KR102500254B1 - Composition of cathode materials for lithium-sulfur battery comprising mesoporous carbon-carbon wire structure and sulfur, producing method thereof and lithium-sulfur battery using it - Google Patents

Composition of cathode materials for lithium-sulfur battery comprising mesoporous carbon-carbon wire structure and sulfur, producing method thereof and lithium-sulfur battery using it Download PDF

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Abstract

본 발명은 평균 기공크기가 3~5nm인 중기공을 포함하는 탄소구조체와, 상기 중기공을 포함하는 탄소구조체로부터 성장한 탄소와이어를 포함하고, 입자의 크기가 80~800nm인 중기공 탄소-탄소와이어 구조체와; 상기 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 기공 내에 함침된 황;을 포함하는 리튬-황전지용 양극재 조성물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 리튬-황전지에 관한 것이다. 본 발명의 리튬-황전지용 양극재 조성물은 중기공이 발달하고 다양한 크기의 기공을 가지면서 높은 기공도와 높은 비표면적을 가져 리튬 폴리설파이드의 용출을 막을 수 있는 구형의 탄소 나노구조체와, 중기공 탄소입자로부터 성장하여 탄소입자를 상호연결하고 지지하는 역할을 하는 동시에 이온 전달특성과 전자 전달특성을 향상시킬 수 있는 높은 전기전도도를 가진 탄소와이어 구조로 이루어진 중기공 탄소-탄소와이어 구조체를 사용하고, 중기공 탄소-탄소와이어 구조체 내부의 빈공간인 기공에 함침된 다량의 황을 포함하는 것으로, 이를 양극재로 사용하면 양극 내 고함량의 황을 담지할 수 있으므로 높은 에너지밀도를 가진 리튬-황전지를 얻을 수 있다. The present invention is a mesoporous carbon-carbon wire having a particle size of 80 to 800 nm, including a carbon structure containing mesopores having an average pore size of 3 to 5 nm and a carbon wire grown from the carbon structure including the mesopores. structure; It relates to a cathode material composition for a lithium-sulfur battery comprising sulfur impregnated in the pores of the mesoporous carbon-carbon wire structure, a manufacturing method thereof, and a lithium-sulfur battery using the same. The cathode material composition for a lithium-sulfur battery of the present invention includes a spherical carbon nanostructure capable of preventing the elution of lithium polysulfide due to a high porosity and a high specific surface area with mesopores of various sizes, and mesoporous carbon particles. A mesoporous carbon-carbon wire structure composed of a carbon wire structure with high electrical conductivity capable of growing from a carbon wire structure with high electrical conductivity capable of interconnecting and supporting carbon particles and improving ion transport characteristics and electron transport characteristics is used, and the mesopores It contains a large amount of sulfur impregnated into the pores, which are empty spaces inside the carbon-carbon wire structure. If this is used as a cathode material, it can support a high content of sulfur in the cathode, so a lithium-sulfur battery with high energy density can be obtained. there is.

Description

중기공 탄소-탄소와이어 구조체와 황을 포함하는 리튬-황전지용 양극재 조성물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 리튬-황전지 {Composition of cathode materials for lithium-sulfur battery comprising mesoporous carbon-carbon wire structure and sulfur, producing method thereof and lithium-sulfur battery using it}Composition of cathode materials for lithium-sulfur battery comprising mesoporous carbon-carbon wire structure and sulfur, producing method thereof and lithium-sulfur battery using it}

본 발명은 중기공 탄소-탄소와이어 구조체와 황을 포함하는 리튬-황전지용 양극재 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중기공탄소를 이용하여 제조한 중기공 탄소-탄소와이어 구조체에 황을 함침시킨 리튬-황전지용 양극재 조성물, 이의 제조방법 및 이를 양극재로 사용한 리튬-황전지에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode material composition for a lithium-sulfur battery comprising a mesoporous carbon-carbon wire structure and sulfur, and more particularly, to a mesoporous carbon-carbon wire structure prepared using mesoporous carbon impregnated with sulfur It relates to a cathode material composition for a lithium-sulfur battery, a method for preparing the same, and a lithium-sulfur battery using the same as a cathode material.

환경 및 에너지자원 고갈 문제와 이에 따른 에너지저장 장치의 고에너지 및 고효율화의 필요성이 대두됨에 따라 현재 리튬이차전지보다 높은 에너지밀도를 가지면서 안정성이 확보되고 수명특성이 우수한 차세대 이차전지 기술 개발이 필요하다.As the environment and energy resource depletion problems and the need for high energy and high efficiency of energy storage devices emerge, it is necessary to develop next-generation secondary battery technology that has higher energy density than current lithium secondary batteries, secures stability, and has excellent lifespan characteristics. .

차세대 이차전지의 여러 후보 중 황 전지는 자원제한의 문제가 없고 석유화학 산업부산물 문제를 해결할 수 있는 저가의 유황을 주요 활물질로 사용하는 시스템으로 유황의 높은 이론용량(1680mAh/g)을 기반으로 하기 때문에 이론적으로 기존의 리튬이차전지(370 Wh/kg)의 약 7배에 해당하는 2,600 Wh/kg의 매우 높은 에너지밀도가 가능하다.Among several candidates for next-generation secondary batteries, sulfur batteries are systems that use low-cost sulfur as the main active material and can solve the problem of by-products from the petrochemical industry without the problem of resource limitations. Therefore, a very high energy density of 2,600 Wh/kg, which is about 7 times higher than that of a conventional lithium secondary battery (370 Wh/kg), is theoretically possible.

최근 전기자동차용 및 소형 리튬 이온전지의 에너지 밀도가 급격히 개선되어 300Wh/kg 수준으로 이론적 한계 에너지 밀도에 근접하고 있으며, 350Wh/kg 이상의 고에너지 밀도의 차세대 전지 개발에 대한 세계 각 기업의 경쟁이 치열하게 일어나고 있는 상황이기에, 고에너지 밀도 구현이 가능한 황 전지 시스템에 대한 기술 확보는 매우 시급하다.Recently, the energy density of electric vehicles and small-sized lithium ion batteries has rapidly improved and is approaching the theoretical limit energy density at the level of 300Wh/kg. Companies around the world are fiercely competing to develop next-generation batteries with high energy density of 350Wh/kg or more. In this situation, it is very urgent to secure technology for a sulfur battery system capable of realizing high energy density.

황 전지는 많은 장점에도 불구하고 아직까지 상용화에 어려움이 있는데, 이는 현재의 기술로는 이론적인 높은 에너지밀도를 구현하기 어렵고 수명이 진행될수록 용량 저하 현상이 급격하게 발생하고 있기 때문이다. Despite many advantages, sulfur batteries are still difficult to commercialize, because it is difficult to implement a theoretically high energy density with current technology, and capacity degradation occurs rapidly as the lifespan progresses.

황 전지의 높은 에너지밀도를 구현하기 어려운 이유는 양극 소재로 사용하는 유황과 리튬과의 반응 생성물인 LiS 또는 Li2S 모두 5×10-30 S/cm의 매우 낮은 전도도를 갖는 부도체이기 때문에 전극 제조시 전도성 경로(path) 형성을 위해 많은 양의 도전물질이 필요하고, 많은 양의 황을 사용하기 위해서는 도전제, 바인더 등의 사용량이 증가하기 때문에 황양극의 에너지밀도를 높이는데 한계가 존재하기 때문이다.The reason why it is difficult to realize high energy density of a sulfur battery is that LiS or Li 2 S, which is a reaction product of sulfur and lithium used as a cathode material, is an insulator with a very low conductivity of 5 × 10 -30 S / cm. This is because a large amount of conductive material is required to form a conductive path, and the amount of conductive agent and binder used is increased to use a large amount of sulfur, so there is a limit to increasing the energy density of the sulfur anode. am.

또한 황 전지의 수명을 길게 하게 어려운 이유는 충·방전 시 양극에서 전해액으로 폴리설파이드(polysulfide, PS)가 용출되기 때문이다. PS 용출에 의한 Li-S 전지에서 PS가 용출되면 양극에서 발생하는 계속적인 PS 용출로 인한 활물질 손실 및 이로 인한 용량 감퇴가 발생하고, 전해액에 용출된 PS의 셔틀(shuttle) 반응에 의하여 자가 방전이 발생하며, 용출된 PS가 분리막 기공을 막거나 Li 금속 음극 표면에 부도체인 Li2S 피막을 형성하고 이로 인하여 전체 시스템의 저항이 증가하고 수명의 특성이 저하되는 문제점이 있다.In addition, the reason why it is difficult to extend the lifespan of a sulfur battery is that polysulfide (PS) is eluted from the anode to the electrolyte during charging and discharging. When PS is eluted from a Li-S battery by PS elution, active material loss and capacity degradation occur due to continuous PS elution occurring at the anode, and self-discharge occurs due to the shuttle reaction of PS eluted in the electrolyte. occurs, and the eluted PS blocks the pores of the separator or forms a non-conductive Li 2 S film on the surface of the Li metal cathode, thereby increasing the resistance of the entire system and degrading the lifespan.

황 전지의 충·방전반응시 발생하는 중간생성물인 리튬 폴리설파이드가 전해액으로 용출되는 문제를 제어하기 위해서는 황을 담지할 수 있는 내부 공간이 충분히 확보된 전도성의 다공성 탄소를 사용하는 방법이 가장 유망하다.In order to control the elution of lithium polysulfide, an intermediate product generated during the charging and discharging reaction of a sulfur battery, into the electrolyte, the most promising method is to use conductive porous carbon with sufficient internal space to support sulfur. .

황-담지용 물질이 가져야 할 요건으로는 황을 담지할 수 있는 높은 기공도, 황의 전기화학반응으로 생성된 전자의 이동을 가능하게 하는 높은 전기전도도, 황의 전기화학 반응에 따른 부피팽창을 억제할 수 있는 기계적 강도, 중간생성물인 리튬 폴리설파이드의 용출을 막을 수 있는 다양한 크기의 기공분포 및 높은 비표면적 등이 있다. 따라서 이러한 요건을 만족시킬 수 있는 탄소구조체의 개발이 요구된다.The requirements for the sulfur-supporting material include high porosity capable of supporting sulfur, high electrical conductivity enabling the movement of electrons generated by the electrochemical reaction of sulfur, and suppression of volume expansion due to the electrochemical reaction of sulfur. mechanical strength, distribution of pores of various sizes and high specific surface area that can prevent the elution of lithium polysulfide, an intermediate product. Therefore, these requirements The development of a carbon structure that can satisfy the demand is required.

양극 내 70% 이상의 황함량과 1000mAh/g 이상의 황활용률을 갖는 고에너지밀도 황전지용 탄소-황-고분자 복합체를 얻기 위해서는, 양극 내 폴리설파이드의 음극으로의 이동을 억제하여 용량손실 및 저항증가를 감소시키고 음극 계면의 안정성을 위한 보호능력을 제공해줄 수 있는 다기능 분리막 코팅 기술개발이 필요하며. 반응물질인 황 대비 전해액 함량의 감소가 필수적인데 이를 위해 전해액의 모든 구성 성분이 폴리설파이드의 용해도를 높일 수 있도록 전해액 시스템을 고안하여 양산화하는 것이 필요하다.In order to obtain a carbon-sulfur-polymer composite for high energy density sulfur batteries having a sulfur content of 70% or more in the cathode and a sulfur utilization rate of 1000 mAh/g or more, the movement of polysulfide in the cathode to the cathode is suppressed to reduce capacity loss and increase in resistance. It is necessary to develop a multifunctional separator coating technology that can provide protection for the stability of the cathode interface. It is essential to reduce the content of the electrolyte compared to sulfur, which is a reactant. To this end, it is necessary to devise and mass-produce an electrolyte system so that all components of the electrolyte can increase the solubility of polysulfide.

또한 원소 황이 함침된 황-탄소 구조체에 밀도가 낮고 전기전도성이 우수한 고분자를 도입하여 리튬 폴리설파이드의 용출 및 확산을 억제하고 전극 내 전기전도성을 증대시켜 황의 활용률을 높일 수 있는 황-탄소-고분자 복합체의 개발이 요구된다. In addition, a sulfur-carbon-polymer composite that can increase the utilization rate of sulfur by suppressing the elution and diffusion of lithium polysulfide and increasing the electrical conductivity in the electrode by introducing a polymer with low density and excellent electrical conductivity to the sulfur-carbon structure impregnated with elemental sulfur. development is required.

대한민국 특허공개 제10-2004-0037322호Korean Patent Publication No. 10-2004-0037322 대한민국 특허공개 제10-2021-0021655호Korean Patent Publication No. 10-2021-0021655 대한민국 특허공개 제10-2014-0122886호Korean Patent Publication No. 10-2014-0122886 대한민국 특허공개 제10-2019-0066839호Korean Patent Publication No. 10-2019-0066839

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 다공성 실리카 구조체를 이용하여 제조한 중기공 탄소구조체에 전자이동이 용이하고 탄소나노튜브에 비해 상대적으로 경제적인 제조가 가능한 탄소와이어를 복합화하여 제조한 중기공 탄소-탄소와이어 구조체에 다량의 황을 함침시켜 종래 탄소입자와 탄소와이어 각각의 단점을 보완하면서 비교적 낮은 비용으로 제조할 수 있고 고함량의 황을 담지할 수 있어 높은 에너지밀도를 가지는 리튬-황전지용 양극재 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention is a mesoporous carbon produced by combining a carbon wire, which is easy to transfer electrons and can be produced relatively economically compared to carbon nanotubes, to a mesoporous carbon structure manufactured using a porous silica structure. -Anode for lithium-sulfur battery having high energy density as it can be manufactured at a relatively low cost and can support a high content of sulfur while compensating for the disadvantages of each of the conventional carbon particles and carbon wire by impregnating a large amount of sulfur into the carbon wire structure It is an object to provide a re-composition.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다공성 실리카 구조체를 제조하는 단계; 상기 다공성 실리카 구조체의 표면에 탄소함유-고분자물질을 코팅하고 열처리하여 다공성 실리카-탄소구조체를 제조하는 단계; 상기 다공성 실리카-탄소구조체에 탄소와이어를 성장시켜 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체를 제조하는 단계; 상기 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체에서 실리카를 제거하여 중기공 탄소-탄소와이어 구조체를 제조하는 단계; 및 상기 중기공 탄소-탄소와이어 구조체에 황을 함침시키는 단계를 포함하는, 리튬-황전지용 양극재 조성물의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of preparing a porous silica structure; preparing a porous silica-carbon structure by coating a surface of the porous silica structure with a carbon-containing polymer material and heat-treating; preparing a porous silica-carbon-carbon wire structure by growing a carbon wire on the porous silica-carbon structure; preparing a mesoporous carbon-carbon wire structure by removing silica from the porous silica-carbon-carbon wire structure; and impregnating the mesoporous carbon-carbon wire structure with sulfur.

상기 제조방법에서, 상기 다공성 실리카 구조체는 조성물 총 중량을 기준으로 TEOS(Tetraethyl orthosilicate) 2~10중량%, 20~35중량% 농도의 암모니아수 2~15중량%, 증류수 3~25중량%, TEOS 부피의 0.14~0.5배 부피의 유기실란, 및 나머지는 에탄올 및 메탄올 중 선택된 용매를 포함하는 조성물을 사용하여 제조하는 것이 바람직하다.In the above manufacturing method, the porous silica structure is TEOS (Tetraethyl orthosilicate) 2 to 10% by weight, 20 to 35% by weight of ammonia water 2 to 15% by weight, distilled water 3 to 25% by weight, TEOS volume based on the total weight of the composition 0.14 to 0.5 times the volume of organosilane, and the remainder is preferably prepared using a composition containing a solvent selected from ethanol and methanol.

상기 제조방법에서, 상기 다공성 실리카 구조체는, 용매에 20~35중량% 농도의 암모니아수, 증류수, 유기실란 및 TEOS를 혼합하여 5시간 이상 교반하여 합성하는 단계; 액상부를 제거하고 고형분만을 분리하여 90~110℃에서 12시간 이상 건조시키는 단계; 및 500~600℃에서 4~6시간 동안 열처리하는 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조되는 것이 바람직하다.In the above manufacturing method, the porous silica structure is synthesized by mixing 20 to 35% by weight of ammonia water, distilled water, organosilane and TEOS in a solvent and stirring for 5 hours or more; removing the liquid phase, separating only the solid content, and drying at 90 to 110° C. for 12 hours or more; And it is preferably prepared by a method comprising the step of heat treatment at 500 ~ 600 ℃ for 4 ~ 6 hours.

상기 제조방법에서, 상기 다공성 실리카 구조체는 입자크기 80~700nm의 구형인 것이 바람직하다.In the above production method, the porous silica structure is preferably spherical with a particle size of 80 to 700 nm.

상기 제조방법에서, 상기 탄소함유-고분자물질은 페놀수지, PVA(polyvinyl alcohol), PAN(polyacrylonitrile), PE(polyethylene), PP(polypropylene), PVC(polyvinylchloride) 및 PS(polystyrene) 중 선택된 열가소성 수지와, 셀룰로오스의 혼합물인 것이 바람직하다.In the manufacturing method, the carbon-containing polymer is a thermoplastic resin selected from phenol resin, polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylonitrile (PAN), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinylchloride (PVC), and polystyrene (PS). , preferably a mixture of cellulose.

상기 제조방법에서, 상기 열가소성 수지와 셀룰로오스는 6:4 내지 8:2의 중량비로 혼합하는 것이 바람직하다.In the manufacturing method, the thermoplastic resin and cellulose are preferably mixed in a weight ratio of 6:4 to 8:2.

상기 제조방법에서, 상기 다공성 실리카-탄소구조체는, 다공성 실리카 구조체 중량의 2.5~3.5배 중량의 증류수에 다공성 실리카 구조체 중량의 0.2~0.5배 중량의 탄소함유-고분자물질을 용해시키는 단계; 상기 탄소함유-고분자물질을 용해시킨 후 다공성 실리카 구조체를 투입하고 1시간 이상 방치하여 다공성 실리카 구조체에 탄소함유-고분자물질을 코팅하는 단계; 상기 탄소함유-고분자물질이 코팅된 다공성 실리카 구조체를 100~120℃에서 12시간 이상 증발 및 건조시키는 단계; 건조된 구조체를 공기 분위기에서 1℃/min의 승온속도로 180~220℃까지 승온시킨 후 1~5시간 동안 산화처리하는 단계; 산화처리된 구조체를 5℃/min의 승온속도로 800~1,000℃까지 승온시킨 후 5~25시간 동안 열처리하여 탄소함유-고분자물질을 탄화시키는 단계; 및 상온까지 자연냉각시키는 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조되는 것이 바람직하다.In the above manufacturing method, the porous silica-carbon structure is prepared by dissolving a carbon-containing polymer of 0.2 to 0.5 times the weight of the porous silica structure in distilled water 2.5 to 3.5 times the weight of the porous silica structure; coating the porous silica structure with the carbon-containing polymer material by dissolving the carbon-containing polymer material and then introducing the porous silica structure and leaving it for at least 1 hour; evaporating and drying the porous silica structure coated with the carbon-containing polymer at 100 to 120° C. for 12 hours or more; Oxidizing the dried structure for 1 to 5 hours after heating the dried structure to 180 to 220 ° C at a heating rate of 1 ° C / min in an air atmosphere; raising the temperature of the oxidized structure to 800 to 1,000° C. at a heating rate of 5° C./min, followed by heat treatment for 5 to 25 hours to carbonize the carbon-containing polymer; And it is preferably prepared by a method comprising the step of naturally cooling to room temperature.

상기 제조방법에서, 상기 다공성 실리카 구조체에 탄소함유-고분자 물질을 코팅하는 단계 후 75~85℃에서 3시간 이상 숙성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.In the above manufacturing method, after the step of coating the porous silica structure with a carbon-containing polymer material, a step of aging at 75 to 85 ° C. for 3 hours or more may be further included.

상기 제조방법에서, 상기 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체는, 상기 다공성 실리카-탄소구조체 중량대비 4~5중량%의 마그네슘(Mg) 분말을 혼합하는 단계; 다공성 실리카-탄소구조체에 마그네슘이 혼합된 분말을 질소분위기에서 600~700℃에서 5~7시간 동안 열처리하는 단계; 및 상기 열처리된 시료를 분쇄한 후 150~250메쉬 크기의 체를 통과한 분체인 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체를 얻는 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조되는 것이 바람직하다.In the manufacturing method, the porous silica-carbon-carbon wire structure comprises: mixing 4 to 5% by weight of magnesium (Mg) powder relative to the weight of the porous silica-carbon structure; heat-treating a powder in which magnesium is mixed in a porous silica-carbon structure at 600 to 700° C. for 5 to 7 hours in a nitrogen atmosphere; and pulverizing the heat-treated sample and passing through a 150 to 250 mesh sieve to obtain a porous silica-carbon-carbon wire structure.

상기 제조방법에서, 상기 중기공 탄소-탄소와이어 구조체는, 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체 고형분 중량의 8~12배 중량의 증류수를 반응용기에 넣고 불산을 증류수에 서서히 주입하여 15~25중량%의 불산용액을 제조하는 단계; 상기 불산용액에 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체를 서서히 주입하고 밀봉한 후 12시간 이상 반응시켜 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체 내 실리카 물질을 용해시키는 단계; 여과하여 용액을 제거하고 고형분은 증류수로 3~5회 세척하는 단계; 및 분리된 고형분을 90~110℃에서 10~14시간 동안 건조시키는 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조되는 것이 바람직하다.In the above manufacturing method, the mesoporous carbon-carbon wire structure is obtained by putting 8 to 12 times the weight of distilled water of the solid content of the porous silica-carbon-carbon wire structure in a reaction container and slowly injecting hydrofluoric acid into the distilled water to obtain 15 to 25% by weight. Preparing a hydrofluoric acid solution of; Dissolving the silica material in the porous silica-carbon-carbon wire structure by slowly injecting the porous silica-carbon-carbon wire structure into the hydrofluoric acid solution, sealing it, and reacting for 12 hours or more; filtering to remove the solution and washing the solid content with distilled water 3 to 5 times; And it is preferably prepared by a method comprising the step of drying the separated solid content at 90 ~ 110 ℃ for 10 ~ 14 hours.

상기 제조방법에서, 원소 황을 분쇄하는 단계; 분쇄된 황과 중기공 탄소-탄소와이어 구조체를 2~4:1의 중량비로 혼합하여 분쇄하는 단계; 및 150~160℃에서 10~14시간 동안 열처리하는 단계를 포함하는 방법에 의하여, 중기공 탄소-탄소와이어 구조체에 황을 함침시키는 것이 바람직하다.In the above production method, pulverizing elemental sulfur; mixing and pulverizing the pulverized sulfur and the mesoporous carbon-carbon wire structure in a weight ratio of 2 to 4:1; and heat treatment at 150 to 160° C. for 10 to 14 hours. Preferably, the mesoporous carbon-carbon wire structure is impregnated with sulfur.

상기 제조방법에서, 상기 중기공 탄소-탄소와이어 구조체는 평균 기공크기가 3~5nm인 중기공을 포함하고 입자의 크기가 80~800nm인 것이 바람직하다.In the manufacturing method, the mesoporous carbon-carbon wire structure preferably includes mesopores having an average pore size of 3 to 5 nm and a particle size of 80 to 800 nm.

또한 본 발명은 평균 기공크기가 3~5nm인 중기공을 포함하는 탄소구조체와, 상기 중기공을 포함하는 탄소구조체로부터 성장한 탄소와이어를 포함하고, 입자의 크기가 80~800nm인 중기공 탄소-탄소와이어 구조체와; 상기 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 기공 내에 함침된 황;을 포함하는 리튬-황전지용 양극재 조성물을 제공한다.In addition, the present invention includes a carbon structure containing mesopores having an average pore size of 3 to 5 nm, and a carbon wire grown from the carbon structure including the mesopores, and a mesopore carbon-carbon having a particle size of 80 to 800 nm. a wire structure; It provides a cathode material composition for a lithium-sulfur battery comprising sulfur impregnated in the pores of the mesoporous carbon-carbon wire structure.

상기 리튬-황전지 양극재 조성물은 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조된 것임이 바람직하다.The lithium-sulfur battery cathode material composition is preferably prepared by the method of any one of claims 1 to 11.

또한 본 발명은 평균 기공크기가 3~5nm인 중기공을 포함하는 탄소구조체와, 상기 중기공을 포함하는 탄소구조체로부터 성장한 탄소와이어를 포함하고, 입자의 크기가 80~800nm인 중기공 탄소-탄소와이어 구조체와; 상기 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 기공 내에 함침된 황;을 포함하는 리튬-황전지용 양극재 조성물을 양극재로 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황전지를 제공한다.In addition, the present invention includes a carbon structure containing mesopores having an average pore size of 3 to 5 nm, and a carbon wire grown from the carbon structure including the mesopores, and a mesopore carbon-carbon having a particle size of 80 to 800 nm. a wire structure; Provided is a lithium-sulfur battery comprising a cathode material composition for a lithium-sulfur battery including sulfur impregnated in the pores of the mesoporous carbon-carbon wire structure as a cathode material.

상기 리튬-황전지에서, 상기 리튬-황전지 양극재 조성물은 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조된 것임이 바람직하다.In the lithium-sulfur battery, the lithium-sulfur battery cathode material composition is preferably prepared by the method of any one of claims 1 to 11.

본 발명의 리튬-황전지용 양극재 조성물은, 중기공이 발달하고 다양한 크기의 기공을 가지면서 높은 기공도와 높은 비표면적을 가져 리튬 폴리설파이드의 용출을 막을 수 있는 구형의 탄소 나노구조체와, 중기공 탄소입자로부터 성장하여 탄소입자를 상호연결하고 지지하는 역할을 하는 동시에 이온 전달특성과 전자 전달특성을 향상시킬 수 있는 높은 전기전도도를 가진 탄소와이어 구조로 이루어진 중기공 탄소-탄소와이어 구조체를 사용하고, 중기공 탄소-탄소와이어 구조체 내부의 빈공간인 기공에 함침된 다량의 황을 포함하는 것으로, 이를 양극재로 사용하면 양극 내 고함량의 황을 담지할 수 있으므로 높은 에너지밀도를 가진 리튬-황전지를 얻을 수 있다.The cathode material composition for a lithium-sulfur battery of the present invention includes a spherical carbon nanostructure capable of preventing dissolution of lithium polysulfide due to mesopores developed and having pores of various sizes, high porosity and high specific surface area, and mesoporous carbon A mesoporous carbon-carbon wire structure composed of a carbon wire structure with high electrical conductivity capable of growing from particles to interconnect and support the carbon particles and at the same time improving ion transport characteristics and electron transport characteristics is used, It contains a large amount of sulfur impregnated into the pores, which are empty spaces inside the empty carbon-carbon wire structure. If this is used as a cathode material, a lithium-sulfur battery with high energy density can be obtained because it can support a high content of sulfur in the cathode. can

도 1은 다공성 실리카 구조체의 SEM 이미지이다.
도 2는 다공성 실리카-탄소구조체의 SEM 이미지이다.
도 3은 중기공 탄소구조체의 SEM 이미지이다.
도 4는 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 SEM 이미지이다.
도 5는 반응시간에 따른 다공성 실리카 구조체의 실리카 코어 크기를 확인한 SEM 이미지이다. 반응시간은 (A) 1시간, (B) 2시간 및 (C) 5시간이다.
도 6은 반응촉매의 양에 따른 다공성 실리카 구조체의 실리카 코어 크기를 확인한 SEM 이미지이다. 반응촉매의 양은 (A) 2중량%, (B) 5중량%, (C) 9중량% 및 (D) 15중량%이다.
도 7은 증류수의 양에 따른 다공성 실리카 구조체의 실리카 코어 크기를 확인한 SEM 이미지이다. 증류수의 양은 (A) 3중량%, (B) 7중량%, (C) 11중량%, (D) 15중량% 및 (E) 23중량%이다.
도 8은 TEOS의 양에 따른 다공성 실리카 구조체의 실리카 코어 크기를 확인한 SEM 이미지이다. TEOS의 양은 (A) 2중량%, (B) 6중량% 및 (C) 10중량%이다.
도 9는 반응조건에 따른 다공성 실리카 구조체의 실리카 코어 크기변화를 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 실리카 코어 크기에 따른 다공성 실리카 구조체의 질소 등온선과 기공분포를 나타낸 것이다.
도 11은 실리카 코어 크기에 따른 다공성 실리카 구조체의 물리적 특성을 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 계면활성제의 종류에 따른 다공성 실리카 구조체의 코어-쉘 구조를 확인한 결과인 SEM 이미지이다.
도 13은 계면활성제의 종류에 따른 다공성 실리카 구조체의 코어-쉘의 질소 등온선을 나타낸 것이다.
도 14는 계면활성제의 종류에 따른 다공성 실리카 구조체의 코어-쉘의 기공분포를 나타낸 것이다.
도 15는 유기실란의 비율에 따른 다공성 실리카 구조체의 코어-쉘 구조를 확인한 SEM 이미지이다.
도 16은 유기실란의 비율에 따른 다공성 실리카 구조체의 코어-쉘 질소 등온선 및 기공분포를 나타낸 것이다.
도 17은 유기실란 비율에 따른 중기공 탄소구조체의 SEM 이미지이다.유기실란/TEOS 부피비는 (A) 0.125, (B) 0.375 및 (C) 1이다.
도 18은 유기실란 비율에 따른 중기공 탄소구조체의 질소 등온선이다.
도 19는 유기실란 비율에 따른 중기공 탄소구조체의 기공분포곡선이다.
도 20은 유기실란 비율에 따른 중기공 탄소구조체의 물리적 특성을 확인한 결과이다.
도 21은 탄소함유-고분자물질 비율에 따른 중기공 탄소구조체의 질소 등온선이다.
도 22는 탄소함유-고분자물질 비율에 따른 중기공 탄소구조체의 기공분포곡선이다.
도 23은 탄소함유-고분자물질 비율에 따른 중기공 탄소구조체의 물리적 특성을 비교한 것이다.
도 24는 입자크기에 따른 중기공 탄소구조체의 구조를 확인한 SEM 이미지이다. 입자크기는 (A) 80nm, (B) 300nm 및 (C) 500nm이다.
도 25는 입자크기에 따른 중기공 탄소구조체의 질소 등온선, 기공분포 및 물리적 특성을 확인한 결과이다.
도 26은 열처리온도에 따른 중기공 탄소구조체의 구조를 확인한 SEM 이미지이다. (A)는 유기실란/TEOS 부피비가 0.125, (B)는 0.375, (C)는 1인 경우를 나타낸다.
도 27은 열처리온도에 따른 중기공 탄소구조체의 질소 등온선, 기공분포 및 물리적 특성을 확인한 결과이다.
도 28은 열처리시간에 따른 중기공 탄소구조체의 질소 등온선, 기공분포 및 물리적 특성을 확인한 결과이다.
도 29는 열처리시간에 따른 중기공 탄소구조체의 입도분포를 확인한 결과이다.
도 30은 실시예 1의 질소 등온선과 기공분포곡선을 나타낸 것이다.
도 31은 황함침 전 비교예 1의 열처리된 중기공 탄소구조체의 질소 등온선과 기공분포곡선을 나타낸 것이다.
도 32는 황함침 전 비교예 2의 열처리된 중기공 탄소구조체의 질소 등온선과 기공분포곡선을 나타낸 것이다.
도 33은 황함침 전 비교예 3의 열처리된 중기공 탄소구조체의 질소 등온선과 기공분포곡선을 나타낸 것이다.
도 34는 실시예 1의 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 구조를 확인한 SEM 이미지이다.
도 35는 황함침 전 비교예 1의 열처리된 중기공 탄소구조체의 구조를 확인한 SEM 이미지이다.
도 36은 황함침 전 비교예 2의 열처리된 중기공 탄소구조체의 구조를 확인한 SEM 이미지이다.
도 37은 황함침 전 비교예 3의 열처리된 중기공 탄소구조체의 구조를 확인한 SEM 이미지이다.
도 38은 실시예 4, 비교예 1 내지 3의 황-탄소복합체의 열중량분석(TGA) 결과이다.
도 39는 실시예 4, 비교예 1 내지 3의 황-탄소복합체의 XRD 분석 결과이다.
도 40은 실시예 4, 비교예 1 내지 3의 리튬이온 충방전성능을 분석하기 위한 전지성능평가 그래프이다.
도 41은 도 40의 전지성능평가 그래프로부터 충방전 횟수에 따른 초기 1회 사이클의 방전성능 대비 각 사이클별 방전성능을 나타낸 것이다.
1 is a SEM image of a porous silica structure.
2 is a SEM image of a porous silica-carbon structure.
3 is a SEM image of a mesoporous carbon structure.
4 is a SEM image of a mesoporous carbon-carbon wire structure.
5 is a SEM image confirming the silica core size of the porous silica structure according to the reaction time. The reaction times are (A) 1 hour, (B) 2 hours and (C) 5 hours.
6 is a SEM image confirming the silica core size of the porous silica structure according to the amount of the reaction catalyst. The amount of the reaction catalyst is (A) 2% by weight, (B) 5% by weight, (C) 9% by weight and (D) 15% by weight.
7 is an SEM image confirming the silica core size of the porous silica structure according to the amount of distilled water. The amount of distilled water is (A) 3% by weight, (B) 7% by weight, (C) 11% by weight, (D) 15% by weight and (E) 23% by weight.
8 is a SEM image confirming the silica core size of the porous silica structure according to the amount of TEOS. The amount of TEOS is (A) 2% by weight, (B) 6% by weight and (C) 10% by weight.
Figure 9 shows the results of confirming the change in the size of the silica core of the porous silica structure according to the reaction conditions.
10 shows nitrogen isotherms and pore distributions of porous silica structures according to silica core sizes.
Figure 11 shows the results of confirming the physical properties of the porous silica structure according to the size of the silica core.
12 is a SEM image of the result of confirming the core-shell structure of the porous silica structure according to the type of surfactant.
Figure 13 shows the nitrogen isotherm of the core-shell of the porous silica structure according to the type of surfactant.
14 shows the pore distribution of the core-shell of the porous silica structure according to the type of surfactant.
15 is a SEM image confirming the core-shell structure of the porous silica structure according to the ratio of organosilane.
16 shows the core-shell nitrogen isotherm and pore distribution of the porous silica structure according to the ratio of organosilane.
17 is an SEM image of the mesoporous carbon structure according to the organosilane ratio. The organosilane/TEOS volume ratio is (A) 0.125, (B) 0.375, and (C) 1.
18 is a nitrogen isotherm of a mesoporous carbon structure according to an organosilane ratio.
19 is a pore distribution curve of the mesoporous carbon structure according to the organosilane ratio.
20 is a result of confirming the physical properties of the mesoporous carbon structure according to the organosilane ratio.
21 is a nitrogen isotherm of a mesoporous carbon structure according to a carbon-containing-polymer ratio.
22 is a pore distribution curve of the mesoporous carbon structure according to the ratio of carbon-containing polymers.
23 compares the physical properties of mesoporous carbon structures according to the ratio of carbon-containing polymers.
24 is an SEM image confirming the structure of the mesoporous carbon structure according to the particle size. The particle sizes are (A) 80 nm, (B) 300 nm and (C) 500 nm.
25 is a result of confirming the nitrogen isotherm, pore distribution, and physical properties of the mesoporous carbon structure according to the particle size.
26 is a SEM image confirming the structure of the mesoporous carbon structure according to the heat treatment temperature. (A) shows the case where the organosilane/TEOS volume ratio is 0.125, (B) is 0.375, and (C) is 1.
27 is a result of confirming the nitrogen isotherm, pore distribution, and physical properties of the mesoporous carbon structure according to the heat treatment temperature.
28 is a result of confirming the nitrogen isotherm, pore distribution, and physical properties of the mesoporous carbon structure according to the heat treatment time.
29 is a result of confirming the particle size distribution of the mesoporous carbon structure according to the heat treatment time.
30 shows nitrogen isotherms and pore distribution curves of Example 1.
31 shows nitrogen isotherms and pore distribution curves of the heat-treated mesoporous carbon structure of Comparative Example 1 before sulfur impregnation.
32 shows nitrogen isotherms and pore distribution curves of the heat-treated mesoporous carbon structure of Comparative Example 2 before sulfur impregnation.
33 shows nitrogen isotherms and pore distribution curves of the heat-treated mesoporous carbon structure of Comparative Example 3 before sulfur impregnation.
34 is a SEM image confirming the structure of the mesoporous carbon-carbon wire structure of Example 1.
35 is a SEM image confirming the structure of the heat-treated mesoporous carbon structure of Comparative Example 1 before sulfur impregnation.
36 is an SEM image confirming the structure of the heat-treated mesoporous carbon structure of Comparative Example 2 before sulfur impregnation.
37 is a SEM image confirming the structure of the heat-treated mesoporous carbon structure of Comparative Example 3 before sulfur impregnation.
38 is a thermogravimetric analysis (TGA) result of the sulfur-carbon composites of Example 4 and Comparative Examples 1 to 3.
39 is an XRD analysis result of the sulfur-carbon composites of Example 4 and Comparative Examples 1 to 3.
40 is a battery performance evaluation graph for analyzing the lithium ion charge and discharge performance of Example 4 and Comparative Examples 1 to 3.
FIG. 41 shows the discharge performance for each cycle compared to the discharge performance of the initial one cycle according to the number of charge/discharge cycles from the battery performance evaluation graph of FIG. 40 .

본 발명은 다공성 실리카 구조체를 제조하는 단계; 상기 다공성 실리카 구조체의 표면에 탄소함유-고분자물질을 코팅하고 열처리하여 다공성 실리카-탄소구조체를 제조하는 단계; 상기 다공성 실리카-탄소구조체에 탄소와이어를 성장시켜 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체를 제조하는 단계; 상기 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체에서 실리카를 제거하여 중기공 탄소-탄소와이어 구조체를 제조하는 단계; 및 상기 중기공 탄소-탄소와이어 구조체에 황을 함침시키는 단계를 포함하는, 리튬-황전지용 양극재 조성물의 제조방법에 관한 것이다.The present invention comprises the steps of preparing a porous silica structure; preparing a porous silica-carbon structure by coating a surface of the porous silica structure with a carbon-containing polymer material and heat-treating; preparing a porous silica-carbon-carbon wire structure by growing a carbon wire on the porous silica-carbon structure; preparing a mesoporous carbon-carbon wire structure by removing silica from the porous silica-carbon-carbon wire structure; and impregnating the mesoporous carbon-carbon wire structure with sulfur.

또한 본 발명은 평균 기공크기가 3~5nm인 중기공을 포함하는 탄소구조체와, 상기 중기공을 포함하는 탄소구조체로부터 성장한 탄소와이어를 포함하고, 입자의 크기가 80~800nm인 중기공 탄소-탄소와이어 구조체와; 상기 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 기공 내에 함침된 황;을 포함하는 리튬-황전지용 양극재 조성물에 관한 것이다.In addition, the present invention includes a carbon structure containing mesopores having an average pore size of 3 to 5 nm, and a carbon wire grown from the carbon structure including the mesopores, and a mesopore carbon-carbon having a particle size of 80 to 800 nm. a wire structure; It relates to a cathode material composition for a lithium-sulfur battery comprising sulfur impregnated in the pores of the mesoporous carbon-carbon wire structure.

또한 본 발명은 평균 기공크기가 3~5nm인 중기공을 포함하는 탄소구조체와, 상기 중기공을 포함하는 탄소구조체로부터 성장한 탄소와이어를 포함하고, 입자의 크기가 80~800nm인 중기공 탄소-탄소와이어 구조체와; 상기 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 기공 내에 함침된 황;을 포함하는 리튬-황전지용 양극재 조성물을 양극재로 사용하는 것을 특징으로 하는 리튬-황전지에 관한 것이다. In addition, the present invention includes a carbon structure containing mesopores having an average pore size of 3 to 5 nm, and a carbon wire grown from the carbon structure including the mesopores, and a mesopore carbon-carbon having a particle size of 80 to 800 nm. a wire structure; It relates to a lithium-sulfur battery characterized in that a cathode material composition for a lithium-sulfur battery including sulfur impregnated in the pores of the mesoporous carbon-carbon wire structure is used as a cathode material.

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

1. 다공성 실리카 구조체의 제조1. Preparation of porous silica structure

다공성 실리카 구조체는 실리카(SiO2) 원료물질, 용매, 촉매, 가수반응을 위한 증류수 및 계면활성제를 혼합한 조성물을 사용하여 졸-겔 반응으로 제조한다.The porous silica structure is prepared by a sol-gel reaction using a composition in which a silica (SiO 2 ) raw material, a solvent, a catalyst, distilled water for hydrolysis, and a surfactant are mixed.

실리카 원료물질로는 TEOS(Tetraethyl orthosilicate)를 사용한다. TEOS는 조성물 총 중량을 기준으로 2~10중량%를 사용하는 것이 바람직하다.As a silica raw material, TEOS (Tetraethyl orthosilicate) is used. TEOS is preferably used in an amount of 2 to 10% by weight based on the total weight of the composition.

실리카 합성공간을 제공하는 용매로는 에탄올 또는 메탄올을 사용한다.Ethanol or methanol is used as a solvent providing a space for silica synthesis.

실리카 합성을 위한 촉매로는 암모니아수, 염산, 질산 또는 황산을 사용한다. 암모니아수를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 암모니아수로는 20~35중량% 농도의 암모니아수를 사용하는 것이 바람직하고, 25~30중량% 농도의 암모니아수를 사용하는 것이 보다 바람직하며, 28중량% 농도의 암모니아수를 사용하는 것이 특히 바람직하다.Ammonia water, hydrochloric acid, nitric acid or sulfuric acid is used as a catalyst for silica synthesis. It is more preferable to use aqueous ammonia. As the ammonia water, it is preferable to use ammonia water with a concentration of 20 to 35% by weight, more preferably to use ammonia water with a concentration of 25 to 30% by weight, and particularly preferably to use ammonia water with a concentration of 28% by weight.

가수반응을 위하여 증류수를 사용한다. 증류수는 조성물 총 중량을 기준으로 3~25중량%를 사용하는 것이 바람직하다.Distilled water is used for the hydrolysis reaction. Distilled water is preferably used in an amount of 3 to 25% by weight based on the total weight of the composition.

기공확장을 위하여 계면활성제를 사용한다. 계면활성제로는 유기실란{C18-TMS(Trimethoxy(octadecyl)silane}, CTAB(Cetyltrimethylammoniumbromide), CTAC (Cetyltrimethylammoniumchloride), 디비닐벤젠(Divinylbenzene), 셀룰로오스(Cellulose), 페놀수지(Phenol resin), 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol) 등을 사용할 수 있다. 유기실란을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 유기실란은 유기실란/TEOS의 부피비가 0.14~0.5이 되는 양을 사용하는 것이 바람직하고, 0.3~0.4이 되는 양을 사용하는 것이 보다 바람직하며, 0.375가 되는 양을 사용하는 것이 특히 바람직하다.Surfactant is used for pore expansion. As the surfactant, organosilane {C 18 -TMS (Trimethoxy(octadecyl)silane}, CTAB (Cetyltrimethylammoniumbromide), CTAC (Cetyltrimethylammoniumchloride), Divinylbenzene, Cellulose, Phenol resin, Polyvinyl Alcohol (Polyvinylalcohol) can be used, etc. It is particularly preferable to use organosilane, and the volume ratio of organosilane/TEOS is preferably used in an amount of 0.14 to 0.5, and an amount of 0.3 to 0.4 is used. It is more preferable to use, and it is particularly preferable to use an amount that becomes 0.375.

용매인 에탄올 또는 메탄올에 암모니아수, 유기실란 및 TEOS를 혼합하고 5시간 이상 교반하면서 반응시켜 다공성 실리카 구조체를 합성한다. 5~7시간 동안 반응시켜 합성하는 것이 보다 바람직하며, 5시간 동안 반응시키는 것이 특히 바람직하다.A porous silica structure is synthesized by mixing ammonia water, organosilane, and TEOS with ethanol or methanol as a solvent and reacting with stirring for 5 hours or more. It is more preferable to react for 5 to 7 hours to synthesize, and it is particularly preferable to react for 5 hours.

합성된 실리카 구조체는 액상부를 제거하고 고형분만을 분리하여 90~110℃에서 12시간 이상 건조시킨다. 100℃에서 12~14시간 동안 건조시키는 것이 보다 바람직하다. 액상부는 원심분리기를 이용하여 제거하는 것이 바람직하다.The synthesized silica structure is dried at 90 ~ 110 ℃ for 12 hours or more by removing the liquid phase and separating only the solid content. It is more preferable to dry at 100°C for 12 to 14 hours. It is preferable to remove the liquid phase using a centrifugal separator.

건조된 실리카 구조체는 500~600℃의 조건으로 4~6시간 동안 열처리하여 내부에 존재하는 유기물질을 제거하여 다공성 실리카 구조체를 얻는다.The dried silica structure is heat-treated at 500 to 600° C. for 4 to 6 hours to remove organic substances present therein to obtain a porous silica structure.

다공성 실리카 구조체는 입자크기(직경)가 80~700nm인 구형의 물질로 중기공 탄소-탄소와이어 음극재를 제작하기 위한 주형(template)으로 사용된다. 다공성 실리카 구조체의 입자크기는 80~100nm인 것이 바람직하고, 80nm인 것이 특히 바람직한데, 작은 입자 사이에서 형성되는 기공들이 물성 특성에 영향을 주기 때문이다. The porous silica structure is a spherical material with a particle size (diameter) of 80 to 700 nm and is used as a template for manufacturing mesoporous carbon-carbon wire negative electrode materials. The particle size of the porous silica structure is preferably 80 to 100 nm, and particularly preferably 80 nm, because pores formed between small particles affect physical properties.

2. 다공성 실리카-탄소구조체의 제조2. Preparation of porous silica-carbon structure

상기 다공성 실리카 구조체에 탄소함유-고분자물질을 코팅하고 열처리하여 다공성 실리카-탄소구조체를 제조한다.A porous silica-carbon structure is prepared by coating the porous silica structure with a carbon-containing polymer material and heat-treating.

실리카 표면에 코팅할 탄소함유-고분자물질로는 페놀수지, PVA(polyvinyl alcohol), PAN(polyacrylonitrile), PE(polyethylene), PP(polypropylene), PVC(polyvinylchloride) 및 PS(polystyrene) 중 선택된 열가소성 수지와, 셀룰로오스를 혼합하여 사용한다. 페놀수지와 셀룰로오스를 혼합하여 사용하는 것이 보다 바람직하다.The carbon-containing polymer material to be coated on the silica surface is a thermoplastic resin selected from phenol resin, PVA (polyvinyl alcohol), PAN (polyacrylonitrile), PE (polyethylene), PP (polypropylene), PVC (polyvinylchloride) and PS (polystyrene) , mixed with cellulose. It is more preferable to use a mixture of a phenol resin and cellulose.

열가소성 수지와 셀룰로오스는 6:4 내지 8:2의 중량비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, 7:3의 중량비로 혼합하여 사용하는 것이 보다 바람직하다.The thermoplastic resin and cellulose are preferably mixed in a weight ratio of 6:4 to 8:2, and more preferably mixed in a weight ratio of 7:3.

다공성 실리카 구조체 중량의 2.5~3.5배 중량의 증류수에 다공성 실리카 구조체 중량의 0.2~0.5배 중량의 탄소함유-고분자물질을 용해시킨다. 다공성 실리카 구조체 중량의 0.2~0.3배 중량의 탄소함유-고분자물질을 사용하는 것이 보다 바람직하며, 0.23배 중량의 탄소함유-고분자물질을 사용하는 것이 특히 바람직하다. In distilled water 2.5 to 3.5 times the weight of the porous silica structure, 0.2 to 0.5 times the weight of the porous silica structure is dissolved in the carbon-containing polymer material. It is more preferable to use 0.2 to 0.3 times the weight of the porous silica structure of the carbon-containing polymer material, and it is particularly preferable to use 0.23 times the weight of the carbon-containing polymer material.

탄소함유-고분자물질을 증류수에 용해시킨 후 교반을 진행하면서 다공성 실리카 구조체를 투입하고 1시간 이상, 보다 바람직하게는 1~3시간 동안 방치하여 다공성 실리카 구조체에 탄소함유-고분자물질을 코팅한다. After the carbon-containing polymer material is dissolved in distilled water, the porous silica structure is added while stirring, and left for 1 hour or more, more preferably 1 to 3 hours, so that the porous silica structure is coated with the carbon-containing polymer material.

다공성 실리카 구조체에 탄소함유-고분자물질을 코팅한 후 75~85℃에서 3시간 이상, 보다 바람직하게는 3~5시간 동안 숙성시키는 과정을 더 포함하는 것이 보다 바람직하다.It is more preferable to further include a process of aging at 75 to 85° C. for 3 hours or more, more preferably 3 to 5 hours after coating the porous silica structure with the carbon-containing polymer.

탄소함유-고분자물질이 코팅된 다공성 실리카 구조체는 100~120℃에서 12시간 이상, 보다 바람직하게는 12~14시간 동안 증발 및 건조시킨다.The carbon-containing polymer-coated porous silica structure is evaporated and dried at 100 to 120° C. for 12 hours or more, more preferably 12 to 14 hours.

건조된 구조체는 탄소함유-고분자물질의 가교결합을 높이기 위하여 공기분위기에서 1℃/min의 승온속도로 180~220℃, 보다 바람직하게는 200℃까지 승온시킨 후 1~5시간 동안 유지하여 산화처리한다.The dried structure is oxidized by raising the temperature to 180 to 220 ° C, more preferably to 200 ° C at a heating rate of 1 ° C / min in an air atmosphere in order to increase the crosslinking of the carbon-containing polymer, and then maintaining it for 1 to 5 hours. do.

산화처리된 구조체는 열처리하여 탄화시킨다. 질소가 퍼징(Purging)되는 소성로에 장입하여 탄화시키는 것이 바람직하다. 구조체는 5℃/min의 승온속도로 800~1,000℃, 보다 바람직하게는 900℃까지 승온시킨 후 5~25시간 동안 열처리하여 탄소함유-고분자물질을 탄화시킨다. 20~25시간 동안 열처리하는 것이 보다 바람직하다.The oxidized structure is carbonized by heat treatment. It is preferable to carbonize by charging nitrogen into a sintering furnace in which nitrogen is purged. The structure is heated to 800 to 1,000° C., more preferably to 900° C. at a heating rate of 5° C./min, and then heat-treated for 5 to 25 hours to carbonize the carbon-containing polymer material. It is more preferable to heat-treat for 20 to 25 hours.

탄화시킨 후 상온까지 자연냉각시켜 탄소함유-고분자물질이 탄화된 다공성 실리카-탄소구조체를 제조한다.After carbonization, it is naturally cooled to room temperature to prepare a porous silica-carbon structure in which carbon-containing polymers are carbonized.

3. 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체의 제조3. Preparation of porous silica-carbon-carbon wire structure

상기 다공성 실리카-탄소구조체에 탄소와이어를 성장시켜 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체를 제조한다. A porous silica-carbon-carbon wire structure is prepared by growing a carbon wire on the porous silica-carbon structure.

먼저, 다공성 실리카-탄소구조체에 다공성 실리카-탄소구조체 중량대비 4~5중량%의 마그네슘(Mg) 분말을 혼합한다. 마그네슘은 다공성 실리카-탄소구조체에서 탄소물질을 열분해하여 와이어형태로 성장시키는 촉매 역할을 한다. 마그네슘은 실리카를 환원시키는 동시에 산화되어 MgOx 형태로 전환되는데 이때 발생되는 국부적인 고열이 탄소물질을 녹이면서 재배열시켜 탄소를 와이어 형태로 변형시킨다.First, 4 to 5% by weight of magnesium (Mg) powder relative to the weight of the porous silica-carbon structure is mixed with the porous silica-carbon structure. Magnesium serves as a catalyst for growth in a wire form by thermal decomposition of carbon materials in a porous silica-carbon structure. Magnesium reduces silica and at the same time is oxidized and converted into MgOx. The local high heat generated at this time melts and rearranges the carbon material, transforming the carbon into a wire form.

다공성 실리카-탄소구조체에 마그네슘이 혼합된 분말은 질소분위기에서 600~700℃에서 5~7시간 동안 열처리한다.The powder mixed with magnesium in the porous silica-carbon structure is heat treated at 600 to 700 ° C for 5 to 7 hours in a nitrogen atmosphere.

열처리된 시료는 분쇄한 후 150~250메쉬 크기의 체를 통과한 분체인 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체를 얻는다. 200메쉬 체를 사용하는 것이 보다 바람직하다.The heat-treated sample is pulverized and passed through a sieve of 150 to 250 mesh to obtain a porous silica-carbon-carbon wire structure. It is more preferable to use a 200 mesh sieve.

4. 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 제조4. Preparation of mesoporous carbon-carbon wire structure

상기 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체에서 실리카를 제거하여 중기공 탄소-탄소와이어 구조체를 제조한다.A mesoporous carbon-carbon wire structure is prepared by removing silica from the porous silica-carbon-carbon wire structure.

실리카를 제거하기 위한 물질로는 불산(HF), 또는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화칼슘{Ca(OH)2} 등의 강알칼리를 사용한다. 불산을 사용하는 것이 보다 바람직하다.As a material for removing silica, hydrofluoric acid (HF) or a strong alkali such as sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), or calcium hydroxide {Ca(OH) 2 } is used. It is more preferable to use hydrofluoric acid.

다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체 고형분 중량의 8~12배 중량의 증류수를 반응용기에 넣고 실리카를 제거하기 위한 물질을 증류수에 서서히 주입하여 15~25중량% 농도의 불산용액 또는 강알칼리용액을 제조한다. 20중량% 농도의 용액을 제조하는 것이 보다 바람직하다.Distilled water weighing 8 to 12 times the weight of the solid content of the porous silica-carbon-carbon wire structure is placed in a reaction container, and a substance for removing silica is slowly injected into the distilled water to prepare a hydrofluoric acid solution or a strong alkali solution at a concentration of 15 to 25% by weight. . It is more preferred to prepare a 20% by weight solution.

제조한 용액에 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체를 서서히 주입하고 밀봉한 후 12시간 이상, 보다 바람직하게는 12~14시간 동안 반응시켜 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체 내 실리카 물질을 용해시킨다. 반응은 진동교반기를 사용하여 진동교반하면서 실시하는 것이 바람직하다.After slowly injecting the porous silica-carbon-carbon wire structure into the prepared solution, sealing it, and reacting for 12 hours or more, more preferably 12 to 14 hours, to dissolve the silica material in the porous silica-carbon-carbon wire structure. The reaction is preferably carried out while vibrating with a vibrating stirrer.

교반이 완료되면 여과하여 용액을 제거하고 고형분은 증류수를 이용하여 3~5회 세척한다. 분리된 고형분은 90~110℃에서 10~14시간 동안 건조시켜 중기공 탄소-탄소와이어 구조체를 제조한다.When the stirring is completed, the solution is removed by filtration, and the solid content is washed 3 to 5 times with distilled water. The separated solid content is dried at 90 to 110 ° C. for 10 to 14 hours to prepare a mesoporous carbon-carbon wire structure.

중기공 탄소-탄소와이어 구조체는 평균 기공크기가 3~5nm인 중기공을 포함하고 입자의 크기가 80~800nm인 것이 바람직하다. 입자의 크기가 80~500nm인 것이 보다 바람직하다.The mesoporous carbon-carbon wire structure preferably includes mesopores having an average pore size of 3 to 5 nm and a particle size of 80 to 800 nm. It is more preferable that the particle size is 80-500 nm.

5. 리튬-황전지용 양극재 조성물의 제조5. Preparation of cathode material composition for lithium-sulfur battery

상기 중기공 탄소-탄소와이어 구조체에 황을 함침하여 리튬-황전지용 양극재 조성물을 제조한다. A cathode material composition for a lithium-sulfur battery is prepared by impregnating the mesoporous carbon-carbon wire structure with sulfur.

황으로는 원소 황을 분쇄하여 사용한다. 원소 황을 분쇄하는 방법은 공지의 방법을 사용할 수 있다. 황을 분쇄하는 방법의 일예는 원소 황을 지르코니아 볼과 함께 믹서를 이용하여 4~6분 동안 분쇄하는 것이다.As sulfur, elemental sulfur is pulverized and used. As a method of pulverizing elemental sulfur, a known method can be used. One example of a method for grinding sulfur is grinding elemental sulfur for 4 to 6 minutes using a mixer with a zirconia ball.

분쇄된 황과 중기공 탄소-탄소와이어 구조체를 2~4:1의 중량비로 혼합하여 분쇄한다. 황과 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 혼합물은 막자사발에서 4~6분 동안 갈아주어 분쇄하는 것이 바람직하다.The pulverized sulfur and the mesoporous carbon-carbon wire structure are mixed in a weight ratio of 2 to 4:1 and pulverized. The mixture of sulfur and the mesoporous carbon-carbon wire structure is preferably pulverized by grinding in a mortar for 4 to 6 minutes.

분쇄된 황과 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 혼합물은 150~160℃에서 10~14시간 동안 열처리하여 중기공 탄소-탄소와이어 구조체 내에 황을 함침시킨다.The mixture of the pulverized sulfur and the mesoporous carbon-carbon wire structure is heat-treated at 150 to 160° C. for 10 to 14 hours to impregnate sulfur into the mesoporous carbon-carbon wire structure.

중기공 탄소-탄소와이어 구조체 내의 기공에 황이 함침된 리튬-황전지용 양극재 조성물이 얻어진다. A cathode material composition for a lithium-sulfur battery in which sulfur is impregnated into pores in a mesoporous carbon-carbon wire structure is obtained.

중기공 탄소-탄소와이어 구조체에 황이 함침된 리튬-황전지의 양극재용 조성물은 리튬-황전지에서 양극재로 사용된다. A composition for a cathode material of a lithium-sulfur battery in which a mesoporous carbon-carbon wire structure is impregnated with sulfur is used as a cathode material in a lithium-sulfur battery.

본 발명의 중기공 탄소-탄소와이어 구조체에 황이 함침된 양극재 조성물을 사용하면, 평균 기공크기가 3~5nm인 중기공을 포함하는 탄소구조체와, 상기 중기공을 포함하는 탄소구조체로부터 성장한 탄소와이어를 포함하고, 입자의 크기가 80~800nm인 중기공 탄소-탄소와이어 구조체와; 상기 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 기공 내에 함침된 황;을 포함하는 리튬-황전지용 양극재 조성물을 양극재로 사용하는 것을 특징으로 하는 리튬-황전지를 얻을 수 있다.When the positive electrode material composition impregnated with sulfur is used for the mesoporous carbon-carbon wire structure of the present invention, a carbon structure containing mesopores having an average pore size of 3 to 5 nm and a carbon wire grown from the carbon structure including the mesopores A mesoporous carbon-carbon wire structure including a particle size of 80 to 800 nm; A lithium-sulfur battery may be obtained by using a cathode material composition for a lithium-sulfur battery including sulfur impregnated in the pores of the mesoporous carbon-carbon wire structure as a cathode material.

이러한 리튬-황전지는 중기공 탄소-탄소와이어 구조체 내부의 기공들에 고함량의 황이 담지되므로 높은 에너지밀도를 가지게 된다.Such a lithium-sulfur battery has a high energy density because a high content of sulfur is supported in the pores inside the mesoporous carbon-carbon wire structure.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것으로 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.The present invention will be described in detail through the following examples. These examples are illustrative of the present invention, but the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예 1> <Example 1>

중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 제조Preparation of mesoporous carbon-carbon wire structure

(1) 다공성 실리카 구조체의 제조(1) Preparation of porous silica structure

에탄올 1000g이 담지된 반응기에 28중량% 농도의 암모니아수 2㎖, 증류수 80㎖, 유기실란 15㎖, TEOS 60㎖를 정량하여 투입한 후 5시간 이상 교반하여 다공성 실리카 구조체를 합성하였다.2 ml of 28 wt% ammonia water, 80 ml of distilled water, 15 ml of organosilane, and 60 ml of TEOS were added in a reactor carrying 1000 g of ethanol, and stirred for 5 hours or more to synthesize a porous silica structure.

합성된 실리카 구조체는 원심분리기를 이용하여 액상부를 제거한 후 고형분을 건조오븐에서 100℃의 조건으로 12시간 이상 건조시켰다.After removing the liquid phase of the synthesized silica structure using a centrifuge, the solid content was dried in a drying oven at 100° C. for 12 hours or more.

건조된 실리카 구조체는 소성로에 넣고 550℃에서 5시간 동안 열처리하여 내부에 존재하는 유기물질을 제거하여 다공성 실리카 구조체를 얻었다.The dried silica structure was placed in a sintering furnace and heat-treated at 550° C. for 5 hours to remove organic substances present therein, thereby obtaining a porous silica structure.

상기와 같이 제조된 평균 직경 500nm의 다공성 실리카 구조체의 SEM 이미지를 도 1에 나타내었다.A SEM image of the porous silica structure having an average diameter of 500 nm prepared as described above is shown in FIG. 1 .

(2) 다공성 실리카-탄소구조체의 제조(2) Preparation of porous silica-carbon structure

상기 제조된 다공성 실리카 구조체에 탄소함유-고분자물질을 코팅하여 다공성 실리카-탄소 구조체를 제조하였다.A porous silica-carbon structure was prepared by coating the prepared porous silica structure with a carbon-containing polymer material.

실리카 표면에 코팅할 탄소함유-고분자물질로는 페놀수지와 셀룰로오스를 7:3의 중량비로 혼합하여 사용하였다. As the carbon-containing polymer material to be coated on the silica surface, a mixture of phenolic resin and cellulose in a weight ratio of 7:3 was used.

다공성 실리카 구조체 중량의 3배 중량의 증류수에 다공성 실리카 구조체 중량의 0.23배 중량의 탄소함유-고분자물질을 용해시켰다.A carbon-containing polymer in an amount of 0.23 times the weight of the porous silica structure was dissolved in distilled water three times the weight of the porous silica structure.

탄소함유-고분자물질을 용해시킨 후 교반을 진행하면서 다공성 실리카 구조체를 투입하고 80℃에서 3시간 이상 숙성시켜 다공성 실리카 구조체의 표면에 탄소함유-고분자물질을 균일하게 코팅시켰다. After dissolving the carbon-containing polymer material, the porous silica structure was introduced while stirring, and the surface of the porous silica structure was uniformly coated with the carbon-containing polymer material by aging at 80° C. for 3 hours or more.

탄소함유-고분자물질이 코팅된 다공성 실리카 구조체는 100~120℃에서 12시간 이상 증발 및 건조시켰다. The carbon-containing polymer-coated porous silica structure was evaporated and dried at 100 to 120° C. for more than 12 hours.

건조된 구조체는 탄소함유-고분자물질의 가교결합을 높이기 위하여 공기 분위기에서 1℃/min의 승온속도로 200℃까지 승온시킨 후 1시간 동안 산화처리하였다. The dried structure was heated up to 200° C. at a heating rate of 1° C./min in an air atmosphere in order to increase the crosslinking of the carbon-containing polymer material, and then oxidized for 1 hour.

산화처리된 구조체는 질소가 퍼징되는 소성로에 장입하고 5℃/min의 승온속도로 900℃까지 승온시킨 후 5시간 동안 열처리하여 탄화시켰다.The oxidized structure was charged into a firing furnace in which nitrogen was purged, heated up to 900° C. at a heating rate of 5° C./min, and carbonized by heat treatment for 5 hours.

탄화시킨 후 상온까지 자연냉각시켜 탄소함유-고분자물질이 탄화된 다공성 실리카-탄소구조체를 얻었다.After carbonization, it was naturally cooled to room temperature to obtain a porous silica-carbon structure in which carbon-containing polymers were carbonized.

상기와 같이 제조된 평균 직경 500nm로 구성된 다공성 실리카-탄소구조체의 SEM 이미지를 도 2에 나타내었다.An SEM image of the porous silica-carbon structure having an average diameter of 500 nm prepared as described above is shown in FIG. 2 .

(3) 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체의 제조(3) Preparation of porous silica-carbon-carbon wire structure

상기 다공성 실리카-탄소구조체에 탄소와이어를 성장시켜 실리카-탄소-탄소와이어 구조체를 제조하였다. A silica-carbon-carbon wire structure was prepared by growing a carbon wire on the porous silica-carbon structure.

먼저, 다공성 실리카-탄소구조체 중량대비 4.5중량%의 마그네슘(Mg) 분말을 혼합하였다. 마그네슘이 혼합된 분말은 소성로에 장입한 후 질소분위기에서 650℃에서 6시간 동안 열처리하였다. First, 4.5% by weight of magnesium (Mg) powder relative to the weight of the porous silica-carbon structure was mixed. The magnesium-mixed powder was charged into a sintering furnace and heat treated at 650° C. for 6 hours in a nitrogen atmosphere.

열처리된 시료는 분쇄한 후 200메쉬 체를 이용하여 체질하고 메쉬망을 통과한 분체인 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체를 얻었다.The heat-treated sample was pulverized and sieved using a 200 mesh sieve to obtain a porous silica-carbon-carbon wire structure, which is a powder passing through the mesh.

(4) 다공성 탄소-탄소와이어 구조체의 제조(4) Preparation of porous carbon-carbon wire structure

상기 제조된 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체로부터 다공성 탄소-탄소와이어 구조체를 제조하였다.A porous carbon-carbon wire structure was prepared from the prepared porous silica-carbon-carbon wire structure.

다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체 고형분 중량대비 10배 중량의 증류수를 반응용기에 준비한 후 불산(Sigma-aldrich, HF 48wt% in H2O, ≥99.99% trace metals basis)을 증류수에 서서히 주입하여 20중량%의 불산용액을 준비하였다. 불산용액에 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체를 서서히 주입하고 테프론테이프를 이용하여 밀봉한 후 진동교반기에서 12시간 이상 방치하여 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체 내의 실리카 물질을 용해시켰다. Porous silica-carbon-carbon wire structure After preparing distilled water 10 times the weight of the solid content in the reaction vessel, hydrofluoric acid (Sigma-aldrich, HF 48wt% in H 2 O, ≥99.99% trace metals basis) was slowly injected into the distilled water to obtain 20 A hydrofluoric acid solution of weight % was prepared. After gradually injecting the porous silica-carbon-carbon wire structure into the hydrofluoric acid solution, sealing it with Teflon tape, and then leaving it in a vibrating shaker for 12 hours or more to dissolve the silica material in the porous silica-carbon-carbon wire structure.

교반이 완료된 반응물질은 플라스틱 재질의 분리막 내 필터페이퍼로 여과하여 용액을 제거한 후 증류수를 이용하여 4회 세척하였다. 분리된 고형분은 건조오븐에 넣고 100℃에서 12시간 동안 건조시켜 중기공 탄소-탄소와이어 구조체를 제조하였다.After stirring was completed, the reactant was filtered with filter paper in a plastic separation membrane to remove the solution, and then washed 4 times with distilled water. The separated solid content was placed in a drying oven and dried at 100° C. for 12 hours to prepare a mesoporous carbon-carbon wire structure.

<실시예 2> <Example 2>

다공성 실리카 구조체의 제조Preparation of porous silica structures

에탄올 1000g이 담지된 반응기에 28중량% 농도의 암모니아수 2㎖, 증류수 80㎖, 유기실란 15㎖, TEOS 60㎖를 정량하여 투입한 후 5시간 이상 교반하여 다공성 실리카 구조체를 합성하였다.2 ml of 28 wt% ammonia water, 80 ml of distilled water, 15 ml of organosilane, and 60 ml of TEOS were added in a reactor carrying 1000 g of ethanol, and stirred for 5 hours or more to synthesize a porous silica structure.

합성된 실리카 구조체는 원심분리기를 이용하여 액상부를 제거한 후 고형분을 건조오븐에서 100℃의 조건으로 12시간 이상 건조시켰다.After removing the liquid phase of the synthesized silica structure using a centrifuge, the solid content was dried in a drying oven at 100° C. for 12 hours or more.

건조된 실리카 구조체는 소성로에 넣고 550℃에서 5시간 동안 열처리하여 내부에 존재하는 유기물질을 제거하여 다공성 실리카 구조체를 얻었다.The dried silica structure was placed in a sintering furnace and heat-treated at 550° C. for 5 hours to remove organic substances present therein, thereby obtaining a porous silica structure.

<실시예 3><Example 3>

중기공 탄소구조체의 제조Manufacturing of mesoporous carbon structures

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 실리카-탄소구조체를 제조하였다. A porous silica-carbon structure was prepared in the same manner as in Example 1.

실리카-탄소구조체 고형분 중량 대비 10배 중량의 증류수를 반응용기에 준비한 후 불산(Sigma-aldrich, HF 48중량 in H2O, ≥99.99% trace metals basis)을 증류수에 서서히 주입하여 20중량% 농도의 불산용액을 제조하였다. 제조한 20% 불산 용액에 다공성 실리카-탄소구조체를 서서히 주입하고 테프론테이프를 이용하여 밀봉한 후 진동교반기에서 12시간 이상 교반하면서 반응시켜 다공성 실리카-탄소구조체 내의 실리카 물질을 용해시켰다. After preparing distilled water 10 times the weight of the solid content of the silica-carbon structure in a reaction vessel, hydrofluoric acid (Sigma-aldrich, HF 48 weight in H 2 O, ≥99.99% trace metals basis) was slowly injected into the distilled water to obtain a concentration of 20% by weight A hydrofluoric acid solution was prepared. After slowly injecting the porous silica-carbon structure into the prepared 20% hydrofluoric acid solution, sealing it with Teflon tape, and reacting while stirring for 12 hours or more in a vibrating shaker, the silica material in the porous silica-carbon structure was dissolved.

교반이 완료되면 플라스틱 재질의 깔대기 내 필터페이퍼를 이용하여 용액을 제거한 후 증류수를 이용하여 4회 세척하였다. 분리된 고형분은 건조오븐에서 100℃로 12시간 동안 건조시켜 중기공 탄소구조체를 얻었다.When stirring was completed, the solution was removed using filter paper in a funnel made of plastic, and then washed 4 times with distilled water. The separated solid content was dried in a drying oven at 100° C. for 12 hours to obtain a mesoporous carbon structure.

상기와 같이 제작된 평균직경 500nm의 중기공 탄소구조체의 SEM 이미지를 도 3에 나타내었다. 도 3에서와 같이 중기공 탄소구조체의 외형은 구형의 입자들이 뭉쳐져 있는 형태로 구성되어 있었다.The SEM image of the mesoporous carbon structure having an average diameter of 500 nm prepared as described above is shown in FIG. 3 . As shown in FIG. 3, the mesoporous carbon structure had a shape in which spherical particles were aggregated.

<실시예 4><Example 4>

리튬-황전지용 양극재 조성물의 제조Preparation of cathode material composition for lithium-sulfur battery

원소 황을 지르코니아 볼과 함께 혼합한 다음 틴키 믹서(thinky mixer)를 이용하여 5분 동안 분쇄하였다.Elemental sulfur was mixed with zirconia balls and ground for 5 minutes using a thinky mixer.

분쇄된 황 1.5g과 실시예 1의 중기공 탄소-탄소와이어 구조체 0.5g을 혼합하여 막자사발에서 5분 동안 분쇄하였다.1.5 g of pulverized sulfur and 0.5 g of the mesoporous carbon-carbon wire structure of Example 1 were mixed and pulverized in a mortar for 5 minutes.

분쇄한 황과 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 혼합물을 수열합성반응기에 넣고 155℃에서 12시간 동안 열처리하여 중기공 탄소-탄소와이어 구조체 내에 황을 함침시켜 황-탄소복합체인 리튬-황전지용 양극재 조성물을 얻었다.A mixture of pulverized sulfur and the mesoporous carbon-carbon wire structure was put into a hydrothermal synthesis reactor and heat-treated at 155 ° C for 12 hours to impregnate sulfur into the mesoporous carbon-carbon wire structure, which is a cathode material for a lithium-sulfur battery, which is a sulfur-carbon composite. composition was obtained.

<비교예 1><Comparative Example 1>

실시예 3에서 제조된 중기공 탄소구조체를 900℃에서 25시간 동안 후차 열처리하였다.The mesoporous carbon structure prepared in Example 3 was subjected to subsequent heat treatment at 900° C. for 25 hours.

<비교예 2><Comparative Example 2>

실시예 3에서 제조된 중기공 탄소구조체를 900℃에서 5시간 동안 후차 열처리하였다.The mesoporous carbon structure prepared in Example 3 was subjected to subsequent heat treatment at 900° C. for 5 hours.

<비교예 3><Comparative Example 3>

실시예 3에서 제조된 중기공 탄소구조체를 400℃에서 25시간 동안 후차 열처리하였다.The mesoporous carbon structure prepared in Example 3 was subjected to subsequent heat treatment at 400° C. for 25 hours.

<비교예 4><Comparative Example 4>

비교예 1에서 제조된 탄소구조체에 실시예 4와 동일한 방법으로 황을 함침시켜 황-탄소복합체를 얻었다.The carbon structure prepared in Comparative Example 1 was impregnated with sulfur in the same manner as in Example 4 to obtain a sulfur-carbon composite.

<비교예 5><Comparative Example 5>

비교예 2에서 제조된 탄소구조체에 실시예 4와 동일한 방법으로 황을 함침시켜 황-탄소복합체를 얻었다.The carbon structure prepared in Comparative Example 2 was impregnated with sulfur in the same manner as in Example 4 to obtain a sulfur-carbon composite.

<비교예 6><Comparative Example 6>

비교예 3에서 제조된 탄소구조체에 실시예 4와 동일한 방법으로 황을 함침시켜 황-탄소복합체를 얻었다.The carbon structure prepared in Comparative Example 3 was impregnated with sulfur in the same manner as in Example 4 to obtain a sulfur-carbon composite.

[실험예][Experimental example]

실험방법Experiment method

BET(Brunauer, Emmett, Teller) 분석에 의하여 구조체의 물리적 특성인 비표면적, 기공부피 및 기공크기, 질소 흡/탈착 특성 및 기공분포를 확인하였다. By BET (Brunauer, Emmett, Teller) analysis, physical properties of the structure, such as specific surface area, pore volume and pore size, nitrogen adsorption/desorption characteristics, and pore distribution were confirmed.

<실험예 1><Experimental Example 1>

중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 구조 및 물성Structure and properties of mesoporous carbon-carbon wire structure

실시예 1에서 제조된 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 구조를 확인하고, 그 결과인 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 SEM 이미지를 도 4에 나타내었다. The structure of the mesoporous carbon-carbon wire structure prepared in Example 1 was confirmed, and an SEM image of the resulting mesoporous carbon-carbon wire structure is shown in FIG. 4 .

또한 제조된 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 물성을 중기공 탄소구조체의 물성과 비교하여 하기 표 1에 나타내었다. In addition, physical properties of the prepared mesoporous carbon-carbon wire structure were compared with those of the mesoporous carbon structure, and are shown in Table 1 below.

특성characteristic 단위unit 중기공 탄소구조체mesopore carbon structure 중기공 탄소-탄소와이어 구조체Mesopore carbon-carbon wire structure 비표면적specific surface area m2/gm 2 /g 967967 960960 총기공부피firearms book g/cm3 g/cm 3 1.641.64 1.761.76 평균기공크기average pore size nmnm 6.686.68 4.264.26

표 1에서와 같이, 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 물성은 실시예 3의 중기공 탄소구조체와 비교할 때 비표면적과 기공부피는 유사하고 평균기공크기는 약간 감소한 것으로 나타났다.As shown in Table 1, the physical properties of the mesoporous carbon-carbon wire structure were similar to those of the mesoporous carbon structure of Example 3, the specific surface area and pore volume were similar, and the average pore size was slightly reduced.

<실험예 2><Experimental Example 2>

반응조건에 따른 다공성 실리카 구조체의 특성 확인Confirmation of characteristics of porous silica structure according to reaction conditions

다양한 반응조건에 따른 다공성 실리카 구조체의 특성을 다음과 같이 확인하였다.The characteristics of the porous silica structure according to various reaction conditions were confirmed as follows.

(1) 반응시간별 다공성 실리카 구조체의 코어 크기 확인(1) Confirmation of core size of porous silica structure by reaction time

다공성 실리카 구조체의 합성을 위한 반응시간을 각각 1시간, 2시간 및 5시간으로 한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 다공성 실리카 구조체를 제조하였다.A porous silica structure was prepared in the same manner as in Example 2, except that the reaction times for synthesizing the porous silica structure were set to 1 hour, 2 hours, and 5 hours, respectively.

제조된 3가지 다공성 실리카 구조체의 실리카 코어 크기를 확인하고 그 결과인 SEM 이미지를 도 5에 나타내었다. 도 5에서 (A)는 1시간 동안 반응시켰을 때의 결과로 코어 크기가 100nm이고, (B)는 2시간 동안 반응시켰을 때의 결과로 코어 크기가 300nm이며, (C)는 5시간 동안 반응시켰을 때의 결과로 코어 크기는 300nm였다.The silica core sizes of the three porous silica structures prepared were confirmed, and the resulting SEM images are shown in FIG. 5 . In FIG. 5, (A) has a core size of 100 nm as a result of reacting for 1 hour, (B) has a core size of 300 nm as a result of reacting for 2 hours, and (C) has a core size of 300 nm as a result of reacting for 5 hours. As a result of the staining, the core size was 300 nm.

(2) 반응촉매의 양에 따른 다공성 실리카 구조체의 크기 확인(2) Confirmation of the size of the porous silica structure according to the amount of reaction catalyst

반응촉매인 암모니아수의 양을 2중량%, 5중량%, 9중량% 및 15중량%로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 실리카 구조체를 제조하였다.A porous silica structure was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of ammonia water as a reaction catalyst was 2% by weight, 5% by weight, 9% by weight and 15% by weight.

제조된 4가지 다공성 실리카 구조체의 실리카 코어 크기를 확인하고 그 결과인 SEM 이미지를 도 6에 나타내었다. 도 6에서 (A)는 2중량%, (B)는 5중량%, (C)는 9중량%, (D)는 15중량%일 때의 결과이며, 코어 크기는 모두 300nm였다.The silica core sizes of the four prepared porous silica structures were confirmed, and the resulting SEM images are shown in FIG. 6 . In FIG. 6, (A) is 2% by weight, (B) is 5% by weight, (C) is 9% by weight, and (D) is the result when 15% by weight, and the core size was all 300 nm.

(3) 증류수의 양에 따른 다공성 실리카 구조체의 크기 확인(3) Confirmation of the size of the porous silica structure according to the amount of distilled water

증류수의 양을 3중량%, 7중량%, 11중량%, 15중량% 및 23중량%로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 실리카 구조체를 제조하였다.A porous silica structure was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of distilled water was 3% by weight, 7% by weight, 11% by weight, 15% by weight and 23% by weight.

제조된 5가지 다공성 실리카 구조체의 실리카 코어 크기를 확인하고 그 결과인 SEM 이미지를 도 7에 나타내었다. 도 7에서 (A)는 3중량%일 때의 결과로 코어 크기가 150nm이고, (B)는 7중량%일 때의 결과로 코어 크기가 230nm이며, (C)는 11중량%일 때의 결과로 코어 크기가 300nm이고, (D)는 15중량%일 때의 결과로 코어 크기가 300nm이며, (E)는 23중량%일 때의 결과로 코어 크기가 300nm였다.The silica core sizes of the prepared five porous silica structures were confirmed, and the resulting SEM images are shown in FIG. 7 . In FIG. 7, (A) has a core size of 150 nm as a result of 3% by weight, (B) has a core size of 230 nm as a result of 7% by weight, and (C) is a result of 11% by weight The furnace core size is 300 nm, (D) has a core size of 300 nm as a result of 15% by weight, and (E) has a core size of 300 nm as a result of 23% by weight.

(4) TEOS의 양에 따른 다공성 실리카 구조체의 크기 확인(4) Confirmation of the size of the porous silica structure according to the amount of TEOS

TEOS의 양을 2중량%, 6중량% 및 10중량%로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 실리카 구조체를 제조하였다.A porous silica structure was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of TEOS was 2% by weight, 6% by weight and 10% by weight.

제조된 3가지 다공성 실리카 구조체의 실리카 코어 크기를 확인하고 그 결과인 SEM 이미지를 도 8에 나타내었다. 도 8에서 (A)는 2중량%일 때의 결과로 코어 크기는 80nm이고, (B)는 6중량%일 때의 결과로 코어 크기는 300nm이며, (C)는 10중량%일 때의 결과로 코어 크기는 500nm였다.The silica core sizes of the three porous silica structures prepared were confirmed, and the resulting SEM images are shown in FIG. 8 . In FIG. 8, (A) has a core size of 80 nm as a result of 2% by weight, (B) has a core size of 300 nm as a result of 6% by weight, and (C) is a result of 10% by weight. The furnace core size was 500 nm.

상기와 같은 합성을 위한 반응의 조건에 따른 다공성 실리카 구조체의 실리카 코어 크기변화를 확인한 결과를 도 9에 나타내었다.The result of confirming the change in the size of the silica core of the porous silica structure according to the reaction conditions for the synthesis as described above is shown in FIG. 9.

<실험예 3><Experimental Example 3>

실리카 코어 크기에 따른 다공성 실리카 구조체의 특성 확인Characterization of porous silica structures according to silica core size

실리카 코어 크기에 따른 다공성 실리카 구조체의 특성을 확인하였다. The characteristics of the porous silica structure according to the silica core size were confirmed.

코어 크기가 각각 80nm, 300nmm 및 500nm인 다공성 실리카 구조체의 질소 흡/탈착 특성, 기공분포 및 물리적 특성을 확인하였다. The nitrogen adsorption/desorption characteristics, pore distribution, and physical properties of porous silica structures having core sizes of 80 nm, 300 nm, and 500 nm, respectively, were confirmed.

그 결과인 질소 등온선과 기공분포를 도 10에 나타내고, 물리적 특성을 확인한 결과를 도 11과 하기 표 2에 나타내었다.The resulting nitrogen isotherm and pore distribution are shown in FIG. 10, and the results of confirming the physical properties are shown in FIG. 11 and Table 2 below.

항목item 단위(unit)unit 실리카 코어 크기silica core size 8080 300300 500500 비표면적specific surface area m2/gm 2 /g 296296 140140 140140 기공부피pore volume cc/gcc/g 0.640.64 0.370.37 0.360.36 기공크기pore size nmnm 8.638.63 10.4910.49 10.2410.24

상기 결과에서와 같이 실리카 코어의 크기가 가장 작은 80nm인 다공성 실리카 구조체의 비표면적 및 기공부피 물성이 가장 우수하였다. 이는 작은 입자 사이에 형성되는 기공들이 다공성 실리카 구조체의 물성에 영향을 준 것으로 판단된다.As shown in the above results, the specific surface area and pore volume properties of the porous silica structure having the smallest silica core size of 80 nm were the best. It is believed that the pores formed between the small particles affected the physical properties of the porous silica structure.

<실험예 4><Experimental Example 4>

계면활성제의 종류에 따른 다공성 실리카 구조체의 특성 확인Confirmation of characteristics of porous silica structures according to types of surfactants

다공성 실리카 구조체의 제조시 기공확장을 위하여 사용하는 계면활성제의 종류에 따른 다공성 실리카 구조체의 특성을 다음과 같이 확인하였다.The characteristics of the porous silica structure according to the type of surfactant used for pore expansion in the preparation of the porous silica structure were confirmed as follows.

다공성 실리카 구조체의 합성을 위한 계면활성제로 유기실란, CTAB(Cetyltrimethylammoniumbromide), CTAC(Cetyltrimethylammoniumchloride), 디비닐벤젠(Divinylbenzene), 셀룰로오스(Cellulose), 페놀수지(Phenol resin) 및 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol)을 각각 사용하여 실시예 2와 동일한 방법으로 다공성 실리카 구조체를 제조하여 시료로 사용하였다.Organosilane, Cetyltrimethylammoniumbromide (CTAB), Cetyltrimethylammoniumchloride (CTAC), Divinylbenzene, Cellulose, Phenol resin, and Polyvinylalcohol are used as surfactants for the synthesis of porous silica structures. A porous silica structure was prepared in the same manner as in Example 2 and used as a sample.

(1) 다공성 실리카 구조체의 코어-쉘(Core-shell) 구조 확인(1) Confirmation of the core-shell structure of the porous silica structure

상기 다공성 실리카 구조체의 코어-쉘 구조를 확인하고, 그 결과인 SEM 이미지를 도 12에 나타내었다. The core-shell structure of the porous silica structure was confirmed, and the resulting SEM image is shown in FIG. 12 .

도 12에서 확인되는 바와 같이, 계면활성제로 유기실란을 사용하였을 때 구조체의 형상이 가장 균일하였다.As confirmed in FIG. 12, the shape of the structure was most uniform when organosilane was used as a surfactant.

(2) 다공성 실리카 구조체의 특성 확인(2) Confirmation of characteristics of porous silica structure

상기 다공성 실리카 구조체들 중 유기실란(C18TMS), CTAB 및 CTAC를 사용하여 제조한 다공성 실리카 구조체의 질소 흡/탈착 특성, 기공분포 및 물리적 특성을 확인하였다. 비교를 위하여 300nm 실리카 코어를 사용하였다.Among the porous silica structures, the nitrogen adsorption/desorption characteristics, pore distribution, and physical properties of the porous silica structures prepared using organosilane (C 18 TMS), CTAB, and CTAC were confirmed. For comparison, a 300 nm silica core was used.

다공성 실리카 구조체의 코어-쉘의 질소 등온선을 도 13에 나타내고 기공분포를 도 14에 나타내었다. The nitrogen isotherm of the core-shell of the porous silica structure is shown in FIG. 13 and the pore distribution is shown in FIG.

또한 유기실란(C18TMS), CTAB 및 CTAC를 사용하여 제조된 다공성 실리카 구조체의 코어-쉘의 물리적 특성을 확인한 결과를 하기 표 3에 나타내었다.In addition, the results of confirming the physical properties of the core-shell of the porous silica structure prepared using organosilane (C 18 TMS), CTAB and CTAC are shown in Table 3 below.

항목item 단위(unit)unit 실리카 코어-쉘Silica Core-Shell C18TMSC 18 TMS CTABCTAB CTACCTAC 비표면적specific surface area m2/gm 2 /g 472472 441441 270270 기공부피pore volume cc/gcc/g 0.480.48 0.360.36 0.220.22 기공크기pore size nmnm 4.14.1 3.23.2 3.23.2

상기 결과에서와 같이 계면활성제로 유기실란을 사용하여 제조한 다공성 실리카 구조체의 물성이 가장 우수하였다.As in the above results, the physical properties of the porous silica structure prepared using organosilane as a surfactant were the best.

<실험예 5><Experimental Example 5>

유기실란 비율에 따른 다공성 실리카 구조체의 특성 확인Confirmation of characteristics of porous silica structure according to organosilane ratio

다공성 실리카 구조체의 제조시 사용하는 유기실란 비율에 따른 다공성 실리카 구조체의 특성을 확인하였다.The characteristics of the porous silica structure according to the organosilane ratio used in the preparation of the porous silica structure were confirmed.

유기실란/TEOS의 부피비가 각각 0.125, 0.375 및 1이 되도록 유기실란을 사용하여 다공성 실리카 구조체를 제조하였다. A porous silica structure was prepared using organosilane so that the volume ratio of organosilane/TEOS was 0.125, 0.375, and 1, respectively.

(1) 다공성 실리카 구조체의 코어-쉘 구조 확인(1) Confirmation of core-shell structure of porous silica structure

상기 다공성 실리카 구조체의 코어-쉘 구조를 확인한 결과인 SEM 이미지를 도 15에 나타내었다. 15 shows an SEM image resulting from confirming the core-shell structure of the porous silica structure.

도 15에서 확인되는 바와 같이, 유기실란의 비율이 0.375일 때 다공성 실리카 구조체의 코어-쉘의 구조가 가장 우수하였다.As confirmed in FIG. 15, when the organic silane ratio was 0.375, the structure of the core-shell of the porous silica structure was the best.

(2) 다공성 실리카 구조체의 특성 확인(2) Confirmation of characteristics of porous silica structure

상기 다공성 실리카 구조체의 질소 흡/탈착 특성, 기공분포 및 물리적 특성을 확인하였다. The nitrogen adsorption/desorption characteristics, pore distribution, and physical properties of the porous silica structure were confirmed.

다공성 실리카 구조체의 코어-쉘의 질소 등온선 및 기공분포를 확인하여 그 결과를 도 16에 나타내었고, 다공성 실리카 구조체의 코어-쉘의 물리적 특성을 확인한 결과를 하기 표 4에 나타내었다.The nitrogen isotherm and pore distribution of the core-shell of the porous silica structure were confirmed, and the results are shown in FIG. 16, and the results of confirming the physical properties of the core-shell of the porous silica structure are shown in Table 4 below.

항목item 단위(unit)unit 실리카 코어-쉘(유기실란/TEOS)Silica core-shell (organosilane/TEOS) 0.1250.125 0.3750.375 1One 비표면적specific surface area m2/gm 2 /g 237237 470470 397397 기공부피pore volume cc/gcc/g 0.220.22 0.420.42 0.380.38 기공크기pore size nmnm 3.583.58 4.584.58 3.653.65

상기 결과에서와 같이 유기실란/TEOS의 부피비가 0.375일 때 다공성 실리카 구조체의 물성이 가장 우수하였다.As in the above results, when the volume ratio of organosilane/TEOS was 0.375, the physical properties of the porous silica structure were the best.

<실험예 6><Experimental Example 6>

유기실란 비율에 따른 중기공 탄소구조체의 특성 확인Characterization of mesoporous carbon structures according to organosilane ratio

유기실란의 혼합비율에 따른 중기공 탄소구조체의 특성을 다음과 같이 확인하였다.The characteristics of the mesoporous carbon structure according to the mixing ratio of organosilane were confirmed as follows.

유기실란/TEOS의 부피비가 각각 0.125, 0.375 및 1이 되도록 유기실란을 사용하고, 다공성 실리카 구조체 중량의 50중량%의 탄소함유-고분자물질(페놀수지와 셀룰로오스)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 3가지 중기공 탄소구조체를 제조하여 시료로 사용하였다.Example 3 except that organosilane was used so that the volume ratio of organosilane/TEOS was 0.125, 0.375 and 1, respectively, and 50% by weight of carbon-containing polymer (phenolic resin and cellulose) was used based on the weight of the porous silica structure. Three mesoporous carbon structures were prepared in the same manner and used as samples.

(1) 유기실란 비율에 따른 중기공 탄소구조체의 구조 확인(1) Confirmation of the structure of the mesoporous carbon structure according to the organosilane ratio

상기 중기공 탄소구조체 시료의 SEM 이미지를 도 17에 나타내었다. 도 17에서 (A)는 유기실란/TEOS 부피비가 0.125, (B)는 0.375, (C)는 1인 경우를 나타낸다.The SEM image of the mesoporous carbon structure sample is shown in FIG. 17 . In FIG. 17, (A) shows the case where the organosilane/TEOS volume ratio is 0.125, (B) is 0.375, and (C) is 1.

도 17에서와 같이 중기공 탄소구조체의 외형은 구형의 입자들이 뭉쳐져 있는 형태로 구성되어 있다. 유기실란/TEOS의 부피비가 1인 중기공 탄소구조체의 경우에는 입자의 크기가 실리카 주형에 비해 작은 입자들이 균일하게 혼합되어 구성되어 있으며 뭉침 현상이 더욱 치밀함을 알 수 있다. 또한 TEOS에 비해 유기실란을 적게 사용한 경우에는 중기공 탄소구조체의 표면이 일정하고 간결하지만, 그 비율이 증가할수록 외관 표면이 거칠고 불규칙한 형태들의 빈도가 높게 나타났다.As shown in FIG. 17, the mesoporous carbon structure has a shape in which spherical particles are aggregated. In the case of the mesoporous carbon structure having an organosilane/TEOS volume ratio of 1, particles having a smaller particle size than the silica template are uniformly mixed and the agglomeration phenomenon is more dense. In addition, when organosilane was used less than TEOS, the surface of the mesoporous carbon structure was constant and concise, but as the ratio increased, the frequency of rough and irregular shapes increased.

(2) 유기실란 비율에 따른 중기공 탄소구조체의 질소 흡/탈착 특성 확인(2) Confirmation of nitrogen adsorption/desorption characteristics of the mesoporous carbon structure according to the organosilane ratio

상기 시료를 사용하여 유기실란 비율에 따른 중기공 탄소구조체의 질소 흡/탈착 특성을 확인하였다. Using the sample, nitrogen adsorption/desorption characteristics of the mesoporous carbon structure according to the organosilane ratio were confirmed.

그 결과인 유기실란 비율에 따른 중기공 탄소구조체의 질소 등온선을 도 18에 나타내었다.As a result, the nitrogen isotherm of the mesoporous carbon structure according to the organosilane ratio is shown in FIG. 18.

도 18의 결과에서와 같이, 유기실란 비율별로 제조된 중기공 탄소구조체의 등온선 형태는 서로 유사한 형태를 나타내었다. 다공성 실리카 구조체에서도 유사한 결과를 나타내어, 중기공 탄소구조체가 중기공으로 구성되어 있으며, 탄소의 모양을 결정하는 다공성 실리카 구조체의 형태를 가지는 것을 알 수 있다.As shown in the results of FIG. 18, the isothermal shapes of the mesoporous carbon structures prepared for each organosilane ratio showed similar shapes to each other. Similar results were obtained in the porous silica structure, and it can be seen that the mesoporous carbon structure is composed of mesopores and has the form of a porous silica structure that determines the shape of carbon.

(3) 유기실란 비율에 따른 중기공 탄소구조체의 기공분포 확인(3) Confirmation of the pore distribution of the mesoporous carbon structure according to the organosilane ratio

상기 시료를 사용하여 유기실란 비율에 따른 중기공 탄소구조체의 기공분포를 확인하였다.The pore distribution of the mesoporous carbon structure according to the organosilane ratio was confirmed using the sample.

그 결과인 유기실란 비율에 따른 중기공 탄소구조체의 기공분포곡선을 도 19에 나타내었다. As a result, the pore distribution curve of the mesoporous carbon structure according to the organosilane ratio is shown in FIG. 19 .

도 19의 결과에서, 10nm 이상의 기공분포에서는 흡착부피(adsorbed volume)가 더욱 증가하는 것으로 확인되었다. 이는 중기공 탄소구조체가 다공성 실리카 구조체를 기반으로 제조되어 에칭과정에서 실리카로 구성된 부분이 녹아 나오면서 형성된 10nm 이상의 중기공의 영향인 것으로 볼 수 있다.From the results of FIG. 19 , it was confirmed that the adsorbed volume further increased in the pore distribution of 10 nm or more. This can be seen as the effect of the mesopores of 10 nm or more formed as the mesoporous carbon structure is manufactured based on the porous silica structure and the portion composed of silica is melted out during the etching process.

(4) 유기실란 비율에 따른 중기공 탄소구조체의 물리적 특성 확인(4) Confirmation of physical properties of mesoporous carbon structure according to organosilane ratio

상기 시료를 사용하여 유기실란 비율에 따른 중기공 탄소구조체의 물리적 특성을 다음과 같이 확인하였다. Using the sample, the physical properties of the mesoporous carbon structure according to the organosilane ratio were confirmed as follows.

도 20은 중기공 탄소구조체의 물리적 특성인 비표면적(surface area), 기공부피 및 기공크기를 비교하여 그래프로 나타낸 것이다. 20 is a graph showing physical properties of the mesoporous carbon structure by comparing the specific surface area, pore volume, and pore size.

도 20의 그래프에서 기공 크기는 유기실란 비율이 증가해도 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 에칭과정에서 실리카가 제거되면서 구성된 기공들의 영향으로 인한 것으로, 구조체 내 벽체를 형성하는 실리카 구조체들이 평균 3~5nm의 기공 크기를 제공하는 것으로 볼 수 있다.From the graph of FIG. 20 , it can be seen that the pore size is maintained constant even when the organosilane ratio is increased. This phenomenon is due to the effect of the pores formed as the silica is removed during the etching process, and it can be seen that the silica structures forming the walls in the structure provide an average pore size of 3 to 5 nm.

결과적으로 중기공 탄소구조체는 주형으로 사용되는 형태의 실리카 구조체의 기공뿐만 아니라 실리카 물질의 제거로 인하여 발생하는 기공들까지도 포함하게 되므로, 실리카 구조체와 비교해 단위 무게당 10배 이상의 기공 부피를 형성하게 된다. 이러한 풍부한 기공부피는 음극활성물질 담지에 유리한 조건을 제공한다.As a result, the mesoporous carbon structure includes not only the pores of the silica structure used as a template but also the pores generated by the removal of the silica material, so that the pore volume per unit weight is more than 10 times greater than that of the silica structure. . Such abundant pore volume provides favorable conditions for carrying the negative electrode active material.

BET 분석결과로부터 도출된 중기공 탄소구조체들의 물리적 특성치를 하기 표 5에 나타내었다.The physical properties of the mesoporous carbon structures derived from the BET analysis results are shown in Table 5 below.

항목item 단위(unit)unit 중기공탄소구조체(유기실란/TEOS 부피비)Mesopore carbon structure (organosilane/TEOS volume ratio) 0.1250.125 0.3750.375 1One 비표면적specific surface area m2/gm 2 /g 15171517 14591459 11481148 기공부피pore volume cc/gcc/g 1.161.16 1.281.28 1.031.03 기공크기pore size nmnm 2.982.98 3.443.44 3.523.52

상기 표 5의 결과에서와 같이, 비표면적, 기공부피 및 기공크기를 모두 고려할 때 유기실란 적용 비율이 TEOS 대비 0.375일 때 활성물질 담지에 가장 유리한 구조체임을 확인할 수 있다. As shown in the results of Table 5, when the specific surface area, pore volume, and pore size are all considered, it can be confirmed that the structure is most advantageous for supporting the active material when the organosilane application ratio is 0.375 compared to TEOS.

<실험예 7><Experimental Example 7>

탄소함유-고분자물질의 첨가량에 따른 중기공 탄소구조체의 특성 확인Characterization of mesoporous carbon structures according to the amount of carbon-containing polymers added

다공성 실리카 구조체에 코팅하는 탄소함유-고분자물질의 양에 따른 중기공 탄소구조체의 특성을 다음과 같이 확인하였다.The characteristics of the mesoporous carbon structure according to the amount of the carbon-containing polymer coated on the porous silica structure were confirmed as follows.

탄소함유-고분자물질로는 페놀수지와 셀룰로오스를 7:3의 중량비로 혼합하여 사용하였다. As the carbon-containing polymer material, a mixture of phenolic resin and cellulose in a weight ratio of 7:3 was used.

다공성 실리카 구조체 고형분 중량 대비 각각 0.23, 0.5 및 1의 중량비로 탄소함유-고분자물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 3가지 중기공 탄소구조체를 제조하여 시료로 사용하였다. Three mesoporous carbon structures were prepared in the same manner as in Example 3 and used as samples, except that the carbon-containing polymer was used in weight ratios of 0.23, 0.5, and 1, respectively, relative to the weight of the solid content of the porous silica structure.

(1) 탄소함유-고분자물질의 첨가량에 따른 중기공 탄소구조체의 질소 흡/탈착 특성 확인(1) Confirmation of nitrogen adsorption/desorption characteristics of mesoporous carbon structures according to the amount of carbon-containing polymers added

상기 시료를 사용하여 탄소함유-고분자물질의 첨가량에 따른 중기공 탄소구조체의 질소 흡/탈착 특성을 확인하였다. Using the sample, nitrogen adsorption/desorption characteristics of the mesoporous carbon structure according to the addition amount of the carbon-containing polymer were confirmed.

그 결과인 탄소함유-고분자물질의 첨가량에 따른 중기공 탄소구조체의 질소 등온선을 도 21에 나타내었다.As a result, the nitrogen isotherm of the mesoporous carbon structure according to the addition amount of the carbon-containing polymer is shown in FIG. 21 .

도 21의 결과에서 탄소함유-고분자물질의 첨가량이 적을수록 중기공 탄소구조체의 질소 흡착용량이 더 많은 것을 알 수 있다. 특히, 고분자 첨가비율이 1인 경우의 중공 탄소구조체는 질소 흡착용량이 현저하게 감소한 것을 볼 수 있다.From the results of FIG. 21 , it can be seen that the smaller the addition amount of the carbon-containing polymer, the higher the nitrogen adsorption capacity of the mesoporous carbon structure. In particular, it can be seen that the nitrogen adsorption capacity of the hollow carbon structure when the polymer addition ratio is 1 is significantly reduced.

이러한 결과는 다공성 실리카 구조체 내 코팅되는 탄소함유-고분자물질의 양에 따라 중기공 탄소구조체의 물성에 큰 영향을 주기 때문인 것으로 확인된다. It is confirmed that this result is because the physical properties of the mesoporous carbon structure have a great influence depending on the amount of the carbon-containing polymer coated in the porous silica structure.

(2) 탄소함유-고분자물질의 첨가량에 따른 중기공 탄소구조체의 기공분포 확인(2) Confirmation of the pore distribution of the mesoporous carbon structure according to the amount of carbon-containing polymers added

상기 시료를 사용하여 탄소함유-고분자물질의 첨가량에 따른 중기공 탄소구조체의 기공분포를 확인하였다. The pore distribution of the mesoporous carbon structure according to the addition amount of the carbon-containing polymer material was confirmed using the sample.

그 결과인 탄소함유-고분자물질의 첨가량에 따른 중기공 탄소구조체의 기공분포곡선을 도 22에 나타내었다. As a result, the pore distribution curve of the mesoporous carbon structure according to the addition amount of the carbon-containing polymer is shown in FIG. 22.

도 22의 결과에서 각 시료별 기공분포를 보면, 탄소함유-고분자물질의 첨가량이 0.23과 0.5인 중기공 탄소구조체들은 기공분포가 유사하지만 탄소함유-고분자물질의 첨가량이 1인 경우에는 기공부피가 급격하게 감소하고 있다.Looking at the pore distribution for each sample in the results of FIG. 22, the mesoporous carbon structures in which the addition amount of carbon-containing polymer material was 0.23 and 0.5 had a similar pore distribution, but when the addition amount of carbon-containing polymer material was 1, the pore volume was is rapidly declining.

즉, 탄소함유-고분자물질의 첨가량이 0.23인 경우와 0.5인 경우를 비교하면 탄소함유-고분자물질의 첨가량이 적으면 2nm 이하의 기공이 감소하는 반면 10nm 이상의 기공은 확대되고 있음을 확인할 수 있다. 탄소함유-고분자물질의 첨가량이 1인 경우에는 기공분포는 전반적으로 탄소함유-고분자물질의 첨가량이 0.5인 경우와 유사하지만 그 부피는 급격하게 감소하였다.That is, comparing the case where the addition amount of the carbon-containing polymer material was 0.23 and the case where the amount was 0.5, it could be confirmed that pores of 2 nm or less were reduced while pores of 10 nm or more were enlarged when the amount of the carbon-containing polymer was small. When the addition amount of the carbon-containing polymer material was 1, the pore distribution was generally similar to that of the case where the addition amount of the carbon-containing polymer material was 0.5, but the volume decreased rapidly.

이러한 현상은 다공성 실리카 구조체에 코팅되는 탄소함유-고분자물질의 첨가량이 0.5 이상이면 다공성 실리카 구조체에서 제공하는 기공부피보다 과도하게 담지되고 이렇게 과도하게 담지된 고분자는 다공성 실리카 구조체의 기공 내부 외에 바깥 표면으로 수지층이 두텁게 형성되어 기공이 발달하지 않은 탄소체로 전환되기 때문인 것으로 보인다.This phenomenon occurs when the amount of the carbon-containing polymer coated on the porous silica structure is more than 0.5, and the porous silica structure is supported in excess of the pore volume provided by the porous silica structure, and the excessively supported polymer extends to the outside surface in addition to the inside of the pores of the porous silica structure. It seems to be because the resin layer is formed thickly and converted to a carbon body with no pores.

(3) 탄소함유-고분자물질 첨가량에 따른 중기공 탄소구조체의 물리적 특성 확인(3) Confirmation of physical properties of mesoporous carbon structures according to the amount of carbon-containing polymers added

상기 시료를 사용하여 탄소함유-고분자물질 첨가량에 따른 중기공 탄소구조체의 물리적 특성을 확인하였다. Using the sample, the physical properties of the mesoporous carbon structure according to the addition amount of the carbon-containing polymer were confirmed.

그 결과인 중기공 탄소구조체의 물리적 특성인 비표면적, 기공부피 및 기공크기를 비교한 그래프를 도 23에 나타내었다.23 shows a graph comparing the specific surface area, pore volume, and pore size, which are physical properties of the resultant mesoporous carbon structure.

도 23의 그래프에서와 같이, 중기공 탄소구조체의 비표면적은 탄소함유-고분자물질 첨가량이 0.5일 때 가장 높지만 기공부피와 기공크기는 탄소함유-고분자물질의 첨가량이 적은 경우가 가장 높은 특성을 나타내고 있다.As shown in the graph of FIG. 23, the specific surface area of the mesoporous carbon structure is highest when the addition amount of carbon-containing polymer is 0.5, but the pore volume and pore size are the highest when the addition amount of carbon-containing polymer is small. there is.

이러한 경향으로 보아 탄소함유-고분자물질이 다공성 실리카 구조체의 기공 내에 코팅되고 탄화되어 탄소체를 형성하는 단계에서 탄소함유-고분자물질의 양이 실리카 고형분 대비 절반인 경우가 미세기공을 더욱 발전시키는 것으로 추측할 수 있다.Based on this trend, it is speculated that in the step of coating and carbonizing the carbon-containing polymer in the pores of the porous silica structure to form a carbon body, the case where the amount of the carbon-containing polymer is half of the silica solid content further develops micropores. can do.

즉, 탄소함유-고분자물질 첨가량이 1일 때에는 탄소함유-고분자물질이 기공의 부피를 완전히 채우지 못하고 기공 벽에 2nm 이하의 두께로 코팅되는 것으로 판단된다. 그러나 탄소함유-고분자물질의 양이 이보다 적은 경우에는 탄소함유-고분자물질은 기공 벽에 더욱 얇게 코팅되어 기공부피를 확장하는 것으로 추정할 수 있다.That is, when the addition amount of the carbon-containing polymer material is 1, it is determined that the carbon-containing polymer material does not completely fill the pore volume and is coated on the pore wall with a thickness of 2 nm or less. However, when the amount of the carbon-containing polymer is smaller than this, it can be assumed that the carbon-containing polymer is coated more thinly on the pore wall to expand the pore volume.

BET 분석결과로부터 도출된 중기공 탄소구조체들의 물리적 특성치를 하기 표 6에 나타내었다.The physical properties of the mesoporous carbon structures derived from the BET analysis results are shown in Table 6 below.

특성characteristic 단위
(unit)
unit
(unit)
중기공탄소구조체(고분자물질/실리카 중량비)Medium pore carbon structure (polymer material/silica weight ratio)
0.230.23 0.50.5 1One 표면적surface area m2/gm 2 /g 967967 14591459 586586 기공부피pore volume cc/gcc/g 1.641.64 1.281.28 0.330.33 기공크기pore size nmnm 6.686.68 3.43.4 2.32.3

상기 표 6의 결과에서, 다공성 실리카 구조체 대비 탄소함유-고분자물질, 즉 탄소의 함량이 증가할수록 물리적인 특성이 전체적으로 감소하고 있음을 확인할 수 있으며 제공되는 주형의 물성인 기공부피를 효과적으로 활용하지 못하고 있음을 알 수 있다.From the results of Table 6, it can be seen that the physical properties are generally reduced as the content of the carbon-containing polymer, that is, carbon, increases compared to the porous silica structure, and the pore volume, which is a physical property of the provided template, is not effectively utilized can know

이차전지용 음극활성물질을 담지하기 위한 최적의 중기공성 탄소구조체를 제조하기 위해서는, 비표면적의 물성보다 기공부피와 기공크기가 더 유리한 조건을 제공할 수 있다. In order to manufacture an optimal mesoporous carbon structure for supporting an anode active material for a secondary battery, more favorable conditions can be provided for the pore volume and pore size than the physical properties of the specific surface area.

이러한 결과로부터 활성물질을 담지하기 위한 중기공탄소 구조체의 최적 조건은 고분자물질의 비율이 실리카 구조체 대비 약 0.23인 것을 알 수 있다. 이러한 조건에서 탄소구조체의 기공부피는 1.64로 탄소무게의 약 1.5배 이상의 활성물질을 담지할 수 있음을 확인할 수 있다.From these results, it can be seen that the optimal condition of the mesoporous carbon structure for supporting the active material is that the ratio of the polymer material to the silica structure is about 0.23. Under these conditions, it can be confirmed that the pore volume of the carbon structure is 1.64, which can support about 1.5 times or more of the active material of the carbon weight.

<실험예 8><Experimental Example 8>

입자크기에 따른 중기공 탄소구조체의 특성 확인Characterization of mesoporous carbon structure according to particle size

입자크기에 따른 중기공 탄소구조체의 특성을 확인하였다. The characteristics of the mesoporous carbon structure according to the particle size were confirmed.

입자크기가 각각 80nm, 300nm 및 500nm인 중기공 탄소구조체에 대하여 구조, 질소 흡/탈착 특성, 기공분포 및 물리적 특성을 확인하였다. The structure, nitrogen adsorption/desorption characteristics, pore distribution, and physical properties of the mesoporous carbon structures having particle sizes of 80 nm, 300 nm, and 500 nm, respectively, were confirmed.

구조를 확인한 결과인 SEM 이미지를 도 24에 나타내었다. 도 24에서 (A)는 입자크기가 80nm인 중기공 탄소구조체, (B)는 입자크기가 300nm인 중기공 탄소구조체, (C)는 입자크기가 500nm인 중기공 탄소구조체의 SEM 이미지이다.The SEM image as a result of confirming the structure is shown in FIG. 24 . 24, (A) is a mesoporous carbon structure with a particle size of 80 nm, (B) is a mesoporous carbon structure with a particle size of 300 nm, and (C) is a SEM image of a mesoporous carbon structure with a particle size of 500 nm.

또한 질소 등온선 및 기공분포를 확인한 결과를 도 25에 나타내고, 물리적 특성을 확인한 결과를 도 25와 하기 표 7에 나타내었다.In addition, the results of confirming the nitrogen isotherm and pore distribution are shown in FIG. 25, and the results of confirming the physical properties are shown in FIG. 25 and Table 7 below.

항목item 단위(unit)unit 중기공 탄소구조체의 입자크기Particle size of mesoporous carbon structure 8080 300300 500500 표면적surface area m2/gm 2 /g 936936 958958 967967 기공부피pore volume cc/gcc/g 1.671.67 1.311.31 1.641.64 기공크기pore size nmnm 7.197.19 5.55.5 6.686.68 기공 2~10nmPore 2~10nm nmnm 1.031.03 0.390.39 0.790.79

상기 결과에서와 같이 실리카 코어의 크기가 가장 작은 80nm인 중기공 탄소 구조체의 물성이 가장 우수하였다. As shown in the above results, the physical properties of the mesoporous carbon structure having the smallest silica core of 80 nm were the best.

<실험예 9><Experimental Example 9>

열처리온도에 따른 중기공 탄소구조체의 특성 확인Confirmation of characteristics of mesoporous carbon structure according to heat treatment temperature

열처리온도에 따른 중기공 탄소구조체의 특성을 확인하였다.The characteristics of the mesoporous carbon structure according to the heat treatment temperature were confirmed.

각각 110℃, 400℃, 700℃ 및 900℃에서 1시간 동안 열처리하여 제조한 중기공 탄소구조체에 대하여 구조, 질소 흡/탈착 특성, 기공분포 및 물리적 특성을 확인하였다. The structure, nitrogen adsorption/desorption characteristics, pore distribution, and physical properties of the mesoporous carbon structures prepared by heat treatment at 110°C, 400°C, 700°C, and 900°C for 1 hour, respectively, were confirmed.

구조를 확인한 결과인 SEM 이미지를 도 26에 나타내었다. 도 26에서 (A)는 110℃에서 열처리한 중기공 탄소구조체, (B)는 400℃에서 열처리한 중기공 탄소구조체, (C)는 700℃에서 열처리한 중기공 탄소구조체, (D)는 900℃에서 열처리한 중기공 탄소구조체의 SEM 이미지이다.The SEM image as a result of confirming the structure is shown in FIG. 26 . 26, (A) is a mesoporous carbon structure heat treated at 110 ° C, (B) is a mesoporous carbon structure heat treated at 400 ° C, (C) is a mesoporous carbon structure heat treated at 700 ° C, (D) is 900 This is a SEM image of a mesoporous carbon structure heat-treated at °C.

또한 질소 등온선 및 기공분포를 확인한 결과를 도 27에 나타내고, 물리적 특성을 확인한 결과를 도 27과 하기 표 8에 나타내었다.In addition, the results of confirming the nitrogen isotherm and pore distribution are shown in FIG. 27, and the results of confirming the physical properties are shown in FIG. 27 and Table 8 below.

온도temperature 110110 400400 700700 900900 표면적surface area m2/gm 2 /g 936936 978978 999999 10211021 기공부피pore volume cc/gcc/g 1.671.67 1.841.84 1.921.92 22 기공크기pore size nmnm 7.197.19 7.537.53 7.77.7 7.777.77

상기 결과에서와 같이 열처리온도가 900℃일 때 중기공 탄소구조체의 물성이 가장 우수하였다. As in the above results, the physical properties of the mesoporous carbon structure were the best when the heat treatment temperature was 900 ° C.

열처리온도가 높아지면 구조체 외형의 변화는 없고 질소 등온선과 기공의 분포형태는 유사하지만, 비표면적, 기공부피, 기공의 물성이 상승하고 기공의 벽을 형성하는 탄소의 열분해로 인하여 기공이 확장된다. When the heat treatment temperature increases, there is no change in the outer structure of the structure, and the nitrogen isotherm and pore distribution form are similar, but the specific surface area, pore volume, and pore physical properties increase, and the pore expands due to the thermal decomposition of carbon forming the pore wall.

<실험예 10><Experimental Example 10>

열처리시간에 따른 중기공 탄소구조체의 특성 확인Confirmation of characteristics of mesoporous carbon structure according to heat treatment time

열처리시간에 중기공 탄소구조체의 특성을 확인하였다.The characteristics of the mesoporous carbon structure were confirmed during the heat treatment.

900℃에서 5시간, 10시간, 15시간, 20시간 및 25시간 동안 열처리하여 제조한 중기공 탄소구조체에 대하여 질소 흡/탈착 특성, 기공분포, 물리적 특성 및 입도분포를 확인하였다. The mesoporous carbon structures prepared by heat treatment at 900 ° C for 5 hours, 10 hours, 15 hours, 20 hours and 25 hours were confirmed for nitrogen adsorption/desorption characteristics, pore distribution, physical properties and particle size distribution.

(1) 열처리시간에 따른 특성(1) Characteristics according to heat treatment time

열처리시간에 따른 질소 등온선 및 기공분포를 확인한 결과를 도 28에 나타내고, 물리적 특성을 확인한 결과를 도 28과 하기 표 9에 나타내었다.The results of confirming the nitrogen isotherm and pore distribution according to the heat treatment time are shown in FIG. 28, and the results of confirming the physical properties are shown in FIG. 28 and Table 9 below.

특성characteristic 단위unit 900℃에서 열처리시간Heat treatment time at 900℃ 55 1010 1515 2020 2525 비표면적specific surface area m2/gm 2 /g 999999 10521052 10851085 10981098 11191119 기공부피pore volume cc/gcc/g 1.931.93 2.062.06 2.182.18 2.242.24 2.332.33 기공크기pore size nmnm 7.667.66 7.787.78 7.987.98 8.098.09 8.258.25

상기 결과에서와 같이 열처리시간이 25시간일 때 중기공 탄소구조체의 물성이 가장 우수하였다. As in the above results, when the heat treatment time was 25 hours, the physical properties of the mesoporous carbon structure were the best.

(2) 열처리시간에 따른 입도분포특성(2) Particle size distribution characteristics according to heat treatment time

열처리시간에 따른 중기공 탄소구조체의 입도분포를 확인한 결과를 도 29에 나타내었다.29 shows the result of confirming the particle size distribution of the mesoporous carbon structure according to the heat treatment time.

도 29에서 D[3.2]는 비표면적 모멘트 평균(Surface area moment mean), D[4.3]는 부피 모멘트 평균(Volume moment mean), D[1.0]는 수 길이 평균(Number length mean), Dv[10]은 시료부피 10% 최대입경, Dv[50]은 시료부피 50% 최대입경, Dv[90]은 시료부피 90% 최대입경을 나타내다. In FIG. 29, D[3.2] is the surface area moment mean, D[4.3] is the volume moment mean, D[1.0] is the number length mean, and Dv[10 ] indicates the maximum particle size of 10% of the sample volume, Dv[50] indicates the maximum particle size of 50% of the sample volume, and Dv[90] indicates the maximum particle size of 90% of the sample volume.

도 29의 결과에서와 같이, 열처리시간에 따라 입자 평균 부피가 감소하는 경향을 나타내었다.As shown in the results of FIG. 29, the particle average volume tended to decrease with the heat treatment time.

<실험예 11><Experimental Example 11>

황함침 전 탄소구조체의 특성 확인Confirmation of characteristics of carbon structure before sulfur impregnation

황함침 전인 실시예 1, 비교예 1 내지 3의 탄소구조체의 질소 등온선과 기공분포곡선을 확인하고 그 결과를 도 30 내지 33에 나타내었다.The nitrogen isotherms and pore distribution curves of the carbon structures of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 before sulfur impregnation were confirmed, and the results are shown in FIGS. 30 to 33.

도 30은 실시예 1의 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 질소 등온선과 기공분포곡선이고, 도 31은 비교예 1의 열처리된 중기공 탄소구조체의 질소 등온선과 기공분포곡선이며, 도 32는 비교예 2의 열처리된 중기공 탄소구조체의 질소 등온선과 기공분포곡선이고, 도 33은 비교예 3의 열처리된 중기공 탄소구조체의 질소 등온선과 기공분포곡선이다.30 is a nitrogen isotherm and pore distribution curve of the mesoporous carbon-carbon wire structure of Example 1, FIG. 31 is a nitrogen isotherm and pore distribution curve of the heat-treated mesoporous carbon structure of Comparative Example 1, and FIG. 32 is a comparative example. 2, and FIG. 33 is a nitrogen isotherm and pore distribution curve of the heat-treated mesoporous carbon structure of Comparative Example 3.

또한 실시예 1과 비교예 1 내지 3의 탄소구조체의 물성을 비교한 결과를 하기 표 10에 나타내었다.In addition, the results of comparing the physical properties of the carbon structures of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 10 below.

특성characteristic 단위unit 실시예 1Example 1 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 비교예 3Comparative Example 3 비표면적specific surface area m2/gm 2 /g 10761076 11191119 999999 968968 기공부피pore volume cc/gcc/g 2.242.24 2.332.33 1.931.93 1.841.84 기공크기pore size nmnm 8.288.28 8.258.25 7.667.66 7.547.54

비교예 3은 탄소와이어를 성장시키지 않고 400℃에서 5시간 동안 열처리한 시료로 비표면적 968m2/g, 기공부피 1.84cc/g, 기공크기 7.54nm의 기본적인 물성을 가진다. Comparative Example 3 is a sample heat-treated at 400° C. for 5 hours without growing a carbon wire, and has basic physical properties of a specific surface area of 968 m 2 /g, a pore volume of 1.84 cc/g, and a pore size of 7.54 nm.

비교예 2는 비교예 3보다 고온인 900℃에서 열처리한 시료로 비교예 3에 비해 비표면적과 기공부피가 각각 31과 0.09로 미미하게 증가하였다.Comparative Example 2 was a sample heat-treated at 900 ° C, which is higher than Comparative Example 3, and the specific surface area and pore volume slightly increased to 31 and 0.09, respectively, compared to Comparative Example 3.

비교예 1은 비교예 3보다 고온인 900℃에서 25시간 동안 열처리한 시료로 비교예 3에 비해 비표면적과 기공부피가 각각 151과 0.49 증가하였다.Comparative Example 1 was a sample heat-treated for 25 hours at 900 ° C, which is a higher temperature than Comparative Example 3, and compared to Comparative Example 3, the specific surface area and pore volume increased by 151 and 0.49, respectively.

실시예 1은 탄소와이어를 성장시킨 중기공 탄소-탄소와이어 구조체로 후차 열처리를 하지 않아도 기공부피의 발달이 뚜렸하게 나타나고, 탄소와이어를 성장시키지 않고 900℃에서 25시간 동안 열처리한 비교예 1과 유사한 물성을 보였다.Example 1 is a mesoporous carbon-carbon wire structure in which carbon wires are grown, and the development of pore volume is evident even without subsequent heat treatment, similar to Comparative Example 1 in which heat treatment is performed at 900 ° C. for 25 hours without carbon wire growth showed properties.

이는 탄소와이어를 성장시키는 조건이 기공부피의 확장에 기여하므로 탄소와이어를 성장시키면 기공부피를 확장시키기 위한 별도의 열처리가 필요하지 않은 것을 보여준다. 기공의 부피가 클수록 기공 내에 함침되는 황의 양이 많아지므로 기공부피는 황함침에서 중요한 역할을 수행한다.This shows that since the conditions for growing the carbon wire contribute to the expansion of the pore volume, when the carbon wire is grown, a separate heat treatment for expanding the pore volume is not required. The larger the pore volume, the larger the amount of sulfur impregnated into the pore, so the pore volume plays an important role in sulfur impregnation.

또한, 실시예 1과 비교예 1 내지 3의 탄소구조체의 구조를 확인하여 도 34 내지 37에 나타내었다.In addition, the structures of the carbon structures of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were confirmed and shown in FIGS. 34 to 37.

도 34는 실시예 1의 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 구조를 확인한 SEM 이미지이고, 도 35는 비교예 1의 열처리된 중기공 탄소구조체의 구조를 확인한 SEM 이미지이며, 도 36은 비교예 2의 열처리된 중기공 탄소구조체의 구조를 확인한 SEM 이미지이고, 도 37은 비교예 3의 열처리된 중기공 탄소구조체의 구조를 확인한 SEM이미지이다.34 is a SEM image confirming the structure of the mesoporous carbon-carbon wire structure of Example 1, FIG. 35 is an SEM image confirming the structure of the heat-treated mesoporous carbon structure of Comparative Example 1, and FIG. 37 is a SEM image confirming the structure of the heat-treated mesoporous carbon structure of Comparative Example 3.

<실험예 12><Experimental Example 12>

황-탄소복합체의 열중량분석(TGA)Thermogravimetric analysis (TGA) of sulfur-carbon composites

실시예 4와 비교예 4 내지 6의 황-탄소복합체의 열중량분석(TGA)을 실시하고, 그 결과를 도 38에 나타내었다.Thermogravimetric analysis (TGA) was performed on the sulfur-carbon composites of Example 4 and Comparative Examples 4 to 6, and the results are shown in FIG. 38 .

도 38에서와 같이, 기공부피가 큰 실시예 4와 비교예 4의 탄소구조체는 100℃ 이상부터 중량감소가 적었고 최종수율이 높았다. 중량감소가 적은 것은 황이 탄소구조체 내부에 효과적으로 함침된 것을 의미하고, 최종수율이 높은 것은 열처리효과에 의한 탄화도가 높은 것을 의미하고 탄화도는 탄소구조체 내 탄소의 분율이 높은 것을 의미한다.As shown in FIG. 38, the carbon structures of Example 4 and Comparative Example 4 having a large pore volume showed little weight loss and high final yield from 100 ° C or higher. A low weight loss means that sulfur is effectively impregnated into the carbon structure, and a high final yield means that the degree of carbonization due to the heat treatment effect is high, and the degree of carbonization means that the fraction of carbon in the carbon structure is high.

<실험예 13><Experimental Example 13>

황-탄소복합체의 XRD 분석XRD analysis of sulfur-carbon composites

실시예 4와 비교예 4 내지 6의 황-탄소복합체의 XRD 분석을 실시하고, 그 결과를 도 39에 나타내었다.XRD analysis was performed on the sulfur-carbon composites of Example 4 and Comparative Examples 4 to 6, and the results are shown in FIG. 39 .

도 39의 그래프에서 뽀족한 피크들은 고체 황의 피크를 나타내며, 기공의 부피가 큰 실시예 4와 비교예 4의 경우 황의 피크가 거의 나타나지 않는 것을 볼 수 있다. 이는 함침된 황이 기공의 부피가 큰 탄소구조체의 내부에 존재하는 것을 의미한다. In the graph of FIG. 39, sharp peaks represent solid sulfur peaks, and in the case of Example 4 and Comparative Example 4, which have large pores, it can be seen that almost no sulfur peaks appear. This means that the impregnated sulfur exists inside the carbon structure having a large pore volume.

<실험예 14><Experimental Example 14>

전지성능평가Battery performance evaluation

믹서 용기에 0.35g 황-탄소복합체 시료와 0.1g Super-P, 0.05g PVDF(sigma), 10mm 지르코니아 볼 1개를 넣고 추가로 NMP 3.6㎖를 넣은 다음 믹서를 이용하여 28분 동안 혼합하였다. 황-탄소복합체 시료로는 실시예 4와 비교예 4 내지 6의 황-탄소복합체를 사용하였다.0.35 g sulfur-carbon composite sample, 0.1 g Super-P, 0.05 g PVDF (sigma), and one 10 mm zirconia ball were put in a mixer container, and 3.6 ml of NMP was additionally added and mixed for 28 minutes using a mixer. As the sulfur-carbon composite samples, the sulfur-carbon composites of Example 4 and Comparative Examples 4 to 6 were used.

제조된 슬러리를 알루미늄 집전체에 캐스팅한 후 60℃ 오븐에서 12시간 동안 건조시켰다.The prepared slurry was cast on an aluminum current collector and then dried in an oven at 60° C. for 12 hours.

전해액으로는 1,2-디메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane)과 1,4-디옥솔란(1,4-dioxolane)이 1:1의 부피비로 혼합된 용매에 1M 비스(트리플루오로메탄)술폰이미드{bis(trifluoromethane)sulfonimide}와 0.2M LiNO3를 용해시켜 사용하였다.As an electrolyte, 1M bis(trifluoromethane) is mixed with 1,2-dimethoxyethane and 1,4-dioxolane in a volume ratio of 1:1. Sulfonimide {bis(trifluoromethane)sulfonimide} and 0.2M LiNO 3 were dissolved and used.

상기와 같이 제조된 CR2032 코인셀을 사용하여 전기화학 분석을 실시하였다. 이때 음극으로는 리튬 금속을 사용하고, 분리막으로는 SV718 (Asahi Kasei)을 사용하였다. 리튬 대비 1.8~2.6V 전압 범위에서 0.1C 전류밀도에서 한 사이클 충방전한 후 0.2C 전류밀도하에서 수명특성을 평가하였다.Electrochemical analysis was performed using the CR2032 coin cell prepared as described above. At this time, lithium metal was used as the negative electrode and SV718 (Asahi Kasei) was used as the separator. Life characteristics were evaluated under 0.2C current density after charging and discharging one cycle at 0.1C current density in the voltage range of 1.8 to 2.6V compared to lithium.

실시예 4, 비교예 4 내지 6의 황-탄소복합체의 리튬이온 충방전성능을 분석하기 위한 전지성능테스트 결과를 도 40에 전지성능평가 그래프로 나타내었다.The battery performance test results for analyzing the lithium ion charge and discharge performance of the sulfur-carbon composites of Example 4 and Comparative Examples 4 to 6 are shown in FIG. 40 as a battery performance evaluation graph.

도 40의 그래프는 황-탄소복합체 시료들의 리튬이온 충방전 성능을 분석하기 위한 전지성능 테스트에서 충방전횟수에 따른 방전성능을 나타낸다. 이때 X축은 충방전횟수를 나타내고 Y축은 쿨롱효율로서 충전대비 방전성능을 나타낸다. The graph of FIG. 40 shows the discharge performance according to the number of charge and discharge in the battery performance test for analyzing the lithium ion charge and discharge performance of the sulfur-carbon composite samples. At this time, the X-axis represents the number of charge and discharge times, and the Y-axis represents the charge-to-discharge performance as coulombic efficiency.

쿨롱효율(Coulomb efficiency, %)은 하기 수학식 1로 계산하였다:Coulomb efficiency (%) was calculated by Equation 1 below:

[수학식 1][Equation 1]

쿨롱효율(%) = 100 × 방전성능/충전성능Coulombic efficiency (%) = 100 × discharge performance / charge performance

도 40의 결과에서, 황이 탄소구조체 내에 효과적으로 담지된 실시예 4의 황-탄소복합체의 성능이 비교예 4 내지 6의 황-탄소복합체에 비해 우수한 것을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 탄소와이어의 구조가 방전시 발생하는 전자의 이동에 효과적이라는 것을 알 수 있다.From the results of FIG. 40, it can be seen that the performance of the sulfur-carbon composite of Example 4 in which sulfur is effectively supported in the carbon structure is superior to that of the sulfur-carbon composite of Comparative Examples 4 to 6. From these results, it can be seen that the structure of the carbon wire is effective in the movement of electrons generated during discharge.

또한, 도 40의 전지성능평가 그래프로부터 충방전 횟수에 따른 초기 1회 사이클의 방전성능 대비 각 사이클별 방전성능을 확인하여 그 결과를 도 41에 나타내었다.In addition, from the battery performance evaluation graph of FIG. 40 , the discharge performance for each cycle compared to the discharge performance of the initial one cycle according to the number of charge and discharge cycles was confirmed, and the results are shown in FIG. 41 .

수명특성(%)은 하기 수학식 2로 계산하였다:Life characteristics (%) were calculated by Equation 2 below:

[수학식 2][Equation 2]

수명특성(%) = 100 × 방전성능(사이클 n회)/방전성능(사이클 1회) Life characteristics (%) = 100 × discharge performance (n cycles) / discharge performance (1 cycle)

도 41의 결과에서 탄소와이어 구조를 가진 실시예 4의 황-탄소복합체가 수명특성이 우수한 것을 알 수 있으며, 상기 수학식 2로부터 사이클에서 수명특성이 높다는 것은 황전지의 내구성이 우수함을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 이는 탄소와이어 구조를 가진 실시예 4의 탄소구조체가 전지수명의 향상에 도움을 주었기 때문인 것으로 보인다.From the results of FIG. 41, it can be seen that the sulfur-carbon composite of Example 4 having a carbon wire structure has excellent lifespan characteristics. Able to know. This seems to be because the carbon structure of Example 4 having a carbon wire structure helped to improve battery life.

Claims (16)

다공성 실리카 구조체를 제조하는 단계;
상기 다공성 실리카 구조체의 표면에 탄소함유-고분자물질을 코팅하고 열처리하여 다공성 실리카-탄소구조체를 제조하는 단계;
상기 다공성 실리카-탄소구조체에 탄소와이어를 성장시켜 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체를 제조하는 단계;
상기 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체에서 실리카를 제거하여 중기공 탄소-탄소와이어 구조체를 제조하는 단계; 및
상기 중기공 탄소-탄소와이어 구조체에 황을 함침시키는 단계를 포함하는, 리튬-황전지용 양극재 조성물의 제조방법.
Preparing a porous silica structure;
preparing a porous silica-carbon structure by coating a surface of the porous silica structure with a carbon-containing polymer material and heat-treating;
preparing a porous silica-carbon-carbon wire structure by growing a carbon wire on the porous silica-carbon structure;
preparing a mesoporous carbon-carbon wire structure by removing silica from the porous silica-carbon-carbon wire structure; and
A method for producing a cathode material composition for a lithium-sulfur battery comprising the step of impregnating the mesoporous carbon-carbon wire structure with sulfur.
제1항에 있어서,
상기 다공성 실리카 구조체는 조성물 총 중량을 기준으로 TEOS(Tetraethyl orthosilicate) 2~10중량%, 20~35중량% 농도의 암모니아수 2~15중량%, 증류수 3~25중량%, TEOS 부피의 0.14~0.5배 부피의 유기실란, 및 나머지는 에탄올 및 메탄올 중 선택된 용매를 포함하는 조성물을 사용하여 제조하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to claim 1,
The porous silica structure contains 2 to 10% by weight of TEOS (Tetraethyl orthosilicate), 2 to 15% by weight of ammonia water at a concentration of 20 to 35% by weight, 3 to 25% by weight of distilled water, and 0.14 to 0.5 times the volume of TEOS based on the total weight of the composition. A process according to claim 1 , characterized in that it is produced using a composition comprising a volume of organosilane and the remainder a solvent selected from ethanol and methanol.
제2항에 있어서,
상기 다공성 실리카 구조체는,
용매에 20~35중량% 농도의 암모니아수, 증류수, 유기실란 및 TEOS를 혼합하여 5시간 이상 교반하여 합성하는 단계;
액상부를 제거하고 고형분만을 분리하여 90~110℃에서 12시간 이상 건조시키는 단계; 및
500~600℃에서 4~6시간 동안 열처리하는 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to claim 2,
The porous silica structure,
Synthesizing by mixing ammonia water, distilled water, organosilane, and TEOS at a concentration of 20 to 35% by weight in a solvent and stirring for 5 hours or more;
removing the liquid phase, separating only the solid content, and drying at 90 to 110° C. for 12 hours or more; and
A manufacturing method characterized in that produced by a method comprising the step of heat treatment at 500 ~ 600 ℃ for 4 ~ 6 hours.
제1항에 있어서,
상기 다공성 실리카 구조체는 입자크기 80~700nm의 구형인 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to claim 1,
The porous silica structure is a manufacturing method, characterized in that the spherical particle size of 80 ~ 700nm.
제1항에 있어서,
상기 탄소함유-고분자물질은 페놀수지, PVA(polyvinyl alcohol), PAN(polyacrylonitrile), PE(polyethylene), PP(polypropylene), PVC(polyvinylchloride) 및 PS(polystyrene) 중 선택된 열가소성 수지와, 셀룰로오스의 혼합물인 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to claim 1,
The carbon-containing polymer is a mixture of a thermoplastic resin selected from phenolic resin, PVA (polyvinyl alcohol), PAN (polyacrylonitrile), PE (polyethylene), PP (polypropylene), PVC (polyvinylchloride) and PS (polystyrene), and cellulose A manufacturing method characterized in that.
제5항에 있어서,
상기 열가소성 수지와 셀룰로오스는 6:4 내지 8:2의 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to claim 5,
The thermoplastic resin and the cellulose are mixed in a weight ratio of 6:4 to 8:2.
제1항에 있어서,
상기 다공성 실리카-탄소구조체는,
다공성 실리카 구조체 중량의 2.5~3.5배 중량의 증류수에 다공성 실리카 구조체 중량의 0.2~0.5배 중량의 탄소함유-고분자물질을 용해시키는 단계;
상기 탄소함유-고분자물질을 용해시킨 후 다공성 실리카 구조체를 투입하고 1시간 이상 방치하여 다공성 실리카 구조체에 탄소함유-고분자물질을 코팅하는 단계;
상기 탄소함유-고분자물질이 코팅된 다공성 실리카 구조체를 100~120℃에서 12시간 이상 증발 및 건조시키는 단계;
건조된 구조체를 공기 분위기에서 1℃/min의 승온속도로 180~220℃까지 승온시킨 후 1~5시간 동안 산화처리하는 단계;
산화처리된 구조체를 5℃/min의 승온속도로 800~1,000℃까지 승온시킨 후 5~25시간 동안 열처리하여 탄소함유-고분자물질을 탄화시키는 단계; 및
상온까지 자연냉각시키는 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to claim 1,
The porous silica-carbon structure,
Dissolving 0.2 to 0.5 times the weight of the porous silica structure in distilled water of 2.5 to 3.5 times the weight of the porous silica structure - a polymer material containing carbon;
coating the porous silica structure with the carbon-containing polymer material by dissolving the carbon-containing polymer material and then introducing the porous silica structure and leaving it for at least 1 hour;
evaporating and drying the porous silica structure coated with the carbon-containing polymer at 100 to 120° C. for 12 hours or more;
Oxidizing the dried structure for 1 to 5 hours after heating the dried structure to 180 to 220 ° C at a heating rate of 1 ° C / min in an air atmosphere;
raising the temperature of the oxidized structure to 800 to 1,000° C. at a heating rate of 5° C./min, followed by heat treatment for 5 to 25 hours to carbonize the carbon-containing polymer; and
A manufacturing method characterized in that it is produced by a method comprising the step of natural cooling to room temperature.
제7항에 있어서,
상기 다공성 실리카 구조체에 탄소함유-고분자 물질을 코팅하는 단계 후 75~85℃에서 3시간 이상 숙성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to claim 7,
The manufacturing method characterized in that it further comprises the step of aging at 75 ~ 85 ℃ for 3 hours or more after the step of coating the porous silica structure with a carbon-containing polymer material.
제1항에 있어서,
상기 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체는,
상기 다공성 실리카-탄소구조체 중량대비 4~5중량%의 마그네슘(Mg) 분말을 혼합하는 단계;
다공성 실리카-탄소구조체에 마그네슘이 혼합된 분말을 질소분위기에서 600~700℃에서 5~7시간 동안 열처리하는 단계; 및
상기 열처리된 시료를 분쇄한 후 150~250메쉬 크기의 체를 통과한 분체인 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체를 얻는 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to claim 1,
The porous silica-carbon-carbon wire structure,
Mixing 4 to 5% by weight of magnesium (Mg) powder relative to the weight of the porous silica-carbon structure;
heat-treating a powder in which magnesium is mixed in a porous silica-carbon structure at 600 to 700° C. for 5 to 7 hours in a nitrogen atmosphere; and
The manufacturing method characterized in that it is produced by a method comprising the step of obtaining a porous silica-carbon-carbon wire structure, which is a powder passing through a sieve of 150 to 250 mesh size after pulverizing the heat-treated sample.
제1항에 있어서,
상기 중기공 탄소-탄소와이어 구조체는,
다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체 고형분 중량의 8~12배 중량의 증류수를 반응용기에 넣고 불산을 증류수에 서서히 주입하여 15~25중량%의 불산용액을 제조하는 단계;
상기 불산용액에 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체를 서서히 주입하고 밀봉한 후 12시간 이상 반응시켜 다공성 실리카-탄소-탄소와이어 구조체 내 실리카 물질을 용해시키는 단계;
여과하여 용액을 제거하고 고형분은 증류수로 3~5회 세척하는 단계; 및
분리된 고형분을 90~110℃에서 10~14시간 동안 건조시키는 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to claim 1,
The mesoporous carbon-carbon wire structure,
Preparing a 15-25% by weight hydrofluoric acid solution by slowly injecting distilled water into a reaction container with 8 to 12 times the weight of the solid content of the porous silica-carbon-carbon wire structure;
Dissolving the silica material in the porous silica-carbon-carbon wire structure by slowly injecting the porous silica-carbon-carbon wire structure into the hydrofluoric acid solution, sealing it, and reacting for 12 hours or more;
filtering to remove the solution and washing the solid content with distilled water 3 to 5 times; and
A manufacturing method characterized in that it is produced by a method comprising the step of drying the separated solid content at 90 to 110 ° C. for 10 to 14 hours.
제1항에 있어서,
원소 황을 분쇄하는 단계;
분쇄된 황과 중기공 탄소-탄소와이어 구조체를 2~4:1의 중량비로 혼합하여 분쇄하는 단계; 및
150~160℃에서 10~14시간 동안 열처리하는 단계를 포함하는 방법에 의하여, 중기공 탄소-탄소와이어 구조체에 황을 함침시키는 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to claim 1,
grinding elemental sulfur;
mixing and pulverizing the pulverized sulfur and the mesoporous carbon-carbon wire structure in a weight ratio of 2 to 4:1; and
A manufacturing method characterized by impregnating sulfur into a mesoporous carbon-carbon wire structure by a method comprising heat treatment at 150 to 160 ° C. for 10 to 14 hours.
제1항에 있어서,
상기 중기공 탄소-탄소와이어 구조체는 평균 기공크기가 3~5nm인 중기공을 포함하고 입자의 크기가 80~800nm인 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to claim 1,
The mesoporous carbon-carbon wire structure includes mesopores having an average pore size of 3 to 5 nm and a particle size of 80 to 800 nm.
평균 기공크기가 3~5nm인 중기공을 포함하는 탄소구조체와, 상기 중기공을 포함하는 탄소구조체로부터 성장한 탄소와이어를 포함하고, 입자의 크기가 80~800nm인 중기공 탄소-탄소와이어 구조체와;
상기 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 기공 내에 함침된 황;을 포함하는 리튬-황전지용 양극재 조성물.
A carbon structure containing mesopores having an average pore size of 3 to 5 nm, and a carbon wire grown from the carbon structure including mesopores, and having a particle size of 80 to 800 nm, and a mesopore carbon-carbon wire structure;
A cathode material composition for a lithium-sulfur battery comprising sulfur impregnated in the pores of the mesoporous carbon-carbon wire structure.
제13항에 있어서,
상기 리튬-황전지 양극재용 조성물은 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조된 것임을 특징으로 하는, 리튬-황전지용 양극재 조성물.
According to claim 13,
The cathode material composition for a lithium-sulfur battery, characterized in that the composition for a cathode material for a lithium-sulfur battery is prepared by the method of any one of claims 1 to 11.
리튬-황전지에 있어서,
평균 기공크기가 3~5nm인 중기공을 포함하는 탄소구조체와, 상기 중기공을 포함하는 탄소구조체로부터 성장한 탄소와이어를 포함하고, 입자의 크기가 80~800nm인 중기공 탄소-탄소와이어 구조체와; 상기 중기공 탄소-탄소와이어 구조체의 기공 내에 함침된 황;을 포함하는 리튬-황전지용 양극재 조성물을 양극재로 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황전지.
In a lithium-sulfur battery,
A carbon structure containing mesopores having an average pore size of 3 to 5 nm, and a carbon wire grown from the carbon structure including mesopores, and having a particle size of 80 to 800 nm, and a mesopore carbon-carbon wire structure; A lithium-sulfur battery comprising a cathode material composition for a lithium-sulfur battery comprising sulfur impregnated in the pores of the mesoporous carbon-carbon wire structure as a cathode material.
제15항에 있어서,
상기 리튬-황전지 양극재용 조성물은 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조된 것임을 특징으로 하는 리튬-황전지.
According to claim 15,
A lithium-sulfur battery, characterized in that the composition for a cathode material for a lithium-sulfur battery is prepared by the method of any one of claims 1 to 11.
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