KR20020068782A - Cathode Having Minute Metal Included Carbon and Method Of Manufacturing The Same - Google Patents

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조지훈
김희탁
장덕례
송정민
김선욱
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주식회사 뉴턴에너지
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Abstract

PURPOSE: Provided is a cathode containing metallic fine particles-contained carbon, which can increase the capacity of a primary or a secondary battery and improve the lifetime of the battery and charge/discharge velocity. CONSTITUTION: The cathode is produced by a process comprising the steps of: wetting carbon by applying a metal salt-dissolved solution to the carbon; drying the wet carbon; heat-treating the dried metal-contained carbon under argon, nitrogen, hydrogen, or a mixed gas thereof at 200-900deg.C to prepare the carbon containing the metallic fine particles with a particle size of less than 1 micrometer; coating a current collector with an active material containing the metallic fine particles-contained carbon, a conductive polymer, and a sulfur-contained material. The metallic fine particles are made of at least one metal component selected from the group consisting of copper, iron, and silver.

Description

금속 미립자가 함유된 탄소를 포함하는 양극 및 이의 제조 방법{Cathode Having Minute Metal Included Carbon and Method Of Manufacturing The Same}Cathode having minute metal included carbon and method of manufacturing the same

본 발명은 금속 미립자가 함유된 탄소를 포함하는 양극 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 매우 작은 입자 크기를 갖는 금속 미립자가 함유된 탄소와 유기 황화합물 또는 단위 황으로 대표되는 활물질을 혼합하여 얻어지는 혼성 양극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode including carbon containing metal fine particles and a method of manufacturing the same, and specifically, obtained by mixing an active material represented by carbon containing metal fine particles having a very small particle size and an organic sulfur compound or unit sulfur. It relates to a hybrid positive electrode and a method of manufacturing the same.

리튬이차전지의 용량 향상을 위한 양극 재료로써 황의 산화 환원 반응을 이용하는 시스템이 제안되어 있다. 황은 황 원자간의 결합이 깨어지면서 두 개의 전자를 받아들이며 다시 황 원자간의 결합이 형성되면서 두 개의 전자를 내보내게 되며 약 1680 mAh/g 의 높은 이론 용량을 가지고 있다. 그러나 황의 산화 환원 반응은 가역적인 반응이 어려우며 황 자체가 부도체이므로 전자 전달이 어려운 문제점을 가지고 있다. 단위 유황을 사용하는 것 대신 보다 더 반응 속도가 빠르며 보다 더 가역적인 충방전 거동을 나타내는 디설파이드를 함유 또는 이를 형성 가능한 유기 황화합물을 사용하는 것 또한 제안되었다.A system using a redox reaction of sulfur as a positive electrode material for improving the capacity of a lithium secondary battery has been proposed. Sulfur accepts two electrons as the bond between the sulfur atoms breaks, and then releases two electrons as the bond between the sulfur atoms forms, and has a high theoretical capacity of about 1680 mAh / g. However, the redox reaction of sulfur is difficult to reversible reaction and has a problem that electron transfer is difficult because sulfur itself is an insulator. Instead of using unit sulfur, it has also been proposed to use organic sulfur compounds containing or capable of forming disulfide, which are more reactive and exhibit more reversible charge and discharge behavior.

유기 황화합물의 전기화학적 반응이 일어나기 위해서는 유기 황화합물에 전자가 전달되어야 하며 전도성 고분자가 첨가되어 있는 경우에는 전도성 고분자가 분자성 전류 집전체(molecular current collector)의 역할을 하여 유기 황화합물로의 전자 전달을 용이하게 해주며 또한 촉매 역할을 할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 유기 황화합물 역시 상온에서 빠른 산화환원 반응을 나타내지는 못한다는 문제점을 가지고 있다.Electrochemical reactions of organic sulfur compounds require electrons to be transferred to the organic sulfur compounds. When conductive polymers are added, the conductive polymers act as molecular current collectors to facilitate electron transfer to organic sulfur compounds. It is known to act as a catalyst and to act as a catalyst. However, organic sulfur compounds also have a problem that does not exhibit a rapid redox reaction at room temperature.

Q. Chi 등과 F. Matsumoto 등은 디설파이드기를 포함하는 유기 황화합물을 이용한 리튬이차전지에 관한 연구 논문을 발표한 바 있다. 이들은 특히 구리 집전체와 유기 황화합물과의 반응성에 관하여 연구하였다. (J. Electrochem. Soc. 145, 2369 (1989), Electrochemical Behavior and Surface Morphologic Changes of Copper Substrates in the Presence of 2,5-Dimercapto-1,3,4-thiadiazole, Q. Chi et al., Langmuir, 15, 857 (1999), Studies of the Adsorption Behavior of 2,5-Dimercapto-1,3,4-thiadiazole and 2-Mercapto-5-methyl-1,3,4-thiadiazole at Gold and Copper Electrode Surfaces, F. Matsumoto et al.) 그런데 상기한 두 연구에서는 단순히 유기 황화합물로 대표되는 활물질과 도전제로서의 탄소, 촉매로서의 폴리아닐린을 포함하는 혼성 전극에 관하여 개시하고 있지만, 금속 입자를 구성 요소로서 혼성 전극에 포함하고 있지는 않다.Q. Chi and F. Matsumoto et al. Published a research paper on lithium secondary batteries using organic sulfur compounds containing disulfide groups. They especially studied the reactivity of copper current collectors with organic sulfur compounds. (J. Electrochem. Soc. 145, 2369 (1989), Electrochemical Behavior and Surface Morphologic Changes of Copper Substrates in the Presence of 2,5-Dimercapto-1,3,4-thiadiazole, Q. Chi et al., Langmuir, 15, 857 (1999), Studies of the Adsorption Behavior of 2,5-Dimercapto-1,3,4-thiadiazole and 2-Mercapto-5-methyl-1,3,4-thiadiazole at Gold and Copper Electrode Surfaces, F Matsumoto et al.) However, the above two studies merely disclose a hybrid electrode including an active material represented by an organic sulfur compound, carbon as a conductive agent, and polyaniline as a catalyst, but include metal particles as a component in the hybrid electrode. It is not.

N. Oyama 등은 유기 황화합물의 일종인 DMcT(dimercapto-dithiodiazole)와 전도성 고분자의 일종인 폴리아닐린을 NMP(N-methyl pyrrolidone)라는 용매에 녹인후 이를 카본과 함께 집전체에 도포시켜 고분자 양극을 제조하고 이를 포함하는 리튬이차전지에 구리염을 첨가하여 향상된 용량을 구현하는 기술에 관하여 보고하고 있다. (J. Electrochem. Soc., 144, L47 (1997), Effects of Adding Copper(II) Salt to Organosulfur Cathodes for Rechargeable Lithium Batteries, N. Oyama et al.) 상기한 논문에서는 구리염을 전극에 첨가하고 있는데, 이는 이온의 형태이지 금속의 형태가 아니다.N. Oyama et al. Prepared a polymer positive electrode by dissolving DMcT (dimercapto-dithiodiazole), a type of organic sulfur compound, and polyaniline, a kind of conductive polymer, in a solvent called NMP (N-methyl pyrrolidone), and applying it to a current collector together with carbon. It is reported about a technique for implementing an improved capacity by adding a copper salt to a lithium secondary battery comprising the same. (J. Electrochem. Soc., 144, L47 (1997), Effects of Adding Copper (II) Salt to Organosulfur Cathodes for Rechargeable Lithium Batteries, N. Oyama et al.) This is in the form of ions, not in the form of metals.

T. Sotomura 등에게 허여된 미국 특허 제5,665,492호에서는 유기 황화합물을 활물질로 사용하는 양극의 전류 집전체를 구리 또는 은박으로 사용하거나 상기 언급한 박이외의 금속박을 전류 집전체로 사용하는 기술을 개시하고 있다. 이 경우에는 구리 또는 은 금속 분말을 첨가하여 향상된 용량을 구현하고 있는 것이다. 첨가된 금속 분말은 충전 과정에서 용해되어 유기 황화합물과 착체를 형성하며 이를 통하여 용량 증가 및 수명 향상 효과를 얻을 수 있다고 제안하고 있다. 그런데, 상기 특허에서는 구리 또는 은 금속 분말을 그대로 양극에 첨가하기 때문에 금속 입자의 크기가 수십㎛ 정도이며 매우 크다는 단점이 있다. 입자의 크기가 크면 금속 입자의 유효 표면적이 좁아서 유기 황화합물과 충분히 넓은 면적으로 접촉할 수가 없으므로 이의 첨가로 인한 용량의 증가 효과가 충분히 크지 못하다는 문제가 있다.U.S. Patent No. 5,665,492 to T. Sotomura et al. Discloses a technique in which a current collector of a positive electrode using an organic sulfur compound as an active material is used as copper or silver foil or a metal foil other than the foil mentioned above as a current collector. . In this case, copper or silver metal powder is added to realize the improved capacity. It is suggested that the added metal powder dissolves during the filling process to form a complex with the organic sulfur compound, thereby increasing capacity and improving lifetime. However, in the above patent, since the copper or silver metal powder is added to the anode as it is, there is a disadvantage that the size of the metal particles is about tens of micrometers and is very large. If the particle size is large, the effective surface area of the metal particles is narrow, so that the organic sulfur compound cannot be contacted with a sufficiently large area, so that the effect of increasing the capacity due to the addition thereof is not large enough.

H. J. Kim 등에게 허여된 미국 특허 제6,057,056호에서는 유기 황화합물, 금속 화합물, 구리 집전체를 사용하여 양극을 제조하는 기술을 개시하고 있다. 이와같이 제조된 양극을 이용한 이차 전지는 향상된 용량, 양호한 가역성을 나타내고 있다. 그러나 상기 특허에서도 금속 입자를 그대로 양극에 첨가하기 때문에 입자의 크기가 매우 크다.U.S. Patent No. 6,057,056 to H. J. Kim et al. Discloses a technique for producing a positive electrode using an organic sulfur compound, a metal compound, and a copper current collector. The secondary battery using the positive electrode thus produced shows improved capacity and good reversibility. However, the patent also adds the metal particles to the anode as it is, the size of the particles is very large.

이상과 같이 종래 기술에서 혼성 전극을 제조하기 위해서 첨가하는 금속 분말의 크기는 수 ㎛ 내지 수십 ㎛ 수준의 큰 입자로 이루어져 있다. 금속 분말의 첨가로 기대되는 효과를 얻기 위해서는 금속 분말이 활물질인 유기 황화합물 그리고 도전제로서의 탄소와 잘 혼합되어야 한다. 그러나 상기한 종래 기술에서 사용된 금속 분말은 입자가 크기 때문에 유기 황화합물, 탄소와 잘 섞이기 어렵다. 따라서 금속 분말은 전극내에 균일하게 분포되기가 어려우며 이에 따라 유기 황화합물과의 반응성도 감소된다는 문제가 있다.As described above, the size of the metal powder added to prepare the hybrid electrode in the prior art is composed of large particles having a level of several μm to several tens of μm. In order to obtain the expected effect of the addition of the metal powder, the metal powder must be well mixed with the organic sulfur compound as the active material and carbon as the conductive agent. However, the metal powder used in the above-described prior art is difficult to mix well with organic sulfur compounds and carbon because of the large particle size. Therefore, the metal powder is difficult to be uniformly distributed in the electrode, thereby reducing the reactivity with the organic sulfur compound.

또한 구리염을 양극의 활물질과 단순히 혼합하는 경우에는 구리염을 이루는 음이온이 양극 활물질 속에 포함되기 때문에 산화 환원 반응 과정중에 부반응을 일으킬 수 있으며 이는 사용중 가스의 발생 또는 발열로 인한 폭발 등 안정성에 문제가 있을 가능성이 있다.In addition, when the copper salt is simply mixed with the active material of the positive electrode, anion forming the copper salt may be included in the positive electrode active material, which may cause side reactions during the redox reaction. There is a possibility.

따라서 본 발명에서는 상기한 문제점을 감안하여 매우 작은 입자 크기를 갖는 금속 미립자를 도전제로 사용되는 탄소에 함유시켜 제조된 혼성 전극을 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems to provide a hybrid electrode prepared by containing metal fine particles having a very small particle size in carbon used as a conductive agent.

본 발명의 다른 목적은 상기한 양극을 용이하게 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for easily manufacturing the above-described positive electrode.

본 발명의 또 다른 목적은 상기한 양극을 채용하는 것에 의해 유기 황화합물 또는 단위 황과 같은 황을 포함하는 물질의 전자 전달 반응이 촉진되며, 향상된 용량 및 수명을 가지는 에너지 저장 장치를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide an energy storage device having an improved capacity and lifespan by promoting the electron transfer reaction of a substance containing sulfur such as an organic sulfur compound or unit sulfur by employing the above-described anode.

도 1은 구리가 담지된 탄소 분말의 X-선 회절도이다.1 is an X-ray diffraction diagram of copper-supported carbon powder.

도 2는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 단위셀의 방전 동안의 전압 곡선을 나타낸다.2 shows voltage curves during discharge of unit cells prepared in Example 1 and Comparative Example 1. FIG.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는In order to achieve the above object, in the present invention

전류 집전체; 및Current collectors; And

상기 전류 집전체 상에 코팅되며, 전도성 고분자, 황을 포함하는 물질 및 1㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 금속 미립자가 함유된 탄소를 포함하는 활물질을 포함하는 양극을 제공한다.Provided is a cathode coated on the current collector, including a conductive polymer, an active material including sulfur, and an active material including carbon containing metal fine particles having a particle size of 1 μm or less.

특히, 상기 금속 미립자가 구리, 철 및 은으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 금속 성분인 것이 바람직하며, 상기 금속미립자의 입자 크기가 100 nm 이하인 것이 더욱 바람직하다.In particular, the metal fine particles are preferably at least one metal component selected from the group consisting of copper, iron, and silver, and more preferably, the particle size of the metal fine particles is 100 nm or less.

상기한 본 발명의 다른 목적은Another object of the present invention described above

탄소에 금속염이 용해된 용액을 가하여 상기 탄소를 습윤시키는 단계;Adding a solution of a metal salt dissolved in carbon to wet the carbon;

습윤된 탄소를 건조시키는 단계;Drying the wet carbon;

건조된 금속 함유 탄소를 아르곤, 질소, 수소 또는 이들의 혼합 가스 분위기하에서 열처리하는 단계를 포함하는 1㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 금속 미립자가 포함된 탄소를 제조하는 단계; 및Preparing carbon containing metal fine particles having a particle size of 1 μm or less comprising heat-treating the dried metal-containing carbon in argon, nitrogen, hydrogen, or a mixed gas atmosphere thereof; And

상기 금속 미립자를 함유하는 탄소, 전도성 고분자 및 황을 포함하는 물질을 포함하는 활물질을 전류집전체 상에 코팅하는 단계를 포함하는 양극의 제조 방법에의해 달성된다.It is achieved by a method for producing a positive electrode comprising coating on the current collector an active material comprising a material containing carbon, a conductive polymer and sulfur containing the metal fine particles.

상기한 본 발명의 다른 목적은Another object of the present invention described above

전도성 고분자, 황을 포함하는 물질 및 탄소를 포함하는 활물질을 전류집전체상에 코팅하는 단계;Coating an active material including a conductive polymer, a material containing sulfur, and a carbon on a current collector;

금속염이 용해된 용액에 얻어진 전류집전체를 담그고 전류를 흘려 1㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 금속 미립자를 전류집전체 상에 침전시키는 단계를 포함하는 양극의 제조 방법에 의해서도 달성된다.It is also achieved by a method for producing a positive electrode comprising immersing a current collector obtained in a solution in which a metal salt is dissolved and flowing a current to precipitate metal fine particles having a particle size of 1 μm or less on the current collector.

본 발명의 또 다른 목적은 전류 집전체; 및Another object of the present invention is a current collector; And

상기 전류 집전체 상에 코팅되며, 전도성 고분자, 황을 포함하는 물질 및 1㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 금속 미립자가 함유된 탄소를 포함하는 활물질을 포함하는 양극을 포함하는 에너지 저장 장치에 의해 달성된다.Is achieved by an energy storage device coated on the current collector and including a positive electrode comprising a conductive polymer, a material containing sulfur and an active material comprising carbon containing metal fine particles having a particle size of 1 μm or less. .

이러한 에너지 저장 장치로서는 일차리튬전지, 이차리튬전지, 커패시터 등을 예로 들 수 있다.Examples of such energy storage devices include primary lithium batteries, secondary lithium batteries, and capacitors.

본 발명은 수십 나노미터 수준의 매우 작은 금속 입자를 도전제로 사용되는 탄소에 포함시켜 혼성 전극으로 제조하고, 그리고 이를 양극으로 채용함으로써 전지의 용량, 충방전 속도 및 수명을 향상시키고 안정성을 증가시킨 에너지 저장 장치와 관계되는 것이다.The present invention is made of a hybrid electrode by including a very small metal particles of several tens of nanometers in the carbon used as a conductive material, and employing it as a positive electrode to improve the capacity, charging and discharging speed and life of the battery and increase the stability It is related to storage.

즉, 본 발명에서는 미세한 크기의 금속 미립자를 유기 황화합물 또는 단위 황과 같은 황을 포함하는 물질과 함께 섞어 혼성 양극을 제조함으로써 기존 양극을 사용한 전지의 용량, 충방전 속도 및 수명을 향상시킬 수 있다. 특히, 금속 미립자를 탄소에 포함시키는 기술을 개발함으로써 종래의 기술에서 보다 훨씬 작은 크기의 금속 입자를 제조할 수 있게 되었는데, 작은 입자 크기로 인해서 금속 성분이 혼성 양극에 고르게 분포될 수 있으며 황을 포함하는 물질과 쉽게 반응할 수 있고 이러한 황을 포함하는 물질의 전자 전달 반응을 쉽게 촉진시킬 수 있는 것이다.That is, in the present invention, by mixing the fine metal particles with a material containing sulfur such as an organic sulfur compound or unit sulfur to prepare a hybrid positive electrode, it is possible to improve the capacity, charge and discharge rate and life of the battery using the conventional positive electrode. In particular, the development of a technique of incorporating metal particles into carbon has made it possible to produce metal particles of much smaller size than in the prior art, which allows the metal components to be evenly distributed in the hybrid anode and contains sulfur. It can be easily reacted with the material to facilitate the electron transfer reaction of such a sulfur-containing material.

특히, 탄소에 담지된 금속 입자는 담지되지 않은 금속 분말 또는 메탈 블랙과 비교할 때 매우 작은 입자 크기를 갖게 된다. 따라서, 금속 입자의 유효 표면적이 증가하게 되어 전극 무게당 용량이 증가하게 된다. 또한 작은 금속 입자는 혼성 양극 중에 고르게 분포할 수 있으며 이에 따라 황을 포함하는 물질, 특히 유기 황화합물과 보다 넓은 면적을 통하여 접촉할 수 있다. 즉, 황을 포함하는 물질의 전자전달 반응의 활성화, 황을 포함하는 물질과의 착체 형성으로 인한 안정성 등은 매우 작은 크기의 탄소에 담지된 금속 입자로 인해서 증가되는 것이다.In particular, the carbon-supported metal particles have a very small particle size as compared to the unsupported metal powder or metal black. Thus, the effective surface area of the metal particles is increased, thereby increasing the capacity per electrode weight. In addition, the small metal particles may be evenly distributed in the hybrid anode and thus contact with a sulfur-containing material, especially an organic sulfur compound, through a larger area. That is, the activation of the electron transfer reaction of the material containing sulfur, the stability due to complex formation with the material containing sulfur is increased due to the metal particles supported on the carbon of a very small size.

탄소에 금속 미립자를 함유시키는 방법으로는 다양한 방법이 적용될 수 있다. 예를 들면, 함침법(impregnation법), 침적법(deposition법), 초기 습윤법(incipient wetness법), 이온 교환법(ion-exchange법), 콜로이달 흡착법(colloidal adsorption법) 등이 있다.Various methods can be applied as a method of containing metal fine particles in carbon. For example, impregnation method, deposition method, incipient wetness method, ion-exchange method, colloidal adsorption method, etc. are mentioned.

금속 입자가 포함된 탄소를 함침법으로 제조하는 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a process of manufacturing carbon containing metal particles by an impregnation method will be described in detail.

지지체로서의 탄소에 원하는 금속염이 녹아있는 용액을 천천히 가한다. 이 때, 용액의 제조를 위해 사용되는 용매는 일반적으로 물이 선호되나 금속염이 녹을 수 있는 어떠한 유기 용매도 가능하다. 탄소에 대하여 포함되는 금속의 무게비는용액의 농도를 바꾸는 것에 의해 용이하게 조절할 수 있으며 셀용량과 사이클 성능을 비교할 때 바람직한 비는 10/1∼1/10 이며, 보다 바람직하게는 5/1∼1/5 이다.Slowly add a solution of the desired metal salt dissolved in carbon as a support. At this time, the solvent used for the preparation of the solution is generally water, but any organic solvent that can dissolve the metal salt is possible. The weight ratio of the metal to carbon can be easily adjusted by changing the concentration of the solution. When comparing the cell capacity and the cycle performance, the preferred ratio is 10/1 to 1/10, more preferably 5/1 to 1 / 5.

탄소가 용액에 모두 젖은 후에 용매를 제거하여 얻어진 분말을 건조시킨다. 이렇게 얻어진 분말은 바람직하게는 유발 등을 이용하여 고운 분말 형태로 만들어 주도록 한다. 이후 화학적으로 또는 열적으로 환원시켜 금속 입자가 담지된 탄소를 최종적으로 얻을 수 있다. 열처리 온도와 시간은 다양하게 조절될 수 있으며 이로 인해서 금속의 입자 크기를 변화시킬 수 있다. 열처리 온도는 200∼900℃ 범위가 적당하며 바람직하게는 400∼600℃가 적당하다. 또한 열처리 분위기는 아르곤, 질소 등의 비활성 분위기 또는 수소가 0∼100% 혼합된 분위기가 사용될 수 있다. 이에 더하여 구리, 철, 은과 같은 하나의 금속종 뿐만 아니라 이들을 포함하는 서로 다른 금속으로 이루어진 혼합물 또는 합금 또한 탄소에 담지시킬 수 있다.After the carbon is all wetted with the solution, the solvent is removed to dry the powder obtained. The powder thus obtained is preferably made into a fine powder form using a mortar or the like. It can then be chemically or thermally reduced to finally obtain the carbon on which the metal particles are supported. The heat treatment temperature and time can be controlled in various ways, thereby changing the particle size of the metal. The heat treatment temperature is suitably in the range of 200 to 900 ° C, preferably 400 to 600 ° C. In addition, the heat treatment atmosphere may be an inert atmosphere such as argon or nitrogen, or an atmosphere in which 0-100% of hydrogen is mixed. In addition, a single metal species such as copper, iron and silver, as well as mixtures or alloys of different metals containing them, may also be supported on carbon.

침적법에 의하여 금속 미립자를 포함하는 양극을 제조하는 방법은 다음과 같다.The method for producing a positive electrode containing metal fine particles by the deposition method is as follows.

먼저, 전도성 고분자, 유기 황화합물 또는 단위 황과 같은 황을 포함하는 물질 그리고 탄소를 포함하는 슬러리를 전류집전체에 코팅하여 제막한 후, 건조시켜 구리 침전용 전극을 제조하도록 한다. 이처럼 제조한 전극에 구리 금속 입자를 침전시키도록 한다. 예컨대, 구리 미립자의 침전을 위해서는 황산구리 용액과 황산을 섞어 적절한 양의 전류를 흘려 구리 금속 입자의 침전을 완성한다. 이 때, 덱스트린, 젤라틴, 황을 포함한 브라이트너, 설폰산 등이 첨가물로 사용될 수도 있다. 위침전액 외에도 CuCN, KCN, K2CO3용액을 섞은 후 전류를 흘려 구리 금속 입자를 침전시킬 수도 있다. 이 때, Na2SO3를 첨가제로 사용할 수 있다.First, a conductive polymer, an organic sulfur compound or a material containing sulfur such as unit sulfur and a slurry containing carbon are coated on a current collector to form a film, followed by drying to prepare an electrode for copper precipitation. The copper metal particles are precipitated on the electrode thus prepared. For example, in order to precipitate the copper fine particles, the copper sulfate solution and sulfuric acid are mixed to flow an appropriate amount of current to complete the precipitation of the copper metal particles. At this time, dextrin, gelatin, brightener including sulfur, sulfonic acid and the like may be used as an additive. In addition to gastric precipitating solution, CuCN, KCN, and K 2 CO 3 solutions may be mixed and current may be precipitated to precipitate copper metal particles. At this time, Na 2 SO 3 can be used as an additive.

이상과 같은 침전액 외에도 다양한 침전액이 금속 미립자의 침전을 위해 사용될 수 있으며, 이러한 방법 뿐 아니라 무전해 도금과 같은 다양한 침전 방법이 작은 크기의 금속 입자 침전 도금에 사용될 수 있을 것이다.In addition to the precipitates described above, a variety of precipitates may be used for the precipitation of the metal fine particles, as well as various precipitation methods such as electroless plating may be used for the precipitation of small-sized metal particles.

금속 미립자가 포함된 탄소를 사용한 양극의 제작 방법은 다음과 같다.The production method of the anode using carbon containing metal fine particles is as follows.

황을 포함하는 물질을 NMP, 아세토니트릴, 메틸 설폭사이드, 타피네올, 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 메탄올, 에탄올 등의 용매에 녹여 슬러리를 제조한다. 전극의 전도성을 향상시키기 위해서 상기한 방법에 따라 제조되어 금속 미립자를 함유하는 탄소를 첨가해 주도록 한다. 얻어지는 활물질 슬러리를 구리 도금된 전류집전체에 도포하고 이후 용매를 건조시켜 집전체 위에 전도성 고분자와 황을 포함하는 물질 그리고 금속 미립자를 함유하는 탄소가 섞여 있는 전극을 형성 한다.A sulfur-containing material is dissolved in a solvent such as NMP, acetonitrile, methyl sulfoxide, tapineol, acetone, tetrahydrofuran, methanol, ethanol and the like to prepare a slurry. In order to improve the conductivity of the electrode is prepared according to the above-described method to add carbon containing the metal fine particles. The resulting active material slurry is applied to a copper plated current collector and then the solvent is dried to form an electrode on which the carbon containing a conductive polymer, a sulfur-containing material, and metal fine particles is mixed on the current collector.

전도성 고분자로는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리비닐렌 페닐렌 및 폴리아센으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 화합물이 바람직하게 사용될 수 있다.As the conductive polymer, at least one compound selected from the group consisting of polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyvinylene phenylene and polyacene may be preferably used.

사용가능한 유기 황화합물로는 두 개 이상의 티올기를 가지는 디머캅토-1,3,4-디티아졸(dimercapto-1,3,4-dithiazole), 디메틸 에틸렌디아민(dimethyl ethylenediamine), 에틸렌디아민(ethylenediamine), 폴리에틸렌 이민 유도체(polyethylene imine derivative), 트리티오시아누릭애시드(trithiocyanuric acid), 피페라진(piperazine), 2,4-디티오피리미딘(2,4-dithiopyrimidine), 1,2-에탄디티올(1,2-ethanedithiol), 2-머캅토에틸 설파이드(2-mercaptoethyl sulfide), 트리티오시아누릭 애시드(trithiocyanuric acid) 등이 사용가능하며, 티올기가 하나 붙어 있는 구조의 2-머캅토티아졸린(2-mercaptothiazoline), 2-머캅토벤지미다졸(2-mercaptobenzimidazole), 2-머캅토피리미딘(2-mercaptopyrimidine), 1,2,4-트리아졸-3-티올(1,2,4-triazole-3-thiol), 2-머캅토피리딘(2-mercaptopyridine), 2-머캅토-5-메틸-1,3,4-티아디아졸(2-mercapto-5-methyl-1,3,4-thiadiazole), 2-머캅토벤조옥사졸(2-mercaptobenzoxazole), 2-머캅토-1-메틸이미다졸(2-mercapto-1-methylimidazole) 도 사용 가능하다. 또한 상술한 바와 같은 유기 황화합물 대신에 단위 유황을 첨가할 수도 있다.Organic sulfur compounds that can be used include dimercapto-1,3,4-dithiazole having two or more thiol groups, dimethyl ethylenediamine, ethylenediamine, polyethylene Polyethylene imine derivatives, trithiocyanuric acid, piperazine, 2,4-dithiopyrimidine, 1,2-ethanedithiol (1 , 2-ethanedithiol), 2-mercaptoethyl sulfide, trithiocyanuric acid, etc. can be used, and 2-mercaptothiazoline having a thiol group attached thereto (2- mercaptothiazoline), 2-mercaptobenzimidazole, 2-mercaptoppyrimidine, 1,2,4-triazole-3-thiol (1,2,4-triazole-3 -thiol), 2-mercaptopyridine, 2-mercapto-5-methyl-1,3,4-thiadiazole (2-mercapto-5-methyl-1,3,4-thiadiazole) , 2-mercaptoben The oxazole (2-mercaptobenzoxazole), 2- mercapto-1-methyl-imidazole may be used as (2-mercapto-1-methylimidazole). It is also possible to add unit sulfur instead of the organic sulfur compounds as described above.

상기 전도성 고분자와 상기 황을 포함하는 물질의 첨가량은 중량비로 1:10 ∼10:1의 범위가 되도록 하는 것이 바람직하다. 만약 전도성 고분자의 함량이 상기 범위를 초과하여 사용되는 경우에는 사이클 성능은 향상되나 셀 용량이 감소하는 경향을 나타내고 이의 함량이 상기 범위 미만인 경우에는 반대로 셀 용량은 증가하나 사이클 성능이 감소되는 경향을 나타내므로 상기한 혼합비로 첨가하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 이들의 첨가비를 1:1∼4:1가 되도록 한다.The amount of the conductive polymer and the sulfur-containing material is preferably in the range of 1:10 to 10: 1 by weight. If the content of the conductive polymer is used in the above range, the cycle performance is improved but the cell capacity tends to be decreased. If the content of the conductive polymer is less than the above range, the cell capacity is increased but the cycle performance is decreased. Therefore, it is preferable to add it at the above-mentioned mixing ratio. More preferably, the addition ratio thereof is 1: 1 to 4: 1.

제조된 양극을 이용하여 리튬이차전지를 제조하는 방법은 다음과 같다.A method of manufacturing a lithium secondary battery using the prepared cathode is as follows.

이와 같이 전류집전체 상에 금속 미립자를 함유하는 탄소를 포함시킨 양극과 리튬 또는 카본 음극 사이에 세퍼레이터 또는 고분자 전해질이 끼워져 있는 구조로단위셀을 제작한다. 적층 구조의 셀인 경우 양극과 전해질, 그리고 음극이 순서대로 위치하는 구조로 제작된다. 전극의 무지부에 탭을 부착시킨 후 알루미늄 캔 또는 알루미늄팩을 이용하여 포장하여 실링하여 리튬이차전지를 제조한다.In this way, a unit cell is manufactured in a structure in which a separator or a polymer electrolyte is sandwiched between a positive electrode containing carbon containing metal fine particles on a current collector and a lithium or carbon negative electrode. In the case of the stacked cell, the anode, the electrolyte, and the cathode are fabricated in order. After attaching a tab to an uncoated portion of the electrode, a lithium secondary battery is manufactured by sealing by packaging using an aluminum can or an aluminum pack.

이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples.

<실시예 1><Example 1>

Cu(NO3)229.5g을 증류수 50㎖에 녹인 용액을 아세틸렌 블랙 10g에 천천히 가하였다. 모든 탄소가 충분히 용액으로 젖은 후에 110℃ 컨백션 오븐에서 모든 증류수를 증발시켰다. 이후 유발을 이용하여 고운 분말로 만든 후 110℃ 컨백션 오븐에서 하루 동안 건조시켰다. 건조된 분말은 10% (부피비) 수소가 포함된 Ar 분위기에서 2시간 동안 500℃로 열처리하여 환원시켰다.A solution of 29.5 g of Cu (NO 3 ) 2 dissolved in 50 ml of distilled water was slowly added to 10 g of acetylene black. After all the carbon was sufficiently wetted with solution, all distilled water was evaporated in a 110 ° C. convection oven. Then, using a mortar to make a fine powder and dried in a 110 ℃ convection oven for one day. The dried powder was reduced by heat treatment at 500 ° C. for 2 hours in an Ar atmosphere containing 10% (volume ratio) hydrogen.

이렇게 제조되어 구리 미립자가 담지된 탄소 분말의 X-선 회절도가 도 1에 나타나 있다. Cu 금속의 면심입방구조에 의한 회절 피크만 볼 수 있으며 이는 구리 이온이 모두 구리 금속으로 환원되었으며 다른 불순물이 존재하지 않음을 의미한다. (111) 주 피크의 선폭으로부터 담지된 구리 입자의 평균 크기가 15nm 임을 알 수 있다. 이상에서 제조된 구리가 담지된 탄소를 사용하여 혼성 양극, 그리고 리튬이차전지를 아래와 같이 제조하였다.The X-ray diffraction diagram of the carbon powder thus prepared and supported with the copper fine particles is shown in FIG. 1. Only diffraction peaks due to the surface centered cubic structure of Cu metal can be seen, which means that all of the copper ions are reduced to copper metal and no other impurities are present. It can be seen from the line width of the (111) main peak that the average size of the supported copper particles is 15 nm. A hybrid positive electrode and a lithium secondary battery were manufactured using the copper supported carbon prepared above as described below.

두 개의 티올기를 가지는 디머캅토-1,3,4-디티아졸 2g, 폴리아닐린(35% 산화됨) 1g, 그리고 구리 미립자가 담지된 아세틸렌 블랙 1g을 NMP 12g에 섞은 후 이를 구리 도금된 전류집전체에 제막한 후, 이를 60℃ 진공하에서 3시간 동안 건조시켜전극을 완성하였다. 제조된 혼성 양극, 폴리아크릴로니트릴계 고분자 전해질 및 금속 리튬을 적층하여 단위 전지를 제조하였다(셀 A).2 g of dimercapto-1,3,4-dithiazole having two thiol groups, 1 g of polyaniline (35% oxidized), and 1 g of acetylene black loaded with copper fine particles were mixed with NMP 12 g, which was then added to a copper plated current collector. After the film formation, it was dried under vacuum at 60 ° C. for 3 hours to complete the electrode. A unit cell was prepared by stacking the prepared hybrid positive electrode, polyacrylonitrile-based polymer electrolyte, and metallic lithium (cell A).

<실시예 2><Example 2>

두 개의 티올기를 갖는 디머캅토-1,3,4-디티아졸 2g, 폴리아닐린 (35% 산화됨) 1g, 그리고 아세틸렌 블랙 1g을 NMP 12g에 섞은 후 이를 전류집전체에 제막한 후, 60℃ 진공하에서 3시간 동안 건조시켜 구리 침전용 전극을 제조하였다. 이처럼 제조한 전극에 구리 금속 미립자를 다음과 같은 방법으로 침전시켰다.2 g of dimercapto-1,3,4-dithiazole having two thiol groups, 1 g of polyaniline (35% oxidized), and 1 g of acetylene black were mixed with NMP 12 g, which was then formed into a current collector, followed by vacuum at 60 ° C. Drying for 3 hours to prepare an electrode for copper precipitation. Copper metal fine particles were precipitated on the electrode thus prepared in the following manner.

구리 침전을 위한 200∼250 gdm-3황산구리 용액과 25∼50 gdm-3황산을 섞어 약 20∼40℃의 온도에서 20∼50 mAcm-2의 전류를 흘려 구리 금속 입자의 침전을 완성하였다. 이 때, 덱스트린, 젤라틴, 황을 포함한 브라이트너 및 설폰산을 첨가물로서 미량씩 첨가하여 구리 금속 미립자가 침전된 양극을 제조하였다.200-250 gdm- 3 copper sulfate solution and 25-50 gdm- 3 sulfuric acid solution for copper precipitation were mixed, and 20-50 mAcm <-2> current was passed at the temperature of about 20-40 degreeC, and the precipitation of the copper metal particle was completed. At this time, dextrin, gelatin, brightener including sulfur and sulfonic acid were added in small amounts as additives to prepare a cathode in which copper fine particles were precipitated.

<실시예 3><Example 3>

두 개의 티올기를 갖는 디머캅토-1,3,4-디티아졸 2g, 폴리아닐린 (35% 산화됨) 1g, 그리고 아세틸렌 블랙 1g을 NMP 12g에 섞은 후 이를 전류집전체에 제막한 후, 60℃ 진공하에서 3시간 동안 건조시켜 구리 침전용 전극을 제조하였다. 이처럼 제조한 전극에 다음과 같은 방법으로 구리 금속 미립자를 침전시켰다.2 g of dimercapto-1,3,4-dithiazole having two thiol groups, 1 g of polyaniline (35% oxidized), and 1 g of acetylene black were mixed with NMP 12 g, which was then formed into a current collector, followed by vacuum at 60 ° C. Drying for 3 hours to prepare an electrode for copper precipitation. Copper metal fine particles were precipitated on the electrode thus prepared in the following manner.

40∼50 gdm-3CuCN, 20∼30 gdm-3KCN, 5∼25 gdm-3K2CO3용액을 섞은 후 40∼70℃의 온도에서 10∼40mAcm-2의 전류를 흘려 구리 금속 입자를 침전시켰다. 이때, Na2SO3를 첨가제로서 미량 첨가하여 구리 금속 미립자가 침전된 양극을 제조하였다. 40~50 gdm -3 CuCN, 20~30 gdm -3 KCN, 5~25 gdm -3 K 2 CO 3 solution, the copper metal particles flowing a current of 10~40mAcm -2 at a temperature of 40~70 ℃ Mix Precipitated. At this time, a small amount of Na 2 SO 3 was added as an additive to prepare a cathode in which copper metal fine particles precipitated.

<실시예 4><Example 4>

Cu(NO3)214.8g, Fe(NO3)221.65g을 증류수 50㎖에 녹인 용액을 아세틸렌 블랙 10g에 천천히 가하였다. 모든 탄소가 충분히 용액으로 젖은 후에 110℃ 컨백션 오븐에서 모든 증류수를 증발시켰다. 이후 유발을 이용하여 고운 분말로 만든 후 110℃ 컨백션 오븐에서 하루 건조시켰다. 건조된 분말은 10% (부피비) 수소가 포함된 Ar 분위기에서 3시간 동안 500℃로 환원시켰다. 원자비 1:1의 구리-철 합금이 담지된 탄소 입자를 얻었다. (탄소:합금의 무게비 = 50:50).A solution obtained by dissolving 14.8 g of Cu (NO 3 ) 2 and 21.65 g of Fe (NO 3 ) 2 in 50 ml of distilled water was slowly added to 10 g of acetylene black. After all the carbon was sufficiently wetted with solution, all distilled water was evaporated in a 110 ° C. convection oven. After the use of the induction to make a fine powder and dried in a 110 ℃ convection oven for one day. The dried powder was reduced to 500 ° C. for 3 hours in an Ar atmosphere containing 10% (volume ratio) hydrogen. Carbon particles carrying an copper ratio of 1: 1 in an atomic ratio were obtained. (Weight ratio of carbon to alloy = 50:50).

<비교예 1>Comparative Example 1

디머캅토-1,3,4-디티아졸 2g, 폴리아닐린(35% 산화됨) 1g, 그리고 아세틸렌 블랙 1g을 NMP 12g에 섞은 후 이를 구리 도금된 전류집전체에 제막한 후, 이를 60℃ 진공하에서 3시간 동안 건조시켜 전극을 제조하였다. 이를 폴리아크릴로니트릴계 고분자 전해질 및 금속 리튬과 적층하여 단위전지를 제조하였다(셀 B).2 g of dimercapto-1,3,4-dithiazole, 1 g of polyaniline (35% oxidized), and 1 g of acetylene black were mixed with 12 g of NMP, which was then deposited on a copper plated current collector, and then Drying over time gave an electrode. This was laminated with a polyacrylonitrile-based polymer electrolyte and metallic lithium to prepare a unit cell (cell B).

도 2에 실시예 1를 통해 제조된 전지와 비교예 1에 의해 제조된 전지의 방전 동안의 전압 곡선이 나타나 있다. 셀 B의 경우와 비교할 때, 셀 A는 약 2배의 방전 용량을 나타낸다. 이는 탄소에 담지된 구리가 방전 용량에 참여하며 유기 황화합물의 S-S 결합이 끊어지는 반응을 활성화함을 의미한다.2 shows the voltage curves during discharging of the battery produced via Example 1 and the battery prepared by Comparative Example 1. FIG. Compared with the case of cell B, cell A exhibits about twice the discharge capacity. This means that the copper supported on carbon participates in the discharge capacity and activates the reaction in which the S-S bond of the organic sulfur compound is broken.

이상과 같은 본 발명에 따라 미세한 크기를 갖는 금속 미립자가 포함된 탄소를 황을 포함하는 물질과 섞어 혼성 양극을 제조하면 금속 입자가 황을 포함하는 물질과 함께 활물질로 작용하여 양극의 용량이 증가하게 된다. 전지가 충전되면 금속 입자는 산화되며 방전시에는 다시 금속으로 환원되면서 용량에 기여하게 된다. 또한 금속 입자는 황을 포함하는 물질의 전자 전달 반응을 활성화시키는 역할을 한다. 따라서, 황을 포함하는 물질의 용량을 충분히 이용할 수 있게 된다. 마지막으로 금속 입자는 충전과정 중에 용해되어 유기 황화합물 또는 단위황과 같은 황을 포함하는 물질과 착체를 형성할 수 있으며, 이러한 착체의 형성으로 황을 포함하는 물질이 전해액에 용해되는 것을 막을 수 있다. 이는 황을 포함하는 물질을 활물질로 하여 제조한 전지의 수명을 향상시킬 수 있음을 의미한다.According to the present invention, when a mixed positive electrode is prepared by mixing carbon containing metal fine particles having a fine size with a material containing sulfur, the metal particles act as an active material together with a material containing sulfur to increase the capacity of the positive electrode. do. When the battery is charged, the metal particles are oxidized, and when discharged, the metal particles are reduced to metal again to contribute to capacity. In addition, the metal particles serve to activate the electron transfer reaction of the material containing sulfur. Thus, the capacity of the substance containing sulfur can be fully utilized. Finally, the metal particles may be dissolved during the filling process to form a complex with a substance containing sulfur such as an organic sulfur compound or unit sulfur, and the formation of the complex may prevent the substance containing sulfur from being dissolved in the electrolyte. This means that the life of a battery manufactured using a material containing sulfur as an active material can be improved.

이상에서는 본 발명의 실시예에 따라 본 발명이 설명되었지만, 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자라면 명확히 인지할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above according to an embodiment of the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention.

Claims (11)

전류 집전체; 및Current collectors; And 상기 전류 집전체 상에 코팅되며, 전도성 고분자, 황을 포함하는 물질 및 1㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 금속미립자가 함유된 탄소를 포함하는 활물질을 포함하는 양극.A positive electrode comprising an active material coated on the current collector, the active polymer including a conductive polymer, a material containing sulfur and carbon containing metal fine particles having a particle size of 1 μm or less. 제1항에 있어서, 상기 황을 포함하는 물질이 유기 황화합물 또는 단위 황인 것을 특징으로 하는 양극.The anode according to claim 1, wherein the sulfur-containing material is an organic sulfur compound or unit sulfur. 제1항에 있어서, 상기 금속미립자가 구리, 철 및 은으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 금속 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 양극.The anode according to claim 1, wherein the metal fine particles are composed of at least one metal component selected from the group consisting of copper, iron, and silver. 제1항에 있어서, 상기 금속미립자와 탄소의 무게비는 10/1∼1/10 범위인 것을 특징으로 하는 양극.The anode according to claim 1, wherein the weight ratio of the metal fine particles to carbon is in the range of 10/1 to 1/10. 제1항에 있어서, 상기 금속미립자의 입자 크기가 100 nm 이하인 것을 특징으로 하는 양극.The anode according to claim 1, wherein the particle size of the metal fine particles is 100 nm or less. 탄소에 금속염이 용해된 용액을 가하여 상기 탄소를 습윤시키는 단계;Adding a solution of a metal salt dissolved in carbon to wet the carbon; 습윤된 탄소를 건조시키는 단계;Drying the wet carbon; 건조된 금속 함유 탄소를 아르곤, 질소, 수소 또는 이들의 혼합 가스 분위기하에서 열처리하는 단계를 포함하는 1㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 금속 미립자가 포함된 탄소의 제조하는 단계; 및Preparing carbon containing metal fine particles having a particle size of less than or equal to 1 μm comprising heat treating the dried metal-containing carbon under argon, nitrogen, hydrogen, or a mixed gas atmosphere thereof; And 상기 금속 미립자를 함유하는 탄소, 전도성 고분자 및 황을 포함하는 물질을 포함하는 활물질을 전류집전체 상에 코팅하는 단계를 포함하는 양극의 제조 방법.A method of manufacturing a positive electrode comprising coating an active material comprising a material containing carbon, a conductive polymer, and sulfur containing the metal fine particles on a current collector. 제6항에 있어서, 상기 열처리 온도가 200∼900℃ 범위인 것을 특징으로 하는 제조 방법.The method according to claim 6, wherein the heat treatment temperature is in the range of 200 to 900 ° C. 제6항에 있어서, 상기 건조된 금속 함유 탄소를 분쇄하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.7. The method of claim 6, further comprising pulverizing the dried metal-containing carbon. 전도성 고분자, 황을 포함하는 물질 및 탄소를 포함하는 활물질을 전류집전체상에 코팅하는 단계;Coating an active material including a conductive polymer, a material containing sulfur, and a carbon on a current collector; 금속염이 용해된 용액에 얻어진 전류집전체를 담그고 전류를 흘려 1㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 금속 미립자를 전류집전체 상에 침전시키는 단계를 포함하는 양극의 제조 방법.A method for producing a positive electrode, comprising the step of dipping a current collector obtained by dissolving a metal salt and flowing a current to precipitate metal fine particles having a particle size of 1 μm or less on the current collector. 청구항 1항에 따른 양극을 포함하는 에너지 저장 장치.An energy storage device comprising an anode according to claim 1. 제10항에 있어서, 상기 에너지 저장 장치가 일차리튬전지, 이차리튬전지 또는 커패시터인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.The energy storage device of claim 10, wherein the energy storage device is a primary lithium battery, a secondary lithium battery, or a capacitor.
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