KR20040033678A - Binder and positive electrode for lithium sulfur battery - Google Patents

Binder and positive electrode for lithium sulfur battery Download PDF

Info

Publication number
KR20040033678A
KR20040033678A KR1020020062899A KR20020062899A KR20040033678A KR 20040033678 A KR20040033678 A KR 20040033678A KR 1020020062899 A KR1020020062899 A KR 1020020062899A KR 20020062899 A KR20020062899 A KR 20020062899A KR 20040033678 A KR20040033678 A KR 20040033678A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lithium
positive electrode
sulfur
binder
sulfur battery
Prior art date
Application number
KR1020020062899A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR100450206B1 (en
Inventor
정용주
최수석
김석
한지성
이일영
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
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 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR10-2002-0062899A priority Critical patent/KR100450206B1/en
Publication of KR20040033678A publication Critical patent/KR20040033678A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100450206B1 publication Critical patent/KR100450206B1/en

Links

Classifications

    • 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: An organic binder for a lithium-sulfur battery and a positive electrode containing the binder for a lithium-sulfur battery are provided, to improve the stability (lifetime characteristic) of a positive electrode plate and a capacity per active mass. CONSTITUTION: The organic binder has a double bond and comprises a polymer capable of being crosslinked by elemental sulfur. Preferably the polymer is a natural rubber or a synthetic rubber. The positive electrode comprises elemental sulfur; a conductive material; an organic binder crosslinked by sulfur; and a vulcanization accelerator. Preferably the organic binder is a polyolefin rubber having a double bond in polymer structure; and the vulcanization accelerator is selected from the group consisting of an organic sulfur compound, zinc dithiocarbamate, zinc oxide and stearic acid.

Description

리튬-황 전지용 바인더 및 이를 포함하는 리튬-황 전지용 양극{BINDER AND POSITIVE ELECTRODE FOR LITHIUM SULFUR BATTERY}A binder for a lithium-sulfur battery and a cathode for a lithium-sulfur battery including the same {BINDER AND POSITIVE ELECTRODE FOR LITHIUM SULFUR BATTERY}

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 리튬-황 전지용 바인더 및 이를 포함하는 리튬-황 전지용 양극에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수명 특성이 우수한 전지를 제공할 수 있는 리튬-황 전지용 바인더 및 이를 포함하는 리튬-황 전지용 양극에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium-sulfur battery binder and a lithium-sulfur battery positive electrode including the same, and more particularly to a lithium-sulfur battery binder and a lithium-sulfur battery positive electrode including the same, which can provide a battery having excellent life characteristics. It is about.

[종래 기술][Prior art]

최근 전자 제품, 전자 기기, 통신 기기의 소형화, 경량화 및 고성능화가 급속히 진전됨에 따라 이들 제품의 전원으로 사용될 이차 전지의 성능 개선이 크게 요구되고 있다. 리튬-황 전지는 이론 에너지 밀도가 2800Wh/kg(1675mAh/g)으로 다른 전지 시스템에 비하여 월등히 높다. 또한 유황은 자원이 풍부하여 값이 싸며,환경친화적인 물질로서 주목을 받고 있다. 따라서 많은 연구자들이 유황을 이용하여 리튬 이차 전지를 구성하려고 하였다.Recently, as the miniaturization, weight reduction, and high performance of electronic products, electronic devices, and communication devices have rapidly progressed, there is a great demand for improving the performance of secondary batteries to be used as power sources for these products. Lithium-sulfur cells have a theoretical energy density of 2800 Wh / kg (1675 mAh / g), which is significantly higher than other battery systems. Sulfur is also attracting attention as an inexpensive and environmentally friendly material due to its rich resources. Therefore, many researchers have tried to construct lithium secondary batteries using sulfur.

리튬-황 전지의 양극 활물질로 사용되는 황은 부도체이므로 전기 화학 반응으로 생성된 전자의 이동을 위해서는 도전재를 필요로 한다. 이러한 도전재로는 카본 블랙류나 금속 분말 등이 사용되고 있다. 그러나 양극 합제 구성물을 집전체에 부착시키기 위해서는 적절한 바인더의 선정이 무엇보다도 중요하다. 이때 바인더가 가져야할 성질로는 소량의 첨가만으로 전극에 물리적 강도를 줄 수 있어서 고에너지 밀도의 양극 제조에 용이해야하며 전해액과의 반응성이 없어야 하며 전지 사용 온도 범위에서 안정된 형태를 유지하고 있어야 한다. 또한, 리튬-황 전지에 사용되는 바인더는 양극 극판을 제조하기 위한 조성물인 슬러리 조성물 제조시 사용되는 유기 용매에는 용해되고, 전해액에는 용해되지 않아야한다. 따라서 이러한 물성을 모두 만족하는 물질이 매우 적음에 따라 바인더로 사용하기 위한 물질의 선택의 폭이 너무 적은 문제가 있음에 따라 바인더의 주요 목적인 결착력의 우수 여부보다는 이러한 물성을 만족하는 물질만을 사용할 수밖에 없었다.Sulfur, which is used as a cathode active material of a lithium-sulfur battery, is an insulator, and thus requires a conductive material to move electrons generated by an electrochemical reaction. Carbon blacks, metal powders, and the like are used as such conductive materials. However, in order to attach the positive electrode mixture composition to the current collector, the selection of an appropriate binder is important. At this time, the binder must have a small amount of addition to give physical strength to the electrode, so it should be easy to manufacture a high energy density positive electrode, have no reactivity with the electrolyte, and maintain a stable form in the battery operating temperature range. In addition, the binder used in the lithium-sulfur battery should be dissolved in the organic solvent used in the preparation of the slurry composition, which is a composition for producing the positive electrode plate, and should not be dissolved in the electrolyte solution. Therefore, as there are very few materials satisfying all of these properties, there is a problem that the choice of materials for use as a binder is too small. Therefore, only materials satisfying these properties can be used rather than excellent binding ability, which is the main purpose of the binder. .

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 수명 특성이 우수한 리튬-황 전지를 제공할 수 있는 리튬-황 전지용 유기 바인더를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an organic binder for a lithium-sulfur battery capable of providing a lithium-sulfur battery having excellent life characteristics.

본 발명의 다른 목적은 합제 중량당 용량이 큰 리튬-황 전지를 제공할 수 있는 리튬-황 전지용 유기 바인더를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an organic binder for a lithium-sulfur battery which can provide a lithium-sulfur battery having a large capacity per weight of the mixture.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 유기 바인더를 이용하여 높은 에너지 밀도의 리튬-황 전지를 제공할 수 있는 리튬-황 전지용 양극을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a cathode for a lithium-sulfur battery which can provide a lithium-sulfur battery of high energy density using the organic binder.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 리튬-황 전지의 사시도.1 is a perspective view of a lithium-sulfur battery prepared according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 방법으로 제조된 리튬-황 전지의 0.5C 방전 곡선을 나타낸 그래프.Figure 2 is a graph showing the 0.5C discharge curve of the lithium-sulfur battery prepared by the method of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이중 결합을 가지며, 황에 의해서 가교될 수 있는 고분자를 포함하는 리튬-황 전지용 유기 바인더를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an organic binder for a lithium-sulfur battery having a double bond and comprising a polymer that can be crosslinked by sulfur.

본 발명은 또한 상기 고분자가 가교된 유기 바인더와, 유황(elemental sulfur), 도전재 및 가황 반응 촉진제를 포함하는 리튬-황 전지용 양극을 제공한다.The present invention also provides a positive electrode for a lithium-sulfur battery comprising an organic binder crosslinked with the polymer, elemental sulfur, a conductive material and a vulcanization reaction accelerator.

이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 리튬-황 전지의 양극에 사용될 수 있는 유기 바인더에 관한 것으로서, 황에 의해 가교될 수 있는 유기 바인더에 관한 것이다.The present invention relates to an organic binder that can be used for the positive electrode of a lithium-sulfur battery, and relates to an organic binder that can be crosslinked by sulfur.

상기 유기 바인더는 이중 결합을 갖는 고분자, 즉 이중 결합을 갖는 폴리올레핀 러버(polyolefinic rubber)로서, 가황 반응(vulcanization)으로 가교되는 고분자이다. 그 예로 천연고무와 합성고무가 있으며, 합성고무의 예로는 스티렌-부타디엔 공중합체, 이소부티렌-이소프렌 공중합체인 부틸 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔-러버: acrylonitrile-butadiene-rubber :NBR) 고무, 에틸렌 프로필렌 디엔 터폴리머(ethylene propylene diene terpolymer: EPDM)를 들 수 있다.The organic binder is a polymer having a double bond, that is, a polyolefin rubber having a double bond, and a polymer crosslinked by vulcanization. Examples include natural rubber and synthetic rubber, and examples of synthetic rubber include styrene-butadiene copolymer, butyl rubber, isobutylene-isoprene copolymer, acrylonitrile-butadiene-rubber (NBR) rubber, ethylene And ethylene propylene diene terpolymer (EPDM).

이러한 유기 바인더를 사용한 본 발명의 양극은 상기 고분자가 가교된 유기 바인더와, 양극 활물질, 도전재 및 가황 반응 촉진제를 포함한다.The positive electrode of the present invention using such an organic binder includes an organic binder crosslinked with the polymer, a positive electrode active material, a conductive material, and a vulcanization reaction accelerator.

상기 양극을 제조하기 위해서는 먼저 슬러리 형태의 조성물을 제조하기 위한용매에 바인더를 용해시킨 다음, 도전재를 분산시킨다.In order to manufacture the positive electrode, a binder is first dissolved in a solvent for preparing a composition in a slurry form, and then a conductive material is dispersed.

상기 도전재는 전자가 양극 극판 내에서 원활하게 이동할 수 있도록 하는 전기 전도성 도전재로서 특히 한정하지는 않으나, 흑연계 물질, 카본계 물질 등과 같은 전도성 물질 또는 전도성 고분자가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 흑연계 물질로는 KS 6(Timcal사 제품)가 있고 카본계 물질로는 슈퍼 P(MMM사 제품), 케첸 블랙(ketjen black), 덴카 블랙(denka black), 아세틸렌 블랙, 카본 블랙 등이 있다. 상기 전도성 고분자의 예로는 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 등이 있다. 이들 전도성 도전재들은 단독으로 사용하거나 둘 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.The conductive material is not particularly limited as an electrically conductive conductive material that allows electrons to move smoothly in the positive electrode plate, but a conductive material or a conductive polymer such as a graphite material, a carbon material, or the like may be preferably used. The graphite material includes KS 6 (manufactured by Timcal) and the carbon material includes super P (MMM manufactured), ketjen black, denka black, acetylene black, and carbon black. . Examples of the conductive polymer include polyaniline, polythiophene, polyacetylene, polypyrrole, and the like. These conductive conductive materials may be used alone or in combination of two or more thereof.

상기 조성물을 제조하기 위한 용매로는 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 균일하게 분산시킬 수 있으며, 쉽게 증발되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 대표적으로는 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란, 물, 이소프로필알콜, 디메틸 포름아마이드 등을 사용할 수 있다.As a solvent for preparing the composition, a positive electrode active material, a binder, and a conductive material may be uniformly dispersed, and it is preferable to use one that is easily evaporated. Typically, acetonitrile, methanol, ethanol, tetrahydrofuran, water, isopropyl alcohol, dimethyl formamide and the like can be used.

다음으로 양극 활물질을 상기 도전재 및 바인더가 분산된 조성물에 다시 균일하게 분산시켜 양극 활물질 조성물을 제조한다. 또한, 추후 공정인 가황 반응을 촉진하기 위해서 테트라메틸티우람 디설파이드(tetramethylthiuram disulfide)와 같은 유기황 화합물, 디티오카르바민산(dithiocarbamic acid)의 아연 염, 아연 산화물, 납 산화물 또는 스테아린산과 같은 가황 반응 촉진제를 상기 양극 활물질 조성물에 더욱 첨가할 수도 있다.Next, the positive electrode active material is uniformly dispersed again in the composition in which the conductive material and the binder are dispersed to prepare a positive electrode active material composition. In addition, organic sulfur compounds such as tetramethylthiuram disulfide, zinc salts of dithiocarbamic acid, vulcanization reactions such as zinc oxide, lead oxide or stearic acid in order to promote the vulcanization reaction which is a later process. An accelerator may be further added to the positive electrode active material composition.

상기 양극 활물질로는 황 원소(elemental sulfur, S8)를 사용한다.Elemental sulfur (S 8 ) is used as the cathode active material.

상기 조성물에서 바인더의 양은 2 내지 10 중량%가 바람직하며, 가황 반응 촉진제의 양은 0.01 내지 1 중량%가 바람직하다. 상기 조성물에서 바인더의 양이 2 중량% 미만일 경우에는 극판의 결착력이 떨어지고, 바인더 양이 10 중량%를 초과하는 경우에는 합제 중량당 용량이 떨어져 바람직하지 않다. 또한, 상기 가황 반응 촉진제의 양이 0.01 중량% 미만일 경우에는 가황 반응 촉진제를 사용함에 따른 반응 속도 향상 효과가 거의 없고, 가황 반응 촉진제 양이 1 중량%를 초과하는 경우애는 양극의 용량이 저하되어 바람직하지 않다.The amount of the binder in the composition is preferably 2 to 10% by weight, the amount of the vulcanization reaction accelerator is preferably 0.01 to 1% by weight. In the composition, when the amount of the binder is less than 2% by weight, the binding force of the electrode plate is lowered, and when the amount of the binder is more than 10% by weight, the capacity per weight of the mixture is not preferable. In addition, when the amount of the vulcanization reaction accelerator is less than 0.01% by weight, there is little effect of improving the reaction rate by using the vulcanization reaction accelerator, and the capacity of the positive electrode is lowered when the amount of the vulcanization reaction accelerator exceeds 1% by weight. Not desirable

아울러, 상기 조성물에 포함되는 양극 활물질, 도전재 및 용매의 양은 본 발명에 있어서 특별히 중요한 의미를 가지지 않으며, 단지 슬러리의 코팅이 용이하도록 적절한 점도를 가지면 충분하다.In addition, the amount of the positive electrode active material, the conductive material and the solvent included in the composition does not have a particularly important meaning in the present invention, it is sufficient to have a suitable viscosity to facilitate the coating of the slurry.

이와 같이 제조된 조성물을 집전체에 도포하고, 조성물이 도포된 집전체를 열처리하여 양극을 제조한다. 이 열처리 공정에 따라 상기 조성물에 포함되어 있던 바인더가 양극 활물질에 포함된 황에 의해 가황 반응(vulcanization)되어, 바인더의 고분자 사이에 가교 반응이 일어나서 바인더들이 가교 구조를 갖게 된다. 상기 열처리 공정은 가황 반응이 발생할 수 있는 온도 및 시간에서 실시하면 충분하며, 그 예로 70 내지 130 ℃에서 5 내지 60 분 동안 실시한다. 가황공정은 열처리 외에 적외선 터널(infrared tunnel)이나 마이크로웨이브 터널(microwave tunnel)을 통과시킴으로써 진행될 수도 있다. 조성물 코팅 두께는 점도 및 형성하고자 하는양극 극판의 두께에 따라 적절한 두께로 집전체에 코팅하면 충분하다. 상기 집전체로는 특히 제한하지 않으나 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 티타늄 등의 도전성 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 카본-코팅된 알루미늄 집전체를 사용하면 더욱 바람직하다. 탄소가 코팅된 알루미늄 기판을 사용하는 것이 탄소가 코팅되지 않은 것에 비해 활물질에 대한 접착력이 우수하고, 접촉 저항이 낮으며, 알루미늄의 폴리설파이드에 의한 부식을 방지할 수 있는 장점이 있다.The composition thus prepared is applied to a current collector, and the current collector to which the composition is applied is heat-treated to prepare a positive electrode. According to this heat treatment process, the binder contained in the composition is vulcanized by sulfur contained in the positive electrode active material, so that a crosslinking reaction occurs between the polymers of the binder so that the binders have a crosslinked structure. The heat treatment step is sufficient to be carried out at a temperature and time that the vulcanization reaction can occur, for example, it is carried out for 5 to 60 minutes at 70 to 130 ℃. The vulcanization process may be performed by passing an infrared tunnel or microwave tunnel in addition to the heat treatment. The coating thickness of the composition is sufficient to coat the current collector with an appropriate thickness depending on the viscosity and the thickness of the positive electrode plate to be formed. The current collector is not particularly limited, but conductive materials such as stainless steel, aluminum, copper, titanium, and the like are preferably used, and more preferably, a carbon-coated aluminum current collector is used. The use of an aluminum substrate coated with carbon has an advantage in that the adhesion to the active material is excellent, the contact resistance is low, and the corrosion of polysulfide of aluminum is prevented, compared with the non-carbon coated aluminum substrate.

상기 양극을 사용한 본 발명의 리튬-황 전지(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 양극(3), 음극(4) 및 상기 양극(3)과 음극(4) 사이에 위치한 세퍼레이터를 포함하는 전지 캔(5)을 포함한다. 상기 양극(3)과 음극(4) 사이에 전해액이 존재한다.The lithium-sulfur battery 1 of the present invention using the positive electrode includes a positive electrode 3, a negative electrode 4 and a separator located between the positive electrode 3 and the negative electrode 4, as shown in FIG. A battery can 5. An electrolyte is present between the positive electrode 3 and the negative electrode 4.

상기 음극(4)은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 및 리튬 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 음극 활물질을 포함한다.The negative electrode 4 is formed of a material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions, a material capable of reacting with lithium ions to form a lithium-containing compound reversibly, lithium metal and a lithium alloy. It includes a negative electrode active material selected.

상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질로는 탄소 물질로서, 리튬 이온 이차 전지에서 일반적으로 사용되는 탄소계 음극 활물질은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들을 함께 사용할 수 있다. 또한, 상기 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질의 대표적인 예로는 산화 주석(SnO2), 티타늄 나이트레이트, 실리콘(Si) 등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 리튬 합금으로는 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba,Ra, Al 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 합금이 사용될 수 있다.As a material capable of reversibly intercalating / deintercalating the lithium ions, any carbon-based negative electrode active material generally used in a lithium ion secondary battery may be used, and representative examples thereof include crystalline carbon. , Amorphous carbon or these can be used together. In addition, representative examples of the material capable of reacting with the lithium ions to form a lithium-containing compound reversibly include tin oxide (SnO 2), titanium nitrate, and silicon (Si), but are not limited thereto. As the lithium alloy, an alloy of a metal selected from the group consisting of lithium and Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al, and Sn may be used.

리튬 금속 표면에 무기질 보호막(protective layer), 유기질 보호막 또는 이들이 적층된 물질도 음극으로 사용될 수 있다. 상기 무기질 보호막으로는 Mg, Al, B, C, Sn, Pb, Cd, Si, In, Ga, 리튬 실리케이트, 리튬 보레이트, 리튬 포스페이트, 리튬 포스포르나이트라이드, 리튬 실리코설파이드, 리튬 보로설파이드, 리튬 알루미노설파이드 및 리튬 포스포설파이드로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 이루어진다. 상기 유기질 보호막으로는 폴리(p-페닐렌), 폴리아세틸렌, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(2,5-에틸렌 비닐렌), 아세틸렌, 폴리(페리나프탈렌), 폴리아센, 및 폴리(나프탈렌-2,6-디일)로 이루어진 군에서 선택되는 도전성을 가지는 모노머, 올리고머 또는 고분자로 이루어진다.An inorganic protective layer, an organic protective layer, or a material in which these layers are stacked on a lithium metal surface may also be used as a cathode. As the inorganic protective film, Mg, Al, B, C, Sn, Pb, Cd, Si, In, Ga, lithium silicate, lithium borate, lithium phosphate, lithium phosphoride nitride, lithium silicosulfide, lithium borosulfide, lithium aluminium It consists of a material selected from the group consisting of nosulfide and lithium phosphosulfide. The organic protective film is poly (p-phenylene), polyacetylene, poly (p-phenylene vinylene), polyaniline, polypyrrole, polythiophene, poly (2,5-ethylene vinylene), acetylene, poly (ferry) Naphthalene), polyacene, and poly (naphthalene-2,6-diyl), and a monomer, oligomer or polymer having conductivity selected from the group consisting of.

또한, 리튬-황 전지를 충방전하는 과정에서, 양극 활물질로 사용되는 황이 비활성 물질로 변화되어, 리튬 음극 표면에 부착될 수 있다. 이와 같이 비활성 황(inactive sulfur)은 황이 여러 가지 전기화학적 또는 화학적 반응을 거쳐 양극의 전기화학 반응에 더이상 참여할 수 없는 상태의 황을 말하며, 리튬 음극 표면에 형성된 비활성 황은 리튬 음극의 보호막(protective layer)으로서 역할을 하는 장점도 있다. 따라서, 리튬 금속과 이 리튬 금속 위에 형성된 비활성 황, 예를 들어 리튬 설파이드를 음극으로 사용할 수도 있다.In addition, in the process of charging and discharging the lithium-sulfur battery, sulfur used as the positive electrode active material may be changed into an inert material and adhered to the surface of the lithium negative electrode. As described above, inactive sulfur refers to sulfur in which sulfur is no longer able to participate in the electrochemical reaction of the anode through various electrochemical or chemical reactions, and inert sulfur formed on the surface of the lithium cathode is a protective layer of the lithium cathode. There is also an advantage to act as. Therefore, lithium metal and inert sulfur formed on the lithium metal, for example lithium sulfide, may be used as the negative electrode.

본 발명의 전해액에 사용되는 유기 용매로는 단일 용매를 사용할 수도 있고 2이상의 혼합 유기용매를 사용할 수도 있다. 2이상의 혼합 유기 용매를 사용하는 경우 약한 극성 용매 그룹, 강한 극성 용매 그룹, 및 리튬 메탈 보호용매 그룹중두 개 이상의 그룹에서 하나 이상의 용매를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.As the organic solvent used in the electrolyte solution of the present invention, a single solvent may be used, or two or more mixed organic solvents may be used. When using two or more mixed organic solvents, it is preferable to use one or more solvents selected from two or more groups among the weak polar solvent group, the strong polar solvent group, and the lithium metal protective solvent group.

약한 극성용매는 아릴 화합물, 바이사이클릭 에테르, 비환형 카보네이트 중에서 황 원소를 용해시킬 수 있는 유전 상수가 15보다 작은 용매로 정의되고, 강한 극성 용매는 비사이클릭 카보네이트, 설폭사이드 화합물, 락톤 화합물, 케톤 화합물, 에스테르 화합물, 설페이트 화합물, 설파이트 화합물 중에서 리튬 폴리설파이드를 용해시킬 수 있는 유전 상수가 15보다 큰 용매로 정의되며, 리튬 보호 용매는 포화된 에테르 화합물, 불포화된 에테르 화합물, N, O, S 또는 이들의 조합이 포함된 헤테로 고리 화합물과 같은 리튬금속에 안정한 SEI(Solid Electrolyte Interface) 필름을 형성하는 충방전 사이클 효율(cycle efficiency)이 50% 이상인 용매로 정의된다.Weak polar solvents are defined as solvents with a dielectric constant of less than 15 that can dissolve elemental sulfur among aryl compounds, bicyclic ethers, and acyclic carbonates, and strong polar solvents include acyclic carbonates, sulfoxide compounds, lactone compounds, Among ketone compounds, ester compounds, sulfate compounds, and sulfite compounds, a dielectric constant capable of dissolving lithium polysulfide is defined as greater than 15, and lithium protective solvents are saturated ether compounds, unsaturated ether compounds, N, O, It is defined as a solvent having a charge and discharge cycle efficiency (cycle efficiency) of 50% or more to form a SEI (Solid Electrolyte Interface) film stable on a lithium metal, such as a heterocyclic compound containing S or a combination thereof.

약한 극성 용매의 구체적인 예로는 자일렌(xylene), 디메톡시에탄, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 톨루엔, 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디글라임, 테트라글라임 등이 있다.Specific examples of weak polar solvents include xylene, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, toluene, dimethyl ether, diethyl ether, diglyme, tetraglyme and the like.

강한 극성 용매의 구체적인 예로는 헥사메틸 포스포릭 트리아마이드(hexamethyl phosphoric triamide), 감마-부티로락톤, 아세토니트릴, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, N-메틸피롤리돈, 3-메틸-2-옥사졸리돈, 디메틸 포름아마이드, 설포란, 디메틸 아세트아마이드 또는 디메틸 설폭사이드, 디메틸 설페이트, 에틸렌 글리콜 디아세테이트, 디메틸 설파이트, 에틸렌 글리콜 설파이트 등을 들 수 있다.Specific examples of strong polar solvents include hexamethyl phosphoric triamide, gamma-butyrolactone, acetonitrile, ethylene carbonate, propylene carbonate, N-methylpyrrolidone, 3-methyl-2-oxazolidone , Dimethyl formamide, sulfolane, dimethyl acetamide or dimethyl sulfoxide, dimethyl sulfate, ethylene glycol diacetate, dimethyl sulfite, ethylene glycol sulfite and the like.

리튬 보호용매의 구체적인 예로는 테트라하이드로 퓨란, 에틸렌 옥사이드,디옥솔란, 3,5-디메틸 이속사졸, 2,5-디메틸 퓨란, 퓨란, 2-메틸 퓨란, 1,4-디옥산, 4-메틸디옥솔란 등이 있다.Specific examples of lithium protective solvents include tetrahydrofuran, ethylene oxide, dioxolane, 3,5-dimethyl isoxazole, 2,5-dimethyl furan, furan, 2-methyl furan, 1,4-dioxane and 4-methyldioxane. Solan and others.

전해액에서 사용되는 전해염으로는 리튬 트리플루오로메탄설폰이미드, 리튬 트리플레이트, 리튬 퍼클로레이트, LiPF6또는 LiBF4를 사용할 수 있다.Lithium trifluoromethanesulfonimide, lithium triflate, lithium perchlorate, LiPF 6 or LiBF 4 may be used as the electrolytic salt used in the electrolyte.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예 1)(Example 1)

황 원소(S8) 80 중량%와 도전재로 케첸블랙 15 중량% 및 바인더로 일종의 합성고무인 스타이렌-부타다이엔 공중합체 5 중량% 및 가황 반응 촉진제로 납 산화물 0.5 중량%를 아세토니트릴/N-메틸피롤리돈 (부피비 8:2) 혼합 용매에서 혼합하여 리튬-황 전지용 양극 혼합 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 탄소-코팅된 Al 전류 집전체에 코팅하고, 슬러리가 코팅된 전류 집전체를 100℃에서 1시간 동안 열처리하여 양극판을 제조하였다.80% by weight of elemental sulfur (S 8 ), 15% by weight of ketjen black as conductive material, 5% by weight of styrene-butadiene copolymer, a kind of synthetic rubber as a binder, and 0.5% by weight of lead oxide as a vulcanization reaction accelerator, acetonitrile / N Methylpyrrolidone (volume ratio 8: 2) was mixed in a mixed solvent to prepare a positive electrode mixture slurry for a lithium-sulfur battery. The slurry was coated on a carbon-coated Al current collector, and the slurry-coated current collector was heat-treated at 100 ° C. for 1 hour to prepare a positive electrode plate.

제조된 양극판, 리튬 음극 및 전해액을 사용하여 리튬-황 전지를 제조하였다. 상기 전해액으로는 1M LiSO3CF3가 용해된 디옥솔란, 디메톡시에탄, 디글라임 및 설포란(5 : 2 : 2 : 1 부피비) 혼합 전해액을 사용하였다.A lithium-sulfur battery was manufactured using the prepared positive electrode plate, lithium negative electrode, and electrolyte solution. As the electrolyte, a mixed electrolyte of dioxolane, dimethoxyethane, diglyme, and sulfolane (5: 2: 2: 1 volume ratio) in which 1M LiSO 3 CF 3 was dissolved was used.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

황 원소(S8) 80 중량%와 도전재로 케첸블랙 15 중량%, 바인더로 스티렌-부타디엔 러버 3.5 중량% 및 증점제로 카르복시메틸 셀룰로즈 1.5 중량%를 물에서 혼합하여 리튬-황 전지용 양극 혼합 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 탄소-코팅된 Al 전류 집전체에 코팅하고, 슬러리가 코팅된 전류 집전체를 12시간 이상 진공 하에서 건조하여 양극판을 제조하였다.80% by weight of elemental sulfur (S 8 ), 15% by weight of ketjen black as a conductive material, 3.5% by weight of styrene-butadiene rubber as a binder and 1.5% by weight of carboxymethyl cellulose as a thickener were mixed in water to prepare a positive electrode mixed slurry for a lithium-sulfur battery. Prepared. This slurry was coated on a carbon-coated Al current collector, and the slurry-coated current collector was dried under vacuum for at least 12 hours to prepare a positive electrode plate.

제조된 양극판, 리튬 금속 음극 및 전해액을 사용하여 리튬-황 전지를 제조하였다. 상기 전해액으로는 1M LiSO3CF3가 용해된 디옥솔란, 디메톡시에탄, 디글라임 및 설포란(5 : 2 : 2 : 1 부피비) 혼합 전해액을 사용하였다.A lithium-sulfur battery was manufactured using the prepared cathode plate, lithium metal anode, and electrolyte solution. As the electrolyte, a mixed electrolyte of dioxolane, dimethoxyethane, diglyme, and sulfolane (5: 2: 2: 1 volume ratio) in which 1M LiSO 3 CF 3 was dissolved was used.

충방전 그래프: 합제 중량당 용량이 증가함.Charge / discharge graph: Increased capacity per combined weight.

상기 실시예 1 및 비교예 1의 방법으로 제조된 리튬-황 전지를 다음과 같은 충방전 프로토콜을 사용하여 상온에서 평가하였다. 첫방전, 두 번째 방전, 세 번째 방전, 네 번째 방전, 다섯 번째 방전시 전류 밀도는 각각 0.2mA/㎠(0.1C), 0.2mA/㎠(0.1C), 0.4mA/㎠(0.2C), 1mA/㎠(0.5C), 2mA/㎠(1C)였고, 이때 충전시 전류밀도는 모든 싸이클에서 동일하게 0.4mA/㎠(0.2C)였다. 이 때, 충전, 방전 컷-오프 전압은 각각 2.8, 1.5V 였고, 충전시에 셔틀현상으로 전압이 상승하지 않을 경우 이론 용량 대비 110% 충전량으로 충전하였다. 여기서 황 이용율은 용량이 837.5 mAh/g인 전지의 황 이용율을 100%로 정의한다. 이와 같이 평가하여 측정된 상기 실시예 1과 비교예 1의 전지의 네 번째 방전(0.5C)의 방전 곡선을 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타낸 것과 같이, 실시예 1의 전지가 비교예 1의 전지에 비해 설퍼이용율과 평균 전압이 크게 향상된 것을 알 수 있다.The lithium-sulfur battery prepared by the method of Example 1 and Comparative Example 1 was evaluated at room temperature using the following charge / discharge protocol. At the first discharge, the second discharge, the third discharge, the fourth discharge, and the fifth discharge, the current densities are 0.2 mA / cm 2 (0.1C), 0.2 mA / cm 2 (0.1C), 0.4 mA / cm 2 (0.2C), 1 mA / cm 2 (0.5C) and 2 mA / cm 2 (1C), and the current density during charging was equally 0.4 mA / cm 2 (0.2C) in all cycles. At this time, the charge and discharge cut-off voltages were 2.8 and 1.5V, respectively. If the voltage did not increase due to the shuttle phenomenon during charging, the battery was charged at 110% of the theoretical capacity. The sulfur utilization rate here defines the sulfur utilization rate of the battery having a capacity of 837.5 mAh / g as 100%. The discharge curves of the fourth discharge (0.5C) of the batteries of Example 1 and Comparative Example 1 measured and evaluated in this way are shown in FIG. 2. As shown in FIG. 2, it can be seen that the sulfur utilization rate and the average voltage of the battery of Example 1 are significantly improved compared to those of Comparative Example 1.

본 발명의 황에 의해 가교된 유기 바인더를 포함하는 양극은 극판의 안정성(수명 특성)이 우수하고, 합제 중량당 용량이 크다.The positive electrode including the organic binder crosslinked by sulfur of the present invention is excellent in stability (life characteristic) of the electrode plate and has a large capacity per mixture weight.

Claims (6)

이중 결합을 가지며, 원소 황(elemental sulfur, S8)에 의해서 가교될 수 있는 고분자를 포함하는 리튬-황 전지용 유기 바인더.An organic binder for a lithium-sulfur battery having a double bond and comprising a polymer capable of crosslinking by elemental sulfur (S 8 ). 제 1 항에 있어서, 상기 고분자는 천연 고무 또는 합성 고무인 리튬-황 전지용 유기 바인더.The organic binder of claim 1, wherein the polymer is natural rubber or synthetic rubber. 황 원소;Elemental sulfur; 도전재;Conductive material; 황에 의해 가교된 유기 바인더; 및Organic binders crosslinked by sulfur; And 가황 반응 촉진제Vulcanization Reaction Accelerator 를 포함하는 리튬-황 전지용 양극.A positive electrode for a lithium-sulfur battery comprising a. 제 3 항에 있어서, 상기 유기 바인더로 고분자 구조 안에 이중 결합을 갖는 폴리올레핀 러버를 사용하는 것인 리튬-황 전지용 양극.The positive electrode for a lithium-sulfur battery according to claim 3, wherein a polyolefin rubber having a double bond in a polymer structure is used as the organic binder. 제 3 항에 있어서, 상기 유기 바인더는 천연 고무 또는 합성 고무인 리튬-황 전지용 양극.The positive electrode for a lithium-sulfur battery according to claim 3, wherein the organic binder is natural rubber or synthetic rubber. 제 3 항에 있어서, 상기 가황 반응 촉진제는 유기황 화합물, 디티오카르바민산의 아연 염, 산화 아연 및 스테아린산으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬-황 전지용 양극.The positive electrode for a lithium-sulfur battery according to claim 3, wherein the vulcanization reaction accelerator is selected from the group consisting of an organosulfur compound, a zinc salt of dithiocarbamic acid, zinc oxide and stearic acid.
KR10-2002-0062899A 2002-10-15 2002-10-15 Binder and positive electrode for lithium sulfur battery KR100450206B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2002-0062899A KR100450206B1 (en) 2002-10-15 2002-10-15 Binder and positive electrode for lithium sulfur battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2002-0062899A KR100450206B1 (en) 2002-10-15 2002-10-15 Binder and positive electrode for lithium sulfur battery

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20040033678A true KR20040033678A (en) 2004-04-28
KR100450206B1 KR100450206B1 (en) 2004-09-24

Family

ID=37333086

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2002-0062899A KR100450206B1 (en) 2002-10-15 2002-10-15 Binder and positive electrode for lithium sulfur battery

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100450206B1 (en)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009142794A2 (en) * 2008-03-05 2009-11-26 Eaglepicher Technologies, Llc Lithium-sulfur battery and cathode therefore
US8748043B2 (en) 2004-01-06 2014-06-10 Sion Power Corporation Electrolytes for lithium sulfur cells
US8828610B2 (en) 2004-01-06 2014-09-09 Sion Power Corporation Electrolytes for lithium sulfur cells
KR20170001375A (en) 2015-06-26 2017-01-04 주식회사 엘지화학 Lithium sulfur battery and method for manufacturaing the same
US9577289B2 (en) 2012-12-17 2017-02-21 Sion Power Corporation Lithium-ion electrochemical cell, components thereof, and methods of making and using same
US9847550B2 (en) 2011-09-07 2017-12-19 Sion Power Corporation Lithium sulfur electrochemical cell including insoluble nitrogen-containing compound and battery including the cell
EP3322008A1 (en) * 2016-11-11 2018-05-16 Oxis Energy Limited Electrode for lithium sulphur cell
CN109888289A (en) * 2019-02-13 2019-06-14 中山大学 It is a kind of based on the difunctional binder and preparation method thereof for having both lithium ion conduction and the absorption of more sulphions
CN113474923A (en) * 2019-10-31 2021-10-01 株式会社Lg化学 Anode binder for lithium rechargeable battery, anode binder comprising cured product of the anode binder
US11631898B2 (en) 2015-12-08 2023-04-18 Lg Energy Solution, Ltd. Electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising same
US11705555B2 (en) 2010-08-24 2023-07-18 Sion Power Corporation Electrolyte materials for use in electrochemical cells

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3993130A4 (en) * 2020-04-14 2022-12-14 LG Energy Solution, Ltd. Lithium-sulfur battery electrolyte and lithium-sulfur battery comprising same

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56156671A (en) * 1980-05-07 1981-12-03 Toshiba Battery Co Ltd Organic solvent battery
KR100396492B1 (en) * 2001-10-17 2003-09-02 삼성에스디아이 주식회사 Positive active material for lithium-sulfur battery and method of preparing positive active material composition comprising same
KR20030063060A (en) * 2002-01-22 2003-07-28 삼성에스디아이 주식회사 Positive electrode for lithium-sulfur battery
KR100467455B1 (en) * 2002-07-10 2005-01-24 삼성에스디아이 주식회사 Positive active material composition for lithium sulfur battery and lithium sulfur battery fabricated using binder

Cited By (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9716291B2 (en) 2004-01-06 2017-07-25 Sion Power Corporation Electrolytes for lithium sulfur cells
US8828610B2 (en) 2004-01-06 2014-09-09 Sion Power Corporation Electrolytes for lithium sulfur cells
US10985403B2 (en) 2004-01-06 2021-04-20 Sion Power Corporation Electrolytes for lithium sulfur cells
US9859588B2 (en) 2004-01-06 2018-01-02 Sion Power Corporation Electrolytes for lithium sulfur cells
US8748043B2 (en) 2004-01-06 2014-06-10 Sion Power Corporation Electrolytes for lithium sulfur cells
WO2009142794A2 (en) * 2008-03-05 2009-11-26 Eaglepicher Technologies, Llc Lithium-sulfur battery and cathode therefore
WO2009142794A3 (en) * 2008-03-05 2010-05-14 Eaglepicher Technologies, Llc Lithium-sulfur battery and cathode therefore
EP2597702A3 (en) * 2008-03-05 2013-06-19 EaglePicher Technologies, LLC Lithium-sulfur battery and cathode therefore
US8252461B2 (en) 2008-03-05 2012-08-28 Eaglepicher Technologies, Llc Lithium-sulfur battery and cathode therefore
US11705555B2 (en) 2010-08-24 2023-07-18 Sion Power Corporation Electrolyte materials for use in electrochemical cells
US9847550B2 (en) 2011-09-07 2017-12-19 Sion Power Corporation Lithium sulfur electrochemical cell including insoluble nitrogen-containing compound and battery including the cell
US10854921B2 (en) 2011-09-07 2020-12-01 Sion Power Corporation Electrochemical cell including electrolyte having insoluble nitrogen-containing material and battery including the cell
US9577289B2 (en) 2012-12-17 2017-02-21 Sion Power Corporation Lithium-ion electrochemical cell, components thereof, and methods of making and using same
US10468721B2 (en) 2012-12-17 2019-11-05 Sion Power Corporation Lithium-ion electrochemical cell, components thereof, and methods of making and using same
US11502334B2 (en) 2012-12-17 2022-11-15 Sion Power Corporation Lithium-ion electrochemical cell, components thereof, and methods of making and using same
US10050308B2 (en) 2012-12-17 2018-08-14 Sion Power Corporation Lithium-ion electrochemical cell, components thereof, and methods of making and using same
KR20170001375A (en) 2015-06-26 2017-01-04 주식회사 엘지화학 Lithium sulfur battery and method for manufacturaing the same
US11631898B2 (en) 2015-12-08 2023-04-18 Lg Energy Solution, Ltd. Electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising same
JP2019534533A (en) * 2016-11-11 2019-11-28 オーキス エナジー リミテッド Lithium sulfur battery electrode
CN109952673A (en) * 2016-11-11 2019-06-28 奥克斯能源有限公司 Electrode for lithium-sulfur cell
WO2018087543A1 (en) * 2016-11-11 2018-05-17 Oxis Energy Limited Electrode for lithium sulphur cell
TWI787212B (en) * 2016-11-11 2022-12-21 英商強生麥特公司 Electrode for lithium sulphur cell
EP3322008A1 (en) * 2016-11-11 2018-05-16 Oxis Energy Limited Electrode for lithium sulphur cell
CN109888289A (en) * 2019-02-13 2019-06-14 中山大学 It is a kind of based on the difunctional binder and preparation method thereof for having both lithium ion conduction and the absorption of more sulphions
CN113474923A (en) * 2019-10-31 2021-10-01 株式会社Lg化学 Anode binder for lithium rechargeable battery, anode binder comprising cured product of the anode binder

Also Published As

Publication number Publication date
KR100450206B1 (en) 2004-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101882613B1 (en) Lithium sulfur battery and method for manufacturing the same
US6919143B2 (en) Positive active material composition for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery fabricated using same
KR100612227B1 (en) Positive electrode for lithium sulfur battery and lithium sulfur battery comprising same
KR100485093B1 (en) Positive electrode for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising same
KR100441514B1 (en) An electrolyte for lithium-sulfur batteries and lithium-sulfur batteries comprising the same
KR20030063060A (en) Positive electrode for lithium-sulfur battery
KR101475763B1 (en) Positive electrode for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising the same
KR101501267B1 (en) Positive electrode material for lithium-sulfur battery, method of manufacturing the same and lithium-sulfur battery
KR100450206B1 (en) Binder and positive electrode for lithium sulfur battery
KR20050038254A (en) Positive electrode for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising same
US9853285B2 (en) Method for manufacturing electrode for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery
KR100382302B1 (en) Positive active material composition for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery manufactured using same
KR100508920B1 (en) Positive electrode for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising same
KR101892453B1 (en) Tungsten compound additive for Lithium sulfur batteries
KR100529108B1 (en) Current collector for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising same
US20230023989A1 (en) Salt additives for secondary sulfur batteries
KR100471982B1 (en) Positive electrode for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising same
KR100502896B1 (en) Current collector for positive electrode of lithium-sulfur battery, positive electrode for lithium-sulfur battery comprising same and lithium-sulfur battery comprising same
KR20050052258A (en) Lithium sulfur battery and method for manufacturing thereof
KR101923861B1 (en) Slurry for cathode of Li battery and Li battery including the same
KR100471983B1 (en) Electrode for lithium battery
KR100551002B1 (en) Conductive material used in positive electrode for lithium sulfur battery, positive electrode for lithium sulfur battery and lithium sulfur battery comprising same
KR20050052275A (en) Method for prepararing of positive active material for lithium-sulfur battery and positive active material prepared therefrom
KR20230021670A (en) Porous cathode for secondary battery
KR20220121326A (en) Anode for lithium secondary battery comprising lithiun powder and zinc powder or zinc oxide powder and method for preparing same

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20070822

Year of fee payment: 4

LAPS Lapse due to unpaid annual fee