KR102448073B1 - Porous polymer membrane coated oxide semiconductor, lithium-sulfur battery including the same as a negative electrode and method for preparing lithium-sulfur battery - Google Patents

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Abstract

다공성 고분자 막의 표면에 산화물 반도체를 코팅시켜 리튬-황 전지의 리튬 음극 성능을 향상시킬 수 있는, 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막, 이를 음극으로 포함하는 리튬-황 전지 및 그 제조방법이 개시된다. 상기 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막은, 리튬-황 전지의 음극 구조체로 적용되어 리튬 금속에 접합되는 것으로서, 기공이 형성되어 있는 고분자 막; 및 상기 고분자 막의 표면에 형성된 산화물 반도체 층;을 포함한다.Disclosed are a porous polymer membrane coated with an oxide semiconductor capable of improving the lithium anode performance of a lithium-sulfur battery by coating an oxide semiconductor on the surface of the porous polymer membrane, a lithium-sulfur battery including the same as an anode, and a manufacturing method thereof. The oxide semiconductor-coated porous polymer film is applied as an anode structure of a lithium-sulfur battery and bonded to lithium metal, the polymer film having pores; and an oxide semiconductor layer formed on the surface of the polymer film.

Description

산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막, 이를 음극으로 포함하는 리튬-황 전지 및 그 제조방법{Porous polymer membrane coated oxide semiconductor, lithium-sulfur battery including the same as a negative electrode and method for preparing lithium-sulfur battery}A porous polymer film coated with an oxide semiconductor, a lithium-sulfur battery including the same as a negative electrode, and a method for manufacturing the same

본 발명은 리튬-황 전지의 음극 구조체로 적용되는 다공성 고분자 막에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 다공성 고분자 막의 표면에 산화물 반도체를 코팅시켜 리튬-황 전지의 리튬 음극 성능을 향상시킬 수 있는, 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막, 이를 음극으로 포함하는 리튬-황 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a porous polymer membrane applied as a negative electrode structure of a lithium-sulfur battery, and more particularly, an oxide capable of improving the lithium negative electrode performance of a lithium-sulfur battery by coating an oxide semiconductor on the surface of the porous polymer membrane It relates to a porous polymer film coated with a semiconductor, a lithium-sulfur battery including the same as an anode, and a method for manufacturing the same.

에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아짐에 따라, 휴대폰, 태블릿(tablet), 랩탑(laptop) 및 캠코더, 나아가서는 전기 자동차(EV) 및 하이브리드 전기 자동차(HEV)의 에너지까지 적용분야가 확대되면서, 전기화학소자에 대한 연구 및 개발이 점차 증대되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받고 있는 분야이고, 그 중에서도 충/방전이 가능한 리튬-황 전지 등의 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비 에너지를 향상시키기 위하여, 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 이어지고 있다.As interest in energy storage technology increases, the field of application expands to energy of mobile phones, tablets, laptops and camcorders, and even electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs). Research and development of chemical devices is gradually increasing. Electrochemical devices are the field receiving the most attention in this aspect, and among them, the development of secondary batteries such as lithium-sulfur batteries capable of charging/discharging is the focus of interest, and in recent years, capacity density in developing such batteries And in order to improve specific energy, it leads to research and development for design of new electrodes and batteries.

이와 같은 전기화학소자, 그 중 리튬-황 전지는 높은 에너지 밀도를 가져, 리튬이온전지를 대체할 수 있는 차세대 이차전지로 각광받고 있으며, 이에 따라, 리튬 음극의 중요성 또한 높아지고 있고 있다. 리튬-황 전지의 양극에는 리튬 이온이 포함되어 있지 않아, 음극 소재로서 리튬 메탈을 사용하게 되는데, 리튬 메탈은 밀도가 0.53 g/cm3로 매우 가벼워 전지의 에너지 밀도 측면에서 유리하고, 금속 중 가장 낮은 표준 산화환원 전위를 가져 전지의 음극 소재로써 매우 유리하다. 그러나, 리튬은 수분 및 산소와의 반응성이 매우 크고, 또한, 덴드라이트(dendrite) 형성으로 인한 전지의 단락 등이 발생할 가능성이 있기 때문에, 리튬-황 전지를 전기 자동차 등의 대용량 이차전지에 적용하기 위해서는, 이러한 리튬의 안전성 저하 문제를 반드시 해결해야 할 필요가 있다.Such an electrochemical device, among them, a lithium-sulfur battery, has a high energy density and is in the spotlight as a next-generation secondary battery that can replace a lithium ion battery, and accordingly, the importance of a lithium negative electrode is also increasing. The positive electrode of the lithium-sulfur battery does not contain lithium ions, so lithium metal is used as the negative electrode material. Lithium metal has a very light density of 0.53 g/cm 3 , which is advantageous in terms of energy density of the battery, and is the most It has a low standard redox potential, so it is very advantageous as an anode material for batteries. However, since lithium has a very high reactivity with moisture and oxygen, and there is a possibility that a short circuit of the battery may occur due to the formation of dendrites, the lithium-sulfur battery is applied to a large-capacity secondary battery such as an electric vehicle. In order to do this, it is necessary to solve the problem of lowering the safety of lithium.

이와 관련하여, 고강도의 보호막 도입 및 고체 전해질 계면(Solid electrolyte interface, SEI) 안정화를 위한 전해액 첨가제의 개발 등, 리튬 덴드라이트 성장을 억제할 수 있는 다양한 연구 결과들이 보고되어 왔으며, 최근에는 음극 매트릭스(matrix) 구조체를 이용한 연구들이 많이 진행되고 있는 추세이다. 매트릭스를 음극 구조체로 적용하면, 리튬 플레이팅/스트리핑(plating/stripping)이 일어나는 호스트(host)를 제공함으로써, 충/방전 시 발생하는 부피의 변화를 완화할 수 있을 뿐만 아니라, 리튬 이온의 분포를 고르게 하는 등의 장점을 가지기 때문에, 리튬 덴드라이트의 성장을 근본적으로 억제할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 따라서, 리튬 음극 매트릭스 구조체는 이용하되, 실제 제품화 할 수 있는 방법의 개발이 요구된다.In this regard, various research results have been reported that can inhibit the growth of lithium dendrites, such as the introduction of a high-strength protective film and the development of an electrolyte additive for solid electrolyte interface (SEI) stabilization. A lot of research using matrix) structures is in progress. When the matrix is applied as an anode structure, it provides a host where lithium plating/stripping occurs, thereby not only mitigating the change in volume that occurs during charging/discharging, but also reducing the distribution of lithium ions. Since it has advantages such as leveling, it is expected that the growth of lithium dendrites can be fundamentally suppressed. Therefore, the development of a method capable of using the lithium anode matrix structure but actually commercializing it is required.

따라서, 본 발명의 목적은, 다공성 고분자 막의 표면에 산화물 반도체를 코팅시킨 후, 이를 음극 구조체로 적용함으로써 리튬-황 전지의 리튬 음극 성능을 향상시킬 수 있는, 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막, 이를 음극으로 포함하는 리튬-황 전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to improve the lithium anode performance of a lithium-sulfur battery by coating an oxide semiconductor on the surface of the porous polymer film and then applying it as an anode structure, an oxide semiconductor-coated porous polymer film, this To provide a lithium-sulfur battery including an anode and a method for manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 리튬-황 전지의 음극 구조체로 적용되어 리튬 금속에 접합되는 것으로서, 기공이 형성되어 있는 고분자 막; 및 상기 고분자 막의 표면에 형성된 산화물 반도체 층;을 포함하는 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is applied as an anode structure of a lithium-sulfur battery and bonded to lithium metal, comprising: a polymer film having pores; and an oxide semiconductor layer formed on the surface of the polymer film.

또한, 본 발명은, 양극; 리튬 금속 및 상기 리튬 금속에 접합되는 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막을 포함하는 음극; 상기 양극과 음극의 사이에 개재되는 전해질; 및 분리막;을 포함하는 리튬-황 전지를 제공한다.In addition, the present invention, the positive electrode; a negative electrode comprising a porous polymer film coated with lithium metal and an oxide semiconductor bonded to the lithium metal; an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode; and a separator; and a lithium-sulfur battery comprising a.

또한, 본 발명은, a) 산화물 반도체를 용매에 분산시켜 산화물 반도체 용액을 제조하는 단계; b) 상기 제조된 산화물 반도체 용액을 비전도성 및 다공성의 고분자 막 표면에 코팅시킨 후 건조 및 열 처리하여, 산화물 반도체 코팅 고분자 막을 제조하는 단계; c) 상기 제조된 산화물 반도체 코팅 고분자 막에 리튬 금속을 접합시켜 음극을 제조하는 단계; 및 d) 상기 음극에 대향되도록 양극을 설치한 후, 상기 음극과 양극의 사이에 전해질 및 분리막을 설치하는 단계;를 포함하는 리튬-황 전지의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention, a) dispersing the oxide semiconductor in a solvent to prepare an oxide semiconductor solution; b) coating the prepared oxide semiconductor solution on the surface of the non-conductive and porous polymer film, drying and heat treatment to prepare an oxide semiconductor coating polymer film; c) preparing an anode by bonding lithium metal to the prepared oxide semiconductor-coated polymer film; and d) installing a positive electrode to face the negative electrode, and then installing an electrolyte and a separator between the negative electrode and the positive electrode.

본 발명에 따른 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막, 이를 음극으로 포함하는 리튬-황 전지 및 그 제조방법에 의하면, 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막을 음극 구조체로 적용시켜 리튬 덴드라이트의 성장을 억제함으로써, 전지의 용량 및 수명특성 개선 등 리튬-황 전지의 음극 성능이 향상되는 장점이 있다.According to the porous polymer film coated with an oxide semiconductor according to the present invention, a lithium-sulfur battery comprising the same as an anode, and a manufacturing method thereof, the oxide semiconductor-coated porous polymer film is applied as an anode structure to suppress the growth of lithium dendrites. , there is an advantage in that the anode performance of the lithium-sulfur battery is improved, such as improving the capacity and lifespan characteristics of the battery.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 반도체 코팅 고분자 막을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 이미지이다.
도 2는 비교예에 따른 bare 상태의 폴리이미드 방사막을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 리튬-황 전지의 수명특성을 비교 대조한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 리튬-황 전지의 방전 용량을 비교 대조한 그래프이다.
1 is an image of an oxide semiconductor-coated polymer film observed with a scanning electron microscope (SEM) according to an embodiment of the present invention.
2 is an image of a polyimide radiation film in a bare state according to a comparative example observed with a scanning electron microscope.
3 is a graph comparing and contrasting the lifespan characteristics of lithium-sulfur batteries according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
4 is a graph comparing and contrasting the discharge capacities of lithium-sulfur batteries according to an embodiment and a comparative example of the present invention.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막은, 리튬-황 전지의 음극 구조체로 적용되어 리튬 금속에 접합되는 것으로서, 기공이 형성되어 있는 고분자 막 및 상기 고분자 막의 표면에 형성된 산화물 반도체 층을 포함한다.The oxide semiconductor-coated porous polymer film according to the present invention is applied as a negative electrode structure of a lithium-sulfur battery and bonded to lithium metal, and includes a polymer film having pores and an oxide semiconductor layer formed on the surface of the polymer film. .

먼저, 상기 고분자 막은, 비전도성 및 다공성의 성질을 가지는 것으로서, 이와 같은 성질을 가진 고분자로 이루어진 막을 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 고분자를 전기 방사 등의 다양한 방사 방식으로 방사하여 형성시킨 고분자 방사막 등을 예시할 수 있다. 여기서, 상기 예시로 든 방사막을 이용할 경우, 다른 방식에 의해 형성된 고분자 막 대비 사용의 이점이 있을 수 있다. 상기 고분자 막을 형성하는 고분자의 종류로는 폴리이미드(polyimide; PI) 등, 다공성 고분자 구조체를 형성할 수 있는 소재라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있고, 따라서, 상기 고분자 막의 보다 구체적인 예로는, PI 방사막 및 이와 유사한 성질을 가지는 것을 들 수 있다.First, the polymer membrane has non-conductive and porous properties, and a membrane made of a polymer having such properties can be used without any particular limitation, and a polymer radiation membrane formed by spinning a polymer by various spinning methods such as electrospinning, etc. can be exemplified. Here, when using the radiation film exemplified above, there may be an advantage in using it compared to a polymer film formed by other methods. The kind of polymer forming the polymer film may be used without particular limitation as long as it is a material capable of forming a porous polymer structure, such as polyimide (PI), and therefore, more specific examples of the polymer film include a PI radiation film and Those having similar properties can be mentioned.

상기 고분자 막에 형성된 기공의 공극률은, 리튬-황 전지의 에너지 밀도 증가를 최소화하기 위하여 70 내지 95 %, 바람직하게는 80 내지 90 %로 높게 설정하는 것이 좋다. 또한, 상기 (산화물 반도체를 제외한 상태의, 또는 bare 상태의) 고분자 막의 두께는 1 내지 100 ㎛, 바람직하게는 5 내지 50 ㎛, 더욱 바람직하게는 10 내지 20 ㎛로서, 상기 고분자 막의 두께가 100 ㎛를 초과할 경우, 고분자 막이 오히려 저항층으로 작용하여 셀 성능이 저하되는 문제가 발생할 우려가 있고, 1 ㎛ 미만인 경우에는, 음극으로 사용된 리튬 중 일부가 구조체 외부로 도금되어 호스트로서 제 역할을 하지 못하는 문제가 발생할 수 있다.The porosity of the pores formed in the polymer film is preferably set as high as 70 to 95%, preferably 80 to 90%, in order to minimize the increase in energy density of the lithium-sulfur battery. In addition, the thickness of the polymer film (with the exception of the oxide semiconductor or in the bare state) is 1 to 100 µm, preferably 5 to 50 µm, more preferably 10 to 20 µm, and the thickness of the polymer film is 100 µm When it exceeds 1 μm, there is a risk that the polymer film acts as a resistive layer and deteriorates cell performance. There may be problems that cannot be

또한, 상기 (산화물 반도체를 제외한 상태의, 또는 bare 상태의) 고분자 막은, 그 표면에 산화물 반도체가 코팅되는 열 처리 공정 도중 손상되는 것을 방지하기 위하여 200 ℃ 이상, 바람직하게는 200 내지 500 ℃, 더욱 바람직하게는 250 내지 300 ℃의 내열 온도를 가지는 것이 좋다. 상기 고분자 막의 내열 온도가 200 ℃ 미만인 경우, 상대적으로 낮은 내열성을 가지게 되어 열 처리 시 고분자 막이 손상되는 문제가 발생할 수 있다.In addition, in order to prevent the polymer film from being damaged during the heat treatment process in which the oxide semiconductor is coated on the surface (without the oxide semiconductor, or in the bare state), the polymer film is 200 ° C. or higher, preferably 200 to 500 ° C., more Preferably, it is good to have a heat resistance temperature of 250 to 300 °C. When the heat resistance temperature of the polymer film is less than 200° C., it has relatively low heat resistance, and thus a problem in that the polymer film is damaged during heat treatment may occur.

다음으로, 상기 고분자 막의 표면에 코팅 형성되는 산화물 반도체 층에 대하여 설명한다. 상기 산화물 반도체 층을 구성하는 산화물 반도체는, 금속 양이온과 산소 음이온의 이온결합으로 이루어진 반도체 성질의 화합물로서, 상기 고분자 막에 코팅되어 리튬-황 전지의 음극 구조체로 적용되었을 시, 리튬-황 전지의 음극으로 사용되는 리튬 금속과의 친화도가 우수하여, 리튬 금속과의 합금 반응이 가능하고, 또한, 고분자 막 구조 내에서 리튬이 잘 성장할 수 있도록 하는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다.Next, an oxide semiconductor layer formed by coating on the surface of the polymer film will be described. The oxide semiconductor constituting the oxide semiconductor layer is a compound having a semiconductor property consisting of an ionic bond between a metal cation and an oxygen anion, and when it is coated on the polymer film and applied as a negative electrode structure of a lithium-sulfur battery, It has excellent affinity with lithium metal used as an anode, so that alloying reaction with lithium metal is possible, and lithium can be used without limitation as long as it allows good growth of lithium in the polymer film structure.

상기 산화물 반도체의 예로는 ZnO, SnO2, In2O3 및 Ga2O3 등을 들 수 있고, ZnO의 사용이 본 발명에 가장 적합하다. 또한, 상기 산화물 반도체는 10 내지 500 ㎚, 바람직하게는 100 내지 400 ㎚, 더욱 바람직하게는 200 내지 300 ㎚의 두께로 상기 고분자 막에 형성(또는, 코팅)될 수 있으며, 이때, 상기 산화물 반도체의 두께가 10 ㎚ 미만이면, 고분자의 표면이 충분한 리튬 친화도를 확보하지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 500 ㎚를 초과할 경우에는 산화물 반도체가 필요 이상 존재하여 리튬과 지속적인 반응을 하는 문제가 발생할 수 있다.Examples of the oxide semiconductor include ZnO, SnO 2 , In 2 O 3 and Ga 2 O 3 , and the use of ZnO is most suitable for the present invention. In addition, the oxide semiconductor may be formed (or coated) on the polymer film to a thickness of 10 to 500 nm, preferably 100 to 400 nm, more preferably 200 to 300 nm, in this case, the oxide semiconductor If the thickness is less than 10 nm, a problem may occur that the surface of the polymer does not secure sufficient lithium affinity, and if it exceeds 500 nm, an oxide semiconductor exists more than necessary and a problem of continuous reaction with lithium may occur. .

이상과 같은 구성을 가지는, 본 발명에 따른 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막의 공극률은 70 내지 95 %, 바람직하게는 80 내지 90 %로서, 이는 상기 산화물 반도체가 코팅되기 이전의 고분자 막과 동일 또는 유사한 공극률을 나타낸 바, 이로부터, 산화물 반도체가 코팅되어도 기본 고분자 막의 성질은 유지된다는 것을 알 수 있다.The porosity of the oxide semiconductor-coated porous polymer film according to the present invention having the above configuration is 70 to 95%, preferably 80 to 90%, which is the same as or similar to the polymer film before the oxide semiconductor is coated. The porosity is shown. From this, it can be seen that the properties of the basic polymer film are maintained even when the oxide semiconductor is coated.

다음으로, 본 발명에 따른, 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막을 음극으로 포함하는 리튬-황 전지에 대하여 설명한다. 상기 리튬-황 전지는, 양극, 리튬 금속 및 상기 리튬 금속에 접합되는 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막을 포함하는 음극, 상기 양극과 음극의 사이에 개재되는 전해질 및 분리막을 포함한다. 상기 양극, 음극의 제반 구성, 전해질 및 분리막은 당업계에서 사용하는 통상의 것일 수 있으며, 이에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 하고, 그밖에, 상기 산화물 반도체 및 고분자 막에 대한 설명은 전술한 바를 준용한다.Next, a lithium-sulfur battery including a porous polymer film coated with an oxide semiconductor as an anode according to the present invention will be described. The lithium-sulfur battery includes a positive electrode, a negative electrode including a lithium metal and a porous polymer film coated with an oxide semiconductor bonded to the lithium metal, an electrolyte and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode. The general configuration of the positive electrode and the negative electrode, the electrolyte, and the separator may be conventional ones used in the art, and a detailed description thereof will be provided later.

한편, 본 발명은, 상기 리튬-황 전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩의 제공 또한 가능하다. 상기 전지모듈 또는 전지팩은 파워 툴(Power tool); 전기자동차(Electric vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차, 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in hybrid electric vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 또는 전력 저장용 시스템; 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.Meanwhile, according to the present invention, it is also possible to provide a battery module including the lithium-sulfur battery as a unit cell and a battery pack including the same. The battery module or battery pack is a power tool (Power tool); electric vehicles, including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles, and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); or systems for power storage; Any one or more of them may be used as a power supply for medium or large devices.

마지막으로, 본 발명에 따른, 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막을 음극으로 포함하는 리튬-황 전지의 제조방법에 대하여 설명한다. 상기 리튬-황 전지의 제조방법은, a) 산화물 반도체를 용매에 분산시켜 산화물 반도체 용액을 제조하는 단계, b) 상기 제조된 산화물 반도체 용액을 비전도성 및 다공성의 고분자 막 표면에 코팅시킨 후 건조 및 열 처리하여, 산화물 반도체 코팅 고분자 막을 제조하는 단계, c) 상기 제조된 산화물 반도체 코팅 고분자 막에 리튬 금속을 접합시켜 음극을 제조하는 단계 및 d) 상기 음극에 대향되도록 양극을 설치한 후, 상기 음극과 양극의 사이에 전해질 및 분리막을 설치하는 단계를 포함한다.Finally, a method for manufacturing a lithium-sulfur battery including a porous polymer film coated with an oxide semiconductor as an anode according to the present invention will be described. The manufacturing method of the lithium-sulfur battery comprises the steps of: a) dispersing an oxide semiconductor in a solvent to prepare an oxide semiconductor solution, b) coating the prepared oxide semiconductor solution on the surface of a non-conductive and porous polymer film, then drying and Heat treatment to prepare an oxide semiconductor-coated polymer film, c) bonding lithium metal to the prepared oxide semiconductor-coated polymer film to prepare a negative electrode, and d) after installing the positive electrode to face the negative electrode, the negative electrode and installing an electrolyte and a separator between the anode and the anode.

상기 a) 단계에서 사용되는 용매로는 2-ethanolamine, 2-ethoxyethanol 및 이들과 유사한 성질을 가지는 것 등, 상기 산화물 반도체를 분산시킬 수 있는 것을 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 b) 단계의 코팅 공정은, 담지 방식 및 분사 방식 등 상기 산화물 반도체를 상기 고분자 막의 표면에 입힐 수 있는 방식에 의해 수행될 수 있다. 상기 코팅 공정이 담지 방식에 의해 수행되는 경우, 상기 고분자 막은 상기 산화물 반도체 용액에 10 내지 600 초, 바람직하게는 60 내지 120 초간 담지되어야 한다. 또한, 상기 b) 단계의 건조는 100 내지 300 ℃, 바람직하게는 200 내지 250 ℃의 온도 하에서 30 분 내지 3 시간, 바람직하게는 1 내지 2 시간 동안, 공기(air) 분위기 하에서 수행될 수 있다.As the solvent used in step a), any solvent capable of dispersing the oxide semiconductor, such as 2-ethanolamine, 2-ethoxyethanol, and those having properties similar to these, may be used without particular limitation. The coating process of step b) may be performed by a method capable of coating the oxide semiconductor on the surface of the polymer film, such as a supporting method and a spraying method. When the coating process is performed by a supporting method, the polymer film should be supported in the oxide semiconductor solution for 10 to 600 seconds, preferably 60 to 120 seconds. In addition, the drying in step b) may be carried out under an air atmosphere for 30 minutes to 3 hours, preferably 1 to 2 hours, at a temperature of 100 to 300 °C, preferably 200 to 250 °C.

그밖에, 상기 산화물 반도체 및 고분자 막에 대한 설명은 전술한 바를 준용하고, 상기 양극, 음극의 제반 구성, 전해질 및 분리막은 당업계에서 사용하는 통상의 것일 수 있다.In addition, the description of the oxide semiconductor and the polymer film is applied mutatis mutandis, and the general configuration of the anode and the cathode, the electrolyte and the separator may be conventional ones used in the art.

이하, 본 발명에 따른 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막을 음극으로 포함하는 리튬-황 전지에 적용되는 양극, 전해질 및 분리막에 대한 설명을 부가한다.Hereinafter, a description of the positive electrode, the electrolyte and the separator applied to the lithium-sulfur battery including the oxide semiconductor-coated porous polymer film according to the present invention as the negative electrode will be added.

양극anode

본 발명에 사용되는 양극에 관하여 설명하면, 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극 조성물을 제조한 후, 이를 소정의 용매(분산매)에 희석하여 제조된 슬러리를 양극 집전체 상에 직접 코팅 및 건조함으로써 양극층을 형성할 수 있다. 또는, 상기 슬러리를 별도의 지지체 상에 캐스팅한 후, 상기 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 양극 집전체 상에 라미네이션하여 양극층을 제조할 수 있다. 이외에도, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가지는 기술자들에게 널리 알려진 방법을 사용하여 다양한 방식으로 양극을 제조할 수 있다.With respect to the positive electrode used in the present invention, after preparing a positive electrode composition including a positive electrode active material, a conductive material and a binder, the slurry prepared by diluting it in a predetermined solvent (dispersion medium) is directly coated on the positive electrode current collector and By drying, the positive electrode layer can be formed. Alternatively, after casting the slurry on a separate support, a film obtained by peeling from the support may be laminated on a positive electrode current collector to prepare a positive electrode layer. In addition, the positive electrode may be manufactured in various ways using methods well known to those skilled in the art.

상기 도전재(Conducting material)는 양극 집전체로부터 전자가 양극 활물질까지 이동하는 경로의 역할을 하여 전자 전도성을 부여할 뿐만 아니라, 전해질과 양극 활물질을 전기적으로 연결시켜 주어 전해질 내 리튬 이온(Li+)이 황까지 이동하여 반응하게 하는 경로의 역할을 동시에 하게 된다. 따라서, 도전재의 양이 충분하지 않거나 역할을 제대로 수행하지 못하게 되면 전극 내 황 중 반응하지 못하는 부분이 증가하게 되고, 결국은 용량 감소를 일으키게 된다. 또한, 고율 방전 특성과 충방전 사이클 수명에도 악영향을 미치게 되므로, 적절한 도전재의 첨가가 필요하다. 상기 도전재의 함량은 양극 조성물 총 중량을 기준으로 0.01 내지 30 중량% 범위 내에서 적절히 첨가하는 것이 바람직하다.The conducting material serves as a path through which electrons move from the positive electrode current collector to the positive electrode active material, and not only provides electronic conductivity, but also electrically connects the electrolyte and the positive electrode active material, so that lithium ions (Li+) in the electrolyte It serves as a pathway to move to sulfur and react. Therefore, if the amount of the conductive material is not sufficient or does not perform its role properly, the non-reactive portion of sulfur in the electrode increases, which eventually causes a decrease in capacity. In addition, since it adversely affects the high-rate discharge characteristics and the charge/discharge cycle life, it is necessary to add an appropriate conductive material. The content of the conductive material is preferably added appropriately within the range of 0.01 to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode composition.

상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대, 그라파이트; 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙 및 서머 블랙 등의 카본 블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄 및 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연 및 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 시판 중인 도전재의 구체적인 예로는, 아세틸렌 블랙 계열인 쉐브론 케미칼 컴퍼니(Chevron Chemical Company)나 덴카 블랙(Denka Singapore Private Limited), 걸프 오일 컴퍼니(Gulf Oil Company) 제품, 케첸 블랙(Ketjenblack), EC 계열 아르막 컴퍼니(Armak Company) 제품, 불칸(Vulcan) XC-72 캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품 및 슈퍼-피(Super-P; Timcal 사 제품) 등이 사용될 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery, for example, graphite; carbon black such as Denka Black, Acetylene Black, Ketjen Black, Channel Black, Furnace Black, Lamp Black and Summer Black; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; metal powders such as carbon fluoride, aluminum and nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used. Specific examples of commercially available conductive materials include acetylene black-based Chevron Chemical Company or Denka Singapore Private Limited, Gulf Oil Company products, Ketjenblack, EC-based Armac Company (Armak Company) product, Vulcan XC-72 Cabot Company (Cabot Company) product, Super-P (Product of Timcal Corporation), etc. can be used.

상기 바인더는 양극 활물질을 집전체에 잘 부착시키기 위한 것으로서, 용매에 잘 용해되어야 하며, 양극 활물질과 도전재와의 도전 네크워크를 잘 구성해주어야 할 뿐만 아니라, 전해액의 함침성도 적당히 가져야 한다. 상기 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 이상의 혼합물이거나 공중합체일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The binder is for well adhering the positive electrode active material to the current collector, it should be well soluble in a solvent, and should not only well 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 may be all binders known in the art, and specifically, a fluororesin-based 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; Polyimide-based binders, polyester-based binders, silane-based binders; may be one or more mixtures or copolymers selected from the group consisting of, but is not limited thereto.

상기 바인더의 함량은 양극 조성물 총 중량을 기준으로 0.5 내지 30 중량%일 수 있으나, 이에 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 있으며, 저항 요소로 작용하여 효율이 저하될 수 있다.The content of the binder may be 0.5 to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode composition, 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, and the efficiency may be lowered by acting as a resistive element.

상기 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극 조성물은 소정의 용매에 희석되어, 양극 집전체 상에 당업계에 알려진 통상의 방법을 이용하여 코팅할 수 있다. 먼저, 양극 집전체를 준비한다. 상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께를 사용한다. 이와 같은 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소결 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The positive electrode composition including the positive electrode active material, the conductive material, and the binder may be diluted in a predetermined solvent and coated on the positive electrode current collector using a conventional method known in the art. First, a positive electrode current collector is prepared. The positive electrode current collector generally has a thickness of 3 to 500 μm. Such a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, or aluminum or stainless steel. A steel surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like may be used. The current collector may increase the adhesive force of the positive electrode active material by forming fine irregularities on its surface, and various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam body, and a nonwoven body are possible.

다음으로, 상기 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극 조성물을 용매에 희석한 슬러리를 도포한다. 전술한 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극 조성물을 소정의 용매와 혼합하여 슬러리로 제조할 수 있다. 이때 용매는 건조가 용이해야 하며, 바인더를 잘 용해시킬 수 있으되, 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 코팅 시 집전체에 황이 몰려 도전 네트워크에 문제가 생겨, 전지의 작동에 문제가 발생하는 경향이 있다. 상기 용매(분산매)는 물 또는 유기 용매가 가능하며, 상기 유기 용매는 디메틸포름아미드, 이소프로필알콜 또는 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.Next, a slurry obtained by diluting a positive electrode composition including a positive electrode active material, a conductive material, and a binder in a solvent is applied on the positive electrode current collector. The positive electrode composition including the above-described positive electrode active material, conductive material, and binder may be mixed with a predetermined solvent to prepare a slurry. In this case, the solvent should be easy to dry and can dissolve the binder well, but it is most preferable that the cathode active material and the conductive material can be maintained in a dispersed state without dissolving. When the solvent dissolves the cathode 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 this. The solvent (dispersion medium) may be water or an organic solvent, and the organic solvent may be at least one selected from the group consisting of dimethylformamide, isopropyl alcohol or acetonitrile, methanol, ethanol, and tetrahydrofuran.

계속해서, 상기 슬러리 상태의 양극 조성물을 도포하는 방법에는 특별한 제한이 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. 이와 같은 코팅 과정을 거친 양극 조성물은, 이후 건조 과정을 통해 용매(분산매)의 증발, 코팅막의 조밀성 및 코팅막과 집전체와의 밀착성 등이 이루어진다. 이때, 건조는 통상적인 방법에 따라 실시되며, 이를 특별히 제한하지는 않는다.Subsequently, there is no particular limitation on a method of applying the positive electrode composition in the slurry state, for example, doctor blade coating, dip coating, gravure coating, slit die coating, etc. coating), spin coating, comma coating, bar coating, reverse roll coating, screen coating, cap coating, etc. can be manufactured. The positive electrode composition that has been subjected to such a coating process is then dried through evaporation of the solvent (dispersion medium), the density of the coating film, and the adhesion between the coating film and the current collector. At this time, the drying is carried out according to a conventional method, it is not particularly limited.

전해질electrolyte

본 발명의 리튬-황 전지를 구성하는 전해액은 용매(Solvents) 및 리튬염(Lithium Salt)을 포함하며, 필요에 따라, 첨가제(Additives)를 더 포함할 수 있다. 상기 용매로는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 하는 통상의 비수성 용매를 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 비수성 용매의 예로는, 카보네이트계 용매, 에스테르계 용매, 에테르계 용매, 케톤계 용매, 알코올계 용매 및 비양자성 용매 등을 들 수 있다.The electrolyte constituting the lithium-sulfur battery of the present invention includes a solvent and a lithium salt, and may further include additives, if necessary. As the solvent, a conventional non-aqueous solvent serving as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move may be used without any particular limitation. Examples of the non-aqueous solvent include carbonate-based solvents, ester-based solvents, ether-based solvents, ketone-based solvents, alcohol-based solvents, and aprotic solvents.

보다 구체적인 예를 들면, 상기 카보네이트계 용매로서 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 디프로필카보네이트(DPC), 메틸프로필카보네이트(MPC), 에틸프로필카보네이트(EPC), 메틸에틸카보네이트(MEC), 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC) 및 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 있고, 상기 에스테르계 용매로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 1,1-디메틸에틸 아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone) 및 카프로락톤(carprolactone) 등이 있으며, 상기 에테르계 용매로는 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 디부틸 에테르, 디메톡시메탄, 트리메톡시메탄, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 디글라임, 트리글라임, 테트라글라임, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란 및 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 등이 있다. 또한, 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 있고, 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올 및 이소프로필알코올 등이 있으며, 상기 비양자성 용매로는 아세토니트릴 등의 니트릴류, 디메틸포름아미드 등의 아미드류, 1,3-디옥솔란(DOL) 등의 디옥솔란류 및 술포란(sulfolane) 등이 있다. 이상과 같은 비수성 용매는 단독 또는 둘 이상 혼합하여 사용할 수 있고, 둘 이상 혼합할 경우의 혼합 비율은 목적으로 하는 전지의 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있으며, 1,3-디옥솔란과 디메톡시에탄을 1 : 1의 부피비로 혼합한 용매를 예시할 수 있다.More specific examples, as the carbonate-based solvent, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methyl propyl carbonate (MPC), ethyl propyl carbonate (EPC), methyl ethyl carbonate (MEC) ), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and butylene carbonate (BC), and the ester solvent is methyl acetate, ethyl acetate, n-propyl acetate, 1,1-dimethylethyl acetate, methyl There are propionate, ethyl propionate, γ-butyrolactone, decanolide, valerolactone, mevalonolactone and caprolactone, and the ether solvent is di ethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether, dimethoxymethane, trimethoxymethane, dimethoxyethane, diethoxyethane, diglyme, triglyme, tetraglyme, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran and polyethylene glycol dimethyl ether and the like. In addition, the ketone-based solvent includes cyclohexanone, the alcohol-based solvent includes ethyl alcohol and isopropyl alcohol, and the aprotic solvent includes nitriles such as acetonitrile, and amides such as dimethylformamide. Drew, dioxolanes such as 1,3-dioxolane (DOL), and sulfolane. The above non-aqueous solvents can be used alone or in mixture of two or more, and when two or more are mixed, the mixing ratio can be appropriately adjusted according to the performance of the intended battery, and 1,3-dioxolane and dimethoxyethane A solvent mixed in a volume ratio of 1:1 may be exemplified.

분리막separator

양극과 음극 사이는 통상적인 분리막이 개재될 수 있다. 상기 분리막은 전극을 물리적으로 분리하는 기능을 갖는 물리적인 분리막으로서, 통상의 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저 저항이면서 전해질 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 또한, 상기 분리막은 양극과 음극을 서로 분리 또는 절연시키면서 양극과 음극 사이에 리튬 이온의 수송을 가능하게 한다. 이러한 분리막은 다공성이고 비전도성 또는 절연성인 물질로 이루어질 수 있다. 상기 분리막은 필름과 같은 독립적인 부재이거나, 또는 양극 및 음극 중 어느 하나 이상에 부가된 코팅층일 수 있다. 구체적으로는, 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 또는 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어, 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.A conventional separator may be interposed between the positive electrode and the negative electrode. The separator is a physical separator having a function of physically separating the electrodes, and can be used without any particular limitation as long as it is used as a conventional separator, and in particular, it is preferable to have low resistance to ion movement of the electrolyte and excellent electrolyte moisture content. In addition, the separator enables transport of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode while separating or insulating the positive electrode and the negative electrode from each other. Such a separator may be made of a porous, non-conductive or insulating material. The separator may be an independent member such as a film, or a coating layer added to at least one of the anode and the cathode. Specifically, a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of a polyolefin-based polymer such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer. It can be used alone or by laminating them, or a conventional porous nonwoven fabric, for example, a high melting point glass fiber, a nonwoven fabric made of polyethylene terephthalate fiber, etc. may be used, but is not limited thereto.

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 변경 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 changes and modifications fall within the scope of the appended claims.

[실시예 1] 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막의 제조 [Example 1] Preparation of porous polymer film coated with oxide semiconductor

0.5 M의 Zn acetate dehydrate 전구체를 0.5 M의 2-ethanolamine이 섞인 2-methoxyethanol 100 mL 용액에 분산시켜 산화물 반도체 용액을 제조한 후, 여기에 두께가 10 ㎛이고, 공극률은 80 %인 폴리이미드 방사막(PI 방사막, 고분자 막)을 1 분간 담지시켰다. 이후, 공기 분위기 하에서 250 ℃로 설정된 오븐을 이용하여 1 시간 동안 건조시켰고, 마지막으로, 공기 분위기 하에서 400 ℃로 설정된 furnace를 이용하여 1 시간 동안 열 처리하여, 산화물 반도체가 코팅된 다공성의 고분자 막을 제조하였다. 한편, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 반도체 코팅 고분자 막을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 이미지로서(A, B), 상기 실시예 1을 통해 제조된 산화물 반도체 코팅 고분자 막의 표면은 도 1에 도시된 바와 같았다.An oxide semiconductor solution was prepared by dispersing 0.5 M Zn acetate dehydrate precursor in 100 mL of 2-methoxyethanol mixed with 0.5 M 2-ethanolamine, and then a polyimide radiation film with a thickness of 10 μm and a porosity of 80%. (PI radiation membrane, polymer membrane) was supported for 1 minute. Thereafter, it was dried for 1 hour using an oven set at 250° C. under an air atmosphere, and finally, heat-treated for 1 hour using a furnace set at 400° C. under an air atmosphere to prepare a porous polymer film coated with an oxide semiconductor. did. On the other hand, Figure 1 is an image of the oxide semiconductor coated polymer film according to an embodiment of the present invention observed with a scanning electron microscope (SEM) (A, B), the surface of the oxide semiconductor coating polymer film prepared in Example 1 is As shown in FIG. 1 .

[비교예 1] 다공성 고분자 막 [Comparative Example 1] Porous polymer membrane

산화물 반도체를 코팅시키지 않은, bare 상태의 폴리이미드 방사막(PI 방사막, 고분자 막)을 준비하였다. 한편, 도 2는 비교예에 따른 bare 상태의 폴리이미드 방사막을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지로서(A, B), 상기 비교예 1의 bare 상태 폴리이미드 방사막의 표면은 도 2에 도시된 바와 같았다.A polyimide radiation film (PI radiation film, polymer film) in a bare state, not coated with an oxide semiconductor, was prepared. On the other hand, FIG. 2 is an image of the polyimide radiation film in a bare state according to Comparative Example observed with a scanning electron microscope (A, B), and the surface of the polyimide radiation film in the bare state of Comparative Example 1 is as shown in FIG. It was like

[실시예 2, 비교예 2] 리튬-황 전지의 제조 [Example 2, Comparative Example 2] Preparation of lithium-sulfur battery

상기 실시예 1에서 제조된 산화물 반도체 코팅 고분자 막을 리튬 금속과 접합시켜 음극 Inter Layer로 적용하고, 이어서, 양극, 전해질 및 분리막을 설치하여 리튬-황 전지를 제조하였다(실시예 2). 또한, 상기 비교예 1에서 제조된 bare 상태의 폴리이미드 방사막을 리튬 금속과 접합시켜 음극 Inter Layer로 적용하고, 이어서, 양극, 전해질 및 분리막을 설치하여 리튬-황 전지를 제조하였다(비교예 2).A lithium-sulfur battery was prepared by bonding the oxide semiconductor-coated polymer film prepared in Example 1 to lithium metal and applying it as a negative interlayer, and then installing a positive electrode, an electrolyte, and a separator (Example 2). In addition, the bare polyimide radiation film prepared in Comparative Example 1 was bonded to lithium metal and applied as a negative interlayer, and then a positive electrode, an electrolyte, and a separator were installed to prepare a lithium-sulfur battery (Comparative Example 2) .

[실험예 1] 리튬-황 전지의 수명특성 평가 [Experimental Example 1] Evaluation of lifespan characteristics of lithium-sulfur batteries

상기 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 리튬-황 전지의 방전 전류 속도를 0.1 C, 0.2 C 및 0.5 C로 순차 변경하여 전지의 수명특성을 관찰하였다. 도 3은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 리튬-황 전지의 수명특성을 비교 대조한 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 산화물 반도체 코팅 고분자 막을 음극 Inter Layer로 적용한 실시예 2의 리튬-황 전지는, bare 상태의 폴리이미드 방사막을 음극 Inter Layer로 적용한 비교예 2의 리튬-황 전지에 비하여, 고율 구간에서 용량이 향상되었고, 사이클 수명특성 또한 개선됨을 알 수 있었으며, 이를 통해, 리튬 친화도가 우수한 산화물 반도체의 사용에 따른 이점을 확인할 수 있었다.The discharge current rates of the lithium-sulfur batteries prepared in Example 2 and Comparative Example 2 were sequentially changed to 0.1 C, 0.2 C, and 0.5 C to observe the lifespan characteristics of the batteries. 3 is a graph comparing and contrasting the lifespan characteristics of lithium-sulfur batteries according to an embodiment and a comparative example of the present invention. As shown in FIG. 3 , the lithium-sulfur battery of Example 2 to which an oxide semiconductor-coated polymer film was applied as an anode Inter Layer was compared to the lithium-sulfur battery of Comparative Example 2 in which a polyimide radiation film in a bare state was applied as an anode Inter Layer. , it was found that the capacity was improved in the high-rate section, and the cycle life characteristics were also improved.

[실험예 2] 리튬-황 전지의 방전 용량 평가 [Experimental Example 2] Evaluation of discharge capacity of lithium-sulfur batteries

상기 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 리튬-황 전지의 방전 전류 속도를 0.5 C로 설정하여 전지의 용량을 평가하였다. 도 4는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 리튬-황 전지의 방전 용량을 비교 대조한 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 산화물 반도체 코팅 고분자 막을 음극 Inter Layer로 적용한 실시예 2의 리튬-황 전지는, bare 상태의 폴리이미드 방사막을 음극 Inter Layer로 적용한 비교예 2의 리튬-황 전지에 비하여, 방전 용량 향상 효과를 나타내었으며, 이를 통해서도, 리튬 친화도가 우수한 산화물 반도체의 사용에 따른 이점을 확인할 수 있었다.The battery capacity was evaluated by setting the discharge current rate of the lithium-sulfur batteries prepared in Example 2 and Comparative Example 2 to 0.5 C. 4 is a graph comparing and contrasting the discharge capacities of lithium-sulfur batteries according to an embodiment and a comparative example of the present invention. As shown in FIG. 4 , the lithium-sulfur battery of Example 2 to which an oxide semiconductor-coated polymer film was applied as an anode inter layer was compared to the lithium-sulfur battery of Comparative Example 2 in which a polyimide radiation film in a bare state was applied as an anode inter layer. , showed an effect of improving the discharge capacity, and through this, it was possible to confirm the advantage of using an oxide semiconductor having excellent lithium affinity.

Claims (10)

리튬-황 전지의 음극 구조체로 적용되어 리튬 금속에 접합되는 것으로서,
기공이 형성되어 있는 고분자 막; 및
상기 고분자 막의 표면에 형성된 산화물 반도체 층;을 포함하며,
상기 산화물 반도체 층의 두께가 200 내지 300 ㎚인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막.
It is applied as a negative electrode structure of a lithium-sulfur battery and bonded to lithium metal,
a polymer membrane in which pores are formed; and
and an oxide semiconductor layer formed on the surface of the polymer film;
The oxide semiconductor-coated porous polymer film, characterized in that the oxide semiconductor layer has a thickness of 200 to 300 nm.
청구항 1에 있어서, 상기 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막의 공극률은 70 내지 95 %인 것을 특징으로 하는, 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막.The porous polymer film coated with an oxide semiconductor according to claim 1, wherein the oxide semiconductor-coated porous polymer film has a porosity of 70 to 95%. 청구항 1에 있어서, 상기 산화물 반도체는 ZnO, SnO2, In2O3 및 Ga2O3로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막.The method according to claim 1, wherein the oxide semiconductor is ZnO, SnO 2 , In 2 O 3 and Ga 2 O 3 Characterized in that selected from the group consisting of, oxide semiconductor-coated porous polymer film. 삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 고분자 막을 형성하는 고분자는 폴리이미드인 것을 특징으로 하는, 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막.The porous polymer film coated with an oxide semiconductor according to claim 1, wherein the polymer forming the polymer film is polyimide. 청구항 1에 있어서, 상기 산화물 반도체를 제외한 고분자 막의 두께는 1 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는, 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막.The porous polymer film coated with an oxide semiconductor according to claim 1, wherein the thickness of the polymer film excluding the oxide semiconductor is 1 to 100 μm. 청구항 1에 있어서, 상기 산화물 반도체를 제외한 고분자 막은 200 ℃ 이상의 내열 온도를 가지는 것을 특징으로 하는, 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막.The porous polymer film coated with an oxide semiconductor according to claim 1, wherein the polymer film excluding the oxide semiconductor has a heat resistance temperature of 200° C. or higher. 양극; 리튬 금속 및 상기 리튬 금속에 접합되는 청구항 1의 산화물 반도체가 코팅된 다공성 고분자 막을 포함하는 음극; 상기 양극과 음극의 사이에 개재되는 전해질; 및 분리막;을 포함하는 리튬-황 전지.anode; An anode comprising a porous polymer film coated with lithium metal and the oxide semiconductor of claim 1 bonded to the lithium metal; an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode; and a separator; and a lithium-sulfur battery. a) 산화물 반도체를 용매에 분산시켜 산화물 반도체 용액을 제조하는 단계;
b) 상기 제조된 산화물 반도체 용액을 비전도성 및 다공성의 고분자 막 표면에 코팅시킨 후 건조 및 열 처리하여, 산화물 반도체 코팅 고분자 막을 제조하는 단계;
c) 상기 제조된 산화물 반도체 코팅 고분자 막에 리튬 금속을 접합시켜 음극을 제조하는 단계; 및
d) 상기 음극에 대향되도록 양극을 설치한 후, 상기 음극과 양극의 사이에 전해질 및 분리막을 설치하는 단계;를 포함하며,
상기 산화물 반도체 코팅 고분자 막에서 산화물 반도체 층의 두께가 200 내지 300 ㎚인 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지의 제조방법.
a) dispersing the oxide semiconductor in a solvent to prepare an oxide semiconductor solution;
b) coating the prepared oxide semiconductor solution on the surface of the non-conductive and porous polymer film, drying and heat treatment to prepare an oxide semiconductor coating polymer film;
c) preparing an anode by bonding lithium metal to the prepared oxide semiconductor-coated polymer film; and
d) after installing the positive electrode to face the negative electrode, installing an electrolyte and a separator between the negative electrode and the positive electrode;
A method of manufacturing a lithium-sulfur battery, characterized in that the thickness of the oxide semiconductor layer in the oxide semiconductor-coated polymer film is 200 to 300 nm.
청구항 9에 있어서, 상기 산화물 반도체는 ZnO, SnO2, In2O3 및 Ga2O3로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지의 제조방법.The method of claim 9 , wherein the oxide semiconductor is selected from the group consisting of ZnO, SnO 2 , In 2 O 3 and Ga 2 O 3 .
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