KR20050052275A - 리튬 설퍼 전지용 양극활물질의 제조방법 및 이로부터제조되는 양극활물질 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 설퍼 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 a) 설퍼계 물질을 용융시켜 액상의 설퍼계 물질을 제조하는 단계; b) 상기 액상의 설퍼계 물질에 도전제를 첨가하여 혼합하는 단계; 및 c) 상기 제조된 혼합물을 냉각시켜 양극활물질을 제조하는 단계를 포함하는 리튬 설퍼 전지용 양극활물질의 제조방법과 이로부터 제조되는 양극활물질, 및 상기 양극활물질을 포함하는 리튬 설퍼 전지에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 설퍼계 물질과 도전제가 균일하게 혼합되어 있고, 상기 혼합 응집체의 평균입경이 1 마이크로미터 이하인 양극활물질을 이용하여 리튬 설퍼 전지를 제조함으로써 전지의 설퍼이용율이 증대되고, 수명특성이 개선된다.

Description

리튬 설퍼 전지용 양극활물질의 제조방법 및 이로부터 제조되는 양극활물질{METHOD FOR PREPARARING OF POSITIVE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM-SULFUR BATTERY AND POSITIVE ACTIVE MATERIAL PREPARED THEREFROM}
[산업상 이용분야]
본 발명은 리튬 설퍼 전지용 양극활물질의 제조방법 및 이로부터 제조되는 양극활물질 에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양극 제조공정을 개선함으로써 전지의 수명 및 설퍼이용율을 높일 수 있는 리튬 설퍼 전지용 양극활물질의 제조방법 및 이로부터 제조되는 양극활물질에 관한 것이다.
[종래기술]
휴대용 및 소형 전자 기기의 보급 확대로 가볍고 용량이 큰 전지에 대한 요구가 증가하고 있다. 이러한 요구를 만족시키는 이차 전지로 리튬 설퍼 전지와 리튬 이온 전지가 있다.
리튬 설퍼 전지는 기존의 리튬이온전지와 리튬이온폴리머전지가 양극과 음극에 주로 사용하고 있는 물질(양극 리튬코발트옥사이드/음극 카본)보다 대용량 물질인 설퍼와 리튬금속을 사용함으로써 기존의 리튬이온전지나 리튬이온폴리머전지보다 3 내지 5배 이상의 대용량이 가능하며 물질의 가격이 저렴하고 환경친화적이라는 장점이 있어서 차세대 이차전지로서 주목되고 있다.
리튬-설퍼 전지는 S-S 결합(Sulfur-Sulfur linkage)을 가지는 설퍼계 물질을 양극활물질로 사용하고, 리튬과 같은 알칼리 금속, 또는 리튬 이온 등과 같은 금속 이온의 삽입/탈삽입이 가능한 카본계 물질을 음극활물질로 사용한다. 리튬-설퍼 전지는 환원 반응시(방전시) S-S 결합이 끊어지면서 S의 산화수가 감소하고, 산화 반응시(충전시) S의 산화수가 증가하면서 S-S 결합이 다시 형성되는 산화-환원 반응을 이용하여 전기적 에너지를 저장 및 생성한다.
리튬 설퍼 전지 시스템은 아직 상용화에 성공했다고 할 수 없는데, 그 이유 중의 하나는 설퍼를 활물질로 사용하면 투입된 설퍼의 양에 대한 전지 내 전기화학적 산화환원 반응에 참여하는 설퍼의 양을 나타내는 이용율이 낮기 때문이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 리튬 설퍼 전지의 설퍼이용율 및 수명특성을 개선할 수 있는 리튬 설퍼 전지용 양극활물질의 제조방법 및 그로부터 제조되는 양극활물질을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 a) 설퍼계 물질을 용융시켜 액상의 설퍼계 물질을 제조하는 단계; b) 상기 액상의 설퍼계 물질에 도전제를 첨가하여 혼합하는 단계; 및 c) 상기 제조된 혼합물을 냉각시켜 양극활물질을 제조하는 단계를 포함하는 리튬 설퍼 전지용 양극활물질의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 설퍼계 물질 및 도전제가 혼합 응집체를 이루고 있으며, 상기 혼합 응집체의 입경이 1 마이크로미터 이하인 리튬 설퍼 전지용 양극활물질을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 양극활물질을 포함하는 양극, 음극활물질을 포함하는 음극 및 세퍼레이터를 포함하는 리튬 설퍼 전지를 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 방법에 있어서, 설퍼계 물질로는 무기 설퍼(S8, elemental sulfur), Li2Sn(n ≥ 1), 유기설퍼 화합물 또는 카본-설퍼 폴리머[(C2 Sx)n, 여기에서 x=2.5-50, n ≥ 2] 중에서 하나 이상을 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 무기 설퍼(S8)를 사용할 수 있다.
상기 도전제는 전자가 양극 극판 내에서 원활하게 이동할 수 있도록 하는 물질로서, 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정되지 않으나, 흑연계 물질, 카본계 물질 등과 같은 전도성 카본 물질 또는 전도성 고분자가 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 흑연계 물질로는 KS 6(Timcal사 제품)가 있고 카본계 물질로는 수퍼 P(MMM사 제품), 케첸 블랙(ketjen black), 덴카 블랙(denka black), 아세틸렌 블랙, 카본 블랙 등이 있다. 또한, 상기 전도성 고분자의 예로는 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 등이 있다. 이들 전도성 도전제들은 단독으로 사용하거나 둘 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.
본 발명의 방법에 따르면, 양극활물질을 제조하기 위하여, 우선 설퍼계 물질을 용융시켜 액상의 설퍼계 물질을 제조한다. 상기 설퍼계 물질을 용융시키는 단계의 온도는 상기 설퍼계 물질에 따라 다르게 선택될 수 있으며, 각 물질의 용융온도보다 10℃ 이상 높은 온도로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 120℃ 이상인 것이 바람직하며, 무기 설퍼(S8)의 경우에는 120 내지 200℃인 것이 보다 바람직하고, Li2Sn(n ≥ 1), 유기설퍼 화합물 또는 카본-설퍼 폴리머[(C2S x)n, 여기에서 x=2.5-50, n ≥ 2]의 경우에는 120 내지 1,000℃인 것이 보다 바람직하다. 용융온도가 120℃ 미만인 경우에는 설퍼계 물질이 충분히 용융되지 못하여 균일하게 혼합된 양극활물질을 얻을 수 없게 된다. 상기 액상의 설퍼계 물질에 도전제를 첨가한 후, 혼합한다. 이러한 혼합공정은 상기 용융온도가 유지되는 상태에서 실시하는 것이 바람직하며, 교반기 등을 이용하여 실시할 수 있다.
상기 액상의 설퍼계 물질과 도전제가 혼합된 후에는 냉각 단계를 거쳐 입자화시킴으로써 양극활물질을 제조할 수 있다. 이 때, 냉각속도는 5 내지 500 ℃/min인 것이 바람직하다. 상기 냉각속도를 제어함으로써, 양극활물질의 설퍼계 물질의 입도를 조절할 수 있다. 냉각속도가 5℃/min 미만인 경우에는 설퍼계 물질의 크기가 커지게 되고, 500℃/min 을 초과하는 경우에는 공정적으로 구현이 어렵고 혼합물의 밀도가 감소하는 단점이 있다.
상기 방법에 따라 제조된 리튬 설퍼 전지용 양극활물질은 설퍼계 물질 및 도전제가 혼합 응집체를 이루고 있으며, 상기 혼합 응집체의 입경이 1 마이크로미터 이하이며, 바람직하게는 0.5 내지 0.1 마이크로미터인 것을 특징으로 한다. 혼합 응집체의 입경이 상기 범위에 포함되도록 함으로써 전지의 수명 및 설퍼이용율을 높일 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 리튬 설퍼 전지용 양극활물질을 이용하여 리튬 설퍼 전지를 제조하게 되면, 전지의 수명 및 설퍼이용율을 높일 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 리튬 설퍼 전지용 양극활물질은 통상적인 양극 제조방법에 따라 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 집전체에 도포하고 건조시킴으로써 양극으로 제조될 수 있다.
상기 집전체로는 특별히 제한되지 않으나 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 티타늄 등의 도전성 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 카본-코팅된 알루미늄 집전체를 사용하면 더욱 바람직하다. 카본이 코팅된 알루미늄 기판을 사용하는 것이 카본이 코팅되지 않은 것에 비해 활물질에 대한 접착력이 우수하고, 접촉 저항이 낮으며, 알루미늄의 폴리설파이드에 의한 부식을 방지할 수 있다는 점에서 바람직하다.
음극활물질로는 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 적어도 하나의 물질이 이용된다. 상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질로는 카본 물질로서, 리튬 이온 이차 전지에서 일반적으로 사용되는 카본계 음극활물질은 어떠한 것이라도 사용될 수 있으며, 그 대표적인 예로는 결정질 카본, 비정질 카본 또는 이들의 혼합물이 있다. 또한, 상기 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질의 대표적인 예로는 산화 주석(SnO2), 티타늄 나이트레이트, 실리콘 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.
음극은, 리튬 이차 전지의 음극 제조방법으로서 통상적으로 이용되는 방법에 따라 제조될 수 있다.
전술한 방법으로 제조된 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 위치시켜 셀에 삽입한 다음 전해액을 주입하고 실링하여 전지조립체를 완성한다. 상기 세퍼레이터로는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등의 고분자막 또는 이들의 다중막이 이용될 수 있다. 상기 전해액은 유기 용매와 전해염을 포함한다. 상기 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 금속 보호용매 그룹 중 두 개 이상의 그룹에서 하나 이상의 용매를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
약한 극성용매는 아릴 화합물, 바이사이클릭 에테르, 비환형 카보네이트 중에서 설퍼(S8)를 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.
약한 극성 용매의 구체적인 예로는 자일렌(xylene), 디메톡시에탄, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 톨루엔, 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디글라임, 테트라글라임 등이 있다.
강한 극성 용매의 구체적인 예로는 헥사메틸 포스포릭 트리아마이드, 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.
리튬 보호용매의 구체적인 예로는 테트라하이드로 퓨란, 디옥솔란, 3,5-디메틸 이속사졸, 2,5-디메틸 퓨란, 퓨란, 2-메틸 퓨란, 1,4-옥산, 4-메틸디옥솔란 등이 있다.
상기 전해염으로 이용되는 리튬염으로는 리튬 트리플루오로메탄 설폰이미드 또는 리튬 트리플레이트 중 하나 이상 사용할 수 있다. 이때, 리튬염의 농도는 0.6 내지 2.0 M 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하며, 0.7 내지 1.6 M 범위 내에서 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 리튬염의 농도가 0.6 M 미만이면 전해질의 전도도가 낮아져 전해질 성능이 저하되고, 2.0 M을 초과하는 경우에는 전해질의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 감소되는 문제점이 있다.
이어서, 전술한 바와 같이 제조된 전지 조립체에 대해 통상적으로 실시되는 화성공정이 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(비교예 1)
아세토니트릴 용매에 폴리에틸렌옥사이드(분자량 5,000,000, Aldrich)를 용해하여 바인더 용액을 제조하였다. 이 바인더 용액에 도전제로서 카본 분말(슈퍼 P, MMM carbon Co.)을 부가한 다음 평균 입도 5㎛ 정도로 조절된 설퍼(S8) 분말을 부가하여 양극활물질 조성물을 제조하였다. 상기 양극활물질 조성물을 카본 코팅된 알루미늄 기재(REXAM)에 코팅하여 60℃ 열풍 건조로에서 한시간 동안 건조하여 양극을 제조하였다.
제조된 양극 합제 조성은 설퍼/도전제/바인더=75/15/10(중량%)이었다. 얻어진 양극을 수분이 제어되는 드라이룸에서 압연기로 압연하고 리튬 메탈(120㎛ 두께)과 세퍼레이터(Tonen 16㎛)와 적층하여 파우치에 넣고 전해액을 주입한 후 파우치를 실링하여 리튬 설퍼 전지를 제조하였다. 이때, 전해액으로는 1M LiSO3CF3이 용해된 1,3-디옥솔란/디글라임/설포란/디메톡시에탄(50/20/10/20 부피비)을 사용하였다.
(실시예 1)
설퍼(S8) 분말을 열교반기에 넣고 130℃에서 완전히 용융시켜 액상의 설퍼를 제조한 후, 카본 분말(슈퍼 P, MMM carbon Co.)을 액상의 설퍼에 대하여 중량비 75:15로 첨가하여 혼합하였다. 상기 혼합된 혼합물을 500℃/min의 속도로 냉각시켜 양극활물질을 제조하였다.
상기 얻어진 양극활물질을 폴리에틸렌옥사이드(분자량 5,000,000, Aldrich)를 아세토니트릴 용매에 용해시킨 바인더 용액에 부가하여 슬러리로 제조한 다음, 카본 코팅된 알루미늄 기재(REXAM)에 코팅하여 60℃ 열풍 건조로에서 한시간 동안 건조하여 양극을 제조하였다. 제조된 양극 합제 조성은 설퍼/도전제/바인더(75/15/10 중량비)이었다.
상기 제조된 양극을 수분이 제어되는 드라이룸에서 압연기로 압연하고 리튬 메탈(120㎛ 두께)과 세퍼레이터(Tonen 16㎛)와 적층하여 파우치에 넣고 전해액을 주입한 후 파우치를 실링하여 리튬 설퍼 전지 를 제조하였다. 이때, 전해액으로는 1M LiSO3CF3이 용해된 1,3-디옥솔란/디글라임/설포란/디메톡시에탄(50/20/10/20 부피비)을 사용하였다.
(실시예 2)
용융된 액상의 설퍼와 카본 분말의 혼합물을 50 ℃/min의 속도로 냉각시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 리튬 설퍼 전지 를 제조하였다.
(실시예 3)
용융된 액상의 설퍼와 카본 분말의 혼합물을 5 ℃/min의 속도로 냉각시킨 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬 설퍼 전지를 제조하였다.
상기 실시예 1에 의해 제조된 양극활물질에 대한 전자현미경(SEM) 사진을 도 1에 도시하였다. 도 1로부터, 설퍼의 용융혼합 및 냉각 속도 조절로 인해 양극활물질의 설퍼 입자의 평균 입도가 0.5 마이크로미터 이하로 균일하게 형성되어 있는 것을 알 수 있다.
상기 비교예 및 실시예 1 내지 3에서 제조된 전지에 대해 전지 조립 후 24시간 에이징(aging)과정을 거친 후, 첫방전 0.2C 1.5V 이후 0.2C 100% 충전, 0.5C 1.5V 방전으로 설퍼이용율과 사이클 수명특성 평가하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 설퍼와 카본을 용융혼합한 다음 냉각시킨 경우에 전지의 수명특성 및 설퍼이용율이 습식 혼합방식을 사용한 전지의 경우보다 크게 개선되었다.
상기 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 설퍼와 카본이 균일하게 혼합되어 있고, 상기 설퍼의 평균입경이 1 마이크로미터 이하인 양극활물질을 이용하여 리튬 설퍼 전지를 제조함으로써 전지의 설퍼이용율이 증대되고, 수명특성이 개선된다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 양극활물질의 전자주사현미경(SEM)사진.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예1에 따른 양극활물질의 설퍼이용율과 사이클 수명특성 그래프.

Claims (10)

  1. a) 설퍼계 물질을 용융시켜 액상의 설퍼계 물질을 제조하는 단계;
    b) 상기 액상의 설퍼계 물질에 도전제를 첨가하여 혼합하는 단계; 및
    c) 상기 제조된 혼합물을 냉각시켜 양극활물질을 제조하는 단계
    를 포함하는 리튬 설퍼 전지용 양극활물질의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 설퍼계 물질은 무기 설퍼(S8)인 리튬 설퍼 전지용 양극활물질의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 설퍼계 물질은 Li2Sn(n ≥ 1), 유기설퍼 화합물 또는 카본-설퍼 폴리머[(C2Sx)n, 여기에서 x=2.5-50, n ≥ 2]로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 리튬 설퍼 전지용 양극활물질의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 도전제는 흑연계 물질; 카본계 물질; 및 전도성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 리튬 설퍼 전지용 양극활물질의 제조방법.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 a) 단계의 용융온도는 120 내지 200℃인 리튬 설퍼 전지용 양극활물질의 제조방법.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 a) 단계의 용융온도는 120 내지 1,000℃인 리튬 설퍼 전지용 양극활물질의 제조방법.
  7. 설퍼계 물질 및 도전제가 혼합 응집체를 이루고 있으며, 상기 혼합 응집체의 입경이 1 마이크로미터 이하인 리튬 설퍼 전지용 양극활물질.
  8. 제7항에 있어서, 상기 설퍼계 물질은 무기 설퍼(S8, elemental sulfur), Li2Sn(n ≥ 1), 유기설퍼 화합물 또는 카본-설퍼 폴리머[(C2Sx )n, 여기에서 x=2.5-50, n ≥ 2]로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 리튬 설퍼 전지용 양극활물질.
  9. 제7항에 있어서, 상기 도전제는 흑연계 물질, 카본계 물질, 및 전도성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 리튬 설퍼 전지용 양극활물질.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항의 양극활물질을 포함하는 양극, 음극활물질을 포함하는 음극 및 세퍼레이터를 포함하는 리튬 설퍼 전지.
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CN107069093A (zh) * 2017-03-10 2017-08-18 中国计量大学 一种用于锂硫电池的高浓度酯类电解液

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