KR102468265B1 - Cathode active material for lithium secondary battery and pnaufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬이차전지용 양극 활물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 상기 양극 활물질은 금속 및 상기 금속과 배위 결합된 거대 분자를 포함하는 매트릭스, 판상의 탄소 소재 및 원소 황(Elemental sulfur)을 포함하고, 상기 매트릭스와 탄소 소재는 π-π 스태킹(π-π stacking)을 형성하여 결합되고, 상기 원소 황은 상기 매트릭스에 공유 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a cathode active material for a lithium secondary battery and a manufacturing method thereof. The cathode active material includes a matrix including a metal and macromolecules coordinated with the metal, a plate-shaped carbon material, and elemental sulfur, and the matrix and the carbon material are π-π stacking It is characterized in that the elemental sulfur is covalently bonded to the matrix.

Description

리튬이차전지용 양극 활물질 및 이의 제조방법{CATHODE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY AND PNAUFACTURING METHOD THEREOF}Cathode active material for lithium secondary battery and manufacturing method thereof

본 발명은 리튬이차전지용 양극 활물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode active material for a lithium secondary battery and a manufacturing method thereof.

에너지 밀도, 비용, 수명, 안전성 측면에서 리튬이온전지(Lithium ion battery)의 한계가 드러남에 따라 차세대 전지에 대한 관심이 높아지고 있다.As the limitations of lithium ion batteries are revealed in terms of energy density, cost, lifespan, and safety, interest in next-generation batteries is increasing.

다양한 후보 중 리튬-황 전지(Lithium-sulfur battery)는 이론적인 에너지 밀도가 약 2,600 Wh/kg에 이르기 때문에 고출력, 고에너지 밀도를 요구하는 기술 분야에서 많은 주목을 받고 있다.Among various candidates, a lithium-sulfur battery has a theoretical energy density of about 2,600 Wh/kg, so it is attracting much attention in the technology field requiring high power and high energy density.

리튬-황 전지는 유황을 양극 활물질로 사용하고 리튬 금속을 음극으로 사용하는 전지를 의미한다. 리튬-황 전지의 충방전 과정은 다음과 같다.A lithium-sulfur battery refers to a battery using sulfur as a positive electrode active material and lithium metal as a negative electrode. The charging and discharging process of the lithium-sulfur battery is as follows.

방전시 전자가 리튬 음극(Li metal)에서 양극으로 이동한다. 상기 전자는 양극 내에서 도전재를 따라 이동하다가 상기 도전재 표면에 인접한 유황과 결합한다. 양극 활물질인 유황은 이온 상태로 환원되고 리튬 이온과 결합하여 리튬 폴리설파이드(Lithium polysulfide, Li2Sn, 4<n<8)를 형성한다. 리튬 폴리설파이드는 리튬 이온과 계속 반응하여 리튬 음극의 표면에서 방전 생성물인 Li2S2/Li2S(Short-chain polysulfide)로 변한다.During discharge, electrons move from the lithium anode (Li metal) to the anode. The electrons move along the conductive material in the anode and combine with sulfur adjacent to the surface of the conductive material. Sulfur, a cathode active material, is reduced to an ionic state and combined with lithium ions to form lithium polysulfide (Li 2 S n , 4<n<8). Lithium polysulfide continuously reacts with lithium ions and turns into Li 2 S 2 /Li 2 S (short-chain polysulfide), which is a discharge product on the surface of the lithium anode.

충전시에는 역으로 산화 반응이 일어나 유황 이온이 형성되며, 유황 이온은 도전재 표면에서 전자를 잃어 유황으로 돌아간다.During charging, a reverse oxidation reaction occurs to form sulfur ions, which return to sulfur by losing electrons on the surface of the conductive material.

리튬-황 전지의 상용화를 위해서 극복해야 할 많은 기술적 과제가 존재한다. 먼저, 유황과 그 방전 생성물인 Li2S, Li2S2는 전기 절연체이므로 내부 저항을 증가시키므로 전환 속도가 낮아진다. 또한, 리튬 폴리설파이드가 액체 전해질에 녹아 확산 및 유출되는 셔틀링 현상(Shuttling effect)이 일어난다. 그리고 전지의 충방전시 유황의 부피 팽창 및 수축의 정도가 크기 때문에 안전성 측면에서도 보완이 필요하다.There are many technical challenges to overcome for the commercialization of lithium-sulfur batteries. First, since sulfur and its discharge products, Li 2 S and Li 2 S 2 , are electrical insulators, internal resistance is increased, and thus the conversion rate is lowered. In addition, a shuttling effect occurs in which lithium polysulfide is dissolved in the liquid electrolyte and diffused and outflowed. In addition, since the degree of volume expansion and contraction of sulfur during charging and discharging of the battery is large, it is necessary to supplement in terms of safety.

종래에는 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 리튬-황 전지의 양극에 탄소나노구조체를 첨가하거나, 리튬 폴리설파이드를 용해하지 않는 전해질을 사용하는 등의 시도를 하였으나 만족할 만한 성과를 거두지 못하였다.Conventionally, in order to solve the above problems, attempts have been made such as adding carbon nanostructures to the positive electrode of a lithium-sulfur battery or using an electrolyte that does not dissolve lithium polysulfide, but satisfactory results have not been achieved.

한국공개특허 제10-2020-0109476호Korean Patent Publication No. 10-2020-0109476

본 발명은 리튬-황 전지의 수명, 과전압, 내부 저항, 충방전 속도 등의 전기화학적 특성을 개선할 수 있는 양극 활물질을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a positive electrode active material capable of improving electrochemical characteristics such as lifespan, overvoltage, internal resistance, and charge/discharge rate of a lithium-sulfur battery.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 더욱 분명해질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above. The objects of the present invention will become more apparent from the following description, and will be realized by means and combinations thereof set forth in the claims.

본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬이차전지용 양극 활물질은 금속 및 상기 금속과 배위 결합된 거대 분자를 포함하는 매트릭스; 판상의 탄소 소재; 및 원소 황(Elemental sulfur)을 포함하고, 상기 매트릭스와 탄소 소재는 π-π 스태킹(π-π stacking)을 형성하여 결합되고, 상기 원소 황은 상기 매트릭스에 공유 결합되어 있는 것일 수 있다.A cathode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a matrix including a metal and macromolecules coordinated with the metal; plate-shaped carbon material; and elemental sulfur, wherein the matrix and the carbon material are bonded by forming π-π stacking, and the elemental sulfur may be covalently bonded to the matrix.

상기 금속은 Fe, Mg, Ni, Co, Cu, Pd, Zn, V, Ti, In, Mn, Si, Sn 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The metal may include at least one selected from the group consisting of Fe, Mg, Ni, Co, Cu, Pd, Zn, V, Ti, In, Mn, Si, Sn, and combinations thereof.

상기 거대 분자는 프탈로시아닌(Phthalocyanine), 나프탈로시아닌(Naphthalocyanine), 포르피린(Porphyrin) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The macromolecule may include at least one selected from the group consisting of phthalocyanine, naphthalocyanine, porphyrin, and combinations thereof.

상기 거대 분자는 할로겐 작용기를 포함할 수 있다.The macromolecule may include a halogen functional group.

상기 매트릭스는 하기 화학식1로 표현되는 화합물을 포함할 수 있다.The matrix may include a compound represented by Formula 1 below.

[화학식1][Formula 1]

Figure 112021026206698-pat00001
Figure 112021026206698-pat00001

여기서, Me는 Fe, Mg, Ni, Co, Cu, Pd, Zn, V, Ti, In, Mn, Si, Sn 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하고, X는 할로겐 원소 또는 상기 원소 황과의 연결 부위이다.Here, Me includes at least one selected from the group consisting of Fe, Mg, Ni, Co, Cu, Pd, Zn, V, Ti, In, Mn, Si, Sn, and combinations thereof, and X is a halogen element or It is a linking site with the elemental sulfur.

상기 탄소 소재는 그래핀, 산화 그래핀, 환원된 산화 그래핀 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The carbon material may include at least one selected from the group consisting of graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, and combinations thereof.

상기 원소 황은 상기 매트릭스와 친핵성 방향족 치환반응(nucleophilic aromatic substitution)을 통해 공유 결합된 것일 수 있다.The elemental sulfur may be covalently bonded to the matrix through nucleophilic aromatic substitution.

상기 원소 황은 비공유 전자쌍을 포함하고, 상기 비공유 전자쌍과 탄소 소재의 탄소 원소가 결합될 수 있다.The elemental sulfur includes an unshared electron pair, and the unshared electron pair may be bonded to a carbon element of a carbon material.

본 발명에 따른 리튬이차전지용 양극 활물질의 제조방법은 원소 황의 전구체를 포함하는 용액을 제조하는 단계; 상기 용액에 금속 및 상기 금속과 배위 결합된 거대 분자를 포함하는 매트릭스와 판상의 탄소 소재를 투입하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 상기 혼합 용액을 교반하는 단계; 상기 혼합 용액에서 원소 황을 침전시키고 여과하여 침전물을 얻는 단계; 및 상기 침전물을 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention includes preparing a solution containing a precursor of elemental sulfur; preparing a mixed solution by injecting a matrix including a metal and macromolecules coordinated with the metal and a plate-like carbon material into the solution; stirring the mixed solution; precipitating elemental sulfur from the mixed solution and filtering to obtain a precipitate; and heat-treating the precipitate.

상기 원소 황의 전구체는 Li2S8, Li2S6 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The elemental sulfur precursor may include at least one selected from the group consisting of Li 2 S 8 , Li 2 S 6 , and combinations thereof.

상기 제조방법은 상기 혼합 용액을 교반하여 상기 매트릭스와 탄소 소재의 π-π 스태킹(π-π stacking)을 형성하는 것일 수 있다.The manufacturing method may be to form π-π stacking of the matrix and the carbon material by stirring the mixed solution.

상기 제조방법은 상기 혼합 용액에 산 용액을 투입하여 원소 황을 침전시키는 것일 수 있다.The manufacturing method may be to precipitate elemental sulfur by injecting an acid solution into the mixed solution.

상기 열처리는 300℃ 내지 400℃에서 20시간 내지 30시간 수행할 수 있다.The heat treatment may be performed at 300° C. to 400° C. for 20 hours to 30 hours.

본 발명에 따른 양극 활물질을 사용하면 리튬-황 전지의 수명, 과전압, 내부 저항, 충방전 속도 등의 전기화학적 특성을 크게 개선할 수 있다.Electrochemical characteristics such as lifespan, overvoltage, internal resistance, and charge/discharge rate of a lithium-sulfur battery can be greatly improved by using the cathode active material according to the present invention.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be inferred from the following description.

도 1은 본 발명에 따른 리튬이차전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 양극 활물질을 도시한 것이다.
도 3은 제조예에서 교반 단계를 거친 결과물을 자외선 가시광선 분광법으로 분석한 결과이다.
도 4는 제조예에서 방향족 친핵성 치환반응을 일으키기 전 분말에 대한 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, SEM) 및 에너지 분산형 X-선 분광법(energy-dispersive X-ray spectroscopy) 분석 결과이다.
도 5는 제조예에서 얻은 본 발명에 따른 양극 활물질에 대한 주사전자현미경 및 에너지 분산형 X-선 분광법 분석 결과이다.
도 6은 F-Co(II)Pc와 SG-Co(II)Pc의 F 1s X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 분석 결과이다.
도 7은 SG-Co(II)Pc의 S 2p X-선 광전자 분광법(XPS) 결과이다.
도 8은 F-Co(II)Pc와 SG-Co(II)Pc의 Co 2p X-선 광전자 분광법(XPS) 분석 결과이다.
도 9는 실시예 및 비교예의 리튬-황 전지에 대한 CV 분석 결과이다.
도 10은 실시예 및 비교예의 리튬-황 전지에 대해 정전위 측정을 수행한 결과이다.
도 11은 실시예 및 비교예에 따른 리튬-황 전지의 사이클 특성을 평가한 결과이다.
도 12는 실시예 및 비교예의 리튬-황 전지의 속도 특성을 측정한 결과이다.
도 13은 실시예 및 비교예에 따른 리튬-황 전지의 내부 저항을 평가한 결과이다.
도 14는 양극 내 유황의 로딩량을 높인 실시예 및 비교예에 따른 리튬-황 전지의 사이클 특성을 평가한 결과이다.
도 15는 양극 내 유황의 로딩량을 높인 실시예 및 비교예에 따른 리튬-황 전지의 정전류 충방전 프로파일(galvanostatic charge-discharge profile)을 도시한 것이다.
1 is a cross-sectional view showing a lithium secondary battery according to the present invention.
2 shows a cathode active material according to the present invention.
Figure 3 is a result of analyzing the result obtained through the stirring step in Preparation Example by UV-visible spectroscopy.
Figure 4 is a scanning electron microscope (Scanning electron microscopy, SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (energy-dispersive X-ray spectroscopy) analysis results for the powder before causing the aromatic nucleophilic substitution reaction in the preparation example.
5 is a scanning electron microscope and energy dispersive X-ray spectroscopy analysis result for the cathode active material according to the present invention obtained in Preparation Example.
6 shows F 1s X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis results of F-Co(II)Pc and SG-Co(II)Pc.
7 shows S 2p X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) results of SG—Co(II)Pc.
8 shows Co 2p X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis results of F-Co(II)Pc and SG-Co(II)Pc.
9 is a CV analysis result for lithium-sulfur batteries of Examples and Comparative Examples.
10 is a result of electrostatic potential measurement for lithium-sulfur batteries of Examples and Comparative Examples.
11 is a result of evaluating cycle characteristics of lithium-sulfur batteries according to Examples and Comparative Examples.
12 is a result of measuring speed characteristics of lithium-sulfur batteries of Examples and Comparative Examples.
13 is a result of evaluating internal resistance of lithium-sulfur batteries according to Examples and Comparative Examples.
14 is a result of evaluating cycle characteristics of lithium-sulfur batteries according to Examples and Comparative Examples in which the loading amount of sulfur in the positive electrode was increased.
15 illustrates galvanostatic charge-discharge profiles of lithium-sulfur batteries according to Examples and Comparative Examples in which the loading amount of sulfur in the positive electrode was increased.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Like reference numerals have been used for like elements throughout the description of each figure. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are shown enlarged than actual for clarity of the present invention. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In this specification, terms such as "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. In addition, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the case where it is "directly on" the other part, but also the case where another part is present in the middle. Conversely, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "under" another part, this includes not only the case where it is "directly below" the other part, but also the case where another part is in the middle.

달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.Unless otherwise specified, all numbers, values and/or expressions expressing quantities of components, reaction conditions, polymer compositions and formulations used herein refer to the number of factors that such numbers arise, among other things, to obtain such values. Since these are approximations that reflect the various uncertainties of the measurement, they should be understood to be qualified by the term "about" in all cases. Also, when numerical ranges are disclosed herein, such ranges are contiguous and include all values from the minimum value of such range to the maximum value inclusive, unless otherwise indicated. Furthermore, where such ranges refer to integers, all integers from the minimum value to the maximum value inclusive are included unless otherwise indicated.

도 1은 본 발명에 따른 리튬이차전지를 도시한 단면도이다. 상기 리튬이차전지는 리튬-황 전지를 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 상기 리튬이차전지는 양극(10), 음극(20) 및 상기 양극(10)과 음극(20) 사이에 위치하는 분리막(30)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 양극(10), 음극(20) 및 분리막(30)은 전해질에 함침되어 있을 수 있다.1 is a cross-sectional view showing a lithium secondary battery according to the present invention. The lithium secondary battery may include a lithium-sulfur battery. Referring to FIG. 1 , the lithium secondary battery may include a positive electrode 10, a negative electrode 20, and a separator 30 positioned between the positive electrode 10 and the negative electrode 20. In addition, the positive electrode 10, the negative electrode 20 and the separator 30 may be impregnated with an electrolyte.

상기 양극(10)은 본 발명에 따른 양극 활물질, 도전재, 바인더 등을 포함할 수 있다. 상기 양극 활물질에 대해서는 후술한다.The cathode 10 may include a cathode active material, a conductive material, a binder, and the like according to the present invention. The cathode active material will be described later.

상기 도전재는 양극(10) 내에서 전자의 이동을 담당하는 구성이다. 상기 도전재는 도전성이 우수하고 표면적이 넓은 소재라면 어떠한 것도 사용할 수 있다. 예를 들어 상기 도전재는 흑연, 카본 블랙, 탄소 섬유, 탄소나노튜브 등을 포함할 수 있다.The conductive material is a component responsible for the movement of electrons in the anode 10 . As the conductive material, any material having excellent conductivity and a large surface area may be used. For example, the conductive material may include graphite, carbon black, carbon fiber, carbon nanotube, and the like.

상기 바인더는 상기 양극(10)의 각 구성을 결합하기 위한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 널리 사용되는 것이라면 어떠한 것도 사용할 수 있다. 예를 들어 상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 부타디엔 고무, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리올레핀계 바인더 등을 포함할 수 있다.The binder is for binding each component of the positive electrode 10, and any binder may be used as long as it is widely used in the technical field to which the present invention belongs. For example, the binder may include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, butadiene rubber, carboxymethylcellulose, or a polyolefin-based binder.

상기 음극(20)은 리튬 금속, 흑연, 실리콘계 물질, 주석계 물질, 이들의 혼합물 등을 포함할 수 있다.The anode 20 may include lithium metal, graphite, a silicon-based material, a tin-based material, or a mixture thereof.

상기 분리막(30)은 상기 양극(10)과 음극(20)의 물리적인 접촉을 방지하기 위한 구성이다. 상기 분리막(30)은 다공성일 수 있고, 단일막 또는 2층 이상의 다중막일 수 있다. 상기 분리막(30)은 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌계, 폴리비닐리덴 플루오라이드계, 폴리올레핀계 고분자 등을 포함할 수 있다.The separator 30 is configured to prevent physical contact between the positive electrode 10 and the negative electrode 20 . The separation membrane 30 may be porous, and may be a single membrane or a multilayer membrane of two or more layers. The separator 30 may include a polyethylene-based, polypropylene-based, polyvinylidene fluoride-based, or polyolefin-based polymer.

상기 전해질은 양극(10)과 음극(20) 간의 리튬 이온의 이동을 위한 것으로서, 비수성 용매 및 금속염을 포함할 수 있다. The electrolyte is for the movement of lithium ions between the positive electrode 10 and the negative electrode 20, and may include a non-aqueous solvent and a metal salt.

상기 비수성 용매는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 널리 사용되는 것이라면 어떠한 것도 사용할 수 있다. 예를 들어 카보네이트계 용매, 에스테르계 용매, 에테르계 용매, 케톤계 용매, 알코올계 용매 또는 비양성자성 용매를 포함할 수 있다. 상기 비수성 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있다.Any non-aqueous solvent may be used as long as it is widely used in the technical field to which the present invention belongs. For example, it may include a carbonate-based solvent, an ester-based solvent, an ether-based solvent, a ketone-based solvent, an alcohol-based solvent, or an aprotic solvent. The non-aqueous solvents may be used alone or in combination with one or more of them, and the mixing ratio when one or more of the non-aqueous solvents are used may be appropriately adjusted according to the desired battery performance.

상기 금속염은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 널리 사용되는 것이라면 어떠한 것도 사용할 수 있다. 예를 들어 A+B-의 구조식을 가지는 염일 수 있다. 여기에서, A+는 Li+, Na+, K+ 등의 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합을 포함하는 이온일 수 있다. 또한. B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 - 등과 같은 음이온 또는 이들의 조합을 포함하는 이온일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속염은 리튬계염일 수 있고, 예를 들어 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiN(SO3C2F5)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x + 1SO2)(CyF2y + 1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.Any metal salt may be used as long as it is widely used in the technical field to which the present invention belongs. For example, it may be a salt having a structural formula of A + B - . Here, A + may be an ion containing an alkali metal cation such as Li + , Na + , K + , or a combination thereof. In addition. B - is PF 6 - , BF 4 - , Cl - , Br - , I - , ClO 4 - , CH 3 CO 2 - , CF 3 SO 3 - , N(CF 3 SO 2 ) 2 - , C(CF 2 It may be an ion including an anion such as SO 2 ) 3 - or a combination thereof. For example, the metal salt may be a lithium-based salt, for example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiN (SO 3 C 2 F 5 ) 2 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiClO 4 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN(C x F 2x + 1 SO 2 )(C y F 2y + 1 SO 2 ) (where x and y are natural numbers), LiCl, LiI, and LiB(C 2 O 4 ) 2 .

도 2는 본 발명에 따른 양극 활물질을 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 양극 활물질은 금속 및 상기 금속과 배위 결합된 거대 분자를 포함하는 매트릭스(100), 판상의 탄소 소재(200) 및 원소 황(300)을 포함할 수 있다.2 shows a cathode active material according to the present invention. Referring to this, the cathode active material may include a matrix 100 including a metal and macromolecules coordinated with the metal, a plate-shaped carbon material 200, and elemental sulfur 300.

상기 매트릭스(100)는 중심에 금속이 위치하고, 상기 금속의 주변으로 거대 분자가 위치하여 상기 금속과 거대 분자가 배위 결합된 것일 수 있다.The matrix 100 may have a metal located at the center and macromolecules located around the metal so that the metal and the macromolecules are coordinated.

상기 금속은 리튬-황 전지의 충방전시 발생하는 황과 방전 생성물의 전환 반응을 촉진하는 구성이다. 상기 금속은 Fe, Mg, Ni, Co, Cu, Pd, Zn, V, Ti, In, Mn, Si, Sn 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The metal promotes a conversion reaction between sulfur and discharge products generated during charging and discharging of a lithium-sulfur battery. The metal may include at least one selected from the group consisting of Fe, Mg, Ni, Co, Cu, Pd, Zn, V, Ti, In, Mn, Si, Sn, and combinations thereof.

상기 거대 분자는 질소 원소를 포함하는 복수 개의 방향족 고리가 조합된 구조를 갖는 것일 수 있다. 상기 질소 원소가 리튬 폴리설파이드와 결합할 수 있기 때문에 상기 리튬 폴리설파이드의 셔틀링 현상을 완화할 수 있다. 상기 거대 분자는 프탈로시아닌(Phthalocyanine), 나프탈로시아닌(Naphthalocyanine), 포르피린(Porphyrin) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The macromolecule may have a structure in which a plurality of aromatic rings containing a nitrogen element are combined. Since the nitrogen element can combine with the lithium polysulfide, the shuttling phenomenon of the lithium polysulfide can be alleviated. The macromolecule may include at least one selected from the group consisting of phthalocyanine, naphthalocyanine, porphyrin, and combinations thereof.

상기 거대 분자는 할로겐 작용기를 포함할 수 있다. 할로겐 작용기가 도입된 매트릭스(100)를 황 원소의 존재하에서 특정 조건으로 열처리하면 친핵성 방향족 치환반응(nucleophilic aromatic substitution)이 일어나 상기 할로겐 작용기와 황 원소가 치환된다. 결과적으로 상기 매트릭스(100)에 황 원소가 결합된 형태를 이루므로 종래에 비해 리튬-황 전지 양극의 유황의 로딩량을 늘릴 수 있다.The macromolecule may include a halogen functional group. When the matrix 100 into which a halogen functional group is introduced is heat-treated under specific conditions in the presence of elemental sulfur, a nucleophilic aromatic substitution reaction occurs and the halogen functional group and elemental sulfur are substituted. As a result, since sulfur element is combined with the matrix 100, the loading amount of sulfur in the positive electrode of a lithium-sulfur battery can be increased compared to the prior art.

상기 매트릭스(100)는 하기 화학식1로 표현되는 화합물을 포함할 수 있다.The matrix 100 may include a compound represented by Chemical Formula 1 below.

[화학식1][Formula 1]

Figure 112021026206698-pat00002
Figure 112021026206698-pat00002

여기서, Me는 Fe, Mg, Ni, Co, Cu, Pd, Zn, V, Ti, In, Mn, Si, Sn 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하고, X는 할로겐 원소 또는 상기 원소 황과의 연결 부위이다.Here, Me includes at least one selected from the group consisting of Fe, Mg, Ni, Co, Cu, Pd, Zn, V, Ti, In, Mn, Si, Sn, and combinations thereof, and X is a halogen element or It is a linking site with the elemental sulfur.

상기 탄소 소재(200)는 일종의 기재의 역할을 하는 구성으로서, 비표면적이 넓고 전기 전도성이 높은 소재를 포함할 수 있다.The carbon material 200 serves as a kind of substrate, and may include a material having a large specific surface area and high electrical conductivity.

상기 탄소 소재(200)는 그래핀, 산화 그래핀, 환원된 산화 그래핀 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The carbon material 200 may include at least one selected from the group consisting of graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, and combinations thereof.

상기 탄소 소재(200)는 상기 매트릭스(100)와 π-π 스태킹(π-π stacking)을 형성하여 결합될 수 있다. 따라서 상기 양극 활물질로 이동한 전자가 상기 탄소 소재(200) 및 매트릭스(100)를 통해 원소 황에 보다 용이하게 도달할 수 있다.The carbon material 200 may be combined with the matrix 100 by forming π-π stacking. Accordingly, electrons moved to the cathode active material may more easily reach elemental sulfur through the carbon material 200 and the matrix 100 .

또한, 상기 탄소 소재(200)는 판상 구조를 갖고 이에 상기 매트릭스(100)가 결합되기 때문에 상기 매트릭스(100)가 서로 응집하는 것을 막을 수 있다. 결과적으로 상기 매트릭스(100)의 중심부에 위치하는 촉매 반응 영역인 금속이 응집되는 것을 방지하여 유황의 산화 환원 반응의 전환 속도를 향상시킬 수 있다.In addition, since the carbon material 200 has a plate-like structure and the matrix 100 is bonded thereto, it is possible to prevent the matrices 100 from aggregating with each other. As a result, it is possible to prevent aggregation of the metal, which is a catalytic reaction region located in the center of the matrix 100, to improve the conversion rate of the sulfur redox reaction.

상기 원소 황(300)은 상기 매트릭스(100)에 공유 결합되어 있을 수 있다. 전술한 바와 같이 상기 원소 황(300)과 상기 매트릭스(100)의 거대 분자에 함유된 할로겐 작용기가 친핵성 방향족 치환반응(nucleophilic aromatic substitution)을 통해 치환되어 상기 원소 황(300)이 매트릭스(100)에 공유 결합될 수 있다.The elemental sulfur 300 may be covalently bonded to the matrix 100 . As described above, the elemental sulfur 300 and the halogen functional group contained in the macromolecule of the matrix 100 are substituted through nucleophilic aromatic substitution, so that the elemental sulfur 300 forms the matrix 100. can be covalently bonded to

상기 원소 황(300)은 비공유 전자쌍을 포함하고, 상기 비공유 전자쌍은 상기 탄소 소재의 탄소 원소와 결합되어 있을 수 있다. The elemental sulfur 300 includes an unshared electron pair, and the unshared electron pair may be bonded to a carbon element of the carbon material.

본 발명에서 상기 매트릭스(100), 탄소 소재(200) 및 원소 황(300)은 전술한 바와 같이 상호 간에 특정한 결합 관계를 갖는다. 그에 따라 리튬-황 전지용 양극의 유황 로딩량을 늘릴 수 있고, 리튬 폴리설파이드의 셔틀링 현상을 억제할 수 있으며, 촉매 반응 영역의 응집을 막고, 양극 활물질 내 전자 전도도를 크게 향상시킬 수 있다.In the present invention, the matrix 100, the carbon material 200, and the elemental sulfur 300 have a specific bonding relationship with each other as described above. Accordingly, the sulfur loading amount of the positive electrode for a lithium-sulfur battery can be increased, the shuttling phenomenon of lithium polysulfide can be suppressed, the aggregation of the catalytic reaction region can be prevented, and the electronic conductivity in the positive electrode active material can be greatly improved.

본 발명에 따른 리튬이차전지용 양극 활물질의 제조방법은 원소 황의 전구체를 포함하는 용액을 제조하는 단계, 상기 용액에 금속 및 상기 금속과 배위 결합된 거대 분자를 포함하는 매트릭스와 판상의 탄소 소재를 투입하여 혼합 용액을 제조하는 단계, 상기 혼합 용액을 교반하는 단계, 상기 혼합 용액에서 원소 황을 침전시키고 여과하여 침전물을 얻는 단계 및 상기 침전물을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.A method for manufacturing a cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention comprises the steps of preparing a solution containing a precursor of elemental sulfur, injecting a matrix containing a metal and a macromolecule coordinated with the metal and a plate-shaped carbon material into the solution, It may include preparing a mixed solution, stirring the mixed solution, precipitating and filtering elemental sulfur in the mixed solution to obtain a precipitate, and heat-treating the precipitate.

상기 용액은 상기 원소 황의 전구체를 직접 용매에 투입하거나, 상기 전구체의 출발물질을 투입 및 반응시켜 합성하여 준비할 수 있다.The solution may be prepared by directly introducing the precursor of elemental sulfur into a solvent or synthesizing by adding and reacting a starting material of the precursor.

상기 원소 황의 전구체는 Li2S8, Li2S6 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The elemental sulfur precursor may include at least one selected from the group consisting of Li 2 S 8 , Li 2 S 6 , and combinations thereof.

상기 매트릭스와 탄소 소재의 투입 비율은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 1 : 9 내지 9 : 1의 중량비로 투입할 수 있다.The input ratio of the matrix and the carbon material is not particularly limited, and may be added in a weight ratio of, for example, 1:9 to 9:1.

상기 혼합 용액을 교반하여 상기 매트릭스와 탄소 소재의 π-π 스태킹(π-π stacking)을 형성할 수 있다. 교반 조건은 특별히 제한되지 않고, 상기 매트릭스 및 탄소 소재가 훼손되지 않을 정도의 온도 및 시간으로 교반할 수 있다.The mixed solution may be stirred to form π-π stacking of the matrix and the carbon material. The stirring conditions are not particularly limited, and the stirring may be performed at a temperature and time that do not damage the matrix and the carbon material.

상기 매트릭스와 탄소 소재가 π-π 스태킹(π-π stacking)을 통해 결합된 상태에서 상기 혼합 용액에 산 용액을 투입하여 상기 원소 황의 전구체를 원소 황의 형태로 침전시킬 수 있다.In a state in which the matrix and the carbon material are bonded through π-π stacking, the elemental sulfur precursor may be precipitated in the form of elemental sulfur by injecting an acid solution into the mixed solution.

상기 혼합 용액의 침전물은 원소 황, π-π 스태킹(π-π stacking)을 통해 결합된 매트릭스 및 탄소 소재를 포함한다. The precipitate of the mixed solution includes elemental sulfur, a matrix bonded through π-π stacking, and a carbon material.

상기 침전물을 여과하여 수득한 뒤, 특정 조건으로 열처리하여 상기 매트릭스의 할로겐 작용기와 상기 원소 황의 친핵성 방향족 치환반응(nucleophilic aromatic substitution)을 일으켜 상기 원소 황을 상기 매트릭스에 공유 결합시킬 수 있다.After the precipitate is obtained by filtration, it is heat-treated under specific conditions to cause a nucleophilic aromatic substitution of the halogen functional group of the matrix with the element sulfur to covalently bond the element sulfur to the matrix.

상기 열처리는 300℃ 내지 400℃ 및 20시간 내지 30시간의 조건으로 수행할 수 있다.The heat treatment may be performed under conditions of 300° C. to 400° C. and 20 hours to 30 hours.

이하 실시예를 통해 본 발명의 다른 형태를 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.Other forms of the present invention will be described in more detail through the following examples. The following examples are merely examples to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

제조예manufacturing example

95.7 ㎎의 황화리튬(Li2S)과 334.0 ㎎의 유황(Sulfur)을 약 30 ㎖의 에틸 알코올에 용해시켜 원소 황의 전구체인 Li2S6를 포함하는 용액을 준비하였다.A solution containing Li 2 S 6 , a precursor of elemental sulfur, was prepared by dissolving 95.7 mg of lithium sulfide (Li 2 S) and 334.0 mg of sulfur in about 30 ml of ethyl alcohol.

상기 용액에 매트릭스로 Cobalt(II) 1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-hexadecafluoro-29H,31H-phthalocyanine(이하 F-Co(II)Pc), 탄소 소재로 환원된 산화 그래핀(Reduced graphene oxide, 이하 rGO)을 각각 50 ㎎ 투입하여 혼합 용액을 얻었다.Cobalt (II) 1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-hexadecafluoro-29H,31H-phthalocyanine (hereinafter referred to as F-Co(II)Pc) and 50 mg of reduced graphene oxide (hereinafter rGO), respectively, were added to obtain a mixed solution.

상기 혼합 용액을 약 70℃에서 약 24시간 교반하여 상기 매트릭스와 탄소 소재 간 π-π 스태킹(π-π stacking)을 형성하였다. 이를 검증하기 위해 교반된 결과물을 자외선 가시광선 분광법으로 분석하였다. 그 결과는 도 3과 같다. F-Co(II)Pc에서 발견된 300 ㎚ 및 628 ㎚의 피크가 교반된 결과물(도 3의 rGO+F-Co(II)Pc)에서는 사라진 것에 비추어 상기 F-Co(II)Pc가 rGO에 전부 결합되었음을 알 수 있다.The mixed solution was stirred at about 70° C. for about 24 hours to form π-π stacking between the matrix and the carbon material. To verify this, the stirred product was analyzed by UV-visible spectroscopy. The result is shown in FIG. 3 . In view of the fact that the peaks at 300 nm and 628 nm found in F-Co(II)Pc disappeared in the stirred product (rGO+F-Co(II)Pc in FIG. 3), the F-Co(II)Pc was added to rGO. It can be seen that all of them are combined.

교반된 결과물에 염산 용액을 투입하여 상기 Li2S6를 원소 황으로 침전시켰다. 침전물을 진공 여과하고 이를 탈이온수로 세척하였다.A hydrochloric acid solution was added to the stirred product to precipitate the Li 2 S 6 as elemental sulfur. The precipitate was vacuum filtered and washed with deionized water.

상기 침전물을 약 160℃에서 약 12시간 동안 가열하여 원소 황을 용융시켰다. 용융된 원소 황이 매트릭스 및 탄소 소재와 균일하게 혼합된 상태에서 약 400 ℃ 및 약 20시간의 조건으로 열처리를 하여 매트릭스의 할로겐 작용기와 원소 황을 치환하는 방향족 친핵성 치환반응을 일으켰다. 최종적으로 본 발명에 따른 양극 활물질(이하 SG-Co(II)Pc)을 검은색 파우더 형태로 얻을 수 있었다.The precipitate was heated at about 160° C. for about 12 hours to melt elemental sulfur. In a state where the molten elemental sulfur was uniformly mixed with the matrix and the carbon material, heat treatment was performed at about 400° C. for about 20 hours to induce an aromatic nucleophilic substitution reaction in which elemental sulfur was replaced with a halogen functional group in the matrix. Finally, the cathode active material (hereinafter referred to as SG-Co(II)Pc) according to the present invention was obtained in the form of a black powder.

상기 열처리 전후의 분말에 대한 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, SEM) 및 에너지 분산형 X-선 분광법(energy-dispersive X-ray spectroscopy) 분석을 하였다. 도 4는 열처리 전의 분말 즉, 방향족 친핵성 치환반응을 일으키기 전 분말에 대한 결과이고, 도 5는 열처리 후의 분말 즉, 본 발명에 따른 양극 활물질에 대한 결과이다. 이를 참조하면, 코발트에 대한 결과는 큰 차이가 없는 것으로 보아 열처리 후에도 매트릭스가 훼손되지 않았음을 알 수 있다. 또한, 불소의 양은 줄고 원소 황의 양은 늘어난 것에 비추어 할로겐 작용기와 원소 황의 방향족 친핵성 치환반응이 성공적으로 이루어졌음을 알 수 있다.Scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy analysis were performed on the powder before and after the heat treatment. 4 is a result of the powder before heat treatment, that is, the powder before the aromatic nucleophilic substitution reaction occurs, and FIG. 5 is a result of the powder after heat treatment, that is, the positive electrode active material according to the present invention. Referring to this, it can be seen that the matrix is not damaged even after heat treatment, as there is no significant difference in the results for cobalt. In addition, in light of the decrease in the amount of fluorine and the increase in the amount of elemental sulfur, it can be seen that the aromatic nucleophilic substitution reaction between the halogen functional group and elemental sulfur was successfully performed.

도 6 내지 도 8은 위 결과를 보다 명확하게 검증하기 위한 실험 결과이다.6 to 8 are experimental results for more clearly verifying the above results.

도 6은 F-Co(II)Pc와 SG-Co(II)Pc의 F 1s X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 분석 결과이다. 이를 참조하면, 할로겐 작용기와 원소 황의 방향족 친핵성 치환반응에 의해 F-Co(II)Pc에서 발견되던 피크가 SG-Co(II)Pc에서는 없어졌음을 알 수 있다.6 shows F 1s X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis results of F-Co(II)Pc and SG-Co(II)Pc. Referring to this, it can be seen that the peak found in F-Co(II)Pc is eliminated in SG-Co(II)Pc due to the aromatic nucleophilic substitution reaction of the halogen functional group and elemental sulfur.

도 7은 SG-Co(II)Pc의 S 2p X-선 광전자 분광법(XPS) 결과이다. 이를 참조하면, 본 발명에 따른 양극 활물질에는 164.5 eV 및 164.0 eV에서 S-S 및 C-S 결합에 해당하는 피크가 발견됨을 알 수 있다.7 shows S 2p X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) results of SG—Co(II)Pc. Referring to this, it can be seen that peaks corresponding to S-S and C-S bonds are found at 164.5 eV and 164.0 eV in the cathode active material according to the present invention.

도 8은 F-Co(II)Pc와 SG-Co(II)Pc의 Co 2p X-선 광전자 분광법(XPS) 분석 결과이다. 이를 참조하면, 양 결과에서 모두 780 eV 부근 및 796 eV 부근에 피크가 동일하게 발견되는 것에 비추어 열처리 후에도 코발트 이온이 훼손되지 않고 유지됨을 알 수 있다. 한편, F-Co(II)Pc의 결과에서는 780.8 eV 및 796.4 eV에서 피크가 발견되고, SG-Co(II)Pc의 결과에서는 780.4 eV 및 796.0 eV에서 피크가 발견된다. 즉, 약간의 피크 이동이 발생하는데 이는 원소 황과 코발트이온 간의 soft-soft interaction에 의한 것이다.8 shows Co 2p X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis results of F-Co(II)Pc and SG-Co(II)Pc. Referring to this, it can be seen that cobalt ions are maintained without being damaged even after heat treatment, in light of the fact that the same peaks are found around 780 eV and around 796 eV in both results. Meanwhile, in the result of F-Co(II)Pc, peaks are found at 780.8 eV and 796.4 eV, and in the result of SG-Co(II)Pc, peaks are found at 780.4 eV and 796.0 eV. That is, a slight peak shift occurs, which is due to the soft-soft interaction between elemental sulfur and cobalt ions.

비교제조예Comparative Manufacturing Example

원소 황 및 환원된 산화 그래핀을 7 : 3의 중량비로 혼합한 혼합물을 약 160℃ 및 약 12시간의 조건으로 열처리하여 복합화한 분말(S-rGO composite)을 얻었다.A mixture of elemental sulfur and reduced graphene oxide in a weight ratio of 7:3 was heat-treated at about 160° C. for about 12 hours to obtain a composite powder (S-rGO composite).

실시예Example

상기 제조예의 양극 활물질(SG-Co(II)Pc), 카본 블랙, PVDF를 7 : 2 : 1의 질량비로 혼합한 뒤, 이를 용매에 투입하여 슬러리를 얻었다. 상기 슬러리를 알루미늄 포일 상에 도포 및 건조하여 양극을 제조하였다.After mixing the cathode active material (SG-Co(II)Pc), carbon black, and PVDF of the above Preparation Example in a mass ratio of 7:2:1, they were added to a solvent to obtain a slurry. The slurry was coated on an aluminum foil and dried to prepare a positive electrode.

음극으로 리튬 금속 디스크를 사용하였고, 분리막으로 폴리프로필렌 멤브레인을 사용하였다. 전해질로는 디옥솔란(DOL) 및 디메틸 에테르(DME)의 부피비가 1:1인 비수성 유기 용매에 1.0M의 LiN(CF3SO2)2 (LiFSI) 및 0.2M의 LiNO3를 포함하는 혼합 용액을 사용하였다.A lithium metal disk was used as an anode and a polypropylene membrane was used as a separator. As an electrolyte, a mixture containing 1.0 M LiN(CF 3 SO 2 ) 2 (LiFSI) and 0.2 M LiNO 3 in a non-aqueous organic solvent having a volume ratio of 1:1 of dioxolane (DOL) and dimethyl ether (DME). solution was used.

상기 양극, 분리막 및 음극을 적층하고, 전해질을 함침하여 리튬-황 전지를 제조하였다.A lithium-sulfur battery was prepared by stacking the positive electrode, the separator, and the negative electrode, and impregnating the electrolyte.

비교예comparative example

양극 활물질로 비교제조예의 분말(S-rGO composite)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법으로 리튬-황 전지를 제조하였다.A lithium-sulfur battery was prepared in the same manner as in the above example, except that the powder (S-rGO composite) of Comparative Preparation Example was used as the cathode active material.

실험예1 - CV(Cyclic voltammetry) 분석 및 정전위 측정(Potentiostatic test)Experimental Example 1 - CV (Cyclic voltammetry) analysis and potentiostatic test

상기 실시예 및 비교예의 리튬-황 전지에 대한 CV 분석을 수행하였다. 그 결과는 도 9와 같다. 이를 참조하면, 실시예(SG-Co(II)Pc)는 -0.25 V 및 0.25 V에서 각각 양극 피크 및 음극 피크가 발견되는 반면에 비교예(S-rGO composite)는 발견되지 않음을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따른 양극 활물질에 포함된 금속인 코발트가 S8 ↔ Li2S8 반응의 전기화학적 촉매의 역할도 수행함을 의미한다. CV analysis was performed on the lithium-sulfur batteries of Examples and Comparative Examples. The results are shown in FIG. 9 . Referring to this, it can be seen that the example (SG-Co(II)Pc) has an anode peak and a cathode peak at -0.25 V and 0.25 V, respectively, while the comparative example (S-rGO composite) does not. . This means that cobalt, which is a metal included in the cathode active material according to the present invention, also serves as an electrochemical catalyst for the S 8 ↔ Li 2 S 8 reaction.

상기 실시예 및 비교예의 리튬-황 전지에 대한 정전위 측정을 수행하였다. 그 결과는 도 10과 같다. 이를 참조하면, 실시예(SG-Co(II)Pc)가 비교예(S-rGO composite)에 비해 확연하게 Li2S의 핵생성이 활성화되었음을 알 수 있다.Electrostatic potential measurements were performed on the lithium-sulfur batteries of Examples and Comparative Examples. The results are shown in FIG. 10 . Referring to this, it can be seen that the nucleation of Li 2 S was significantly activated in the example (SG-Co(II)Pc) compared to the comparative example (S-rGO composite).

위 두 결과에 비추어 본 발명에 따른 양극 활물질에 포함된 금속인 코발트는 리튬-황 전지의 충방전 과정에서 전기화학적 촉매의 역할을 수행하고 있음을 명확하게 알 수 있다.In light of the above two results, it can be clearly seen that cobalt, which is a metal included in the positive electrode active material according to the present invention, plays a role as an electrochemical catalyst in the charging and discharging process of the lithium-sulfur battery.

실험예2 - 사이클 특성Experimental Example 2 - Cycle Characteristics

상기 실시예 및 비교예의 리튬-황 전지에 대한 사이클 특성을 평가하였다. 그 결과는 도 11과 같다. 이를 참조하면, 실시예(SG-Co(II)Pc) 및 비교예(S-rGO composite)는 각각 821.8 mAh/g 및 814.8 mAh/g의 초기 방전 용량을 보여 비슷한 수준이다. 다만, 충방전을 700회 반복하였을 때 실시예(SG-Co(II)Pc)는 약 70%의 용량 유지율을 보였음에 반하여 비교예(S-rGO composite)는 약 37.5%에 그쳤다.Cycle characteristics of the lithium-sulfur batteries of Examples and Comparative Examples were evaluated. The results are shown in FIG. 11 . Referring to this, Example (SG-Co(II)Pc) and Comparative Example (S-rGO composite) show initial discharge capacities of 821.8 mAh/g and 814.8 mAh/g, respectively, which are similar. However, when charging and discharging were repeated 700 times, the Example (SG-Co(II)Pc) showed a capacity retention rate of about 70%, whereas the Comparative Example (S-rGO composite) was only about 37.5%.

실험예3 - 속도 특성Experimental Example 3 - Speed Characteristics

상기 실시예 및 비교예에 따른 리튬-황 전지의 속도 특성을 0.1C ~ 5C의 다양한 방전율(C-rate)에서 측정하였다. 그 결과는 도 12와 같다. 이를 참조하면, 모든 구간에서 실시예(SG-Co(II)Pc)가 비교예(S-rGO composite)에 비해 높은 용량을 보였다.The rate characteristics of the lithium-sulfur batteries according to Examples and Comparative Examples were measured at various discharge rates (C-rate) of 0.1 C to 5 C. The results are shown in FIG. 12 . Referring to this, Example (SG-Co(II)Pc) showed a higher capacity than Comparative Example (S-rGO composite) in all sections.

실험예4 - 정전류식 간헐적 적정 테크닉(Galvanostatic Intermittent Titration Technique, GITT) 분석Experimental Example 4 - Analysis of Galvanostatic Intermittent Titration Technique (GITT)

상기 실시예 및 비교예에 따른 리튬-황 전지의 내부 저항을 평가하기 위하여 이들에 대한 GITT 분석을 수행하였다. 그 결과는 도 13과 같다. 이를 참조하면, 충방전 전 구간에서 실시예(SG-Co(II)Pc)가 비교예(S-rGO composite)에 비해 낮은 내부 저항을 보임을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따른 양극 활물질은 전술한 바와 같이 금속이 전기화학적 촉매 역할을 수행하고, 매트릭스, 탄소 소재 및 원소 황 간의 호환성이 극대화된 것에 기인한다.In order to evaluate the internal resistance of the lithium-sulfur batteries according to Examples and Comparative Examples, GITT analysis was performed on them. The results are shown in FIG. 13 . Referring to this, it can be seen that the embodiment (SG-Co(II)Pc) shows a lower internal resistance than the comparative example (S-rGO composite) in the entire charge/discharge period. This is because, as described above, in the cathode active material according to the present invention, the metal serves as an electrochemical catalyst and compatibility between the matrix, the carbon material, and elemental sulfur is maximized.

실험예5 - 유황 로딩량이 높은 셀에서의 전기화학적 특성 분석Experimental Example 5 - Analysis of electrochemical properties in a cell with high sulfur loading

상기 실시예 및 비교예에 따른 리튬-황 전지에 있어서, 양극 내 유황(원소 황)의 로딩량을 12 mgsulfur ·cm- 2으로 높이고 이들의 사이클 특성을 측정하였다. 그 결과는 도 14와 같다. 이를 참조하면, 실시예(SG-Co(II)Pc)는 초기 용량이 6.13 mAh·cm-2로 비교예(S-rGO composite)의 1.57 mAh·cm-2에 비해 상당히 높고, 충방전 50회 실시 후 약 91.2%의 우수한 용량 유지율을 보였다.In the lithium-sulfur batteries according to Examples and Comparative Examples, the loading amount of sulfur (elemental sulfur) in the positive electrode was increased to 12 mg sulfur cm -2 and their cycle characteristics were measured. The results are shown in FIG. 14 . Referring to this, Example (SG-Co(II)Pc) has an initial capacity of 6.13 mAh cm -2 , which is significantly higher than 1.57 mAh cm -2 of the comparative example (S-rGO composite) , and is charged and discharged 50 times. After implementation, an excellent capacity retention rate of about 91.2% was shown.

도 15는 상기 실시예 및 비교예에 따른 리튬-황 전지의 정전류 충방전 프로파일(galvanostatic charge-discharge profile)을 도시한 것이다. 이를 참조하면, 비교예(S-rGO composite)는 높은 과전압이 발생하였음을 알 수 있다.FIG. 15 illustrates galvanostatic charge-discharge profiles of lithium-sulfur batteries according to Examples and Comparative Examples. Referring to this, it can be seen that a high overvoltage occurred in the comparative example (S-rGO composite).

위 두 결과를 통해 본 발명에 따른 양극 활물질을 고용량으로 포함하는 양극은 전기화학적 특성이 매우 우수함을 확인하였다.Through the above two results, it was confirmed that the positive electrode containing the positive electrode active material in high capacity according to the present invention had very excellent electrochemical properties.

이상으로 본 발명의 실험예 및 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실험예 및 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.As above, the experimental examples and examples of the present invention have been described in detail, the scope of the present invention is not limited to the above-described experimental examples and examples, and the basic concept of the present invention defined in the following claims Various modifications and improvements made by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention.

10: 양극 20: 음극 30: 분리막
100: 매트릭스 20: 탄소 소재 30: 원소 황
10: anode 20: cathode 30: separator
100: matrix 20: carbon material 30: elemental sulfur

Claims (20)

금속 및 상기 금속과 배위 결합된 거대 분자를 포함하는 매트릭스;
판상의 탄소 소재; 및
원소 황(Elemental sulfur)을 포함하고,
상기 매트릭스와 탄소 소재는 π-π 스태킹(π-π stacking)을 형성하여 결합되고,
상기 원소 황은 상기 매트릭스에 공유 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극 활물질.
a matrix comprising a metal and macromolecules coordinated with the metal;
plate-shaped carbon material; and
Contains elemental sulfur,
The matrix and the carbon material are combined by forming π-π stacking,
The cathode active material for a lithium secondary battery, characterized in that the elemental sulfur is covalently bonded to the matrix.
제1항에 있어서,
상기 금속은 Fe, Mg, Ni, Co, Cu, Pd, Zn, V, Ti, In, Mn, Si, Sn 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 리튬이차전지용 양극 활물질.
According to claim 1,
The metal is a cathode active material for a lithium secondary battery comprising at least one selected from the group consisting of Fe, Mg, Ni, Co, Cu, Pd, Zn, V, Ti, In, Mn, Si, Sn, and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 거대 분자는 프탈로시아닌(Phthalocyanine), 나프탈로시아닌(Naphthalocyanine), 포르피린(Porphyrin) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 리튬이차전지용 양극 활물질.
According to claim 1,
The macromolecule is a cathode active material for a lithium secondary battery comprising at least one selected from the group consisting of phthalocyanine, naphthalocyanine, porphyrin, and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 거대 분자는 할로겐 작용기를 포함하는 것인 리튬이차전지용 양극 활물질.
According to claim 1,
The macromolecule is a cathode active material for a lithium secondary battery containing a halogen functional group.
제1항에 있어서,
상기 매트릭스는 하기 화학식1로 표현되는 화합물을 포함하는 리튬이차전지용 양극 활물질.
[화학식1]
Figure 112021026206698-pat00003

여기서, Me는 Fe, Mg, Ni, Co, Cu, Pd, Zn, V, Ti, In, Mn, Si, Sn 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하고,
X는 할로겐 원소 또는 상기 원소 황과의 연결 부위이다.
According to claim 1,
The matrix is a cathode active material for a lithium secondary battery comprising a compound represented by Formula 1 below.
[Formula 1]
Figure 112021026206698-pat00003

Here, Me includes at least one selected from the group consisting of Fe, Mg, Ni, Co, Cu, Pd, Zn, V, Ti, In, Mn, Si, Sn, and combinations thereof,
X is a halogen element or a linking site with the element sulfur.
제1항에 있어서,
상기 탄소 소재는 그래핀, 산화 그래핀, 환원된 산화 그래핀 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 리튬이차전지용 양극 활물질.
According to claim 1,
The carbon material is a cathode active material for a lithium secondary battery comprising at least one selected from the group consisting of graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 원소 황은 상기 매트릭스와 친핵성 방향족 치환반응(nucleophilic aromatic substitution)을 통해 공유 결합된 것인 리튬이차전지용 양극 활물질.
According to claim 1,
The positive electrode active material for a lithium secondary battery, wherein the elemental sulfur is covalently bonded to the matrix through nucleophilic aromatic substitution.
제1항에 있어서,
상기 원소 황은 비공유 전자쌍을 포함하고, 상기 비공유 전자쌍과 탄소 소재의 탄소 원소가 결합되는 것인 리튬이차전지용 양극 활물질.
According to claim 1,
The elemental sulfur includes an unshared electron pair, and the cathode active material for a lithium secondary battery in which the unshared electron pair and the carbon element of the carbon material are bonded.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 양극 활물질;
도전재; 및
바인더를 포함하는 리튬이차전지용 양극
The cathode active material of any one of claims 1 to 8;
conductive material; and
Positive electrode for lithium secondary battery containing a binder
제9항의 양극을 포함하는 리튬이차전지.A lithium secondary battery comprising the positive electrode of claim 9. 제10항에 있어서,
리튬-황 전지를 포함하는 리튬이차전지.
According to claim 10,
A lithium secondary battery including a lithium-sulfur battery.
원소 황의 전구체를 포함하는 용액을 제조하는 단계;
상기 용액에 금속 및 상기 금속과 배위 결합된 거대 분자를 포함하는 매트릭스와 판상의 탄소 소재를 투입하여 혼합 용액을 제조하는 단계;
상기 혼합 용액을 교반하는 단계;
상기 혼합 용액에서 원소 황을 침전시키고 여과하여 침전물을 얻는 단계; 및
상기 침전물을 열처리하는 단계;를 포함하고,
상기 매트릭스와 탄소 소재는 π-π 스태킹(π-π stacking)을 형성하여 결합되고,
상기 원소 황은 상기 매트릭스에 공유 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
preparing a solution comprising a precursor of elemental sulfur;
preparing a mixed solution by injecting a matrix including a metal and macromolecules coordinated with the metal and a plate-like carbon material into the solution;
stirring the mixed solution;
precipitating elemental sulfur from the mixed solution and filtering to obtain a precipitate; and
Including; heat-treating the precipitate;
The matrix and the carbon material are combined by forming π-π stacking,
The method of manufacturing a cathode active material for a lithium secondary battery, characterized in that the elemental sulfur is covalently bonded to the matrix.
제12항에 있어서,
상기 원소 황의 전구체는 Li2S8, Li2S6 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 리튬이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 12,
The precursor of elemental sulfur is a method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery comprising at least one selected from the group consisting of Li 2 S 8 , Li 2 S 6 and combinations thereof.
제12항에 있어서,
상기 매트릭스는 하기 화학식1로 표현되는 화합물을 포함하는 리튬이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
[화학식1]
Figure 112021026206698-pat00004

여기서, Me는 Fe, Mg, Ni, Co, Cu, Pd, Zn, V, Ti, In, Mn, Si, Sn 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하고,
X는 할로겐 원소 또는 상기 원소 황과의 연결 부위이다.
According to claim 12,
The matrix is a method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery comprising a compound represented by Formula 1 below.
[Formula 1]
Figure 112021026206698-pat00004

Here, Me includes at least one selected from the group consisting of Fe, Mg, Ni, Co, Cu, Pd, Zn, V, Ti, In, Mn, Si, Sn, and combinations thereof,
X is a halogen element or a linking site with the element sulfur.
제12항에 있어서,
상기 탄소 소재는 그래핀, 산화 그래핀, 환원된 산화 그래핀 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 리튬이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 12,
The carbon material is a method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery comprising at least one selected from the group consisting of graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, and combinations thereof.
제12항에 있어서,
상기 혼합 용액을 교반하여 상기 매트릭스와 탄소 소재의 π-π 스태킹(π-π stacking)을 형성하는 것인 리튬이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 12,
Method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery to form a π-π stacking (π-π stacking) of the matrix and the carbon material by stirring the mixed solution.
제12항에 있어서,
상기 혼합 용액에 산 용액을 투입하여 원소 황을 침전시키는 것인 리튬이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 12,
A method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery in which an acid solution is added to the mixed solution to precipitate elemental sulfur.
제12항에 있어서,
상기 열처리는 300℃ 내지 400℃에서 20시간 내지 30시간 수행하는 리튬이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 12,
The heat treatment is a method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery, which is performed at 300 ° C. to 400 ° C. for 20 hours to 30 hours.
제12항에 있어서,
상기 원소 황은 상기 매트릭스와 친핵성 방향족 치환반응(nucleophilic aromatic substitution)을 통해 공유 결합된 것인 리튬이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 12,
The method of manufacturing a cathode active material for a lithium secondary battery, wherein the elemental sulfur is covalently bonded to the matrix through nucleophilic aromatic substitution.
제12항에 있어서,
상기 원소 황은 비공유 전자쌍을 포함하고, 상기 비공유 전자쌍과 탄소 소재의 탄소 원소가 결합되는 것인 리튬이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 12,
The elemental sulfur includes an unshared electron pair, and a method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery in which the unshared electron pair and the carbon element of the carbon material are combined.
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