KR20030092662A - Lithium/sulfur battery with four discharge plateau - Google Patents

Lithium/sulfur battery with four discharge plateau Download PDF

Info

Publication number
KR20030092662A
KR20030092662A KR1020020030397A KR20020030397A KR20030092662A KR 20030092662 A KR20030092662 A KR 20030092662A KR 1020020030397 A KR1020020030397 A KR 1020020030397A KR 20020030397 A KR20020030397 A KR 20020030397A KR 20030092662 A KR20030092662 A KR 20030092662A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lithium
discharge
sulfur
sulfur battery
battery
Prior art date
Application number
KR1020020030397A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김기원
안효준
안주현
신준호
임영택
김종화
정병수
정상식
이석수
류호석
박철완
류동현
이호돈
정강국
윤영아
Original Assignee
대한민국 (경상대학교 총장)
신준호
임영택
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 대한민국 (경상대학교 총장), 신준호, 임영택 filed Critical 대한민국 (경상대학교 총장)
Priority to KR1020020030397A priority Critical patent/KR20030092662A/en
Publication of KR20030092662A publication Critical patent/KR20030092662A/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0565Polymeric materials, e.g. gel-type or solid-type
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0567Liquid materials characterised by the additives
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

PURPOSE: Provided is a lithium/sulfur battery having improved discharge property, which decreases an interfacial contact resistance between a polymer electrolyte and electrodes and the crystallinity of the electrolyte and increases ion conductivity. CONSTITUTION: The lithium/sulfur battery representing 4-step discharge reactions(Li2S8, Li2S4, Li2S2, Li2S) is obtained by adding alumina, lead oxide or carbon as a ceramic filler to the polymer electrolyte having the formula of PEOnLix(n=10, 6, and LiX= LiCF3SO3 or LiBF4), ball milling the mixture for 2-12 hours to form a composite polymer electrolyte, and then applying the composite polymer electrolyte to a litium/50 wt% sulfur battery.

Description

4단계 방전 평탄 구간을 가지는 리튬/유황 전지{Lithium/sulfur battery with four discharge plateau}Lithium / sulfur battery with four stage discharge flatness {Lithium / sulfur battery with four discharge plateau}

본 발명은 PEOnLiX(n=10, 6, LiX=LiCF3SO3또는 LiBF4) 고분자 전해질에 세라믹 충전제로서 산화납(PbO), 알루미나(Al2O3) 또는 탄소(Carbon)을 첨가하고 볼밀링법으로 제조한 복합 고분자 전해질을 리튬/유황 전지에 적용하여서 된 4단계 방전 평탄 구간을 가지는 리튬/유황 전지에 관한 것이다.The present invention adds lead oxide (PbO), alumina (Al 2 O 3 ), or carbon to the PEO n LiX (n = 10, 6, LiX = LiCF 3 SO 3 or LiBF 4 ) polymer electrolyte as a ceramic filler The present invention relates to a lithium / sulfur battery having a four-stage flat discharge section obtained by applying a composite polymer electrolyte prepared by a ball milling method to a lithium / sulfur battery.

전지에 있어 전해질의 우수한 성질은 전지의 특성을 좌우하는 중요한 인자이다. 그런 전해질을 제조하는 방법으로 일반적인 자기 교반법과는 다른 볼밀링법이 있는데, 그 방법은 폴리에틸렌옥사이드[Poly(ethylene oxide)(PEO)]의 결정화도를 낮추는 역할을 한다.The excellent properties of electrolytes in batteries are important factors in determining the characteristics of the batteries. There is a ball milling method different from the general magnetic stirring method to prepare such an electrolyte, the method serves to lower the crystallinity of polyethylene oxide (Poly (ethylene oxide) (PEO)).

PEOnLiX(n=10, 6, LiX=LiCF3SO3또는 LiBF4) 고분자 전해질의 제조에 있어 볼밀링법에 의하여 제조된 전해질의 경우 자기 교반법에 의하여 제조된 전해질에 비하여 결정화도가 훨씬 낮으며, 그 이온 전도도는 볼밀링을 할 경우가 하지 않은 경우보다 높으며, 또한 세라믹 충진제가 첨가되어 볼밀링을 할 경우에는 볼밀링을 행한 경우보다 높게 나타나는 것이 보고되었다[대한민국 특허출원 제2001-015706호 참조].In the preparation of PEO n LiX (n = 10, 6, LiX = LiCF 3 SO 3 or LiBF 4 ) polymer electrolyte, the electrolyte prepared by the ball milling method is much lower in crystallinity than the electrolyte prepared by the magnetic stirring method. It was reported that the ion conductivity was higher than that without ball milling, and that the ball milling with the addition of ceramic filler was higher than that with ball milling. [Korean Patent Application No. 2001-015706] Reference].

볼밀링법에 의하여 제조된 PEOnLiX(n=10, 6, LiX=LiCF3SO3또는 LiBF4) 고분자 전해질을 리튬(Li)/유황(S) 전지에 적용하였을 때 방전곡선의 차이가 나타나는데, LiBF4가 사용될 경우 LiCF3SO3와는 다른 방전 평탄 구간을 가지는 것이 보고되었다[J.H.Shin, Y.T.Lim, K.W.Kim, H.J.Ahn, J.H.Ahn, Effect of ball milling on structural and electrochemical properties of (PEO)nLiX(LiX = LiCF3SO3and LiBF4) polymer electrolytes,, Journal of Power Source, 107(2002), p103-109].When the PEO n LiX (n = 10, 6, LiX = LiCF 3 SO 3 or LiBF 4 ) polymer electrolyte prepared by the ball milling method is applied to a lithium (Li) / sulfur (S) battery, a difference in discharge curve appears. When LiBF 4 is used, it has been reported to have different discharge flatness intervals than LiCF 3 SO 3 [JHShin, YTLim, KWKim, HJAhn, JHAhn, Effect of ball milling on structural and electrochemical properties of (PEO) n LiX (LiX = LiCF 3 SO 3 and LiBF 4 ) polymer electrolytes,, Journal of Power Source, 107 (2002), p 103-109].

이런 전해질로 구성한 리튬/유황 전지의 화학 반응은 두 개의 리튬과 하나의 유황이 반응하여 리튬설파이드(Li2S)를 형성하는 반응을 하여 1672(mAh/g-유황)의 에너지를 생성한다. 리튬과 유황의 반응으로 인하여 중간 생성물인 리튬폴리설파이드의 생성(Li2Sn n>2)이 이루어진다고 보고되고 있다[D.Marmorstein, Electrochemical performance of lithium/sulfur cells with three different polymer electrolytes, Journal of Power Source 89(2000), p219-226]. 이런 리튬폴리설파이드와 리튬설파이드(Li2S)에 의하여 방전 평탄 구간이 생성되게 되는데 위쪽에서 생기는 평탄 구간은 중간 생성물인 리튬폴리설파이드(Li2Sn, n=8, 4, 2) 생성에 의한 것이며, 몇몇 폴리설파이드는 위 평탄 구역과 일치하는 2V 범위에서 환원 전위를 가지는 것으로 알려져 있다[R.D.Rauh, R.S.Shuker, J.M.Marston, S.B.Brummer, J.Inorg. Nucl. Chem. 39(1977) 1761].The chemical reaction of a lithium / sulfur battery composed of such an electrolyte reacts with two lithium and one sulfur to form lithium sulfide (Li 2 S) to generate energy of 1672 (mAh / g-sulfur). It is reported that the reaction between lithium and sulfur leads to the formation of an intermediate product, lithium polysulfide (Li 2 Sn n> 2) [D. Marmorstein, Electrochemical performance of lithium / sulfur cells with three different polymer electrolytes, Journal of Power Source 89 (2000), p219-226. Discharge flat section is generated by the lithium polysulfide and lithium sulfide (Li 2 S). The flat section generated from the upper part is generated by the production of lithium polysulfide (Li 2 S n , n = 8, 4, 2) as an intermediate product. Some polysulfides are known to have a reduction potential in the 2 V range consistent with the gastric flat area [RD Rauh, RSShuker, JMMarston, SBBrummer, J. Inorg. Nucl. Chem. 39 (1977) 1761.

또한, 위의 평탄 구역과 아래 평탄 구역 사이의 볼록한 형상은 다른 폴리설파이드 사이의 평형의 이동으로서 변화하는 전위를 나타내며, 아래의 방전 평탄 구역은 분리상으로서 Li2S의 형성으로 인한 것으로 보고되었다[D.Marmorstein, Electrochemical performance of lithium/sulfur cells with three different polymer electrolytes, Journal of Power Source 89(2000), p219-226].In addition, the convex shape between the upper and lower planar regions exhibits a changing potential as a shift in equilibrium between other polysulfides, and the lower discharge planar region has been reported to be due to the formation of Li 2 S as a separate phase [ D. Marmorstein, Electrochemical performance of lithium / sulfur cells with three different polymer electrolytes, Journal of Power Source 89 (2000), p219-226].

전체 방전 용량(1672 mAh/g-유황)의 10 내지 12%의 방전 심도로 방전했을 때 활성 유황(elemental sulfur)는 Li2S8로 바뀌며, 이 방전 심도의 2배(20 내지 25%)로 방전시 Li2S4가 생성되며, 이런 두 개의 폴리설파이드는 비평형상이며 전기화학적으로 용량 감소의 증가를 유발하는 부분적으로 비가역적인 생성물과 반응할 수 있다고 보고하였다.When discharged at a discharge depth of 10 to 12% of the total discharge capacity (1672 mAh / g-sulfur), the active sulfur changes to Li 2 S 8 , at twice the discharge depth (20 to 25%). Li 2 S 4 is produced upon discharge, and these two polysulfides are reported to be able to react with non-equilibrium and partially irreversible products that lead to an increase in capacity reduction electrochemically.

또한, 몰텍사(Moltec Co.)는 리튬과 유황의 반응시 중간 생성물인 리튬폴리설파이드의 생성은 다음의 단계로 진행될 것이라고 말하고 있다.In addition, Maltec Co. says that the production of lithium polysulfide, an intermediate product in the reaction of lithium and sulfur, will proceed to the next step.

Li2S8→ Li2S4→ Li2S2→ Li2SLi 2 S 8 → Li 2 S 4 → Li 2 S 2 → Li 2 S

리튬/유황 전지가 위의 가설을 만족할 경우 4단계의 방전 평탄 구간을 가져야 함에도 불구하고, 지금의 방전 곡선에서는 2단계의 방전 평탄 구간만을 보이고 있다. 하지만, 본 발명에서는 PEO-LiCF3SO3또는 LiBF4복합 고분자 전해질을 제조한 후, 리튬/유황 전지로 구성하여 리튬/유황 전지의 방전 거동 가설과 유사한 4단계의 방전 평탄 구간이 존재하는 것을 확인하였으며, 리튬/유황 전지에 가열/냉각과정을 행할 경우 더 확실한 4단계를 가지며, 용량의 증가도 얻을 수 있는 것을 확인하였다.Although the lithium / sulfur battery satisfies the above hypothesis, it should have four stages of discharge flatness, but the current discharge curve shows only two stages of discharge flatness. However, in the present invention, after preparing the PEO-LiCF 3 SO 3 or LiBF 4 composite polymer electrolyte, it is confirmed that the discharge flat section of the four stages similar to the hypothesis of the discharge behavior of the lithium / sulfur battery composed of a lithium / sulfur battery When the heating / cooling process was performed on the lithium / sulfur battery, it was confirmed that the battery had four more steps and an increase in capacity was also obtained.

최근 전 세계적으로 자동차 배기가스로 인한 환경 오염을 방지하기 위해 전기 자동차용 전지 개발을 위한 많은 연구를 진행하고 있으며, 또한 캠코더, 노트북, 핸드폰과 같은 휴대용 전자 기기의 수요 및 기술이 급속히 발달하면서 전자기기의 에너지원인 전지가 제품의 성능뿐만 아니라 가격 결정에 매우 중요한 문제로 대두되고 있다.Recently, many researches have been conducted to develop batteries for electric vehicles to prevent environmental pollution caused by vehicle exhaust gas.In addition, as the demand and technology of portable electronic devices such as camcorders, laptops, and mobile phones have developed rapidly, Is a major source of energy as well as product performance.

따라서, 현재 가장 우수한 방전 성능을 가지는 것으로 알려져 있는 리튬 이차전지에 관한 많은 연구가 진행되고 있으며, 그 중에서 특히 폴리머 전지는 높은 에너지 밀도 및 방전 전압으로 인해 가장 많이 연구되고 있으며, 현재 캠코더나 핸드폰에 상용화되고 있다.Therefore, many studies on lithium secondary batteries, which are known to have the best discharge performance, are being conducted. Among them, polymer batteries have been studied the most due to high energy density and discharge voltage, and are currently commercialized in camcorders and mobile phones. It is becoming.

리튬 폴리머 전지가 상당히 발달되어 왔지만, 고전적인 PEO-LiX계 전해질의 리튬 폴리머 전지는 아직까지 몇몇 문제점이 있다. 이러한 문제점들은 다음과 같다.Although lithium polymer batteries have been considerably developed, the lithium polymer batteries of classical PEO-LiX based electrolytes still have some problems. These problems are as follows.

(ⅰ) 리튬 양극의 반응성에 기인하는 사이클 특성과 안정성,(Iii) cycle characteristics and stability due to the reactivity of the lithium anode,

(ⅱ) 폴리머 전해질에서 리튬 이온 이동의 열적 의존성에 기인하는 작동 온도의 제한성, 문제점 해결을 위한 복합 고분자 전해질은 우수한 기계적 안정성과 높은 이온 전도도로 인해 최근 상당히 연구가 진행되어 왔다.(Ii) The limitation of the operating temperature due to the thermal dependence of lithium ion migration in the polymer electrolyte and the composite polymer electrolyte for solving the problem have been studied considerably in recent years due to the excellent mechanical stability and high ionic conductivity.

따라서, 본 발명의 목적은 상기의 사실을 감안하여 PEOnLiX(n=10, 6, LiX=LiCF3SO3또는 LiBF4) 고분자 전해질에 산화납(PbO), 알루미나(Al2O3) 또는탄소(Carbon)와 같은 세라믹 충전제를 첨가하여 볼밀링법으로 복합 고분자 전해질을 제조한 후, 리튬/유황 전지에 적용함으로써 복합 고분자 전해질과 리튬 및 유황 전극과의 계면에서의 접촉 저항을 감소시키고, 필요에 따라 리튬/유황 전지를 80℃에서 1시간 동안 가열한 후, 상온에서 1시간 동안 냉각하는 가열/냉각의 전처리를 행할 경우 전해질의 결정화도를 감소시켜 이온 전도도를 향상시킴으로써 리튬/유황 전지의 방전 특성을 향상시키고자 하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide lead oxide (PbO), alumina (Al 2 O 3 ), or the like in a PEO n LiX (n = 10, 6, LiX = LiCF 3 SO 3 or LiBF 4 ) polymer electrolyte. The composite polymer electrolyte is prepared by ball milling by adding a ceramic filler such as carbon, and then applied to a lithium / sulfur battery to reduce the contact resistance at the interface between the composite polymer electrolyte and lithium and sulfur electrodes. The lithium / sulfur battery discharged by improving the ion conductivity by reducing the crystallinity of the electrolyte when the lithium / sulfur battery was heated at 80 ° C. for 1 hour and then heated / cooled at room temperature for 1 hour. To improve it.

본 발명의 목적은 PEOnLiX(n=10, 6, LiX=LiCF3SO3또는 LiBF4) 고체 고분자 전해질에 이온 전도도와 기계적 성질의 향상을 위해 첨가된 세라믹 충진제에 의해서 4단계의 방전 평탄 구간(Li2S8, Li2S4, Li2S2, Li2S) 특성과 용량의 증가를 보이는 리튬/유황 전지를 제공하는데 있다.An object of the present invention is a four-stage discharge flat section by a ceramic filler added to the PEO n LiX (n = 10, 6, LiX = LiCF 3 SO 3 or LiBF 4 ) solid polymer electrolyte to improve the ionic conductivity and mechanical properties (Li 2 S 8 , Li 2 S 4 , Li 2 S 2 , Li 2 S) To provide a lithium / sulfur battery showing an increase in the characteristics and capacity.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 리튬/유황 전지에 대한 순환 전압ㆍ전류 시험을 행한 결과를 나타낸 그래프이다.1 is a graph showing the results of a cyclic voltage / current test on a lithium / sulfur battery according to Example 1 of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 리튬/유황 전지에 대한 방전 전류 밀도에 따른 방전 곡선을 나타낸 그래프이다.Figure 2 is a graph showing the discharge curve according to the discharge current density for the lithium / sulfur battery according to Example 1 of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 리튬/유황 전지에 대한 전지 전압을 2.4(V)로 하여 사이클한 방전 곡선을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing a discharge curve cycled with a battery voltage of 2.4 (V) for a lithium / sulfur battery according to Example 1 of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 리튬/유황 전지에 대한 전지 전압을 2.1(V)로 하여 사이클한 방전 곡선을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing a discharge curve cycled with a battery voltage of 2.1 (V) for a lithium / sulfur battery according to Example 1 of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 리튬/유황 전지에 대한 전지 전압을 1.7(V)로 하여 사이클한 방전 곡선을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing a discharge curve cycled with a battery voltage of 1.7 (V) for a lithium / sulfur battery according to Example 1 of the present invention.

도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 리튬/유황 전지에 대해 약 12% 방전심도(200 mAh/g의 유황)로 방전한 방전 사이클을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing a discharge cycle discharged at a depth of about 12% (200 mAh / g sulfur) for the lithium / sulfur battery according to Example 1 of the present invention.

도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 리튬/유황 전지에 대해 약 24% 방전심도(400 mAh/g의 유황)로 방전한 방전사이클을 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing a discharge cycle discharged at a depth of about 24% (400 mAh / g sulfur) of the lithium / sulfur battery according to Example 1 of the present invention.

도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 리튬/유황 전지에 대한 방전 전류 밀도에따른 방전 곡선을 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing a discharge curve according to the discharge current density for the lithium / sulfur battery according to Example 2 of the present invention.

본 발명의 상기 목적들은 하기에 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있을 것이다.The above objects of the present invention may all be achieved by the present invention described below.

본 발명은 PEOnLiX(n=10, 6, LiX=LiCF3SO3또는 LiBF4) 고분자 전해질에 세라믹 충진제로서 알루미나, 산화납 또는 탄소를 5 내지 15중량%를 첨가하여 2 내지 12시간 동안 볼밀링하여 제조된 복합 고분자 전해질을 리튬/50중량% 유황 전지에 적용하여서 된 4단계 방전 반응(Li2S8, Li2S4, Li2S2, Li2S)을 보이는 리튬/유황 전지인 것을 특징으로 한다.The present invention is added to the PEO n LiX (n = 10, 6, LiX = LiCF 3 SO 3 or LiBF 4 ) polymer electrolyte for 2 to 12 hours by adding 5 to 15% by weight of alumina, lead oxide or carbon as a ceramic filler It is a lithium / sulfur battery that shows a four-step discharge reaction (Li 2 S 8 , Li 2 S 4 , Li 2 S 2 , Li 2 S) by applying the composite polymer electrolyte prepared by milling to a lithium / 50 wt% sulfur battery. It is characterized by.

본 발명의 전지 시스템은 Li2S8생성 반응에 해당하는 2.8 내지 2.6V 범위, Li2S4생성 반응에 해당하는 2.6 내지 2.4V 범위, Li2S2생성 반응에 해당하는 2.4 내지 2.1V 범위 및 Li2S 생성 반응에 해당하는 2.1 내지 1.7V 범위에서 충방전 사이클 성능을 갖는다.The battery system of the present invention ranges from 2.8 to 2.6V corresponding to Li 2 S 8 formation reaction, from 2.6 to 2.4V corresponding to Li 2 S 4 formation reaction, and from 2.4 to 2.1V corresponding to Li 2 S 2 formation reaction. And charge / discharge cycle performance in the range of 2.1 to 1.7V corresponding to Li 2 S production reaction.

본 발명의 복합 고분자 전해질은 이온 전도체 및 바인더로서 폴리에틸렌옥사이드(PEO)를, 고분자 용매로서 아세토니트릴을 사용하며, 여기에 5중량%의 리튬염, 예를 들면 LiBF4또는 LiCF3SO3를 첨가하고, 세라믹 첨가제로서 산화납(PbO), 알루미나(Al2O3) 또는 탄소(Carbon)을 5 내지 15중량%를 첨가하고 2 내지 12시간 동안 볼밀러를 사용하여 볼밀링하여 제조를 한다.In the composite polymer electrolyte of the present invention, polyethylene oxide (PEO) is used as the ion conductor and the binder, and acetonitrile is used as the polymer solvent, and 5% by weight of a lithium salt such as LiBF 4 or LiCF 3 SO 3 is added thereto. 5 to 15 wt% of lead oxide (PbO), alumina (Al 2 O 3 ) or carbon as a ceramic additive is added and ball milling using a ball mill for 2 to 12 hours.

그리고, 위에서 제조한 복합 고분자 전해질을 유리판 위에 일정량 도포한 후 공기 중에서 약 24시간 동안 건조하여 얇은 전해질 필름을 제조한 후, 진공 분위기하에서 24시간 동안 건조시킨 후에 리튬/유황 전지에 조립하여 사용한다.Then, the composite polymer electrolyte prepared above is coated on a glass plate and dried in air for about 24 hours to prepare a thin electrolyte film, and then dried in a vacuum atmosphere for 24 hours and then assembled in a lithium / sulfur battery.

본 발명의 전지 시스템에 의하면, 음극으로는 리튬을 사용하고, 양극으로는 50중량%의 유황 전극을 사용하는 바, 유황 전극은 탄소, 폴리에틸렌옥사이드, 유황을 총 무게비의 50중량% 이상으로 적정하고, 용매는 아세토니트릴을 사용하여 혼합기에 넣고 48시간 동안 혼합, 용해시킨 후, 이를 유리판에 부어 건조시킨 후, 10-3토르 60℃에서 24시간 동안 진공 건조시켜 필름 상으로 제조된 것이다.According to the battery system of the present invention, lithium is used as the negative electrode and 50 wt% sulfur electrode is used as the positive electrode. The sulfur electrode is titrated with carbon, polyethylene oxide, and sulfur at 50 wt% or more of the total weight ratio. , The solvent is put into a mixer using acetonitrile, mixed for 48 hours, dissolved, then poured into a glass plate and dried, and then vacuum dried at 10 -3 Torr 60 ℃ for 24 hours to prepare a film.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

실시예 1Example 1

음극으로 리튬 포일(두께 350㎛), 양극으로는 탄소 0.16g, 폴리에틸렌옥사이드 0.301g, 유황 0.5g(총 무게비의 50중량%)로 적정하고, 용매는 아세토니트릴 44㎖을 사용하여 혼합기에 넣고 48시간 동안 혼합, 용해시킨 후, 이를 유리판에 부어 건조시킨 후, 10-3토르 60℃에서 24시간 동안 진공 건조시켜 필름 상으로 제조한 복합 유황 전극을 사용하였다.The negative electrode was titrated with lithium foil (350 μm in thickness), 0.16 g of carbon, 0.301 g of polyethylene oxide, and 0.5 g of sulfur (50% by weight of the total weight) as the positive electrode. The solvent was placed in a mixer using 44 ml of acetonitrile. After mixing and dissolving for a period of time, it was poured into a glass plate and dried, and then a composite sulfur electrode prepared in a film by vacuum drying at 10 -3 Torr for 60 hours for 24 hours was used.

다음에 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 0.852g, LiBF40.0426g, 아세토니트릴 42㎖를 혼합하고, 세라믹 첨가제로서 알드리치사로부터 구입한 알루미나(Al2O3)를 0.0852g를 첨가하고 2 내지 12시간 동안 볼밀러를 사용하여 볼밀링한 후, 전해질 슬러리를 유리판 위에 일정량을 도포하고, 공기 중에서 약 24시간 동안 건조하여 얇은 전해질 필름을 제조하였다.Next, 0.852 g of polyethylene oxide (PEO), 0.0426 g of LiBF 4 and 42 ml of acetonitrile were mixed, and 0.0852 g of alumina (Al 2 O 3 ) purchased from Aldrich was added as a ceramic additive, followed by 2 to 12 hours. After ball milling using a miller, an amount of the electrolyte slurry was applied on a glass plate and dried in air for about 24 hours to prepare a thin electrolyte film.

상기와 같은 방법으로 제조된 전해질을 진공 분위기하에서 24시간 동안 건조시킨 후 리튬/유황 전지를 조립하였다.After drying the electrolyte prepared in the above manner in a vacuum atmosphere for 24 hours to assemble a lithium / sulfur battery.

다음과 같은 실험을 수행하였다. 전지의 방전 특성은 리튬/유황 전지를 80℃에서 1시간 동안 가열한 후, 상온에서 1시간 동안 냉각하는 가열/냉각의 전처리를 실시한 후에 실험하였다.The following experiment was performed. The discharge characteristics of the battery were tested after heating the lithium / sulfur battery at 80 ° C. for 1 hour and then performing pretreatment of heating / cooling at room temperature for 1 hour.

(1) 방전 곡선의 4단계를 확인하기 위하여 순환 전류ㆍ전압 실험(1) Cyclic current / voltage test to check the four stages of the discharge curve

이 실험은 0.01mV/sec의 주사 속도로 주사하였으며, 3.0(V)에서 1.6(V)까지의 전압 범위에서 80℃에서 실시하였다. 그 결과를 도 1에 나타내었으며, 도 1에의하면, 방전 곡선의 4단계와 일치하는 전압에서 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.The experiment was performed at a scanning speed of 0.01 mV / sec and was performed at 80 ° C. in the voltage range from 3.0 (V) to 1.6 (V). The results are shown in FIG. 1, and it can be seen from FIG. 1 that peaks appear at voltages consistent with the four steps of the discharge curve.

(2) 방전 전류 밀도에 따른 방전 실험(2) Discharge test according to discharge current density

이 실험은 C/32(0.063mA/㎠)와 C/16(0.125mA/㎠)의 방전 전류 밀도로 실시하였다. 그 결과를 도 2에 나타내었으며, 도 2에 의하면, 4개의 방전 평탄 구간이 존재한 것을 확인할 수 있고, 낮은 전류 밀도로 행한 경우 더 확실한 방전 평탄 구간을 볼 수 있었다.This experiment was conducted with discharge current densities of C / 32 (0.063 mA / cm 2) and C / 16 (0.125 mA / cm 2). The results are shown in FIG. 2, and according to FIG. 2, it could be seen that four discharge flat sections existed, and more stable discharge flat sections could be seen when performed at a low current density.

(3) Li(3) Li 22 SS 44 생성구간인 2.4(V)를 전지 전압으로 한 사이클 실험Cycle experiment with generation voltage 2.4 (V)

이 실험은 C/32(0.063mA/㎠)와 C/16(0.125mA/㎠)의 전류 밀도로 충전과 방전을 하여 행하였다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 초기 방전에서 이론적인 Li2S4생성이 완료되는 용량인 400(mAh/g의 유황)과 일치하는 용량을 나타내었다. 리튬폴리설파이드(Li2Snn>2)는 비평형상으로서 전해질내로 잘 녹아 들어가는 성질이 있어 사이클이 잘 이루어지지 않는다고 하나 본 실시예에서의 리튬폴리설파이드는 용량 감소가 발생하긴 하지만 사이클이 이루어지는 것을 확인할 수 있었다.This experiment was conducted by charging and discharging at current densities of C / 32 (0.063 mA / cm 2) and C / 16 (0.125 mA / cm 2). As shown in FIG. 3, the capacity is consistent with 400 (mAh / g sulfur), which is the capacity at which theoretical Li 2 S 4 production is completed at the initial discharge. Lithium polysulfide (Li 2 S n n> 2) is a non-equilibrium property that melts well into the electrolyte, so the cycle does not work well. However, the lithium polysulfide in the present embodiment shows that although the capacity decrease occurs, the cycle occurs. I could confirm it.

(4) Li(4) Li 22 SS 22 생성구간인 2.1(V)를 전지 전압으로 한 사이클 실험Cycle experiment with generation voltage of 2.1 (V)

위 (3)항과 동일한 충ㆍ방전 조건으로 실시하였다. 도 4에 의하면, 3개의 방전 평탄 구간을 확인할 수 있으며, 본 실시예에서의 리튬폴리설파이드는 용량 감소가 발생하긴 하나 사이클이 이루어지는 것을 확인할 수 있었다.The same charging and discharging conditions as above (3) were carried out. According to Figure 4, it can be confirmed that the three discharge flat intervals, lithium polysulfide in the present embodiment was confirmed that the cycle is performed, although the capacity decrease occurs.

(5) Li(5) Li 22 S 생성구간인 1.7(V)를 전지 전압으로 한 사이클 실험Cycle experiment with 1.7V of S generation section

위 (3)항과 동일한 충ㆍ방전 조건으로 실시하였다. 도 5에 의하면, Li2S 반응의 평탄 구간은 용량 감소가 거의 없이 이루어지는 반면에 리튬폴리설파이드(Li2Snn>2) 생성에 의한 방전 구간은 용량 감소가 나타나지만 사이클이 이루어지는 것을 확인할 수 있었다.The same charging and discharging conditions as above (3) were carried out. According to FIG. 5, the flat section of the Li 2 S reaction has almost no capacity reduction, while the discharge section due to the generation of lithium polysulfide (Li 2 S n n> 2) shows a decrease in capacity but a cycle. .

(6) 12%의 방전심도인 200(mAh/g의 유황)으로 방전한 방전 사이클 실험(6) Discharge cycle experiment discharged at 200 (mAh / g sulfur) of 12% depth of discharge

전체 방전 용량(1672 mAh/g의 유황)의 12%의 방전 심도인 200(mAh/g의 유황)으로 방전하고, 전지 전압이 1.7(V) 이하가 될 때까지 사이클을 행하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 이 실험은 위 (3)항과 동일한 충ㆍ방전 조건으로 실시하였으며, 방전시 활성 유황은 리튬과 반응하여 Li2S8로 바뀌게 되며, 사이클이 계속되면서 리튬/유황 전지의 4단계의 평탄 구간을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 처음의 단계는 용량이 200(mAh/g의 유황)으로서 첫 사이클 이후에는 다시 나타나지 않는 것을 확인하였다. 따라서, Li2S8의 리튬폴리설파이드는 비가역적인 중간 생성물로 생각된다.Discharge was performed at 200 (mAh / g sulfur), which is 12% of the discharge depth of the total discharge capacity (1672 mAh / g sulfur), and the cycle was performed until the battery voltage became 1.7 (V) or less. 6 is shown. This experiment was carried out under the same charging and discharging conditions as in (3) above. During discharge, the active sulfur reacts with lithium to change to Li 2 S 8 . I could confirm that I had. The first step confirmed that the capacity was 200 (mAh / g of sulfur) and did not reappear after the first cycle. Therefore, lithium polysulfide of Li 2 S 8 is considered to be an irreversible intermediate product.

(7) 24%의 방전심도인 400(mAh/g의 유황)으로 방전한 방전 사이클 실험(7) Discharge cycle experiment discharged at 400 (mAh / g sulfur) of 24% discharge depth

전체 방전 용량(1672 mAh/g의 유황)의 24%의 방전 심도인 400(mAh/g의 유황)으로 방전하고, 전지 전압이 1.7(V) 이하가 될 때까지 사이클을 행하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 이 실험은 위 (3)항과 동일한 충ㆍ방전 조건으로 실시하였으며, 24%의 방전 심도로 400(mAh/g의 유황) 만을 방전할 경우 활성 유황은 리튬과 반응하여 Li2S8를 거쳐 Li2S4로 바뀌게 되며, 다음 사이클에서는 Li2S8의 반응은 나타나지 않으며, 사이클이 계속되면서 4단계의 방전 평탄 구간의 전압을 가지는 것을 확인할 수 있었다.Discharge was performed at 400 (mAh / g sulfur), which is 24% of the discharge depth of the total discharge capacity (1672 mAh / g sulfur), and the cycle was performed until the battery voltage became 1.7 (V) or less. 7 is shown. This experiment was conducted under the same charging and discharging conditions as above (3). When only 400 (mAh / g of sulfur) was discharged at a discharge depth of 24%, the active sulfur reacted with lithium to pass Li 2 S 8 to Li. 2 is changed to S 4, the following cycle of Li2S8 reaction will not appear, as the cycle is continued it was confirmed that with the discharge voltage of the flat section of the step 4.

실시예 2Example 2

상기 실시예 1과 동일하게 하되 고분자 전해질로서 LiCF3SO3를 사용하고, 세라믹 첨가제로서 탄소를 첨가하여 리튬/유황 전지를 조립하였다.A lithium / sulfur battery was assembled in the same manner as in Example 1 except that LiCF 3 SO 3 was used as the polymer electrolyte and carbon was added as a ceramic additive.

상기 전지에 대한 방전 저류 밀도에 따른 방전 실험은 C/16(0.125mA/㎤)의 방전 저류 밀도에서 실시하였고 그 결과는 도 8에 나타내었다.The discharge experiment according to the discharge storage density of the battery was carried out at a discharge storage density of C / 16 (0.125 mA / cm 3) and the results are shown in FIG. 8.

도 8에 의하면, 도 2의 경우와는 다른 방전 평탄 구간을 형성하였지만, 4개의 방전 평탄 구간이 존재한다는 것을 확실하게 확인할 수 있었다.According to FIG. 8, although the discharge flat period was formed differently from the case of FIG. 2, it was confirmed that four discharge flat periods existed.

이상의 실시예를 통해 확인한 결과, 본 발명에 따라 볼밀링으로 제조한 PEO6(LiBF4또는 LiCF3SO3) 고체 고분자 전해질에 세라믹 충진제가 첨가된 복합 고분자 전해질을 사용한 리튬/유황 전지의 방전 실험 결과, 기존의 연구 결과들에서 나타나는 2단계 방전 평탄 구간과는 다른 4단계의 방전 평탄 구간을 가지게 되는 바, 이것은 리튬과 유황의 반응에 의하여 최종적으로 리튬설파이드를 생성하는 반응 중에 중간 생성물로서 리튬폴리설파이드의 생성과 관련이 있다고 할 수 있다. 이런 Li2S8→ Li2S4→ Li2S2의 리튬폴리설파이드로 변하는 과정의 화학양론적인 용량은약 800(mAh/g-유황)으로써 본 발명의 3단계까지의 용량과 일치한다.As a result of confirming through the above examples, the discharge test results of lithium / sulfur battery using a composite polymer electrolyte in which a ceramic filler is added to PEO 6 (LiBF 4 or LiCF 3 SO 3 ) solid polymer electrolyte prepared by ball milling according to the present invention In addition, it has four stages of discharge flatness, which is different from the two-stage discharge flatness shown in previous studies, which is lithium polysulfide as an intermediate product during the reaction of finally forming lithium sulfide by reaction of lithium and sulfur. It is related to the generation of. The stoichiometric capacity of this process of converting Li 2 S 8 → Li 2 S 4 → Li 2 S 2 to lithium polysulfide is about 800 (mAh / g-sulfur), which is consistent with the capacity up to step 3 of the present invention.

본 발명에서는 세라믹 충진제의 종류에 따라 3단계와 4단계의 방전 평탄 구간을 가지는 것을 확인하였으며, 리튬과 전해질 그리고 전해질과 유황 전극과의 계면의 접합성을 향상시키고, 결정화도를 낮추기 위하여 가열/냉각 전처리를 행할 경우에 용량의 증가와 함께 확실한 4단계의 평탄 구간을 형성한다는 효과가 있는 것이다.In the present invention, it has been confirmed that the discharge flat section has three and four stages according to the type of ceramic filler, and heating / cooling pretreatment is performed in order to improve the adhesion between the interface between lithium and the electrolyte and the electrolyte and the sulfur electrode, and to lower the crystallinity. In this case, there is an effect of forming a certain four-stage flat section with increasing capacity.

Claims (5)

PEOnLiX(n=10, 6, LiX=LiCF3SO3또는 LiBF4) 고분자 전해질에 세라믹 충진제로서 알루미나, 산화납 또는 탄소를 5 내지 15중량%를 첨가하여 2 내지 12시간 동안 볼밀링하여 제조된 복합 고분자 전해질을 리튬/50중량% 유황 전지에 적용하여서 된 것을 특징으로 하는 4단계 방전 반응(Li2S8, Li2S4, Li2S2, Li2S)을 보이는 리튬/유황 전지.PEO n LiX (n = 10, 6, LiX = LiCF 3 SO 3 or LiBF 4 ) prepared by ball milling for 2 to 12 hours by adding 5 to 15% by weight of alumina, lead oxide or carbon as a ceramic filler Lithium / Sulfur battery showing a four-stage discharge reaction (Li 2 S 8 , Li 2 S 4 , Li 2 S 2 , Li 2 S) characterized by applying the composite polymer electrolyte to a lithium / 50 wt% sulfur battery . 제 1항에 있어서, 상기 전지에서 Li2S8생성 반응에 해당하는 2.8 내지 2.6V 범위에서 충방전 사이클 성능을 가지는 것을 특징으로 하는 리튬/유황 전지.The lithium / sulfur battery of claim 1, wherein the battery has charge / discharge cycle performance in a range of 2.8 to 2.6V corresponding to a Li 2 S 8 formation reaction. 제 1항에 있어서, 상기 전지에서 Li2S4생성 반응에 해당하는 2.6 내지 2.4V 범위에서 충방전 사이클 성능을 가지는 것을 특징으로 하는 리튬/유황 전지.The lithium / sulfur battery of claim 1, wherein the battery has charge / discharge cycle performance in a range of 2.6 to 2.4V corresponding to a Li 2 S 4 formation reaction. 제 1항에 있어서, 상기 전지에서 Li2S2생성 반응에 해당하는 2.4 내지 2.1V 범위에서 충방전 사이클 성능을 가지는 것을 특징으로 하는 리튬/유황 전지.The lithium / sulfur battery of claim 1, wherein the battery has charge / discharge cycle performance in a range of 2.4 to 2.1 V corresponding to a Li 2 S 2 formation reaction. 제 1항에 있어서, 상기 전지에서 Li2S 생성 반응에 해당하는 2.1 내지 1.7V범위에서 충방전 사이클 성능을 가지는 것을 특징으로 하는 리튬/유황 전지.The lithium / sulfur battery of claim 1, wherein the battery has charge / discharge cycle performance in a range of 2.1 to 1.7 V corresponding to a Li 2 S production reaction.
KR1020020030397A 2002-05-30 2002-05-30 Lithium/sulfur battery with four discharge plateau KR20030092662A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020020030397A KR20030092662A (en) 2002-05-30 2002-05-30 Lithium/sulfur battery with four discharge plateau

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020020030397A KR20030092662A (en) 2002-05-30 2002-05-30 Lithium/sulfur battery with four discharge plateau

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20030092662A true KR20030092662A (en) 2003-12-06

Family

ID=32385217

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020020030397A KR20030092662A (en) 2002-05-30 2002-05-30 Lithium/sulfur battery with four discharge plateau

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20030092662A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3011615A4 (en) * 2013-06-21 2017-02-22 Hydro-Québec All-solid-state lithium-sulphur electrochemical cells and production methods thereof
US11322811B2 (en) 2017-11-08 2022-05-03 Lg Energy Solution, Ltd. Method for improving lifespan of lithium secondary battery

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000074102A (en) * 1999-05-18 2000-12-05 박준일 High capacity sulfur positive electrode for lithium battery, it's fabrication method and lithium battery using sulfur electrode
WO2001017051A1 (en) * 1999-09-02 2001-03-08 Lithium Power Technologies, Inc. Solid polymer electrolytes
WO2001017052A2 (en) * 1999-09-02 2001-03-08 Lithium Power Technologies, Inc. All-solid-state electrochemical device and method of manufacturing
KR20020066782A (en) * 2001-02-13 2002-08-21 안효준 Method of manufacturing a sulfur electrode and electrolyte of atmospheric temperature lithium/sulfur battery having ultra high capacity
KR20030017945A (en) * 2001-08-25 2003-03-04 삼성에스디아이 주식회사 Polymeric gel electrolyte and lithium battery employing the same

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000074102A (en) * 1999-05-18 2000-12-05 박준일 High capacity sulfur positive electrode for lithium battery, it's fabrication method and lithium battery using sulfur electrode
WO2001017051A1 (en) * 1999-09-02 2001-03-08 Lithium Power Technologies, Inc. Solid polymer electrolytes
WO2001017052A2 (en) * 1999-09-02 2001-03-08 Lithium Power Technologies, Inc. All-solid-state electrochemical device and method of manufacturing
KR20020066782A (en) * 2001-02-13 2002-08-21 안효준 Method of manufacturing a sulfur electrode and electrolyte of atmospheric temperature lithium/sulfur battery having ultra high capacity
KR20030017945A (en) * 2001-08-25 2003-03-04 삼성에스디아이 주식회사 Polymeric gel electrolyte and lithium battery employing the same

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3011615A4 (en) * 2013-06-21 2017-02-22 Hydro-Québec All-solid-state lithium-sulphur electrochemical cells and production methods thereof
US10320029B2 (en) 2013-06-21 2019-06-11 HYDRO-QUéBEC All-solid-state lithium-sulfur polymer electrochemical cells and production methods thereof
US11322811B2 (en) 2017-11-08 2022-05-03 Lg Energy Solution, Ltd. Method for improving lifespan of lithium secondary battery

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101682080B (en) Non-aqueous electrolyte and electrochemical device having the same
KR101760820B1 (en) Lithium-sulphur battery with high specific energy
Peled et al. Li/CPE/FeS2 rechargeable battery
KR102271678B1 (en) Non-aqueous electrolyte and lithium secondary battery comprising the same
KR20180083272A (en) Non-aqueous electrolyte solution and lithium secondary battery comprising the same
KR101939142B1 (en) ALL SOLID LITHIUM SECONDARY BATTERY INCLUDING Ga-DOPED LLZO SOLID ELECTROLYTE AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME
CN101517811A (en) Method for manufacturing nonaqueous electrolyte secondary battery
JP4519956B2 (en) Organic electrolyte and lithium secondary battery using the same
KR20190050709A (en) Electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising the same
Doeff et al. Thin film solid state sodium batteries for electric vehicles
Xia et al. Solid‐State Lithium‐Polymer Batteries Using Lithiated MnO2 Cathodes
JP2001223024A (en) Electrolyte for lithium secondary battery
KR20010082428A (en) Electrolyte for Lithium Rechargeable Batteries
KR20200082557A (en) An Electrolyte for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery comprising the same
KR20130088126A (en) Lithium electrochemical accumulator having a specific bipolar architecture
KR100515331B1 (en) Electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising same
KR100335222B1 (en) Nonaqueous Electrolyte
CN109309255A (en) Electrolyte and electrochemical energy storage device
CN112086685B (en) Trilithium salt-quaternary solvent system performance complementary type 5V lithium ion battery electrolyte
KR102597591B1 (en) Polymer solid electrolyte with excellent high voltage stability and its manufacturing method
EP3879616B1 (en) Electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery including the same
KR100450199B1 (en) A non-aqueous electrolyte and a lithium secondary battery comprising the same
KR20030092662A (en) Lithium/sulfur battery with four discharge plateau
KR100408515B1 (en) Organic electrolyte and lithium secondary battery using the same
KR100457093B1 (en) Fabrication of a polymer electrolyte for lithium/sulfur battery and room temperature lithium/sulfur battery containing the same with one flat voltage

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application