KR102448075B1 - Method for preparing positive electrode active material for lithium sulfur battery, positive electrode active material for lithium sulfur battery prepared thereby and lithium sulfur battery including the same - Google Patents

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Abstract

양극을 전도성화 하기 위하여 사용되는 탄소 구조체의 표면에 기공을 형성시킴으로써 전지의 초기 방전 용량을 향상시킬 수 있는, 리튬-황 전지용 양극 활물질의 제조방법, 이에 의해 제조되는 리튬-황 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬-황 전지가 개시된다. 상기 리튬-황 전지용 양극 활물질의 제조방법은, a) 탄소계 화합물을 포함하는 탄소 구조체를 형성하는 단계; 및 b) 상기 형성된 탄소 구조체에 CO2/O2 혼합 가스를 공급하며 열처리하여, 상기 탄소 구조체의 표면에 기공을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 기공이 형성된 탄소 구조체의 비표면적은 10 내지 2,000 m2/g인 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a positive electrode active material for a lithium-sulfur battery, which can improve the initial discharge capacity of a battery by forming pores on the surface of a carbon structure used to conduct a positive electrode, a positive electrode active material for a lithium-sulfur battery prepared thereby, and the same A lithium-sulfur battery comprising is disclosed. The method for preparing a cathode active material for a lithium-sulfur battery includes: a) forming a carbon structure including a carbon-based compound; and b) supplying a CO 2 /O 2 mixed gas to the formed carbon structure and performing heat treatment to form pores on the surface of the carbon structure; including, wherein the specific surface area of the carbon structure in which the pores are formed is 10 to 2,000 m 2 /g is characterized.

Description

리튬-황 전지용 양극 활물질의 제조방법, 이에 의해 제조되는 리튬-황 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬-황 전지{Method for preparing positive electrode active material for lithium sulfur battery, positive electrode active material for lithium sulfur battery prepared thereby and lithium sulfur battery including the same}A method for preparing a cathode active material for a lithium-sulfur battery, a cathode active material for a lithium-sulfur battery prepared thereby, and a lithium-sulfur battery comprising the same thereby and lithium sulfur battery including the same}

본 발명은 리튬-황 전지용 양극 활물질에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 양극을 전도성화 하기 위하여 사용되는 탄소 구조체의 표면에 기공을 형성시킴으로써 전지의 초기 방전 용량을 향상시킬 수 있는, 리튬-황 전지용 양극 활물질의 제조방법, 이에 의해 제조되는 리튬-황 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬-황 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a positive active material for a lithium-sulfur battery, and more particularly, to a lithium-sulfur battery, which can improve the initial discharge capacity of the battery by forming pores on the surface of a carbon structure used to make the positive electrode conductive A method of manufacturing a positive electrode active material, a positive electrode active material for a lithium-sulfur battery prepared thereby, and a lithium-sulfur battery including 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 가운데 리튬-황(Li-S) 전지는 높은 에너지 밀도를 가져, 리튬이온전지를 대체할 수 있는 차세대 이차전지로 각광 받고 있다. 이와 같은 리튬-황 전지 내에서는, 방전 시 황의 환원 반응과 리튬 메탈의 산화반응이 일어나며, 이 때, 황은 고리 구조의 S8로부터 선형 구조의 리튬 폴리설파이드(Li2S2, Li2S4, Li2S6, Li2S8)를 형성하게 되는데, 이러한 리튬-황 전지는 폴리설파이드(Polysulfide, PS)가 완전히 Li2S로 환원되기까지 단계적 방전 전압을 나타내는 것이 특징이다.Among these electrochemical devices, a lithium-sulfur (Li-S) battery has a high energy density and is spotlighted as a next-generation secondary battery that can replace lithium-ion batteries. In such a lithium-sulfur battery, a reduction reaction of sulfur and an oxidation reaction of lithium metal occur during discharge, and at this time, sulfur is converted from S 8 of a ring structure to lithium polysulfide (Li 2 S 2 , Li 2 S 4 , Li 2 S 6 , Li 2 S 8 ) is formed. This lithium-sulfur battery is characterized by exhibiting a step-by-step discharge voltage until polysulfide (PS) is completely reduced to Li 2 S.

하지만, 리튬-황 전지의 황 양극은 비전도성이기 때문에, 전도성의 카본과 고분자의 복합체로 양극 활물질을 구성하는 리튬-황 전지의 사용이 점차 증가하는 추세이다. 그러나, 리튬-황 전지는 최종 반응 생성물인 Li2S가 S에 비해 부피가 증가하면서 전극 구조를 변화시키고, 중간 생성물인 폴리설파이드는 전해질에 쉽게 용해되기 때문에 방전 반응 중에 지속적으로 녹아 나와 양극 활물질의 양이 감소한다. 결국, 전지 퇴화가 가속되어 전지의 장기적 안정성을 확보할 수 없게 된다. 이를 해결하기 위해, 황-탄소 복합체를 양극으로 하고, 양극 내 탄소 구조체의 기공 내부에 황을 담지할 때 기공의 구조를 키워 황의 담지 함량을 증가시키고, 폴리설파이드의 용출을 기공 내로 트래핑(trapping)하는 연구가 진행 중이다.However, since the sulfur positive electrode of the lithium-sulfur battery is non-conductive, the use of the lithium-sulfur battery, which is a composite of conductive carbon and polymer, which constitutes the positive electrode active material, is gradually increasing. However, in a lithium-sulfur battery, the final reaction product, Li 2 S, changes the electrode structure as its volume increases compared to S, and polysulfide, an intermediate product, is easily dissolved in the electrolyte. quantity decreases. As a result, battery degradation is accelerated and long-term stability of the battery cannot be ensured. In order to solve this problem, the sulfur-carbon composite is used as the anode, and when sulfur is supported inside the pores of the carbon structure in the cathode, the structure of the pores is increased to increase the supported content of sulfur, and the elution of polysulfide is trapped into the pores. research is in progress.

한편, 황-탄소 복합체 양극의 탄소 구조체 기공 구조를 증가시키는 등의 기공 크기 제어는, 탄소 표면의 비정질 층(amorphous layer)에 defect을 주어 탄소를 국소적으로 산화시킴으로써 가능하다. 이의 방법으로는, 수산화칼륨 용액(KOH solution)을 첨가한 후 열처리 하거나(구체적으로, KOH와 혼합 비활성 기체 분위기에서 열처리하여 K가 환원되며 탄소를 부분적으로 산화시키고, 이후 K를 세척하여 기공 생성), 이산화탄소(CO2) 가스를 흘려주며 열처리 하는 방법이 있다. 하지만, 수산화칼륨 용액을 이용하는 공정은 습식(wet) 공정이기 때문에, 세척(washing) 후 건조 과정이 추가되어 대량 합성이 어렵다는 단점이 있다. 따라서, 탄소 구조체 기공의 크기 제어에 이산화탄소 가스는 사용하되, 비표면적 및 기공의 부피를 보다 증가시켜 전지의 초기 방전 용량을 향상시킬 수 있는 방법의 모색이 필요하다.On the other hand, pore size control such as increasing the carbon structure pore structure of the sulfur-carbon composite anode is possible by locally oxidizing carbon by giving a defect to an amorphous layer on the carbon surface. As a method for this, heat treatment is performed after adding potassium hydroxide solution (KOH solution) (specifically, K is reduced by heat treatment in an inert gas atmosphere mixed with KOH to partially oxidize carbon, and then wash K to create pores) , there is a method of heat treatment while flowing carbon dioxide (CO 2 ) gas. However, since the process using the potassium hydroxide solution is a wet process, there is a disadvantage in that mass synthesis is difficult because a drying process is added after washing. Therefore, it is necessary to find a method for improving the initial discharge capacity of the battery by using carbon dioxide gas to control the size of the pores of the carbon structure, but by further increasing the specific surface area and the volume of the pores.

따라서, 본 발명의 목적은, 양극을 전도성화 하기 위하여 사용되는 탄소 구조체에 CO2/O2 혼합 가스를 흘려주어, 탄소 구조체의 비표면적과 기공 부피를 증가시켜 전지의 초기 방전 용량을 향상시킬 수 있는, 리튬-황 전지용 양극 활물질의 제조방법, 이에 의해 제조되는 리튬-황 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬-황 전지를 제공하는 것이다.Therefore, an object of the present invention is to increase the specific surface area and pore volume of the carbon structure by flowing a CO 2 /O 2 mixed gas to the carbon structure used to conduct the positive electrode, thereby improving the initial discharge capacity of the battery. It is to provide a method for producing a cathode active material for a lithium-sulfur battery, a cathode active material for a lithium-sulfur battery prepared thereby, and a lithium-sulfur battery including the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, a) 탄소계 화합물을 포함하는 탄소 구조체를 형성하는 단계; 및 b) 상기 형성된 탄소 구조체에 CO2/O2 혼합 가스를 공급하며 열처리하여, 상기 탄소 구조체의 표면에 기공을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 기공이 형성된 탄소 구조체의 비표면적은 10 내지 2,000 m2/g인 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지용 양극 활물질의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, a) forming a carbon structure comprising a carbon-based compound; and b) supplying a CO 2 /O 2 mixed gas to the formed carbon structure and performing heat treatment to form pores on the surface of the carbon structure; including, wherein the specific surface area of the carbon structure in which the pores are formed is 10 to 2,000 m 2 /g, it provides a method for producing a positive active material for a lithium-sulfur battery.

또한, 본 발명은, 상기 리튬-황 전지용 양극 활물질의 제조방법에 의해 제조되는 것으로서, 황이 담지되도록 표면에 기공이 형성된 탄소 구조체를 포함하며, 상기 탄소 구조체의 비표면적은 10 내지 2,000 m2/g인 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지용 양극 활물질을 제공한다.In addition, the present invention, as produced by the method for producing a cathode active material for a lithium-sulfur battery, includes a carbon structure in which pores are formed on the surface to support sulfur, and the specific surface area of the carbon structure is 10 to 2,000 m 2 /g It provides a cathode active material for a lithium-sulfur battery, characterized in that.

또한, 본 발명은, 상기 리튬-황 전지용 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극, 상기 양극과 음극의 사이에 개재되는 전해질 및 분리막을 포함하는 리튬-황 전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a lithium-sulfur battery including a positive electrode including the positive electrode active material for a lithium-sulfur battery, a negative electrode, an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a separator.

본 발명에 따른 리튬-황 전지용 양극 활물질의 제조방법, 이에 의해 제조되는 리튬-황 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬-황 전지에 의하면, 양극을 전도성화 하기 위하여 사용되는 탄소 구조체에 CO2/O2 혼합 가스를 흘려주어, 탄소 구조체의 비표면적과 기공 부피를 증가시켜 전지의 초기 방전 용량을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 리튬-황 전지용 양극 활물질의 제조방법은, 그 공정이 간단하여 대량 합성이 가능하다는 장점도 가지고 있다.According to the method for manufacturing a positive electrode active material for a lithium-sulfur battery according to the present invention, a positive electrode active material for a lithium-sulfur battery prepared thereby, and a lithium-sulfur battery comprising the same, CO 2 /O in the carbon structure used to make the positive electrode conductive 2 By flowing the mixed gas, the initial discharge capacity of the battery can be improved by increasing the specific surface area and pore volume of the carbon structure. In addition, the method for manufacturing a cathode active material for a lithium-sulfur battery according to the present invention has an advantage that the process is simple and mass synthesis is possible.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 LD-CNT의 SEM 이미지(a)와 비교예에 따라 제조된 LD-CNT의 SEM 이미지(b)이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬-황 전지의 방전 용량 유지율을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬-황 전지의 리튬 폴리설파이드 흡착 정도를 보여주는 그래프이다.
1 is an SEM image (a) of an LD-CNT prepared according to an embodiment of the present invention and an SEM image (b) of an LD-CNT prepared according to a comparative example.
2 is a graph showing the discharge capacity retention rate of lithium-sulfur batteries prepared according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
3 is a graph showing the degree of adsorption of lithium polysulfide in lithium-sulfur batteries prepared according to Examples and Comparative Examples of the present invention.

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

본 발명에 따른 리튬-황 전지용 양극 활물질의 제조방법은, a) 탄소계 화합물을 포함하는 탄소 구조체를 형성하는 단계 및 b) 상기 형성된 탄소 구조체에 CO2/O2 혼합 가스를 공급하며 열처리하여, 상기 탄소 구조체의 표면에 기공을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 기공이 형성된 탄소 구조체의 비표면적은 10 내지 2,000 m2/g인 것을 특징으로 한다.The method for manufacturing a cathode active material for a lithium-sulfur battery according to the present invention comprises the steps of: a) forming a carbon structure including a carbon - based compound; and forming pores on the surface of the carbon structure, wherein the specific surface area of the carbon structure in which the pores are formed is 10 to 2,000 m 2 /g.

상기 탄소 구조체는 리튬-황 전지에 적용되는 황-탄소 복합체 양극을 구성하는 것으로서, 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene) 및 그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO) 등, CO2/O2 혼합 가스의 공급 및 열처리 시 표면에 기공이 형성되는 탄소계 화합물이라면 특별한 제한 없이 적용될 수 있다. 또한, 상기 탄소 구조체는 리튬-황 전지로의 적용이 가능만 하다면 그 형태에는 특별한 제한이 없다. 그밖에, 상기 탄소 구조체는, 상기 탄소계 화합물 이외에 무기계 금속 화합물 및 유기 고분자 물질 등의 첨가제를 필요에 따라 더 포함할 수 있다. 한편, 상기 탄소 구조체의 형성에는, 통상적인 탄소나노튜브, 그래핀 또는 그래핀 옥사이드 등의 탄소계 화합물 제조방법이 그대로 준용될 수 있다.The carbon structure constitutes a sulfur-carbon composite positive electrode applied to a lithium-sulfur battery, carbon nanotube (CNT), graphene and graphene oxide (GO), etc., CO 2 /O 2 Any carbon-based compound in which pores are formed on the surface during the supply and heat treatment of the mixed gas may be applied without particular limitation. In addition, the carbon structure is not particularly limited in its form as long as it can be applied to a lithium-sulfur battery. In addition, the carbon structure may further include additives such as an inorganic metal compound and an organic polymer material in addition to the carbon-based compound, if necessary. On the other hand, in the formation of the carbon structure, a conventional method for producing a carbon-based compound such as carbon nanotube, graphene, or graphene oxide may be applied mutatis mutandis.

이와 같이 탄소 구조체가 형성되면, 상기 탄소 구조체의 표면에 기공을 형성하기 위한 공정이 수행된다. 이를 위해서는, 먼저 상기 탄소 구조체에 CO2와 O2를 포함하는 혼합 가스를 흘려주어야(또는, 공급하여야) 한다. 여기서, 상기 CO2와 O2의 혼합비는 부피비로서 7 ~ 9 : 1 ~ 3, 바람직하게는 7.5 ~ 8.5 : 1.5 ~ 2.5, 더욱 바람직하게는 약 8 : 2일 수 있으며, 상기 CO2와 O2의 혼합비가 상기 범위를 벗어날 경우에는, 본 발명이 목적으로 하는 탄소 구조체 표면의 비표면적이나 기공의 부피에 도달하지 못할 우려가 있다.When the carbon structure is formed in this way, a process for forming pores on the surface of the carbon structure is performed. To this end, first, a mixed gas containing CO 2 and O 2 must be flowed (or supplied) to the carbon structure. Here, the mixing ratio of CO 2 and O 2 may be 7 to 9: 1 to 3, preferably 7.5 to 8.5: 1.5 to 2.5, more preferably about 8: 2 as a volume ratio, and the CO 2 and O 2 If the mixing ratio is out of the above range, there is a fear that the specific surface area of the surface of the carbon structure or the volume of pores targeted by the present invention may not be reached.

상기와 같은 혼합 가스를 상기 탄소 구조체에 흘려주는 동시에 열처리가 수행됨으로써, 본 발명에 따른 리튬-황 전지용 양극 활물질이 제조된다. 상기 열처리는 600 내지 850 ℃, 바람직하게는 650 내지 800 ℃, 더욱 바람직하게는 700 내지 750 ℃의 온도 하에서, 10 분 내지 3 시간, 바람직하게는 20 분 내지 2.5 시간, 더욱 바람직하게는 30 분 내지 2 시간 동안 수행될 수 있다. By flowing the mixed gas as described above to the carbon structure and performing heat treatment at the same time, the cathode active material for a lithium-sulfur battery according to the present invention is manufactured. The heat treatment is performed at a temperature of 600 to 850 °C, preferably 650 to 800 °C, more preferably 700 to 750 °C, for 10 minutes to 3 hours, preferably 20 minutes to 2.5 hours, more preferably 30 minutes to It can be carried out for 2 hours.

이상의 CO2/O2 혼합 가스의 공급 및 열처리가 수행되면, 탄소 구조체 표면에 defect를 가하게 되고, 산화된 탄소는 날아가 탄소 구조체 표면에 기공(pore)이 형성된다. 이는, 기존 CO2 가스만을 이용하여 탄소 구조체의 표면에 기공을 형성하던 방법 대비, 탄소 구조체 표면의 기공 부피와 비표면적이 증가하는 본 발명 고유의 양극 활물질 제법인 것이다.When the above CO 2 /O 2 mixed gas is supplied and heat treatment is performed, a defect is applied to the surface of the carbon structure, and the oxidized carbon is blown away to form pores on the surface of the carbon structure. This is a method of forming pores on the surface of a carbon structure using only CO 2 gas, a method of producing a cathode active material unique to the present invention in which the pore volume and specific surface area of the surface of the carbon structure are increased.

즉, 다시 말해, 본 발명은 CO2의 산화력을 이용하여 탄소를 국소적으로 산화시키는 하기 반응식 1과 같은 기작에, 탄소를 연소시키는 하기 반응식 2 또는 3과 같은 기작을 부가한 것으로서, 탄소 구조체 표면에 형성된 기공 내부에 황(S)을 균일하고 안정적으로 담지하는 것이 가능하기 때문에, 궁극적으로는 리튬-황 전지의 초기 방전 용량을 증가시킬 수 있다. That is, in other words, the present invention adds a mechanism such as the following Reaction Scheme 2 or 3 for burning carbon to a mechanism such as the following Reaction Scheme 1 for locally oxidizing carbon using the oxidizing power of CO 2 , the carbon structure surface Since it is possible to uniformly and stably support sulfur (S) inside the pores formed in the , it is possible to ultimately increase the initial discharge capacity of the lithium-sulfur battery.

[반응식 1][Scheme 1]

C + CO2 → 2COC + CO 2 → 2CO

[반응식 2][Scheme 2]

2C + O2 → 2CO2C + O 2 → 2CO

[반응식 3][Scheme 3]

C + O2 → CO2 C + O 2 → CO 2

뿐만 아니라, 본 발명은 수산화칼륨 용액(KOH solution)을 이용하던 기존의 공정과 달리 세척 후 건조하는 과정이 없고, 가스를 흘려주는 동시에 열처리하는 단일 공정이므로, 대량 합성이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 한편, 상기 기공의 직경은 20 내지 2,000 Å이다. 또한, 이와 같은 기공에 의해, 상기 (기공이 형성된) 탄소 구조체의 비표면적은 10 내지 2,000 m2/g, 바람직하게는 50 내지 1,000 m2/g일 수 있다.In addition, the present invention has the advantage that mass synthesis is possible because there is no drying process after washing, unlike the existing process using potassium hydroxide solution (KOH solution), and it is a single process of heat treatment while flowing gas. On the other hand, the diameter of the pores is 20 to 2,000 Å. In addition, due to the pores, the specific surface area of the (pore-formed) carbon structure may be 10 to 2,000 m 2 /g, preferably 50 to 1,000 m 2 /g.

다음으로, 상기 리튬-황 전지용 양극 활물질의 제조방법에 의해 제조되는 리튬-황 전지용 양극 활물질에 대하여 설명한다. 상기 리튬-황 전지용 양극 활물질은, 황이 담지되도록 표면에 기공이 형성된 탄소 구조체를 포함하며, 상기 탄소 구조체의 비표면적은 10 내지 2,000 m2/g인 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 탄소 구조체 및 기공에 대한 설명은, 전술한 바를 준용한다.Next, a cathode active material for a lithium-sulfur battery prepared by the method for preparing a cathode active material for a lithium-sulfur battery will be described. The cathode active material for a lithium-sulfur battery includes a carbon structure in which pores are formed on the surface to support sulfur, and the carbon structure has a specific surface area of 10 to 2,000 m 2 /g. Here, the description of the carbon structure and the pores is applied mutatis mutandis as described above.

마지막으로, 상기 리튬-황 전지용 양극 활물질을 포함하는 리튬-황 전지에 대하여 설명하면, 상기 리튬-황 전지는, 상기 리튬-황 전지용 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극, 상기 양극과 음극의 사이에 개재되는 전해질 및 분리막을 포함한다. 상기 양극 활물질의 함량은 상기 양극(양극재) 100 중량부에 대하여 50 내지 90 중량부, 바람직하게는 60 내지 80 중량부일 수 있다. 상기 양극 활물질의 함량이 양극 전체 중량 100 중량부에 대하여 50 중량부 미만이면 양극 활물질에 의한 전지의 전기화학적 특성이 저하되고, 90 중량부를 초과하면 바인더 및 도전재와 같은 추가적인 구성 성분이 소량으로 포함될 수 있어 효율적인 전지의 제조가 어려울 수 있다.Finally, when describing the lithium-sulfur battery including the positive electrode active material for the lithium-sulfur battery, the lithium-sulfur battery includes a positive electrode and a negative electrode including the positive electrode active material for a lithium-sulfur battery, and between the positive electrode and the negative electrode. It includes an electrolyte and a separator interposed therebetween. The content of the positive electrode active material may be 50 to 90 parts by weight, preferably 60 to 80 parts by weight, based on 100 parts by weight of the positive electrode (positive electrode material). If the content of the positive active material is less than 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode, the electrochemical properties of the battery due to the positive active material are lowered, and when it exceeds 90 parts by weight, additional components such as binders and conductive materials are included in a small amount. Therefore, it may be difficult to manufacture an efficient battery.

한편, 상기 양극 활물질을 제외한 양극의 제반 구성, 음극, 전해질 및 분리막은 당업계에서 사용하는 통상의 것일 수 있으며, 이하, 이들에 대한 구체적인 설명을 하도록 한다.On the other hand, the general configuration of the positive electrode, except for the positive electrode active material, the negative electrode, the electrolyte, and the separator may be conventional ones used in the art, and a detailed description thereof will be given below.

[양극][anode]

본 발명의 리튬-황 전지에 포함되는 양극은, 전술한 양극 활물질 이외에 바인더 및 도전재 등을 더 포함한다. 상기 바인더는 양극 활물질과 도전재 등의 결합 및 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 예컨대, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드-폴리헥사플루오로프로필렌 공중합체(PVdF/HFP), 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알코올, 폴리비닐에테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌옥사이드, 알킬화 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌, 폴리메틸(메트)아크릴레이트, 폴리에틸(메트)아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리비닐피롤리돈, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM) 고무, 술폰화 EPDM 고무, 스틸렌-부틸렌 고무, 불소 고무, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The positive electrode included in the lithium-sulfur battery of the present invention further includes a binder and a conductive material in addition to the above-described positive electrode active material. The binder is a component that assists in bonding between the positive electrode active material and the conductive material and bonding to the current collector, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-polyhexafluoropropylene copolymer (PVdF / HFP), polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyvinyl ether, polyethylene, polyethylene oxide, alkylated polyethylene oxide, polypropylene, polymethyl (meth) acrylate, polyethyl (meth) acrylate, polytetrafluoroethylene (PTFE) ), polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polyvinylpyridine, polyvinylpyrrolidone, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber, sulfonated EPDM rubber, styrene - At least one selected from the group consisting of butylene rubber, fluororubber, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, and mixtures thereof may be used, but must be The present invention is not limited thereto.

상기 바인더는 통상적으로 양극 총 중량 100 중량부를 기준으로 1 내지 50 중량부, 바람직하게는 3 내지 15 중량부 첨가된다. 상기 바인더의 함량이 1 중량부 미만이면 양극 활물질과 집전체와의 접착력이 불충분해질 수 있고, 50 중량부를 초과하면 접착력은 향상되지만 그만큼 양극 활물질의 함량이 감소하여 전지 용량이 낮아질 수 있다.The binder is typically added in an amount of 1 to 50 parts by weight, preferably 3 to 15 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode. If the content of the binder is less than 1 part by weight, the adhesive force between the positive electrode active material and the current collector may be insufficient, and if it exceeds 50 parts by weight, the adhesive strength may be improved, but the content of the positive electrode active material may decrease by that amount, thereby lowering the battery capacity.

상기 양극에 포함되는 도전재는 리튬 이차전지의 내부 환경에서 부반응을 유발하지 않고 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 우수한 전기전도성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 대표적으로는 흑연 또는 도전성 탄소를 사용할 수 있으며, 예컨대, 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 뎅카 블랙, 써멀 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 결정구조가 그라펜이나 그라파이트인 탄소계 물질; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화 아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 및 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 고분자;를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The conductive material included in the positive electrode is not particularly limited as long as it does not cause side reactions in the internal environment of the lithium secondary battery and has excellent electrical conductivity without causing chemical changes in the battery. Typically, graphite or conductive carbon may be used. and, for example, graphite such as natural graphite and artificial graphite; carbon black, such as carbon black, acetylene black, ketjen black, denka black, thermal black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; a carbon-based material having a crystal structure of graphene or graphite; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; carbon fluoride; metal powders such as aluminum and nickel powder; Conductive whiskey, such as zinc oxide and potassium titanate; conductive oxides such as titanium oxide; and conductive polymers such as polyphenylene derivatives; may be used alone or in mixture of two or more, but is not necessarily limited thereto.

상기 도전재는 통상적으로 양극 전체 중량 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 50 중량부, 바람직하게는 1 내지 30 중량부로 첨가된다. 도전재의 함량이 0.5 중량부 미만으로 너무 적으면 전기전도성 향상 효과를 기대하기 어렵거나 전지의 전기화학적 특성이 저하될 수 있으며, 도전재의 함량이 50 중량부를 초과하여 너무 많으면 상대적으로 양극 활물질의 양이 적어져 용량 및 에너지 밀도가 저하될 수 있다. 양극에 도전재를 포함시키는 방법은 크게 제한되지 않으며, 양극 활물질에의 코팅 등 당분야에 공지된 통상적인 방법을 사용할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 양극 활물질에 도전성의 제2 피복층이 부가됨으로 인해 상기와 같은 도전재의 첨가를 대신할 수도 있다.The conductive material is typically added in an amount of 0.5 to 50 parts by weight, preferably 1 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode. If the content of the conductive material is too small, less than 0.5 parts by weight, it is difficult to expect the effect of improving the electrical conductivity or the electrochemical properties of the battery may be deteriorated. less, and thus capacity and energy density may be lowered. A method of including the conductive material in the positive electrode is not particularly limited, and a conventional method known in the art, such as coating on the positive electrode active material, may be used. In addition, if necessary, since the second conductive coating layer is added to the positive electrode active material, the addition of the conductive material as described above may be substituted.

또한, 본 발명의 양극에는 그 팽창을 억제하는 성분으로서 충진제가 선택적으로 첨가될 수 있다. 이러한 충진제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전극의 팽창을 억제할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소 섬유 등의 섬유상 물질; 등을 사용할 수 있다.In addition, a filler may be selectively added to the positive electrode of the present invention as a component for suppressing its expansion. Such a filler is not particularly limited as long as it can suppress the expansion of the electrode without causing a chemical change in the battery, and for example, an olipine-based polymer such as polyethylene or polypropylene; fibrous materials such as glass fiber and carbon fiber; etc. can be used.

상기 양극 활물질, 바인더 및 도전재 등을 분산매(용매)에 분산, 혼합시켜 슬러리를 만들고, 이를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연함으로써, 본 발명의 양극을 제조할 수 있다. 상기 분산매로는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone), DMF(Dimethyl formamide), DMSO(Dimethyl sulfoxide), 에탄올, 이소프로판올, 물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The positive electrode of the present invention may be manufactured by dispersing and mixing the positive electrode active material, the binder, and the conductive material in a dispersion medium (solvent) to make a slurry, coating it on the positive electrode current collector, and drying and rolling. As the dispersion medium, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethyl formamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), ethanol, isopropanol, water, and mixtures thereof may be used, but is not limited thereto.

상기 양극 집전체로는 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 알루미늄(Al), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 카본(C), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), ITO(In doped SnO2), FTO(F doped SnO2), 및 이들의 합금과, 알루미늄(Al) 또는 스테인리스스틸의 표면에 카본(C), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 또는 은(Ag)을 표면 처리한 것 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 양극 집전체의 형태는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포체 등의 형태일 수 있다.As the positive electrode current collector, platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), iridium (Ir), silver (Ag), ruthenium (Ru), nickel (Ni), stainless steel (STS), aluminum (Al) ), molybdenum (Mo), chromium (Cr), carbon (C), titanium (Ti), tungsten (W), ITO (In doped SnO 2 ), FTO (F doped SnO 2 ), and alloys thereof , aluminum (Al) or stainless steel surface treated with carbon (C), nickel (Ni), titanium (Ti) or silver (Ag) may be used, but the present invention is not limited thereto. The shape of the positive electrode current collector may be in the form of a foil, a film, a sheet, a punched body, a porous body, a foam, and the like.

[음극][cathode]

상기 음극은 해당 기술 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 예를 들어, 음극 활물질, 도전재, 바인더, 필요에 따라 충진제 등을 분산매(용매)에 분산, 혼합시켜 슬러리를 만들고, 이를 음극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 음극을 제조할 수 있다. 상기 음극 활물질로는 리튬 금속이나 리튬 합금(예컨대, 리튬과 알루미늄, 아연, 비스무스, 카드뮴, 안티몬, 실리콘, 납, 주석, 갈륨 또는 인듐 등과 같은 금속과의 합금)를 사용할 수 있다. 상기 음극 집전체로는 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 구리(Cu), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 카본(C), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), ITO(In doped SnO2), FTO(F doped SnO2), 및 이들의 합금과, 구리(Cu) 또는 스테인리스 스틸의 표면에 카본(C), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 또는 은(Ag)을 표면 처리한 것 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 음극 집전체의 형태는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포체 등의 형태일 수 있다.The negative electrode may be manufactured according to a conventional method known in the art. For example, a negative electrode active material, a conductive material, a binder, and if necessary, a filler, etc. are dispersed and mixed in a dispersion medium (solvent) to make a slurry, coated on the negative electrode current collector, and dried and rolled to manufacture a negative electrode. . As the anode active material, lithium metal or a lithium alloy (eg, an alloy of lithium and a metal such as aluminum, zinc, bismuth, cadmium, antimony, silicon, lead, tin, gallium, or indium) may be used. Examples of the anode current collector include platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), iridium (Ir), silver (Ag), ruthenium (Ru), nickel (Ni), stainless steel (STS), and copper (Cu). ), molybdenum (Mo), chromium (Cr), carbon (C), titanium (Ti), tungsten (W), ITO (In doped SnO 2 ), FTO (F doped SnO 2 ), and alloys thereof , copper (Cu) or stainless steel surface treated with carbon (C), nickel (Ni), titanium (Ti) or silver (Ag) may be used, but the present invention is not limited thereto. The shape of the negative electrode current collector may be in the form of a foil, a film, a sheet, a punched one, a porous body, a foam, and the like.

[분리막][Separator]

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되어 이들 사이의 단락을 방지하고 리튬이온의 이동 통로를 제공하는 역할을 한다. 상기 분리막으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 올레핀계 폴리머, 유리섬유 등을 시트, 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포 등의 형태로 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질(예컨대, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등)이 사용되는 경우에는 상기 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 구체적으로는, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막을 사용한다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 내지 10 ㎛, 두께는 일반적으로 5 내지 300 ㎛ 범위일 수 있다.The separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit therebetween and serves to provide a passage for lithium ions to move. As the separator, an olefin-based polymer such as polyethylene or polypropylene, glass fiber, or the like may be used in the form of a sheet, a multi-membrane, a microporous film, a woven fabric, or a non-woven fabric, but is not necessarily limited thereto. On the other hand, when a solid electrolyte such as a polymer (eg, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, etc.) is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator. Specifically, an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. The pore diameter of the separator is generally in the range of 0.01 to 10 μm, and the thickness is generally in the range of 5 to 300 μm.

[전해질][electrolyte]

상기 전해질 또는 전해액으로는 비수계 전해액(비수계 유기 용매)으로서 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤을 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, γ-부틸로락톤, n-메틸 아세테이트, n-에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 인산 트리에스테르, 디부틸 에테르, N-메틸-2-피롤리디논, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(Franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란과 같은 테트라하이드로푸란 유도체, 디메틸설폭시드, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런 및 그 유도체, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산 메틸, 트리메톡시 메탄, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기 용매가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.As the electrolyte or electrolyte, carbonate, ester, ether, or ketone as a non-aqueous electrolyte (non-aqueous organic solvent) may be used alone or in combination of two or more, but is not necessarily limited thereto. For example, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate, methylpropyl carbonate, ethylpropyl carbonate, methylethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, γ-butyrolactone, n-methyl acetate, n- such as ethyl acetate, n-propyl acetate, phosphoric acid triester, dibutyl ether, N-methyl-2-pyrrolidinone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran Tetrahydrofuran derivatives, dimethyl sulfoxide, formamide, dimethylformamide, dioxolane and its derivatives, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, trimethoxymethane, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3 -Dimethyl-2-imidazolidinone, methyl propionate, an aprotic organic solvent such as ethyl propionate may be used, but is not necessarily limited thereto.

상기 전해액에는 리튬염을 더 첨가하여 사용할 수 있으며(이른바, 리튬염 함유 비수계 전해액), 상기 리튬염으로는 비수계 전해액에 용해되기 좋은 공지의 것, 예를 들어 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiPF3(CF2CF3)3, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 (비수계) 전해액에는 충/방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어 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, 에틸렌글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 필요에 따라서는, 불연성을 부여하기 위해 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온보존 특성을 향상시키기 위해 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.A lithium salt may be further added to the electrolyte solution (so-called lithium salt-containing non-aqueous electrolyte solution), and as the lithium salt, a known lithium salt that is well soluble in the non-aqueous electrolyte solution, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiPF 3 (CF 2 CF 3 ) 3 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, lithium chloroborane, lithium lower aliphatic carboxylate, lithium 4-phenyl borate, imide, and the like, but is not necessarily limited thereto. In the (non-aqueous) electrolyte, for the purpose of improving charge/discharge characteristics and flame retardancy, for example, pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, n-glyme, trihexaphosphate Amide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N,N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxyethanol, aluminum trichloride, etc. are added. it might be If necessary, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further included to impart incombustibility, and carbon dioxide gas may be further included to improve high-temperature storage characteristics.

본 발명의 리튬-황 전지는 당 분야의 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 예를 들어, 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막을 넣고, 비수 전해액을 투입함으로써 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 리튬-황 전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지 셀에 적용됨은 물론, 중대형 디바이스의 전원인 전지모듈의 단위전지로 특히 적합하게 사용될 수 있다. 이러한 측면에서, 본 발명은 또한 상기 리튬-황 전지 2개 이상이 전기적으로 연결(직렬 또는 병렬)되어 포함된 전지모듈을 제공한다. 상기 전지모듈에 포함되는 리튬-황 전지의 수량은, 전지모듈의 용도 및 용량 등을 고려하여 다양하게 조절될 수 있음은 물론이다.The lithium-sulfur battery of the present invention may be manufactured according to a conventional method in the art. For example, it can be prepared by putting a porous separator between the positive electrode and the negative electrode and introducing a non-aqueous electrolyte. The lithium-sulfur battery according to the present invention is not only applied to a battery cell used as a power source for a small device, but can be particularly suitably used as a unit cell for a battery module, which is a power source for a medium or large device. In this aspect, the present invention also provides a battery module including two or more of the lithium-sulfur batteries are electrically connected (series or parallel). Of course, the quantity of lithium-sulfur batteries included in the battery module may be variously adjusted in consideration of the use and capacity of the battery module.

나아가, 본 발명은 당 분야의 통상적인 기술에 따라 상기 전지모듈을 전기적으로 연결한 전지팩을 제공한다. 상기 전지모듈 및 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용 가능하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Furthermore, the present invention provides a battery pack electrically connected to the battery module according to a conventional technique in the art. The battery module and the battery pack is a power tool (Power Tool); electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); electric truck; electric commercial vehicle; Alternatively, it may be used as a power source for any one or more medium or large devices among power storage systems, but is not limited thereto.

이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이는 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 embodiments are presented to aid the understanding of the present invention, but these are merely illustrative of the present invention, and it is apparent to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention, such changes and It goes without saying that the modifications fall within the scope of the appended claims.

[실시예 1] LD-CNT를 이용한 양극 활물질의 제조 [Example 1] Preparation of positive electrode active material using LD-CNT

먼저, 직경이 약 100 nm인 대구경 탄소나노튜브(LD-CNT, 탄소 구조체)를 소성로에 공급한 후, 여기에 CO2와 O2의 혼합비가 부피비로서 8 : 2인 CO2/O2 혼합 가스(월드에너시스社)를 100 cc/min의 속도로 흘려주며 700 ℃에서 30 분간 열처리를 하여, LD-CNT의 표면에 기공이 형성된 리튬-황 전지용 양극 활물질을 제조하였다.First, a large-diameter carbon nanotube (LD-CNT, carbon structure) having a diameter of about 100 nm is supplied to the kiln, and then a CO 2 /O 2 mixed gas in which the mixing ratio of CO 2 and O 2 is 8: 2 by volume. (World Energies) was flowed at a rate of 100 cc/min and heat-treated at 700° C. for 30 minutes to prepare a cathode active material for a lithium-sulfur battery in which pores were formed on the surface of the LD-CNT.

[실시예 2] LD-CNT를 이용한 양극 활물질의 제조 [Example 2] Preparation of positive electrode active material using LD-CNT

열처리 온도를 700 ℃에서 750 ℃로 승온한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, LD-CNT의 표면에 기공이 형성된 리튬-황 전지용 양극 활물질을 제조하였다.A cathode active material for a lithium-sulfur battery in which pores were formed on the surface of the LD-CNT was prepared in the same manner as in Example 1, except that the heat treatment temperature was increased from 700 °C to 750 °C.

[실시예 3] CNT를 이용한 양극 활물질의 제조 [Example 3] Preparation of a cathode active material using CNTs

대구경 탄소나노튜브(LD-CNT) 대신 직경이 약 20 nm인 일반 탄소나노튜브(CNT)를 적용하고, 2 시간 동안 열처리한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, CNT의 표면에 기공이 형성된 리튬-황 전지용 양극 활물질을 제조하였다.In the same manner as in Example 1, except that a general carbon nanotube (CNT) having a diameter of about 20 nm was applied instead of a large-diameter carbon nanotube (LD-CNT) and heat-treated for 2 hours, the surface of the CNT A cathode active material for a lithium-sulfur battery in which pores were formed was prepared.

[실시예 4] CNT를 이용한 양극 활물질의 제조 [Example 4] Preparation of a cathode active material using CNTs

대구경 탄소나노튜브(LD-CNT) 대신 직경이 약 20 nm인 일반 탄소나노튜브(CNT)를 적용하고, 750 ℃의 온도로 열처리한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, CNT의 표면에 기공이 형성된 리튬-황 전지용 양극 활물질을 제조하였다.In the same manner as in Example 1, except that a general carbon nanotube (CNT) having a diameter of about 20 nm was applied instead of a large-diameter carbon nanotube (LD-CNT) and heat-treated at a temperature of 750 ° C. A cathode active material for a lithium-sulfur battery in which pores were formed on the surface of was prepared.

[비교예 1] LD-CNT를 이용한 양극 활물질의 제조 [Comparative Example 1] Preparation of positive active material using LD-CNT

CO2/O2 혼합 가스의 공급 및 열처리 없이, 직경이 약 100 nm인 대구경 탄소나노튜브(LD-CNT)를 포함하는 리튬-황 전지용 양극 활물질을 제조하였다.A cathode active material for a lithium-sulfur battery including a large-diameter carbon nanotube (LD-CNT) having a diameter of about 100 nm was prepared without supplying a CO 2 /O 2 mixed gas and heat treatment.

[비교예 2] CNT를 이용한 양극 활물질의 제조 [Comparative Example 2] Preparation of a cathode active material using CNTs

CO2/O2 혼합 가스의 공급 및 열처리 없이, 직경이 약 20 nm인 일반 탄소나노튜브(CNT)를 포함하는 리튬-황 전지용 양극 활물질을 제조하였다.A cathode active material for a lithium-sulfur battery including a general carbon nanotube (CNT) having a diameter of about 20 nm was prepared without supply of a CO 2 /O 2 mixed gas and heat treatment.

[실험예 1] 양극 활물질의 비표면적 및 기공 부피 평가 [Experimental Example 1] Evaluation of specific surface area and pore volume of positive active material

상기 실시예 1 내지 4, 비교예 1 및 2를 통하여 제조된 양극 활물질의 비표면적(BET 표면적)과 기공 부피를 각각 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The specific surface area (BET surface area) and pore volume of the positive active materials prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 were respectively measured, and the results are shown in Table 1 below.

BET surface area(m2/g)BET surface area (m 2 /g) Total pore volume(cm3/g)Total pore volume(cm 3 /g) 실시예 1Example 1 29.529.5 0.200.20 실시예 2Example 2 27.627.6 0.190.19 실시예 3Example 3 217217 1.561.56 실시예 4Example 4 264264 1.451.45 비교예 1Comparative Example 1 17.917.9 0.10.1 비교예 2Comparative Example 2 181181 1.371.37

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, LD-CNT를 이용한 양극 활물질의 경우, CO2/O2 혼합 가스의 공급 및 열처리 공정을 수행한 실시예 1 및 2는, 그렇지 않은 비교예 1에 비하여 비표면적 및 총 기공 부피 모두 증가한 것을 확인할 수 있었다. 또한, CNT를 이용한 양극 활물질의 경우에도, CO2/O2 혼합 가스의 공급 및 열처리 공정을 수행한 실시예 3 및 4는, 그렇지 않은 비교예 2에 비하여 비표면적 및 총 기공 부피 모두 증가한 것을 확인할 수 있었다.As shown in Table 1, in the case of a positive electrode active material using LD-CNT, Examples 1 and 2 in which the CO 2 /O 2 mixed gas supply and heat treatment process were performed, compared to Comparative Example 1 where the specific surface area and It was confirmed that all of the total pore volume increased. In addition, even in the case of a cathode active material using CNT, it was confirmed that Examples 3 and 4, in which the supply of the CO 2 /O 2 mixed gas and the heat treatment process were performed, increased both the specific surface area and the total pore volume compared to Comparative Example 2, which is not. could

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 LD-CNT의 SEM 이미지(a)와 비교예에 따라 제조된 LD-CNT의 SEM 이미지(b)로서, 도 1의 a는 실시예 1에 해당하고, 도 1의 b는 비교예 1에 해당한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 LD-CNT 양극 활물질(도 1의 a)은, CO2/O2 혼합 가스의 공급 및 열처리를 하지 않은 LD-CNT 양극 활물질(도 1의 b)과 달리, 탄소나노튜브의 벽면에 기공이 형성된 것을 관찰할 수 있었다. 그밖에, CNT 양극 활물질을 이용한 경우에도 동일한 결과를 나타내었다.1 is an SEM image (a) of an LD-CNT prepared according to an embodiment of the present invention and an SEM image (b) of an LD-CNT prepared according to a comparative example, wherein a of FIG. 1 corresponds to Example 1. and, b of FIG. 1 corresponds to Comparative Example 1. As shown in FIG. 1, the LD-CNT positive active material prepared according to the present invention (FIG. 1 a) is a LD-CNT positive active material (FIG. 1) without supply of a CO 2 /O 2 mixed gas and heat treatment. Unlike b), it was observed that pores were formed on the wall surface of the carbon nanotubes. In addition, the same result was shown even when the CNT positive electrode active material was used.

[실시예 5~8, 비교예 3~4] 리튬-황 전지용 양극의 제조 [Examples 5 to 8, Comparative Examples 3 to 4] Preparation of positive electrode for lithium-sulfur battery

상기 실시예 1 내지 4, 비교예 1 및 2에서 각각 제조된 양극 활물질(탄소 구조체)과 황을 7 : 3의 중량비로 혼합한 후 155 ℃ Melt-diffusion 방식으로 황-탄소 복합체를 제조하였다. 이어서, 상기 제조된 황-탄소 복합체, 도전재로서 super-P 및 바인더로서 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)를 88 : 5 : 7의 중량비로 혼합하고, NMP 용매에 분산시켜 슬러리를 제조한 후, 이를 알루미늄 집전체(Al foil)에 500 ㎛의 두께로 코팅한 후, 120 ℃의 진공 오븐에서 13 시간 동안 건조하여 리튬-황 전지용 양극을 제조하였다.The cathode active material (carbon structure) prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, respectively, and sulfur were mixed in a weight ratio of 7:3, and then a sulfur-carbon composite was prepared by a melt-diffusion method at 155°C. Then, the prepared sulfur-carbon composite, super-P as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder were mixed in a weight ratio of 88:5:7 and dispersed in an NMP solvent to prepare a slurry, This was coated on an aluminum current collector (Al foil) to a thickness of 500 μm, and then dried in a vacuum oven at 120° C. for 13 hours to prepare a cathode for a lithium-sulfur battery.

[실시예 9~12, 비교예 5~6] 리튬-황 전지의 제조 [Examples 9 to 12, Comparative Examples 5 to 6] Preparation of lithium-sulfur batteries

상기 제조된 양극을 음극(Li metal foil)과 대면하도록 위치시킨 후, 그 사이에 폴리에틸렌 분리막을 개재시켰고, 이어서, 디메틸에테르 용매에 4 M 농도로 LiFSI가 용해된 전해액을 주입하여 리튬-황 전지를 제조하였다.After placing the prepared positive electrode to face the negative electrode (Li metal foil), a polyethylene separator was interposed therebetween, and then, an electrolyte solution in which LiFSI was dissolved at a concentration of 4 M in dimethyl ether solvent was injected to form a lithium-sulfur battery. prepared.

[실험예 2] 전지의 방전 용량 유지율 평가 [Experimental Example 2] Evaluation of battery discharge capacity retention rate

상기 실시예 12(실시예 4의 양극 활물질을 포함한 전지) 및 비교예 6에서 제조된 리튬-황 전지를 반복적으로 충/방전(충전: 0.1 C, 방전: 0.1 C)하여 전지의 방전 용량 유지율을 측정하였으며(1.5 V 까지 방전), 그 결과를 하기 표 2와 도 2에 나타내었다(Mg 함량은 ICP로 분석).The lithium-sulfur battery prepared in Example 12 (battery including the positive active material of Example 4) and Comparative Example 6 was repeatedly charged/discharged (charge: 0.1 C, discharge: 0.1 C) to increase the battery's discharge capacity retention rate was measured (discharged to 1.5 V), and the results are shown in Table 2 and FIG. 2 below (Mg content was analyzed by ICP).

1st 방전용량(mAh/g)1st discharge capacity (mAh/g) 2nd 방전용량(mAh/g)2nd Discharge capacity (mAh/g) 유지율(%)Retention (%) 실시예 12Example 12 11321132 10521052 9393 비교예 6Comparative Example 6 10801080 975975 90.290.2

도 2는 본 발명의 일 실시예(실시예 12) 및 비교예(비교예 6)에 따라 제조된 리튬-황 전지의 방전 용량 유지율을 보여주는 그래프로서, 도 2에 도시된 바, 그리고 표 2와 같이, 본 발명의 리튬-황 전지는 그렇지 않은 리튬-황 전지에 비하여 1차 방전 용량이 약 50 mAh/g 높은 것을 확인할 수 있었다.2 is a graph showing the discharge capacity retention rate of lithium-sulfur batteries prepared according to an embodiment (Example 12) and Comparative Example (Comparative Example 6) of the present invention, as shown in FIG. 2, and Table 2 Likewise, it was confirmed that the lithium-sulfur battery of the present invention had a primary discharge capacity of about 50 mAh/g higher than that of the other lithium-sulfur battery.

[실험예 3] 전지의 리튬 폴리설파이드 흡착 정도 평가 [Experimental Example 3] Evaluation of Lithium Polysulfide Adsorption Degree of Battery

도 3은 본 발명의 일 실시예(실시예 12) 및 비교예(비교예 6)에 따라 제조된 리튬-황 전지의 리튬 폴리설파이드 흡착 정도를 보여주는 그래프로서, Intensity가 낮을수록 농도가 낮음을 의미한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 리튬-황 전지는 그렇지 않은 리튬-황 전지 대비 리튬 폴리설파이드의 흡착도가 높았다.3 is a graph showing the degree of adsorption of lithium polysulfide in lithium-sulfur batteries prepared according to an embodiment (Example 12) and a comparative example (Comparative Example 6) of the present invention. The lower the intensity, the lower the concentration. do. As shown in FIG. 3 , the lithium-sulfur battery prepared according to the present invention had a higher degree of adsorption of lithium polysulfide than the non-lithium-sulfur battery.

이상과 같은 상기 실험예 2 및 3의 결과로 미루어 볼 때, 본 발명에 따라 CO2/O2 혼합 가스를 공급하고 열처리 공정을 수행할 경우, 양극 활물질의 비표면적과 기공 부피가 증가하게 되고, 이의 영향으로 리튬 폴리설파이드의 유출이 감소하여 방전 용량 유지율이 향상되는 것임을 알 수 있다.Judging from the results of Experimental Examples 2 and 3 as described above, when the CO 2 /O 2 mixed gas is supplied and the heat treatment process is performed according to the present invention, the specific surface area and pore volume of the positive electrode active material are increased, It can be seen that the discharge capacity retention rate is improved by reducing the leakage of lithium polysulfide due to this effect.

Claims (9)

a) 탄소계 화합물을 포함하는 탄소 구조체를 형성하는 단계; 및
b) 상기 형성된 탄소 구조체에 CO2/O2 혼합 가스를 공급하며 열처리하여, 상기 탄소 구조체의 표면에 기공을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 CO2와 O2의 혼합비는 부피비로서 7 ~ 9 : 1 ~ 3이고,
상기 탄소 구조체가 탄소나노튜브이며,
상기 기공이 형성된 탄소나노튜브의 비표면적이 27.6 내지 29.5 m2/g 또는 217 내지 264 m2/g으로서, 상기 기공이 형성된 탄소나노튜브의 비표면적이 27.6 내지 29.5 m2/g일 때의 기공 부피가 0.19 내지 0.20 cm3/g이고, 상기 기공이 형성된 탄소나노튜브의 비표면적이 217 내지 264 m2/g일 때의 기공 부피가 1.45 내지 1.56 cm3/g인 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지용 양극 활물질의 제조방법.
a) forming a carbon structure including a carbon-based compound; and
b) supplying a CO 2 /O 2 mixed gas to the formed carbon structure and performing heat treatment to form pores on the surface of the carbon structure; including,
The mixing ratio of the CO 2 and O 2 is 7 to 9: 1 to 3 as a volume ratio,
The carbon structure is a carbon nanotube,
When the specific surface area of the carbon nanotube having the pores is 27.6 to 29.5 m 2 /g or 217 to 264 m 2 /g, the specific surface area of the carbon nanotube having the pores is 27.6 to 29.5 m 2 /g Li- _ _ A method for producing a cathode active material for a sulfur battery.
청구항 1에 있어서, 상기 기공의 직경은 20 내지 2,000 Å인 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지용 양극 활물질의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the pores have a diameter of 20 to 2,000 Å. 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 열처리는 600 내지 850 ℃의 온도 하에서 10 분 내지 3 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지용 양극 활물질의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 600 to 850 °C for 10 minutes to 3 hours. 청구항 1의 리튬-황 전지용 양극 활물질의 제조방법에 의해 제조되는 것으로서,
황이 담지되도록 표면에 기공이 형성된 탄소 구조체를 포함하며,
상기 기공이 형성된 탄소 구조체가 탄소나노튜브이고,
상기 기공이 형성된 탄소나노튜브의 비표면적이 27.6 내지 29.5 m2/g 또는 217 내지 264 m2/g으로서, 상기 기공이 형성된 탄소나노튜브의 비표면적이 27.6 내지 29.5 m2/g일 때의 기공 부피가 0.19 내지 0.20 cm3/g이고, 상기 기공이 형성된 탄소나노튜브의 비표면적이 217 내지 264 m2/g일 때의 기공 부피가 1.45 내지 1.56 cm3/g인 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지용 양극 활물질.
As prepared by the method for producing a cathode active material for a lithium-sulfur battery of claim 1,
It includes a carbon structure in which pores are formed on the surface so that sulfur is supported,
The carbon structure in which the pores are formed is a carbon nanotube,
When the specific surface area of the carbon nanotube having the pores is 27.6 to 29.5 m 2 /g or 217 to 264 m 2 /g, the specific surface area of the carbon nanotube having the pores is 27.6 to 29.5 m 2 /g Li- _ _ A cathode active material for sulfur batteries.
청구항 6에 있어서, 상기 기공의 직경은 20 내지 2,000 Å인 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지용 양극 활물질.The positive active material for a lithium-sulfur battery according to claim 6, wherein the pores have a diameter of 20 to 2,000 Å. 삭제delete 청구항 6의 리튬-황 전지용 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극, 상기 양극과 음극의 사이에 개재되는 전해질 및 분리막을 포함하는 리튬-황 전지.A lithium-sulfur battery comprising a positive electrode comprising the positive electrode active material for a lithium-sulfur battery of claim 6, a negative electrode, an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a separator.
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