KR20050016856A - Coated current collector for reducing self discharge and sulfur battery using same - Google Patents
Coated current collector for reducing self discharge and sulfur battery using sameInfo
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Abstract
Description
본 발명은 자기방전을 줄이기 위하여 전극 활 물질 보다 안정한 물질을 코팅한 집전체와 이를 이용한 유황전지에 관한 것이다. The present invention relates to a current collector coated with a more stable material than the electrode active material and a sulfur battery using the same to reduce self discharge.
전 세계적으로 전자 제품의 이동전원으로 사용되는 이차 전지의 개발이 활발하게 진행되고 있다. Globally, development of secondary batteries used as mobile power sources for electronic products is being actively conducted.
리튬 유황전지는 가격이 저렴하고 이론 에너지 밀도가 2600Wh/kg (1675mAh/g)으로 다른 전지 시스템에 비하여 월등히 높아 많은 연구가 진행되고 있다. Lithium sulfur battery is cheaper and theoretical energy density is 2600Wh / kg (1675mAh / g), which is much higher than other battery systems.
리튬 유황전지의 경우 사용하지 않고, 오랜 시간 동안 유지할 경우 유황전극에서 리튬 폴리 설파이드나 리튬 설파이드가 생성되어 전해질 속으로 용해되어 나오게 되고, 방전 용량의 감소가 일어난다. 오랜 시간 사용하지 않고 방치할 경우 방전 용량이 감소하는 이러한 현상을 자기방전이라고 한다.In the case of lithium sulfur batteries, lithium polysulfide or lithium sulfide is formed in the sulfur electrode when it is kept for a long time and is dissolved into the electrolyte, and a discharge capacity decreases. This phenomenon in which the discharge capacity decreases when left unused for a long time is called self discharge.
집전체의 물질이 활 물질인 유황보다 안정하고, 전자의 이동을 잘 할 수 있는 물질이라면 유황이 리튬 폴리 설파이드나 리튬 설파이드가 되는 것을 줄일 수 있으므로 자기방전에 의한 방전 용량을 감소시킬 수 있을 것이다. If the material of the current collector is more stable than sulfur, which is an active material, and can move electrons well, sulfur can be reduced to lithium poly sulfide or lithium sulfide, thereby reducing the discharge capacity due to self discharge.
이에 본 발명은 유황전지의 자기방전을 줄이기 위하여 단순한 코팅 작업에 의해 전극의 활 물질 보다 이온화 경향이 낮은 물질이 코팅된 집전체를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a current collector coated with a material having a lower ionization tendency than an active material of an electrode by a simple coating operation in order to reduce self discharge of a sulfur battery.
또한, 본 발명은 상기 집전체를 적용함으로써 방전 용량이 우수한 유황전지를 제공하는데 그 목적이 있다. Another object of the present invention is to provide a sulfur battery having excellent discharge capacity by applying the current collector.
본 발명의 집전체는 전극의 활 물질 보다 이온화 경향이 낮은 금속이나 귀금속, 탄소계열, 예를 들면 탄소, 흑연 또는 나노튜브, 도전성 고분자로 이루어진 군으로부터 적어도 하나를 선택하여서 된 코팅 물질이 스퍼터링, CVD 또는 도금공정에 의해 코팅되어 있으므로 유황전지의 자기방전을 감소시킬 수 있는 특징이 있다. In the current collector of the present invention, a coating material obtained by selecting at least one selected from the group consisting of metals, precious metals, carbon series, such as carbon, graphite or nanotubes, and conductive polymers, which has a lower ionization tendency than the active material of the electrode, is sputtered and CVD. Or it is coated by the plating process has a feature that can reduce the self-discharge of the sulfur battery.
또한, 본 발명은 황을 포함하는 활 물질과 탄소 또는 전도성 고분자로 이루어지는 도전재와 고분자로 이루어지는 바인더를 혼합한 혼합물에 상기 집전체를 포함하는 양극: 천이 금속(Li, Na, Mg) 또는 천이금속의 합금, 또는 탄소 등으로 이루어지는 음극: 상기 양극과 음극사이에 이온 전도의 매개체로 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 유황전지인 것이다.In addition, the present invention is a positive electrode comprising a current collector in a mixture of a sulfur-containing active material, a conductive material made of carbon or a conductive polymer and a binder made of a polymer: a transition metal (Li, Na, Mg) or transition metal A negative electrode made of an alloy, carbon or the like is a sulfur battery comprising an electrolyte as a medium for ion conduction between the positive electrode and the negative electrode.
상기 활 물질은 황 분자(S8), 폴리설파이드(Li2Sx X>1), 황-카본 폴리머로 이루어진 군으로부터 적어도 하나를 선택하는 것이 바람직하고, 상기 이온 전도의 매개체로 고체 고분자 전해질과, 고분자에 가소제를 첨가하여서 된 겔 전해질, 액체 전해질로 이루어진 군으로부터 적어도 하나를 선택하여서 사용하는 것이 좋다.Preferably, the active material is at least one selected from the group consisting of sulfur molecules (S8), polysulfides (Li 2 S x X> 1), sulfur-carbon polymers, a solid polymer electrolyte and It is preferable to use at least one selected from the group consisting of a gel electrolyte and a liquid electrolyte obtained by adding a plasticizer to the polymer.
특히, 상기 고분자로는 폴리우레탄, 폴리비닐리덴헥사플루오로프로필렌 공중합체, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리에틸렌옥사이드 또는 폴리프로필렌옥사이드과 그에 따른 복합 고분자로 이루어진 군으로부터 적어도 하나를 선택하여 사용하는 것이 바람직하며, 상기 가소제와 액체 전해질은 폴리에틸렌글리콜디메틸에테르(PEGDME), 트리에틸렌글리콜디메틸에테르(TRGDME), 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르(TEGDME), 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 디옥솔란, 설포란, 디메틸에스테르(DME)로 이루어진 군으로부터 적어도 하나를 선택하여 사용하는 것이 좋다.In particular, the polymer is a polyurethane, polyvinylidene hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyethylene oxide or polypropylene oxide and the resulting composite polymer It is preferable to use at least one selected from the group consisting of, the plasticizer and the liquid electrolyte is polyethylene glycol dimethyl ether (PEGDME), triethylene glycol dimethyl ether (TRGDME), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), ethylene carbonate ( At least one selected from the group consisting of EC), propylene carbonate (PC), dioxolane, sulfolane and dimethyl ester (DME) is preferably used.
이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in more detail based on the following examples.
실시예 1Example 1
양극으로 사용되는 유황전극은 다음과 같이 제조한다. The sulfur electrode used as the anode is manufactured as follows.
아트리터형 볼밀링기(자체 제작)에 볼, 유황, 탄소, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)를 넣고 혼합하였다. 이때 볼과 분말의 비는 30 : 1로 하고, 유황전극 제조에 사용된 유황 : 탄소 : PVdF의 비는 50 : 30 : 20으로 하였다. 혼합분말에 테트라하이드로퓨란(THF) 용액을 넣고 2시간동안 볼밀링을 실시하였다. 잘 혼합된 전극을 캐스팅 하여 유황전극으로 제조하였다. A ball, sulfur, carbon, and polyvinylidene fluoride (PVdF) were added and mixed in an atliter ball milling machine (man-made). At this time, the ratio of the ball and the powder was 30: 1, the ratio of sulfur: carbon: PVdF used in the production of sulfur electrodes was 50: 30: 20. Tetrahydrofuran (THF) solution was added to the mixed powder, and ball milling was performed for 2 hours. A well mixed electrode was cast to prepare a sulfur electrode.
집전체는 스테인레스 강을 사용하였으며, 표면에 금(Au)을 스퍼터링 방법으로 코팅하였다. As the current collector, stainless steel was used, and gold (Au) was coated on the surface by a sputtering method.
전해질은 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)에 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르(TEGDME)와 리튬염을 첨가하여 제조된 고분자 전해질을 사용하였다. As the electrolyte, a polymer electrolyte prepared by adding tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) and a lithium salt to polyvinylidene fluoride (PVdF) was used.
코팅된 집전체 위에 유황전극, 고분자전해질, 리튬 금속 그리고 음극 집전체 순으로 적층하여 셀을 구성하였다. On the coated current collector, a sulfur electrode, a polymer electrolyte, a lithium metal, and a negative electrode current collector were stacked in this order to constitute a cell.
비교예 1Comparative Example 1
양극의 집전체로 스테인레스 강을 사용하는 것 이외에는 모두 실시예 1과 동일하게 실시하여 셀을 구성하였다. A cell was constructed in the same manner as in Example 1 except that stainless steel was used as the current collector for the positive electrode.
첨부 도면 중 도 1은 본 실시예 1에 따른 코팅된 집전체를 사용한 유황전지의 단면도를 나타낸 것으로 부호 a는 양극의 집전체이고, b는 본 발명의 코팅 층이며, c와 e는 유황 양극과 음극을 나타낸다. d와 f는 전해질과 음극 집전체를 나타낸 것이다. 1 is a cross-sectional view of a sulfur battery using a coated current collector according to Example 1, wherein a is a current collector of a positive electrode, b is a coating layer of the present invention, and c and e are sulfur anodes and Indicates the negative electrode. d and f represent the electrolyte and the negative electrode current collector.
개로 전압(OCV) 측정Open-circuit voltage (OCV) measurement
상기 실시예 1과 비교예 1에서 제조한 셀을 사용하여 30일 동안의 리튬 유황전지의 개로 전압을 측정하였으며 그 결과는 도 2에 나타내었다. 도 2에 의하면, 코팅이 되지 않은 집전체를 사용한 비교예 1의 유황전지는 2.4V에서 2.1V로 감소하였으나, 금(Au)이 코팅된 집전체를 사용한 실시예 1의 유황 전지는 감소하진 않았다. Opening voltage of the lithium sulfur battery was measured for 30 days using the cells prepared in Example 1 and Comparative Example 1, and the results are shown in FIG. 2. According to FIG. 2, the sulfur battery of Comparative Example 1 using the current collector without coating was decreased from 2.4V to 2.1V, but the sulfur battery of Example 1 using the current collector coated with gold (Au) did not decrease. .
방전 실험 Discharge experiment
상기 실시예 1과 비교예 1의 전지를 30일 동안 25℃에서 방치 후 방전 용량을 비교하였다. 방전 시 전류 밀도는 100mAh/g-sulfur로 하였으며, 종지 전압은 1.7V로 하였다. 방전 실험 결과는 다음 표 1과 같다.After discharging the batteries of Example 1 and Comparative Example 1 at 25 ℃ for 30 days, the discharge capacity was compared. During discharge, the current density was 100mAh / g-sulfur and the termination voltage was 1.7V. The discharge test results are shown in Table 1 below.
표 1Table 1
상기 표 1에 의하면, 30일 동안 방치 후 유황전지의 방전용량은 코팅을 하지 않은 집전체(비교예 1)를 사용한 경우 40% 감소하였고, 금(Au)을 코팅한 집전체(실시예 1)를 사용한 경우 13% 감소하였다. According to Table 1, after 30 days of standing, the discharge capacity of the sulfur battery was reduced by 40% using the uncoated current collector (Comparative Example 1), and the current collector coated with gold (Au) (Example 1) Decreased by 13%.
실시예 2Example 2
전해질로서 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르(TEGDME)와 리튬염을 첨가하여 제조된 액체 전해질을 리튬 이동이 가능한 셀 가드에 함침시켜 사용하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하되 집전체 위에 유황전극, 액체 전해질(셀가드에 함침을 시킴), 리튬 금속 그리고 음극 집전체 순으로 적층하여 셀을 구성하였다. Except for using a liquid electrolyte prepared by adding tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) and lithium salt as an electrolyte to impregnated in the cell-movable cell guard, it was carried out in the same manner as in Example 1 except that the sulfur electrode, liquid electrolyte on the current collector (Impregnated with Celgard), lithium metal, and a negative electrode current collector were laminated in this order to constitute a cell.
비교예 2Comparative Example 2
전해질로서 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르(TEGDME)와 리튬염을 첨가하여 제조된 액체 전해질을 리튬 이동이 가능한 셀 가드에 함침시켜 사용하는 것 이외에는 비교예 1과 동일하게 실시하되 집전체 위에 유황전극, 액체 전해질(셀가드에 함침을 시킴), 리튬 금속 그리고 음극 집전체 순으로 적층하여 셀을 구성하였다. A liquid electrolyte prepared by adding tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) and a lithium salt as an electrolyte was used in the same manner as in Comparative Example 1 except that the liquid electrolyte was impregnated into a lithium-movable cell guard. (Impregnated with Celgard), lithium metal, and a negative electrode current collector were laminated in this order to constitute a cell.
개로 전압(OCV)의 측정Measurement of the open circuit voltage (OCV)
상기 실시예 2와 비교예 2에서 제조한 셀을 사용하여 30일 동안의 리튬 유황전지의 개로 전압을 측정하였으며 그 결과는 도 3에 나타내었다. 도 3에 의하면, 코팅이 되지 않은 집전체를 사용한 비교예 2의 유황전지는 2.4V에서 2.1V로 감소하였으나, 금(Au)이 코팅 된 집전체를 사용한 실시예 2의 유황 전지는 감소하진 않았다. Opening voltage of the lithium sulfur battery was measured for 30 days using the cells prepared in Example 2 and Comparative Example 2. The results are shown in FIG. 3. According to FIG. 3, the sulfur battery of Comparative Example 2 using the current collector without coating was decreased from 2.4V to 2.1V, but the sulfur battery of Example 2 using the current collector coated with gold (Au) did not decrease. .
방전 실험Discharge experiment
상기 실시예 2와 비교예 2의 전지를 30일 동안 25℃에서 방치 후 방전 용량을 비교하였다. 방전시 전류 밀도는 100mAh/g-sulfur로 하였으며, 종지 전압은 1.7V로 하였다. 방전 실험 결과는 다음 표 2와 같다.After discharging the batteries of Example 2 and Comparative Example 2 for 30 days at 25 ℃ compared the discharge capacity. During discharge, the current density was 100mAh / g-sulfur and the termination voltage was 1.7V. The discharge test results are shown in Table 2 below.
표 1Table 1
상기 표 2에 의하면, 30일 동안 방치 후 유황전지의 방전용량은 코팅을 하지 않은 집전체(비교예 2)를 사용한 경우 57% 감소하였고, 금(Au)을 코팅한 집전체(실시예 2)를 사용한 경우 16% 감소하였다. According to Table 2, after leaving for 30 days, the discharge capacity of the sulfur battery was reduced by 57% using the current collector (Comparative Example 2) without coating, and the current collector coated with gold (Au) (Example 2) Decrease by 16%.
본 발명의 전극 활 물질보다 안정한 금속이나 전기 전도체를 코팅한 집전체를 사용할 경우 자기 방전을 줄일 수 있어 리튬 유황전지의 방전 용량을 우수하게 할 수 있는 효과가 있다. When using a current collector coated with a metal or an electrical conductor more stable than the electrode active material of the present invention, self-discharge can be reduced, thereby improving the discharge capacity of the lithium sulfur battery.
도 1은 본 발명에 따른 리튬 유황전지의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of a lithium sulfur battery according to the present invention.
도 2와 도 3은 본 발명의 실시예들과 비교예들의 유황전지의 개로전압을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.2 and 3 are graphs showing the results of measuring the open-circuit voltage of the sulfur battery of the embodiments and comparative examples of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
a : 양극 집전체 b : 코팅층a: positive electrode current collector b: coating layer
c : 유황 양극 d : 전해질c: sulfur anode d: electrolyte
e : 음극 f : 음극 집전체 e: negative electrode f: negative electrode current collector
Claims (8)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020030053772A KR20050016856A (en) | 2003-08-04 | 2003-08-04 | Coated current collector for reducing self discharge and sulfur battery using same |
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KR (1) | KR20050016856A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100858415B1 (en) * | 2004-12-02 | 2008-09-11 | 주식회사 엘지화학 | Positive Current Collector Coated With Metal Stable On Positive Voltage And Lithium Secondary Battery |
WO2022212957A1 (en) * | 2021-04-02 | 2022-10-06 | Hunt Energy Enterprises, L.L.C. | In-situ regenerable proton-zinc battery |
-
2003
- 2003-08-04 KR KR1020030053772A patent/KR20050016856A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
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WO2022212957A1 (en) * | 2021-04-02 | 2022-10-06 | Hunt Energy Enterprises, L.L.C. | In-situ regenerable proton-zinc battery |
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