. FIG. It is a graph showing the change in area capacity (mAh / cm 2 ) according to the weight (mg) of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector.

도 9에서, In Figure 9,

비교예 1의 경우, 충/방전 100번째에서 면적용량이 1.9mAh/cm2으로 측정되었다. In Comparative Example 1, the area capacity at the 100th charge / discharge was measured as 1.9 mAh / cm 2 .

비교예 2의 경우, 충/방전 100번째에서 면적용량이 2.7mAh/cm2으로 측정되었다. In Comparative Example 2, the area capacity was measured as 2.7 mAh / cm 2 at the 100th charge / discharge.

실시예 1의 경우, 충/방전 100번째에서 면적용량이 3.1mAh/cm2으로 측정되었다. In the case of Example 1, the area capacity at the 100th charge / discharge was measured as 3.1 mAh / cm 2 .

비교예 3의 경우, 충/방전 100번째에서 면적용량이 0.05mAh/cm2으로 측정되었다. In Comparative Example 3, the area capacity was measured as 0.05 mAh / cm 2 at the 100th charge / discharge.

비교예 4의 경우, 충/방전 100번째에서 면적용량이 0.1mAh/cm2으로 측정되었다.In Comparative Example 4, the area capacity was measured as 0.1 mAh / cm 2 at the 100th charge / discharge.

비교예 1은 탄소집전체의 단위 면적(cm2)당 흡착되는 황의 중량(mg)이 2mg으로 패시베이션층을 충분히 형성하지 못한다. 황의 용출을 막을 수 없어 충/방전 100번째에는 실시예 1에 비해 상대적으로 낮은 면적용량 값을 가진다.In Comparative Example 1, since the weight (mg) of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector is 2 mg, the passivation layer may not be sufficiently formed. Sulfur elution cannot be prevented and therefore, the charge / discharge 100th has a relatively low area capacity value compared to Example 1.

비교예 2는 탄소집전체의 단위 면적(cm2)당 흡착되는 황의 중량(mg)이 4mg으로 패시베이션층을 형성하기 시작한다. 사이클 특성이 비교예 1에 비해 우수하며, 용량특성에 있어서도 충/방전 100번째에도 면적용량이 2.7mAh/cm2으로 실시예 1의 면적용량 값과 유사하다.In Comparative Example 2, the weight (mg) of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector starts to form a passivation layer with 4 mg. The cycle characteristics are superior to those of Comparative Example 1, and in terms of the capacity characteristics, the area capacity is 2.7 mAh / cm 2 even at the 100th charge / discharge, which is similar to that of Example 1.

실시예 1은 탄소집전체의 단위 면적(cm2)당 흡착되는 황의 중량(mg)이 6mg으로 패시베이션층이 적절하게 형성된다. 사이클 특성이 가장 우수하며, 용량특성에 있어서도 충/방전 100번째에도 가장 높은 면적용량값인 3.1mAh/cm2을 잘 유지하고 있다.In Example 1, the passivation layer is suitably formed with a weight of 6 mg of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector. The cycle characteristics are the best, and the capacity characteristics of 3.1 mAh / cm 2 , which is the highest area capacity value, are maintained well even in the 100th charge / discharge cycle.

비교예 3은 탄소집전체의 단위 면적(cm2)당 흡착되는 황의 중량(mg)이 8mg으로 패시베이션층이 비가역적으로 빠르게 형성된다. 실시예 1에 비해 사이클 특성이 급격히 저하되며, 용량특성에 있어서도 충/방전 100번째에 면적용량값이 0에 가까운 값을 보이는 데드 셀(dead cell)이 된다.In Comparative Example 3, the weight (mg) of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector is 8 mg so that the passivation layer is irreversibly formed quickly. Compared to Example 1, the cycle characteristics are sharply lowered, and even in the capacity characteristics, a dead cell has an area capacity value close to zero at the 100th charge / discharge rate.

비교예 4는 탄소집전체의 단위 면적(cm2)당 흡착되는 황의 중량(mg)이 10mg으로 비교예 3과 마찬가지로 패시베이션층이 비가역적으로 빠르게 형성된다. 사이클 특성 및 용량특성이 나쁘며, 충/방전 100번째에 면적용량값이 0에 가까운 값을 보이는 데드 셀(dead cell)이 된다. In Comparative Example 4, the weight (mg) of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector is 10 mg, similarly to Comparative Example 3, the passivation layer is irreversibly formed quickly. The cycle characteristics and the capacity characteristics are poor, and the dead cell shows an area capacity value close to zero at the 100th charge / discharge.

3. 도 10 - 실시예 1 및 비교예 1,4의 쿨롱 효율 변화3. FIG. 10-Coulomb efficiency change of Example 1 and Comparative Examples 1 and 4

쿨롱 효율(coulombic efficiency, %)이란 충방전 효율이라고도 하며, 충전 전기량(Ah) 대비 방전 용량(Ah)의 비를 백분율(%)로 나타낸 것이다. 도 10은 실시예 1 및 비교예 1,4의 쿨롱 효율의 충/방전 사이클 횟수에 따른 변화를 나타내는 그래프이다. 실시예 1은 사이클 횟수에 따른 쿨롱 효율의 변화 없이 사이클 ~200번의 범위에서 잘 유지되고 있다.Coulombic efficiency (%) is also called charging and discharging efficiency, it represents the ratio of the discharge capacity (Ah) to the electric charge amount (Ah) as a percentage (%). FIG. 10 is a graph showing a change according to the number of charge / discharge cycles of the coulombic efficiency of Example 1 and Comparative Examples 1 and 4. FIG. Example 1 is well maintained in the range of cycles to 200 cycles without a change in the coulombic efficiency according to the cycle number.

비교예 1은 사이클 약 ~140번의 범위에서 쿨롱 효율이 잘 유지되고 있으나, 반면 비교예 4의 경우, 사이클 횟수에 따라 쿨롱 효율이 잘 유지되지 않고, 사이클 약 90번 이상에서부터는 데드 셀(dead cell)이 되어 쿨롱 효율이 0에 가까운 값을 보인다.In Comparative Example 1, the coulombic efficiency was maintained well in the range of about 140 cycles, whereas in Comparative Example 4, the coulombic efficiency was not maintained well depending on the number of cycles, and from about 90 cycles or more, a dead cell was observed. Coulomb efficiency is close to zero.

이러한 결과로부터 실시예 1과는 달리 비교예 4는 패시베이션층이 비가역적으로 빠르게 형성되어, 사이클 특성이 나쁘며, 충/방전을 90번 이상 반복하면 데드 셀(dead cell)이 되는 것을 알 수 있다.From this result, unlike Example 1, Comparative Example 4, the passivation layer is formed irreversibly fast, the cycle characteristics are bad, it can be seen that if the charge / discharge is repeated more than 90 times becomes a dead cell (dead cell).

4. 실시예 1과 바인더가 없는 공지의 전극과의 전극 특성 비교4. Comparison of electrode properties between Example 1 and known electrodes without binder

SampleSample CurrentCurrent
densitydensity
ArealAreal
capacitycapacity
CycleCycle CapacityCapacity
degradedegrade
sulfursulfur
LoadingLoading
amountamount
mA/cmmA / cm 22 mAh/cmmAh / cm 22 %% mg/cmmg / cm 22 1One Carbon cloth-Li2S8/GPECarbon cloth-Li 2 S 8 / GPE 2.1442.144 4.664.66 500500 0.0790.079 6.46.4 22 N,S-codoped graphene spongeN, S-codoped graphene sponge 1.5411.541 3.773.77 100100 0.2870.287 4.64.6 33 CNT/SCNT / S 3.013.01 2.782.78 500500 0.0240.024 3.73.7 44 CNT(bottom-up free standing electrode)Bottom-up free standing electrode (CNT) 0.5280.528 4.414.41 150150 0.1980.198 6.36.3 55 CNTs/CCCNTs / CC 1.4241.424 1.061.06 300300 0.1030.103 1.71.7 66 CFC-SCFC-S 0.3030.303 7.377.37 4242 0.1150.115 6.76.7 77 AFC-SAFC-S 0.980.98 5.335.33 8080 0.2740.274 6.56.5 88 ACC-Li/SACC-Li / S 0.0490.049 7.57.5 2020 1.2721.272 1.271.27 99 ACC-S/1M LiNTf2 ACC-S / 1M LiNTf 2 0.1280.128 1.051.05 5050 1.0051.005 1.271.27 1010 CC-S6CC-S6 1.0051.005 4.24.2 6060 -- 66 1111 3.0153.015 3.23.2 200200 0.030.03 66

상기 [표 1]은 실시예 1과 바인더가 없는 공지의 전극과의 전극 특성을 비교한 도표이다. 대상이 되는 Sample은 위에서부터 차례대로, Carbon cloth-Li2S8/GPE, N,S -codoped graphene sponge, CNT/S, CNT(bottom-up free standing electrode), CNTs/CC, CFC-S, AFC-S,ACC-Li/S,ACC-S/1M LiNTf2, 그리고 실시예 1(CC-S6)이 각각 충/방전 60번, 200번된 경우가 있다. 비교되는 전극의 특성은 도표의 최상부 왼쪽에서부터 차례대로 전류밀도(mA/cm2), 용량(mAh/cm2), 충/방전 사이클 횟수, 용량 손실, 전극의 단위 면적(cm2)당 황 부하 중량(mg)가 있다.Table 1 is a chart comparing the electrode characteristics of Example 1 and a known electrode without a binder. Samples in order from above, Carbon cloth-Li 2 S 8 / GPE, N, S -codoped graphene sponge, CNT / S, bottom-up free standing electrode (CNT), CNTs / CC, CFC-S, AFC-S, ACC-Li / S, ACC-S / 1M LiNTf 2 and Example 1 (CC-S6) may be charged / discharged 60 times and 200 times, respectively. The characteristics of the electrodes to be compared are: current density (mA / cm 2 ), capacity (mAh / cm 2 ), number of charge / discharge cycles, capacity loss, sulfur load per unit area (cm 2 ) of the electrode in order from the top left of the diagram. There is a weight (mg).

상기 표에 따르면 실시예 1의 충/방전 사이클 횟수 60번, 200번 이후의 각 용량은 4.2mAh/cm2, 3.2mAh/cm2이며 이는 실시예 1을 제외한 Sample의 평균 용량값에 해당하는 4.21mAh/cm2과 유사한 값이다. 다만, 실시예 1의 용량손실은 0.03%로서 CNT/S를 제외하면 상기 표의 Sample 중 가장 낮은 값에 해당한다. 용량값과 용량손실을 고려했을 때, 실시예 1의 용량 특성은 상기 표의 타 Sample에 비하여 우수하다.According to the table, each of the charge / discharge cycles of Example 1 after 60 cycles and 200 cycles was 4.2 mAh / cm 2 and 3.2 mAh / cm 2 , which is 4.21 corresponding to the average capacity of the sample except Example 1. The value is similar to mAh / cm 2 . However, the capacity loss of Example 1 is 0.03% and corresponds to the lowest value among the samples in the table except for CNT / S. Considering the capacity value and the capacity loss, the capacity characteristics of Example 1 are superior to other samples in the above table.

충/방전 사이클 특성 및 용량 특성에 기여하는 본 발명의 구성Configuration of the present invention contributing to charge / discharge cycle characteristics and capacity characteristics

본 발명의 탄소집전체는 메소-/매크로- 기공없이 균일하게 발달된 미세 다공성 구조를 가지고 있으므로 양극액의 농도를 간단히 변경하여 탄소집전체에 흡착되는 황의 중량을 쉽게 제어할 수 있다. 상기 황의 중량을 제어함으로써 황을 포함하는 양극활물질의 환원반응으로 생성되는 불용성 리튬설파이드의 증착양을 제어할 수 있다. 불용성 리튬설파이드의 증착양은 충/방전 사이클 특성 및 용량 특성을 좌우하는데 결정적인 요소이다.Since the carbon current collector of the present invention has a uniformly developed microporous structure without meso- / macro-pores, the weight of sulfur adsorbed to the carbon current collector can be easily controlled by simply changing the concentration of the anolyte solution. By controlling the weight of the sulfur, it is possible to control the deposition amount of insoluble lithium sulfide produced by the reduction reaction of the cathode active material including sulfur. The deposition amount of insoluble lithium sulfide is a decisive factor in determining charge / discharge cycle characteristics and capacity characteristics.

충/방전 사이클 특성에 대해서, 불용성 리튬설파이드의 증착양이 너무 적은 경우 리튬폴리설파이드의 셔틀링을 억제하지 못한다. 또 증착양이 너무 많은 경우에는 탄소집전체에 흡착된 황의 중량이 과도하여 환원반응이 촉진되므로 불용성 리튬설파이드의 패시베이션층을 빠르게 형성하게 되며 불용성 리튬폴리설파이드의 증착이 비가역적으로 일어나 전지의 특성을 저하시킨다. 반면에 적절한 양의 불용성 리튬설파이드가 탄소집전체 기공 내에 증착되는 경우, 증착된 불용성 리튬설파이드는 리튬폴리설파이드의 셔틀링을 억제하는 역할을 하며, 충/방전에 따른 증착이 가역적으로 일어나 최종적으로 양극의 사이클 특성이 우수하다. With regard to the charge / discharge cycle characteristics, when the deposition amount of insoluble lithium sulfide is too small, the shuttle of lithium polysulfide cannot be suppressed. If the deposition amount is too high, the weight of sulfur adsorbed on the carbon current collector is excessive, thereby facilitating a reduction reaction, thereby rapidly forming a passivation layer of insoluble lithium sulfide and irreversible deposition of insoluble lithium polysulfide. Lowers. On the other hand, when an appropriate amount of insoluble lithium sulfide is deposited in the carbon current collector pores, the deposited insoluble lithium sulfide serves to suppress shuttle of the lithium polysulfide, and the deposition due to charge / discharge occurs reversibly, resulting in positive Its cycle characteristics are excellent.

용량특성에 대해서, 적절한 불용성 리튬설파이드의 증착을 위하여 적정량의 황을 흡착시키는 경우에 용량특성이 더 우수했다. 구체적으로 실시예 1은 용량 특성에 있어서도 비교예 1 내지 4에 비하여 용량손실이 0.03%에 불과하고, 용량 또한 크므로 용량 특성이 더 우수하다. 또한, 바인더가 없는 다른 공지의 전극과의 용량 특성을 비교하여도 높은 용량, 낮은 용량 손실을 갖는 등 용량 특성이 우수하다. 이는 적정량의 황을 흡착시키는 경우 불용성 리튬설파이드의 패시베이션층의 형성이 가역적으로 일어나 충/방전이 지속적으로 일어나는 경우에도 용량이 잘 유지되기 때문이다. Regarding the capacity characteristics, the capacity characteristics were better when adsorbing an appropriate amount of sulfur for the deposition of a suitable insoluble lithium sulfide. Specifically, in Example 1, the capacity loss is only 0.03%, and the capacity is also larger than the Comparative Examples 1 to 4 in terms of capacity characteristics, so the capacity characteristics are more excellent. Moreover, even when comparing the capacitance characteristic with the other well-known electrode which does not have a binder, it is excellent in capacitance characteristics, such as having high capacitance and low capacitance loss. This is because the capacity of the insoluble lithium sulfide can be reversibly formed when adsorbing an appropriate amount of sulfur, even when charge / discharge continuously occurs.

따라서, 본 발명의 탄소집전체의 구조는 불용성 리튬설파이드의 증착양을 용이하게 제어할 수 있어 충/방전 사이클 특성 및 용량 특성이 우수한 양극을 쉽게 제작할 수 있다. 이로서 성능이 개선된 리튬-황 이차전지의 제작 공정 또한 단순화할 수 있다. Therefore, the structure of the carbon current collector of the present invention can easily control the deposition amount of insoluble lithium sulfide, thereby making it possible to easily fabricate a positive electrode having excellent charge / discharge cycle characteristics and capacity characteristics. As a result, the manufacturing process of the lithium-sulfur secondary battery having improved performance may be simplified.

<실시예 2의 전지 성능 평가><Battery Performance Evaluation of Example 2>

도 11은 본 발명의 실시예 1을 포함하는 파우치형 전지(실시예 2)의 사진이다.11 is a photograph of a pouch type battery (Example 2) including Example 1 of the present invention.

도 12는 본 발명의 실시예 2의 밴딩(bending) 조건을 보여주는 간략도이다. 실시예 2의 전지는 접힘 직경이 10mm, 90도에서 0도로 접혔다가 다시 직전의 접힘의 역순으로 펴진다. 상기와 같이 전지가 1회 접혔다가 펴지면 밴딩 1번이다. 12 is a simplified diagram showing a bending condition of Embodiment 2 of the present invention. The battery of Example 2 was folded at 0 mm at a folding diameter of 10 mm and 90 degrees and then unfolded in the reverse order of the previous folding. As described above, when the battery is folded once and extended, it is banding number 1.

도 13은 실시예 2, 비교예 5,6의 충/방전 사이클 횟수에 따른 방전용량의 변화의 그래프이다.FIG. 13 is a graph showing changes in discharge capacity according to the number of charge / discharge cycles of Example 2 and Comparative Examples 5 and 6. FIG.

도 13에서 비교예 5,6을 제외한 실시예 2의 전지는 도 12에 따른 밴딩 조건에 따라 접힌다. 도 13에서 실시예 2의 전지는 GCPL사이클링 이전에 150번 밴딩되고(1st bending), 전류밀도 0.1C로 1.5 ~ 3.0 V vs. Li/Li+전위 범위에서 3번의 사이클링 후, 3번째 충전 후에 다시 150번 밴딩된다(2nd bending). The battery of Example 2 except for Comparative Examples 5 and 6 in FIG. 13 is folded according to the bending conditions according to FIG. 12. In Figure 13 the cell of Example 2 was bent 150 times prior to GCPL cycling (1 st bending), with 1.5-3.0 V vs. current density of 0.1C. After three cycles in the Li / Li + potential range, it bends again 150 times after the third charge (2 nd bending).

도 13에서 코인형 전지인 비교예 5는 탄소집전체의 단위 면적(cm2)당 흡착되는 황의 중량(mg)이 6mg인 원형 형태의 탄소집전체를 포함하고 있어, 앞서 실시예 1의 전극 특성을 평가한 바와 같이 충/방전 사이클 특성이 우수하며 충/방전 사이클 횟수에 따른 방전용량이 약 4mAh/cm2로 일정하게 유지되었다. Comparative Example 5 which is a coin-type battery in FIG. 13 includes a circular carbon collector in which the weight (mg) of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector is 6 mg. As evaluated, the charge / discharge cycle characteristics were excellent and the discharge capacity according to the number of charge / discharge cycles was kept constant at about 4mAh / cm 2 .

또한, 도 13에서 파우치형 전지인 비교예 6은 밴딩 테스트를 거치지 않은 탄소집전체의 단위 면적(cm2)당 흡착되는 황의 중량(mg)이 6mg인 탄소집전체를 포함하고 있다. 비교예 6은 직경이 14mm인 원형형태로 제작한 코인형 전지인 비교예 5에 비해 탄소집전체를 너비 2cm, 길이 6cm인 직사각형 형태로 상대적으로 크게 제작하였다. 비교예 6의 전지는 비교예 5에 비해 크게 제작하였음에도 불구하고 비교예 5의 방전용량에 비해 약 6mAh/cm2으로서 더 높은 방전용량으로 잘 유지되고 있다.In addition, Comparative Example 6, which is a pouch-type battery in FIG. 13, includes a carbon current collector having a weight of 6 mg of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector which has not been subjected to the bending test. In Comparative Example 6, a carbon current collector was relatively large in a rectangular shape having a width of 2 cm and a length of 6 cm, compared to Comparative Example 5, which was a coin-type battery manufactured in a circular shape having a diameter of 14 mm. Although the battery of Comparative Example 6 was made larger than Comparative Example 5, the battery of Comparative Example 6 was well maintained at a higher discharge capacity of about 6 mAh / cm 2 compared to that of Comparative Example 5.

도 13에서 실시예 2의 전지는 탄소집전체의 단위 면적(cm2)당 흡착되는 황의 중량(mg)이 6mg인 탄소집전체를 포함하고 있어 충/방전 사이클 특성이 우수하다. 실시예 2의 전지는 탄소집전체를 너비 2cm, 길이 6cm인 직사각형 형태로 비교예 5에 비해 상대적으로 크게 제작되었음에도 불구하고 비교예 5의 방전용량인 4mAh/cm2 보다 방전용량이 6mAh/cm2로 더 큰 방전용량을 가진다. 실시예 2의 전지는 비교예 5와 같은 소형 전지뿐만 아니라, 그 이상 크게 제조되어도 보다 큰 방전용량을 갖고 충/방전 사이클 특성이 우수한 전기적 특성을 가지고 있다.In FIG. 13, the battery of Example 2 includes a carbon current collector having a weight (mg) of 6 mg of sulfur adsorbed per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector, and thus has excellent charge / discharge cycle characteristics. Example 2 of the cell is the total carbon house width 2cm, length 6cm in spite rectangular relatively production significantly, compared to the comparative example 5 as the comparative example 5, the discharge capacity of 4mAh / discharging capacity than cm 2 of 6mAh / cm 2 Has a larger discharge capacity. The battery of Example 2 not only has a small battery as in Comparative Example 5, but also has a larger discharge capacity and excellent electric / charging / discharging cycle characteristics even when manufactured larger than that.

또한, 도 13에서 실시예 2의 전지는 3번째 충/방전 사이클일 때 2nd bending에서 실시예 2는 150번 밴딩되고, 방전용량이 약 5.7mAh/cm2에서 약 4.5mAh/cm2로 감소된다. 2nd bending 이후 4번째 싸이클의 방전용량이 감소하는 이유는 밴딩 테스트에 소요되는 시간 동안 자기방전(self-discharge)가 발생하여 황의 일부가 환원되었기 때문이다. 2nd bending 이후인 5번째 사이클일 때 실시예 2의 방전용량은 약 6.1mAh/cm2로서 원래의 방전용량(약 5.7mAh/cm2) 부근의 값으로 회복되어 밴딩으로 인하여 방전용량이 감소한 것이 아닌 자기방전에 의해 방전용량이 감소했음을 알 수 있다. 즉 상술한 내용을 해석하면 실시예 2의 전지는 곡률변화와 무관하게 정상적으로 작동할 수 있으며, 밴딩으로 인한 곡률변화에도 전기적 성능이 변하지 않는 기계적 특성을 가지고 있다.Further, the battery of Example 2 in Fig. 13 when the third charge / discharge cycles conducted at 2 nd bending Example 2 is bent 150 times, the decrease in the discharge capacity of about 5.7mAh / cm 2 to about 4.5mAh / cm 2 do. 2 nd bending reason for reducing the discharge capacity of the 4-th cycle after the discharge is due to the self (self-discharge) during the time required for the bending test was some occurrence of sulfur is reduced. 2 nd bending discharge capacity of Example 2, when the fifth cycle, after is is about 6.1mAh / cm 2 returns to the vicinity of the original discharge capacity (about 5.7mAh / cm 2) due to the banding value is decreased by the discharge capacity It can be seen that the discharge capacity is reduced by the self discharge rather than. That is, if the above description is interpreted, the battery of Example 2 can operate normally irrespective of the curvature change, and has a mechanical property that the electrical performance does not change even when the curvature change due to bending.

한편, 본 발명의 탄소집전체는 신축성 및 유연성이 있으며 접히거나 늘어나는 등 물리적인 변동이 있어도 전기적 특성을 유지할 수 있다. 본 발명의 탄소집전체는 별도의 불활성인 탄소 지지체의 사용을 배제하며, 실시예 2와 같이 전지의 곡률변화와 무관하게 정상작동할 수 있는 특장점을 갖는다.On the other hand, the carbon current collector of the present invention has elasticity and flexibility and can maintain electrical characteristics even when there is a physical change such as folding or stretching. The carbon current collector of the present invention excludes the use of a separate inert carbon support, and has the advantage that it can operate normally regardless of the curvature change of the battery as in Example 2.

Claims (16)

미세기공을 하나 이상 포함하는 탄소집전체;
리튬폴리설파이드가 용해되어 있는 양극액; 및
상기 양극액에 잠입된 상기 탄소집전체의 기공 내에 흡착되어 있는 양극활물질;을 포함하고,
상기 양극활물질은 상기 양극액에 용해된 리튬폴리설파이드의 황을 포함하는 황화합물이며,
상기 탄소집전체의 단위면적(cm2)당 상기 양극활물질의 황이 상기 탄소집전체에 6 mg으로 흡착되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지용 양극.
A carbon current collector including one or more micropores;
Anolyte in which lithium polysulfide is dissolved; And
And a cathode active material adsorbed in pores of the carbon current collector immersed in the anolyte solution.
The positive electrode active material is a sulfur compound containing sulfur of lithium polysulfide dissolved in the anolyte solution,
Sulfur of the positive electrode active material per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector is adsorbed to the carbon current collector at 6 mg, the positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 양극액의 리튬폴리설파이드가 액상으로 상기 탄소집전체에 고르게 주입되는 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지용 양극.
The method of claim 1,
Lithium polysulfide of the positive electrode solution is a lithium-sulfur secondary battery, characterized in that evenly injected into the carbon current collector in the liquid phase.
제2항에 있어서,
상기 탄소집전체는 둘 이상의 탄소나노섬유를 포함하고, 상기 탄소집전체는 상기 탄소나노섬유가 교차하여 엉켜있는 탄소천(Carbon cloth)인 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지용 양극.
The method of claim 2,
The carbon current collector includes at least two carbon nanofibers, and the carbon current collector is a carbon cloth in which the carbon nanofibers are intertwined with each other.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄소집전체가 포함하는 미세기공의 직경이 0.5nm 이상 1.5nm 이하인 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지용 양극.
The method according to any one of claims 1 to 3,
A positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery, characterized in that the diameter of the micropores contained in the carbon current collector is 0.5nm or more and 1.5nm or less.
제4항에 있어서,
상기 탄소집전체가 포함하는 미세기공의 직경이 0.7nm 이상 1.3nm 이하인 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지용 양극.
The method of claim 4, wherein
A lithium-sulfur secondary battery positive electrode, characterized in that the diameter of the micropores contained in the carbon current collector is 0.7nm or more and 1.3nm or less.
제5항에 있어서,
상기 탄소집전체가 포함하는 미세기공의 직경이 1.1nm인 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지용 양극.
The method of claim 5,
A positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery, characterized in that the diameter of the micropores contained in the carbon current collector is 1.1nm.
삭제delete 삭제delete 미세기공을 하나 이상 포함하는 탄소집전체, 리튬폴리설파이드가 용해되어 있는 양극액, 및 상기 양극액에 잠입되고 상기 탄소집전체의 기공 내에 흡착되어 있는 양극활물질을 포함하고, 상기 양극활물질은 상기 양극액에 용해된 리튬폴리설파이드의 황을 포함하는 황화합물인것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지용 양극;
리튬, 리튬 합금 또는 탄소계열의 음극; 및
세퍼레이터;를 포함하며,
상기 탄소집전체의 단위면적(cm2)당 상기 양극활물질의 황이 상기 탄소집전체에 6 mg으로 흡착되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지.
A carbon current collector including one or more micropores, an anolyte in which lithium polysulfide is dissolved, and a cathode active material immersed in the anode solution and adsorbed in pores of the carbon current collector, and the cathode active material is the anode A positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery, characterized in that the sulfur compound containing sulfur of lithium polysulfide dissolved in a liquid;
Lithium, lithium alloy or carbon-based negative electrode; And
A separator;
The sulfur of the positive electrode active material per unit area (cm 2 ) of the carbon current collector is lithium-sulfur secondary battery, characterized in that adsorbed at 6 mg in the carbon current collector.
제9항에 있어서,
상기 양극액의 리튬폴리설파이드는 액상으로 상기 탄소집전체에 고르게 주입되는 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지.
The method of claim 9,
Lithium polysulfide of the anolyte is a lithium-sulfur secondary battery, characterized in that evenly injected into the carbon current collector in the liquid phase.
제10항에 있어서,
상기 탄소집전체는 둘 이상의 탄소나노섬유를 포함하고, 상기 탄소집전체는 상기 탄소나노섬유가 교차하여 엉켜있는 탄소천(Carbon cloth)인 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지.
The method of claim 10,
The carbon current collector includes at least two carbon nanofibers, and the carbon current collector is a carbon cloth in which the carbon nanofibers are intertwined with each other.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄소집전체가 포함하는 미세기공의 직경이 0.5nm 이상 1.5nm 이하인 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지.
The method according to any one of claims 9 to 11,
Lithium-sulfur secondary battery, characterized in that the diameter of the micropores contained in the carbon current collector is 0.5nm or more and 1.5nm or less.
제12항에 있어서,
상기 탄소집전체가 포함하는 미세기공의 직경이 0.7nm 이상 1.3nm 이하인 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지.
The method of claim 12,
Lithium-sulfur secondary battery, characterized in that the diameter of the micropores contained in the carbon current collector is 0.7nm or more and 1.3nm or less.
제13항에 있어서,
상기 탄소집전체가 포함하는 미세기공의 직경이 1.1nm인 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지.
The method of claim 13,
Lithium-sulfur secondary battery, characterized in that the diameter of the micropores contained in the carbon current collector is 1.1nm.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101725650B1 (en) * 2014-10-29 2017-04-12 주식회사 엘지화학 Lithium sulfur battery

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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