KR102663583B1 - Manufacturing method of carbon -surfur complex - Google Patents
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Abstract
본 발명은 황-탄소 복합체의 입도를 특정범위로 조절하는 황-탄소 복합체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a sulfur-carbon composite by controlling the particle size of the sulfur-carbon composite to a specific range.
Description
본 발명은 황-탄소 복합체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a sulfur-carbon composite.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다.Recently, interest in energy storage technology has been increasing. As application areas expand to include mobile phones, camcorders, laptop PCs, and even electric vehicles, efforts to research and develop electrochemical devices are becoming more concrete.
전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받고 있는 분야이고 그 중에서도 충·방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 에너지 효율을 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구 개발로 진행되고 있다.Electrochemical devices are the field that is receiving the most attention in this regard, and among them, the development of secondary batteries capable of charging and discharging has become the focus of attention. Recently, in the development of such batteries, efforts have been made to improve capacity density and energy efficiency. Research and development is underway on the design of new electrodes and batteries.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다. Among the secondary batteries currently in use, the lithium secondary battery developed in the early 1990s has the advantage of having a higher operating voltage and much higher energy density than conventional batteries such as Ni-MH, Ni-Cd, and lead sulfate batteries that use aqueous electrolyte solutions. is in the spotlight.
특히 리튬-황(Li-S) 전지는 S-S 결합(Sulfur - Sulfur bond)을 갖는 황 계열 물질을 양극 활물질로 사용하고, 리튬 금속을 음극 활물질로 사용하는 이차전지이다. 양극 활물질의 주재료인 황은 자원이 매우 풍부하고, 독성이 없으며, 낮은 원자당 무게를 가지고 있는 장점이 있다. 또한 리튬-황 전지의 이론 방전용량은 1675mAh/g-sulfur이며, 이론 에너지밀도가 2,600Wh/kg로서, 현재 연구되고 있는 다른 전지시스템의 이론 에너지밀도(Ni-MH 전지: 450Wh/kg, Li-FeS 전지: 480Wh/kg, Li-MnO2 전지: 1,000Wh/kg, Na-S 전지: 800Wh/kg)에 비하여 매우 높기 때문에 현재까지 개발되고 있는 전지 중에서 가장 유망한 전지이다.In particular, lithium-sulfur (Li-S) batteries are secondary batteries that use a sulfur-based material with an SS bond (Sulfur - Sulfur bond) as a positive electrode active material and lithium metal as a negative electrode active material. Sulfur, the main material of positive electrode active materials, has the advantage of being a very abundant resource, non-toxic, and having a low weight per atom. In addition, the theoretical discharge capacity of the lithium-sulfur battery is 1675 mAh/g-sulfur, and the theoretical energy density is 2,600 Wh/kg, which is similar to the theoretical energy density of other battery systems currently being studied (Ni-MH battery: 450 Wh/kg, Li- Since it is very high compared to (FeS battery: 480Wh/kg, Li-MnO 2 battery: 1,000Wh/kg, Na-S battery: 800Wh/kg), it is the most promising battery among the batteries being developed to date.
리튬-황 전지의 방전 반응 중 음극(Anode)에서는 리튬의 산화 반응이 발생하고, 양극(Cathode)에서는 황의 환원 반응이 발생한다. 방전 전의 황은 환형의 S8 구조를 가지고 있는데, 환원 반응(방전) 시 S-S 결합이 끊어지면서 S의 산화수가 감소하고, 산화 반응(충전) 시 S-S 결합이 다시 형성되면서 S의 산화수가 증가하는 산화-환원 반응을 이용하여 전기 에너지를 저장 및 생성한다. 이런 반응 중 황은 환형의 S8에서 환원 반응에 의해 선형 구조의 리튬 폴리설파이드(Lithium polysulfide, Li2Sx, x = 8, 6, 4, 2)로 변환되게 되며, 결국 이러한 리튬 폴리설파이드가 완전히 환원되면 최종적으로 리튬 설파이드(Lithium sulfide, Li2S)가 생성되게 된다. 각각의 리튬 폴리설파이드로 환원되는 과정에 의해 리튬-황 전지의 방전 거동은 리튬 이온전지와는 달리 단계적으로 방전 전압을 나타내는 것이 특징이다.During the discharge reaction of a lithium-sulfur battery, an oxidation reaction of lithium occurs at the cathode (anode), and a reduction reaction of sulfur occurs at the anode (cathode). Sulfur before discharge has a cyclic S 8 structure. During a reduction reaction (discharge), the SS bond is broken and the oxidation number of S decreases, and during an oxidation reaction (charge), the SS bond is formed again and the oxidation number of S increases. Electrical energy is stored and generated using reduction reactions. During this reaction, sulfur is converted from cyclic S 8 to linear lithium polysulfide (Li 2 S When reduced, lithium sulfide (Li 2 S) is ultimately produced. Due to the reduction process of each lithium polysulfide, the discharge behavior of lithium-sulfur batteries is characterized by a gradual discharge voltage, unlike lithium-ion batteries.
이러한 리튬-황 전지는 기존의 전지보다 더 높은 에너지 밀도를 나타내고 있으나, 이러한 높은 에너지 밀도를 구현하기 위해서는 고용량(high loading) 전극의 제조가 필요하며 고용량(high loading) 전극에서 셀의 구동을 가능하게 하는 기술이 매우 중요하다.These lithium-sulfur batteries exhibit higher energy densities than existing batteries, but in order to realize such high energy densities, the manufacture of high-capacity (high loading) electrodes is required, and the cell can be driven on high-capacity (high loading) electrodes. The skill to do this is very important.
본 발명자들은 다각적인 연구를 수행한 끝에, 황-탄소 복합체의 입도 조절이 고용량(high loading) 전극의 구동에 중요한 영향을 미치며, 이때 복합체의 입도를 조절하는 방법은 여러 가지가 적용될 수 있다는 것을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.After conducting various studies, the present inventors confirmed that controlling the particle size of the sulfur-carbon composite has a significant impact on the operation of high loading electrodes, and that various methods for controlling the particle size of the composite can be applied. Thus, the present invention was completed.
따라서, 본 발명의 목적은, 전지의 양극재로 제조하는 경우, 전극 내 분포하는 황-탄소 복합체의 입도를 조절하여 전극 내에서 전해액의 입출입을 용이하게 하여 방전 시 과전압이 개선되고, 초기 반응성이 향상될 수 있도록 입도 분포가 조절된 황-탄소 복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.Therefore, the purpose of the present invention is to adjust the particle size of the sulfur-carbon complex distributed within the electrode when manufacturing the cathode material for a battery to facilitate the entry and exit of the electrolyte solution within the electrode, thereby improving overvoltage during discharge and reducing initial reactivity. The aim is to provide a method for producing a sulfur-carbon composite with controlled particle size distribution so as to improve it.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 In order to achieve the above object, the present invention
(a) 다공성 탄소재에 황을 혼합하는 단계;(a) mixing sulfur into a porous carbon material;
(b) 상기 혼합된 다공성 탄소재 및 황을 열처리하는 단계;를 포함하는 황-탄소 복합체의 제조방법으로서,(b) heat treating the mixed porous carbon material and sulfur; a method for producing a sulfur-carbon composite comprising:
상기 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 30 내지 70㎛의 범위로 조절하는 황-탄소 복합체의 제조방법을 제공한다.A method for producing a sulfur-carbon composite is provided in which the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite is adjusted to a range of 30 to 70 ㎛.
본 발명에 따르면, 황-탄소 복합체의 입도를 조절함으로써, 전지로 제조하는 경우, 과전압이 개선되고, 초기 반응성이 향상될 수 있다는 효과가 있다.According to the present invention, by controlling the particle size of the sulfur-carbon complex, when manufacturing a battery, overvoltage can be improved and initial reactivity can be improved.
도 1은 본 발명의 실시예 4-1 내지 4-2 및 비교예 4-1 내지 4-3에서 제조한 황-탄소 복합체의 입도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 4-1 내지 4-2 및 비교예 4-1 내지 4-3에서 제조한 황-탄소 복합체로 제조된 전지의 초기 방전용량을 보여주는 그래프이다.Figure 1 is a graph showing the particle size distribution of sulfur-carbon composites prepared in Examples 4-1 to 4-2 and Comparative Examples 4-1 to 4-3 of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the initial discharge capacity of a battery made from the sulfur-carbon composite prepared in Examples 4-1 to 4-2 and Comparative Examples 4-1 to 4-3 of the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 한정되지 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to this specification.
도면에서는 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였고, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 사용하였다. 또한, 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 실제 축척과는 무관하며, 설명의 명료성을 위해 축소되거나 과장된 것일 수 있다.In the drawings, parts unrelated to the description are omitted in order to clearly explain the present invention, and similar reference numerals are used for similar parts throughout the specification. Additionally, the sizes and relative sizes of components shown in the drawings are unrelated to actual scale and may be reduced or exaggerated for clarity of explanation.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their common or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted with meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it is.
본 명세서에서 사용되고 있는 용어 “복합체(composite)”란 두 가지 이상의 재료가 조합되어 물리적·화학적으로 서로 다른 상(phase)를 형성하면서 보다 유효한 기능을 발현하는 물질을 의미한다.The term “composite” as used herein refers to a material that combines two or more materials to form physically and chemically different phases while exhibiting more effective functions.
리튬 이차 전지는 양극과 음극에서 일어나는 산화-환원 반응을 통해 지속적인 에너지의 저장과 사용이 가능한 전지를 통징하는 것으로서, 충-방전이 일어 날 때, 양극과 음극 물질 사이에서 전해질을 따라 이동하는 리튬 이온이 도선을 통해 이동하는 전자와 전기적인 중성을 이루며 전기 또는 화학에너지를 저장한다.A lithium secondary battery refers to a battery that can continuously store and use energy through oxidation-reduction reactions that occur at the anode and cathode. When charging and discharging occurs, lithium ions move along the electrolyte between the anode and cathode materials. It forms electrical neutrality with the electrons moving through this conductor and stores electrical or chemical energy.
이 중에서도, 리튬-황 전지는 양극 활물질로 황을, 음극 활물질로 리튬 금속을 사용한다. 리튬-황 전지의 방전시 음극에서는 리튬의 산화 반응이 일어나고, 양극에서는 황의 환원 반응이 발생한다. 이때 환원된 황은 음극으로부터 이동되어 온 리튬 이온과 결합하여 리튬 폴리설파이드로 변환되고 최종적으로 리튬 설파이드를 형성하는 반응을 수반한다.Among these, lithium-sulfur batteries use sulfur as a positive electrode active material and lithium metal as a negative electrode active material. When a lithium-sulfur battery is discharged, an oxidation reaction of lithium occurs at the negative electrode, and a reduction reaction of sulfur occurs at the positive electrode. At this time, the reduced sulfur combines with lithium ions transferred from the cathode and is converted to lithium polysulfide, which ultimately involves a reaction to form lithium sulfide.
리튬-황 전지는 기존의 리튬 이차 전지에 비해 월등히 높은 이론 에너지 밀도를 가지며, 양극 활물질로 사용되는 황은 자원이 풍부하여 가격이 저렴하므로 전지의 제조단가를 낮출 수 있다는 장점으로 인해 차세대 전지로 각광받고 있다.Lithium-sulfur batteries have a much higher theoretical energy density than existing lithium secondary batteries, and sulfur, which is used as a positive electrode active material, is an abundant resource and is inexpensive, so it is attracting attention as a next-generation battery due to the advantage of lowering the manufacturing cost of the battery. there is.
이러한 장점에도 불구하고 양극 활물질인 황의 낮은 전기 전도도 및 리튬 이온 전도 특성으로 인해 실제 구동에 있어서는 이론적 에너지 밀도 전부를 구현하는데 어려움이 있다.Despite these advantages, it is difficult to realize the full theoretical energy density in actual operation due to the low electrical conductivity and lithium ion conduction characteristics of sulfur, which is the positive electrode active material.
황의 전기 전도도를 개선하기 위해 탄소, 고분자 등 전도성 소재와의 복합체 형성, 코팅 등의 방법이 사용되고 있다. 여러 방법 중 황-탄소 복합체가 양극의 전기 전도성을 개선에 효과적이기 때문에 양극 활물질로 가장 많이 사용되고 있지만, 충방전 용량 및 효율 측면에서는 아직 충분치 않다. 리튬-황 전지의 용량과 효율은 양극으로 전달되는 리튬 이온의 양에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 황-탄소 복합체 내부로 리튬 이온의 전달이 용이하게 하는 것이 전지의 고용량 및 고효율화에 중요하다.To improve the electrical conductivity of sulfur, methods such as complex formation with conductive materials such as carbon and polymers and coating are used. Among many methods, sulfur-carbon composite is the most widely used as a positive electrode active material because it is effective in improving the electrical conductivity of the positive electrode, but it is still insufficient in terms of charge/discharge capacity and efficiency. The capacity and efficiency of a lithium-sulfur battery can vary depending on the amount of lithium ions delivered to the anode. Therefore, facilitating the transfer of lithium ions into the sulfur-carbon composite is important for achieving high capacity and high efficiency of the battery.
이러한 고용량(high loading) 전극의 개발에, 황-탄소 복합체의 입도 조절이 중요한 영향을 미치며, 이때 복합체의 입도를 조절하는 방법은 여러 가지가 적용될 수 있다In the development of such high loading electrodes, controlling the particle size of the sulfur-carbon composite has an important influence, and various methods for controlling the particle size of the composite can be applied.
황-탄소 복합체의 제조방법Method for producing sulfur-carbon complex
이에 본 발명에서는 과전압이 개선되고, 초기 반응성이 향상된 고용량(high loading) 전극의 개발을 위하여, 상기 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 30 내지 70㎛의 범위로 조절하는 황-탄소 복합체의 제조방법을 제공한다.Accordingly, in the present invention, in order to develop a high loading electrode with improved overvoltage and improved initial reactivity, a sulfur-carbon composite in which the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite is adjusted to the range of 30 to 70㎛ Provides a manufacturing method.
먼저, 본 발명에 따른 황-탄소 복합체의 제조방법은, (a) 다공성 탄소재에 황을 혼합하는 단계; 및 (b) 상기 혼합된 다공성 탄소재 및 황을 열처리하는 단계;를 포함하며, 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 30 내지 70㎛의 범위로 조절하는 것을 특징으로 한다.First, the method for producing a sulfur-carbon composite according to the present invention includes the steps of (a) mixing sulfur into a porous carbon material; and (b) heat treating the mixed porous carbon material and sulfur, wherein the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite is adjusted to a range of 30 to 70 ㎛.
상기 본 발명에 따른 황-탄소 복합체의 제조방법은, (a) 다공성 탄소재에 황을 혼합하는 단계를 포함한다. The method for producing a sulfur-carbon composite according to the present invention includes the step of (a) mixing sulfur into a porous carbon material.
상기 다공성 탄소재는 양극 활물질인 황이 균일하고 안정적으로 고정화될 수 있는 골격을 제공하고 황의 전기 전도도를 보완하여 전기화학 반응이 원활하게 진행될 수 있도록 한다.The porous carbon material provides a framework on which sulfur, a positive electrode active material, can be uniformly and stably immobilized and complements the electrical conductivity of sulfur to allow electrochemical reactions to proceed smoothly.
상기 다공성 탄소재는 일반적으로 다양한 탄소 재질의 전구체를 탄화시킴으로써 제조될 수 있다. 상기 다공성 탄소재는 내부에 일정하지 않은 기공을 포함하며, 기공도 또는 공극률은 다공성 전체 체적의 10 내지 90 % 범위일 수 있다. 만일 상기 기공의 평균 직경이 상기 범위 미만인 경우 기공 크기가 분자 수준에 불과하여 황의 함침이 불가능하며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 다공성 탄소의 기계적 강도가 약화되어 전극의 제조공정에 적용하기에 바람직하지 않다.The porous carbon material can generally be manufactured by carbonizing precursors of various carbon materials. The porous carbon material contains irregular pores inside, and the porosity or porosity may be in the range of 10 to 90% of the total porosity. If the average diameter of the pores is less than the above range, the pore size is only at the molecular level, making sulfur impregnation impossible. Conversely, if it exceeds the above range, the mechanical strength of the porous carbon is weakened, making it desirable for application in the manufacturing process of electrodes. don't do it
상기 다공성 탄소재의 형태는 구형, 봉형, 침상형, 판상형, 튜브형 또는 벌크형으로 리튬 이차전지나 리튬-황 전지에 통상적으로 사용되는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다.The porous carbon material may be spherical, rod-shaped, needle-shaped, plate-shaped, tube-shaped, or bulk-shaped, and can be used without limitation as long as it is commonly used in lithium secondary batteries or lithium-sulfur batteries.
상기 다공성 탄소재는 다공성 구조이거나 비표면적이 높은 것으로 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이든 무방하다. 예를 들어, 상기 다공성 탄소재로는 그래파이트(graphite); 그래핀(graphene); 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본 블랙; 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 등의 탄소나노튜브(CNT); 그라파이트 나노파이버(GNF), 카본 나노파이버(CNF), 활성화 탄소 파이버(ACF) 등의 탄소 섬유; 및 활성탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.The porous carbon material may be any one that has a porous structure or has a high specific surface area and is commonly used in the art. For example, the porous carbon material includes graphite; graphene; Carbon black such as Denka black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Carbon nanotubes (CNTs) such as single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs); Carbon fibers such as graphite nanofibers (GNF), carbon nanofibers (CNF), and activated carbon fibers (ACF); and activated carbon, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계 전에, 다공성 탄소재를 분쇄하거나 또는 응집시켜, 상기 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 30 내지 70㎛의 범위로 조절할 수 있다(1단계 조절).In the present invention, before step (a), the porous carbon material is pulverized or agglomerated to adjust the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite to a range of 30 to 70 ㎛ (1st stage adjustment). .
상기 분쇄는 어트리션 밀 (attrition mill), 볼 밀 (ball mill), 제트 밀 (jet mill), 또는 레조넌스 어쿠스틱 믹서 (resonance acoustic mixer) 등을 사용할 수 있다. 상기 분쇄는 처음 시작하는 탄소의 크기나 강도에 따라 조건을 조절하여 수행할 수 있다.The grinding may be performed using an attrition mill, ball mill, jet mill, or resonance acoustic mixer. The grinding can be performed by adjusting conditions depending on the size or strength of the starting carbon.
또한, 상기 응집은 고분자 탄화 또는 스프레이 건조(spray drying) 을 사용할 수 있다. 상기 응집은 스프레이 건조에서 사용하는 유량, 투입용액의 농도, 분사 온도, 분사 속도 등을 조절하여 수행할 수 있다.Additionally, the agglomeration may use polymer carbonization or spray drying. The coagulation can be performed by adjusting the flow rate used in spray drying, concentration of the input solution, spraying temperature, spraying speed, etc.
상기와 같은 방법에 의하여, 본 발명의 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 30 내지 70㎛의 범위로 조절할 수 있으며, 바람직하게는 40 내지 60㎛의 범위로 조절할 수 있다.By the above method, the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite of the present invention can be adjusted to the range of 30 to 70㎛, preferably in the range of 40 to 60㎛.
또한, 상기와 같은 방법에 의하여, 본 발명의 황-탄소 복합체의 입도(D10 기준)를 5 내지 20㎛의 범위로 조절할 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 15㎛의 범위로, 더욱 바람직하게는 5 내지 10㎛의 범위로 조절할 수 있다.In addition, by the above method, the particle size (based on D 10 ) of the sulfur-carbon composite of the present invention can be adjusted to the range of 5 to 20㎛, preferably in the range of 5 to 15㎛, more preferably It can be adjusted in the range of 5 to 10㎛.
또한, 상기와 같은 방법에 의하여, 본 발명의 황-탄소 복합체의 입도(D90 기준)를 100㎛ 이하의 범위로 조절할 수 있으며, 바람직하게는 80 내지 100㎛의 범위로 조절할 수 있다. In addition, by the above method, the particle size (based on D 90 ) of the sulfur-carbon composite of the present invention can be adjusted to the range of 100㎛ or less, preferably in the range of 80 to 100㎛.
상기 (a) 단계에서 사용되는 황은 무기 황(S8), Li2Sn(n ≥ 1), 유기 황 화합물 및 탄소-황 폴리머[(C2Sx)n, x=2.5 내지 50, n ≥ 2]로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 무기 황(S8)을 사용할 수 있다.Sulfur used in step (a) is inorganic sulfur (S 8 ), Li 2 S n (n ≥ 1), organic sulfur compounds, and carbon-sulfur polymer [(C 2 S x ) n , x=2.5 to 50, n ≥ 2] may be one or more types selected from the group consisting of. Preferably, inorganic sulfur (S 8 ) can be used.
또한, 상기 황은 상기 다공성 탄소재의 기공 내부뿐만 아니라 표면에 위치하며 이때 상기 다공성 탄소재의 외부 전체 표면의 100% 미만, 바람직하게는 1 내지 95 %, 더욱 바람직하게는 60 내지 90 % 영역에 존재할 수 있다. 상기 황이 다공성 탄소재의 표면에 상기 범위 내에 있을 때 전자 전달 면적 및 전해액의 젖음성 면에서 최대 효과를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 상기 범위 영역에서 황이 다공성 탄소재의 표면에 얇고 고르게 함침되므로 충방전 과정에서 전자 전달 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 만약, 상기 황이 다공성 탄소재의 표면의 100% 영역에 위치하는 경우, 상기 다공성 탄소재가 완전히 황으로 덮여 전해액의 젖음성이 떨어지고 전극 내 포함되는 도전재와 접촉성이 떨어져 전자 전달을 받지 못해 반응에 참여할 수 없게 된다.In addition, the sulfur is located not only inside the pores of the porous carbon material but also on the surface, and in this case, it will be present in less than 100%, preferably 1 to 95%, and more preferably 60 to 90% of the entire outer surface of the porous carbon material. You can. When the sulfur is within the above range on the surface of the porous carbon material, the maximum effect can be achieved in terms of electron transfer area and electrolyte wettability. Specifically, since sulfur is thinly and evenly impregnated on the surface of the porous carbon material in the above range region, the electron transfer contact area can be increased during the charge and discharge process. If the sulfur is located in 100% of the surface of the porous carbon material, the porous carbon material is completely covered with sulfur, which reduces the wettability of the electrolyte solution and reduces contact with the conductive material contained in the electrode, so it cannot receive electron transfer and participate in the reaction. It becomes impossible.
상기 황-탄소 복합체는 구조체 내 다양한 크기의 기공 및 3차원적으로 상호 연결되며 규칙적으로 정렬된 기공들로 인해 황을 높은 함량으로 담지할 수 있다. 이로 인해 전기화학 반응으로 용해성이 있는 폴리설파이드가 생성되더라도 황-탄소 복합체 내부에 위치할 수 있게 되면, 폴리설파이드 용출 시에도 3차원으로 얽혀 있는 구조가 유지되어 양극 구조가 붕괴되는 현상을 억제시킬 수 있다. 그 결과, 상기 황-탄소 복합체를 포함하는 리튬 이차 전지는 고로딩(high loading)에서도 고용량을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 본 발명에 따른 황-탄소 복합체의 황 로딩량은 5 ~ 20 mg/cm2가 될 수 있다.The sulfur-carbon complex can support a high content of sulfur due to pores of various sizes and three-dimensionally interconnected and regularly aligned pores within the structure. As a result, even if soluble polysulfide is generated through an electrochemical reaction, if it can be located inside the sulfur-carbon complex, the three-dimensional entangled structure is maintained even when the polysulfide is eluted, thereby suppressing the collapse of the anode structure. there is. As a result, the lithium secondary battery containing the sulfur-carbon composite has the advantage of being able to achieve high capacity even under high loading. Therefore, the sulfur loading of the sulfur-carbon composite according to the present invention may be 5 to 20 mg/cm 2 .
상기 (a) 단계에서는 황과 다공성 탄소재를 혼합할 때, 황과 다공성 탄소재의 중량비는 9:1 내지 7:3, 바람직하게는 8:2 내지 7.5:2.5일 수 있다. 만약 상기 중량비 범위 미만인 경우 다공성 탄소재의 함량이 증가함에 따라 양극 슬러리 제조시에 필요한 바인더 첨가량이 늘어난다. 이러한 바인더 첨가량의 증가는 결국 전극의 면저항을 증가시키기게 되고 전자 이동(electron pass)을 막는 절연체 역할을 하게 되어 셀 성능을 저하시킬 수 있다. 또한, 황의 포함량이 적어 고황함량의 복합체를 제조하지 못함에 따라서, 황의 함량이 적은 황-탄소 복합체를 사용하여 황 로딩량이 높은 전극을 제조하기 위해서는 전극이 두꺼워지고 그에 따라 에너지 밀도가 높아지는 문제가 있다. 반대로 상기 중량비 범위를 초과하는 경우 황이 그들끼리 뭉치게 되고, 전자를 받기 어려워서 전극 반응에 직접적으로 참여하기 어렵게 될 수 있다.In step (a), when mixing sulfur and the porous carbon material, the weight ratio of sulfur and the porous carbon material may be 9:1 to 7:3, preferably 8:2 to 7.5:2.5. If the weight ratio is less than the above range, as the content of the porous carbon material increases, the amount of binder added when producing the positive electrode slurry increases. This increase in the amount of binder added ultimately increases the sheet resistance of the electrode and acts as an insulator to prevent electrons from passing, which can reduce cell performance. In addition, since it is not possible to manufacture a composite with a high sulfur content due to the low sulfur content, there is a problem in that in order to manufacture an electrode with a high sulfur loading using a sulfur-carbon composite with a low sulfur content, the electrode becomes thick and the energy density increases accordingly. . Conversely, if the weight ratio exceeds the above range, the sulfur may clump together and have difficulty receiving electrons, making it difficult to directly participate in the electrode reaction.
상기 (a) 단계에서는 황과 다공성 탄소재를 혼합할 때, 황과 다공성 탄소재의 혼합 중량이 10 g 이상일 수 있다. 10g 이하의 소량으로 혼합하는 경우에는 황과 다공성 탄소재를 유발 등으로 쉽게 혼합을 할 수 있으나, 10g 이상의 대량으로 혼합하는 경우에는 유발 등으로 쉽게 혼합이 되지 않기 때문에 볼밀링 공정을 통하여 혼합을 해야 한다. In step (a), when mixing sulfur and the porous carbon material, the mixed weight of the sulfur and the porous carbon material may be 10 g or more. When mixing in small quantities of 10g or less, sulfur and porous carbon material can be easily mixed using a mortar, etc. However, when mixing in large quantities of 10g or more, mixing is not easy with a mortar, etc., so mixing must be done through a ball milling process. do.
상기 (a) 단계에서는 황과 다공성 탄소재를 혼합할 때, 믹싱(mixing)할 수 있다. 본 발명에서, 다공성 탄소재에 황을 혼합하여, 상기 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 30 내지 70㎛의 범위로 조절할 수 있다.In step (a), mixing may be performed when mixing sulfur and the porous carbon material. In the present invention, by mixing sulfur into a porous carbon material, the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite can be adjusted to the range of 30 to 70㎛.
본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계에서 원하는 입도가 일어나도록 믹싱하는 방법은, 황과 탄소재의 혼합 과정 전에 탄소재를 먼저 원하는 입도로 분쇄한 후에 황과 탄소를 섞어주거나, 황과 탄소재의 혼합 과정에서 분쇄가 함께 일어나도록 고속 회전 믹서를 사용하거나, 볼 밀(ball mill)을 사용하여 믹싱과 함께 분쇄가 일어나도록 조절할 수 있다.In the present invention, the method of mixing to achieve the desired particle size in step (a) is to first grind the carbon material to the desired particle size before mixing sulfur and carbon material, and then mix sulfur and carbon, or mix sulfur and carbon material. A high-speed rotating mixer can be used so that pulverization occurs simultaneously during the mixing process, or a ball mill can be used to control pulverization to occur along with mixing.
본 발명에 있어서, 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 30 내지 70㎛의 범위로 조절하기 위해서는, ball mill 방법을 사용하여 2-roll mill 장비를 사용하여 용기에 지르코니아 볼과 탄소, 황을 함께 넣고 예를 들어, 200rpm 조건에서 2-3시간 볼밀을 수행하여 분쇄 및 믹싱을 수행할 수 있다.In the present invention, in order to adjust the particle size of the sulfur-carbon composite (based on D 50 ) to the range of 30 to 70㎛, zirconia balls, carbon, and sulfur are placed in a container using a 2-roll mill equipment using the ball mill method. together and, for example, grinding and mixing can be performed by performing a ball mill at 200 rpm for 2-3 hours.
또한, attrition mill을 사용하여 탄소를 지르코니아 볼과 함께 500rpm 조건에서 분쇄한 후에 얻어진 탄소가 원하는 입도에 부합하면 그 탄소 취하여 탄소와 황을 함께, 예를 들어 Henschel mixer로 1500rpm 에서 30분간 혼합하여 믹싱을 수행할 수 있다.In addition, if the carbon obtained after grinding carbon with zirconia balls at 500 rpm using an attrition mill meets the desired particle size, take the carbon and mix carbon and sulfur together at 1500 rpm for 30 minutes using a Henschel mixer, for example. It can be done.
상기와 같은 방법에 의하여, 본 발명의 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 30 내지 70㎛의 범위로 조절할 수 있으며, 바람직하게는 40 내지 60㎛의 범위로 조절할 수 있다.By the above method, the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite of the present invention can be adjusted to the range of 30 to 70㎛, preferably in the range of 40 to 60㎛.
또한, 상기와 같은 방법에 의하여, 본 발명의 황-탄소 복합체의 입도(D10 기준)를 5 내지 20㎛의 범위로 조절할 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 15㎛의 범위로, 더욱 바람직하게는 5 내지 10㎛의 범위로 조절할 수 있다.In addition, by the above method, the particle size (based on D 10 ) of the sulfur-carbon composite of the present invention can be adjusted to the range of 5 to 20㎛, preferably in the range of 5 to 15㎛, more preferably It can be adjusted in the range of 5 to 10㎛.
또한, 상기와 같은 방법에 의하여, 본 발명의 황-탄소 복합체의 입도(D90 기준)를 100㎛ 이하의 범위로 조절할 수 있으며, 바람직하게는 80 내지 100㎛의 범위로 조절할 수 있다. In addition, by the above method, the particle size (based on D 90 ) of the sulfur-carbon composite of the present invention can be adjusted to the range of 100㎛ or less, preferably in the range of 80 to 100㎛.
이 후 본 발명에 따른 황-탄소 복합체의 제조방법은, (b) 상기 혼합된 다공성 탄소재 및 황을 열처리하는 단계를 포함한다.Thereafter, the method for producing a sulfur-carbon composite according to the present invention includes the step of (b) heat treating the mixed porous carbon material and sulfur.
상기 열처리는 130℃ 내지 170℃의 온도에서 수행할 수 있으며, 열처리 시간은 특별한 제한은 없으나 15분 내지 2시간 진행할 수 있다. 상기 온도 범위가 170℃를 초과하면 황이 기화되는 문제가 있고, 130℃ 미만이면 황이 녹지 않아 고르게 분포되지 않는 문제점이 있다. 또한, 상기 열처리 시간이 15분 미만이면 확인 충분히 녹아서 함침되지 않는 문제가 있고, 2시간을 초과하면 일부의 황이 기화되거나 불균일하게 함침되는 문제가 있다.The heat treatment can be performed at a temperature of 130°C to 170°C, and the heat treatment time is not particularly limited, but can be performed from 15 minutes to 2 hours. If the temperature range exceeds 170°C, there is a problem that sulfur vaporizes, and if the temperature range is below 130°C, there is a problem that sulfur does not dissolve and is not evenly distributed. In addition, if the heat treatment time is less than 15 minutes, there is a problem that it is not sufficiently melted and impregnated, and if it exceeds 2 hours, there is a problem that some of the sulfur is vaporized or unevenly impregnated.
본 발명에 있어서, 상기 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 30 내지 70㎛의 범위로 조절하기 위하여, 상기 (b) 단계 후에, 황-탄소 복합체를 분쇄할 수 있다. In the present invention, in order to adjust the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite to a range of 30 to 70㎛, the sulfur-carbon composite may be pulverized after step (b).
구체적으로, 상기 분쇄는 황이 녹지 않는 분쇄 방법이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 볼밀 (ball mill), attrition mill, 제트 밀 (jet mill)을 사용할 수 있다.Specifically, the grinding can be used without particular restrictions as long as it is a grinding method that does not dissolve sulfur, and preferably a ball mill, attrition mill, or jet mill can be used.
상기 분쇄는 예를 들어, ball mill 방법으로 roll-mill 장비를 사용하여 지르코니아 볼과 복합체를 함께 넣고 200rpm으로 2시간 조건으로 분쇄를 수행할 수 있다.The grinding may be performed, for example, by using a ball mill method using roll-mill equipment, placing the zirconia ball and the composite together and grinding at 200 rpm for 2 hours.
상기와 같은 방법에 의하여, 본 발명의 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 30 내지 70㎛의 범위로 조절할 수 있으며, 바람직하게는 40 내지 60㎛의 범위로 조절할 수 있다.By the above method, the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite of the present invention can be adjusted to the range of 30 to 70㎛, preferably in the range of 40 to 60㎛.
또한, 상기와 같은 방법에 의하여, 본 발명의 황-탄소 복합체의 입도(D10 기준)를 5 내지 20㎛의 범위로 조절할 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 15㎛의 범위로, 더욱 바람직하게는 5 내지 10㎛의 범위로 조절할 수 있다.In addition, by the above method, the particle size (based on D 10 ) of the sulfur-carbon composite of the present invention can be adjusted to the range of 5 to 20㎛, preferably in the range of 5 to 15㎛, more preferably It can be adjusted in the range of 5 to 10㎛.
또한, 상기와 같은 방법에 의하여, 본 발명의 황-탄소 복합체의 입도(D90 기준)를 100㎛ 이하의 범위로 조절할 수 있으며, 바람직하게는 80 내지 100㎛의 범위로 조절할 수 있다. In addition, by the above method, the particle size (based on D 90 ) of the sulfur-carbon composite of the present invention can be adjusted to the range of 100㎛ or less, preferably in the range of 80 to 100㎛.
본 발명에 있어서, 상기 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 30 내지 70㎛의 범위로 조절하기 위하여, 상기 (b) 단계 후에, (c) 상기 황-탄소 복합체에 바인더, 분산제 및 도전재를 혼합한 슬러리를 제조하는 단계;를 추가로 수행할 수 있다.In the present invention, in order to adjust the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite to a range of 30 to 70㎛, after step (b), (c) a binder, a dispersant, and a conductive agent are added to the sulfur-carbon composite. A step of preparing a slurry mixed with ash may be additionally performed.
상기 (c) 단계는 배치(batch) 용기에서 수행될 수 있다. 상기 배치(batch) 용기는, 볼을 사용하여 믹싱을 하는 모든 장비를 구비할 수 있다. 일례로 내부에 임펠러가 구비될 수도 있다.Step (c) may be performed in a batch vessel. The batch vessel can be equipped with all equipment for mixing using balls. For example, an impeller may be provided inside.
또한, 종래의 슬러리 제조시에는 200ml 이상의 큰 용기를 사용하는 경우 슬러리의 물성치가 떨어지기 때문에, 200ml 이하의 작은 용기를 사용하여 제조 하였으나, 본 발명의 슬러리의 제조방법은 슬러리 제조 조건(밀링 볼의 양, mixing rpm)을 최적화 함에 따라서, 200ml 이상의 큰 용기를 사용할 수 있게 되었으며 100g 이상의 슬러리를 혼합할 수 있게 되었다. In addition, in the case of conventional slurry production, when using a large container of 200 ml or more, the physical properties of the slurry deteriorated, so it was manufactured using a small container of 200 ml or less. However, the slurry production method of the present invention uses the slurry production conditions (milling ball) By optimizing the amount and mixing rpm, it became possible to use larger containers of 200ml or more and mix more than 100g of slurry.
이렇게 상기 배치 용기는 200ml 이상의 큰 용기를 사용할 수 있으며, 용량 상한선은 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 1000ml 이하인 것을 사용할 수 있다. 제조할 수 있는 슬러리의 양도 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 1000 g 이하로 슬러리를 제조할 수 있다.In this way, the batch container can be a large container of 200ml or more, and the upper limit of capacity is not particularly limited, but preferably 1000ml or less. There is no particular limitation on the amount of slurry that can be produced, but preferably, the slurry can be produced in an amount of 1000 g or less.
상기 혼합 시에는 분산을 위하여 밀링 볼(ball)을 사용하거나 블레이드(blade)를 사용하여 분쇄할 수 있다.During the mixing, milling balls may be used for dispersion, or blades may be used to grind the mixture.
본 발명에 따른 황-탄소 복합체의 제조방법은, 회전 교반 방식으로 혼합을 하며, 설정되는 rpm을 높여 교반하는 것이 바람직하다. 구체적인 rpm 수치는 믹싱 스케일에 따라 달라질 수 있는데, 바람직하게는 상기 슬러리를 혼합할 때, 3단계로 나누어서 혼합(mixing)할 수 있다.In the method for producing a sulfur-carbon composite according to the present invention, mixing is performed using a rotational stirring method, and it is preferable to stir at a higher set rpm. The specific rpm value may vary depending on the mixing scale. Preferably, when mixing the slurry, mixing can be divided into three stages.
상기 3단계로 이루어지는 혼합 단계 중, 1단계는 바인더와 분산제를 혼합한 후, 이를 균일한 용액으로 제조하는 단계이고, 2단계는 상기 1단계에서 제조된 혼합용액 내 도전재를 분산 시키는 단계이고, 3단계는 상기 2단계에서 제조된 혼합용액 내에 복합체를 분산시키기 위한 단계이다. 상기 각 혼합 단계에서, 1단계에서는 500 내지 1000rpm으로, 2단계에서는 2000 내지 5000rpm으로, 3단계에서는 2000 내지 5500rpm으로 혼합(mixing)할 수 있다.Among the three mixing steps, step 1 is a step of mixing the binder and dispersant and preparing it into a uniform solution, and step 2 is a step of dispersing the conductive material in the mixed solution prepared in step 1, Step 3 is a step for dispersing the complex in the mixed solution prepared in step 2 above. In each mixing step, mixing can be performed at 500 to 1000 rpm in the first step, 2000 to 5000 rpm in the second step, and 2000 to 5500 rpm in the third step.
본 발명에 따른 황-탄소 복합체의 제조방법에서 사용하는 밀링 볼은, 지르코니아(ZrO2) 볼 또는 알루미나(Al2O3) 볼을 사용할 수 있다.The milling balls used in the method for producing a sulfur-carbon composite according to the present invention may be zirconia (ZrO 2 ) balls or alumina (Al 2 O 3 ) balls.
상기와 같은 방법에 의하여, 본 발명의 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 30 내지 70㎛의 범위로 조절할 수 있으며, 바람직하게는 40 내지 60㎛의 범위로 조절할 수 있다.By the above method, the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite of the present invention can be adjusted to the range of 30 to 70㎛, preferably in the range of 40 to 60㎛.
또한, 상기와 같은 방법에 의하여, 본 발명의 황-탄소 복합체의 입도(D10 기준)를 5 내지 20㎛의 범위로 조절할 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 20㎛의 범위로, 더욱 바람직하게는 15 내지 20㎛의 범위로 조절할 수 있다.In addition, by the above method, the particle size (based on D 10 ) of the sulfur-carbon composite of the present invention can be adjusted to the range of 5 to 20㎛, preferably in the range of 10 to 20㎛, more preferably It can be adjusted in the range of 15 to 20㎛.
또한, 상기와 같은 방법에 의하여, 본 발명의 황-탄소 복합체의 입도(D90 기준)를 80 내지 120㎛의 범위로 조절할 수 있으며, 바람직하게는 90 내지 120㎛의 범위로, 더욱 바람직하게는 100 내지 120㎛의 범위로 조절할 수 있다. In addition, by the above method, the particle size (based on D 90 ) of the sulfur-carbon composite of the present invention can be adjusted to the range of 80 to 120㎛, preferably in the range of 90 to 120㎛, more preferably It can be adjusted in the range of 100 to 120㎛.
황-탄소 복합체sulfur-carbon complex
본 발명의 황-탄소 복합체는, 제조 시에 다양한 단계에서, 다양한 조건으로 황-탄소의 입도를 조절함에 따라서, 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 30 내지 70㎛의 범위로 조절하게 된다.In the sulfur-carbon composite of the present invention, the particle size of the sulfur-carbon composite is adjusted to a range of 30 to 70 ㎛ (based on D 50 ) by controlling the particle size of the sulfur-carbon under various conditions at various stages during production. do.
본 발명의 황-탄소 복합체는, 다공성 탄소재; 및 상기 다공성 탄소재의 내부 및 표면 중 적어도 일부에 황을 포함한다. The sulfur-carbon composite of the present invention includes a porous carbon material; And sulfur is included in at least a portion of the interior and surface of the porous carbon material.
상기 다공성 탄소재는 양극 활물질인 황이 균일하고 안정적으로 고정화될 수 있는 골격을 제공하고 황의 전기 전도도를 보완하여 전기화학 반응이 원활하게 진행될 수 있도록 한다.The porous carbon material provides a framework on which sulfur, a positive electrode active material, can be uniformly and stably immobilized and complements the electrical conductivity of sulfur to allow electrochemical reactions to proceed smoothly.
상기 다공성 탄소재는 일반적으로 다양한 탄소 재질의 전구체를 탄화시킴으로써 제조될 수 있다. 상기 다공성 탄소재는 내부에 일정하지 않은 기공을 포함하며 상기 기공의 평균 직경은 1 내지 200 ㎚ 범위이며, 기공도 또는 공극률은 다공성 전체 체적의 10 내지 90 % 범위일 수 있다. 만일 상기 기공의 평균 직경이 상기 범위 미만인 경우 기공 크기가 분자 수준에 불과하여 황의 함침이 불가능하며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 다공성 탄소의 기계적 강도가 약화되어 전극의 제조공정에 적용하기에 바람직하지 않다.The porous carbon material can generally be manufactured by carbonizing precursors of various carbon materials. The porous carbon material contains irregular pores inside, and the average diameter of the pores is in the range of 1 to 200 nm, and the porosity or porosity may be in the range of 10 to 90% of the total porosity volume. If the average diameter of the pores is less than the above range, the pore size is only at the molecular level, making sulfur impregnation impossible. Conversely, if it exceeds the above range, the mechanical strength of the porous carbon is weakened, making it desirable for application in the manufacturing process of electrodes. don't do it
상기 다공성 탄소재의 형태는 구형, 봉형, 침상형, 판상형, 튜브형 또는 벌크형으로 리튬 이차 전지나 리튬-황 전지 등에 통상적으로 사용되는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다.The porous carbon material may be spherical, rod-shaped, needle-shaped, plate-shaped, tube-shaped, or bulk-shaped, and can be used without limitation as long as it is commonly used in lithium secondary batteries, lithium-sulfur batteries, etc.
상기 다공성 탄소재는 다공성 구조이거나 비표면적이 높은 것으로 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이든 무방하다. 예를 들어, 상기 다공성 탄소재로는 그래파이트(graphite); 그래핀(graphene); 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본 블랙; 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 등의 탄소나노튜브(CNT); 그라파이트 나노파이버(GNF), 카본 나노파이버(CNF), 활성화 탄소 파이버(ACF) 등의 탄소 섬유; 및 활성탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.The porous carbon material may be any one that has a porous structure or has a high specific surface area and is commonly used in the art. For example, the porous carbon material includes graphite; graphene; Carbon black such as Denka black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Carbon nanotubes (CNTs) such as single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs); Carbon fibers such as graphite nanofibers (GNF), carbon nanofibers (CNF), and activated carbon fibers (ACF); and activated carbon, but is not limited thereto.
상기 황은 무기 황(S8), Li2Sn(n ≥ 1), 유기 황 화합물 및 탄소-황 폴리머[(C2Sx)n, x=2.5 내지 50, n ≥ 2]로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 무기 황(S8)을 사용할 수 있다.The sulfur is selected from the group consisting of inorganic sulfur (S 8 ), Li 2 S n (n ≥ 1), organic sulfur compounds and carbon-sulfur polymers [(C 2 S x ) n , x=2.5 to 50, n ≥ 2]. There may be one or more selected types. Preferably, inorganic sulfur (S 8 ) can be used.
본 발명에 따른 황-탄소 복합체에서 전술한 황과 다공성 탄소재의 중량비는 9:1 내지 7:3, 바람직하게는 8:2 내지 7.5:2.5일 수 있다. 만약 상기 중량비 범위 미만인 경우 다공성 탄소재의 함량이 증가함에 따라 양극 슬러리 제조시에 필요한 바인더 첨가량이 늘어난다. 이러한 바인더 첨가량의 증가는 결국 전극의 면저항을 증가시키기게 되고 전자 이동(electron pass)을 막는 절연체 역할을 하게 되어 셀 성능을 저하시킬 수 있다. 반대로 상기 중량비 범위를 초과하는 경우 황이 그들끼리 뭉치게 되고, 전자를 받기 어려워서 전극 반응에 직접적으로 참여하기 어렵게 될 수 있다.In the sulfur-carbon composite according to the present invention, the weight ratio of the above-described sulfur to the porous carbon material may be 9:1 to 7:3, preferably 8:2 to 7.5:2.5. If the weight ratio is less than the above range, as the content of the porous carbon material increases, the amount of binder added when producing the positive electrode slurry increases. This increase in the amount of binder added ultimately increases the sheet resistance of the electrode and acts as an insulator to prevent electrons from passing, which can reduce cell performance. Conversely, if the weight ratio exceeds the above range, the sulfur may clump together and have difficulty receiving electrons, making it difficult to directly participate in the electrode reaction.
또한, 상기 황은 상기 다공성 탄소재의 기공 내부뿐만 아니라 표면에 위치하며 이때 상기 다공성 탄소재의 외부 전체 표면의 100% 미만, 바람직하게는 1 내지 95 %, 더욱 바람직하게는 60 내지 90 % 영역에 존재할 수 있다. 상기 황이 다공성 탄소재의 표면에 상기 범위 내에 있을 때 전자 전달 면적 및 전해액의 젖음성 면에서 최대 효과를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 상기 범위 영역에서 황이 다공성 탄소재의 표면에 얇고 고르게 함침되므로 충방전 과정에서 전자 전달 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 만약, 상기 황이 다공성 탄소재의 표면의 100% 영역에 위치하는 경우, 상기 다공성 탄소재가 완전히 황으로 덮여 전해액의 젖음성이 떨어지고 전극 내 포함되는 도전재와 접촉성이 떨어져 전자 전달을 받지 못해 반응에 참여할 수 없게 된다.In addition, the sulfur is located not only inside the pores of the porous carbon material but also on the surface, and in this case, it will be present in less than 100%, preferably 1 to 95%, and more preferably 60 to 90% of the entire outer surface of the porous carbon material. You can. When the sulfur is within the above range on the surface of the porous carbon material, the maximum effect can be achieved in terms of electron transfer area and electrolyte wettability. Specifically, since sulfur is thinly and evenly impregnated on the surface of the porous carbon material in the above range region, the electron transfer contact area can be increased during the charge and discharge process. If the sulfur is located in 100% of the surface of the porous carbon material, the porous carbon material is completely covered with sulfur, which reduces the wettability of the electrolyte solution and reduces contact with the conductive material contained in the electrode, so it cannot receive electron transfer and participate in the reaction. It becomes impossible.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 황-탄소 복합체는, 제조 시에 다양한 단계에서, 다양한 조건으로 황-탄소의 입도를 조절함에 따라서, 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 30 내지 70㎛의 범위로 할 수 있다. 보다 구체적으로는, 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)는 40 내지 60㎛의 범위를 가지거나, 45 내지 60㎛의 범위를 가지거나, 50 내지 60㎛의 범위를 가질 수 있다. 상기 범위 영역의 복합체 입도를 가지는 경우 전극 구조에서 형성하는 기공의 크기가 그보다 작은 입도의 복합체가 형성하는 기공의 크기에 비해 더 큰 기공을 형성할 수 있게 되어 전해액의 입출입이 더 용이해진다.As mentioned earlier, the sulfur-carbon composite of the present invention has a particle size (based on D 50 ) of 30 to 70 as the particle size of the sulfur-carbon composite is adjusted under various conditions at various stages during production. It can be in the range of ㎛. More specifically, the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite may range from 40 to 60 ㎛, 45 to 60 ㎛, or 50 to 60 ㎛. When the composite particle size is within the above range, the size of the pores formed in the electrode structure can be larger than the size of the pores formed by the composite with a smaller particle size, making it easier to enter and exit the electrolyte solution.
또한, 본 발명의 황-탄소 복합체는, 황-탄소 복합체의 입도(D10 기준)는 20㎛ 이하의 범위로 할 수 있고, 구체적으로는 5 내지 20㎛의 범위로 조절할 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 15㎛의 범위로, 더욱 바람직하게는 5 내지 10㎛의 범위일 수 있다. 미분이 많아지면 전극 형성을 위한 바인더의 양이 증대되어 저항이 생길 수 있고, 미분이 너무 적어지면 전극의 구조가 촘촘하지 않아 전극 전도도에 악영향을 미칠 수 있다.In addition, in the sulfur-carbon composite of the present invention, the particle size (based on D 10 ) of the sulfur-carbon composite can be adjusted to be in the range of 20㎛ or less, specifically in the range of 5 to 20㎛, preferably It may be in the range of 5 to 15㎛, more preferably in the range of 5 to 10㎛. If the fine powder increases, the amount of binder for forming the electrode may increase, causing resistance, and if the fine powder becomes too small, the structure of the electrode may not be dense, which may have a negative effect on electrode conductivity.
또한, 본 발명의 황-탄소 복합체는, 황-탄소 복합체의 입도(D90 기준)는 100㎛ 이하의 범위로 할 수 있다. 보다 구체적으로는, 황-탄소 복합체의 입도(D90 기준)는 80 내지 100㎛의 범위를 가질 수 있다. 상기 범위 영역보다 클 경우에는 추후 전극을 압연하여 두께를 감소시킬 때 복합체가 전극 내부에서 깨지는 문제가 발생하게 된다. 또한 압연을 하지 않더라도 입도가 큰 복합체가 존재하면 전극의 불균일성이 떨어져 전극 성능에 영향을 미칠 수 있다Additionally, in the sulfur-carbon composite of the present invention, the particle size (based on D 90 ) of the sulfur-carbon composite can be in the range of 100 μm or less. More specifically, the particle size (based on D 90 ) of the sulfur-carbon composite may range from 80 to 100 ㎛. If it is larger than the above range, the problem of the composite breaking inside the electrode will occur when the thickness is reduced by rolling the electrode later. In addition, even without rolling, the presence of a composite with a large particle size can reduce the non-uniformity of the electrode, affecting electrode performance.
상기 황-탄소 복합체는 구조체 내 다양한 크기의 기공 및 3차원적으로 상호 연결되며 규칙적으로 정렬된 기공들로 인해 황을 높은 함량으로 담지할 수 있다. 이로 인해 전기화학 반응으로 용해성이 있는 폴리설파이드가 생성되더라도 황-탄소 복합체 내부에 위치할 수 있게 되면, 폴리설파이드 용출 시에도 3차원으로 얽혀 있는 구조가 유지되어 양극 구조가 붕괴되는 현상을 억제시킬 수 있다. 그 결과, 상기 황-탄소 복합체를 포함하는 리튬 이차 전지는 고로딩(high loading)에서도 고용량을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 본 발명에 따른 황-탄소 복합체의 황 로딩량은 5 ~ 20 mg/cm2가 될 수 있다. The sulfur-carbon complex can support a high content of sulfur due to pores of various sizes and three-dimensionally interconnected and regularly aligned pores within the structure. As a result, even if soluble polysulfide is generated through an electrochemical reaction, if it can be located inside the sulfur-carbon complex, the three-dimensional entangled structure is maintained even when the polysulfide is eluted, thereby suppressing the collapse of the anode structure. there is. As a result, the lithium secondary battery containing the sulfur-carbon composite has the advantage of being able to achieve high capacity even under high loading. Therefore, the sulfur loading of the sulfur-carbon composite according to the present invention may be 5 to 20 mg/cm 2 .
리튬 이차 전지용 양극Anode for lithium secondary battery
본 발명에서 제시하는 황-탄소 복합체는 리튬 이차 전지의 양극 활물질로서 바람직하게 사용이 가능하다. The sulfur-carbon composite presented in the present invention can be preferably used as a positive electrode active material for lithium secondary batteries.
상기 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질층 형성용 조성물을 도포 및 건조하여 제작된다. 상기 양극 활물질층 형성용 조성물은 상술한 황-탄소 복합체를 도전재 및 바인더와 혼합한 후, 집전체에 도포하여 40 내지 70 ℃에서 4시간 내지 12시간 동안 건조하여 제조한다.The positive electrode is manufactured by applying and drying a composition for forming a positive electrode active material layer on a positive electrode current collector. The composition for forming the positive electrode active material layer is prepared by mixing the above-described sulfur-carbon composite with a conductive material and a binder, then applying it to a current collector and drying it at 40 to 70 ° C. for 4 to 12 hours.
구체적으로 상기 제조된 황-탄소 복합체에 추가적인 도전성을 부여하기 위하여, 상기 양극 조성물에는 도전재가 추가될 수 있다. 상기 도전재는 전자가 양극 내에서 원활하게 이동하도록 하기 위한 역할을 하는 것으로, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성이 우수하고 넓은 표면적을 제공할 수 있는 것이면 특별한 제한이 없으나, 바람직하게는 탄소계 물질을 사용한다.Specifically, in order to provide additional conductivity to the prepared sulfur-carbon composite, a conductive material may be added to the positive electrode composition. The conductive material serves to allow electrons to move smoothly within the anode. There is no particular limitation as long as it has excellent conductivity and can provide a large surface area without causing chemical changes in the battery, but is preferably carbon-based. Use substances.
상기 탄소계 물질로는 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 그래핀(Graphene)과 같은 흑연(Graphite)계, 활성탄(Active carbon)계, 채널 블랙(Channel black), 퍼니스 블랙(Furnace black), 써말 블랙(Thermal black), 컨택트 블랙(Contact black), 램프 블랙(Lamp black), 아세틸렌 블랙(Acetylene black)과 같은 카본 블랙(Carbon black)계; 탄소 섬유(Carbon fiber)계, 탄소나노튜브(Carbon nanotube: CNT), 풀러렌(Fullerene)과 같은 탄소 나노 구조체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 사용할 수 있다. The carbon-based materials include natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, graphite such as graphene, activated carbon, channel black, furnace black, and thermal. Carbon black, such as thermal black, contact black, lamp black, and acetylene black; One type selected from the group consisting of carbon nanostructures such as carbon fiber, carbon nanotube (CNT), fullerene, and combinations thereof can be used.
상기 탄소계 물질 이외에도, 목적에 따라 금속 메쉬 등의 금속성 섬유; 구리(Cu), 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 등의 금속성 분말; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 유기 도전성 재료도 사용할 수 있다. 상기 도전성 재료들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다. In addition to the carbon-based materials, depending on the purpose, metallic fibers such as metal mesh; Metallic powders such as copper (Cu), silver (Ag), nickel (Ni), and aluminum (Al); Alternatively, organic conductive materials such as polyphenylene derivatives can also be used. The above conductive materials can be used alone or in combination.
또한 상기 양극 활물질에 집전체에 대한 부착력을 제공하기 위하여, 상기 양극 조성물에는 바인더가 추가적으로 포함될 수 있다. 상기 바인더는 용매에 잘 용해되어야 하며, 양극 활물질과 도전재와의 도전 네트워크를 잘 구성해주어야 할 뿐만 아니라 전해액의 함침성도 적당히 가져야 한다.Additionally, in order to provide adhesion to the positive electrode active material to the current collector, the positive electrode composition may additionally include a binder. The binder must be well soluble in a solvent, must form a well-conductive network between the positive electrode active material and the conductive material, and must also have adequate impregnability of the electrolyte solution.
본 발명에 적용 가능한 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 또는 2종 이상의 혼합물이거나 공중합체일 수 있으나, 이에 제한되지 않음은 물론이다.The binder applicable to the present invention may be any binder known in the art, and specifically, a fluororesin binder containing polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE). ; Rubber-based binders including styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, and styrene-isoprene rubber; Cellulose-based binders including carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, and regenerated cellulose; polyalcohol-based binder; Polyolefin-based binders including polyethylene and polypropylene; It may be one type, a mixture of two or more types, or a copolymer selected from the group consisting of polyimide-based binder, polyester-based binder, and silane-based binder, but is of course not limited thereto.
상기 바인더 수지의 함량은 상기 극 총중량을 기준으로 0.5 ~ 30 중량%일 수 있으나, 이에만 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 있다.The content of the binder resin may be 0.5 to 30% by weight based on the total weight of the pole, but is not limited thereto. If the content of the binder resin is less than 0.5% by weight, the physical properties of the positive electrode may deteriorate and the positive electrode active material and the conductive material may fall off, and if it exceeds 30% by weight, the ratio of the active material and the conductive material in the positive electrode is relatively reduced. Battery capacity may be reduced.
상기 양극 조성물을 슬러리 상태로 제조하기 위한 용매는 건조가 용이해야하며, 바인더를 잘 용해시킬 수 있되, 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 코팅시 집전체에 황이 몰려 도전 네트워크에 문제가 생겨 전지의 작동에 문제가 발생하는 경향이 있다.The solvent for preparing the positive electrode composition in a slurry state must be easy to dry and can dissolve the binder well, but most preferably, it can maintain the positive electrode active material and conductive material in a dispersed state without dissolving them. When the solvent dissolves the positive electrode active material, the specific gravity of sulfur in the slurry (D = 2.07) is high, so the sulfur settles in the slurry, causing problems in the conductive network due to sulfur concentrating on the current collector during coating, which tends to cause problems in battery operation. there is.
본 발명에 따른 용매는 물 또는 유기 용매가 가능하며, 상기 유기 용매는 디메틸포름아미드, 이소프로필알콜, 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 유기 용매가 적용 가능하다.The solvent according to the present invention can be water or an organic solvent, and the organic solvent includes one or more selected from the group of dimethylformamide, isopropyl alcohol, acetonitrile, methanol, ethanol, and tetrahydrofuran. possible.
상기 양극 조성물의 혼합은 통상의 혼합기, 예컨대 레이트스 믹서, 고속 전단 믹서, 호모 믹서 등을 이용하여 통상의 방법으로 교반할 수 있다.The positive electrode composition can be mixed in a conventional manner using a conventional mixer, such as a rate mixer, high-speed shear mixer, or homomixer.
상기 양극 조성물을 집전체에 도포하고, 진공 건조하여 양극을 형성할 수 있다. 상기 슬러리는 슬러리의 점도 및 형성하고자 하는 양극의 두께에 따라 적절한 두께로 집전체에 코팅할 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 300 ㎛ 범위 내에서 적절히 선택할 수 있다.The positive electrode composition can be applied to a current collector and dried in vacuum to form a positive electrode. The slurry can be coated on the current collector at an appropriate thickness depending on the viscosity of the slurry and the thickness of the positive electrode to be formed, and can preferably be appropriately selected within the range of 10 to 300 ㎛.
이때 상기 슬러리를 코팅하는 방법으로 그 제한은 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.At this time, there is no limitation to the method of coating the slurry, for example, doctor blade coating, dip coating, gravure coating, slit die coating, spin coating ( It can be manufactured by performing spin coating, comma coating, bar coating, reverse roll coating, screen coating, cap coating, etc.
상기 양극 집전체로는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들 수 있고, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특히 제한하지 않는다. 예컨대 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 티타늄 등의 전도성 금속을 사용할 수 있고, 바람직하게는 알루미늄 집전체를 사용할 수 있다. 이러한 양극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체 또는 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The positive electrode current collector can generally be made to have a thickness of 3 to 500 ㎛, and is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, conductive metals such as stainless steel, aluminum, copper, and titanium can be used, and preferably an aluminum current collector can be used. These positive electrode current collectors can take various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, or non-woven fabrics.
리튬 이차 전지lithium secondary battery
본 발명의 일 실시예로서, 리튬 이차 전지는 상술한 양극; 음극 활물질로서 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함하는 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 상기 음극, 양극 및 분리막에 함침되어 있으며, 리튬염과 유기용매를 포함하는 전해질을 포함할 수 있다.As an embodiment of the present invention, a lithium secondary battery includes the above-described positive electrode; A negative electrode containing lithium metal or lithium alloy as a negative electrode active material; A separator interposed between the anode and the cathode; and an electrolyte that is impregnated in the cathode, anode, and separator and includes a lithium salt and an organic solvent.
특히 본 발명의 리튬 이차 전지는 양극 내에 황을 포함하는 리튬-황 전지일 수 있다.In particular, the lithium secondary battery of the present invention may be a lithium-sulfur battery containing sulfur in the positive electrode.
상기 음극은 음극 활물질로서 리튬 이온(Li+)을 가역적으로 인터칼레이션(Intercalation) 또는 디인터칼레이션(Deintercalation)할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 사용할 수 있다. 상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션할 수 있는 물질은 예컨대 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질은 예를 들어, 산화주석, 티타늄나이트레이트 또는 실리콘일 수 있다. 상기 리튬 합금은 예를 들어, 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al 및 Sn으로 이루어지는 군에서 선택되는 금속의 합금일 수 있다. The negative electrode is a negative electrode active material that can reversibly intercalate or deintercalate lithium ions (Li + ), and a material that can react with lithium ions to reversibly form a lithium-containing compound. , lithium metal or lithium alloy can be used. The material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions may be, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof. The material that can react with the lithium ion to reversibly form a lithium-containing compound may be, for example, tin oxide, titanium nitrate, or silicon. For example, the lithium alloy may be an alloy of lithium and a metal selected from the group consisting of Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al, and Sn.
또한, 리튬-황 전지의 경우, 충·방전하는 과정에서, 양극 활물질로 사용되는 황이 비활성 물질로 변화되어, 리튬 음극 표면에 부착될 수 있다. 이와 같이 비활성 황(Inactive sulfur)은 황이 여러 가지 전기화학적 또는 화학적 반응을 거쳐 양극의 전기화학 반응에 더 이상 참여할 수 없는 상태의 황을 의미하며, 리튬 음극 표면에 형성된 비활성 황은 리튬 음극의 보호막(Protective layer)으로서 역할을 하는 장점도 있다. 따라서, 리튬 금속과 이 리튬 금속 위에 형성된 비활성 황, 예를 들어 리튬 설파이드를 음극으로 사용할 수도 있다.Additionally, in the case of lithium-sulfur batteries, during charging and discharging, sulfur used as a positive electrode active material may be converted into an inert material and adhere to the surface of the lithium negative electrode. As such, inactive sulfur refers to sulfur in a state in which sulfur can no longer participate in the electrochemical reaction of the anode after undergoing various electrochemical or chemical reactions, and the inactive sulfur formed on the surface of the lithium cathode acts as a protective film of the lithium cathode. It also has the advantage of acting as a layer. Therefore, lithium metal and inert sulfur formed on the lithium metal, such as lithium sulfide, may be used as a negative electrode.
본 발명의 음극은 상기 음극 활물질 이외에 리튬 이온 전도성 물질로 이루어진 전처리층 및 상기 전처리층 상에 형성된 리튬 금속 보호층을 추가적으로 더 포함할 수 있다.In addition to the negative electrode active material, the negative electrode of the present invention may further include a pretreatment layer made of a lithium ion conductive material and a lithium metal protective layer formed on the pretreatment layer.
상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막은 양극과 음극을 서로 분리 또는 절연시키고, 양극과 음극 사이에 리튬 이온의 수송을 가능하게 하는 것으로 다공성 비전도성 또는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 분리막은 높은 이온 투과도 및 기계적 강도를 가지는 절연체로서 얇은 박막 또는 필름과 같은 독립적인 부재일 수도 있고, 양극 및/또는 음극에 부가된 코팅층일 수도 있다. 또한 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.The separator interposed between the anode and the cathode separates or insulates the anode and the cathode from each other and enables the transport of lithium ions between the anode and the cathode, and may be made of a porous non-conductive or insulating material. This separator is an insulator with high ion permeability and mechanical strength and may be an independent member such as a thin film or film, or may be a coating layer added to the anode and/or cathode. Additionally, when a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.
상기 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이 바람직하며, 이러한 분리막으로는, 유리 전해질(Glass electrolyte), 고분자 전해질 또는 세라믹 전해질 등이 사용될 수 있다. 예컨대 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머, 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포, 크라프트지 등이 사용된다. 현재 시판중인 대표적인 예로는 셀가드 계열(CelgardR 2400, 2300 Hoechest Celanese Corp. 제품), 폴리프로필렌 분리막(Ube Industries Ltd. 제품 또는 Pall RAI사 제품), 폴리에틸렌 계열(Tonen 또는 Entek) 등이 있다.The pore diameter of the separator is generally 0.01 to 10 ㎛, and the thickness is generally preferably 5 to 300 ㎛. Glass electrolyte, polymer electrolyte, or ceramic electrolyte may be used as the separator. For example, sheets, non-woven fabrics, kraft paper, etc. made of olefinic polymers such as chemical-resistant and hydrophobic polypropylene, glass fiber, or polyethylene are used. Representative examples currently on the market include the Celgard series (Celgard R 2400, 2300 from Hoechest Celanese Corp.), polypropylene separator (from Ube Industries Ltd. or Pall RAI), and polyethylene series (Tonen or Entek).
고체 상태의 전해질 분리막은 약 20 중량% 미만의 비수성 유기 용매를 포함할 수도 있으며, 이 경우에는 유기 용매의 유동성을 줄이기 위하여 적절한 겔 형성 화합물(Gelling agent)을 더 포함할 수도 있다. 이러한 겔 형성 화합물의 대표적인 예로는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐리덴플루라이드, 폴리아크릴로니트릴 등을 들 수 있다.The solid electrolyte separator may contain less than about 20% by weight of a non-aqueous organic solvent, and in this case, it may further contain an appropriate gel-forming compound (gelling agent) to reduce the fluidity of the organic solvent. Representative examples of such gel-forming compounds include polyethylene oxide, polyvinylidene fluoride, and polyacrylonitrile.
상기 음극, 양극 및 분리막에 함침되어 있는 전해질은 리튬염을 함유하는 비수계 전해질로서 리튬염과 전해액으로 구성되어 있으며, 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질 및 무기 고체 전해질 등이 사용된다.The electrolyte impregnated in the cathode, anode, and separator is a non-aqueous electrolyte containing lithium salt and is composed of lithium salt and an electrolyte solution. Non-aqueous organic solvent, organic solid electrolyte, and inorganic solid electrolyte are used as the electrolyte solution.
본 발명의 리튬염은 비수계 유기용매에 용해되기 좋은 물질로서, 예컨대, LiSCN, LiCl, LiBr, LiI, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiB10Cl10, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiClO4, LiAlCl4, Li(Ph)4, LiC(CF3SO2)3, LiN(FSO2)2, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(SFO2)2, LiN(CF3CF2SO2)2, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 리튬 이미드 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 하나 이상이 포함될 수 있다.The lithium salt of the present invention is a material that is easily soluble in non-aqueous organic solvents, such as LiSCN, LiCl, LiBr, LiI, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiB 10 Cl 10 , LiCH 3 SO 3 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiClO 4 , LiAlCl 4 , Li(Ph) 4 , LiC(CF 3 SO 2 ) 3 , LiN(FSO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(SFO 2 ) 2 , LiN(CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , lithium chloroborane, lithium lower aliphatic carboxylate, lithium 4-phenyl borate, lithium imide, and a group consisting of combinations thereof. One or more may be included from.
상기 리튬염의 농도는, 전해질 혼합물의 정확한 조성, 염의 용해도, 용해된 염의 전도성, 전지의 충전 및 방전 조건, 작업 온도 및 리튬 배터리 분야에 공지된 다른 요인과 같은 여러 요인에 따라, 0.2 ~ 2 M, 구체적으로 0.6 ~ 2 M, 더욱 구체적으로 0.7 ~ 1.7 M일 수 있다. 0.2 M 미만으로 사용하면 전해질의 전도도가 낮아져서 전해질 성능이 저하될 수 있고, 2 M을 초과하여 사용하면 전해질의 점도가 증가하여 리튬 이온(Li+)의 이동성이 감소될 수 있다.The concentration of the lithium salt may range from 0.2 to 2 M, depending on several factors such as the exact composition of the electrolyte mixture, solubility of the salt, conductivity of the dissolved salt, charging and discharging conditions of the cell, operating temperature and other factors known in the lithium battery field. Specifically, it may be 0.6 to 2 M, more specifically 0.7 to 1.7 M. If less than 0.2 M is used, the conductivity of the electrolyte may decrease and electrolyte performance may deteriorate, and if more than 2 M is used, the viscosity of the electrolyte may increase and the mobility of lithium ions (Li + ) may be reduced.
상기 비수계 유기용매는 리튬염을 잘 용해시켜야 하며, 본 발명의 비수계 유기용매로는, 예컨대, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부티로락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소란, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소란, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소란 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있으며, 상기 유기 용매는 하나 또는 둘 이상의 유기 용매들의 혼합물일 수 있다.The non-aqueous organic solvent must dissolve the lithium salt well, and non-aqueous organic solvents of the present invention include, for example, N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, Ethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, gamma-butyrolactone, 1,2-dimethoxy ethane, 1,2-diethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1, 3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxene, diethyl ether, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid triester, trime Aprotic substances such as toxin methane, dioxolane derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyropionate, ethyl propionate, etc. An organic solvent may be used, and the organic solvent may be one or a mixture of two or more organic solvents.
상기 유기 고체 전해질로는, 예컨대, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(Agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.The organic solid electrolyte includes, for example, polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphoric acid ester polymers, poly agitation lysine, polyester sulfide, polyvinyl alcohol, poly vinylidene fluoride, ionic dissociation. A polymer containing a group, etc. may be used.
상기 무기 고체 전해질로는, 예컨대, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다. Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 Nitride, halide, sulfate, etc. of Li such as SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO4-Li 2 S-SiS 2 may be used.
본 발명의 전해질에는 충·방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예컨대, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-ethylene carbonate), PRS(Propene sultone), FPC(Fluoro-propylene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.The electrolyte of the present invention includes, for example, pyridine, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphoric acid triamide, and nitroamine for the purpose of improving charge/discharge characteristics, flame retardancy, etc. Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinone, N,N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride, etc. may be added. . In some cases, halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride and trifluoroethylene may be further included to provide incombustibility, and carbon dioxide gas may be further included to improve high-temperature preservation characteristics, and FEC (Fluoro-ethylene carbonate), PRS (Propene sultone), FPC (Fluoro-propylene carbonate), etc. may be further included.
상기 전해질은 액상 전해질로 사용할 수도 있고, 고체 상태의 전해질 세퍼레이터 형태로도 사용할 수 있다. 액상 전해질로 사용할 경우에는 전극을 물리적으로 분리하는 기능을 갖는 물리적인 분리막으로서 다공성 유리, 플라스틱, 세라믹 또는 고분자 등으로 이루어진 분리막을 더 포함한다.The electrolyte can be used as a liquid electrolyte or in the form of a solid electrolyte separator. When used as a liquid electrolyte, it further includes a physical separator that has the function of physically separating electrodes and is made of porous glass, plastic, ceramic, or polymer.
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 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments are presented to aid understanding of the present invention. However, the following examples are merely illustrative of the present invention, and it is clear to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention. It is natural that such variations and modifications fall within the scope of the attached patent claims.
[실시예][Example]
황-탄소 복합체의 제조Preparation of sulfur-carbon complexes
[실시예 1] (탄소를 먼저 입도 조절)[Example 1] (Particle size control of carbon first)
Specific surface area가 200 cm2인 탄소나노튜브(엘지화학제) 200g을 attrition mill (M tech, attrition mill 5L 명)을 이용하여 5mm 크기의 지르코니아 볼을 사용하여 500rpm에서 5분간 분쇄하였다. 200 g of carbon nanotubes (manufactured by LG Chemical) with a specific surface area of 200 cm 2 were ground at 500 rpm for 5 minutes using a 5 mm sized zirconia ball using an attrition mill (M tech, attrition mill 5L).
상기 분쇄된 탄소나노튜브 50g를 황(Aldrich社의 α-Sulfur) 150g과 blade mixing (Henschel mixer 사용) 공정으로 1500rpm에서 30분간 믹싱(mixing)하였다. 상기 믹싱 공정에서는 탄소의 분쇄 효과가 거의 없었다. 이 후, 155 ℃ 오븐에서 30 분간 열처리하여 황-탄소 복합체를 제조하였다. 50 g of the pulverized carbon nanotubes were mixed with 150 g of sulfur (Aldrich's α-Sulfur) using a blade mixing process (using a Henschel mixer) at 1500 rpm for 30 minutes. There was almost no effect of pulverizing carbon in the mixing process. Afterwards, a sulfur-carbon composite was prepared by heat treatment in an oven at 155°C for 30 minutes.
[실시예 2] (황, 탄소 믹싱 시에 입도 조절)[Example 2] (Particle size control when mixing sulfur and carbon)
상기 실시예 1과 동일한 탄소나노튜브 50g을 황(Aldrich社의 α-Sulfur) 150g과 볼밀링(ball milling) 공정으로 믹싱(mixing)하였다. 상기 볼밀링 공정은 5mm 크기의 지르코니아 볼을 사용하여, 200 RPM의 밀링 조건으로 2시간 동안 수행하였다.50 g of the same carbon nanotubes as in Example 1 were mixed with 150 g of sulfur (α-Sulfur from Aldrich) through a ball milling process. The ball milling process was performed for 2 hours under milling conditions of 200 RPM using 5 mm sized zirconia balls.
이 후, 155 ℃ 오븐에서 30 분간 열처리하여 황-탄소 복합체를 제조하였다. Afterwards, a sulfur-carbon composite was prepared by heat treatment in an oven at 155°C for 30 minutes.
[실시예 3] (복합체 제조 후 입도 조절)[Example 3] (Particle size control after composite production)
상기 실시예 1과 동일한 탄소나노튜브 50g을 황(Aldrich社의 α-Sulfur) 150g과 blade mixing (Henschel mixer 사용) 공정으로 믹싱(mixing)하였다. 상기 믹싱 공정에서는 탄소의 분쇄 효과가 거의 없었다. 이 후, 155 ℃ 오븐에서 30 분간 열처리하여 황-탄소 복합체를 제조하였다. 이후, 제조된 황-탄소 복합체를 5 mm 크기의 지르코니아 볼을 사용하여, 200RPM의 밀링 조건으로 2시간 동안 다시 볼밀링 공정은 수행하였다.50 g of the same carbon nanotubes as in Example 1 were mixed with 150 g of sulfur (α-Sulfur from Aldrich) through a blade mixing (using a Henschel mixer) process. There was almost no effect of pulverizing carbon in the mixing process. Afterwards, a sulfur-carbon composite was prepared by heat treatment in an oven at 155°C for 30 minutes. Thereafter, the prepared sulfur-carbon composite was subjected to another ball milling process using 5 mm sized zirconia balls under milling conditions of 200 RPM for 2 hours.
[실시예 4-1] (슬러리 제조 단계의 입도 조절)[Example 4-1] (Particle size control in slurry production step)
상기 실시예 1과 동일한 탄소나노튜브 50g을 황(Aldrich社의 α-Sulfur) 150g과 blade mixing (Henschel mixer 사용) 공정으로 믹싱(mixing)하였다. 상 상기 믹싱 공정에서는 탄소의 분쇄 효과가 거의 없었다. 이 후, 155 ℃ 오븐에서 30 분간 열처리하여 황-탄소 복합체를 제조하였다. 50 g of the same carbon nanotubes as in Example 1 were mixed with 150 g of sulfur (α-Sulfur from Aldrich) through a blade mixing (using a Henschel mixer) process. In the above mixing process, there was almost no effect of pulverizing carbon. Afterwards, a sulfur-carbon composite was prepared by heat treatment in an oven at 155°C for 30 minutes.
부피가 500ml인 스테인레스 슬러리 용기에 상기 황-탄소 복합체: 바인더: 분산제: 도전재 =87:7:1:5의 중량비로 혼합하여 240g의 슬러리(고형분 25%)를 제조하였다. 상기 바인더로는 폴리 아크릴계 바인더를 사용하였고, 분산제로는 폴리바이닐계 분산제를 사용하였고, 도전재로는 Vapor grown carbon fibers (VGCF)를 사용하였다.The sulfur-carbon composite: binder: dispersant: conductive material was mixed in a weight ratio of 87:7:1:5 in a stainless steel slurry container with a volume of 500 ml to prepare 240 g of slurry (solid content: 25%). A polyacrylic binder was used as the binder, a polyvinyl-based dispersant was used as the dispersant, and vapor grown carbon fibers (VGCF) was used as the conductive material.
상기 용기에 슬러리: ZrO2볼의 중량비가 2:1이 되도록 ZrO2볼을 슬러리에 투입한 후, 지름 5cm의 임펠러를 사용하여 30분간 교반하였다. 교반 시, mixing rpm은 1단계에서 800rpm, 2단계에서 4000rpm, 3단계에서 5000rpm으로 각 단계별로 동일한 시간으로 교반하여, 양극 제조용 슬러리를 제조하였다.ZrO 2 balls were added to the slurry so that the weight ratio of slurry:ZrO 2 balls was 2:1 in the container, and then stirred for 30 minutes using an impeller with a diameter of 5 cm. During stirring, the mixing rpm was set at 800 rpm in step 1, 4000 rpm in step 2, and 5000 rpm in step 3, and the mixture was stirred for the same time in each step to prepare a slurry for producing a positive electrode.
[실시예 4-2][Example 4-2]
교반 시간을 30분에서 60분으로 늘린 것을 제외하고는 실시예 4-1과 동일한 방법으로 슬러리(고형분 25%)를 제조하였다.A slurry (25% solid content) was prepared in the same manner as Example 4-1, except that the stirring time was increased from 30 minutes to 60 minutes.
[비교예 1] [Comparative Example 1]
실시예 3과 동일한 방법으로 복합체를 분쇄하여 D50을 10um로 더 많이 분쇄한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 제조하였다.The composite was pulverized in the same manner as in Example 3, except that the D50 was further pulverized to 10 μm.
[비교예 2][Comparative Example 2]
실시예 1과 동일한 방법으로 탄소재를 분쇄한 후 분급을 통하여 큰 입자를 제거하여 D50이 25㎛ 인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 황-탄소 복합체를 제조하였다.The carbon material was pulverized in the same manner as in Example 1, large particles were removed through classification, and a sulfur-carbon composite was prepared in the same manner as in Example 1, except that D 50 was 25㎛.
[비교예 3][Comparative Example 3]
실시예 1과 동일한 방법으로 탄소재를 분쇄한 후 분급을 통하여 큰 입자를 제거하여 D50이 73㎛ 인 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 황-탄소 복합체를 제조하였다.The carbon material was pulverized in the same manner as in Example 1, large particles were removed through classification, and a sulfur-carbon composite was prepared in the same manner as in Example 2, except that D 50 was 73㎛.
[비교예 4-1][Comparative Example 4-1]
슬러리 입도를 확인하면서 교반 시간을 늘려 입도가 31㎛로 작아지는 지점에 이르를 때까지 교반 한 것을 제외하고는 실시예 4-1과 동일한 방법으로 슬러리(고형분 25%)를 제조하였다.A slurry (25% solid content) was prepared in the same manner as in Example 4-1, except that the stirring time was increased while checking the particle size of the slurry until the particle size reached a point where it was reduced to 31㎛.
[비교예 4-2][Comparative Example 4-2]
슬러리 입도를 확인하면서 교반 시간을 늘려 입도가 22㎛로 작아지는 지점에 이르를 때까지 교반 한 것을 제외하고는 실시예 4-1과 동일한 방법으로 슬러리(고형분 25%)를 제조하였다.A slurry (25% solid content) was prepared in the same manner as in Example 4-1, except that the stirring time was increased while checking the particle size of the slurry and stirring was performed until the particle size reached a point where the particle size decreased to 22㎛.
[비교예 4-3][Comparative Example 4-3]
슬러리 입도를 확인하면서 교반 시간을 늘려 입도(D50)가 65㎛ 지점에 이르를 때까지 교반 한 것을 제외하고는 실시예 4-1과 동일한 방법으로 슬러리(고형분 25%)를 제조하였다.A slurry (25% solid content) was prepared in the same manner as in Example 4-1, except that the stirring time was increased while checking the particle size of the slurry and stirring was performed until the particle size (D 50 ) reached 65㎛.
실험예Experiment example 1: 슬러리 물성 평가 1: Slurry physical property evaluation
(입도 분포 측정)(Particle size distribution measurement)
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 제조한 황-탄소 복합체를, microtrac사 bluewave 제품을 사용하여 입도 분포를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.The particle size distribution of the sulfur-carbon composites prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 was measured using a bluewave product from Microtrac, and is shown in Table 1 below.
상기 표 1의 결과를 통하여, 황-탄소 복합체 제조 시, 입도 조절 조건에 의하여 황-탄소 복합체의 입도 분포의 차이가 나타나는 것을 알 수 있었다.Through the results in Table 1, it was found that when manufacturing the sulfur-carbon composite, there was a difference in the particle size distribution of the sulfur-carbon composite depending on the particle size control conditions.
또한, 상기 실시예 4-1 내지 4-2 및 비교예 4-1 내지 4-3에서 제조한 슬러리를, microtrac사 bluewave 제품을 사용하여 입도 분포를 측정하여 하기 표 2 및 도 1에 나타내었다.In addition, the particle size distribution of the slurries prepared in Examples 4-1 to 4-2 and Comparative Examples 4-1 to 4-3 was measured using a bluewave product from Microtrac, and is shown in Table 2 and Figure 1 below.
또한, 표 2의 결과를 통하여, 황-탄소 복합체를 포함하는 슬러리 제조 단계에서 밀링 시간에 의하여 황-탄소 복합체의 입도 분포의 차이가 나타나는 것을 알 수 있었다.In addition, through the results in Table 2, it was found that there was a difference in the particle size distribution of the sulfur-carbon composite depending on the milling time in the slurry production step containing the sulfur-carbon composite.
실험예Experiment example 2: 전지 성능 평가 2: Battery performance evaluation
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 황-탄소 복합체를 이용하여, 황-탄소 복합체: 도전재: 바인더=90:5:5의 중량비로 슬러리를 제조한 후 20 ㎛ 두께의 알루미늄 호일의 집전체에 코팅하여 전극을 제조하였다. 이때 도전재는 카본블랙을, 바인더로는 스티렌부타디엔 고무, 카르복시메틸 셀룰로오스를 사용하였다. 이후, 50℃ 오븐에서 overnight로 건조하여 전극을 제조하였다.Using the sulfur-carbon composites prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, a slurry was prepared with a weight ratio of sulfur-carbon composite: conductive material: binder = 90:5:5, and then 20 ㎛ thick aluminum. An electrode was manufactured by coating a current collector of foil. At this time, carbon black was used as the conductive material, and styrene butadiene rubber and carboxymethyl cellulose were used as the binder. Afterwards, electrodes were manufactured by drying overnight in an oven at 50°C.
또한, 실시예 4-1 내지 4-2 및 비교예 5-1 내지 5-3에서 제조된 슬러리를 동일한 방법으로 집전체에 코팅하여 전극을 제조하였다. Additionally, the slurry prepared in Examples 4-1 to 4-2 and Comparative Examples 5-1 to 5-3 was coated on a current collector in the same manner to prepare an electrode.
상기 제조된 양극을 양극으로 사용하고, 분리막으로 폴리에틸렌을 사용하고, 음극으로서 45 ㎛ 두께의 리튬 호일을 사용하여 코인 셀을 제조하였다. 이때, 상기 코인 셀은 DOL/DME 용매 (1:1부피비)로 이루어진 유기 용매에 1 M LiTFSI, 3 중량% LiNO3을 용해시켜 제조된 전해질을 사용했다.A coin cell was manufactured using the prepared positive electrode as an anode, polyethylene as a separator, and lithium foil with a thickness of 45 ㎛ as a negative electrode. At this time, the coin cell used an electrolyte prepared by dissolving 1 M LiTFSI and 3 wt% LiNO 3 in an organic solvent consisting of DOL/DME solvent (1:1 volume ratio).
(충방전 특성 평가)(Charging and discharging characteristics evaluation)
상기 제조된 코인셀에 대하여, 충방전 측정장치를 사용하여 충방전 특성 변화를 시험하였다. 얻어진 전지를 이용하여, 초기 방전/충전은 초기 2.5 사이클 동안은 0.1C/0.1C로 진행한 이후, 0.2C/0.2C 3사이클 진행 후, 0.5C/0.3C로 사이클 진행하였다. For the coin cell manufactured above, changes in charge/discharge characteristics were tested using a charge/discharge measuring device. Using the obtained battery, the initial discharge/charge was performed at 0.1C/0.1C for the initial 2.5 cycles, then 3 cycles at 0.2C/0.2C, and then at 0.5C/0.3C.
상기 결과를, 측정하여 하기 표 3 및 도 2에 나타내었다. 하기 표 3 및 도 2에서 기공(porosity)는 전극 두께를 측정하여 실제 true density 및 무게를 이용하여 계산하였고, 로딩양(Loading)은 전극의 무게 및 면적을 사용하여 계산하였다.The above results were measured and shown in Table 3 and Figure 2 below. In Table 3 and Figure 2 below, porosity was calculated using the actual density and weight by measuring the electrode thickness, and loading was calculated using the weight and area of the electrode.
(mAh/g)Specific capacity
(mAh/g)
(%)Porosity
(%)
(mAh/cm2)Loading
(mAh/ cm2 )
상기 표 3을 통하여 복합체의 입도가 셀의 성능에 영향을 주는 것을 알 수 있었다.Through Table 3 above, it was found that the particle size of the composite affects the performance of the cell.
또한 실시예 4-1 내지 4-2 및 비교예 4-1 내지 4-3에서 제조된 전지의 초기 충방전 특성을 보여주는 그래프를 도 2에 나타내었으며, 상기 도 2를 통하여 본 발명에서 따른 슬러리의 입도 한정에 따라서 셀의 성능이 향상됨을 알 수 있었다.In addition, a graph showing the initial charge and discharge characteristics of the batteries manufactured in Examples 4-1 to 4-2 and Comparative Examples 4-1 to 4-3 is shown in Figure 2, and through Figure 2, the slurry according to the present invention can be seen. It was found that cell performance improved as particle size was limited.
Claims (19)
(b) 상기 혼합된 다공성 탄소재 및 황을 열처리하는 단계;를 포함하는 황-탄소 복합체의 제조방법으로서,
상기 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 37.25 내지 70㎛의 범위로 조절하는 황-탄소 복합체의 제조방법.(a) mixing sulfur into a porous carbon material; and
(b) heat treating the mixed porous carbon material and sulfur; a method for producing a sulfur-carbon composite comprising:
A method of producing a sulfur-carbon composite wherein the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite is adjusted to a range of 37.25 to 70㎛.
상기 (a) 단계 전에, 다공성 탄소재를 분쇄하거나 또는 응집시켜, 상기 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 37.25 내지 70㎛의 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는, 황-탄소 복합체의 제조방법.According to paragraph 1,
Before step (a), the porous carbon material is pulverized or agglomerated, and the particle size of the sulfur-carbon composite (based on D 50 ) is adjusted to a range of 37.25 to 70 ㎛. Manufacture of a sulfur-carbon composite. method.
상기 분쇄는 어트리션 밀 (attrition mill), 볼 밀 (ball mill), 제트 밀 (jet mill) 또는 레조넌스 어쿠스틱 믹서 (resonance acoustic mixer)를 사용하는 것을 특징으로 하는, 황-탄소 복합체의 제조방법.According to paragraph 2,
The method of producing a sulfur-carbon composite is characterized in that the grinding is performed using an attrition mill, ball mill, jet mill, or resonance acoustic mixer. .
상기 응집은 고분자 탄화 또는 스프레이 건조(spray drying) 을 사용하는 것을 특징으로 하는, 황-탄소 복합체의 제조방법.According to paragraph 2,
A method for producing a sulfur-carbon composite, characterized in that the agglomeration uses polymer carbonization or spray drying.
상기 (a) 단계에서, 다공성 탄소재에 황을 혼합할 때, 믹싱(mixing)하여, 상기 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 37.25 내지 70㎛의 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는, 황-탄소 복합체의 제조방법.According to paragraph 1,
In step (a), when mixing sulfur into the porous carbon material, the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite is adjusted to the range of 37.25 to 70 ㎛ by mixing. Method for producing sulfur-carbon complex.
상기 볼 밀링은 황과 탄소재의 혼합 과정 전에 탄소재를 먼저 원하는 입도로 분쇄한 후에 황과 탄소를 섞어주거나, 또는 황과 탄소재의 혼합 과정에서 분쇄가 함께 일어나도록 믹싱하는 것을 특징으로 하는, 황-탄소 복합체의 제조방법.According to clause 5,
The ball milling is characterized in that the carbon material is first pulverized to a desired particle size before the mixing process of sulfur and carbon material, and then the sulfur and carbon are mixed, or mixing occurs so that pulverization occurs together during the mixing process of sulfur and carbon material, Method for producing sulfur-carbon complex.
상기 (b) 단계 후에, 황-탄소 복합체를 분쇄하여, 상기 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 37.25 내지 70㎛의 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는, 황-탄소 복합체의 제조방법.According to paragraph 1,
After step (b), the sulfur-carbon composite is pulverized, and the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite is adjusted to the range of 37.25 to 70㎛.
상기 분쇄는 볼밀 (ball mill), attrition mill, 또는 제트 밀 (jet mill) 을 사용하는 것을 특징으로 하는, 황-탄소 복합체의 제조방법.In clause 7,
A method for producing a sulfur-carbon composite, wherein the grinding is performed using a ball mill, attrition mill, or jet mill.
상기 (b) 단계 후에, (c) 상기 황-탄소 복합체에 바인더, 분산제 및 도전재를 혼합한 슬러리를 제조하는 단계;를 추가로 수행하여, 상기 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 37.25 내지 70㎛의 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는, 황-탄소 복합체의 제조방법.According to paragraph 1,
After step (b), (c) preparing a slurry by mixing the sulfur-carbon composite with a binder, a dispersant, and a conductive material; is further performed to determine the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite. A method for producing a sulfur-carbon composite, characterized in that it is adjusted in the range of 37.25 to 70㎛.
상기 (c) 단계는 내부에 임펠러가 구비된 배치(batch) 용기에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 황-탄소 복합체의 제조방법.According to clause 9,
The method of producing a sulfur-carbon composite, characterized in that step (c) is performed in a batch vessel equipped with an impeller therein.
상기 (c) 단계는 밀링 볼(ball)을 사용하거나 블레이드(blade)를 사용하여 분쇄하는 것을 특징으로 하는, 황-탄소 복합체의 제조방법.According to clause 9,
The step (c) is a method of producing a sulfur-carbon composite, characterized in that grinding using a milling ball or a blade.
상기 밀링 볼은, 지르코니아(ZrO2) 볼 또는 알루미나(Al2O3) 볼인 것을 특징으로 하는, 황-탄소 복합체의 제조방법.According to any one of claims 5 to 9,
A method of producing a sulfur-carbon composite, wherein the milling balls are zirconia (ZrO 2 ) balls or alumina (Al 2 O 3 ) balls.
상기 슬러리를 혼합할 때, 바인더와 분산제를 혼합하는 1단계, 1단계에서 제조된 혼합용액 내에 도전재를 분산 시키는 2단계 및 상기 2단계에서 제조된 혼합용액 내에 황-탄소 복합체를 분산시키는 3단계로 혼합(mixing)하는 것을 특징으로 하는, 황-탄소 복합체의 제조방법.According to clause 9,
When mixing the slurry, the first step is to mix the binder and the dispersant, the second step is to disperse the conductive material in the mixed solution prepared in step 1, and the third step is to disperse the sulfur-carbon complex in the mixed solution prepared in step 2. A method for producing a sulfur-carbon composite, characterized in that mixing.
상기 슬러리를 혼합할 때,
상기 1단계는 500 내지 1000rpm으로,
상기 2단계는 2000 내지 5000rpm으로,
상기 3단계는 2000 내지 5500rpm으로 혼합(mixing)하는 것을 특징으로 하는, 황-탄소 복합체의 제조방법.According to clause 13,
When mixing the slurry,
The first stage is 500 to 1000 rpm,
The second stage is 2000 to 5000 rpm,
The third step is a method of producing a sulfur-carbon composite, characterized in that mixing is performed at 2000 to 5500 rpm.
상기 상기 황과 다공성 탄소재를 9:1 내지 7:3의 중량비로 혼합하는, 황-탄소 복합체의 제조방법. According to paragraph 1,
A method for producing a sulfur-carbon composite, wherein the sulfur and the porous carbon material are mixed at a weight ratio of 9:1 to 7:3.
상기 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 40 내지 60㎛의 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는, 황-탄소 복합체의 제조방법. According to paragraph 2,
A method for producing a sulfur-carbon composite, characterized in that the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite is adjusted to the range of 40 to 60㎛.
상기 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 45 내지 60㎛의 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는, 황-탄소 복합체의 제조방법. According to clause 5,
A method for producing a sulfur-carbon composite, characterized in that the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite is adjusted to the range of 45 to 60㎛.
상기 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 45 내지 60㎛의 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는, 황-탄소 복합체의 제조방법. In clause 7,
A method for producing a sulfur-carbon composite, characterized in that the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite is adjusted to the range of 45 to 60㎛.
상기 황-탄소 복합체의 입도(D50 기준)를 40 내지 50㎛의 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는, 황-탄소 복합체의 제조방법. According to clause 9,
A method for producing a sulfur-carbon composite, characterized in that the particle size (based on D 50 ) of the sulfur-carbon composite is adjusted to the range of 40 to 50㎛.
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