KR102510290B1 - Method for preparing lithium negative electrode coated with lithium nitride, lithium negative electrode prepared therefrom and lithium-sulfur battery including the same - Google Patents

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Abstract

리튬 음극 표면에 보호층을 형성하여 전지의 리튬 이온 전도성 및 수명특성을 개선시킨, 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조방법, 이에 의해 제조된 리튬 음극 및 이를 포함하는 리튬-황 전지가 개시된다. 상기 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조방법은, a) 아민계 화합물을 유기용매에 용해시키는 단계; 및 b) 상기 아민계 화합물이 용해된 용액에 표면 산화막이 제거된 리튬 금속을 담지시켜, 상기 리튬 금속의 표면에 리튬 나이트라이드(Li3N) 보호층을 형성하는 단계;를 포함한다.Disclosed is a method for manufacturing a lithium nitride surface-treated lithium anode, in which a protective layer is formed on the surface of a lithium anode to improve lithium ion conductivity and lifespan characteristics of a battery, a lithium anode manufactured thereby, and a lithium-sulfur battery including the same . The manufacturing method of the lithium nitride surface-treated lithium anode includes the steps of a) dissolving an amine-based compound in an organic solvent; and b) forming a lithium nitride (Li 3 N) protective layer on the surface of the lithium metal by supporting the lithium metal from which the surface oxide film is removed in the solution in which the amine compound is dissolved.

Description

리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조방법, 이에 의해 제조된 리튬 음극 및 이를 포함하는 리튬-황 전지{Method for preparing lithium negative electrode coated with lithium nitride, lithium negative electrode prepared therefrom and lithium-sulfur battery including the same}Method for preparing lithium negative electrode coated with lithium nitride, lithium negative electrode prepared therefrom and lithium-sulfur battery including the same}

본 발명은 리튬-황 전지용 메탈 음극에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 리튬 음극 표면에 보호층을 형성하여 전지의 리튬 이온 전도성 및 수명특성을 개선시킨, 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조방법, 이에 의해 제조된 리튬 음극 및 이를 포함하는 리튬-황 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a metal negative electrode for a lithium-sulfur battery, and more particularly, to a method for manufacturing a lithium nitride surface-treated lithium negative electrode, which improves lithium ion conductivity and lifespan characteristics of a battery by forming a protective layer on the surface of the lithium negative electrode , It relates to a lithium negative electrode prepared thereby and a lithium-sulfur battery including the same.

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

이와 같은 전기화학소자, 그 중 리튬-황 전지는 높은 에너지 밀도를 가져, 리튬이온전지를 대체할 수 있는 차세대 이차전지로 각광받고 있으며, 이에 따라, 리튬 음극의 중요성 또한 높아지고 있고 있다. 기존 리튬이온전지(LIB) 음극재의 경우, 리튬 이온이 환원될 때 음극재 표면에 고체 전해질 계면(Solid electrolyte interface, SEI) 층을 형성하는 초기 비가역 반응이 진행되는데, 이와 같이 형성된 SEI layer는 매우 안정적이어서, 이후의 사이클 동안 전해액과 음극 간의 직접적인 반응을 억제하여 리튬 효율의 향상을 가져오게 된다.Such an electrochemical device, among which a lithium-sulfur battery, has a high energy density and is in the limelight as a next-generation secondary battery that can replace a lithium ion battery, and accordingly, the importance of a lithium negative electrode is also increasing. In the case of conventional lithium ion battery (LIB) anode materials, when lithium ions are reduced, an initial irreversible reaction that forms a solid electrolyte interface (SEI) layer on the surface of the anode material proceeds, and the SEI layer formed in this way is very stable. Subsequently, the direct reaction between the electrolyte and the negative electrode is suppressed during subsequent cycles, resulting in improved lithium efficiency.

그러나, 리튬 메탈을 음극으로 사용하는 경우, 이러한 비가역 반응이 초기에 발생하더라도 금속 표면에서 전지의 산화 환원 반응이 지속적으로 일어나기 때문에, 계면이 일정하게 유지되기가 어렵다. 일반적으로 전해액과 리튬 메탈 간의 산화 환원 반응으로 형성된 리튬 메탈 표면의 SEI layer는 기계적 강도가 약하기 때문에, 사이클 지속 시 구조가 붕괴되면서 새로운 리튬의 표면이 드러나게 되고, 이로 인하여, 리튬 효율의 저하가 발생하는 것으로 알려져 있다. 이렇게 불균일하게 형성된 리튬의 표면은 다시 리튬 이온을 돌출된 부위에 우선적으로 성장시키며, 덴드라이트를 형성하게 된다. 리튬 메탈 음극의 상용화를 막는 가장 큰 문제점인 덴드라이트 문제를 해결하기 위하여 지금까지 다양한 연구 그룹에서 분리막 개질, interlayer 및 보호층 도입 등의 연구가 시도되고 있으나, 리튬의 덴드라이트 성장을 근본적으로 방지하는 해결책은 아직까지 제시되지 못하고 있는 실정이다.However, when lithium metal is used as an anode, it is difficult to keep the interface constant because the redox reaction of the battery continuously occurs on the metal surface even if such an irreversible reaction initially occurs. In general, since the SEI layer on the surface of the lithium metal formed by the redox reaction between the electrolyte and the lithium metal has low mechanical strength, the structure collapses while the cycle continues, revealing a new lithium surface, which causes a decrease in lithium efficiency. It is known. The non-uniformly formed surface of lithium in this way preferentially grows lithium ions on the protruded parts again, and forms dendrites. In order to solve the dendrite problem, which is the biggest problem preventing the commercialization of lithium metal anodes, various research groups have been trying to reform separators, introduce interlayers, and protective layers, but there is no way to fundamentally prevent dendrite growth of lithium. A solution has not yet been presented.

따라서, 본 발명의 목적은, 리튬 음극의 표면에 리튬 나이트라이드 보호층을 형성하여 덴드라이트 성장을 억제함으로써 전지의 리튬 이온 전도성 및 수명특성을 개선시킨, 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조방법, 이에 의해 제조된 리튬 음극 및 이를 포함하는 리튬-황 전지를 제공하는 것이다.Therefore, an object of the present invention is to form a lithium nitride protective layer on the surface of the lithium negative electrode to inhibit dendrite growth, thereby improving the lithium ion conductivity and lifespan characteristics of a battery, a method for producing a lithium nitride surface-treated lithium negative electrode , To provide a lithium negative electrode prepared thereby and a lithium-sulfur battery including the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, a) 아민계 화합물을 유기용매에 용해시키는 단계; 및 b) 상기 아민계 화합물이 용해된 용액에 표면 산화막이 제거된 리튬 금속을 담지시켜, 상기 리튬 금속의 표면에 리튬 나이트라이드(Li3N) 보호층을 형성하는 단계;를 포함하는 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, a) dissolving an amine-based compound in an organic solvent; And b) forming a lithium nitride (Li 3 N) protective layer on the surface of the lithium metal by supporting the lithium metal from which the surface oxide film is removed in the solution in which the amine-based compound is dissolved. A method for manufacturing a surface-treated lithium anode is provided.

또한, 본 발명은, 표면 산화막이 제거된 리튬 금속; 및 상기 리튬 금속의 표면 상에 형성된 리튬 나이트라이드(Li3N) 보호층;을 포함하는 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극을 제공한다.In addition, the present invention, the surface oxide film is removed lithium metal; and a lithium nitride (Li 3 N) protective layer formed on the surface of the lithium metal.

또한, 본 발명은, 상기 음극, 양극 및 전해질을 포함하는 리튬-황 전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a lithium-sulfur battery including the negative electrode, the positive electrode, and the electrolyte.

본 발명에 따른 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조방법, 이에 의해 제조된 리튬 음극 및 이를 포함하는 리튬-황 전지에 의하면, 리튬 음극의 표면에 리튬 나이트라이드 보호층을 형성하여 덴드라이트 성장을 억제함으로써 리튬-황 전지의 리튬 이온 전도성 및 수명특성을 개선시킬 수 있다.According to the method for manufacturing a lithium anode surface-treated with lithium nitride according to the present invention, a lithium anode produced thereby, and a lithium-sulfur battery including the same, a lithium nitride protective layer is formed on the surface of the lithium anode to prevent dendrite growth By suppressing the lithium-sulfur battery, the lithium ion conductivity and lifespan characteristics can be improved.

도 1은 본 발명에 따라 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 모습(A)과, 통상적인 리튬 음극의 모습(B)을 보여주는 이미지이다.
도 2는 본 발명에 따른 리튬 음극에 가해지는 저항값을 나타낸 그래프(A)와 통상적인 리튬 음극에 가해지는 저항값을 나타낸 그래프(B)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 리튬-황 전지의 수명특성을 비교 대조한 그래프이다.
1 is an image showing a state (A) of a lithium anode surface-treated with lithium nitride according to the present invention and a state (B) of a conventional lithium anode.
Figure 2 is a graph (A) showing the resistance value applied to the lithium negative electrode according to the present invention and a graph (B) showing the resistance value applied to a conventional lithium negative electrode.
3 is a graph comparing and contrasting life characteristics of lithium-sulfur batteries according to an embodiment of the present invention and a comparative example.

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

본 발명에 따른 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조방법은, a) 아민계 화합물을 유기용매에 용해(희석)시키는 단계 및 b) 상기 아민계 화합물이 용해된 용액에 표면 산화막이 제거된 리튬 금속을 담지시켜, 상기 리튬 금속의 표면에 리튬 나이트라이드(Li3N) 보호층을 형성하는 단계를 포함한다.A method for producing a lithium anode with surface treatment of lithium nitride according to the present invention includes the steps of a) dissolving (diluting) an amine-based compound in an organic solvent, and b) removing a surface oxide film from a solution in which the amine-based compound is dissolved. and forming a lithium nitride (Li 3 N) protective layer on the surface of the lithium metal by supporting the metal.

상기 아민계 화합물은 하나 이상의 아민기를 포함하는 것으로서, 크게 방향족 디아민 화합물 및 지방족 디아민 화합물을 예시할 수 있다. 상기 방향족 디아민 화합물은 탄소수 6 내지 20, 바람직하게는 탄소수 8 내지 12의 아민계 탄소 화합물로서, 필요에 따라, 황 원자 또는 산소 원자 등을 더 포함할 수 있다. 상기 방향족 디아민 화합물의 구체적인 예로는, m-자일렌디아민(xylene diamine), o-자일렌디아민, p-자일렌디아민, p-페닐렌디아민, m-페닐렌디아민, 4,4-디아미노디페닐술폰 및 4,4-디아미노디페닐에테르를 들 수 있다.The amine-based compound includes at least one amine group, and may be largely exemplified by an aromatic diamine compound and an aliphatic diamine compound. The aromatic diamine compound is an amine-based carbon compound having 6 to 20 carbon atoms, preferably 8 to 12 carbon atoms, and may further include a sulfur atom or an oxygen atom, if necessary. Specific examples of the aromatic diamine compound include m-xylene diamine, o-xylene diamine, p-xylene diamine, p-phenylenediamine, m-phenylenediamine, and 4,4-diaminodiamine. phenylsulfone and 4,4-diaminodiphenyl ether.

또한, 상기 지방족 디아민 화합물은 탄소수 2 내지 20, 바람직하게는 탄소수 6 내지 12의 아민계 탄소 화합물로서, 필요에 따라, 황 원자 또는 산소 원자 등을 더 포함할 수 있다. 상기 지방족 디아민 화합물의 구체적인 예로는, 에틸렌디아민, 프로판디아민, 1,4-부탄디아민, 1,6-헥산디아민, 1,7-헵탄디아민, 1,8-옥탄디아민, 1,9-노난디아민, 1,10-데칸디아민, 1,11-운데칸디아민, 1,12-도데칸디아민, 2-메틸-1,5-펜탄디아민, 3-메틸-1,5-펜탄디아민, 2,2,4-트리메틸-1,6-헥산디아민, 2,4,4-트리메틸-1,6-헥산디아민, 2-메틸-1,8-옥탄디아민 및 5-메틸-1,9-노난디아민을 들 수 있다.In addition, the aliphatic diamine compound is an amine-based carbon compound having 2 to 20 carbon atoms, preferably 6 to 12 carbon atoms, and may further include a sulfur atom or an oxygen atom, if necessary. Specific examples of the aliphatic diamine compound include ethylenediamine, propanediamine, 1,4-butanediamine, 1,6-hexanediamine, 1,7-heptanediamine, 1,8-octanediamine, 1,9-nonanediamine, 1,10-decanediamine, 1,11-undecanediamine, 1,12-dodecanediamine, 2-methyl-1,5-pentanediamine, 3-methyl-1,5-pentanediamine, 2,2,4 -Trimethyl-1,6-hexanediamine, 2,4,4-trimethyl-1,6-hexanediamine, 2-methyl-1,8-octanediamine and 5-methyl-1,9-nonanediamine. .

상기 유기용매는 상기 아민계 화합물을 희석시키기 위하여 사용되는 것으로서, 당업계에 알려진 통상의 유기용매를 제한 없이 사용할 수 있으며, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올 등의 알코올계 용매, 벤젠, 디클로로벤젠, 톨루엔, 자일렌 등의 벤젠계 용매, 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 및 N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidone, NMP) 중 1종 이상을 예시할 수 있다.The organic solvent is used to dilute the amine-based compound, and common organic solvents known in the art may be used without limitation, and alcohol-based solvents such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol, benzene, dichlorobenzene, and toluene , benzene-based solvents such as xylene, tetrahydrofuran (THF), and at least one of N-methyl pyrrolidone (NMP).

상기 아민계 화합물이 유기용매에 첨가되는 양은, 상기 유기용매 100 중량부에 대하여 0.5 내지 30 중량부, 바람직하게는 1 내지 15 중량부, 더욱 바람직하게는 5 내지 10 중량부로서, 상기 아민계 화합물의 함량이 상기 유기용매 100 중량부에 대하여 0.5 중량부 미만이면 보호층 형성에 유효한 정도의 반응이 일어나지 않는 문제가 발생할 우려가 있고, 30 중량부를 초과할 경우에는 보호층이 과하게 형성되어 리튬 이온 전도성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.The amount of the amine-based compound added to the organic solvent is 0.5 to 30 parts by weight, preferably 1 to 15 parts by weight, more preferably 5 to 10 parts by weight, based on 100 parts by weight of the organic solvent. If the content of is less than 0.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the organic solvent, there is a concern that a reaction that is effective in forming a protective layer does not occur, and if it exceeds 30 parts by weight, the protective layer is excessively formed, resulting in lithium ion conductivity This degradation may cause problems.

상기 a) 단계에 있어서, 아민계 화합물을 유기용매에 용해시키는 공정은 0 내지 40 ℃, 바람직하게는 20 내지 25 ℃의 온도 하에서 1 내지 48 시간, 바람직하게는 4 내지 24 시간 동안 수행될 수 있고, 상기 b) 단계에 있어서, 아민계 화합물이 용해된 용액에 리튬 금속을 담지(또는, 반응)시키는 공정은 10 내지 30 ℃, 바람직하게는 20 내지 25 ℃의 온도 하에서 10 초 내지 30 분, 바람직하게는 30 내지 60 초 동안 수행될 수 있다. 그밖에, 상기 리튬 나이트라이드 보호층의 두께는 0.1 내지 100 ㎛, 바람직하게는 0.3 내지 20 ㎛, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 3 ㎛로서, 상기 리튬 나이트라이드 보호층의 두께가 0.1 ㎛ 미만이면 보호층으로써 제 기능을 수행하지 못할 우려가 있고, 100 ㎛를 초과하면 리튬 이온 전도성 저하로 인한 셀 구동에 문제가 발생할 수 있다.In step a), the process of dissolving the amine-based compound in an organic solvent may be performed at a temperature of 0 to 40 ° C, preferably 20 to 25 ° C for 1 to 48 hours, preferably 4 to 24 hours, , In the step b), the step of supporting (or reacting) the lithium metal in the solution in which the amine compound is dissolved is 10 to 30 ° C., preferably 20 to 25 ° C. for 10 seconds to 30 minutes, preferably Preferably it may be performed for 30 to 60 seconds. In addition, the thickness of the lithium nitride protective layer is 0.1 to 100 μm, preferably 0.3 to 20 μm, more preferably 0.5 to 3 μm, and if the thickness of the lithium nitride protective layer is less than 0.1 μm, it is used as a protective layer There is a concern that it may not perform its function, and if it exceeds 100 μm, a problem may occur in cell operation due to a decrease in lithium ion conductivity.

또한, 상기 리튬 나이트라이드 보호층이 형성된 (전해액 내에서의) 리튬 금속 표면 저항은 10 내지 500 옴, 바람직하게는 50 내지 300 옴, 더욱 바람직하게는 100 내지 250 옴으로서, 1 내지 240 시간, 바람직하게는 24 내지 120 시간, 더욱 바람직하게는 36 내지 48 시간 동안 저항의 변화가 없다. 이는, 기존과 달리 리튬 금속의 표면에서 전지의 지속적인 산화 환원 반응이 방지되는 것으로서, 이에 따라, 상기 형성된 리튬 나이트라이드 보호층이 전해액과 안정한 상태로 유지됨을 의미한다.In addition, the lithium metal surface resistance (in the electrolyte solution) on which the lithium nitride protective layer is formed is 10 to 500 ohms, preferably 50 to 300 ohms, more preferably 100 to 250 ohms, and 1 to 240 hours, preferably Preferably, there is no change in resistance for 24 to 120 hours, more preferably 36 to 48 hours. This means that, unlike the prior art, continuous redox reactions of the battery are prevented on the surface of the lithium metal, and thus the formed lithium nitride protective layer is maintained in a stable state with the electrolyte.

한편, 표면 산화막이 제거된 리튬 금속이란, 물리적, 화학적으로 표면의 산화층이 제거된 리튬을 의미하는 것으로서, 이와 같이 표면 산화막이 제거된 리튬 금속의 표면에 직접 반응으로 보호층을 형성시키기 때문에, 리튬 금속과 보호층의 결착력이 매우 우수하다. 또한, 상기 리튬 금속의 표면에 형성되는 리튬 나이트라이드 보호층의 리튬 이온 전도성은 10-4 내지 5 × 10-3 Scm-1, 바람직하게는 약 10-3 Scm-1로서 매우 우수하다. 따라서, 본 발명은, 이와 같은 리튬 나이트라이드와 리튬 금속을 결착시키고, 이를 음극으로 적용함으로써 덴드라이트의 성장 또는 형성까지 억제할 수 있고, 나아가 전지의 수명특성 또한 개선시킬 수 있다. 또한, 상기 리튬 음극의 제조방법은 공정이 매우 간단하고도 용이하다는 장점도 가지고 있다.On the other hand, lithium metal from which the surface oxide film is removed means lithium from which the surface oxide layer is physically and chemically removed. The binding force between the metal and the protective layer is very good. In addition, the lithium ion conductivity of the lithium nitride protective layer formed on the surface of the lithium metal is 10 −4 to 5×10 −3 Scm −1 , preferably about 10 −3 Scm −1 , which is very excellent. Therefore, according to the present invention, the growth or formation of dendrites can be suppressed by binding such lithium nitride and lithium metal and applying the same as a negative electrode, and furthermore, the lifespan characteristics of the battery can also be improved. In addition, the manufacturing method of the lithium anode has the advantage that the process is very simple and easy.

도 1은 본 발명에 따라 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 모습(A)과, 통상적인 리튬 음극의 모습(B)을 보여주는 이미지이다. 다음으로, 본 발명에 따른 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조방법에 의해 제조되며, 도 1의 A에 도시된 바와 같은 리튬 음극에 대하여 설명하면, 상기 리튬 음극은, 표면 산화막이 제거된 리튬 금속 및 상기 리튬 금속의 표면 상에 형성된 리튬 나이트라이드(Li3N) 보호층을 포함한다. 상기 리튬 나이트라이드 보호층 등 리튬 음극을 구성하는 요소들에 대한 구체적인 설명은 상기 리튬 음극의 제조방법에서 설명된 바를 준용한다.1 is an image showing a state (A) of a lithium anode surface-treated with lithium nitride according to the present invention and a state (B) of a conventional lithium anode. Next, the lithium anode prepared by the method for manufacturing a lithium anode surface-treated with lithium nitride according to the present invention, as shown in FIG. 1A, is described. It includes a metal and a lithium nitride (Li 3 N) protective layer formed on the surface of the lithium metal. A detailed description of the elements constituting the lithium anode, such as the lithium nitride protective layer, applies mutatis mutandis as described in the manufacturing method of the lithium anode.

마지막으로, 본 발명은 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극, 양극 및 전해질을 포함하는 리튬-황 전지를 제공한다. 리튬-황 전지에 포함되는 리튬 음극에 대한 설명은 전술한 것으로 대신하며(음극 중 설명되지 않은 바인더 등에 대한 설명은 통상의 것을 준용한다), 그밖에 리튬-황 전지에 적용되는 나머지 양극 및 전해질 등은 당업계에서 사용하는 통상의 것일 수 있으며, 이에 대한 설명은 후술하도록 한다.Finally, the present invention provides a lithium-sulfur battery including a lithium negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte coated with lithium nitride. The description of the lithium negative electrode included in the lithium-sulfur battery is replaced with the above (the description of the binder, etc., which is not described in the negative electrode, applies mutatis mutandis), and other positive electrodes and electrolytes applied to the lithium-sulfur battery It may be a conventional one used in the art, and a description thereof will be described later.

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

이하, 본 발명에 따른 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극을 포함하는 리튬-황 전지에 적용되는 양극, 전해질 및 분리막에 대한 설명을 부가한다.Hereinafter, a description of a positive electrode, an electrolyte, and a separator applied to a lithium-sulfur battery including a lithium negative electrode coated with lithium nitride according to the present invention will be added.

양극anode

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

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

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

상기 바인더는 양극 활물질을 집전체에 잘 부착시키기 위한 것으로서, 용매에 잘 용해되어야 하며, 양극 활물질과 도전재와의 도전 네크워크를 잘 구성해주어야 할 뿐만 아니라, 전해액의 함침성도 적당히 가져야 한다. 상기 바인더는 당해 업계에서 공지된 모든 바인더들일 수 있고, 구체적으로는, 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVdF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는 불소 수지계 바인더; 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부티디엔 고무, 스티렌-이소프렌 고무를 포함하는 고무계 바인더; 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈를 포함하는 셀룰로오스계 바인더; 폴리 알코올계 바인더; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌를 포함하는 폴리 올레핀계 바인더; 폴리 이미드계 바인더, 폴리 에스테르계 바인더, 실란계 바인더;로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 혼합물이거나 공중합체일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The binder is for attaching the positive electrode active material to the current collector well, and must dissolve well in a solvent, form a conductive network between the positive electrode active material and the conductive material, and also have appropriate impregnation of the electrolyte. The binder may be any binder known in the art, specifically, a fluororesin-based binder including polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE); rubber-based binders including styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, and styrene-isoprene rubber; cellulosic binders including carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, and regenerated cellulose; polyalcohol-based binders; polyolefin binders including polyethylene and polypropylene; A polyimide-based binder, a polyester-based binder, or a silane-based binder; may be a mixture or copolymer of one or more selected from the group consisting of, but is not limited thereto.

상기 바인더의 함량은 양극 조성물 총 중량을 기준으로 0.5 내지 30 중량%일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 바인더 수지의 함량이 0.5 중량% 미만인 경우에는, 양극의 물리적 성질이 저하되어 양극 활물질과 도전재가 탈락할 수 있고, 30 중량%를 초과하는 경우에는 양극에서 활물질과 도전재의 비율이 상대적으로 감소되어 전지 용량이 감소될 수 있으며, 저항 요소로 작용하여 효율이 저하될 수 있다.The content of the binder may be 0.5 to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode composition, but is not limited thereto. When the content of the binder resin is less than 0.5% by weight, the physical properties of the positive electrode are deteriorated and the positive electrode active material and the conductive material may be eliminated, and when the content exceeds 30% by weight, the ratio of the active material and the conductive material in the positive electrode is relatively reduced Battery capacity may be reduced, and efficiency may be reduced by acting as a resistance element.

상기 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극 조성물은 소정의 용매에 희석되어, 양극 집전체 상에 당업계에 알려진 통상의 방법을 이용하여 코팅할 수 있다. 먼저, 양극 집전체를 준비한다. 상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께를 사용한다. 이와 같은 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소결 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The positive electrode composition including the positive electrode active material, the conductive material, and the binder may be diluted in a predetermined solvent and coated on the positive electrode current collector using a conventional method known in the art. First, a positive electrode current collector is prepared. The cathode current collector generally has a thickness of 3 to 500 μm. Such a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it does not cause chemical change in the battery and has high conductivity. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, or aluminum or stainless steel. The steel surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. may be used. The current collector may form fine irregularities on its surface to increase the adhesion of the positive electrode active material, and various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics are possible.

다음으로, 상기 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극 조성물을 용매에 희석한 슬러리를 도포한다. 전술한 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극 조성물을 소정의 용매와 혼합하여 슬러리로 제조할 수 있다. 이때 용매는 건조가 용이해야 하며, 바인더를 잘 용해시킬 수 있으되, 양극 활물질 및 도전재는 용해시키지 않고 분산 상태로 유지시킬 수 있는 것이 가장 바람직하다. 용매가 양극 활물질을 용해시킬 경우에는 슬러리에서 황의 비중(D = 2.07)이 높기 때문에 황이 슬러리에서 가라앉게 되어 코팅 시 집전체에 황이 몰려 도전 네트워크에 문제가 생겨, 전지의 작동에 문제가 발생하는 경향이 있다. 상기 용매(분산매)는 물 또는 유기 용매가 가능하며, 상기 유기 용매는 디메틸포름아미드, 이소프로필알콜 또는 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.Next, a slurry obtained by diluting a positive electrode composition including a positive electrode active material, a conductive material, and a binder in a solvent is applied on the positive electrode current collector. A slurry may be prepared by mixing the positive electrode composition including the positive electrode active material, the conductive material, and the binder with a predetermined solvent. At this time, the solvent should be easy to dry and can dissolve the binder well, but it is most preferable that the positive electrode active material and the conductive material can be maintained in a dispersed state without dissolving. When the solvent dissolves the cathode active material, since the specific gravity of sulfur (D = 2.07) is high in the slurry, the sulfur sinks in the slurry, and the sulfur tends to gather in the current collector during coating, causing problems in the conductive network, resulting in problems in battery operation there is The solvent (dispersion medium) may be water or an organic solvent, and the organic solvent may be at least one selected from the group consisting of dimethylformamide, isopropyl alcohol, acetonitrile, methanol, ethanol, and tetrahydrofuran.

계속해서, 상기 슬러리 상태의 양극 조성물을 도포하는 방법에는 특별한 제한이 없으며, 예컨대, 닥터 블레이드 코팅(Doctor blade coating), 딥 코팅(Dip coating), 그라비어 코팅(Gravure coating), 슬릿 다이 코팅(Slit die coating), 스핀 코팅(Spin coating), 콤마 코팅(Comma coating), 바 코팅(Bar coating), 리버스 롤 코팅(Reverse roll coating), 스크린 코팅(Screen coating), 캡 코팅(Cap coating) 방법 등을 수행하여 제조할 수 있다. 이와 같은 코팅 과정을 거친 양극 조성물은, 이후 건조 과정을 통해 용매(분산매)의 증발, 코팅막의 조밀성 및 코팅막과 집전체와의 밀착성 등이 이루어진다. 이때, 건조는 통상적인 방법에 따라 실시되며, 이를 특별히 제한하지는 않는다.Subsequently, there is no particular limitation on the method of applying the positive electrode composition in the slurry state, for example, doctor blade coating, dip coating, gravure coating, slit die coating coating), spin coating, comma coating, bar coating, reverse roll coating, screen coating, cap coating, etc. It can be manufactured by The positive electrode composition that has undergone such a coating process is then dried to evaporate the solvent (dispersion medium), increase the density of the coating film, and achieve adhesion between the coating film and the current collector. At this time, drying is carried out according to a conventional method, which is not particularly limited.

전해질electrolyte

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

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

분리막separator

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

이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments are presented to aid understanding of the present invention, but the following examples are merely illustrative of the present invention, and it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention, It goes without saying that these changes and modifications fall within the scope of the appended claims.

[실시예 1] 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조 [Example 1] Preparation of lithium anode with surface treatment of lithium nitride

먼저, 톨루엔(유기용매)에, 톨루엔 100 중량부 대비 1 중량부의 함량으로 자일렌디아민(아민계 화합물)을 25 ℃ 하에서 12 시간 동안 용해시킨 후, 여기에 표면 산화막이 제거된 리튬 금속을 25 ℃ 하에서 1 분간 담지시켜, 리튬 금속의 표면에 리튬 나이트라이드 보호층이 1 ㎛의 두께로 코팅된 리튬 음극을 제조하였다.First, after dissolving xylenediamine (amine-based compound) in toluene (organic solvent) in an amount of 1 part by weight relative to 100 parts by weight of toluene at 25 ° C. for 12 hours, lithium metal from which the surface oxide film was removed was heated at 25 ° C. by carrying it for 1 minute under the condition, to prepare a lithium negative electrode coated with a lithium nitride protective layer to a thickness of 1 μm on the surface of the lithium metal.

[실시예 2] 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조 [Example 2] Preparation of lithium anode with surface treatment of lithium nitride

자일렌디아민의 함량을 톨루엔 100 중량부 대비 10 중량부로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 리튬 금속의 표면에 리튬 나이트라이드 보호층이 3 ㎛의 두께로 코팅된 리튬 음극을 제조하였다.A lithium negative electrode coated with a lithium nitride protective layer to a thickness of 3 μm on the surface of the lithium metal in the same manner as in Example 1, except that the content of xylenediamine was changed to 10 parts by weight relative to 100 parts by weight of toluene. was manufactured.

[실시예 3] 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조 [Example 3] Preparation of lithium anode with surface treatment of lithium nitride

자일렌디아민의 함량을 톨루엔 100 중량부 대비 30 중량부로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 리튬 금속의 표면에 리튬 나이트라이드 보호층이 5 ㎛의 두께로 코팅된 리튬 음극을 제조하였다.A lithium negative electrode coated with a lithium nitride protective layer to a thickness of 5 μm on the surface of the lithium metal in the same manner as in Example 1, except that the content of xylenediamine was changed to 30 parts by weight relative to 100 parts by weight of toluene was manufactured.

[비교예 1] 통상적인 리튬 음극의 제조 [Comparative Example 1] Preparation of conventional lithium anode

별도의 보호층 코팅 없이, 표면 산화막만을 제거한 리튬 음극을 제조하였다.A lithium anode was prepared by removing only the surface oxide layer without a separate protective layer coating.

[실시예 4, 비교예 2] 리튬-황 전지의 제조 [Example 4, Comparative Example 2] Preparation of lithium-sulfur battery

상기 실시예 2에서 제조된 리튬 음극과, 나머지 양극, 분리막 및 전해질을 포함하는 리튬-황 전지를 제조하였다. 또한, 상기 비교예 1에서 제조된 리튬 음극과, 나머지 양극, 분리막 및 전해질을 포함하는 리튬-황 전지를 제조하였다.A lithium-sulfur battery including the lithium negative electrode prepared in Example 2, the remaining positive electrode, separator, and electrolyte was prepared. In addition, a lithium-sulfur battery including the lithium negative electrode prepared in Comparative Example 1, the remaining positive electrode, separator, and electrolyte was prepared.

[실험예 1] 리튬 음극의 저항 변화 평가 [Experimental Example 1] Evaluation of resistance change of lithium anode

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 리튬 음극을 Li/Li symmetric cell로 제조하여 EIS 측정(측정기기명: VMP3 potentiostat, Bio-Logic사)을 통해 48 시간 동안 1 시간 단위로 저항 변화를 측정함으로써, 각 리튬 음극에 가해지는 저항의 변화를 평가하였다. 도 2는 본 발명에 따른 리튬 음극에 가해지는 저항값을 나타낸 그래프(A)와 통상적인 리튬 음극에 가해지는 저항값을 나타낸 그래프(B)이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 리튬 금속 표면에 리튬 나이트라이드 보호층을 형성시킨 실시예 1의 경우, 통상적인 리튬 음극을 사용한 비교예 1에 비하여 저항값의 변화가 거의 없었으며, 이로부터, 리튬 금속의 표면에 리튬 나이트라이드 보호층을 형성시키게 되면, 리튬 금속의 표면에서 전지의 지속적인 산화 환원 반응이 방지되어, 리튬 나이트라이드 보호층이 전해액과 안정한 상태로 유지됨을 확인할 수 있었다.The lithium anodes prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were made into a Li / Li symmetric cell, and the resistance change was measured in units of 1 hour for 48 hours through EIS measurement (measuring device name: VMP3 potentiostat, Bio-Logic Co.) By measuring, the change in resistance applied to each lithium negative electrode was evaluated. Figure 2 is a graph (A) showing the resistance value applied to the lithium negative electrode according to the present invention and a graph (B) showing the resistance value applied to a conventional lithium negative electrode. As shown in FIG. 2, in the case of Example 1 in which a lithium nitride protective layer was formed on the surface of lithium metal according to the present invention, there was little change in resistance value compared to Comparative Example 1 using a conventional lithium negative electrode, From this, it was confirmed that when the lithium nitride protective layer is formed on the surface of the lithium metal, the continuous redox reaction of the battery is prevented on the surface of the lithium metal, and the lithium nitride protective layer is maintained in a stable state with the electrolyte.

[실험예 2] 리튬-황 전지의 수명특성 평가 [Experimental Example 2] Evaluation of life characteristics of lithium-sulfur batteries

상기 실시예 4 및 비교예 2에서 제조된 리튬-황 전지의 방전 전류 속도를 0.5 C로 설정한 후, 수명특성을 관찰하였다. 도 3은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 리튬-황 전지의 수명특성을 비교 대조한 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 리튬 금속 표면에 리튬 나이트라이드 보호층을 형성시킨 리튬 음극을 적용한 실시예 4의 리튬-황 전지는, 통상적인 리튬 음극을 적용한 비교예 2의 리튬-황 전지에 비하여, 사이클 수명특성 또한 개선되었으며, 이를 통해, 본 발명에 따라 리튬 금속의 표면에 형성된 리튬 나이트라이드(Li3N)의 리튬 이온 전도성이 우수함을 확인할 수 있었다.After setting the discharge current rate of the lithium-sulfur battery prepared in Example 4 and Comparative Example 2 to 0.5 C, life characteristics were observed. 3 is a graph comparing and contrasting life characteristics of lithium-sulfur batteries according to an embodiment of the present invention and a comparative example. As shown in FIG. 3, the lithium-sulfur battery of Example 4 in which a lithium negative electrode having a lithium nitride protective layer formed on the surface of lithium metal is applied, compared to the lithium-sulfur battery of Comparative Example 2 in which a conventional lithium negative electrode is applied. , Cycle life characteristics were also improved, and through this, it was confirmed that the lithium nitride (Li 3 N) formed on the surface of the lithium metal according to the present invention has excellent lithium ion conductivity.

Claims (12)

a) 아민계 화합물을 유기용매에 용해시키는 단계; 및
b) 상기 아민계 화합물이 용해된 용액에 표면 산화막이 제거된 리튬 금속을 담지시켜, 상기 리튬 금속의 표면에 리튬 나이트라이드(Li3N) 보호층을 형성하는 단계;를 포함하는 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조방법.
a) dissolving an amine-based compound in an organic solvent; and
b) forming a lithium nitride (Li 3 N) protective layer on the surface of the lithium metal by supporting the lithium metal from which the surface oxide film is removed in a solution in which the amine compound is dissolved; Method for manufacturing a treated lithium anode.
청구항 1에 있어서, 상기 아민계 화합물은 탄소수 6 내지 20의 방향족 디아민 화합물 또는 탄소수 2 내지 20의 지방족 디아민 화합물인 것을 특징으로 하는, 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조방법.The method of claim 1, wherein the amine compound is an aromatic diamine compound having 6 to 20 carbon atoms or an aliphatic diamine compound having 2 to 20 carbon atoms. 청구항 2에 있어서, 상기 방향족 디아민 화합물은 m-자일렌디아민, o-자일렌디아민, p-자일렌디아민, p-페닐렌디아민, m-페닐렌디아민, 4,4-디아미노디페닐술폰 및 4,4-디아미노디페닐에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조방법.The method according to claim 2, wherein the aromatic diamine compound is m-xylenediamine, o-xylenediamine, p-xylenediamine, p-phenylenediamine, m-phenylenediamine, 4,4-diaminodiphenylsulfone and A method for producing a lithium negative electrode surface-treated with lithium nitride, characterized in that selected from the group consisting of 4,4-diaminodiphenyl ether. 청구항 2에 있어서, 상기 지방족 디아민 화합물은 에틸렌디아민, 프로판디아민, 1,4-부탄디아민, 1,6-헥산디아민, 1,7-헵탄디아민, 1,8-옥탄디아민, 1,9-노난디아민, 1,10-데칸디아민, 1,11-운데칸디아민, 1,12-도데칸디아민, 2-메틸-1,5-펜탄디아민, 3-메틸-1,5-펜탄디아민, 2,2,4-트리메틸-1,6-헥산디아민, 2,4,4-트리메틸-1,6-헥산디아민, 2-메틸-1,8-옥탄디아민 및 5-메틸-1,9-노난디아민으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조방법.The method according to claim 2, wherein the aliphatic diamine compound is ethylenediamine, propanediamine, 1,4-butanediamine, 1,6-hexanediamine, 1,7-heptanediamine, 1,8-octanediamine, 1,9-nonanediamine , 1,10-decanediamine, 1,11-undecanediamine, 1,12-dodecanediamine, 2-methyl-1,5-pentanediamine, 3-methyl-1,5-pentanediamine, 2,2, The group consisting of 4-trimethyl-1,6-hexanediamine, 2,4,4-trimethyl-1,6-hexanediamine, 2-methyl-1,8-octanediamine and 5-methyl-1,9-nonanediamine Method for producing a lithium negative electrode surface-treated with lithium nitride, characterized in that selected from. 청구항 1에 있어서, 상기 유기용매는 메탄올, 에탄올 및 이소프로필알코올로 이루어진 군으로부터 선택되는 알코올계 용매; 벤젠, 디클로로벤젠, 톨루엔 및 자일렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 벤젠계 용매; 테트라하이드로퓨란; 및 N-메틸피롤리돈;으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the organic solvent is an alcohol-based solvent selected from the group consisting of methanol, ethanol and isopropyl alcohol; a benzene-based solvent selected from the group consisting of benzene, dichlorobenzene, toluene and xylene; tetrahydrofuran; And N- methylpyrrolidone; characterized in that at least one selected from the group consisting of, a method for producing a lithium nitride surface-treated lithium negative electrode. 청구항 1에 있어서, 상기 아민계 화합물이 유기용매에 첨가되는 양은, 상기 유기용매 100 중량부에 대하여 0.5 내지 30 중량부인 것을 특징으로 하는, 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조방법.The method of claim 1, wherein the amount of the amine-based compound added to the organic solvent is 0.5 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the organic solvent. 청구항 1에 있어서, 상기 b) 단계의 담지 공정은 10 내지 30 ℃의 온도 하에서 10 초 내지 30 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 리튬 나이트라이드 표면 처리된 리튬 음극의 제조방법.The method according to claim 1, characterized in that the supporting process of step b) is performed at a temperature of 10 to 30 ° C. for 10 seconds to 30 minutes. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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