KR102328259B1 - A carbon -surfur complex, manufacturing method thereof and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 탄소재; 및 상기 다공성 탄소재의 내부 및 표면 중 적어도 일부에 황이 코팅된 황-탄소 복합체에 있어서, 상기 황-탄소 복합체의 기공부피가 0.250 내지 0.400 cm3/g이고, 상기 황-탄소 복합체의 비표면적이 18.5 내지 30 m2/g 인, 황-탄소 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention is a porous carbon material; And in the sulfur-carbon composite in which sulfur is coated on at least a portion of the inside and the surface of the porous carbon material, the pore volume of the sulfur-carbon composite is 0.250 to 0.400 cm 3 /g, and the specific surface area of the sulfur-carbon composite is 18.5 to 30 m 2 /g It relates to a sulfur-carbon composite and a method for producing the same.

Description

황-탄소 복합체, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 {A CARBON -SURFUR COMPLEX, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}Sulfur-carbon composite, manufacturing method thereof, and lithium secondary battery comprising same

본 발명은 황-탄소 복합체, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a sulfur-carbon composite, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery comprising the same.

최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다.Recently, interest in energy storage technology is increasing. Efforts for research and development of electrochemical devices are becoming more and more concrete as the field of application is expanded to the energy of mobile phones, camcorders and notebook PCs, and even electric vehicles.

전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받고 있는 분야이고 그 중에서도 충-방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 에너지 효율을 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구 개발로 진행되고 있다.Electrochemical devices are the field receiving the most attention in this respect, and among them, the development of rechargeable batteries capable of charging and discharging is the focus of interest. Research and development for the design of new electrodes and batteries is in progress.

현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다. Among the currently applied secondary batteries, lithium secondary batteries developed in the early 1990s have a higher operating voltage and significantly higher energy density than conventional batteries such as Ni-MH, Ni-Cd, and sulfuric acid-lead batteries using aqueous electrolyte solutions. is gaining popularity as

특히 리튬-황(Li-S) 전지는 S-S 결합(Sulfur - Sulfur bond)을 갖는 황 계열 물질을 양극 활물질로 사용하고, 리튬 금속을 음극 활물질로 사용하는 이차전지이다. 양극 활물질의 주재료인 황은 자원이 매우 풍부하고, 독성이 없으며, 낮은 원자당 무게를 가지고 있는 장점이 있다. 또한 리튬-황 전지의 이론 방전용량은 1675mAh/g-sulfur이며, 이론 에너지밀도가 2,600Wh/kg로서, 현재 연구되고 있는 다른 전지시스템의 이론 에너지밀도(Ni-MH 전지: 450Wh/kg, Li-FeS 전지: 480Wh/kg, Li-MnO2 전지: 1,000Wh/kg, Na-S 전지: 800Wh/kg)에 비하여 매우 높기 때문에 현재까지 개발되고 있는 전지 중에서 가장 유망한 전지이다.In particular, a lithium-sulfur (Li-S) battery is a secondary battery in which a sulfur-based material having an SS bond (Sulfur-Sulfur bond) is used as a positive electrode active material and lithium metal is used as a negative electrode active material. Sulfur, the main material of the cathode active material, has the advantage of being very abundant in resources, non-toxic, and having a low weight per atom. In addition, the theoretical discharge capacity of the lithium-sulfur battery is 1675 mAh/g-sulfur, and the theoretical energy density is 2,600 Wh/kg. FeS battery: 480 Wh/kg, Li-MnO 2 battery: 1,000 Wh/kg, Na-S battery: 800 Wh/kg), it is the most promising battery among the batteries being developed so far.

리튬-황 전지의 방전 반응 중 음극(Anode)에서는 리튬의 산화 반응이 발생하고, 양극(Cathode)에서는 황의 환원 반응이 발생한다. 방전 전의 황은 환형의 S8 구조를 가지고 있는데, 환원 반응(방전) 시 S-S 결합이 끊어지면서 S의 산화수가 감소하고, 산화 반응(충전) 시 S-S 결합이 다시 형성되면서 S의 산화수가 증가하는 산화-환원 반응을 이용하여 전기 에너지를 저장 및 생성한다. 이런 반응 중 황은 환형의 S8에서 환원 반응에 의해 선형 구조의 리튬 폴리설파이드(Lithium polysulfide, Li2Sx, x = 8, 6, 4, 2)로 변환되게 되며, 결국 이러한 리튬 폴리설파이드가 완전히 환원되면 최종적으로 리튬 설파이드(Lithium sulfide, Li2S)가 생성되게 된다. 각각의 리튬 폴리설파이드로 환원되는 과정에 의해 리튬-황 전지의 방전 거동은 리튬 이온전지와는 달리 단계적으로 방전 전압을 나타내는 것이 특징이다.During the discharging reaction of a lithium-sulfur battery, an oxidation reaction of lithium occurs at the anode, and a reduction reaction of sulfur occurs at the cathode. Sulfur before discharging has a cyclic S 8 structure. During the reduction reaction (discharge), the oxidation number of S decreases as the SS bond is broken, and during the oxidation reaction (charge), the oxidation number of S increases as the SS bond is re-formed. Reduction reactions are used to store and generate electrical energy. During this reaction, sulfur is converted from cyclic S 8 to lithium polysulfide having a linear structure (Lithium polysulfide, Li 2 S x , x = 8, 6, 4, 2) by a reduction reaction, and eventually this lithium polysulfide is completely When reduced, lithium sulfide (Li 2 S) is finally produced. Unlike lithium ion batteries, the discharge behavior of lithium-sulfur batteries by the process of reduction to each lithium polysulfide is characterized in that the discharge voltage is displayed in stages.

이러한 리튬 황 전지는 양극 활 물질인 황과 방전산물인 황화 리튬(Li2S)의 절연성, 충/방전 중간산물인 폴리설파이드의 용출성 등으로 인해, 용량이 이론값에 미치지 못하고 싸이클 수명이 짧다는 문제가 있다. 따라서 리튬 황 전지의 성능 개선을 위해, 황 양극의 반응성 및 싸이클 안정성을 향상시키려는 다양한 연구가 진행되고 있다.This lithium-sulfur battery has a problem that the capacity does not reach the theoretical value and the cycle life is short due to the insulating properties of sulfur as the positive electrode active material and lithium sulfide (LiS) as the discharge product, and the dissolution of polysulfide, which is a charge/discharge intermediate product. there is Therefore, in order to improve the performance of the lithium-sulfur battery, various studies are being conducted to improve the reactivity and cycle stability of the sulfur anode.

리튬 황 전지 양극 활물질인 황/탄소 복합체는, 그 형태, 구조, 비표면적, 기공부피 등에 따라, 양극의 반응성 및 싸이클 안정성에 큰 영향을 미친다. 황과 탄소의 접촉범위가 극대화되고, 비표면적 및 기공부피가 클수록, 전기 전도성 및 리튬이온 전도성이 확보되어 고성능의 리튬-황 전지 구동을 기대할 수 있다.The sulfur/carbon composite, which is a lithium-sulfur battery positive electrode active material, has a great influence on the reactivity and cycle stability of the positive electrode according to its shape, structure, specific surface area, pore volume, and the like. As the contact range between sulfur and carbon is maximized, and the specific surface area and pore volume are large, electrical conductivity and lithium ion conductivity are secured, so that high-performance lithium-sulfur battery operation can be expected.

따라서, 상기 조건을 만족하면서, 비용이 저렴하고 대량생산이 가능한 황/탄소 복합체 제조공정 개발이 필요한 실정이다.Therefore, while satisfying the above conditions, there is a need to develop a process for manufacturing a sulfur/carbon composite that is inexpensive and can be mass-produced.

이와 관련하여, 기존의 황/탄소 복합체 제조공정은 황과 탄소 분말의 건식혼합후, 가열을 통한 황의 액상 함침과정을 거치게 되는데, 황과 탄소 분말 각각의 입자 크기는 수십~수백 마이크로 미터 수준으로서, 단순 혼합 및 가열을 통한 제조시 황/탄소가 불균일하게 분포되며, 비표면적 및 기공부피가 낮아, 이를 개선시킬 수 있는 여지가 존재한다.In this regard, the existing sulfur/carbon composite manufacturing process is followed by dry mixing of sulfur and carbon powder, followed by a liquid phase impregnation process of sulfur through heating. The particle size of each sulfur and carbon powder is tens to hundreds of micrometers, During manufacturing through simple mixing and heating, sulfur/carbon is non-uniformly distributed, and the specific surface area and pore volume are low, so there is room for improvement.

한국 공개특허 제2015-0043407호 "리튬-황 배터리용 복합 물질"Korean Patent Publication No. 2015-0043407 "Composite material for lithium-sulfur batteries"

본 발명자들은 다각적인 연구를 수행한 끝에, 나노미터 사이즈로 분쇄된 황을 탄소와 혼합한 후, 마이크로웨이브를 이용하여 황을 액상 함침시키면, 황/탄소가 복합체 전반에 균일하게 분포되고, 황이 탄소 표면에 얇은 두께로 고르게 코팅된다는 사실을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.After conducting various studies, the present inventors have mixed sulfur pulverized to a nanometer size with carbon and then impregnated the sulfur with a liquid phase using microwaves, so that sulfur/carbon is uniformly distributed throughout the composite, and sulfur is carbon The present invention was completed by confirming the fact that the surface was evenly coated with a thin thickness.

따라서, 본 발명의 목적은, 마이크로웨이브를 이용하여 황을 액상 함침시켜, 황이 탄소 표면에 얇은 두께로 고르게 코팅시켜, 전극으로 사용할 때, 기존 대비 향상된 초기 방전용량 및 고율 용량이 발현되는 황-탄소 복합체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to impregnate sulfur in a liquid phase using microwaves, to coat the sulfur evenly on the carbon surface with a thin thickness, and when used as an electrode, sulfur-carbon exhibiting improved initial discharge capacity and high rate capacity compared to the prior art To provide a composite and a method for preparing the same.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 In order to achieve the above object, the present invention

다공성 탄소재의 내부 및 표면 중 적어도 일부에 황이 코팅된 황-탄소 복합체에 있어서, 상기 황-탄소 복합체의 기공부피가 0.250 내지 0.400 cm3/g이고, 상기 황-탄소 복합체의 비표면적이 18.5 내지 30 m2/g 인, 황-탄소 복합체를 제공한다.In the sulfur-carbon composite in which sulfur is coated on at least a portion of the interior and surface of the porous carbon material, the pore volume of the sulfur-carbon composite is 0.250 to 0.400 cm 3 /g, and the specific surface area of the sulfur-carbon composite is 18.5 to 30 m 2 /g, a sulfur-carbon complex.

또한, 본 발명은 (a) 1nm 내지 1㎛의 입경을 가지는 황과 다공성 탄소재를 혼합하는 단계;In addition, the present invention comprises the steps of (a) mixing sulfur and a porous carbon material having a particle diameter of 1 nm to 1 μm;

(b) 상기 혼합된 황과 다공성 탄소재를 건조하는 단계; 및 (b) drying the mixed sulfur and porous carbon material; and

(c) 상기 건조된 황과 다공성 탄소재의 혼합물에 마이크로웨이브를 인가하는 단계;를 포함하는 황-탄소 복합체의 제조방법을 제공한다.(c) applying microwaves to the dried sulfur and porous carbon material mixture; provides a method for producing a sulfur-carbon composite comprising a.

또한, 본 발명은 상기 황-탄소 복합체를 포함하는, 양극을 제공한다.In addition, the present invention provides a positive electrode comprising the sulfur-carbon composite.

또한, 본 발명은 상기 양극; 음극; 및 전해질;을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.In addition, the present invention is the positive electrode; cathode; and an electrolyte; provides a lithium secondary battery comprising.

본 발명에 따르면, 마이크로웨이브를 이용하여 황을 액상 함침시켜, 황이 탄소 표면에 얇은 두께로 균일하게 코팅하여 복합체의 비표면적을 유지시키고, 리튬 폴리설파이드(lithium polysulfide)의 용출을 억제할 수 있으면서도, 기존대비 향상된 초기 방전용량 및 고율 용량이 발현시킬 수 있다는 효과가 있다.According to the present invention, sulfur is impregnated in liquid phase using microwaves, sulfur is uniformly coated on the carbon surface with a thin thickness to maintain the specific surface area of the composite, and while it is possible to suppress the elution of lithium polysulfide, It has the effect of being able to express improved initial discharge capacity and high rate capacity compared to the existing ones.

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 황-탄소 복합체를 촬영한 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 황-탄소 복합체의 기공 크기를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예의 황-탄소 복합체로 제조된 리튬 이차 전지의 방전용량을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예의 황-탄소 복합체로 제조된 리튬 이차 전지의 수명 특성을 보여주는 그래프이다.
1 is a SEM photograph of a sulfur-carbon composite according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
2 is a graph showing the results of measuring the pore sizes of sulfur-carbon composites according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
3 is a graph showing the discharge capacity of the lithium secondary battery prepared with the sulfur-carbon composite of Examples and Comparative Examples of the present invention.
4 is a graph showing the lifespan characteristics of the lithium secondary battery prepared with the sulfur-carbon composite of Examples and Comparative Examples of the present invention.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 한정되지 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in several different forms, and is not limited thereto.

도면에서는 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였고, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 사용하였다. 또한, 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 실제 축척과는 무관하며, 설명의 명료성을 위해 축소되거나 과장된 것일 수 있다.In the drawings, in order to clearly explain the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are used for similar parts throughout the specification. In addition, sizes and relative sizes of components shown in the drawings are independent of actual scale, and may be reduced or exaggerated for clarity of description.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best describe his invention. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is.

본 명세서에서 사용되고 있는 용어 “복합체(composite)”란 두 가지 이상의 재료가 조합되어 물리적·화학적으로 서로 다른 상(phase)를 형성하면서 보다 유효한 기능을 발현하는 물질을 의미한다.As used herein, the term “composite” refers to a material in which two or more materials are combined to form different phases physically and chemically while exhibiting more effective functions.

리튬 이차 전지 종류 중 하나인 리튬-황 전지는 양극 활물질로 황을, 음극 활물질로 리튬 금속을 사용한다. 리튬-황 전지의 방전시 음극에서는 리튬의 산화 반응이 일어나고, 양극에서는 황의 환원 반응이 발생한다. 이때 환원된 황은 음극으로부터 이동되어 온 리튬 이온과 결합하여 리튬 폴리설파이드로 변환되고 최종적으로 리튬 설파이드를 형성하는 반응을 수반한다.A lithium-sulfur battery, one of the types of lithium secondary batteries, uses sulfur as a positive electrode active material and lithium metal as a negative electrode active material. During discharging of a lithium-sulfur battery, an oxidation reaction of lithium occurs at the negative electrode and a reduction reaction of sulfur occurs at the positive electrode. At this time, the reduced sulfur is combined with lithium ions moved from the negative electrode to be converted into lithium polysulfide and finally accompanied by a reaction to form lithium sulfide.

리튬-황 전지는 기존의 리튬 이차 전지에 비해 월등히 높은 이론 에너지 밀도를 가지며, 양극 활물질로 사용되는 황은 자원이 풍부하여 가격이 저렴하므로 전지의 제조단가를 낮출 수 있다는 장점으로 인해 차세대 전지로 각광받고 있다.Lithium-sulfur batteries have a significantly higher theoretical energy density than conventional lithium secondary batteries, and sulfur used as a positive electrode active material is abundant in resources and is inexpensive, so it is in the spotlight as a next-generation battery due to the advantage of lowering the manufacturing cost of the battery. have.

이러한 장점에도 불구하고 양극 활물질인 황의 낮은 전기 전도도 및 리튬 이온 전도 특성으로 인해 실제 구동에 있어서는 이론적 에너지 밀도 전부를 구현하는데 어려움이 있다.Despite these advantages, it is difficult to realize all of the theoretical energy density in actual operation due to the low electrical conductivity and lithium ion conductivity of sulfur, which is a positive electrode active material.

황의 전기 전도도를 개선하기 위해 탄소, 고분자 등 전도성 소재와의 복합체 형성, 코팅 등의 방법이 사용되고 있다. 여러 방법 중 황-탄소 복합체가 양극의 전기 전도성을 개선에 효과적이기 때문에 양극 활물질로 가장 많이 사용되고 있지만, 충방전 용량 및 효율 측면에서는 아직 충분치 않다. 리튬-황 전지의 용량과 효율은 양극으로 전달되는 리튬 이온의 양에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 황-탄소 복합체 내부로 리튬 이온의 전달이 용이하게 하는 것이 전지의 고용량 및 고효율화에 중요하다.In order to improve the electrical conductivity of sulfur, methods such as composite formation with conductive materials such as carbon and polymer, and coating are used. Among various methods, the sulfur-carbon composite is most used as a positive electrode active material because it is effective in improving the electrical conductivity of the positive electrode, but it is not yet sufficient in terms of charge/discharge capacity and efficiency. The capacity and efficiency of a lithium-sulfur battery may vary depending on the amount of lithium ions delivered to the positive electrode. Therefore, facilitating the transfer of lithium ions into the sulfur-carbon composite is important for high capacity and high efficiency of the battery.

황-탄소 복합체Sulfur-Carbon Complex

이에 본 발명에서는 황-탄소 복합체와 전해액과의 반응성 및 리튬 이차 전지의 용량 및 효율 특성 개선 효과를 확보하기 위해, 다공성 탄소재의 내부 및 표면에 황이 얇고 고르게 코팅된 황-탄소 복합체를 제공한다. 상기 다공성 탄소재의 내부는 다공성 탄소재의 기공 내부를 포함하는 의미이다.Accordingly, the present invention provides a sulfur-carbon composite in which sulfur is thinly and evenly coated inside and on the surface of a porous carbon material in order to secure the effect of improving the reactivity between the sulfur-carbon composite and the electrolyte and the capacity and efficiency characteristics of a lithium secondary battery. The inside of the porous carbon material is meant to include the inside of the pores of the porous carbon material.

본 발명의 황-탄소 복합체는, 다공성 탄소재; 및 상기 다공성 탄소재의 내부 및 표면 중 적어도 일부에 황이 코팅된 것이다. The sulfur-carbon composite of the present invention includes a porous carbon material; And at least a portion of the interior and surface of the porous carbon material is coated with sulfur.

본 발명의 황-탄소 복합체의 다공성 탄소재는 양극 활물질인 황이 균일하고 안정적으로 고정화될 수 있는 골격을 제공하고 황의 전기 전도도를 보완하여 전기화학 반응이 원활하게 진행될 수 있도록 한다.The porous carbon material of the sulfur-carbon composite of the present invention provides a skeleton in which sulfur, which is a cathode active material, can be uniformly and stably immobilized, and supplements the electrical conductivity of sulfur so that the electrochemical reaction can proceed smoothly.

상기 다공성 탄소재의 형태는 구형, 봉형, 침상형, 판상형, 튜브형 또는 벌크형으로 리튬-황 전지에 통상적으로 사용되는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다.The shape of the porous carbon material may be spherical, rod-shaped, needle-shaped, plate-shaped, tube-shaped or bulk-type, as long as it is conventionally used for lithium-sulfur batteries.

상기 다공성 탄소재는 다공성 구조이거나 비표면적이 높은 것으로 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이든 무방하다. 예를 들어, 상기 다공성 탄소재로는 그래파이트(graphite); 그래핀(graphene); 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본 블랙; 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 등의 탄소나노튜브(CNT); 그라파이트 나노파이버(GNF), 카본 나노파이버(CNF), 활성화 탄소 파이버(ACF) 등의 탄소 섬유; 및 활성탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.The porous carbon material may have a porous structure or a high specific surface area, as long as it is commonly used in the art. For example, the porous carbon material may include graphite; graphene; carbon black such as denka black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; carbon nanotubes (CNTs) such as single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs); carbon fibers such as graphite nanofibers (GNF), carbon nanofibers (CNF), and activated carbon fibers (ACF); And it may be at least one selected from the group consisting of activated carbon, but is not limited thereto.

상기 다공성 탄소재 입자의 직경은 100nm 내지 50㎛인 것을 사용할 수 있다.The porous carbon material particles may have a diameter of 100 nm to 50 μm.

본 발명의 황-탄소 복합체의 황은 무기 황(S8), Li2Sn(n ≥ 1), 유기 황 화합물 및 탄소-황 폴리머[(C2Sx)n, x=2.5 내지 50, n ≥ 2]로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 무기 황(S8)을 사용할 수 있다.The sulfur of the sulfur-carbon composite of the present invention is inorganic sulfur (S 8 ), Li 2 S n (n ≥ 1), an organic sulfur compound, and a carbon-sulfur polymer [(C 2 S x ) n , x=2.5 to 50, n ≥ 2] may be at least one selected from the group consisting of. Preferably, inorganic sulfur (S 8 ) may be used.

또한, 상기 황은 상기 다공성 탄소재의 기공 내부뿐만 아니라 표면에 위치하며 이때 상기 다공성 탄소재의 외부 전체 표면의 100% 미만, 바람직하게는 1 내지 95 %, 더욱 바람직하게는 60 내지 90 % 영역에 존재할 수 있다. 상기 황이 다공성 탄소재의 표면에 상기 범위 내에 있을 때 전자 전달 면적 및 전해액의 젖음성 면에서 최대 효과를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 상기 범위 영역에서 황이 다공성 탄소재의 표면에 얇고 고르게 함침되므로 충방전 과정에서 전자 전달 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 만약, 상기 황이 다공성 탄소재의 표면의 100% 영역에 위치하는 경우, 상기 다공성 탄소재가 완전히 황으로 덮여 전해액의 젖음성이 떨어지고 전극 내 포함되는 도전재와 접촉성이 떨어져 전자 전달을 받지 못해 반응에 참여할 수 없게 된다.In addition, the sulfur is located on the surface as well as inside the pores of the porous carbon material, and at this time, less than 100%, preferably 1 to 95%, more preferably 60 to 90% of the entire outer surface of the porous carbon material. can When the sulfur is within the above range on the surface of the porous carbon material, the maximum effect may be exhibited in terms of electron transport area and wettability of the electrolyte. Specifically, since sulfur is thinly and evenly impregnated on the surface of the porous carbon material in the above range, the electron transport contact area may be increased in the charge/discharge process. If the sulfur is located in 100% of the surface of the porous carbon material, the porous carbon material is completely covered with sulfur, so the wettability of the electrolyte is poor and the contact with the conductive material included in the electrode is poor, so it cannot receive electron transfer and participate in the reaction. it won't be possible

상기 황-탄소 복합체는 구조체 내 다양한 크기의 기공 및 3차원적으로 상호 연결되며 규칙적으로 정렬된 기공들로 인해 황을 높은 함량으로 담지할 수 있다. 이로 인해 전기화학 반응으로 용해성이 있는 폴리설파이드가 생성되더라도 황-탄소 복합체 내부에 위치할 수 있게 되면, 폴리설파이드 용출 시에도 3차원으로 얽혀 있는 구조가 유지되어 양극 구조가 붕괴되는 현상을 억제시킬 수 있다. 그 결과, 상기 황-탄소 복합체를 포함하는 리튬-황 전지는 고로딩(high loading)에서도 고용량을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 본 발명에 따른 황-탄소 복합체의 황 로딩량은 1 ~ 20 mg/cm2가 될 수 있다.The sulfur-carbon composite may support a high content of sulfur due to pores of various sizes and three-dimensionally interconnected and regularly arranged pores in the structure. Due to this, even if soluble polysulfide is generated by the electrochemical reaction, if it can be located inside the sulfur-carbon composite, the three-dimensional entangled structure is maintained even during polysulfide elution, thereby suppressing the collapse of the anode structure. have. As a result, the lithium-sulfur battery including the sulfur-carbon composite has an advantage that high capacity can be implemented even at high loading. The sulfur loading of the sulfur-carbon composite according to the present invention may be 1 to 20 mg/cm 2 .

본 발명의 황-탄소 복합체는 제조 시에, 1nm 내지 1㎛의 입경을 가지는 황 입자를 사용함에 따라서, 다공성 탄소재의 표면 또는 기공에 1 내지 10 nm의 두께로 코팅될 수 있다.The sulfur-carbon composite of the present invention may be coated on the surface or pores of the porous carbon material to a thickness of 1 to 10 nm by using sulfur particles having a particle diameter of 1 nm to 1 μm during manufacturing.

본 발명에 따른 황-탄소 복합체에서 전술한 황과 다공성 탄소재의 중량비는 7.5:2.5 내지 4:6, 바람직하게는 7.5:2.5 내지 6:4일 수 있다. 만약 상기 황의 포함량이 상기 중량비 범위 미만인 경우 다공성 탄소재의 함량이 증가함에 따라 양극 슬러리 제조시에 필요한 바인더 첨가량이 늘어난다. 이러한 바인더 첨가량의 증가는 결국 전극의 면저항을 증가시키기게 되고 전자 이동(electron pass)을 막는 절연체 역할을 하게 되어 셀 성능을 저하시킬 수 있다. 반대로 황의 포함량이 상기 중량비 범위를 초과하는 경우 황이 그들끼리 뭉치게 되고, 전자를 받기 어려워서 전극 반응에 직접적으로 참여하기 어렵게 될 수 있으며, 특히 후술하는 기공부피, 비표면적 및 평균 기공 크기를 만족하지 못하게 된다.In the sulfur-carbon composite according to the present invention, the weight ratio of sulfur to the porous carbon material may be 7.5:2.5 to 4:6, preferably 7.5:2.5 to 6:4. If the content of sulfur is less than the weight ratio range, the amount of binder required for preparing the positive electrode slurry increases as the content of the porous carbon material increases. An increase in the amount of the binder added may eventually increase the sheet resistance of the electrode and act as an insulator to prevent electron pass, thereby degrading cell performance. Conversely, when the content of sulfur exceeds the above weight ratio range, sulfur aggregates with each other, and it is difficult to receive electrons, so it may be difficult to directly participate in the electrode reaction. do.

일반적으로 다공성 탄소재는 다양한 탄소 재질의 전구체를 탄화시킴으로써 제조될 수 있으며, 이러한 다공성 탄소재는 내부에 약 100nm 내지 50㎛ 범위의 평균 직경을 가지는 기공을 가지게 된다. In general, the porous carbon material may be prepared by carbonizing precursors of various carbon materials, and the porous carbon material has pores having an average diameter in the range of about 100 nm to 50 μm therein.

그러나, 본 발명의 황-탄소 복합체는 상기 다공성 탄소재의 내부 및 외부 표면의 일부에 황이 코팅되며, 구체적으로 황이 다공성 탄소재의 기공 내부에 코팅이 되기 때문에, 다공성 탄소재의 기공의 크기에 변화가 생기게 된다.However, in the sulfur-carbon composite of the present invention, sulfur is coated on some of the inner and outer surfaces of the porous carbon material, and specifically, since sulfur is coated inside the pores of the porous carbon material, the size of the pores of the porous carbon material changes will arise

기존의 방식에 의하여 제조된 황-탄소 복합체의 경우, 제조에 사용되는 황 입자의 크기가 수십 마이크로미터 수준으로 크기 때문에, 이러한 황 입자를 다공성 탄소재의 기공 내부에 코팅시키더라도, 다공성 탄소재의 기공 내부로 황 입자가 쉽게 진입하지 못하게 되고, 오히려 기공의 입구를 황 입자가 막아버리는 문제가 있었다. 따라서, 황-탄소 복합체의 비표면적, 기공크기 및 기공부피를 측정할 시에 오히려 작아지는 문제점이 발생하였다.In the case of the sulfur-carbon composite prepared by the conventional method, since the size of the sulfur particles used for manufacturing are large at the level of several tens of micrometers, even if these sulfur particles are coated inside the pores of the porous carbon material, the There was a problem that the sulfur particles could not easily enter the pores, and the sulfur particles blocked the entrance of the pores. Therefore, when measuring the specific surface area, pore size, and pore volume of the sulfur-carbon composite, there was a problem in that it became rather small.

그러나, 본 발명의 제조방법에 의하여 황-탄소 복합체를 제조하는 경우에는, 1 마이크로미터 미만의 입자 크기를 가지는 황을 사용하여 다공성 탄소재의 기공 내부에 황을 얇고 고르게 코팅 시킬 수 있게 된다. 또한, 황과 다공성 탄소재의 혼합물에 마이크로웨이브를 인가함에 따라서, 혹시라도 기공의 입구를 막고 있는 황 입자들을 제거하고, 기공 내부로 들어가 얇고 고르게 코팅 시킬 수 있게 된다.However, when the sulfur-carbon composite is manufactured by the manufacturing method of the present invention, sulfur having a particle size of less than 1 micrometer is used to thinly and evenly coat the sulfur inside the pores of the porous carbon material. In addition, by applying microwaves to the mixture of sulfur and porous carbon material, it is possible to remove the sulfur particles blocking the entrance of the pores, and to enter into the pores to coat them thinly and evenly.

따라서, 본 발명의 황-탄소 복합체는, 황이 다공성 탄소재의 기공 내부에 얇고 고르게 코팅됨에 따라서, 황-탄소 복합체의 기공부피가 0.250 내지 0.400 cm3/g일 수 있으며, 바람직하게는 0.300 내지 0.350 cm3/g일 수 있다. Therefore, in the sulfur-carbon composite of the present invention, as sulfur is thinly and evenly coated inside the pores of the porous carbon material, the pore volume of the sulfur-carbon composite may be 0.250 to 0.400 cm 3 /g, preferably 0.300 to 0.350 cm 3 /g.

또한, 황이 다공성 탄소재의 기공 내부에 얇고 고르게 코팅이 됨에 따라서, 상기 황-탄소 복합체의 비표면적이 18.5 내지 30 m2/g 일 수 있으며, 바람직하게는 19.5 내지 30 m2/g 일 수 있다.In addition, as sulfur is thinly and evenly coated inside the pores of the porous carbon material, the specific surface area of the sulfur-carbon composite may be 18.5 to 30 m 2 /g, preferably 19.5 to 30 m 2 /g .

또한, 황이 다공성 탄소재의 기공 내부에 얇고 고르게 코팅이 됨에 따라서, 상기 황-탄소 복합체의 평균 기공 크기가 55 내지 100nm일 수 있다.In addition, as sulfur is thinly and evenly coated inside the pores of the porous carbon material, the average pore size of the sulfur-carbon composite may be 55 to 100 nm.

본 발명의 황-탄소 복합체가 상기 범위의 기공부피, 비표면적 및 평균 기공 크기를 만족하는 경우, 황이 다공성 탄소재의 기공 내부에 얇고 고르게 코팅이 되어, 전극에 적용하게 되면 우수한 방전용량 및 수명 특성을 가지게 된다. 상기 범위를 만족하지 못하는 경우에는, 황이 기공 내에 코팅이 거의 되어 있지 않거나, 혹은 황이 기공의 입구를 막아 버린 것이므로, 전극으로 사용할 경우, 사용자가 필요로 하는 방전용량 및 수명 특성을 만족하지 못하게 된다.When the sulfur-carbon composite of the present invention satisfies the above ranges of pore volume, specific surface area and average pore size, sulfur is thinly and evenly coated inside the pores of the porous carbon material, and when applied to an electrode, excellent discharge capacity and lifespan characteristics will have If the above range is not satisfied, the sulfur is hardly coated in the pores, or the sulfur has blocked the entrance of the pores.

황-탄소 복합체의 제조방법Manufacturing method of sulfur-carbon complex

본 발명의 황-탄소 복합체는 (a) 1nm 내지 1㎛의 입경을 가지는 황과 다공성 탄소재를 혼합하는 단계; (b) 상기 혼합된 황과 다공성 탄소재를 건조하는 단계; 및 (c) 상기 건조된 황과 다공성 탄소재의 혼합물에 마이크로웨이브를 인가하는 단계;를 통하여 제조된다.The sulfur-carbon composite of the present invention comprises the steps of (a) mixing sulfur and a porous carbon material having a particle diameter of 1 nm to 1 μm; (b) drying the mixed sulfur and porous carbon material; And (c) applying a microwave to the mixture of the dried sulfur and the porous carbon material; is prepared through.

먼저, 본 발명의 황-탄소 복합체의 제조방법은, 1nm 내지 1㎛의 입경을 가지는 황과 다공성 탄소재를 혼합하는 (a) 단계를 포함한다.First, the method for producing a sulfur-carbon composite of the present invention includes (a) mixing sulfur having a particle diameter of 1 nm to 1 μm with a porous carbon material.

상기 (a) 단계에서는 황과 다공성 탄소재를 혼합할 때, 황과 다공성 탄소재의 중량비는 7.5:2.5 내지 4:6, 바람직하게는 7.5:2.5 내지 6:4일 수 있다. 만약 상기 황의 포함량이 상기 중량비 범위 미만인 경우 다공성 탄소재의 함량이 증가함에 따라 양극 슬러리 제조시에 필요한 바인더 첨가량이 늘어난다. 이러한 바인더 첨가량의 증가는 결국 전극의 면저항을 증가시키기게 되고 전자 이동(electron pass)을 막는 절연체 역할을 하게 되어 셀 성능을 저하시킬 수 있다. 반대로 황의 포함량이 상기 중량비 범위를 초과하는 경우 황이 그들끼리 뭉치게 되고, 전자를 받기 어려워서 전극 반응에 직접적으로 참여하기 어렵게 될 수 있으며, 특히 후술하는 기공부피, 비표면적 및 평균 기공 크기를 만족하지 못하게 된다.In step (a), when sulfur and the porous carbon material are mixed, the weight ratio of sulfur and the porous carbon material may be 7.5:2.5 to 4:6, preferably 7.5:2.5 to 6:4. If the content of sulfur is less than the weight ratio range, the amount of binder required for preparing the positive electrode slurry increases as the content of the porous carbon material increases. An increase in the amount of the binder added may eventually increase the sheet resistance of the electrode and act as an insulator to prevent electron pass, thereby degrading cell performance. Conversely, when the content of sulfur exceeds the above weight ratio range, sulfur aggregates with each other, and it is difficult to receive electrons, so it may be difficult to directly participate in the electrode reaction. do.

상기 (a) 단계에서 사용되는 상기 황은 1nm 내지 1㎛의 입경을 가지는 황으로서, 다른 특징은 앞서 살펴본 내용과 동일하다. 또한 다공성 탄소재의 특징 역시 앞서 살펴본 내용과 동일하다.The sulfur used in step (a) is sulfur having a particle diameter of 1 nm to 1 μm, and other features are the same as described above. In addition, the characteristics of the porous carbon material are the same as those discussed above.

다음으로, 본 발명의 황-탄소 복합체의 제조방법은, 상기 혼합된 황과 다공성 탄소재를 건조하는 (b) 단계를 포함한다.Next, the method for producing the sulfur-carbon composite of the present invention includes (b) drying the mixed sulfur and the porous carbon material.

상기 건조 방법은, 60 내지 100℃ 오븐에서 12 내지 36시간 건조할 수 있으며, 건조 전에 상기 (a) 단계의 혼합 시에 사용한 용매나 볼밀용 볼 등을 제거하는 과정을 수행할 수 있다.The drying method may be dried in an oven at 60 to 100° C. for 12 to 36 hours, and before drying, a process of removing a solvent or a ball for a ball mill used in mixing in step (a) may be performed.

다음으로, 본 발명의 황-탄소 복합체의 제조방법은, 상기 건조된 황과 다공성 탄소재의 혼합물에 마이크로웨이브를 인가하는 (c) 단계를 포함한다. Next, the method for producing the sulfur-carbon composite of the present invention includes the step (c) of applying microwaves to the mixture of the dried sulfur and the porous carbon material.

상기 (c) 단계의 마이크로 웨이브의 인가는 500 내지 2000W의 출력으로 인가할 수 있으며, 마이크로 웨이브의 인가는 2초 내지 10초간의 횟수로 2회 내지 10회 진행할 수 있다.The microwave application in step (c) may be applied with an output of 500 to 2000 W, and the microwave application may be performed 2 to 10 times with a frequency of 2 to 10 seconds.

본 발명의 황-탄소 복합체의 제조방법은, 상기와 같은 마이크로 웨이브의 인가를 통하여, 황-탄소 복합체 중 다공성 탄소재의 기공 입구를 막고 있는 황 입자를 제거하여, 전체적으로 얇고 고르게 황이 코팅되도록 할 수 있다.The method for producing the sulfur-carbon composite of the present invention, through the application of microwaves as described above, removes the sulfur particles blocking the pore inlets of the porous carbon material among the sulfur-carbon composites so that the sulfur is coated thinly and evenly throughout. have.

따라서, 본 발명의 황-탄소 복합체의 제조방법에 의하여 제조된 황-탄소 복합체는 황이 다공성 탄소재의 기공 내부에 얇고 고르게 코팅됨에 따라서, 황-탄소 복합체의 기공부피가 0.250 내지 0.400 cm3/g일 수 있으며, 바람직하게는 0.300 내지 0.350 cm3/g일 수 있다. Therefore, in the sulfur-carbon composite prepared by the method for producing a sulfur-carbon composite of the present invention, as sulfur is thinly and evenly coated inside the pores of the porous carbon material, the pore volume of the sulfur-carbon composite is 0.250 to 0.400 cm 3 /g may be, preferably 0.300 to 0.350 cm 3 /g.

또한, 황이 다공성 탄소재의 기공 내부에 얇고 고르게 코팅이 됨에 따라서, 상기 황-탄소 복합체의 비표면적이 18.5 내지 30 m2/g 일 수 있으며, 바람직하게는 19.5 내지 30 m2/g 일 수 있다.In addition, as sulfur is thinly and evenly coated inside the pores of the porous carbon material, the specific surface area of the sulfur-carbon composite may be 18.5 to 30 m 2 /g, preferably 19.5 to 30 m 2 /g .

또한, 황이 다공성 탄소재의 기공 내부에 얇고 고르게 코팅이 됨에 따라서, 상기 황-탄소 복합체의 평균 기공 크기가 55 내지 100nm일 수 있다.In addition, as sulfur is thinly and evenly coated inside the pores of the porous carbon material, the average pore size of the sulfur-carbon composite may be 55 to 100 nm.

양극anode

본 발명에서 제시하는 황-탄소 복합체는 리튬 이차 전지, 그 중에서도 리튬-황 전지의 양극 활물질로서 바람직하게 사용이 가능하다. The sulfur-carbon composite presented in the present invention can be preferably used as a cathode active material for a lithium secondary battery, particularly, a lithium-sulfur battery.

상기 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질층 형성용 조성물을 도포 및 건조하여 제작된다. The positive electrode is manufactured by coating and drying a composition for forming a positive electrode active material layer on a positive electrode current collector.

구체적으로 상기 제조된 황-탄소 복합체에 추가적인 도전성을 부여하기 위하여, 상기 양극 조성물에는 도전재가 추가될 수 있다. 상기 도전재는 전자가 양극 내에서 원활하게 이동하도록 하기 위한 역할을 하는 것으로, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성이 우수하고 넓은 표면적을 제공할 수 있는 것이면 특별한 제한이 없으나, 바람직하게는 탄소계 물질을 사용한다.Specifically, in order to impart additional conductivity to the prepared sulfur-carbon composite, a conductive material may be added to the positive electrode composition. The conductive material serves to allow electrons to smoothly move within the positive electrode, and there is no particular limitation as long as it has excellent conductivity and can provide a large surface area without causing chemical change in the battery, but is preferably carbon-based. use material.

상기 탄소계 물질로는 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 그래핀(Graphene)과 같은 흑연(Graphite)계, 활성탄(Active carbon)계, 채널 블랙(Channel black), 퍼니스 블랙(Furnace black), 써말 블랙(Thermal black), 컨택트 블랙(Contact black), 램프 블랙(Lamp black), 아세틸렌 블랙(Acetylene black)과 같은 카본 블랙(Carbon black)계; 탄소 섬유(Carbon fiber)계, 탄소나노튜브(Carbon nanotube: CNT), 풀러렌(Fullerene)과 같은 탄소 나노 구조체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 사용할 수 있다. As the carbon-based material, natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, graphite such as graphene, active carbon, channel black, furnace black, thermal Carbon black such as black (Thermal black), contact black (Contact black), lamp black (Lamp black), acetylene black (Acetylene black); One selected from the group consisting of carbon nanostructures such as carbon fiber, carbon nanotube (CNT), fullerene, and combinations thereof may be used.

상기 탄소계 물질 이외에도, 목적에 따라 금속 메쉬 등의 금속성 섬유; 구리(Cu), 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 등의 금속성 분말; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 유기 도전성 재료도 사용할 수 있다. 상기 도전성 재료들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다. In addition to the carbon-based material, metallic fibers such as metal mesh according to the purpose; metallic powders such as copper (Cu), silver (Ag), nickel (Ni), and aluminum (Al); Alternatively, an organic conductive material such as a polyphenylene derivative can also be used. The conductive materials may be used alone or in combination.

또한 상기 양극 활물질에 집전체에 대한 부착력을 제공하기 위하여, 상기 양극 조성물에는 바인더가 추가적으로 포함될 수 있다. 상기 바인더는 용매에 잘 용해되어야 하며, 양극 활물질과 도전재와의 도전 네트워크를 잘 구성해주어야 할 뿐만 아니라 전해액의 함침성도 적당히 가져야 한다.In addition, in order to provide the positive electrode active material with adhesion to the current collector, a binder may be additionally included in the positive electrode composition. The binder should be well soluble in a solvent, and should not only form a conductive network between the positive electrode active material and the conductive material, but also have adequate impregnation property of the electrolyte.

본 발명에 적용 가능한 바인더는 당해 업계에서 공지된 모든 바인더들일 수 있고, 구체적으로는, 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVdF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는 불소 수지계 바인더; 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부티디엔 고무, 스티렌-이소프렌 고무를 포함하는 고무계 바인더; 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈를 포함하는 셀룰로오스계 바인더; 폴리 알코올계 바인더; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌를 포함하는 폴리 올레핀계 바인더; 폴리 이미드계 바인더, 폴리 에스테르계 바인더, 실란계 바인더;로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물이거나 공중합체일 수 있으나, 이에 제한되지 않음은 물론이다.The binder applicable to the present invention may be all binders known in the art, and specifically, a fluororesin binder including polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE). ; a rubber-based binder including a styrene-butadiene rubber, an acrylonitrile-butydiene rubber, and a styrene-isoprene rubber; Cellulose binders including carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, and regenerated cellulose; polyalcohol-based binders; Polyolefin-based binders including polyethylene and polypropylene; It may be one selected from the group consisting of a polyimide-based binder, a polyester-based binder, and a silane-based binder, or a mixture of two or more, or a copolymer, but is not limited thereto.

상기 바인더 수지의 함량은 상기 리튬 이차 전지용 양극 총중량을 기준으로 0.5 ~ 30 중량%일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 상기 바인더 수지의 함량이 0.5 중량% 미만인 경우에는, 양극의 물리적 성질이 저하되어 양극 활물질과 도전재가 탈락할 수 있고, 30 중량%를 초과하는 경우에는 양극에서 활물질과 도전재의 비율이 상대적으로 감소되어 전지 용량이 감소될 수 있다.The content of the binder resin may be 0.5 to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode for a lithium secondary battery, but is not limited thereto. If the content of the binder resin is less than 0.5% by weight, the physical properties of the positive electrode may be lowered, and the positive electrode active material and the conductive material may fall off, and if it exceeds 30% by weight, the ratio of the active material and the conductive material in the positive electrode is relatively reduced The battery capacity may be reduced.

리튬 이차 전지용 양극 조성물을 슬러리 상태로 제조하기 위한 용매는 건조가 용이해야하며, 바인더를 잘 용해시킬 수 있되, 양극 활물질 및 도전재는 용해시키지 않고 분산 상태로 유지시킬 수 있는 것이 가장 바람직하다. 용매가 양극 활물질을 용해시킬 경우에는 슬러리에서 황의 비중(D = 2.07)이 높기 때문에 황이 슬러리에서 가라앉게 되어 코팅시 집전체에 황이 몰려 도전 네트워크에 문제가 생겨 전지의 작동에 문제가 발생하는 경향이 있다.The solvent for preparing the cathode composition for a lithium secondary battery in a slurry state must be easy to dry and can dissolve the binder well, but the cathode active material and the conductive material are most preferably maintained in a dispersed state without dissolving them. When the solvent dissolves the positive active material, the sulfur in the slurry has a high specific gravity (D = 2.07), so sulfur sinks in the slurry, causing sulfur to collect on the current collector during coating, causing problems in the conductive network and causing problems in battery operation. have.

본 발명에 따른 용매는 물 또는 유기 용매가 가능하며, 상기 유기 용매는 디메틸포름아미드, 이소프로필알콜, 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 유기 용매가 적용 가능하다.The solvent according to the present invention may be water or an organic solvent, and the organic solvent is an organic solvent including at least one selected from the group consisting of dimethylformamide, isopropyl alcohol, acetonitrile, methanol, ethanol, and tetrahydrofuran. possible.

상기 양극 조성물의 혼합은 통상의 혼합기, 예컨대 레이트스 믹서, 고속 전단 믹서, 호모 믹서 등을 이용하여 통상의 방법으로 교반할 수 있다.The positive electrode composition may be mixed in a conventional manner using a conventional mixer, such as a rate mixer, a high-speed shear mixer, a homo mixer, or the like.

상기 양극 조성물을 집전체에 도포하고, 진공 건조하여 리튬 이차 전지용 양극을 형성할 수 있다. 상기 슬러리는 슬러리의 점도 및 형성하고자 하는 양극의 두께에 따라 적절한 두께로 집전체에 코팅할 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 300 ㎛ 범위 내에서 적절히 선택할 수 있다.The positive electrode composition may be applied to a current collector and vacuum dried to form a positive electrode for a lithium secondary battery. The slurry may be coated on the current collector to an appropriate thickness depending on the viscosity of the slurry and the thickness of the positive electrode to be formed, and preferably may be appropriately selected within the range of 10 to 300 μm.

이때 상기 슬러리를 코팅하는 방법으로 그 제한은 없으며, 예컨대, 닥터 블레이드 코팅(Doctor blade coating), 딥 코팅(Dip coating), 그라비어 코팅(Gravure coating), 슬릿 다이 코팅(Slit die coating), 스핀 코팅(Spin coating), 콤마 코팅(Comma coating), 바 코팅(Bar coating), 리버스 롤 코팅(Reverse roll coating), 스크린 코팅(Screen coating), 캡 코팅(Cap coating) 방법 등을 수행하여 제조할 수 있다.At this time, the method of coating the slurry is not limited thereto, and for example, doctor blade coating, dip coating, gravure coating, slit die coating, spin coating ( spin coating), comma coating, bar coating, reverse roll coating, screen coating, cap coating, and the like.

상기 양극 집전체로는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들 수 있고, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특히 제한하지 않는다. 예컨대 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 티타늄 등의 전도성 금속을 사용할 수 있고, 바람직하게는 알루미늄 집전체를 사용할 수 있다. 이러한 양극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체 또는 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The positive electrode current collector may be generally made to have a thickness of 3 to 500 μm, and is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery. For example, a conductive metal such as stainless steel, aluminum, copper, or titanium may be used, and preferably an aluminum current collector may be used. The positive electrode current collector may have various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam body, or a non-woven body.

리튬 이차 전지lithium secondary battery

본 발명의 일 실시예로서, 리튬 이차 전지는 상술한 양극; 음극 활물질로서 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함하는 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 상기 음극, 양극 및 분리막에 함침되어 있으며, 리튬염과 유기용매를 포함하는 전해질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 리튬 이차 전지는 상기 양극 내의 양극 활물질에 황 화합물을 포함하는 리튬-황 전지 일 수 있다.As an embodiment of the present invention, the lithium secondary battery includes the above-described positive electrode; a negative electrode comprising lithium metal or a lithium alloy as an anode active material; a separator interposed between the anode and the cathode; and an electrolyte impregnated in the negative electrode, the positive electrode and the separator, and containing a lithium salt and an organic solvent. In addition, the lithium secondary battery may be a lithium-sulfur battery including a sulfur compound in the positive electrode active material in the positive electrode.

상기 음극은 음극 활물질로서 리튬 이온(Li+)을 가역적으로 인터칼레이션(Intercalation) 또는 디인터칼레이션(Deintercalation)할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 사용할 수 있다. 상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션할 수 있는 물질은 예컨대 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질은 예를 들어, 산화주석, 티타늄나이트레이트 또는 실리콘일 수 있다. 상기 리튬 합금은 예를 들어, 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al 및 Sn으로 이루어지는 군에서 선택되는 금속의 합금일 수 있다. The negative electrode is a material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions (Li + ) as an anode active material, and a material capable of reversibly forming a lithium-containing compound by reacting with lithium ions , lithium metal or lithium alloy may be used. The material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions may be, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof. The material capable of reversibly forming a lithium-containing compound by reacting with the lithium ions may be, for example, tin oxide, titanium nitrate, or silicon. The lithium alloy may be, for example, an alloy of lithium and a metal selected from the group consisting of Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al, and Sn.

또한, 리튬-황 전지를 충·방전하는 과정에서, 양극 활물질로 사용되는 황이 비활성 물질로 변화되어, 리튬 음극 표면에 부착될 수 있다. 이와 같이 비활성 황(Inactive sulfur)은 황이 여러 가지 전기화학적 또는 화학적 반응을 거쳐 양극의 전기화학 반응에 더 이상 참여할 수 없는 상태의 황을 의미하며, 리튬 음극 표면에 형성된 비활성 황은 리튬 음극의 보호막(Protective layer)으로서 역할을 하는 장점도 있다. 따라서, 리튬 금속과 이 리튬 금속 위에 형성된 비활성 황, 예를 들어 리튬 설파이드를 음극으로 사용할 수도 있다.In addition, in the process of charging and discharging a lithium-sulfur battery, sulfur used as a positive electrode active material may be changed to an inactive material and may be attached to the surface of the lithium negative electrode. As such, inactive sulfur refers to sulfur in a state in which sulfur can no longer participate in the electrochemical reaction of the positive electrode through various electrochemical or chemical reactions. There is also the advantage of acting as a layer). Accordingly, it is also possible to use lithium metal and an inert sulfur formed on the lithium metal, for example lithium sulfide, as the negative electrode.

본 발명의 음극은 상기 음극 활물질 이외에 리튬 이온 전도성 물질로 이루어진 전처리층 및 상기 전처리층 상에 형성된 리튬 금속 보호층을 추가적으로 더 포함할 수 있다.The negative electrode of the present invention may further include a pretreatment layer made of a lithium ion conductive material and a lithium metal protective layer formed on the pretreatment layer in addition to the negative electrode active material.

상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막은 양극과 음극을 서로 분리 또는 절연시키고, 양극과 음극 사이에 리튬 이온의 수송을 가능하게 하는 것으로 다공성 비전도성 또는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 분리막은 높은 이온 투과도 및 기계적 강도를 가지는 절연체로서 얇은 박막 또는 필름과 같은 독립적인 부재일 수도 있고, 양극 및/또는 음극에 부가된 코팅층일 수도 있다. 또한 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.The separator interposed between the positive electrode and the negative electrode separates or insulates the positive electrode and the negative electrode from each other, and enables the transport of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode, and may be made of a porous non-conductive or insulating material. The separator may be an independent member such as a thin film or film as an insulator having high ion permeability and mechanical strength, or may be a coating layer added to the anode and/or cathode. In addition, when a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.

상기 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이 바람직하며, 이러한 분리막으로는, 유리 전해질(Glass electrolyte), 고분자 전해질 또는 세라믹 전해질 등이 사용될 수 있다. 예컨대 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머, 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포, 크라프트지 등이 사용된다. 현재 시판중인 대표적인 예로는 셀가드 계열(CelgardR 2400, 2300 Hoechest Celanese Corp. 제품), 폴리프로필렌 분리막(Ube Industries Ltd. 제품 또는 Pall RAI사 제품), 폴리에틸렌 계열(Tonen 또는 Entek) 등이 있다.The pore diameter of the separator is generally 0.01 to 10 μm, and the thickness is generally preferably 5 to 300 μm, and as such a separator, a glass electrolyte, a polymer electrolyte, or a ceramic electrolyte may be used. For example, a sheet, nonwoven fabric, kraft paper, etc. made of an olefin-based polymer such as chemical-resistant and hydrophobic polypropylene, glass fiber, or polyethylene is used. Representative examples currently on the market include Celgard series (Celgard R 2400, 2300 manufactured by Hoechest Celanese Corp.), polypropylene separator (manufactured by Ube Industries Ltd. or Pall RAI), and polyethylene series (Tonen or Entek).

고체 상태의 전해질 분리막은 약 20 중량% 미만의 비수성 유기 용매를 포함할 수도 있으며, 이 경우에는 유기 용매의 유동성을 줄이기 위하여 적절한 겔 형성 화합물(Gelling agent)을 더 포함할 수도 있다. 이러한 겔 형성 화합물의 대표적인 예로는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐리덴플루라이드, 폴리아크릴로니트릴 등을 들 수 있다.The solid electrolyte separator may contain less than about 20% by weight of the non-aqueous organic solvent, and in this case, an appropriate gelling agent may be further included to reduce the fluidity of the organic solvent. Representative examples of such a gel-forming compound include polyethylene oxide, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, and the like.

상기 음극, 양극 및 분리막에 함침되어 있는 전해질은 리튬염을 함유하는 비수계 전해질로서 리튬염과 전해액으로 구성되어 있으며, 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질 및 무기 고체 전해질 등이 사용된다.The electrolyte impregnated in the negative electrode, the positive electrode and the separator is a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, and is composed of a lithium salt and an electrolyte. As the electrolyte, a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, and an inorganic solid electrolyte are used.

본 발명의 리튬염은 비수계 유기용매에 용해되기 좋은 물질로서, 예컨대, LiSCN, LiCl, LiBr, LiI, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiB10Cl10, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiClO4, LiAlCl4, Li(Ph)4, LiC(CF3SO2)3, LiN(FSO2)2, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(SFO2)2, LiN(CF3CF2SO2)2, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 리튬 이미드 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 하나 이상이 포함될 수 있다.The lithium salt of the present invention is a material readily soluble in a non-aqueous organic solvent, for example, LiSCN, LiCl, LiBr, LiI, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiB 10 Cl 10 , LiCH 3 SO 3 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiClO 4 , LiAlCl 4 , Li(Ph) 4 , LiC(CF 3 SO 2 ) 3 , LiN(FSO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , LiN(C 2 ) F 5 SO 2 ) 2 , LiN(SFO 2 ) 2 , LiN(CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , lithium chloroborane, lithium lower aliphatic carboxylate, lithium 4-phenyl borate, lithium imide, and combinations thereof One or more of them may be included.

상기 리튬염의 농도는, 전해질 혼합물의 정확한 조성, 염의 용해도, 용해된 염의 전도성, 전지의 충전 및 방전 조건, 작업 온도 및 리튬 배터리 분야에 공지된 다른 요인과 같은 여러 요인에 따라, 0.2 ~ 2 M, 구체적으로 0.6 ~ 2 M, 더욱 구체적으로 0.7 ~ 1.7 M일 수 있다. 0.2 M 미만으로 사용하면 전해질의 전도도가 낮아져서 전해질 성능이 저하될 수 있고, 2 M을 초과하여 사용하면 전해질의 점도가 증가하여 리튬 이온(Li+)의 이동성이 감소될 수 있다.The concentration of the lithium salt varies from 0.2 to 2 M, depending on several factors such as the exact composition of the electrolyte mixture, the solubility of the salt, the conductivity of the dissolved salt, the charging and discharging conditions of the battery, the operating temperature and other factors known in the art of lithium batteries, Specifically, it may be 0.6 to 2 M, more specifically 0.7 to 1.7 M. If the amount is less than 0.2 M, the conductivity of the electrolyte may be lowered and the electrolyte performance may be deteriorated, and if used in excess of 2 M, the viscosity of the electrolyte may increase and the mobility of lithium ions (Li + ) may be reduced.

상기 비수계 유기용매는 리튬염을 잘 용해시켜야 하며, 본 발명의 비수계 유기용매로는, 예컨대, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부티로락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소란, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소란, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소란 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있으며, 상기 유기 용매는 하나 또는 둘 이상의 유기 용매들의 혼합물일 수 있다.The non-aqueous organic solvent should dissolve lithium salt well, and the non-aqueous organic solvent of the present invention includes, for example, N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, di ethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, gamma-butyrolactone, 1,2-dimethoxy ethane, 1,2-diethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1, 3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxene, diethyl ether, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, triester phosphate, trime Aprotic, such as oxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyropionate, and ethyl propionate An organic solvent may be used, and the organic solvent may be one or a mixture of two or more organic solvents.

상기 유기 고체 전해질로는, 예컨대, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(Agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphoric acid ester polymers, poly agitation lysine, polyester sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, ionic dissociation. A polymer comprising a group and the like can be used.

상기 무기 고체 전해질로는, 예컨대, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다. Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 Nitrides, halides, sulfates, etc. of Li such as SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO4-Li 2 S-SiS 2 may be used.

본 발명의 전해질에는 충·방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예컨대, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-ethylene carbonate), PRS(Propene sultone), FPC(Fluoro-propylene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.In the electrolyte of the present invention, for the purpose of improving charge/discharge characteristics and flame retardancy, for example, pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, nitro Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N,N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxyethanol, aluminum trichloride, etc. may be added. . In some cases, in order to impart incombustibility, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high-temperature storage characteristics, and FEC (Fluoro-ethylene) carbonate), propene sultone (PRS), fluoro-propylene carbonate (FPC), etc. can be further included.

상기 전해질은 액상 전해질로 사용할 수도 있고, 고체 상태의 전해질 세퍼레이터 형태로도 사용할 수 있다. 액상 전해질로 사용할 경우에는 전극을 물리적으로 분리하는 기능을 갖는 물리적인 분리막으로서 다공성 유리, 플라스틱, 세라믹 또는 고분자 등으로 이루어진 분리막을 더 포함한다.The electrolyte may be used as a liquid electrolyte or in the form of a solid electrolyte separator. When used as a liquid electrolyte, a separator made of porous glass, plastic, ceramic, polymer, or the like is further included as a physical separator having a function of physically separating the electrodes.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred examples are presented to aid the understanding of the present invention, but the following examples are merely illustrative of the present invention and it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention, It goes without saying that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.

[실시예][Example]

황-탄소 복합체의 제조Preparation of Sulfur-Carbon Complex

[실시예 1][Example 1]

125mL들이 용기에 5mm 직경의 ZrO2 볼 200g, 황 7.8g, 에탄올 30g을 넣고 200rpm 으로 3일간 볼밀하여 나노크기의 황 입자로 분쇄하였다. 이 후, 상기 분쇄된 황 입자와 ZrO2볼, 에탄올이 포함된 용기에 탄소나노튜브 3g을 첨가하여 200rpm으로 3시간 동안 볼밀하여 황과 탄소를 혼합하였다. 상기 황과 탄소의 혼합물을 여과하여 에탄올과 ZrO2볼을 제거한 후 80℃ 오븐에서 24시간 건조시켰다. 이 후, 상기 건조된 황과 탄소의 혼합물에 1000W 마이크로웨이브(BP-110, Microwave Research and Applications)를 3초씩 3회 가하여 황-탄소 복합체를 제조하였다.In a 125 mL container, 200 g of 5 mm diameter ZrO 2 balls, 7.8 g of sulfur, and 30 g of ethanol were put, and ball milled at 200 rpm for 3 days to grind into nano-sized sulfur particles. Thereafter, 3 g of carbon nanotubes were added to a container containing the pulverized sulfur particles, ZrO 2 balls, and ethanol, and ball milled at 200 rpm for 3 hours to mix sulfur and carbon. The mixture of sulfur and carbon was filtered to remove ethanol and ZrO 2 balls, and then dried in an oven at 80° C. for 24 hours. Thereafter, 1000W microwave (BP-110, Microwave Research and Applications) was applied to the dried mixture of sulfur and carbon three times for 3 seconds to prepare a sulfur-carbon composite.

[비교예 1][Comparative Example 1]

1L들이 용기에 5mm직경의 ZrO2 볼 270g, 황 23.4g, 탄소나노튜브 7g을 넣고 200rpm으로 3시간 동안 볼밀하여 황과 탄소 혼합하였다. 이 후, 상기 혼합물을 155℃ 오븐에서 30분동안 가열하여 황-탄소 복합체 제조하였다.In a 1L container, 270 g of ZrO 2 balls with a diameter of 5 mm, 23.4 g of sulfur, and 7 g of carbon nanotubes were put and ball milled at 200 rpm for 3 hours to mix sulfur and carbon. Thereafter, the mixture was heated in an oven at 155° C. for 30 minutes to prepare a sulfur-carbon composite.

실험예 1: 복합체 물성 평가Experimental Example 1: Evaluation of composite properties

(SEM 분석 결과)(SEM analysis result)

실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 황-탄소 복합체를 주사전자현미경(SEM, S-4800, HITACHI)으로 촬영하였으며, 이를 도 1에 나타내었다. The sulfur-carbon composites prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were photographed with a scanning electron microscope (SEM, S-4800, HITACHI), which is shown in FIG. 1 .

도 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1 및 2의 황-탄소 복합체는 탄소 나노튜브 의 표면에 황이 수 nm 수준으로 얇고 균일하게 코팅되어 있는데 반하여, 비교예 1 및 2의 황-탄소 복합체는 탄소 나노튜브 의 표면에 황이 30 내지 40 nm 이상 코팅되어 있는 것을 알 수 있었다.As shown in FIG. 1 , the sulfur-carbon composites of Examples 1 and 2 were thinly and uniformly coated with sulfur at a level of several nm on the surface of the carbon nanotubes, whereas the sulfur-carbon composites of Comparative Examples 1 and 2 were carbon nanotubes. It was found that 30 to 40 nm or more of sulfur was coated on the surface of the tube.

(기공 구조 비교)(Comparison of pore structure)

실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 황-탄소 복합체의 기공 크기, 비표면적 및 기공부피를 질소 흡착 장비 (BELSorp, BEL)를 이용해 측정하여 표 1 및 도 2에 나타내었다. The pore size, specific surface area and pore volume of the sulfur-carbon composites prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were measured using nitrogen adsorption equipment (BELSorp, BEL), and are shown in Table 1 and FIG. 2 .

비표면적 (m2/g)Specific surface area (m 2 /g) 기공부피 (cm3/g)Pore volume (cm 3 /g) 평균 기공 (nm)mean pore (nm) 비교예1Comparative Example 1 18.0118.01 0.2350.235 52.352.3 실시예1Example 1 19.7119.71 0.3100.310 62.862.8

상기 표 1 및 도 2의 해석을 통하여, 실시예 1에서 제조된 황-탄소 복합체의 비표면적, 기공부피 및 평균 기공이 모두 증가하였다는 것을 알 수 있었다. Through the analysis of Table 1 and FIG. 2, it was found that the specific surface area, pore volume, and average pore volume of the sulfur-carbon composite prepared in Example 1 all increased.

실험예 2: 전지 물성 평가Experimental Example 2: Battery physical property evaluation

(전지의 제조)(Manufacture of battery)

실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 황-탄소 복합체: 바인더(LiPAA/PVA를 6.5:0.5로 혼합): 도전재(VGCF)를 88:7:5의 중량비로 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 20㎛ 두께의 알루미늄 호일의 집전체에 코팅하여 전극을 제조하였다.The sulfur-carbon composite prepared in Example 1 and Comparative Example 1: Binder (LiPAA/PVA mixed at 6.5:0.5): Conductive material (VGCF) was mixed in a weight ratio of 88:7:5 to prepare a slurry, An electrode was prepared by coating the current collector of 20 μm thick aluminum foil.

상기 제조된 전극을 양극으로, 리튬 금속을 음극으로 사용하여 코인셀을 제조했다. 이때, 상기 코인셀은 2-Me-THF/DOL/DME(1:1:1), LiN(CF3SO2)2 (LiTFSI) 1M, LiNO3 0.1M로 제조한 전해액을 사용하였다. 상기 2-Me-THF/DOL/DME는 용매로서 각각 2-methyl tetrahydrofuran, dioxolane 및 Dimethyl ether를 사용하였다.A coin cell was manufactured using the prepared electrode as a positive electrode and lithium metal as a negative electrode. In this case, as the coin cell, an electrolyte prepared with 2-Me-THF/DOL/DME (1:1:1), LiN(CF 3 SO 2 ) 2 (LiTFSI) 1M, and LiNO 3 0.1M was used. For the 2-Me-THF/DOL/DME, 2-methyl tetrahydrofuran, dioxolane and dimethyl ether were used as solvents, respectively.

제조된 코인셀에 대하여, 1.5에서 2.8V까지의 용량을 측정하여 도 3 및 표 2에 나타내었다.For the prepared coin cell, capacitances from 1.5 to 2.8 V were measured and shown in FIG. 3 and Table 2.

구분division 방전용량 [mAh/g]Discharge capacity [mAh/g] 실시예1Example 1 1,2091,209 비교예1Comparative Example 1 1,1441,144

도 3 및 표 2에 나타난 바와 같이, 동일한 황:탄소의 비율을 가지는 비교예 1과 실시예 1의 경우, 실시예 1의 초기 방전 용량이 향상된 것을 알 수 있었다. 또한, 제조된 코인셀에 대하여 0.1C rate CC 로 충전하고, 0.1C rate CC로 방전을 2.5회 반복한 후, 0.2C 충전/0.2C 방전 3회 반복, 이후에는 0.3C 충전/0.5C 방전하는 사이클을 30회 반복하여 충방전 효율을 측정하였다.(CC: Constant Current)3 and Table 2, in the case of Comparative Example 1 and Example 1 having the same sulfur:carbon ratio, it was found that the initial discharge capacity of Example 1 was improved. In addition, the prepared coin cell is charged at 0.1C rate CC, discharged at 0.1C rate CC 2.5 times, and then 0.2C charge/0.2C discharge is repeated 3 times, and then 0.3C charge/0.5C discharge is performed. The cycle was repeated 30 times to measure the charge/discharge efficiency. (CC: Constant Current)

그 결과를 도 4를 통하여 확인할 수 있었으며, 실시예 1의 수명특성이 비교예 1에 비하여 향상된 것을 확인할 수 있다.The result can be confirmed through FIG. 4, and it can be seen that the lifespan characteristic of Example 1 is improved compared to Comparative Example 1.

Claims (17)

다공성 탄소재; 및
상기 다공성 탄소재의 내부 및 표면 중 적어도 일부에 황이 코팅된 황-탄소 복합체에 있어서,
상기 황-탄소 복합체의 기공부피가 0.250 내지 0.400 cm3/g이고,
상기 황-탄소 복합체의 비표면적이 18.5 내지 30 m2/g 인, 황-탄소 복합체.
porous carbon material; and
In the sulfur-carbon composite in which sulfur is coated on at least a portion of the inside and the surface of the porous carbon material,
The sulfur-carbon composite has a pore volume of 0.250 to 0.400 cm 3 /g,
The specific surface area of the sulfur-carbon composite is 18.5 to 30 m 2 /g, the sulfur-carbon composite.
제1항에 있어서,
상기 황-탄소 복합체의 기공부피가 0.300 내지 0.350 cm3/g이고,
상기 황-탄소 복합체의 비표면적이 19.5 내지 30 m2/g 인, 황-탄소 복합체.
According to claim 1,
The sulfur-carbon composite has a pore volume of 0.300 to 0.350 cm 3 /g,
The sulfur-carbon composite has a specific surface area of 19.5 to 30 m 2 /g.
제1항에 있어서,
상기 황-탄소 복합체의 기공 크기는 55nm 내지 100nm 범위의 평균기공을 갖는, 황-탄소 복합체.
According to claim 1,
The pore size of the sulfur-carbon composite has an average pore in the range of 55nm to 100nm, sulfur-carbon composite.
제1항에 있어서,
상기 황은 1 내지 10 nm의 두께로 코팅된, 황-탄소 복합체.
According to claim 1,
The sulfur is coated to a thickness of 1 to 10 nm, sulfur-carbon composite.
제1항에 있어서,
상기 다공성 탄소재의 직경이 100nm 내지 50㎛인, 황-탄소 복합체.
According to claim 1,
The diameter of the porous carbon material is 100nm to 50㎛, sulfur-carbon composite.
제1항에 있어서,
상기 황-탄소 복합체는 황과 다공성 탄소재가 7.5:2.5 내지 4:6의 중량비로 포함되는, 황-탄소 복합체.
According to claim 1,
In the sulfur-carbon composite, sulfur and the porous carbon material are included in a weight ratio of 7.5:2.5 to 4:6, the sulfur-carbon composite.
제1항에 있어서,
상기 다공성 탄소재는 그래파이트, 그래핀, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 탄소 섬유 및 활성탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인, 황-탄소 복합체.
According to claim 1,
The porous carbon material is at least one selected from the group consisting of graphite, graphene, carbon black, carbon nanotubes, carbon fibers and activated carbon, sulfur-carbon composite.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 황-탄소 복합체를 포함하는, 양극.A positive electrode comprising the sulfur-carbon composite of any one of claims 1 to 7. (a) 1nm 내지 1㎛의 입경을 가지는 황과 다공성 탄소재를 혼합하는 단계;
(b) 상기 혼합된 황과 다공성 탄소재를 건조하는 단계; 및
(c) 상기 건조된 황과 다공성 탄소재의 혼합물에 마이크로웨이브를 인가하는 단계;를 포함하고,
상기 (c) 단계의 마이크로 웨이브의 인가는 500 내지 2000W의 출력으로 2초 내지 10초간의 횟수로 2회 내지 10회 인가하는, 제1항의 황-탄소 복합체의 제조방법.
(a) mixing sulfur and a porous carbon material having a particle diameter of 1 nm to 1 μm;
(b) drying the mixed sulfur and porous carbon material; and
(c) applying a microwave to a mixture of the dried sulfur and porous carbon material;
The method for producing the sulfur-carbon composite of claim 1, wherein the microwave application of step (c) is applied 2 to 10 times at a frequency of 2 to 10 seconds with an output of 500 to 2000W.
제9항에 있어서,
상기 다공성 탄소재는 그래파이트, 그래핀, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 탄소 섬유 및 활성탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인, 황-탄소 복합체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The porous carbon material is at least one selected from the group consisting of graphite, graphene, carbon black, carbon nanotubes, carbon fibers, and activated carbon, a method for producing a sulfur-carbon composite.
제9항에 있어서,
상기 (b) 단계의 건조는 60 내지 100℃ 오븐에서 12 내지 36시간 건조하는, 황-탄소 복합체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The drying of step (b) is drying in an oven at 60 to 100° C. for 12 to 36 hours, a method for producing a sulfur-carbon composite.
삭제delete 삭제delete 제9항에 있어서,
상기 황-탄소 복합체의 기공부피가 0.250 내지 0.400 cm3/g이고,
상기 황-탄소 복합체의 비표면적이 18.5 내지 30 m2/g 이고,
상기 황-탄소 복합체의 기공 크기는 55 내지 100nm 범위의 평균기공을 갖는, 황-탄소 복합체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The sulfur-carbon composite has a pore volume of 0.250 to 0.400 cm 3 /g,
The specific surface area of the sulfur-carbon composite is 18.5 to 30 m 2 /g,
The pore size of the sulfur-carbon composite has an average pore size in the range of 55 to 100 nm, the method for producing a sulfur-carbon composite.
제9항에 있어서,
상기 황-탄소 복합체는 황과 다공성 탄소재가 7.5:2.5 내지 4:6의 중량비로 포함되는, 황-탄소 복합체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
In the sulfur-carbon composite, sulfur and the porous carbon material are included in a weight ratio of 7.5:2.5 to 4:6, a method for producing a sulfur-carbon composite.
제8항의 양극; 음극; 및 전해질;을 포함하는 리튬 이차 전지.The positive electrode of claim 8; cathode; and an electrolyte; and a lithium secondary battery. 제16항에 있어서,
상기 양극 내의 양극 활물질은 황 화합물을 포함하는, 리튬 이차 전지.
17. The method of claim 16,
The positive electrode active material in the positive electrode includes a sulfur compound, a lithium secondary battery.
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