KR20140073739A - Lithium-sulfur battery using non-woven fabric separator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 배터리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리튬황 배터리에 유리섬유 등으로 형성된 부직포 분리막을 적용하여 중간 방전생성물인 리튬 황화물이 생성되더라도 부직포 층의 전해질이 용해시킴으로써 충분한 성능 발현이 가능하도록 하는 부직포 분리막을 이용한 리튬황 배터리에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a battery, and more particularly, to a non-woven fabric separator which is formed by using a non-woven fabric separator formed of glass fiber or the like in a lithium-sulfur battery to dissolve an electrolyte in a non-woven fabric layer, To a lithium sulfur battery using a separator.
석유시대의 종말을 고하고 있는 요즘, 이산화탄소가 과연 지구온난화의 주범인가에 대해서는 논란이 분분하다. 그럼에도 불구하고 내연기관의 저탄소화 및 전기차의 보급은 거스를 수 없는 흐름이 되어가고 있다.There is a lot of controversy about the fact that carbon dioxide is the main cause of global warming these days, which is the end of the oil era. Nevertheless, the low carbonization of internal combustion engines and the spread of electric cars are becoming an irreversible trend.
이러한 흐름에 발맞추어 배터리 또한 효율적이고 안전하며 가벼운 배터리로 발전하고 있는 추세이다. 전기차 및 각종 전자기기에 널리 쓰이는 리튬이온 배터리는 가벼운 무게 및 높은 에너지 밀도의 장점을 갖는다.In keeping with this trend, batteries are also becoming more efficient, safer and lighter. Li-ion batteries, which are widely used in electric vehicles and various electronic devices, have advantages of light weight and high energy density.
따라서 최근 등장한 전기차는 대부분 리튬이온 배터리를 탑재한다. 다만, 리튬 계열의 배터리는 성능이 좋은 대신 값이 비싸고, 전압 관리에 많은 신경을 써야 한다는 단점이 있다.Therefore, most of the recent electric vehicles are equipped with lithium-ion batteries. However, lithium-based batteries have a disadvantage that they are costly instead of being good in performance, and care must be paid to voltage management.
셀당 전압이 2.7V 이하로 떨어지거나 4.2V를 넘어서는 경우 손상을 입게 되고, 심한 경우 폭발할 수도 있기 때문이다.If the voltage per cell drops below 2.7V or exceeds 4.2V, it will be damaged and in extreme cases it will explode.
뿐만 아니라 전기차를 이용해 장거리 운행을 원하는 소비자들의 요구를 충족시키기 어려운 문제가 있다.In addition, there is a problem that it is difficult to meet the demand of consumers who want to use an electric car for long distance operation.
위와 같은 문제점들의 해결을 위한 본 발명의 리튬황 배터리는 높은 에너지 밀도를 가질 수 있는 것과 동시에 비용도 절감할 수 있어 전기차에 적용할 수 있는 배터리로 주목 받고 있다.In order to solve the above problems, the lithium-sulfur battery of the present invention has a high energy density, and at the same time, it has been attracting attention as a battery that can be applied to an electric vehicle because the cost can be reduced.
한편, 종래에 개발된 리튬이온 배터리는 짧은 거리의 이동에 쓰이는 PHEV(plug-in HEV)에는 적용될 수 있지만, 장거리 EV(electric vehicle)용 에너지 저장 용도로 쓰이기에는 부족한 면이 있었다.Meanwhile, the conventionally developed lithium ion battery can be applied to a PHEV (plug-in HEV) used for a short distance travel, but it is insufficient to be used for energy storage for a long-distance EV (electric vehicle).
따라서 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 새로운 시스템이 요구되고 있고, 최근 이러한 요구를 만족시키기 위해 높은 이론용량을 가지고 있는 리튬황 배터리 시스템이 제시되고 있다.Therefore, a new system capable of storing more energy is required. Recently, a lithium sulfur battery system having a high theoretical capacity has been proposed to satisfy such a demand.
1675mAh/g의 높은 이론용량을 가지는 유황은 기존 리튬이온 배터리 재료의 최대 용량 275mAh/g과 비교하여 높은 중량 대비 에너지 밀도가 가능할 것으로 예상되나, 향상된 이론용량을 가지더라도 높은 중량 및 부피당 에너지밀도를 만족하기 위해서는 동일한 면적에 다량의 유황이 함유되어 있어야 한다.Sulfur with a high theoretical capacity of 1675 mAh / g is expected to be capable of high energy density by weight compared to the maximum capacity of 275 mAh / g of conventional Li-ion battery material. However, even if it has an improved theoretical capacity, it satisfies high density and energy density per volume In order to do this, a large amount of sulfur must be contained in the same area.
배터리 내부 전극의 기재 또는 부품이 차지하는 무게를 감안해야 하기 때문이다.This is because the weight of the substrate or the parts of the internal electrode of the battery must be considered.
그러나 현재까지 연구된 내용에 의하면, 리튬황 배터리에 리튬이온 배터리에서 사용되는 일반적인 분리막을 사용하는 경우 동일한 면적에 많은 유황을 코팅하게 되면 내부 저항의 증가로 방전 반응이 원활히 진행되지 못한다는 문제가 있다.However, according to the researches so far, if a conventional separation membrane used in a lithium ion battery is used for a lithium-sulfur battery, if the same area is coated with a large amount of sulfur, there is a problem that the discharge reaction can not proceed smoothly due to an increase in internal resistance .
위와 같은 내용과 관련하여 도 1에 종래기술에 의한 유황 양극의 방전 과정이 도시된다.1 shows a discharge process of a sulfur anode according to the prior art.
먼저, 유황 전극의 방전 1, 2구간은 전해질에 용해 가능한 리튬 황화물이 생성되는 단계로, 상기 리튬 황화물은 Li2Sx, 4 ≤ x ≤ 8 로 표시될 수 있다.First, in the discharge 1 and 2 sections of the sulfur electrode, lithium sulfide soluble in electrolyte is generated. The lithium sulfide may be represented by Li 2 S x , 4 ≦ x ≦ 8.
상기 방전 1, 2구간에서 생성된 리튬 황화물은 Li2S8, Li2S4로 바뀌어 Ether계 전해질 용매에 용해되어 이동이 가능하다. 그리고 이에 의해 전해질 용매의 점도가 상승하게 된다.The lithium sulfide produced in the discharge 1 and 2 sections is converted into Li 2 S 8 and Li 2 S 4, and is dissolved in the ether electrolyte solvent and can move. As a result, the viscosity of the electrolyte solvent is increased.
이후, 방전 3구간에서 Li2S4가 서서히 고체상의 Li2S2로 바뀌면서 전해질의 점도가 서서히 감소한다.Thereafter, the Li 2 S 4 gradually changes to the solid Li 2 S 2 in the discharge 3 section, and the viscosity of the electrolyte gradually decreases.
그리고 방전 4구간에서는 고체상의 Li2S2가 고체상의 Li2S로 바뀌게 된다.In the discharge section 4, the solid Li 2 S 2 is converted into the solid Li 2 S.
즉, 위와 같은 종래의 유황 양극에서는 방전 1, 2구간에서 유황 로딩량이 높은 경우 생성된 리튬 황화물이 전해질 용매에 용해되면서 전해질의 점도가 증가하게 되고 따라서 이로 인한 저항 성분이 발생되어 충분한 성능이 발현되지 못하는 문제가 있다.That is, in the conventional sulfur anode, when the sulfur loading amount is high in the discharge 1 and 2 sections, lithium sulfide generated is dissolved in the electrolyte solvent, and the viscosity of the electrolyte is increased. Accordingly, the resistance component is generated, There is a problem that can not be done.
또한, 방전 3, 4구간에서 발생하는 고체상의 Li2S2 및 Li2S로 인해 전해질의 리튬 이온 전달 및 전자 전달이 차단되고, 반응 면적이 줄어드는 또 다른 문제점이 존재한다.In addition, Li 2 S 2 and Li 2 S in the solid phase generated in the third and fourth discharge sections interfere with the lithium ion transfer and electron transfer of the electrolyte, and there is another problem that the reaction area is reduced.
결국, 기존의 리튬이온 배터리에서 사용하는 분리막을 리튬황 배터리에 적용하는 경우 유황 로딩량이 높아지면 상기와 같은 이유로 성능 발휘가 어렵게 된다. 따라서 높은 유황 로딩을 가지는 리튬황 배터리에서도 충분한 성능 발현이 가능한 구조 개선이 필요한 실정이다.
As a result, when a separator used in a conventional lithium ion battery is applied to a lithium sulfur battery, the performance of the lithium ion battery becomes difficult due to the above reasons. Therefore, it is necessary to improve the structure capable of exhibiting sufficient performance even in a lithium sulfur battery having high sulfur loading.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 리튬황 배터리의 분리막을 유리섬유, 천연섬유 또는 합성섬유 중 선택된 어느 하나 이상의 물질로 제조되는 부직포로 형성되도록 함으로써, 배터리 내 저항 성분을 감소시키고, 높은 유황 로딩량을 견딜 수 있는 리튬황 배터리를 제공하는데 그 목적이 있다.Disclosure of the Invention The present invention has been conceived to solve the above problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a separator for a lithium sulfur battery which is formed of a nonwoven fabric made of at least one selected from glass fiber, And to provide a lithium sulfur battery capable of withstanding a high sulfur loading amount.
또한, 본 발명은 부직포 분리막에 코팅층을 적용하여 열 폭주 시 폐쇄 작용을 통해 안전성을 향상시키는데 또 다른 목적이 있다.It is another object of the present invention to improve safety by applying a coating layer to a nonwoven fabric separating membrane to perform a closing action during thermal runaway.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The technical objects to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical subjects which are not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description of the present invention .
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 유황, 도전재 및 바인더로 엔메틸피롤리돈(NMP) 용매 상에서 제작된 슬러리(slurry)를 알루미늄 기재 또는 탄소코팅된 알루미늄 기재에 코팅하여 형성되는 양극, 50 내지 100㎛ 두께의 리튬 또는 보호막 코팅된 리튬으로 형성되는 음극 및 적어도 하나 이상의 부직포로 형성되는 분리막을 포함하며, 방전 초기에 생성되는 리튬 황화물을 용해시킬 수 있는 전해질을 포함하는 부직포 분리막을 이용한 리튬황 배터리를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of forming a slurry on an aluminum substrate or a carbon-coated aluminum substrate using sulfur, a conductive material, and a binder, A non-woven fabric including an electrolyte capable of dissolving lithium sulfide generated at the initial stage of discharge, the non-woven fabric comprising a positive electrode formed of lithium, a negative electrode formed of lithium having a thickness of 50 to 100 탆 or lithium coated with a protective film, A lithium sulfur battery using a separator is provided.
본 발명에서 상기 부직포는 셀룰로오즈(cellulose)계 물질을 포함하는 천연섬유, 합성섬유 또는 유리섬유 중 선택된 어느 하나 이상의 물질로 형성되며, 상기 합성섬유는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE) 및 폴리비닐리덴 플루오리드(PVDF)를 포함하도록 구성되는 것이 바람직하다.In the present invention, the nonwoven fabric is formed of at least one material selected from natural fibers, synthetic fibers, and glass fibers including a cellulose-based material, and the synthetic fibers include polyethylene (PE), polypropylene (PP) (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF). ≪ Desc / Clms Page number 5 >
본 발명에서 상기 부직포는 30 내지 70%의 공극률(porosity)을 가지며, 30 내지 300㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.In the present invention, the nonwoven fabric preferably has a porosity of 30 to 70% and a thickness of 30 to 300 μm.
본 발명에서 상기 부직포는 일측면 또는 양측면이 폴리올레핀(polyolefine)계 물질로 코팅되는 것이 바람직하다.In the present invention, the nonwoven fabric may be coated on one side or both sides with a polyolefin-based material.
본 발명에서 상기 유황은 0.5 ~ 5 ㎛ 크기의 미분화된 유황이 바람직하며, 상기 도전재는 흑연, Super C (TIMCAL 社 제품), 기상탄화탄소섬유 (Vapor Grown Carbon fibers), 케첸 블랙(Ketjen black), 덴카 블랙(Denka black), 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 다중벽탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube), 메조기공탄소(Ordered Mesoporous Carbon)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상, 상기 바인더는 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐에테르, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오르프로필렌-폴리비닐리덴플루오라이드 코폴리머, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 팔로아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 이들의 유도체, 혼합체, 중합체 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질이 바람직하다.In the present invention, the sulfur is preferably an undifferentiated sulfur having a size of 0.5 to 5 μm, and the conductive material may be graphite, Super C (manufactured by TIMCAL), vapor grown carbon fibers, ketjen black, And one selected from the group consisting of Denka black, acetylene black, carbon black, Carbon Nanotube, Multi-Walled Carbon Nanotube, and Ordered Mesoporous Carbon. As such, the binder may be selected from the group consisting of polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl ether, polymethyl methacrylate, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene-polyvinylidene fluoride copolymer , Polyethylacrylate, polytetrafluoroethylene, polyvinyl chloride, paloacrylonitrile, polystyrene, derivatives, mixtures, polymers and the like thereof The at least one material selected from the group consisting of is preferred.
본 발명에서 상기 슬러리는 유황 분말이 50 ~ 90 중량%를 차지하고 그 외 바인더/도전재가 0.2 ~ 3 비율이 되도록 하는 것이 바람직하며, 실시예에서는 각각 6:2:2 의 비율로 혼합하였다.In the present invention, it is preferable that the slurry includes 50 to 90% by weight of the sulfur powder and 0.2 to 3 of the binder / conductive material. In the examples, the mixing ratio is 6: 2: 2.
본 발명에서 상기 슬러리는 유황, 도전재 및 바인더가 각각 6:2:2 의 비율로 혼합되어 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
In the present invention, it is preferable that the slurry is formed by mixing sulfur, a conductive material and a binder in a ratio of 6: 2: 2, respectively.
본 발명의 유리섬유, 천연섬유 또는 합성섬유 중 선택된 어느 하나 이상의 물질로 형성된 부직포 분리막을 포함하는 리튬황 배터리에 의하면, 방전 초기에 생성되는 리튬 황화물을 충분히 용해함으로써 저항 성분이 감소하게 되어 배터리 효율이 향상되는 효과가 있다.According to the lithium-sulfur battery including the non-woven fabric separator formed of at least one selected from the glass fiber, natural fiber or synthetic fiber of the present invention, the resistance component is reduced by sufficiently dissolving the lithium sulfide generated at the beginning of the discharge, There is an effect to be improved.
또한, 본 발명의 유리섬유, 천연섬유 또는 합성섬유 중 선택된 어느 하나 이상의 물질로 형성된 부직포 분리막을 포함하는 리튬황 배터리에 의하면, 충분한 전해질을 함유하여 단위면적당 높은 유황 로딩량을 견딜 수 있는 효과가 있다.In addition, the lithium-sulfur battery including the nonwoven fabric separator formed of at least one selected from the group consisting of glass fiber, natural fiber, or synthetic fiber of the present invention has sufficient effect of containing enough electrolyte to withstand high sulfur loading per unit area .
아울러 부직포 분리막에 코팅층이 적용된 리튬황 배터리에 의하면, 과도한 반응으로 인한 열 폭주 시 폐쇄 작용을 함에 따라 배터리의 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
In addition, according to the lithium sulfur battery in which the coating layer is applied to the nonwoven fabric separator, the battery can be improved in safety due to the closing action during thermal runaway due to excessive reaction.
도 1은 종래기술에 의한 유황 양극의 방전 과정을 나타낸 예시도.
도 2는 종래의 리튬이온 배터리에 사용되는 분리막을 적용한 리튬황 배터리의 반응 전 상태를 나타낸 예시도.
도 3은 종래의 리튬이온 배터리에 사용되는 분리막을 적용한 리튬황 배터리의 반응 상태를 나타낸 예시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 부직포로 형성된 분리막을 적용한 리튬황 배터리의 반응 전 상태를 나타낸 예시도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 부직포로 형성된 분리막을 적용한 리튬황 배터리의 반응 상태를 나타낸 예시도.
도 6a는 종래의 리튬이온 배터리에 사용되는 분리막을 적용한 리튬황 배터리의 예시도.
도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 부직포로 형성된 분리막을 적용한 리튬황 배터리의 예시도.
도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 부직포의 일측면이 코팅된 분리막을 적용한 리튬황 배터리의 예시도.
도 6d는 본 발명의 일실시예에 따른 부직포의 양측면이 코팅된 분리막을 적용한 리튬황 배터리의 예시도.
도 6e는 본 발명의 일실시예에 따른 부직포의 내부가 코팅된 분리막을 적용한 리튬황 배터리의 예시도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a discharge process of a sulfur anode according to the prior art; FIG.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a lithium ion battery.
FIG. 3 is an exemplary view showing a reaction state of a lithium sulfur battery using a separator used in a conventional lithium ion battery. FIG.
4 is a view illustrating a state before the reaction of a lithium-sulfur battery using a separator formed of a nonwoven fabric according to an embodiment of the present invention.
5 is a view illustrating a reaction state of a lithium-sulfur battery using a separation membrane formed of a nonwoven fabric according to an embodiment of the present invention.
6A is an exemplary view of a lithium sulfur battery to which a separation membrane used in a conventional lithium ion battery is applied.
FIG. 6B is an illustration of a lithium sulfur battery to which a separation membrane formed from a nonwoven fabric according to an embodiment of the present invention is applied. FIG.
FIG. 6C is an exemplary view of a lithium sulfur battery using a separator coated with one side of a nonwoven fabric according to an embodiment of the present invention; FIG.
6D is an exemplary view of a lithium sulfur battery using a separator coated with both sides of a nonwoven fabric according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6E is an exemplary view of a lithium sulfur battery using a separator coated with the inside of a nonwoven fabric according to an embodiment of the present invention; FIG.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
배터리 내 저항 성분을 감소시키고, 높은 유황 로딩량을 견딜 수 있는 리튬황 배터리를 제공하고자 하는 본 발명은 유황(110), 도전재(120) 및 바인더로 엔메틸피롤리돈(NMP) 용매 상에서 제작된 슬러리(slurry)를 알루미늄 기재(500) 또는 탄소코팅된 알루미늄 기재(500)에 코팅하여 형성되는 양극(100)과, 50 내지 100㎛ 두께의 리튬 또는 보호막 코팅된 리튬으로 형성되는 음극(200)과, 적어도 하나 이상의 부직포로 형성되는 분리막(300)과, 방전 초기에 생성되는 리튬 황화물을 용해시킬 수 있는 전해질(400)을 포함하도록 구성된다.The present invention, which is intended to provide a lithium sulfur battery capable of reducing the resistance component in a battery and capable of withstanding a high sulfur loading amount, is a process for producing a lithium sulfur battery using sulfur (110), a conductive material (120) The
도 2에 종래의 리튬이온 배터리에 사용되는 분리막(30)을 적용한 리튬황 배터리의 반응 전 상태를 나타낸 예시도가 도시되며, 도 3에 종래의 리튬이온 배터리에 사용되는 분리막(30)을 적용한 리튬황 배터리의 반응 상태를 나타낸 예시도가 도시된다.FIG. 2 is a view showing an example of a state before the reaction of a lithium sulfur battery to which a
도 2에 도시된 바와 같이, 리튬황 배터리는 유황 및 도전재를 포함하여 알루미늄 기재(50) 위에 형성되는 양극(10)과, 구리 기재(60) 위에 형성되는 리튬 음극(20) 및 상기 양극(10)과 음극(20)을 분리하는 분리막(30)으로 형성된다.2, the lithium sulfur battery includes a
그러나 도 3에 도시된 바와 같이, 단위면적당 유황 로딩량이 높은 경우 방전에 의해 생성되는 리튬 황화물(70)에 의해 전해질(40) 내부 저항이 증가하고, 이온 전달의 차단으로 인한 용량 감소와 같은 문제점이 있으나, 본 발명에서는 다음과 같은 구성요소를 포함함으로써, 상기와 같은 문제점들을 해결할 수 있다.However, as shown in FIG. 3, when the sulfur loading amount per unit area is high, the internal resistance of the
도 4에는 본 발명의 일실시예에 따른 부직포로 형성된 분리막(300)을 적용한 리튬황 배터리의 반응 전 상태를 나타낸 예시도가 도시되며, 도 5에는 본 발명의 일실시예에 따른 부직포로 형성된 분리막(300)을 적용한 리튬황 배터리의 반응 상태를 나타낸 예시도가 도시되어 있다.FIG. 4 is a view illustrating a state before the reaction of a lithium-sulfur battery using a
본 발명의 상기 양극은 유황(110), 도전재(120) 및 바인더로 엔메틸피롤리돈 용매 상에서 제작된 슬러리를 알루미늄 기재(500) 또는 탄소코팅된 알루미늄 기재(500)에 코팅하여 형성될 수 있다.The anode of the present invention may be formed by coating a slurry made on a solvent 110 with sulfur, a
상기 슬러리는 유황(110), 도전재(120) 및 바인더가 각각 6:2:2 의 비율로 혼합되어 형성되는 것이 바람직하나, 필요에 따라 각기 다른 비율로 혼합되어 형성될 수도 있음은 물론이다.It is preferable that the slurry is formed by mixing the
또한, 본 발명의 상기 음극(200)은 50 내지 100㎛ 두께의 리튬 또는 보호막 코팅된 리튬으로 구리 기재(600) 상에 형성될 수 있다.In addition, the
아울러 상기 분리막(300)은 유리섬유, 천연섬유 또는 합성섬유 중 선택된 어느 하나 이상의 물질로 형성된 부직포로 적용될 수 있다.In addition, the
상기 유리섬유란 규산염을 주성분으로 하는 유리를 용융·가열하여 섬유 모양으로 가공한 것으로, 글라스 파이버(glass fiber)라고도 하며, 제법 및 용도에 따라 분류하면 단(短)섬유와 장(長)섬유로 나뉠 수 있다.The glass fiber is a glass fiber mainly composed of silicate and melted and heated to be processed into a fiber shape. It is also referred to as a glass fiber and classified into a short fiber and a long fiber It can be divided.
또한, 상기 천연섬유란 섬유 중에서 천연 그대로의 상태에서 이미 섬유상으로 되어 있고, 비교적 간단한 물리적 조작에 의해 섬유로서 이용할 수 있는 것을 말한다. 이를 다시 식물 섬유, 동물 섬유 및 광물 섬유로 구분할 수 있으며, 본 발명에서는 셀룰로오즈계 물질을 포함한다.Further, the natural fiber refers to a fiber which is already in a natural state in the fiber and can be used as a fiber by a relatively simple physical manipulation. It can be further divided into vegetable fiber, animal fiber and mineral fiber. In the present invention, it includes a cellulose-based material.
상기 셀룰로오즈란 고등 식물, 조류 세포막 및 섬유를 주성분으로 하는 단순 다당류의 일종에 해당한다. 산에 의해 가수 분해될 수 있지만, 물에 녹지 않고 화학 약품에 저항성이 강한 특징이 있다.The cellulose is a kind of simple polysaccharide mainly composed of higher plants, avian cell membranes and fibers. It can be hydrolyzed by acids, but it is not soluble in water and is resistant to chemicals.
그리고 상기 합성섬유란 인조섬유 중 석유·석탄·공기·물 등을 출발원료로 하여 섬유를 형성하는 일련의 긴 분자를 화학적으로 합성하여 섬유로 만든 고분자물질을 말한다.The term "synthetic fiber" refers to a polymeric substance made of synthetic fibers by chemically synthesizing a series of long molecules forming fibers using petroleum, coal, air, water or the like as a starting material.
본 발명에서는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라 플루오로에틸렌 및 폴리비닐리덴 플루오리드를 포함하며, 필요에 따라 다양한 합성섬유가 이용될 수 있다.The present invention includes polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, and polyvinylidene fluoride, and various synthetic fibers may be used as needed.
아울러 상기 부직포는 충분한 전해질(400)을 가져야 함에 따라 적절한 공극률 및 강한 기계적 강도를 가져야 한다.In addition, the nonwoven fabric must have adequate porosity and strong mechanical strength as it must have sufficient electrolyte (400).
따라서, 전극에 로딩된 유황(110) 및 전해질(400)의 비율은 0.1 내지 10M(mol/L), 바람직하게는 1 내지 3M이어야 하며, 충분한 전해질(400)의 함유를 위해 상기 분리막(300)은 30 내지 70%의 공극률(porosity) 및 30 내지 300㎛의 두께를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.Accordingly, the ratio of the
그리고 상기 부직포는 일측면 또는 양측면이 코팅 처리되어 코팅층(310)을 형성할 수 있는 바, 상기 코팅 처리는 폴리올레핀(polyolefine)계 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.The non-woven fabric may be coated on one side or both sides to form the
상기 폴리올레핀계 물질이란, 이중결합을 1개 가진 사슬 모양의 탄화수소 화합물인 올레핀의 중합으로 생기는 고분자화합물로 가장 가벼운 플라스틱에 속하며, 투명성이 매우 우수한 특징이 있다.The polyolefin-based material is a polymer compound produced by polymerization of an olefin which is a chain-like hydrocarbon compound having one double bond and belongs to the lightest plastic, and has a very excellent transparency.
예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아이소뷰틸렌 등이 폴리올레핀계 물질에 속하며, 대략 밀도 0.83, 녹는점 350℃, 열변형온도 200℃ 정도가 될 수 있다.For example, polyethylene, polypropylene, polyisobutylene and the like belong to the polyolefin-based material and can have a density of about 0.83, a melting point of 350 ° C, and a heat distortion temperature of about 200 ° C.
마지막으로 상기 전해질(400)은 방전 초기에 생성되는 리튬 황화물을 용해시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.Finally, the
전해질(400)이란 물 등의 용매에 녹아서 이온으로 해리되어 전류를 흐르게 하는 물질로서, 본 발명의 상기 전해질은 배터리의 방전으로 인해 형성될 수 있는 리튬 황화물을 용해시킬 수 있는 다양한 물질로 형성될 수 있다.The electrolyte (400) is a material that is dissolved in a solvent such as water and dissociated into ions to flow an electric current. The electrolyte of the present invention may be formed of various materials capable of dissolving lithium sulfide that can be formed due to discharge of a battery have.
여기서 상기 리튬 황화물은 Li2Sx, 4 ≤ x ≤ 8 로 표시될 수 있는 물질들이며, 주로 Li2S4, Li2S8, Li2S2, Li2S의 형태로 형성된다.The lithium sulfide is a material that can be represented by Li 2 S x , 4 ≦ x ≦ 8, and is mainly formed in the form of Li 2 S 4 , Li 2 S 8 , Li 2 S 2 , Li 2 S.
도 6a에는 종래의 리튬이온 배터리에 사용되는 분리막(300)을 적용한 리튬황 배터리의 예시도, 도 6b에는 본 발명의 일실시예에 따른 부직포로 형성된 분리막(300)을 적용한 리튬황 배터리의 예시도, 도 6c에는 본 발명의 일실시예에 따른 부직포의 일측면이 코팅된 분리막(300)을 적용한 리튬황 배터리의 예시도, 도 6d에는 본 발명의 일실시예에 따른 부직포의 양측면이 코팅된 분리막(300)을 적용한 리튬황 배터리의 예시도 및 도 6e에는 본 발명의 일실시예에 따른 부직포의 내부가 코팅된 분리막(300)을 적용한 리튬황 배터리의 예시도가 도시되어 있다.6a shows an example of a lithium sulfur battery using a
도 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 리튬황 배터리는 종래의 리튬이온 배터리에 사용되는 분리막(300)을 적용하여 구현할 수도 있으나, 보다 배터리 효율을 향상시키기 위해서는 부직포로 형성된 분리막(300)을 적용하는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 6A, the lithium-sulfur battery of the present invention can be implemented by applying the
따라서, 도 6b에는 부직포로 형성된 분리막(300)을 단독으로 사용한 배터리 구조가 도시되며, 이는 코팅을 적용한 부직포 분리막(300)에 비해 열 폭주 시 안전성이 떨어질 우려가 있으나 배터리 효율은 종래의 리튬이온 배터리에 사용되는 분리막(300)을 적용시킨 것에 비해 향상된다.6B shows a battery structure using the
그리고 도 6c에는 부직포의 일측면이, 도 6d에는 부직포의 양측면이 코팅 처리된 분리막이 적용된다. 필요에 따라 선택적으로 이용할 수 있으며, 도 6e와 같이 코팅층이 내부에 배치되도록 구현할 수도 있다.FIG. 6C shows one side of the nonwoven fabric, and FIG. 6D shows a side view of the nonwoven fabric coated with the separation membrane. It can be selectively used according to need, and the coating layer may be disposed inside as shown in FIG. 6E.
유황 로딩량 및 분리막(300)의 구성에 따라 첫회 방전 용량 및 방전 전위를 실험하여 비교한 바, 그 내용은 다음과 같다.
Discharge capacity and discharge potential were tested and compared according to the sulfur loading amount and the structure of the
실험예Experimental Example
유황 로딩량 0.7(㎎/㎠), PE 단독 분리막(300)의 경우 첫회 방전 용량은 1026(mAh/g), 방전 전위는 2.09이며,The first discharge capacity was 1026 (mAh / g) and the discharge potential was 2.09 in the case of the PE
유황 로딩량 5.0(㎎/㎠), PE 단독 분리막(300)의 경우 첫회 방전 용량은 207(mAh/g)이고,The first discharge capacity was 207 (mAh / g) in case of the PE
유황 로딩량 5.0(㎎/㎠), 부직포 분리막(300)의 경우 첫회 방전 용량은 1086(mAh/g), 방전 전위는 2.09이며,In the case of the
유황 로딩량 5.0(㎎/㎠), PE 분리막(300)/부직포 분리막(300)의 경우 첫회 방전 용량은 1015(mAh/g), 방전 전위는 2.05이고,The first discharging capacity was 1015 mAh / g and the discharging potential was 2.05 for the sulfur loading 5.0 (mg / cm 2) and
유황 로딩량 5.0(㎎/㎠), 부직포 분리막(300)/PE 분리막(300)/부직포 분리막(300)의 경우 첫회 방전 용량은 1075(mAh/g), 방전 전위는 2.07이었다.The first discharging capacity was 1075 mAh / g and the discharging potential was 2.07 for the
상기 실험예를 간략히 설명하면, 기존의 PE 분리막(300)을 적용하는 경우 낮은 유황 로딩량에서는 성능이 충분히 발현될 수 있으나, 높은 유황 로딩량을 가지는 경우에는 성능 발현이 불가능함을 알 수 있다.When the
반면, 부직포 분리막(300)을 적용하는 경우에는 높은 유황 로딩량을 가지더라도 충분한 방전 성능 발현이 가능한 것을 확인할 수 있다.
On the other hand, when the
결과적으로 본 발명은 리튬황 배터리에 유리섬유, 천연섬유 또는 합성섬유 중 선택된 어느 하나 이상의 물질로 형성된 부직포 분리막(300)을 적용함으로써, 리튬 황화물을 충분히 용해하여 배터리 내 저항 성분을 감소시키는 장점이 있다.As a result, the present invention has an advantage of sufficiently dissolving lithium sulfide and reducing the resistance component in the battery by applying the nonwoven
또한, 충분한 전해질(400)을 함유하게 되어 단위면적당 높은 유황 로딩량을 견딜 수 있으며, 분리막(300)에 코팅 처리를 하여 열 폭주 시 폐쇄 작용에 따른 안전성을 확보할 수 있는 장점이 있다.In addition, it can contain a sufficient amount of the electrolyte (400) to withstand a high sulfur loading amount per unit area, and can coat the separator (300), thereby securing safety according to closing action in thermal runaway.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
While the present invention has been described with reference to the specific embodiments, it is to be understood that the invention is not limited thereto. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims and their equivalents. Various modifications and variations are possible.
10: 양극
20: 음극
30: 분리막
40: 전해질
50: 알루미늄 기재
60: 구리 기재
70: 리튬 황화물
100: 양극
110: 유황
120: 도전재
200: 음극
300: 분리막
310: 코팅층
400: 전해질
500: 알루미늄 기재
600: 구리 기재10: anode
20: cathode
30: Membrane
40: electrolyte
50: Aluminum base
60: Copper base
70: lithium sulfide
100: anode
110: Sulfur
120: Conductive material
200: cathode
300: membrane
310: Coating layer
400: electrolyte
500: Aluminum base
600: Copper base
Claims (5)
50 내지 100㎛ 두께의 리튬 또는 보호막 코팅된 리튬으로 형성되는 음극; 및
적어도 하나 이상의 부직포로 형성되는 분리막; 을 포함하며,
방전 초기에 생성되는 리튬 황화물을 용해시킬 수 있는 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 부직포 분리막을 이용한 리튬황 배터리.
A positive electrode formed by coating a slurry made on a solvent of n-methylpyrrolidone (NMP) with sulfur, a conductive material and a binder on an aluminum substrate or a carbon-coated aluminum substrate;
An anode formed of 50 to 100 탆 thick lithium or a lithium-coated lithium; And
A separation membrane formed of at least one nonwoven fabric; / RTI >
And an electrolyte capable of dissolving the lithium sulfide generated in the initial stage of the discharge.
상기 부직포는 셀룰로오즈(cellulose)계 물질을 포함하는 천연섬유, 합성섬유 또는 유리섬유 중 선택된 어느 하나 이상의 물질로 형성되며,
상기 합성섬유는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE) 및 폴리비닐리덴 플루오리드(PVDF)를 포함하는 것을 특징으로 하는 부직포 분리막을 이용한 리튬황 배터리.
The method according to claim 1,
The nonwoven fabric may be formed of at least one selected from natural fibers, synthetic fibers, and glass fibers including a cellulose-based material,
Wherein the synthetic fibers include polyethylene (PE), polypropylene (PP), polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyvinylidene fluoride (PVDF).
상기 부직포는 30 내지 70%의 공극률(porosity)을 가지며, 30 내지 300㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 부직포 분리막을 이용한 리튬황 배터리.
3. The method of claim 2,
Wherein the nonwoven fabric has a porosity of 30 to 70% and a thickness of 30 to 300 탆.
상기 부직포는 일측면 또는 양측면이 폴리올레핀(polyolefine)계 물질로 코팅되는 것을 특징으로 하는 부직포 분리막을 이용한 리튬황 배터리.
3. The method of claim 2,
Wherein the nonwoven fabric is coated on one side or both sides with a polyolefin-based material.
상기 슬러리는 유황, 도전재 및 바인더가 각각 6:2:2 의 비율로 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 부직포 분리막을 이용한 리튬황 배터리.The method according to claim 1,
Wherein the slurry is formed by mixing sulfur, a conductive material and a binder in a ratio of 6: 2: 2, respectively.
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