KR20030006746A - Cathodic material and lithium-sulfur battery having the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 양극용 도전재 및 이를 이용한 리튬 전지에 관한 것으로서, 보다상세하게는 양극의 기계적 특성을 향상시키는 동시에 설퍼의 이용률이 증가된 즉, 용량이 증가된 양극의 전해액에 대한 함침성 즉, 활물질인 황의 이용률이 증가된 또한 양극의 밀도 즉, 중량당 및 부피당 에너지가 증가된 전지를 제조할 수 있는 양극용 도전재 및 리튬-황 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a conductive material for a positive electrode and a lithium battery using the same, and more particularly, improves the mechanical properties of the positive electrode and at the same time increases the utilization of sulfur, that is, the impregnating ability of the positive electrode with increased capacity, that is, the active material The present invention relates to a conductive material for a positive electrode and a lithium-sulfur battery capable of producing a battery having an increased utilization of phosphorus sulfur and also an increase in the density of the positive electrode, that is, the energy per weight and the volume.
휴대전화기 등의 이동 기기 뿐만 아니라 노트북 컴퓨터에 이르기까지 모든 휴대용 전자 기기에는 휴대용 전원이 요구된다. 최근에는 리튬 금속 산화물을 양극재료로, 리튬 이온의 층간 삽입이 가능한 카본을 음극재료로 사용하는 리튬 이온 전지가 휴대용 전원으로 사용되고 있다. 이들을 이용한 리튬 이온 전지는 약 100~180Wh/kg의 에너지 밀도를 나타낸다. 그러나 전자 기기의 고성능화, 전기 자동차 등의 개발과 더불어 고용량 이차 전지의 필요성이 대두되었으며 이로 인하여 기존의 양극 재료 및 음극 재료보다 중량당, 부피당 에너지가 증가한 새로운 재료의 개발이 필요하게 되었다.Portable power supplies are required for all portable electronic devices, including notebook computers as well as mobile devices such as mobile phones. Recently, lithium ion batteries using lithium metal oxide as a cathode material and carbon capable of intercalating lithium ions as a cathode material have been used as portable power sources. The lithium ion battery using these shows an energy density of about 100-180 Wh / kg. However, along with the development of high performance electronic devices and electric vehicles, the necessity of high capacity secondary batteries has emerged. As a result, the development of new materials having increased energy per weight and volume than conventional cathode materials and cathode materials has been required.
황은 1675mAh/g의 높은 용량을 나타내며, 경제적이고, 금속 산화물에 비하여 환경 친화적이라는 장점으로 인하여 새로운 양극재료로 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 황 입자는 부도체이므로 이를 양극의 활물질로 사용하기 위해서는 황 입자에 전자 전도성을 부여할 수 있도록 하는 도전재가 필수적이다. 이 때 사용될 수 있는 도전재로는 분말, 섬유상, 박편 형태 등의 금속 입자, 전도성 고분자, 카본 등이 있다. 이중에서 카본이 가장 일반적으로 사용되는 도전재이며, 특히 카본 블랙 계통의 도전재가 리튬-황 전지 뿐만 아니라 리튬 이온 전지 등을 포함한 다른 종류의 전지, 수퍼캐패시터, 연료 전지 등에 널리 사용되고 있다.Sulfur has a high capacity of 1675mAh / g, and is being researched as a new anode material due to its economical and environmentally friendly advantages over metal oxides. However, since the sulfur particles are insulators, in order to use them as the active material of the positive electrode, a conductive material for imparting electronic conductivity to the sulfur particles is essential. The conductive material that can be used at this time is a metal particle, such as powder, fibrous, flake form, conductive polymer, carbon and the like. Among them, carbon is the most commonly used conductive material, and in particular, the carbon black-based conductive material is widely used for lithium-sulfur batteries as well as other kinds of batteries, supercapacitors and fuel cells, including lithium ion batteries.
그러나 아세틸렌 블랙, 켓첸 블랙 등으로 대표되는 카본 블랙은 매우 작은 입자 크기로(수십 나노미터) 인해서 이를 포함한 양극의 전해액에 대한 함침성은 크지않다. 전해액에 대한 함침성은 양극의 사용 가능한 용량을 결정짓는 매우 중요한 인자이며, 특히 리튬-황 전지의 경우 황의 이용률은 양극의 전해액에 대한 함침성에 의해서 결정되어 진다.However, carbon blacks represented by acetylene black and ketjen black have very small particle size (tens of nanometers), so the impregnation of the anode containing them is not large. Impregnation of the electrolyte is a very important factor in determining the usable capacity of the positive electrode. In the case of lithium-sulfur batteries, the utilization of sulfur is determined by the impregnation of the positive electrode with electrolyte.
양극의 전해액에 대한 함침성을 증가시키기 위해서 카본 블랙과 카본 나노파이버의 혼합 도전재가 사용된다. 상기 카본 나노파이버의 구조적인 특징으로 인해서 상기 혼합 도전재를 포함하는 양극은 다공성 구조를 이루게 되고, 이로 인해서 전해액에 대한 함침성이 향상되어, 결과적으로 활물질인 황의 이용률이 증가하게 된다. 그러나 카본 나노파이버를 포함한 혼합 도전재를 사용할 경우 양극의 전극 밀도가 카본 블랙만을 도전재로 사용한 경우보다 감소하게 되며, 이로 인해서 이러한 양극을 사용한 리튬-황 전지의 중량당 에너지 및 부피당 에너지가 감소하게 되는 문제점이 있다. 또한 카본 나노파이버의 구조적인 특징으로 인하여 제조된 양극의 결착력 및 집전체와의 접착력을 포함한 전극 상태가 저하되는 문제점이 있다.A mixed conductive material of carbon black and carbon nanofibers is used to increase the impregnation of the positive electrode with the electrolyte. Due to the structural characteristics of the carbon nanofibers, the positive electrode including the mixed conductive material forms a porous structure, thereby improving the impregnation of the electrolyte, and consequently, the utilization rate of sulfur as an active material is increased. However, when the mixed conductive material containing carbon nanofibers is used, the electrode density of the positive electrode is reduced compared to the case of using only carbon black as the conductive material, thereby reducing energy per weight and energy per volume of the lithium-sulfur battery using the positive electrode. There is a problem. In addition, due to the structural characteristics of the carbon nanofibers, there is a problem in that the electrode state including the binding force of the manufactured positive electrode and the adhesive force with the current collector is lowered.
따라서, 본 발명의 제1 목적은 전해액에 대한 함침성 및 전극 밀도를 증가시키며 집전체와의 접착력 및 결착력을 포함한 전극 상태를 개선시키는 양극용 도전재를 제공하는 데 있다.Accordingly, a first object of the present invention is to provide a conductive material for a positive electrode, which increases the impregnation property and electrode density in an electrolyte solution and improves an electrode state including adhesion and binding force with a current collector.
본 발명의 제2 목적은 상기한 양극을 채용하는 것에 의해 중량당 에너지 및 부피당 에너지 및 수명이 증가된 리튬-황 전지를 제공하는 데 있다.A second object of the present invention is to provide a lithium-sulfur battery in which energy per weight, energy per volume, and lifetime are increased by employing the positive electrode described above.
도 1은 비교예 1 및 2 와 실시예 1 및 2에 의해 제조된 양극의 도전재 비율과 전극밀도 및 상기 양극으로 구성된 리튬-황 전지의 중량당, 부피당 에너지를 나타낸 것이다.Figure 1 shows the ratio of the conductive material and the electrode density of the positive electrode prepared by Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2 and the energy per weight, volume per volume of the lithium-sulfur battery composed of the positive electrode.
도 2는 비교예 1에 따라 제조된 양극을 이용하여 구성한 리튬-황 전지의 싸이클 특성을 나타내는 그래프도이다.2 is a graph showing the cycle characteristics of a lithium-sulfur battery constructed using a positive electrode prepared according to Comparative Example 1.
도 3은 본 발명의 비교예 2에 따라 제조된 양극을 이용하여 구성한 리튬-황 전지의 싸이클 특성을 나타내는 그래프도이다.3 is a graph showing cycle characteristics of a lithium-sulfur battery constructed using a positive electrode prepared according to Comparative Example 2 of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 양극을 이용하여 구성한 리튬-황 전지의 싸이클 특성을 나타내는 그래프도이다.4 is a graph showing cycle characteristics of a lithium-sulfur battery constructed using a positive electrode manufactured according to Example 1 of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 양극을 이용하여 구성한 리튬-황 전지의 싸이클 특성을 나타내는 그래프도이다.5 is a graph showing cycle characteristics of a lithium-sulfur battery constructed using a positive electrode prepared according to Example 2 of the present invention.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에서는 카본 블랙 9∼95중량% 및 카본 나노파이버 95∼5중량%로 이루어진 혼합 도전재 100중량부와 그라파이트 0.5∼60중량부의 비율로 혼합하여 형성된 리튬-황 전지의 양극용 도전재를 제공한다.In the present invention for achieving the above object is a lithium-sulfur battery formed by mixing in a proportion of 100 parts by weight of the mixed conductive material consisting of 9 to 95% by weight of carbon black and 95 to 5% by weight of carbon nanofibers and 0.5 to 60 parts by weight of graphite A conductive material for positive electrode is provided.
본 발명은 또한 상술한 양극용 도전재를 포함하는 리튬-황 전지를 제공한다.The present invention also provides a lithium-sulfur battery comprising the conductive material for the positive electrode described above.
양극의 전해액에 대한 함침성의 증가로 황 혹은 유기황 등 활물질의 이용률이 증가되며, 양극 전극 밀도의 증가로 인하여 상기 양극을 포함한 리튬-황 전지의 중량당 에너지, 부피당 에너지가 증가하며 양극 코팅 층과 집전체간의 접착력 증가로 상기 양극을 포함한 리튬 전지의 수명이 증가하게 된다.The use of active materials such as sulfur or organic sulfur is increased due to the impregnation of the electrolyte with the electrolyte, and the energy per weight and energy per volume of the lithium-sulfur battery including the cathode are increased due to the increase in the anode electrode density. As the adhesion between the current collectors increases, the lifespan of the lithium battery including the positive electrode increases.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 도전재는 카본 블랙, 카본 나노파이버 카본 나노파이버 섬유상 그라파이트 및 카본 나노 튜브중에서 선택된 적어도 하나 및 그라파이트를 주성분으로 혼합하여 형성한다.The conductive material of the present invention is formed by mixing at least one selected from carbon black, carbon nanofiber carbon nanofiber fibrous graphite and carbon nanotube, and graphite as a main component.
상기 카본 블랙은 일반적으로 0.2㎛ 미만, 특히 0.05㎛ 미만의 입자 크기를 가지며 표면적은 1000m2/g 미만 특히 100m2/g 미만이며, 부도체인 황 입자에 전자 전도성을 부여하는 역할을 하게 된다.The carbon black generally has a particle size of less than 0.2 μm, in particular less than 0.05 μm, and a surface area of less than 1000 m 2 / g, especially less than 100 m 2 / g, and serves to impart electronic conductivity to the sulfur particles which are insulators.
상기 카본 나노파이버는 지름 1.0㎛ 미만, 특히 0.2㎛ 미만이며 길이는 100㎛ 미만 특히 30㎛ 미만이며 표면적은 500m2/g 미만 특히 50m2/g 미만이며 양극의 전해액에 대한 함침성 향상을 위하여 포함된다.The carbon nanofibers have a diameter of less than 1.0 μm, in particular less than 0.2 μm, a length of less than 100 μm, in particular less than 30 μm, and a surface area of less than 500 m 2 / g, especially less than 50 m 2 / g, to improve the impregnation of the electrolyte of the positive electrode. do.
상기 그라파이트 입자는 구형 또는 불완전한 구체 또는 얇은 조각 등의 형태를 가지며 입자 크기는 50㎛ 미만 특히 15㎛ 미만이며 표면적은 200m2/g 미만 특히 30m2/g 미만이며 양극의 전극 밀도를 증가시키며 결착력, 접착력 등을 포함한 기계적 특성을 향상시키기 위하여 포함된다.The graphite particles have the form of spherical or incomplete spheres or flakes, and have a particle size of less than 50 μm, in particular less than 15 μm, a surface area of less than 200 m 2 / g, especially less than 30 m 2 / g, and increase the electrode density of the anode, It is included to improve mechanical properties, including adhesion.
상기 카본 나노파이버로서는 섬유상 그라파이트 또는 카본 나노튜브를 들 수 있다. 이때 섬유상 그라파이트는 지름 15㎛ 미만, 특히 10㎛ 미만이며 길이는 150㎛ 미만 특히 100㎛ 미만이며 표면적은 50m2/g 미만 특히 100m2/g 미만이 선호된다.Examples of the carbon nanofibers include fibrous graphite or carbon nanotubes. The fibrous graphite is preferably less than 15 μm in diameter, especially less than 10 μm, less than 150 μm in length and less than 100 μm in length and less than 50 m 2 / g, in particular less than 100 m 2 / g.
상기 도전재를 제조하기 위하여는 먼저 카본 블랙 5 내지 95 중량%, 바람직하게는 30 내지 70중량%, 더욱 바람직하게는 40 내지 60중량%와 카본 나노파이버, 95 내지 5중량%, 바람직하게는 70 내지 30중량%, 더욱 바람직하게는 60 내지 40중량%를 혼합하여 혼합 도전재를 수득한다. 상기 혼합도전재에 혼합 도전재 100중량부등 그라파이트 0.5 내지 60중량%, 바람직하게는 2 내지 30중량%, 더욱 바람직하게는 4 내지 15중량%를 첨가하여 본 발명에 따른 양극용 도전재를 수득한다.In order to prepare the conductive material, carbon black 5 to 95% by weight, preferably 30 to 70% by weight, more preferably 40 to 60% by weight and carbon nanofibers, 95 to 5% by weight, preferably 70 To 30% by weight, more preferably 60 to 40% by weight is mixed to obtain a mixed conductive material. To the mixed conductive material is added 0.5 to 60% by weight, preferably 2 to 30% by weight, more preferably 4 to 15% by weight, such as 100 parts by weight of the mixed conductive material, to obtain a conductive material for a positive electrode according to the present invention. .
본 발명에 의하면, 또한, 카본 블랙, 카본 나노파이버 및 그라파이트를 포함하는 양극용 도전재, 활물질, 및 결합재로 이루어진 양극을 포함하여 구성된 리튬-황 전지가 제공된다.According to the present invention, there is also provided a lithium-sulfur battery comprising a positive electrode made of a conductive material for a positive electrode including carbon black, carbon nanofibers and graphite, an active material, and a binder.
상기 활물질은 단위황 또는 충/방전 동안에 황-황 원자간의 결합/분리가 가능한 유기황 화합물을 포함한다.The active material includes an organic sulfur compound capable of bonding / separation between sulfur-sulfur atoms during unit sulfur or charging / discharging.
본 발명은 카본 블랙, 카본 나노파이버, 및 그라파이트로 이루어지는 도전재를 채용하여 양극을 제조하고, 그리고 이를 양극으로 채용함으로써 전지의 중량당 에너지 및 부피당 에너지 및 수명을 향상시킨 에너지 저장 장치와 관계되는 것이다.The present invention relates to an energy storage device that employs a conductive material composed of carbon black, carbon nanofibers, and graphite to manufacture a positive electrode, and employs the positive electrode as the positive electrode, thereby improving energy per weight, energy per volume, and lifetime. .
상기 도전재를 채용한 리튬-황 전지의 구성에 대해 설명하고자 한다.The structure of the lithium-sulfur battery employing the conductive material will be described.
사용 가능한 양극으로는 황 또는 유기황이 활물질로 작용하는 전극이며, 리튬의 층간삽입이 가능한 금속산화물, 금속 자체 또는 충/방전시 산화/환원이 가능한 전도성 고분자 등의 다양한 보조적인 활물질의 첨가가 가능하다. 활물질로서 황 혹은 유기황 화합물이란 충/방전과정에서 황-황 원자의 결합/분리가 가능한 물질을 의미한다. 이러한 의미에서의 활물질은 황분자(S8), 폴리설파이드(Li2Sx, 1<x), 황-카본 폴리머, 디엠씨티(DMcT, 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole), 티티씨에이(TTCA, 1,3,5-trithiocyanuic acid) 등을 포함한 다이설파이드화합물을 포함한다. 황 또는 유기황 활물질은 부도체인 관계로 이들 활물질로의 전자 전달을 용이하게 하기 위하여 상기에서 기 설명한 혼합 도전재를 사용한다. 그리고 활물질과 도전재의 결합을 위하여 결합재가 첨가된다. 또한 황 또는 유기황 화합물이 제외된 양극을 제조하고 전해액에 황을 포함한 활물질을 첨가하는 것 역시 가능하다. 사용 가능한 음극으로는 주기율표상의 1족 또는 2족 원소로서, 보통 리튬 금속, 리튬 금속 시트, 리튬 금속 분말, 리튬 합금, 나트륨 금속 및 합금 등을 이용할 수 있다. 전해액은 적층 구조 및 와인딩 구조로 전지를 조립한 후에 주입하는 방법을 사용한다. 젤 형태의 고분자 전해질을 사용하는 경우에는 전해액이 함유된 고분자전해질을 이용하여 전지를 조립한다. 이 경우 양극 내에도 황, 카본과 함께 고분자 전해질을 첨가할 수 있다. 젤 형태가 아닌 고체 고분자 전해질 역시 사용할 수 있으며 이 경우에는 액체 전해질의 추가적인 주입은 없다.The positive electrode that can be used is an electrode in which sulfur or organic sulfur acts as an active material, and various auxiliary active materials such as a metal oxide capable of intercalating lithium, a metal itself, or a conductive polymer capable of oxidation / reduction during charge / discharge can be added. . Sulfur or an organic sulfur compound as an active material means a material capable of bonding / separating sulfur-sulfur atoms during charging / discharging. Active materials in this sense are sulfur molecules (S 8 ), polysulfides (Li 2 S x , 1 <x), sulfur-carbon polymers, DMC (DMcT, 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole) And disulfide compounds including TTCA, 1,3,5-trithiocyanuic acid, and the like. Sulfur or organic sulfur active materials are insulators, and thus the mixed conductive materials described above are used to facilitate electron transfer to these active materials. And a binder is added for bonding the active material and the conductive material. It is also possible to prepare a positive electrode free of sulfur or organic sulfur compounds and to add active materials containing sulfur to the electrolyte. As a negative electrode which can be used, as a group 1 or group 2 element on a periodic table, lithium metal, a lithium metal sheet, lithium metal powder, a lithium alloy, sodium metal, an alloy, etc. can be used normally. The electrolyte solution is a method of injecting after assembling the battery in a laminated structure and a winding structure. In the case of using the gel-type polymer electrolyte, the battery is assembled using the polymer electrolyte containing the electrolyte solution. In this case, a polymer electrolyte may be added together with sulfur and carbon in the anode. Non-gel solid polymer electrolytes may also be used, in which case there is no additional injection of liquid electrolyte.
리튬-황 전지에 사용 가능한 전해액으로는 테트라하이드로퓨란, 테트라하이드로파이란, 다이옥산, 다이옥소란, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 디글라임, 폴리(에틸렌 글리콜)다이메틸 에테르, 다이메톡시 에탄 등의 에테르 계열이 선호되며, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트 계열의 카보네이트 및 아세토니트릴, 감마-부틸로락톤 등이 사용가능하다. 이들의 다양한 혼합 사용 역시 가능하며, 여기에 에틸렌 글리콜, 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아마이드, 헥사메틸포스포아마이드, 설포레인, 톨루엔, 벤젠, 크실렌 등이 첨가될 수 있다. 사용되는 염으로는 일반적으로 리튬 전지에 사용되는 염이 사용될 수 있다. 예를 들면 리튬 염은 LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiAsF6, LiAsCl6, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2CF2CF3)2등이 사용가능하다.Examples of electrolytes that can be used in lithium-sulfur batteries include ethers such as tetrahydrofuran, tetrahydropyrane, dioxane, dioxolane, tetraethylene glycol dimethyl ether, diglyme, poly (ethylene glycol) dimethyl ether, and dimethoxyethane. Preferred are ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate series carbonate and acetonitrile, gamma-butylolactone and the like. Various mixed uses of these are also possible, to which ethylene glycol, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, hexamethylphosphoamide, sulfolane, toluene, benzene, xylene and the like can be added. As the salt to be used, salts generally used in lithium batteries can be used. For example, the lithium salt may be LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiAsCl 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3) 2 , LiN (SO 2 CF 2 CF 3 ) 2, and the like.
상기의 구성을 갖도록 제조되는 전지는 1차 방전시 50% 이상의 황 이용률을 나타내며 충/방전을 거듭하는 경우에도 40% 이상의 황 이용률을 나타낸다.Batteries manufactured to have the above-described configuration exhibit 50% or more sulfur utilization during primary discharge and 40% or more sulfur utilization even when repeated charging / discharging.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples and comparative examples.
비교예 1Comparative Example 1
높은 순도를 갖는 설퍼 입자 60중량%와 도전재로써 카본 블랙 계열의 수퍼-피(MMM Carbon) 25중량%와 결합재로써 카르복시메틸셀룰로오스 3중량% 및 부타디엔-스티렌 9중량%에 불소계의 일종인 테트라플루오르에틸렌 9중량%를 균일하게 혼합하여 혼합체를 형성한 후, 상기 혼합체를 알루미늄 집전체 위에 코팅하여 황을 함유한 양극을 제조하였다. 제조한 양극을 60℃에서 진공으로 1시간 건조하였다. 제조된 양극의 전극밀도는 0.78이었다. 리튬 금속을 음극으로 사용하고 셀가드 3501(Hoechst Celanese Corp의 상품명)을 격리막으로 사용하여 와인딩 전지를 제조한 후 에테르-베이스 전해액을 전지에 함침시키고 포장하였다. 제조된 전지는 5시간 방치 후 싸이클러를 이용하여 충/방전 실험을 수행하였다.Highly pure 60% by weight of sulfur particles, 25% by weight of carbon black-based Super-P (MMM Carbon) as a conductive material, 3% by weight of carboxymethylcellulose as a binder and 9% by weight of butadiene-styrene as tetrafluoride, a kind of fluorine-based After uniformly mixing 9% by weight of ethylene to form a mixture, the mixture was coated on an aluminum current collector to prepare a positive electrode containing sulfur. The prepared positive electrode was dried under vacuum at 60 ° C. for 1 hour. The electrode density of the prepared anode was 0.78. Using a lithium metal as a negative electrode and Celgard 3501 (trade name of Hoechst Celanese Corp) as a separator to prepare a winding cell, the ether-based electrolyte was impregnated and packaged. After the battery was left for 5 hours, a cycle was performed using a cycler.
제조된 양극의 도전재 비율과 전극밀도 및 상기 양극으로 구성된 리튬-황 전지의 중량당, 부피당 에너지를 도 1에 나타낸다.The ratio of the conductive material and the electrode density of the produced positive electrode and the energy per weight and volume of the lithium-sulfur battery composed of the positive electrode are shown in FIG. 1.
도 2는 비교예 1에 의해 제조된 리튬-황 전지의 싸이클 성능을 나타내는 그래프도이다.2 is a graph showing the cycle performance of the lithium-sulfur battery prepared by Comparative Example 1.
상기 전지는 0.1C의 속도로 충/방전시켰으며 이 경우 전류 밀도는 0.42mA/cm2였다. 방전 시 가장 큰 황 이용률은 약 42%이며, 이때 중량당 에너지, 부피당 에너지는 각각 140Wh/kg, 229Wh/L이다.The battery was charged / discharged at a rate of 0.1 C, in which case the current density was 0.42 mA / cm 2 . The highest sulfur utilization during discharge is about 42%, with energy per weight and energy per volume of 140 Wh / kg and 229 Wh / L, respectively.
비교예 2Comparative Example 2
먼저, 혼합 도전재로써 카본 블랙 계열의 수퍼-피와 카본 나노파이버인 쇼와덴코사의 VGCF(Vapour Grown Carbon Fiber)를 중량비로 83:17, 50:50 및 17:83으로혼합한 도전재를 제조하였다. 상기 혼합 도전재와 활물질로서의 황 분말 및 결합재를 비교예에서와 같은 방법으로 혼합하여 양극을 제조하였다. 비교예에서와 동일하게 전지를 제조하여 상온 에이징 후, 충/방전 실험을 수행하였다. 충전과 방전은 각각 0.1C의 속도로 수행하였다.First, as a mixed conductive material, a conductive material obtained by mixing carbon black-based super-pi and carbon nanofibers VWCF (Vapour Grown Carbon Fiber) of 83:17, 50:50 and 17:83 in weight ratio Prepared. The mixed conductive material and the sulfur powder as the active material and the binder were mixed in the same manner as in Comparative Example to prepare a positive electrode. A battery was prepared in the same manner as in the comparative example, and after aging at room temperature, a charge / discharge experiment was performed. Charge and discharge were performed at a rate of 0.1C, respectively.
제조된 양극의 도전재 비율과 전극밀도 및 상기 양극으로 구성된 리튬-황 전지의 중량당, 부피당 에너지를 도 1에 나타낸다.The ratio of the conductive material and the electrode density of the produced positive electrode and the energy per weight and volume of the lithium-sulfur battery composed of the positive electrode are shown in FIG. 1.
도 3은 비교예 2에 따라 제조된 양극을 이용하여 구성한 리튬-황 전지의 싸이클 특성을 나타내는 그래프도이다.3 is a graph showing the cycle characteristics of a lithium-sulfur battery constructed using a positive electrode prepared according to Comparative Example 2.
도 3에 의하면, 방전시 가장 높은 황의 이용률은 SV1 전극의 경우 53.1%이며 이 값은 비교예 1과 비교할 때 약 31% 증가한 값이다. 이러한 원인은 앞에서 설명한 바와 같이 양극의 전해액에 대한 함침성이 증가하였기 때문이다. 그러나 도 1에서 보여지듯이 VGCF가 첨가됨으로써 양극의 전극밀도는 감소하여 부피당 에너지의 증가폭은 황의 이용률 증가폭보다 작다.According to FIG. 3, the highest utilization rate of sulfur during discharge is 53.1% for the SV1 electrode, which is an increase of about 31% when compared to Comparative Example 1. This is because the impregnation of the electrolyte in the positive electrode increased as described above. However, as shown in FIG. 1, the addition of VGCF decreases the electrode density of the anode so that the increase in energy per volume is smaller than the increase in utilization of sulfur.
실시예 1Example 1
먼저, 혼합 도전재로써 카본 블랙 계열, 카본 나노파이버 및 구형의 그라파이트 입자 (KS6,팀렉스) 중량비로 80:16:4, 76:15:9, 73:14:13으로 혼합한 도전재를 제조하였다. 상기 혼합 도전재와 활물질로서 황 분말 및 결합재를 비교예 1과 같은 방법으로 혼합하여 양극을 제조하였다. 비교예에서와 동일하게 전지를 제조한 후 상온 에이징 후 충/방전 실험을 수행하였다. 충전과 방전은 각각 0.1C의 속도로수행하였다.First, a conductive material mixed with carbon black series, carbon nanofibers, and spherical graphite particles (KS6, Timrex) in a weight ratio of 80: 16: 4, 76: 15: 9, 73:14:13 was prepared as a mixed conductive material. It was. A positive electrode was prepared by mixing sulfur powder and a binder as the mixed conductive material and the active material in the same manner as in Comparative Example 1. After the battery was prepared in the same manner as in the comparative example, a charge / discharge experiment was performed after room temperature aging. Charging and discharging were performed at a rate of 0.1C, respectively.
제조된 양극의 도전재 비율과 전극밀도 및 상기 양극으로 구성된 리튬-황 전지의 중량당, 부피당 에너지를 도 1에 나타낸다.The ratio of the conductive material and the electrode density of the produced positive electrode and the energy per weight and volume of the lithium-sulfur battery composed of the positive electrode are shown in FIG. 1.
도 4는 본 실시예 1에 따라 제조된 양극을 이용하여 구성한 리튬-황 전지의 싸이클 특성을 나타내는 그래프도이다.4 is a graph showing cycle characteristics of a lithium-sulfur battery constructed using a positive electrode manufactured according to Example 1;
도 4를 참조하면, 방전시 가장 높은 황의 이용률은 SVK1 전극의 경우 52.2%로 비교예 보다 높지만 실시예 1보다는 낮은 값을 갖는다. 이러한 이유는 도 1에서 볼 수 있듯이 전극 밀도가 증가했기 때문이다. 즉, 전극 밀도의 증가로 전해액 함침성이 약간 감소하여 황의 이용률이 감소한 것이다. 그러나 부피당 에너지 및 중량당 에너지는 증가했음을 알 수 있는데 이는 전극 밀도의 증가로 같은 부피당 황의 담지량이 증가했기 때문이다. 전극 밀도의 증가는 매우 긴 섬유상의 VGCF에 의해 형성되는 많은 빈 공간에 구형의 그라파이트 입자가 끼워질 수 있기 때문이다. 또한 본 실시예처럼 카본 나노파이버와 함께 구형의 그라파이트 입자를 첨가하는 경우 전극의 접착력 및 결착력이 향상된다. 이로 인하여 상기 양극은 오랜 충/방전 싸이클 후에도 박리 현상이 없으며 따라서 상기 양극을 포함한 리튬-황 전지의 수명이 향상될 수 있다.Referring to FIG. 4, the highest utilization rate of sulfur during discharge is 52.2% for the SVK1 electrode, which is higher than that of the comparative example but lower than that of the first example. This is because the electrode density is increased as shown in FIG. In other words, the electrolyte impregnation is slightly decreased due to the increase of the electrode density, thereby reducing the utilization of sulfur. However, it can be seen that the energy per volume and the energy per weight have increased because the amount of sulfur supported per volume increases due to the increase in electrode density. The increase in electrode density is due to the fact that spherical graphite particles can fit into many voids formed by very long fibrous VGCFs. In addition, when the spherical graphite particles are added together with the carbon nanofibers as in the present embodiment, the adhesion and binding force of the electrode are improved. Thus, the positive electrode does not have a peeling phenomenon even after a long charge / discharge cycle, and thus the life of the lithium-sulfur battery including the positive electrode may be improved.
실시예 2Example 2
먼저 혼합 도전재로써 카본 블랙 계열의 수퍼-피와 카본 나노파아버인 VGCF 대신 섬유상 그라파이트인 MPCF(Meso Pitch based Graphite Fiber, 페토카) 및 구형의 그라파이트 입자(KS6, 팀렉스)를 중량비로 80:16:4, 76:15:9, 73:14:13으로 혼합한 도전재를 제조하였다. 상기 혼합 도전재와 활물질로서 황 분말 및 결합재를 비교예 1과 같은 방법으로 혼합하여 양극을 제조하였다. 비교예에서와 동일하게 전지를 제조한 후 상온 에이징 후 충/방전 실험을 수행하였다. 충전과 방전은 각각 0.1C의 속도로 수행하였다.First, instead of carbon black-based super-pi and carbon nano-arbor VGCF as a mixed conductive material, fibrous graphite MPCF (Meso Pitch based Graphite Fiber, Petoka) and spherical graphite particles (KS6, Timrex) in weight ratio of 80: A conductive material mixed with 16: 4, 76: 15: 9, and 73:14:13 was prepared. A positive electrode was prepared by mixing sulfur powder and a binder as the mixed conductive material and the active material in the same manner as in Comparative Example 1. After the battery was prepared in the same manner as in the comparative example, a charge / discharge experiment was performed after room temperature aging. Charge and discharge were performed at a rate of 0.1C, respectively.
제조된 양극의 도전재 비율과 전극밀도 및 상기 양극으로 구성된 리튬-황 전지의 중량당, 부피당 에너지를 도 1에 나타낸다.The ratio of the conductive material and the electrode density of the produced positive electrode and the energy per weight and volume of the lithium-sulfur battery composed of the positive electrode are shown in FIG. 1.
도 5는 실시예 2에 따라 제조된 양극을 이용하여 구성한 리튬-황 전지의 싸이클 특성을 나타내는 그래프도이다.FIG. 5 is a graph showing cycle characteristics of a lithium-sulfur battery constructed using a positive electrode prepared according to Example 2. FIG.
도 1에서도 볼 수 있듯이 전극 밀도는 SV 전극에 비해서 증가했음을 알 수 있다. 황 이용률은 SV전극의 경우와 비교할 때 약간 감소되나 부피당 에너지는 오히려 약간 증가한다. 또한 본 실시예의 전극 역시 그라파이트의 첨가로 인하여 접착력 및 결착력이 우수하다. 따라서 리튬-황 전지의 수명은 증가한다.As can be seen in Figure 1 it can be seen that the electrode density increased compared to the SV electrode. Sulfur utilization is slightly reduced compared to that of the SV electrode, but the energy per volume is rather increased. In addition, the electrode of this embodiment also has excellent adhesion and binding force due to the addition of graphite. Therefore, the life of the lithium-sulfur battery increases.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 양극의 전해액에 대한 함침성의 증가로 황 혹은 유기황 등 활물질의 이용률이 증가되며, 양극 전극 밀도의 증가로 인하여 상기 양극을 포함한 리튬-황 전지의 중량당 에너지, 부피당 에너지가 증가하며 양극 코팅 층과 집전체간의 접착력 증가로 상기 양극을 포함한 에너지 저장 장치의 수명이 증가하게 된다.As described above, according to the present invention, the utilization rate of an active material such as sulfur or organic sulfur is increased due to the increase in impregnation of the electrolyte with the electrolyte, and the energy per weight of the lithium-sulfur battery including the positive electrode, The energy per volume increases and the life span of the energy storage device including the anode is increased by increasing the adhesion between the anode coating layer and the current collector.
아울러 본 발명의 도전재는 리튬 이온 전지를 포함한 다른 모든 전지와 연료전지, 전기 이중층 충전/방전 반응을 이용한 전기 이중층 캐패시터, 전자 전달을 포함한 패러데이 반응을 이용한 캐패시터에 이용할 수 있음을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the conductive material of the present invention can be used for all other batteries including lithium ion batteries, fuel cells, electric double layer capacitors using electric double layer charge / discharge reactions, and capacitors using Faraday reactions including electron transfer.
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