KR102363965B1 - Lithium-sulfur battery comprising sulfurized polymer modified throuth over-discharge and method for manufacturing the same - Google Patents

Lithium-sulfur battery comprising sulfurized polymer modified throuth over-discharge and method for manufacturing the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 과방전을 통해 변형된 황화 고분자를 포함하는 리튬-황 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 상기 고분자는 폴리아크릴로니트릴 또는 폴리염화비닐이다. 상기 과방전은 상기 리튬-황 전지의 초기 방전 시 0.2 내지 0.5V까지 방전하여 수행한다. 본 발명에 따른 리튬-황 전지는 일부 과전압이 개선되고 수명 특성이 향상되는 효과를 갖는다.The present invention relates to a lithium-sulfur battery including a sulfide polymer modified through overdischarge and a method for manufacturing the same. The polymer is polyacrylonitrile or polyvinyl chloride. The overdischarge is performed by discharging to 0.2 to 0.5V during initial discharging of the lithium-sulfur battery. The lithium-sulfur battery according to the present invention has an effect of improving some overvoltage and improving lifespan characteristics.

Description

과방전을 통해 변형된 황화 고분자를 포함하는 리튬-황 전지 및 이의 제조방법{LITHIUM-SULFUR BATTERY COMPRISING SULFURIZED POLYMER MODIFIED THROUTH OVER-DISCHARGE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Lithium-sulfur battery containing sulfide polymer modified through overdischarge and manufacturing method thereof

본 발명은 과방전을 통해 변형된 황화 고분자를 포함하는 리튬-황 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium-sulfur battery including a sulfide polymer modified through overdischarge and a method for manufacturing the same.

최근 전자제품, 전자기기, 통신기기 등의 소형 경량화가 급속히 진행되고 있으며, 환경 문제와 관련하여 전기 자동차의 필요성이 크게 대두됨에 따라 이들 제품의 동력원으로 사용되는 전지의 성능 개선에 대한 요구도 증가하는 실정이다. 그 중 리튬 전지는 고 에너지밀도 및 높은 표준전극 전위 때문에 고성능 전지로서 상당한 각광을 받고 있다.Recently, miniaturization and weight reduction of electronic products, electronic devices, communication devices, etc. is rapidly progressing, and as the need for electric vehicles is greatly raised in relation to environmental problems, the demand for performance improvement of batteries used as power sources for these products is also increasing. the current situation. Among them, a lithium battery has received considerable attention as a high-performance battery because of its high energy density and high standard electrode potential.

특히 리튬-황(Li-S) 전지는 S-S 결합(Sulfur - sulfur bond)을 갖는 황 계열 물질을 양극 활물질로 사용하고, 리튬 금속을 음극 활물질로 사용하는 전지다. 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 uses a sulfur-based material having an SS bond as a positive electrode active material and lithium metal as a negative electrode active material. Sulfur, the main material of the positive electrode 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 discharge 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.

리튬-황 전지의 상용화를 이루기 위해서 해결되어야 할 기술적 문제들 중 가장 큰 문제는 리튬-황 전지의 퇴화에 크게 기여하는 폴리설파이드의 용출 문제이다. 구체적으로, Li2S8, Li2S6, Li2S4, Li2S2 등의 리튬 폴리설파이드 중에서, 특히 황의 산화수가 높은 리튬 폴리설파이드(Li2Sx, 보통 x > 4)는 친수성의 전해액에 쉽게 녹는다. 전해액에 녹은 리튬 폴리설파이드는 농도 차에 의해서 리튬 폴리설파이드가 생성된 양극으로부터 먼 쪽으로 확산되어 간다. 이렇게 양극으로부터 용출된 리튬 폴리설파이드는 양극 반응 영역 밖으로 유실되어 리튬 설파이드(Li2S)로의 단계적 환원이 불가능하다. 즉, 양극과 음극을 벗어나 용해된 상태로 존재하는 리튬 폴리설파이드는 전지의 충·방전 반응에 참여할 수 없게 되므로, 양극에서 전기화학 반응에 참여하는 황 물질의 양이 감소하게 되고, 결국 리튬-황 전지의 충전 용량 감소 및 에너지 감소를 일으키는 주요한 요인이 된다.Among the technical problems to be solved in order to achieve commercialization of lithium-sulfur batteries, the biggest problem is the dissolution of polysulfide, which greatly contributes to the degradation of lithium-sulfur batteries. Specifically, among lithium polysulfides such as Li 2 S 8 , Li 2 S 6 , Li 2 S 4 , and Li 2 S 2 , lithium polysulfide with a high sulfur oxidation number (Li 2 S x , usually x > 4) is hydrophilic. It is easily soluble in the electrolyte of Lithium polysulfide dissolved in the electrolyte diffuses away from the anode where lithium polysulfide is generated due to the concentration difference. The lithium polysulfide eluted from the positive electrode is lost out of the positive electrode reaction region, so that the stepwise reduction to lithium sulfide (Li 2 S) is impossible. That is, lithium polysulfide existing in a dissolved state beyond the positive electrode and negative electrode cannot participate in the charge and discharge reaction of the battery, so the amount of sulfur material participating in the electrochemical reaction in the positive electrode decreases, and eventually lithium-sulfur It is a major factor causing a decrease in the charge capacity of the battery and a decrease in energy.

황과 폴리아크릴로니트릴의 혼합물을 열처리하여 얻어진 황화 폴리아크릴로니트릴(Surfurized polyacrylonitrile, S-PAN) 물질은 리튬-황 전지의 양극재로 적용될 경우, 리튬-황 전지의 양극에 일반적으로 적용되는 황/탄소 복합체와 대비하여 고체-액체-고체 형태의 충방전 과정으로 인한 폴리설파이드 생성이 이뤄지지 않아 향상된 수명 특성을 나타낸다. 이는 황 원자 또는 단쇄(short-chain) 황 화합물이 탄화 고분자 백본(Carbonized polymer backbone)에 고루 분산된 형태로 고유 결합되어 있어, 황화 폴리아크릴로니트릴 전극의 방전 과정 시 장쇄(long-chain) 폴리설파이드 생성이 억제되어 고체-고체의 형태로 충방전 과정이 진행되기 때문으로 판단된다.When a sulfurized polyacrylonitrile (S-PAN) material obtained by heat-treating a mixture of sulfur and polyacrylonitrile is applied as a cathode material for a lithium-sulfur battery, sulfur generally applied to the cathode of a lithium-sulfur battery / Compared to the carbon composite, polysulfide is not generated due to the solid-liquid-solid charging and discharging process, so it shows improved lifespan characteristics. This is because sulfur atoms or short-chain sulfur compounds are intrinsically bound in a dispersed form in the carbonized polymer backbone. It is judged that this is because the charge/discharge process proceeds in the form of solid-solid as the production is suppressed.

그러나, 황화 폴리아크릴로니트릴 물질의 황 함유량이 통상적으로 50% 이하이고, 잔존 수분량(~40,000ppm)이 너무 많고, 정격 전압(normal voltage)이 2V 이하이기 때문에, 이 물질을 적용하여 실용적으로 활용이 가능한 에너지 밀도를 가지는 전지를 구현하기에는 기술적으로 어려운 점이 존재한다.However, since the sulfur content of the sulfided polyacrylonitrile material is usually 50% or less, the residual moisture content (~40,000ppm) is too large, and the rated voltage is 2V or less, this material is applied and practically used There are technical difficulties in realizing a battery having this possible energy density.

이에, 해당기술분야에서는 황화 폴리아크릴로니트릴의 장점을 유지하면서, 황화 폴리아크릴로니트릴의 단점을 보완할 수 있는 개선된 양극재가 요구된다.Accordingly, there is a need in the art for an improved cathode material capable of compensating for the disadvantages of sulfided polyacrylonitrile while maintaining the advantages of sulfided polyacrylonitrile.

미국 등록 특허 제7,939,198호US Registered Patent No. 7,939,198 국제 공개 특허 제WO2000-067339호International Publication No. WO2000-067339 국제 공개 특허 제WO2001-058805호International Publication No. WO2001-058805

상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 황화 고분자를 고분자를 통해 변형시켜 양극재로 리튬-황 전지에 적용함으로써, 전지의 일부 과전압을 개선하고 수명특성을 개선할 수 있는 리튬-황 전지를 제공하고자 한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a lithium-sulfur battery capable of improving some overvoltage of the battery and improving lifespan characteristics by transforming a sulfide polymer through a polymer and applying it to a lithium-sulfur battery as a cathode material want to

본 발명의 제1 측면에 따르면,According to a first aspect of the present invention,

본 발명은 과방전을 통해 변형된 황화 고분자를 양극재로 포함하고,The present invention includes a sulfided polymer modified through overdischarge as a cathode material,

상기 고분자는 폴리아크릴로니트릴(polyacrlonitrile) 또는 폴리염화비닐(polyvinyl chloride)인 리튬-황 전지를 제공한다.The polymer provides a lithium-sulfur battery of polyacrlonitrile or polyvinyl chloride.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 황화 고분자는 황화 시 탄소계 물질을 첨가하여 제조된 탄소 복합체이다.In one embodiment of the present invention, the sulfided polymer is a carbon composite prepared by adding a carbon-based material during sulfiding.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 탄소계 물질은 황화 전 고분자 대비 1 내지 10 중량%가 첨가된다.In one embodiment of the present invention, the carbon-based material is added in an amount of 1 to 10% by weight relative to the polymer before sulfiding.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 과방전은 상기 리튬-황 전지의 초기 방전 시 0.2 내지 0.5V까지 방전하여 수행된다.In one embodiment of the present invention, the overdischarge is performed by discharging to 0.2 to 0.5V during the initial discharge of the lithium-sulfur battery.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 과방전은 에테르계 전해액 또는 카보네이트계 전해액의 존재 하에 수행된다.In one embodiment of the present invention, the overdischarge is performed in the presence of an ether-based electrolyte solution or a carbonate-based electrolyte solution.

본 발명의 제2 측면에 따르면,According to a second aspect of the present invention,

상술한 리튬-황 전지의 제조 방법으로서,As a method for manufacturing the above-described lithium-sulfur battery,

상기 제조 방법은, (1) 고분자와 황을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; (2) 상기 혼합물을 비활성 기체 하에 가열하는 단계; (3) 가열된 혼합물을 바인더와 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; (4) 상기 슬러리를 양극 집전체 상에 도포 및 건조하여 양극을 제조하는 단계; (5) 제조된 양극에 음극, 분리막 및 전해액의 구성을 배치하여 전지를 제조하는 단계; 및 (6) 상기 전지를 과방전하는 단계를 포함하고, 상기 (1) 단계에서 고분자는 폴리아크릴로니트릴 또는 황화된 폴리염화비닐인 리튬-황 전지의 제조방법을 제공한다.The manufacturing method, (1) mixing a polymer and sulfur to prepare a mixture; (2) heating the mixture under an inert gas; (3) mixing the heated mixture with a binder to prepare a slurry; (4) preparing a positive electrode by applying and drying the slurry on a positive electrode current collector; (5) preparing a battery by disposing a negative electrode, a separator, and an electrolyte solution on the prepared positive electrode; and (6) overdischarging the battery, wherein the polymer in step (1) is polyacrylonitrile or sulfided polyvinyl chloride.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 (2) 단계에서 가열은 300 내지 500℃로 수행된다.In one embodiment of the present invention, the heating in step (2) is performed at 300 to 500 ℃.

본 발명에 따른 과방전을 통해 변형된 황화 고분자를 리튬-황 전지에 적용함으로써, 리튬-황 전지에서 발생하는 일부 과전압을 개선하고, 리튬-황 전지의 수명을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.By applying the sulfide polymer modified through overdischarge according to the present invention to a lithium-sulfur battery, there is an advantage in that it is possible to improve some overvoltages occurring in a lithium-sulfur battery and improve the lifespan of a lithium-sulfur battery.

도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 과방전에 대한 충·방전시 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 1에 따른 전지의 충·방전시 비용량 및 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 비교예 1에 따른 전지의 충·방전시 비용량 및 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 비교예 2에 따른 전지의 충·방전시 비용량 및 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 2에 따른 전지의 충·방전시 비용량 및 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.
1 is a graph showing a charging/discharging profile for overdischarging according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the measurement of specific capacity and voltage during charging and discharging of the battery according to Example 1. FIG.
3 is a graph showing the measurement of specific capacity and voltage during charging and discharging of a battery according to Comparative Example 1.
4 is a graph showing the measurement of specific capacity and voltage during charging and discharging of a battery according to Comparative Example 2.
5 is a graph showing the measurement of specific capacity and voltage during charging and discharging of a battery according to Example 2;

본 발명에 따라 제공되는 구체예는 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아님을 이해해야 한다.The embodiments provided according to the present invention can all be achieved by the following description. It is to be understood that the following description is to be understood as describing preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not necessarily limited thereto.

본 발명은 과방전을 통해 변형된 황화 고분자를 양극재의 구성성분으로 포함하는 리튬-황 전지를 제공한다. 여기서 황화 고분자(Surfurized polymer)는 황과 고분자를 혼합한 후, 이를 열처리하여 생성되며, 분자 내에 S-S 결합이 형성된 화합물을 의미한다. 황과 혼합되는 고분자는 양극의 소재로 사용되기 적합하며, 이후의 과방전을 통해 변형되어 전지의 성능을 향상시킬 수 있다면, 그 종류는 특별히 한정되지 않는다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 고분자는 폴리아크릴로니트릴(polyacrlonitrile) 또는 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 보다 바람직하게는 폴리염화비닐일 수 있다. 폴리아크릴로니트릴는 황화(Surfurization)하면 30 내지 50%의 황 함량 및 40,000ppm 이하의 수분 함량을 가진다. 이렇게 황화된 폴리아크릴로니트릴을 양극재로 사용하는 경우, 폴리설파이드가 생성되지 않는 반응 조건으로 인해 수명 특성이 향상되고, 향상된 방전 반응 속도로 인해 안정적인 C-rate 특성을 나타낸다. 그러나, 황의 함량이 50% 이하이고, 잔존 수분량이 40,000ppm 이하로 너무 많고, 정격 전압이 2V 이하인 단점이 존재하여, 전지에 실용적으로 적용하기 어렵다. 또한, 폴리염화비닐은 황화하면 60% 이상의 황 함량 및 300ppm 이하의 수분 함량을 가진다. 이렇게 황화된 폴리염화비닐을 양극재로 사용하는 경우, 황화된 폴리아크릴로니트릴과 같이 고체-고체의 충방전 과정을 나타내지만 더 큰 충방전 과전압으로 인해 낮은 전지 성능을 가진다는 단점이 존재하여, 전지에 실용적으로 적용하기 어렵다. 따라서, 상기 황화된 폴리아크릴로니트릴 또는 황화된 폴리염화비닐을 양극재로 적용하기 위해서는, 상기 소재를 개선할 필요성이 있다.The present invention provides a lithium-sulfur battery comprising a sulfide polymer modified through overdischarge as a component of a cathode material. Here, the sulfurized polymer refers to a compound in which sulfur and a polymer are mixed and then heat-treated, and an S-S bond is formed in the molecule. The polymer mixed with sulfur is suitable for use as a material for the positive electrode, and if it is deformed through subsequent overdischarge to improve battery performance, the type is not particularly limited. According to one embodiment of the present invention, the polymer may be polyacrlonitrile or polyvinyl chloride, more preferably polyvinyl chloride. When polyacrylonitrile is sulfurized, it has a sulfur content of 30 to 50% and a moisture content of 40,000 ppm or less. When the sulfurized polyacrylonitrile is used as a cathode material, lifespan characteristics are improved due to the reaction conditions in which polysulfide is not generated, and stable C-rate characteristics are exhibited due to the improved discharge reaction rate. However, the sulfur content is 50% or less, the residual moisture content is too large, 40,000ppm or less, and the rated voltage is 2V or less. In addition, polyvinyl chloride has a sulfur content of 60% or more and a moisture content of 300 ppm or less when sulfided. When this sulfurized polyvinyl chloride is used as a cathode material, it exhibits a solid-solid charge and discharge process like sulfurized polyacrylonitrile, but has a disadvantage in that it has low battery performance due to a larger charge and discharge overvoltage. It is difficult to apply practically to a battery. Therefore, in order to apply the sulfurized polyacrylonitrile or sulfurized polyvinyl chloride as a cathode material, there is a need to improve the material.

상술한 황화 고분자 소재를 개선하기 위해 과방전 방법이 사용된다. 상기 과방전 방법은 상술한 황화 고분자를 양극재로 적용하여 전지를 제조한 후, 초기 방전 시 전지의 방전 용량 이상의 전압까지 방전하여 수행된다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 과방전은 상기 리튬-황 전지의 초기 방전 시 0.2 내지 0.5V, 바람직하게는 0.2 내지 0.4V, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 0.3V까지 방전하여 수행된다. 도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 전지의 과방전에 대한 충방전 프로파일이다. 도 1에서와 같이 첫번째 방전 시 1.0V 미만으로 과방전하는 경우 첫번째 충방전 용량이 증가하여 두번째 방전부터 충방전 용량이 향상된다. 상기 과방전을 0.2V 미만의 전압까지 수행하는 경우, 소재의 특성에 따라 전지의 가역성을 확보하기 어렵고, 상기 과방전을 0.5V 초과의 전압까지 수행하는 경우, 과방전에 따른 전지의 성능 개선의 효과가 미미하다. 1회를 초과하여 과방전을 수행하는 경우에도 전지의 성능 개선 효과는 큰 차이가 없었으며, 따라서 과방전은 1회 수행하는 것이 효율적인 측면에서 바람직할 수 있다.An overdischarge method is used to improve the above-described sulfurized polymer material. The overdischarge method is performed by manufacturing a battery by applying the above-described sulfurized polymer as a cathode material, and then discharging to a voltage greater than or equal to the discharge capacity of the battery during initial discharge. According to one embodiment of the present invention, the overdischarge is performed by discharging to 0.2 to 0.5V, preferably 0.2 to 0.4V, more preferably 0.2 to 0.3V during initial discharge of the lithium-sulfur battery. 1 is a charge-discharge profile for over-discharge of a battery according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1 , in the case of overdischarging to less than 1.0V during the first discharge, the first charge/discharge capacity increases and the charge/discharge capacity is improved from the second discharge. When the overdischarge is performed to a voltage of less than 0.2V, it is difficult to secure the reversibility of the battery depending on the characteristics of the material. is insignificant Even when the overdischarge is performed more than once, there is no significant difference in the effect of improving the performance of the battery, and therefore it may be preferable in terms of efficiency to perform the overdischarge once.

상기 황화 고분자에 추가적인 도전성을 부여하기 위하여, 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. 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. 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. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 도전재는 탄소계 물질이고, 구체적으로는 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 써말 블랙, 컨택트 블랙, 램프 블랙 및 아세틸렌 블랙으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 카본 블랙이며, 보다 구체적으로는 아세틸렌 블랙이 바람직할 수 있다. 상기 탄소계 물질은 황화 전 고분자 대비하여 1 내지 10 중량%, 바람직하게는 4 내지 7 중량%를 첨가하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 탄소계 물질을 1 중량% 미만으로 첨가하는 경우, 양극재에 도전성이 충분하지 못할 수 있고, 상기 탄소계 물질을 10 중량% 초과로 첨가하는 경우, 도전재 추가에 따른 도전성 향상 효과가 미미하게 증가하여 바람직하지 못하다.In order to impart additional conductivity to the sulfided polymer, a conductive material may be added. 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 changes in the battery, but is preferably carbon-based. use material. 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. 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. According to one embodiment of the present invention, the conductive material is a carbon-based material, specifically, at least one carbon black selected from the group consisting of channel black, furnace black, thermal black, contact black, lamp black, and acetylene black, more specifically As such, acetylene black may be preferable. The carbon-based material may be added in an amount of 1 to 10 wt%, preferably 4 to 7 wt%, based on the polymer before sulfiding. When the carbon-based material is added in an amount of less than 1% by weight, conductivity may not be sufficient to the cathode material, and when the carbon-based material is added in an amount of more than 10% by weight, the effect of improving conductivity due to the addition of the conductive material is insignificant. increase is undesirable.

과방전 시 전해액은 리튬-황 전지에 일반적으로 포함되는 전해액이면 특별히 한정되지는 않는다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 과방전 시 전해액은 에테르계 전해액 또는 카보네이트계 전해액이 바람직할 수 있다. 상기 에테르계 전해액은 1,3-디옥솔란(1,3-dioxolane, DOL), 디메톡시 에탄(dimethoxy methane, DME) 또는 이의 조합일 수 있다. 상기 카보네이트계 전해액은 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate, EC), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC) 또는 이의 조합일 수 있다.The electrolyte during overdischarge is not particularly limited as long as it is an electrolyte generally included in a lithium-sulfur battery. According to one embodiment of the present invention, the electrolyte during overdischarge may be preferably an ether-based electrolyte or a carbonate-based electrolyte. The ether-based electrolyte may be 1,3-dioxolane (DOL), dimethoxy methane (DME), or a combination thereof. The carbonate-based electrolyte may be ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), or a combination thereof.

본 발명에 따라, 과방전을 통해 변형된 황화 고분자를 포함하는 리튬-황 전지의 제조방법은 다음과 같다.According to the present invention, a method for manufacturing a lithium-sulfur battery including a sulfide polymer modified through overdischarge is as follows.

상기 제조방법은 고분자와 황을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 비활성 기체 하에 가열하는 단계; 가열된 혼합물을 바인더와 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 양극 집전체 상에 도포 및 건조하여 양극을 제조하는 단계; 제조된 양극에 음극, 분리막 및 전해액의 구성을 배치하여 전지를 제조하는 단계; 및 상기 전지를 과방전하는 단계를 포함한다. 슬러리 제조 단계에서 도전재인 탄소계 물질이 추가적으로 혼합될 수 있다. 각 단계의 구체적인 내용은 본 명세서에 개시된 내용에 따라 결정되며, 혼합물의 가열은 300 내지 500℃로 수행될 수 있다. 상기 범위 내의 온도에서 가장 적절한 양의 황이 고분자 내에 결합될 수 있다. 또한, 상기 비활성 기체는 특별히 한정되지는 않지만, 아르곤 기체가 바람직할 수 있다.The manufacturing method comprises the steps of preparing a mixture by mixing a polymer and sulfur; heating the mixture under an inert gas; mixing the heated mixture with a binder to prepare a slurry; preparing a positive electrode by applying and drying the slurry on a positive electrode current collector; manufacturing a battery by arranging a negative electrode, a separator, and an electrolyte solution on the prepared positive electrode; and overdischarging the battery. In the slurry preparation step, a carbon-based material as a conductive material may be additionally mixed. The specific content of each step is determined according to the contents disclosed herein, and the heating of the mixture may be performed at 300 to 500°C. At a temperature within the above range, the most appropriate amount of sulfur may be bound into the polymer. In addition, the inert gas is not particularly limited, but argon gas may be preferable.

이하에서는 상술한 내용에 따른 양극재를 포함한 리튬-황 전지의 전체 구성에 대해서 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the overall configuration of the lithium-sulfur battery including the positive electrode material according to the above-described content will be described in detail.

상기 리튬-황 전지는 양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 상기 양극, 음극 및 분리막에 접하여 함침되고, 리튬염과 유기용매를 포함하는 전해질을 포함할 수 있다. 본 발명의 리튬-황 전지에 있어서, 상술한 양극재를 제외한 양극, 음극, 분리막 및 전해질의 구체적인 구성의 다음과 같다.The lithium-sulfur battery includes a positive electrode; cathode; a separator interposed between the anode and the cathode; and an electrolyte impregnated in contact with the positive electrode, the negative electrode and the separator, and including a lithium salt and an organic solvent. In the lithium-sulfur battery of the present invention, the specific configuration of the positive electrode, the negative electrode, the separator, and the electrolyte except for the above-described positive electrode material is as follows.

상기 양극은 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극재를 양극 집전체에 제막하여 양극의 형태로 제조할 수 있다. 먼저, 양극재에서 양극 활물질 및 도전재는 상술한 소재가 사용된다.The positive electrode may be manufactured in the form of a positive electrode by forming a film of a positive electrode material including a positive electrode active material, a conductive material, and a binder on a positive electrode current collector. First, in the positive electrode material, the above-described material is used for the positive electrode active material and the conductive material.

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. 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. 상기 바인더 수지의 함량은 상기 리튬-황 전지용 양극 총중량을 기준으로 0.5 내지 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.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 dissolved 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. 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. 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-sulfur 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 deteriorated, 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-황 전지용 양극 조성물을 슬러리 상태로 제조하기 위한 용매는 건조가 용이해야 하며, 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. 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 for preparing the cathode composition for a lithium-sulfur battery in a slurry state should be easy to dry and capable of dissolving 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. there is. 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. 상기 양극 조성물을 집전체에 도포하고, 진공 건조하여 리튬-황 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. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 양극 조성물의 코팅에 의해 상기 양극은 4 내지 6 mAh/cm2의 로딩량을 가질 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, or a homo mixer. The positive electrode composition may be applied to a current collector and vacuum dried to form a positive electrode for a lithium-sulfur 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 may be appropriately selected within the range of preferably 10 to 300 μm. According to one embodiment of the present invention, the positive electrode may have a loading amount of 4 to 6 mAh/cm 2 by coating the positive electrode composition.

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 for 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, etc. may be performed.

상기 양극 집전체로는 일반적으로 3 내지 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 foamed body, or a non-woven body.

상기 음극은 음극 활물질로서 리튬 이온(Li+)을 가역적으로 흡장(Intercalation) 또는 방출(Deintercalation)할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 사용할 수 있다. 상기 리튬 이온(Li+)을 가역적으로 흡장 또는 방출할 수 있는 물질은 예컨대 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 리튬 이온(Li+)과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질은 예를 들어, 산화주석, 티타늄나이트레이트 또는 실리콘일 수 있다. 상기 리튬 합금은 예를 들어, 리튬(Li)과 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 및 주석(Sn)으로 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, a material capable of reversibly forming a lithium-containing compound by reacting with lithium ions, lithium metal or lithium alloys may be used. The material capable of reversibly occluding or releasing lithium ions (Li + ) 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 (Li + ) may be, for example, tin oxide, titanium nitrate, or silicon. The lithium alloy is, for example, lithium (Li) and sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), francium (Fr), beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium ( Ca), strontium (Sr), barium (Ba), radium (Ra), aluminum (Al), silicon (Si), and may be an alloy of a metal selected from the group consisting of tin (Sn).

상기 음극에서도 필요에 따라 도전재 및 바인더가 사용될 수 있다. 상기 도전재 및 바인더는 상술한 양극의 도전재 및 바인더를 기초로 하여 해당 기술 분야에서 적용 가능한 범위에서 제한 없이 선택될 수 있다.In the negative electrode, a conductive material and a binder may be used as needed. The conductive material and the binder may be selected without limitation within the applicable range in the relevant technical field based on the above-described conductive material and binder of the positive electrode.

리튬-황 전지를 충ㆍ방전하는 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 더이상 참여할 수 없는 상태의 황을 의미하며, 리튬 음극 표면에 형성된 비활성 황은 리튬 음극의 보호막(Protective layer)으로서 역할을 하는 장점도 있다.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 means 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, and the inactive sulfur formed on the surface of the lithium negative electrode is a protective layer of the lithium negative electrode. ) also has the advantage of acting as a

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 a 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 내지 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 내지 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, an olefin-based polymer such as chemical-resistant and hydrophobic polypropylene, a sheet made of glass fiber or polyethylene, or a non-woven fabric, kraft paper, or the like 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 gel-forming compound (Gelling agent) may be further included in order 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, LiFSI, 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 , LiFSI, lithium chloroborane, lithium lower aliphatic carboxylate, lithium tetraphenyl borate, lithium imide, and combinations thereof One or more may be included from the group consisting of.

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 내지 2M, 구체적으로 0.6 내지 2M, 더욱 구체적으로 0.7 내지 1.7M일 수 있다. 0.2M 미만으로 사용하면 전해질의 전도도가 낮아져서 전해질 성능이 저하될 수 있고, 2M을 초과하여 사용하면 전해질의 점도가 증가하여 리튬 이온(Li+)의 이동성이 감소될 수 있다.The concentration of the lithium salt may vary from 0.2 to 2 M, specifically, 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. As 0.6 to 2M, more specifically, it may be 0.7 to 1.7M. If it is used less than 0.2M, the conductivity of the electrolyte may be lowered, and thus the electrolyte performance may be deteriorated. If used in excess of 2M, 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, phosphoric acid triester, trime Aprotic, such as oxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ether, methyl pyropionate, 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. Polymers containing groups 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 Nitride, halide, sulfate, 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 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are presented to help the understanding of the present invention, but the following examples are provided for easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

실시예Example

실시예Example 1 One

1. 양극의 제조1. Preparation of anode

폴리염화비닐 분말(제조사: Sigma Aldrich, 분자량(Mw): 43,000)과 황을 모르타르 혼합(mortar mixing)하였다. 혼합물을 알루미나 보트(alumina boat)에 옮긴 후, 튜브 노(tube furnace)를 사용하여 아르곤 분위기 하에 쿼츠 튜브(quartz tube) 안에서 약 300℃로 가열하였다. 가열된 생성물을 덴카 블랙(Denka black), 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 용액 및 카르복시메틸 셀룰로오즈(CMC) 용액과 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 슬러리를 알루미늄 집전체에 코팅하여 양극을 제조하였다.Polyvinyl chloride powder (manufacturer: Sigma Aldrich, molecular weight (M w ): 43,000) and sulfur were mortar mixed. The mixture was transferred to an alumina boat, and then heated to about 300° C. in a quartz tube under an argon atmosphere using a tube furnace. The heated product was mixed with Denka black, styrene-butadiene rubber (SBR) solution and carboxymethyl cellulose (CMC) solution to prepare a slurry. A positive electrode was prepared by coating the slurry on an aluminum current collector.

2. 리튬-황 전지의 제조2. Preparation of lithium-sulfur batteries

상술한 방법에 의해 제조된 양극과 함께, 하기와 같이 음극, 분리막 및 전해액을 제조하여 리튬-황 전지를 조립하였다.A lithium-sulfur battery was assembled by preparing a negative electrode, a separator, and an electrolyte as follows, together with the positive electrode prepared by the above-described method.

(1) 음극(1) cathode

음극으로서 약 35㎛ 두께를 갖는 리튬 호일을 사용하였다.A lithium foil having a thickness of about 35 μm was used as the negative electrode.

(2) 분리막(2) separator

분리막으로서 폴리에틸렌 막을 사용하였다A polyethylene membrane was used as the separator

(3) 전해액(3) electrolyte

전해액으로 에틸렌 카보네이트와 디메틸 카보네이트의 혼합용매(1:1, v/v)에 0.4M의 LiFSI와 4 중량%의 LiNO3를 첨가한 전해액을 사용하였다.As the electrolyte, an electrolyte in which 0.4M LiFSI and 4% by weight of LiNO 3 were added to a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate (1:1, v/v) was used.

3. 과방전3. Over discharge

상술한 방법으로 제조된 리튬-황 전지를 0.2V까지 1회 방전하였다.The lithium-sulfur battery prepared by the above method was discharged once to 0.2V.

비교예comparative example 1 One

덴카 블랙을 사용하지 않고, 양극을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지를 조립하였다. 이 후, 과방전 과정은 수행되지 않았다.A lithium-sulfur battery was assembled in the same manner as in Example 1, except that Denka Black was not used and a positive electrode was manufactured. After this, the overdischarge process was not performed.

비교예comparative example 2 2

실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지를 조립하였고, 과방전 과정은 수행되지 않았다.A lithium-sulfur battery was assembled in the same manner as in Example 1, and the overdischarge process was not performed.

실시예Example 2 2

폴리염화비닐 분말 대신에 폴리아크릴로니트릴 분말(제조사: Sigma Aldrich, 분자량(Mw): 150,000)을 사용하여 양극을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지를 조립하였다. 이 후, 실시예 1과 동일한 방법으로 과방전이 수행되었다.A lithium-sulfur battery was assembled in the same manner as in Example 1, except that a positive electrode was prepared using polyacrylonitrile powder (manufacturer: Sigma Aldrich, molecular weight (M w ): 150,000) instead of polyvinyl chloride powder. . After that, overdischarge was performed in the same manner as in Example 1.

실험예Experimental example

실험예Experimental example 1: One: 실시예Example 1에 따른 전지의 평가 Evaluation of the battery according to 1

실시예 1에 따른 전지를 0.1C 방전/0.1C 충전 조건으로 2회 충·방전을 수행하였다. 충·방전시 비용량 및 전압을 측정하여, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 동일한 전지에 대하여 3번 반복적으로 실험이 수행되었으며, 도 2에서는 각각의 실험마다 그 색깔을 달리 표시하였다.The battery according to Example 1 was charged and discharged twice under 0.1C discharge/0.1C charging conditions. Specific capacity and voltage were measured during charging and discharging, and the results are shown in FIG. 2 . The experiment was repeated 3 times on the same battery, and in FIG. 2 , the color was displayed differently for each experiment.

도 2에 따르면, 도 1에서 표시된 바와 같이 과방전 후 두번째 방전시 방전 전압이 개선되는 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.According to FIG. 2 , as shown in FIG. 1 , it can be confirmed that the discharge voltage is improved during the second discharge after the overdischarge.

실험예Experimental example 2: 2: 비교예comparative example 1에 따른 전지의 평가 Evaluation of the battery according to 1

비교예 1에 따른 전지를 하기의 조건으로 충·방전을 수행하였다. 충·방전시 비용량 및 전압을 측정하여, 그 결과를 도 3에 나타내었다.The battery according to Comparative Example 1 was charged and discharged under the following conditions. Specific capacity and voltage were measured during charging and discharging, and the results are shown in FIG. 3 .

충·방전 조건: 0.1C 방전/0.1C 충전(2.5 사이클) ⇒ 0.1C 충전/0.5C, 1C, 2C, 5C, 10C 방전(각 방전 조건은 3회씩 수행) ⇒ 0.1C 충전/0.1C 방전(리커버리) ⇒ 0.2C 충전/0.5C 방전(나머지 사이클)Charge/discharge conditions: 0.1C discharge/0.1C charge (2.5 cycles) ⇒ 0.1C charge/0.5C, 1C, 2C, 5C, 10C discharge (each discharge condition is performed 3 times) ⇒ 0.1C charge/0.1C discharge ( recovery) ⇒ 0.2C charge/0.5C discharge (remaining cycle)

도 3에 따르면, 덴카 블랙이 사용되지 않고, 과방전 과정이 수행되지 않은 경우에 실시예 1의 전지와 대비하여 방전 전압 및 사이클 성능이 현저하게 저하되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3 , it can be seen that when Denka Black is not used and an overdischarge process is not performed, the discharge voltage and cycle performance are significantly lowered compared to the battery of Example 1 .

실험예Experimental example 3: 3: 비교예comparative example 2에 따른 전지의 평가 Evaluation of the battery according to 2

비교예 2에 따른 전지를 실험예 2와 동일한 조건으로 충·방전을 수행하였다. 충·방전시 비용량 및 전압을 측정하여, 그 결과를 도 4에 나타내었다.The battery according to Comparative Example 2 was charged and discharged under the same conditions as in Experimental Example 2. Specific capacity and voltage were measured during charging and discharging, and the results are shown in FIG. 4 .

도 4에 따르면, 비교예 1의 전지와 달리 덴카 블랙이 사용되는 경우에 비교예 1의 전지와 대비하여 방전 전압 및 사이클 성능이 일부 개선되는 것을 확인할 수 있으나, 실시예 1의 전지의 방전 전압에는 훨씬 못 미치는 결과 값을 나타내었다.According to FIG. 4 , when Denka Black is used, unlike the battery of Comparative Example 1, it can be confirmed that the discharge voltage and cycle performance are partially improved compared to the battery of Comparative Example 1, but the discharge voltage of the battery of Example 1 is The result was much lower than the result.

실험예Experimental example 4: 4: 실시예Example 2에 따른 전지의 평가 Evaluation of the battery according to 2

실시예 2에 따른 전지를 실험예 1과 동일한 조건으로 충·방전을 수행하였다. 충·방전시 비용량 및 전압을 측정하여, 그 결과를 도 5에 나타내었다.The battery according to Example 2 was charged and discharged under the same conditions as in Experimental Example 1. Specific capacity and voltage were measured during charging and discharging, and the results are shown in FIG. 5 .

도 5에 따르면, 황화된 폴리아크릴로니트릴을 양극재로 사용하는 경우에도 과방전에 의해 두번째 방전시 방전 전압이 개선되는 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 과방전 단계를 5회 수행하여도 1회 수행한 것과 전압 개선 효과에서는 차이가 없다는 점을 확인할 수 있다.According to FIG. 5 , it can be confirmed that the effect of improving the discharge voltage during the second discharge due to overdischarge occurs even when the sulfided polyacrylonitrile is used as the cathode material. However, it can be seen that there is no difference in the voltage improvement effect from that performed once even when the overdischarge step is performed 5 times.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것이며, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications and variations of the present invention fall within the scope of the present invention, and the specific scope of protection of the present invention will become apparent from the appended claims.

Claims (10)

과방전을 통해 변형된 황화 고분자를 양극재로 포함하고,
상기 과방전은 리튬-황 전지의 초기 방전 시 0.2 내지 0.5V까지 방전하여 수행되고,
상기 고분자는 폴리아크릴로니트릴(polyacrlonitrile) 또는 폴리염화비닐(polyvinyl chloride)인 리튬-황 전지.
It contains a sulfided polymer modified through overdischarge as a cathode material,
The overdischarge is performed by discharging to 0.2 to 0.5V during initial discharging of the lithium-sulfur battery,
The polymer is polyacrlonitrile (polyacrlonitrile) or polyvinyl chloride (polyvinyl chloride) lithium-sulfur battery.
청구항 1에 있어서,
상기 황화 고분자는 황화 시 탄소계 물질을 첨가하여 제조된 탄소 복합체인 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지.
The method according to claim 1,
The sulfided polymer is a lithium-sulfur battery, characterized in that the carbon composite prepared by adding a carbon-based material during sulfiding.
청구항 2에 있어서,
상기 탄소계 물질은 황화 전 고분자 대비 1 내지 10 중량%가 첨가되는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지.
3. The method according to claim 2,
The carbon-based material is a lithium-sulfur battery, characterized in that 1 to 10% by weight is added compared to the polymer before sulfiding.
청구항 2에 있어서,
상기 황화 고분자는 황화된 폴리염화비닐(polyvinyl chloride)인 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지.
3. The method according to claim 2,
The sulfided polymer is a lithium-sulfur battery, characterized in that sulfided polyvinyl chloride (polyvinyl chloride).
청구항 2에 있어서,
상기 탄소계 물질은 채널 블랙(Channel black), 퍼니스 블랙(Furnace black), 써말 블랙(Thermal black), 컨택트 블랙(Contact black), 램프 블랙(Lamp black) 및 아세틸렌 블랙(Acetylene black)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 카본 블랙(Carbon black)인 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지.
3. The method according to claim 2,
The carbon-based material is from the group consisting of channel black, furnace black, thermal black, contact black, lamp black and acetylene black. Lithium-sulfur battery, characterized in that at least one selected carbon black (Carbon black).
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 과방전은 에테르계 전해액 또는 카보네이트계 전해액의 존재 하에 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지.
The method according to claim 1,
The overdischarge is a lithium-sulfur battery, characterized in that it is performed in the presence of an ether-based electrolyte or a carbonate-based electrolyte.
청구항 1에 따른 리튬-황 전지의 제조 방법으로서,
상기 제조 방법은,
(1) 고분자와 황을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
(2) 상기 혼합물을 비활성 기체 하에 가열하는 단계;
(3) 가열된 혼합물을 바인더와 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
(4) 상기 슬러리를 양극 집전체 상에 도포 및 건조하여 양극을 제조하는 단계;
(5) 제조된 양극에 음극, 분리막 및 전해액의 구성을 배치하여 전지를 제조하는 단계; 및
(6) 상기 전지를 과방전하는 단계를 포함하고,
상기 (1) 단계에서 고분자는 폴리아크릴로니트릴 또는 폴리염화비닐이고,
상기 (6) 단계의 과방전은 상기 리튬-황 전지의 초기 방전 시 0.2 내지 0.5V까지 방전하여 수행되는 것인 리튬-황 전지의 제조방법.
A method for manufacturing a lithium-sulfur battery according to claim 1, comprising:
The manufacturing method is
(1) mixing a polymer and sulfur to prepare a mixture;
(2) heating the mixture under an inert gas;
(3) mixing the heated mixture with a binder to prepare a slurry;
(4) preparing a positive electrode by applying and drying the slurry on a positive electrode current collector;
(5) preparing a battery by disposing a negative electrode, a separator, and an electrolyte solution on the prepared positive electrode; and
(6) over-discharging the battery;
In step (1), the polymer is polyacrylonitrile or polyvinyl chloride,
The method of manufacturing a lithium-sulfur battery in which the overdischarge in step (6) is performed by discharging to 0.2 to 0.5V during the initial discharge of the lithium-sulfur battery.
청구항 8에 있어서,
상기 (3) 단계에서 탄소계 물질을 더 혼합하여 슬러리를 제조하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지의 제조방법.
9. The method of claim 8,
A method of manufacturing a lithium-sulfur battery, characterized in that the slurry is prepared by further mixing the carbon-based material in step (3).
청구항 8에 있어서,
상기 (2) 단계에서 가열은 300 내지 500℃로 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The method of manufacturing a lithium-sulfur battery, characterized in that the heating in step (2) is performed at 300 to 500 ℃.
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