KR20140135422A - Positive electrode using anodic aluminum oxide template for Lithium Sulfur secondary battery and method for preparing the same - Google Patents

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KR20140135422A KR1020130055642A KR20130055642A KR20140135422A KR 20140135422 A KR20140135422 A KR 20140135422A KR 1020130055642 A KR1020130055642 A KR 1020130055642A KR 20130055642 A KR20130055642 A KR 20130055642A KR 20140135422 A KR20140135422 A KR 20140135422A
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Abstract

The present invention relates to a method for preparing a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery comprising: a) a step of providing an aluminum oxide template having a pore, wherein an end of the pore is closed; b) a step of coating the surface inside the pore of the aluminum oxide template as carbon; c) a step of filling sulfur into the carbon-coated pore of the aluminum oxide template of the step b); d) a step of attaching a sulfur-filled pore surface of the sulfur-filled aluminum oxide template to a current collector; e) a step of removing aluminum oxide in the aluminum oxide template attached to the current collector, and to a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery prepared by the same.

Description

산화알루미늄 템플릿을 이용한 리튬-황 이차전지용 양극 및 이의 제조방법{Positive electrode using anodic aluminum oxide template for Lithium Sulfur secondary battery and method for preparing the same} BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery using an aluminum oxide template, and a method for manufacturing the positive electrode.

본 발명은 산화알루미늄 템플릿을 이용한 리튬-황 이차전지용 양극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화알루미늄 템플릿을 이용하여 탄소코팅된 황 나노선을 제조하여 이를 리튬-황 이차전지용 양극으로 사용함으로써 빠른 충방전을 가능하게 함과 동시에 폴리설파이드(polysulfide)의 용해와 충방전시 생기는 부피변화의 영향을 최소화시키는 구조의 리튬-황 이차전지용 양극 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery using an aluminum oxide template and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a method for preparing a carbon nanotube by using an aluminum oxide template as a positive electrode for a lithium- To a cathode for a lithium-sulfur secondary battery having a structure capable of rapidly charging and discharging and minimizing the influence of volume change caused by dissolution of polysulfide and charging / discharging, and a method for manufacturing the same.

IT 산업의 발전과 전기 자동차 등의 개발 요구로 인해 현재 사용되고 있는 리튬 이차전지의 대체가 가능한 대용량의 이차전지에 관한 연구가 진행되고 있다. 리튬 이차전지는 음극에 비해 낮은 양극 재료의 용량으로 인해 고에너지 밀도를 나타내기 힘들며 자동차 등에 사용되기에는 무리가 있어, 기존의 양극의 대체물질로 황이 거론되고 있다. BACKGROUND ART [0002] Research on a large-capacity secondary battery capable of replacing a lithium secondary battery currently in use due to the development of the IT industry and the demand for development of electric vehicles is underway. Lithium secondary batteries are difficult to exhibit high energy density due to their low cathode material capacity compared to cathodes and are difficult to be used in automobiles and the like.

황은 기존의 리튬 이차전지의 양극재료에 비해 5배 (1675 mAh/g) 정도 높은 이론 용량을 가지고 있다. 또한 황은 환경친화적이며 풍부한 매장량을 가지고 있고, 가격 또한 저렴한 장점이 있다.Hwang has a theoretical capacity about 5 times (1675 mAh / g) higher than the cathode material of existing lithium secondary battery. In addition, Hwang has environment-friendly, abundant reserves, and cheap prices.

상기 리튬 황 이차전지의 제조에 관한 종래기술로서, 공개특허공보 제10-2005-0038254호(2005.04.27.)에서는 황계 양극 활물질, 바인더, 도전제, 및 50nm 이하의 평균직경을 가지는 전기전도성 선형 파이버를 포함하는 양극으로 이루어진 리튬 황 이차전지에 관해 기재되어 있다. As a prior art related to the production of the above lithium sulfur secondary battery, in Patent Document 10-2005-0038254 (Apr. 27, 2005), a sulfur cathode active material, a binder, a conductive agent, and an electrically conductive linear Discloses a lithium sulfur secondary battery comprising a positive electrode containing a fiber.

하지만 종래기술을 포함하는 리튬 황 이차전지의 용량은 이론값에 한참 못 미치는 결과를 나타내고 있어 개선이 필요하다. 이는 황 자체의 낮은 전기전도도와 전기화학반응 중에 생성되는 폴리설파이드(polysulfides) 의 전해질로의 용해에 기인한 것으로 현재 이를 해결하기 위한 여러 연구들이 진행되고 있다. However, the capacity of the lithium sulfur secondary battery including the conventional technology is lower than the theoretical value, and improvement is required. This is due to the low electrical conductivity of sulfur itself and the dissolution of polysulfides into electrolytes produced during the electrochemical reaction.

상기 리튬 황 이차전지에서 황의 낮은 전기 전도도를 해결하기 위해 탄소계 물질을 이용하여 전극 재료의 전도도를 높여 전지의 특성을 향상시키는 연구가 진행되었고, 일 예로서, Nat. Mater. 2009, 8, 500-506에서는 다공성의 메조포러스(Mesoporous) 탄소를 이용한 연구가 제시되어 있고, 또 다른 예로서 Chem. Commun., 2012, 48, 1233-1235에서는 그래핀을 이용하여 향상된 전지 특성을 얻은 결과가 제시되었다. In order to solve the low electrical conductivity of sulfur in the lithium sulfur secondary battery, research has been conducted to improve the characteristics of the battery by increasing the conductivity of the electrode material using a carbonaceous material. Mater. 2009, 8, 500-506, a study using porous mesoporous carbon has been proposed, and another example is Chem. Commun., 2012, 48, 1233-1235 suggests the use of graphene to obtain improved battery characteristics.

상기 리튬 황 이차전지의 충방전 중에 형성되는 폴리설파이드(polysulfide, LiSx, x=3~8) 는 완전 충전 시 생기는 S8, 완전 방전 시 생기는 Li2S의 중간 생성물로서 전해액에 용해되는 특성이 있다. 이렇게 전해액에 용해된 폴리설파이드는 음극의 리튬과 반응하여 양극으로 이동하여 전해액에 용해되지 않는 Li2S를 형성하며, 이는 낮은 전기전도도와, 리튬 표면을 막아 전기화학반응을 방해하게 되며, 또한 계속적인 폴리설파이드의 용해는 양극재료의 지속적인 감소를 야기하게 되어, 전지가 충방전이 계속될수록 지속적인 용량감소의 원인으로 작용하게 된다. The polysulfide (LiSx, x = 3 to 8) formed during the charging and discharging of the lithium sulfur secondary battery is an intermediate product of S8 generated during full charge and Li 2 S generated during complete discharge, and is dissolved in the electrolyte solution. The polysulfide dissolved in the electrolyte reacts with the lithium in the negative electrode and moves to the positive electrode to form Li 2 S that is not dissolved in the electrolyte. This results in low electric conductivity and blocking of the lithium surface to interfere with the electrochemical reaction. Dissolution of the polysulfide causes a continuous decrease of the cathode material, and as the battery continues to be charged and discharged, it causes a constant capacity decrease.

따라서, 폴리설파이드의 형성을 최소화시키면서도 폴리설파이드가 형성되더라도 전해질과의 직접 접촉을 막을 수 있는 탄소막을 포함함으로써, 빠른 충방전이 가능하게 하며 충방전시 생기는 부피변화의 영향을 최소화시키는 구조를 가지는 리튬 황 이차전지용 전극의 제조에 관한 필요성은 지속적으로 요구되고 있으며, 이를 해결하기 위한 추가적으로 많은 연구 개발이 필요한 실정이다. Therefore, by including a carbon film which can prevent direct contact with an electrolyte even when polysulfide is formed while minimizing the formation of polysulfide, lithium having a structure capable of fast charging / discharging and minimizing the influence of volume change upon charging / discharging There is a continuing need for the manufacture of electrodes for sulfur secondary batteries, and additional research and development is needed to solve these problems.

공개특허공보 제10-2005-0038254호(2005.04.27.)Published Japanese Patent Application No. 10-2005-0038254 (Apr. 27, 2005)

Nat. Mater. 2009, 8, 500-506Nat. Mater. 2009, 8, 500-506 Chem. Commun., 2012, 48, 1233-1235Chem. Commun., 2012, 48, 1233-1235

이에, 본 발명은 모노클리닉 설퍼(monoclinic sulfur)를 사용하여 폴리설파이드의 형성을 최소화시키면서도 폴리설파이드가 형성되더라도 전해질과의 직접 접촉을 막을 수 있는 탄소막을 포함하는 황 나노선(나노막대)을 전극재료로서 이용함으로써, 빠른 충방전이 가능하게 하며, 충방전시 생기는 부피변화의 영향을 최소화시키는 구조를 가지는 리튬 황 이차전지용 전극 재료를 제공함을 목적으로 한다. Accordingly, the present invention relates to a method for producing sulfur nanowires (nanorods) comprising a carbon film capable of preventing direct contact with an electrolyte even when polysulfide is formed while minimizing the formation of polysulfide by using a monoclinic sulfur, To provide an electrode material for a lithium sulfur secondary battery having a structure capable of rapidly charging and discharging and minimizing the influence of a change in volume caused by charging and discharging.

또한, 상기 리튬 황 이차전지용 전극 재료를 포함하는 리튬 황 이차전지용 양극과 상기 양극을 포함하는 리튬 황 이차전지를 제공함을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery including the electrode material for the lithium sulfur secondary battery and a lithium sulfur secondary battery including the positive electrode.

또한 본 발명은 산화알루미늄 템플릿을 이용한 신규한 리튬-황 이차전지용 양극의 제조방법을 제공함을 또 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a novel process for producing a positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery using an aluminum oxide template.

이에 본 발명은 a) 기공을 가지며, 상기 기공의 한쪽 끝이 막힌 산화알루미늄 템플릿을 제공하는 단계; b) 상기 산화알루미늄 템플릿 기공내부의 표면을 탄소로 코팅하는 단계; c) 상기 b) 단계의 산화알루미늄 템플릿의 탄소코팅된 기공에 황을 채우는 단계; d) 상기 황이 채워진 산화알루미늄 템플릿의 황이 채워진 기공면을 집전체에 접착시키는 단계; 및 e) 상기 집전체에 접착된 산화알루미늄 템플릿의 산화알루미늄을 제거하는 단계;를 포함하는 리튬 황 이차전지용 양극의 제조방법을 제공한다. Accordingly, the present invention provides a method of manufacturing an aluminum oxide template, comprising: a) providing an aluminum oxide template having pores and having one end of the pores closed; b) coating the interior of the aluminum oxide template pores with carbon; c) filling the carbon coated pores of the aluminum oxide template of step b) with sulfur; d) attaching the sulfur-filled pore surface of the sulfur-filled aluminum oxide template to the current collector; And e) removing aluminum oxide of the aluminum oxide template adhered to the current collector. The present invention also provides a method of manufacturing a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery.

또한 본 발명은 상기 a) 단계 내지 e) 단계를 포함하는 제조 방법에 의해 제조되는 리튬 황 이차전지용 양극을 제공한다. The present invention also provides a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery, which is produced by the manufacturing method comprising the steps a) to e).

또한 본 발명은 금속성분을 포함하는 집전체, 상기 집전체상에 복수의 기둥형태로 형성되고, 각각의 기둥은 산화알루미늄 템플릿내 형성된 기공의 형상을 가지는 복수의 황 나노선, 및 상기 복수의 황 나노선들의 표면에 형성된 탄소 코팅층을 포함하는 리튬 황 이차전지용 양극을 제공한다. The present invention also provides a method of manufacturing a semiconductor device comprising a current collector including a metal component, a plurality of pillar-shaped pillars on the current collector, each of the pillars including a plurality of sulfur nanowires having a shape of pores formed in an aluminum oxide template, And a carbon coating layer formed on the surfaces of the nanowires.

또한 본 발명은 집전체상에 형성되며, 탄소 코팅된 복수의 황 나노선을 포함하는 리튬 황 이차전지용 양극을 제공한다. The present invention also provides a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery formed on a current collector and including a plurality of sulfur nanowires coated with carbon.

또한 본 발명은 양극, 음극 및 전해질을 포함하며, 상기 a) 단계 내지 e) 단계를 포함하는 제조 방법에 의해 제조되는 리튬 황 이차전지용 양극을 포함하는 리튬 황 이차전지를 제공한다. The present invention also provides a lithium sulfur secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte, and a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery produced by the manufacturing method including the steps a) to e).

본 발명에 따르면, 모노클리닉 설퍼(monoclinic sulfur)를 사용하여 폴리설파이드의 형성을 최소화시키면서도 폴리설파이드가 형성되더라도 전해질과의 직접 접촉을 막을 수 있는 탄소막을 포함하는 황 나노선을 이용함으로써, 빠른 충방전이 가능하게 하며, 충방전시 생기는 부피변화의 영향을 최소화시키는 구조를 가지는 리튬 황 이차전지용 전극 재료 및 이를 포함하는 리튬 황 이차전지를 제공할 수 있다. According to the present invention, by using sulfur nanowires including a carbon film that can prevent direct contact with an electrolyte even when polysulfide is formed while minimizing formation of polysulfide by using monoclinic sulfur, And an electrode material for a lithium sulfur secondary battery having a structure that minimizes the influence of a change in volume caused by charging and discharging, and a lithium sulfur secondary battery including the electrode material.

또한 본 발명에 의해 얻어지는 리튬-황 이차전지용 양극은 바인더를 사용하지 않고 본 발명에 의해 제조된 전극재료를 집전체에 직접 접착하므로써 바인더에 의한 전기 전도도 감소 및 이에 따른 용량 감소를 사전에 제거할 수 있으며, 잘 정렬된 일차원 구조체를 통해 전자의 이동을 원활히 하여 높은 충방전 속도에서 고효율을 나타낼 수 있다. Further, the positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery obtained by the present invention can adhere the electrode material produced by the present invention directly to the current collector without using a binder, thereby reducing the electrical conductivity by the binder and reducing the capacity accordingly And can move electrons smoothly through a well-aligned one-dimensional structure to exhibit high efficiency at a high charge / discharge rate.

또한 본 발명의 리튬-황 이차전지용 양극은 양극재료의 높은 표면적에 의해 넓어진 전해액과의 접촉 면적을 가지며, 또한 활물질로의 전자와 리튬의 이동을 원활히 하여 높은 용량의 전기화학 특성을 나타낼 수 있다.Further, the positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery of the present invention has a contact area with an electrolytic solution widened by a high surface area of a positive electrode material, and facilitates the movement of electrons and lithium to the active material, thereby exhibiting a high capacity electrochemical characteristic.

또한 본 발명은 황 나노 선에 코팅된 탄소층은 활물질의 전기전도도를 높여 높은 전지 특성을 나타낼 수 있으며, 상기 탄소층은 황과 전해액의 직접적인 접촉을 막아 황의 충방전 과정 중 형성되는 폴리설파이드(polysulfide)가 전해액에 용출되는 것을 막아 줌으로써 충방전 횟수 증가에 따른 전지용량 감소를 줄일 수 있다.The carbon layer coated on the sulfur nano-wire may exhibit high battery characteristics by increasing the electrical conductivity of the active material. The carbon layer may prevent direct contact between the sulfur and the electrolytic solution and prevent polysulfide ) Is prevented from being eluted into the electrolytic solution, it is possible to reduce the battery capacity decrease due to an increase in the number of charge / discharge cycles.

도 1은 본 발명에 의한 리튬 황 이차전지용 양극을 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 황 이차전지용 양극을 제조하는 방법을 순서에 따라 도시화한 그림이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소코팅된 황 나노선의 SEM 이미지를 도시한 그림이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소코팅된 황 나노선의 TEM 이미지를 도시한 그림이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소코팅된 황 나노선의 EDS 맵핑 이미지를 도시한 그림이다.
도 6은 본 발명에 의해 제조된 리튬 황 이차전지용 양극의 충방전 용량 평가 그래프이다.
도 7은 본 발명에 의해 제조된 리튬 황 이차전지용 양극의 수명특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 의해 제조된 양극을 포함하는 리튬 황 전지의 전기화학 그래프(galvanostatic curve)를 도시한 그림이다.
1 is a flowchart showing a method of manufacturing a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a method of manufacturing a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery according to an embodiment of the present invention.
3 is a SEM image of a carbon coated sulfur nanowire fabricated according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a TEM image of a carbon-coated sulfur nanowire fabricated according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a view showing an EDS mapping image of a carbon-coated sulfur nanowire fabricated according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the charging / discharging capacity evaluation value of the positive electrode for a lithium sulfur secondary battery manufactured by the present invention.
7 is a graph showing lifetime characteristics of a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery manufactured by the present invention.
8 is a graph showing an electrochemical graph (galvanostatic curve) of a lithium-sulfur battery including a cathode manufactured by the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 사이즈나 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이고, 특징적 구성이 드러나도록 공지의 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면으로 한정하지는 아니한다. 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings of the present invention, the sizes and dimensions of the structures are enlarged or reduced from the actual size in order to clarify the present invention, and the known structures are omitted so as to reveal the characteristic features, and the present invention is not limited to the drawings . DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail to avoid obscuring the subject matter of the present invention.

본 발명은 리튬 황 이차전지용 양극 및 이의 제조 방법, 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 황 이차전지에 관한 것으로, 본 발명에서 개시되는 리튬 황 이차전지는 집전체에 탄소 코팅된 황 나노선이 접합된 형태의 양극을 포함하여 이루어질 수 있다. The present invention relates to a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery, a method for producing the same, and a lithium sulfur secondary battery including the positive active material. The lithium sulfur secondary battery of the present invention includes a collector Lt; RTI ID = 0.0 > of < / RTI >

일반적으로 상기 리튬 황 이차전지는 음극, 전해질 및 양극을 포함할 수 있다.Generally, the lithium sulfur secondary battery may include a negative electrode, an electrolyte, and a positive electrode.

상기 음극은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬과 가역적으로 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 및 리튬 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 음극 활물질을 포함하여 이루어지며, 상기 전해질은 리튬염과 유기 용매를 포함하여 이루어질 수 있다. The negative electrode includes a negative electrode active material selected from the group consisting of a material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions, a material capable of reversibly forming a compound with lithium, a lithium metal, and a lithium alloy And the electrolyte may include a lithium salt and an organic solvent.

본 발명에서의 상기 리튬 황 이차전지는 양극은 도 1 및 도 2에 제시된 단계의 방법을 통하여 제조될 수 있고, 이는 보다 상세하게는, a) 기공을 가지며, 상기 기공의 한쪽 끝이 막힌 산화알루미늄 템플릿을 제공하는 단계; b) 상기 산화알루미늄 템플릿 기공내부의 표면을 탄소로 코팅하는 단계; c) 상기 b) 단계의 산화알루미늄 템플릿의 탄소코팅된 기공에 황을 채우는 단계; d) 상기 황이 채워진 산화알루미늄 템플릿의 황이 채워진 기공면을 집전체에 접착시키는 단계; 및 e) 상기 집전체에 접착된 산화알루미늄 템플릿내의 산화알루미늄을 제거하는 단계;를 포함하여 이루어진다.The lithium-sulfur secondary battery of the present invention can be produced by a method of the steps shown in FIGS. 1 and 2, and more specifically, a method of manufacturing a lithium-sulfur secondary battery comprising the steps of: a) Providing a template; b) coating the interior of the aluminum oxide template pores with carbon; c) filling the carbon coated pores of the aluminum oxide template of step b) with sulfur; d) attaching the sulfur-filled pore surface of the sulfur-filled aluminum oxide template to the current collector; And e) removing aluminum oxide in the aluminum oxide template adhered to the current collector.

도 1에서는 본 발명에 따른 리튬 황 이차전지용 양극의 제조방법을 도시하였고, 도 2에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 황 이차전지용 양극을 제조하는 방법을 순서에 따라 도시화하였다. 상기 도 2에서는 앞서 기재된 a) 내지 e) 단계의 각각의 공정에 따라 얻어지는 산화알루미늄 템플릿과 최종적으로 얻어지는 탄소코팅된 황 나노선이 부착된 집전체의 형상을 도시하였다. FIG. 1 illustrates a method of manufacturing a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery according to the present invention. FIG. 2 illustrates a method of manufacturing a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery according to an embodiment of the present invention. In FIG. 2, an aluminum oxide template obtained according to each of the steps a) to e) described above and a finally obtained carbon-coated sulfur nanowire-adhered current collector are shown.

상기 본 발명의 리튬 황 이차전지용 양극의 제조방법을 보다 상세하게 살펴보면 아래와 같다. The method for manufacturing the positive electrode for a lithium sulfur secondary battery of the present invention will be described in detail below.

상기 리튬 황 이차전지용 양극의 제조방법은 첫 번째 단계로서, 기공을 가지며, 상기 기공의 한쪽 끝이 막힌 산화알루미늄 템플릿을 제공하는 단계를 포함한다.The method for manufacturing the positive electrode for a lithium sulfur secondary battery includes, as a first step, a step of providing an aluminum oxide template having pores and having one end of the pores closed.

상기 산화알루미늄 템플릿은 상업적으로 입수가능하거나, 또는 금속층으로 알루미늄을 양극산화(anodizing)하여 산화알루미늄층이 형성됨으로써 제공될 수 있다. 여기서 양극산화란, 금속층을 양극(cathode)으로 하여 전해질 용액 내에서 전기 분해하는 과정을 지칭할 수 있다. 상기 양극산화 과정을 거치면, 금속층의 구성 물질이 전해질 내로 용해되는 동시에 금속층상에 형성된 자연 산화막의 두께가 증가할 수 있고, 곧고 균일한 실린더 형태의 기공을 포함하는 구조의 산화알루미늄막이 형성될 수 있다.The aluminum oxide template is commercially available or may be provided by forming an aluminum oxide layer by anodizing aluminum with a metal layer. Here, anodization refers to a process of electrolysis in an electrolyte solution using a metal layer as a cathode. When the anodic oxidation process is carried out, the constituent material of the metal layer dissolves into the electrolyte, the thickness of the natural oxide film formed on the metal layer can be increased, and an aluminum oxide film having a structure including straight and uniform cylindrical pores can be formed .

이는 도 2a의 구조를 통해 쉽게 이해될 수 있다. 상기 도 2a는 본 발명에서 제공되는 양극산화된 산화알루미늄 템플릿을 나타내고 있다. 상기 도 2a)에서 보는 바와 같이 본 발명에서 제공되는 산화 알루미늄 템플릿은 균일하면서도 규칙적으로 배열된 기공을 가지고 있으며, 이는 이후 공정을 통해 황 나노선의 주형(템플릿)의 역할을 하게 된다. This can be easily understood through the structure of FIG. 2A shows an anodized aluminum oxide template provided in the present invention. As shown in FIG. 2A, the aluminum oxide template provided in the present invention has uniformly and regularly arranged pores, and serves as a template (template) of sulfur nanowires through subsequent processes.

본 발명에서 산화 알루미늄 템플릿은, 예컨대 벌크 알루미늄을 사용하여 제조되는 경우에, 기공이 규칙적으로 배열된 정렬도가 높은 산화알루미늄(AAO) 템플릿을 만들기 위하여, 우선 전해연마로 알루미늄 표면을 평탄하게 만들 수 있다. 이어서, 산용액(예컨대, 옥살산)을 이용하여 1차 양극산화를 진행할 수 있다. 그 후, 형성된 산화알루미늄을 크롬산과 인산의 혼합용액 등과 같은 산용액으로 습식 에칭하고 같은 조건에서 2차 양극 산화를 진행하여 기공이 규칙적으로 배열된 산화알루미늄 나노 템플릿을 형성할 수 있다.In the present invention, the aluminum oxide template is prepared by using, for example, bulk aluminum. In order to make an aluminum oxide (AAO) template having high degree of alignment with regularly arranged pores, firstly, the aluminum surface can be made flat by electrolytic polishing have. Subsequently, primary anodization can be carried out using an acid solution (for example, oxalic acid). Thereafter, the formed aluminum oxide is wet-etched with an acid solution such as a mixed solution of chromic acid and phosphoric acid, and secondary anodization is performed under the same conditions to form an aluminum oxide nanotemplate in which pores are regularly arranged.

상기 산화알루미늄(AAO) 템플릿의 기공 크기나 템플릿의 정렬도는 상기 산화알루미늄(AAO) 템플릿을 제조하는 과정에서의 반응조건들을 조절함에 의하여 용이하게 조절가능하여, 본 발명에서 상기 기공의 크기 또는 템플릿의 정렬도를 조절함에 의해 최종적으로 얻어지는 황 나노선의 크기와 정렬도를 조절할 수 있다. The pore size of the aluminum oxide (AAO) template and the degree of alignment of the template can be easily controlled by adjusting the reaction conditions in the process of manufacturing the aluminum oxide (AAO) template. In the present invention, The size and alignment of the finally obtained sulfur nanowires can be controlled by adjusting the degree of alignment of the nanowires.

본 발명에서 사용되는 산화알루미늄 템플릿은 바람직하게는, 기공크기가 15 내지 400 nm이고 두께가 10 내지 300 um 일 수 있다. The aluminum oxide template used in the present invention may preferably have a pore size of 15 to 400 nm and a thickness of 10 to 300 um.

본 발명의 제조방법의 두 번째 단계는 상기 산화알루미늄 템플릿 기공내부의 표면을 탄소로 코팅하는 단계이다. 상기 탄소 코팅은 산화알루미늄 템플릿 기공내부를 일정한 두께로 코팅할 수 있으면 그 코팅방법의 종류에 제한되지 않는 다양한 코팅방법이 사용될 수 있다.The second step of the manufacturing method of the present invention is a step of coating the inside surface of the aluminum oxide template pores with carbon. The carbon coating can be coated with a predetermined thickness inside the aluminum oxide template pores, and various coating methods not limited to the type of the coating method can be used.

예컨대, 상기 탄소 코팅은 화학기상증착법(CVD)에 의해 이루어질 수 있다. 이는 반응로 내부에 반응 소스로서 탄소원을 캐리어 가스와 함께 흘려보내며, 적절한 온도(약 400℃ 내지 약 1000℃)의 범위내에서 상기 기공의 표면내에 탄소원이 화학반응에 의해 탄소코팅으로 이루어지도록 증착시킴으로써 이루어질 수 있다. For example, the carbon coating can be made by chemical vapor deposition (CVD). This is achieved by flowing a carbon source as a reaction source together with a carrier gas into the reactor and depositing the carbon source in the surface of the pores by a chemical reaction within a range of suitable temperatures (about 400 ° C to about 1000 ° C) Lt; / RTI >

여기서, 반응 소스를 이송하는 캐리어 가스를 이용할 수 있다. 캐리어 가스로서는 아르곤 또는 질소가스를 이용할 수 있다.Here, a carrier gas for transferring the reaction source can be used. As the carrier gas, argon or nitrogen gas may be used.

바람직하게는, 상기 탄소코팅은 탄화수소를 탄소원으로 하는 CVD법에 의해 이루어질 수 있고, 보다 바람직하게는 상기 탄화수소로서 에틸렌 가스 또는 아세틸렌 가스를 사용하여 550 내지 800도에서 10분 내지 6시간 동안 증착함으로서 이루어질 수 있다.Preferably, the carbon coating may be formed by a CVD method using a hydrocarbon as a carbon source, and more preferably by depositing ethylene gas or acetylene gas as the hydrocarbon at 550 to 800 degrees for 10 minutes to 6 hours .

도 2b에서는 상기 CVD 법을 이용하여 산화알루미늄 템플릿에 탄소코팅된 양극산화알루미늄 템플릿을 도시하고 있다. FIG. 2B shows an anodized aluminum template carbon-coated on an aluminum oxide template using the CVD method.

본 발명의 제조방법의 세 번째 단계는 상기 산화알루미늄 템플릿의 탄소코팅된 기공에 황을 채우는 단계이다. The third step of the process of the present invention is to fill the carbon coated pores of the aluminum oxide template with sulfur.

이는 상기 기공에 용융된 황이 채워짐으로써, 이후 공정에서 산화알루미늄이 제거되면 탄소 코팅된 황 나노선이 얻어질 수 있도록 하는 단계로서, 진공 또는 감압분위기에서 황이 채워질 수 있도록 한다. This is a step of filling the pores with molten sulfur so that carbon-coated sulfur nanowires can be obtained when the aluminum oxide is removed in a subsequent process, so that sulfur can be filled in a vacuum or reduced-pressure atmosphere.

또한 상기 황이 기공내로 채우기 위해서 용융된 황을 기공내에 넣을 수도 있지만, 고체 분말 형태의 황을 상기 산화알루미늄 템플릿과 함께 진공 분위기의 챔버 등에 넣고 황이 녹을 수 있는 온도(150도 이상 )범위내에서 적절한 시간을 유지함으로써 황이 상기 산화알루미늄 템플릿내 기공내에 침투하여 기공을 채울 수 있도록 할 수 있다. In addition, the sulfur may be put into the pores to fill the pores with the sulfur, but it is preferable that the sulfur in the form of solid powder is put together with the aluminum oxide template in a vacuum chamber or the like, and the sulfur is melted at a suitable temperature So that the sulfur can penetrate into the pores in the aluminum oxide template to fill the pores.

도 2c에서는 상기 탄소코팅된 산화알루미늄 템플릿의 아래쪽 기공에 황이 채워진 것을 도시하고 있다. FIG. 2C illustrates that the lower pores of the carbon-coated aluminum oxide template are filled with sulfur.

본 발명은 또한 황을 채운 이후 공정으로서, 상기 템플릿의 표면에 잔료한 황을 제거하는 공정을 추가적으로 포함할 수 있다. The present invention may further include a step of removing residual sulfur on the surface of the template as a process after filling with sulfur.

본 발명의 제조방법의 네 번째 단계는 상기 황이 채워진 산화알루미늄 템플릿의 황이 채워진 기공면을 집전체에 접착시키는 단계이다. The fourth step of the manufacturing method of the present invention is a step of adhering the sulfur-filled pore surface of the sulfur-filled aluminum oxide template to the current collector.

이는 상기 산화알루미늄 템플릿의 황이 채워진 기공을 갖는 면을 집전체와 접합함으로써, 집전체와 상기 탄소코팅된 황 나노선이 전기적으로 연결되도록 하는 단계이다. This is a step of electrically connecting the current collector and the carbon-coated sulfur nanowire by bonding the surface of the aluminum oxide template having pores filled with sulfur to the current collector.

상기 집전체와 상기 탄소코팅된 황 나노선이 전기적으로 연결되도록 하기 위해서 본 발명에서는 상기 산화알루미늄 템플릿의 황이 채워진 기공면에 도전성 페이스트, 또는 전도성 고분자를 포함하는 재료를 도포하여 상기 황이 채워진 기공면을 집전체에 접합시킬 수 있다. In order to electrically connect the current collector and the carbon-coated sulfur nanowire, in the present invention, a conductive paste or a material including a conductive polymer is applied to the sulfur-filled pore surface of the aluminum oxide template to form the sulfur- It can be bonded to the whole of the collector.

보다 바람직하게는, 상기 접합을 위해 산화알루미늄 템플릿의 황이 채워진 기공면 및/또는 집전체에 에폭시 성분을 포함하는 Ag 페이스트를 도포하여 접착할 수 있다. More preferably, an Ag paste containing an epoxy component may be applied and adhered to the pore surface of the aluminum oxide template filled with sulfur and / or the current collector for the above bonding.

도 2d에서는 상기 산화알루미늄 템플릿의 황이 채워진 기공면에 집전체가 부착된 것을 도시하고 있다. 2 (d) shows that the collector is attached to the pore surface of the aluminum oxide template filled with sulfur.

본 발명에서 상기 집전체로서는 특별히 제한하지 않으나 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 티타늄 등의 도전성 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 활물질에 대한 접착력과 낮은 접촉저항을 위해 카본-코팅된 알루미늄 집전체를 사용할 수 있다. In the present invention, the current collector is not particularly limited, but it is preferable to use a conductive material such as stainless steel, aluminum, copper, or titanium. A carbon-coated aluminum current collector can also be used for adhesion to the active material and low contact resistance.

또한 상기 집전체에 산화알루미늄 템플릿을 접착시키기 전에 백금을 스퍼터링하여 백금층을 도입할 수 있고, 상기 백금층의 스퍼터링후에 추가적으로 열처리공정을 도입할 수 있다. Further, a platinum layer can be introduced by sputtering platinum before the aluminum oxide template is adhered to the current collector, and a heat treatment process can be further introduced after sputtering the platinum layer.

일반적으로 리튬 황 이차전지에 사용되는 양극은 양극 활물질과 도전제 및 결합제(바인더)를 포함하여 구성되며, 상기 활물질은 황(elemental sulfur, S8) 고체 Li2Sn(n≥ 1), Li 2Sn(n≥ 1)가 용해된 캐쏠라이트, 유기황 화합물 및 탄소-황 폴리머[(C2Sx)n , x = 2.5 내지 50, n ≥ 2]로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 황계 물질이 사용될 수 있고, 상기 양극 활물질과 함께 전자가 양극활 물질 내에서 원활하게 이동하도록 하기 위한 도전제로는 흑연계 물질, 카본계 물질 등과 같은 전도성 물질 또는 전도성 고분자가 바람직하게 사용될 수 있으며, 양극 활물질을 집전체에 부착시키는 역할을 하는 바인더로는 폴리(비닐 아세테이트), 폴리비닐 알콜, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 피롤리돈, 알킬레이티드 폴리에틸렌 옥사이드, 가교결합된 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 에테르, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌과 폴리비닐리덴 플루오라이드의 코폴리머(상품명: Kynar), 폴리(에틸 아크릴레이트), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리스티렌, 이들의 유도체, 블랜드, 코폴리머 등이 사용될 수 있으나, 본 발명에서는 상기 양극 활물질로서 탄소 코팅된 황 나노선이 사용되며 추가의 결합제(바인더)는 사용되지 않는 것을 특징으로 한다.In general, a positive electrode used in a lithium sulfur secondary battery includes a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder. The active material is composed of an elemental sulfur (S8) solid Li2Sn (n≥1), Li2Sn 1) the dissolved kaessol light, organic sulfur compounds, and carbon-sulfur polymer [(C 2 Sx) n, x = 2.5 to 50, n ≥ 2] and one or more of the sulfur-based material selected from the group used consisting of the As a conductive agent for allowing electrons to move smoothly in the cathode active material together with the cathode active material, a conductive material or a conductive polymer such as a graphite-based material, a carbon-based material, or the like may be preferably used, and a role of attaching the cathode active material to the current collector (Vinyl acetate), polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, alkylated polyethylene oxide, crosslinked polyethylene oxide, A copolymer of polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene and polyvinylidene fluoride (trade name: Kynar), poly (ethyl acrylate), polytetrafluoroethylene (polyvinylidene fluoride) , Polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polyvinylpyridine, polystyrene, derivatives thereof, blends, copolymers and the like can be used. In the present invention, carbon-coated sulfur nanowires are used as the cathode active material, and further binder Binder) is not used.

본 발명의 제조방법의 마지막 단계로서 상기 집전체에 접착된 산화알루미늄 템플릿내의 알루미늄을 제거하는 단계는 산 또는 염기성 수용액으로 상기 집전체에 접합된 산화알루미늄 템플릿을 처리함으로써, 산화알루미늄을 완전히 제거하는 것을 포함한다.As a final step of the manufacturing method of the present invention, the step of removing aluminum in the aluminum oxide template adhered to the current collector may include completely removing the aluminum oxide by treating the aluminum oxide template bonded to the current collector with an acid or basic aqueous solution .

예컨대, 상기 산화알루미늄은 염기성 수용액인 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 수용액(0.5 M 내지 8 M 농도)에서 10 분내지 5일 처리함으로써 모든 산화알루미늄 성분이 제거되어, 탄소코팅된 황 나노선만이 집전체에 부착된 형태로 본 발명의 양극은 형성될 수 있다.For example, the aluminum oxide is treated with a basic aqueous solution of sodium hydroxide or potassium hydroxide (0.5 M to 8 M concentration) for 10 minutes to 5 days to remove all aluminum oxide components, so that only carbon-coated sulfur nano- In the attached form, the anode of the present invention can be formed.

도 2e에서는 상기 산화알루미늄 템플릿의 산화알루미늄이 모두 제거되어 탄소 코팅된 복수의 황 나노선이 집전체에 부착되어 본 발명의 리튬 황 이차전지용 양극이 형성된 것을 도시하고 있다. In FIG. 2E, all the aluminum oxide of the aluminum oxide template is removed, and a plurality of carbon-coated sulfur nanowires are attached to the current collector to form the anode for a lithium sulfur secondary battery of the present invention.

본 발명은 또한 집전체상에 형성되며, 탄소 코팅된 복수의 황 나노선을 포함하는 리튬 황 이차전지용 양극을 제공한다. The present invention also provides a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery formed on a current collector and including a plurality of carbon nanotubes coated with sulfur.

상기 집전체상에 형성되며, 탄소 코팅된 복수의 황 나노선을 포함하는 리튬 황 이차전지용 양극은 본 발명에서 제공되는 상기 a) 단계 내지 e) 단계를 포함하는 제조 방법에 의해 얻어질 수 있다.The positive electrode for a lithium sulfur secondary battery formed on the current collector and including a plurality of sulfur coated nanowires coated with carbon may be obtained by the manufacturing method comprising steps a) to e) provided in the present invention.

또한 본 발명은 금속성분을 포함하는 금속성분을 포함하는 집전체, 상기 집전체상에 복수의 기둥형태로 형성되고, 각각의 기둥은 산화알루미늄 템플릿내 형성된 기공의 형상을 가지는 복수의 황 나노선, 및 상기 복수의 황 나노선들의 표면에 형성된 탄소 코팅층을 포함하는 리튬 황 이차전지용 양극을 제공한다. The present invention also provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a current collector including a metallic component including a metal component; a plurality of pillar-shaped pillar-shaped pillar- And a carbon coating layer formed on the surface of the plurality of sulfur nanowires.

일 실시예로서, 상기 양극내 황을 둘러싸고 있는 탄소코팅층의 두께는 0.5 내지 10 nm일 수 있다. 만약 상기 코팅층의 두께가 두꺼운 경우에는 전극으로 사용되는 황의 양이 줄어든다는 단점이 있고, 3 nm 보다 얇은 경우에는 황 나노선에 포함된 황이 외부의 전해질로 유출될 가능성이 있으며, 또한 충방전과정중에 형성된 폴리설파이드가 전해질에 녹아나올 수 있어, 상기 범위내가 바람직하다. In one embodiment, the thickness of the carbon coating layer surrounding the sulfur in the anode may be 0.5 to 10 nm. If the thickness of the coating layer is too thick, the amount of sulfur used as the electrode is reduced. If the thickness of the coating layer is thinner than 3 nm, sulfur contained in the sulfur nanowire may leak out to the external electrolyte, The formed polysulfide can be dissolved in the electrolyte, and the above range is preferable.

또한 본 발명은 양극, 음극 및 전해질을 포함하는 리튬 황 이차 전지에 있어서, 본 발명의 상기 제조방법에 의해 얻어지는 양극을 포함하는 리튬 황 이차전지를 제공한다. The present invention also provides a lithium sulfur secondary battery comprising a cathode, an anode and an electrolyte, wherein the lithium sulfur secondary battery includes the anode obtained by the above-described production method of the present invention.

또한 본 발명에 따른 리튬 황 이차전지에 사용될 수 있는 전해질로는 지지 전해염으로 리튬염을 포함하고, 비수성 유기 용매를 포함한다. 사용되는 전해질의 유기 용매는 적절히 황 원소(S8), 리튬 설파이드(Li2S), 리튬 폴리설파이드(Li2 Sn, n = 2, 4, 6, 8...)를 잘 용해시키는 것을 사용한다. 상기 유기 용매로는 벤젠, 플루오로벤젠, 톨루엔, 트리플루오로톨루엔, 자일렌, 사이클로헥산, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸 테트라하이드로퓨란, 사이클록헥사논, 에탄올, 이소프로필알콜, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, 메틸아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 디메톡시 에탄, 1,3-디옥솔란, 디글라임, 테트라글라임, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, γ-부티로락톤 및 설포란으로 이루어진 군에서 선택되는 용매를 하나 이상 사용한다.The electrolyte that can be used in the lithium sulfur secondary battery according to the present invention includes a lithium salt as a supporting electrolyte and includes a non-aqueous organic solvent. The organic solvent of the electrolyte used is that used to properly elemental sulfur (S8), lithium sulfide (Li 2 S), lithium polysulfide (Li 2 Sn, n = 2 , 4, 6, 8 ...) soluble . Examples of the organic solvent include benzene, fluorobenzene, toluene, trifluoro toluene, xylene, cyclohexane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, cyclodextrin, ethanol, isopropyl alcohol, dimethyl carbonate, ethyl Methyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propyl carbonate, methyl propionate, ethyl propionate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, dimethoxyethane, 1,3-dioxolane, diglyme, tetraglyme, ethylene carbonate , Propylene carbonate,? -Butyrolactone, and sulfolane.

상기 전해염인 리튬염으로는 리튬 트리플루오로메탄설폰이미드(lithium trifluoromethansulfonimide), 리튬 트리플레이트(lithium triflate), 리튬 퍼클로레이트(lithium perclorate), 리튬 헥사플루오로아제네이트(LiAsF6), 리튬 트리플루오로메탄설포네이트(CF3SO3Li), LiPF6, LiBF4 또는 테트라알킬암모늄, 예를 들어 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 또는 상온에서 액상인 염, 예를 들어 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(퍼플루오로에틸 설포닐) 이미드와 같은 이미다졸리움 염 등을 하나 이상 사용할 수 있다. 상기 전해질은 리튬염을 0.5 내지 2.0 M의 농도로 포함한다.Examples of the lithium salt as the electrolytic salt include lithium trifluoromethanesulfonimide, lithium triflate, lithium perchlorate, lithium hexafluoroethane (LiAsF 6 ), lithium triflate Romero burnt sulfonate (CF 3 SO 3 Li), LiPF 6, LiBF 4 or a tetraalkylammonium, e.g., tetrabutylammonium tetrafluoroborate, or liquid state salts at room temperature, for example 1-ethyl-3-methyl Imidazolium salts such as imidazolium bis (perfluoroethylsulfonyl) imide, and the like can be used. The electrolyte comprises a lithium salt at a concentration of 0.5 to 2.0 M.

상기 전해질은 액상 전해질로 사용할 수도 있고, 고체 상태의 전해질 세퍼레이터 형태로도 사용할 수 있다. 액상 전해질로 사용할 경우에는 전극을 물리적으로 분리하는 기능을 갖는 물리적인 분리막으로서 다공성 유리, 플라스틱, 세라믹 또는 고분자 등으로 이루어진 세퍼레이터를 더욱 포함한다. The electrolyte may be used as a liquid electrolyte or as a solid electrolyte separator. When used as a liquid electrolyte, the separator further includes a separator made of porous glass, plastic, ceramic, or polymer as a physical separator having a function of physically separating the electrode.

상기 전해질 세퍼레이터는 전극을 물리적으로 분리하는 기능과 금속 이온을 이동시키기 위한 이동 매질의 기능을 하는 것으로서, 전기 화학적으로 안정한 전기 및 이온 도전성 물질이 모두 사용될 수 있다. 이와 같은 전기 및 이온 전도성 물질로는 유리 전해질(glass electrolyte), 고분자 전해질 또는 세라믹 전해질 등이 사용될 수 있다. 특히 바람직한 고체 전해질로는 폴리에테르, 폴리이민, 폴리티오에테르 등과 같은 고분자 전해질에 상기 지지 전해염을 혼합하여 사용한다. 상기 고체상태의 전해질 세퍼레이터는 약 20 중량% 미만의 비수성 유기 용매를 포함할 수 도 있으며, 이 경우에는 유기 용매의 유동성을 줄이기 위하여 적절한 겔 형성 화합물(gelling agent)을 더욱 포함할 수도 있다.The electrolyte separator functions to physically separate the electrodes and to serve as a moving medium for moving metal ions, and electrochemically stable electrical and ionic conductive materials can be used. Examples of such electric and ion conductive materials include glass electrolytes, polymer electrolytes, and ceramic electrolytes. Particularly preferred solid electrolytes are those in which the supported electrolyte salt is mixed with a polymer electrolyte such as polyether, polyimine, polythioether or the like. The solid electrolyte separator may comprise less than about 20% by weight of a non-aqueous organic solvent, in which case it may further comprise a suitable gelling agent to reduce the fluidity of the organic solvent.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for illustrating the present invention and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.

실시예Example 1: 리튬 황 이차전지 양극의 제조 1: Preparation of Lithium Sulfide Secondary Battery Electrode

1) 산화알루미늄 템플릿 제조1) Manufacture of aluminum oxide template

상기 산화알루미늄 템플릿 제조를 위해 2단계의 양극산화과정을 진행하였다.Two stages of anodic oxidation were performed to prepare the aluminum oxide template.

순도 99.999% 의 알루미늄 호일을 400 도에서 3시간 질소분위기에서 열처리를 한후, 에탄올: perchloric acid(= 4:1)을 전해액으로 사용하여 20 V에서 2분간 전해연마(electropolishing)하여 알루미늄 호일의 면을 평평하게 만든다. The aluminum foil with a purity of 99.999% was heat-treated at 400 ° C for 3 hours in a nitrogen atmosphere, electropolished using ethanol: perchloric acid (= 4: 1) as an electrolyte at 20 V for 2 minutes, It makes it flat.

이후에 oxalic acid 0.3 M 을 전해액으로 40 V에서 5 시간 양극산화(anodizing)를 진행한 후에, 0.4 M phosphoric acid(H3PO4)와 0.2 M chromic acid (H2CrO4)를 섞은 용액을 이용하여 60 도에서 2 시간 동안 에칭하여 앞 단계에서 만들어진 산화알루미늄을 제거한다.After that, oxalic acid 0.3 M was anodized at 40 V for 5 hours and then a solution of 0.4 M phosphoric acid (H 3 PO 4 ) and 0.2 M chromic acid (H 2 CrO 4 ) was used And then etched at 60 degrees for 2 hours to remove the aluminum oxide produced in the previous step.

이후 다시 oxalic acid 0.3 M 을 전해액으로 40V 에서 1 시간 양극산화공정을 거쳐 산화알루미늄을 제조한다. 이후에 기공을 넓히기 위해 6 wt.% phosphoric acid 에 만들어진 템플릿을 넣고 30 분간 둔다.After that, oxalic acid 0.3 M was electrolyzed at 40 V for 1 hour and anodized to produce aluminum oxide. Afterwards, add a template made of 6 wt.% Phosphoric acid for 30 min to widen the pores.

2) 탄소 코팅 및 기공에 황을 채우는 단계 2) Steps to fill the carbon coating and pores with sulfur

튜브형 로에 만들어진 산화알루미늄 템플릿을 넣고 640도 까지 질소 분위기로 열처리를 한후에, 탄소원으로 아세틸렌 가스를 사용하고 캐리어가스로서 질소가스를 이용하여 상기 640 도에서 질소:아세틸렌(=9:1 v/v)조건하에서 2 시간 열처리함으로써 탄소코팅을 진행한다.The aluminum oxide template made in the tube-shaped furnace was placed and heat treated in a nitrogen atmosphere to 640 ° C. Then, acetylene gas was used as a carbon source and nitrogen gas: acetylene (= 9: 1 v / v) Lt; 0 > C for 2 hours.

얻어진 탄소코팅된 산화알루미늄 템플릿을 상온까지 질소 분위기하에서 온도를 떨어뜨려 냉각한다.The obtained carbon-coated aluminum oxide template is cooled to room temperature by lowering the temperature in a nitrogen atmosphere.

이후 공정으로서, 상기 탄소코팅된 산화알루미늄 템플릿과 황 1 g을 함께 진공 오븐에 넣고 155도 까지 가열한다.As a subsequent step, the carbon-coated aluminum oxide template and 1 g of sulfur are put together in a vacuum oven and heated to 155 degrees.

온도가 높아짐에 따라 황이 녹게 되면 진공분위기(> 10-2 mbar)하에서 24시간을 유지하여 용융된 황이 기공내로 채워지도록 한다.As the temperature rises, the sulfur is thawed and held under vacuum (> 10 -2 mbar) for 24 hours to allow the molten sulfur to fill the pores.

24시간후에 상기 황이 기공내에 채워진 템플릿을 꺼내어 표면의 황을 제거한다After 24 hours, the sulfur is removed from the template filled in the pores to remove sulfur on the surface

3) 집전체 접착 및 템플릿 제거 공정3) Adhesion of collector and template removal process

집전체로서 알루미늄을 사용하되, 백금을 스퍼터를 사용하여 250 가량 스퍼터링 하여 15-20 nm 층의 백금층을 형성하고 Ar 분위기하에서 400 도로 2시간 열처리를 진행하였다. 이후에 상기 백금이 코팅된 집전체 표면에 도전성 페이스트로서 Ag 에폭시 페이스트를 접착시킨 후에 상기 템플릿의 황이 채워진 기공을 포함하는 면쪽을 부착하였다. Aluminum was used as the current collector, and a platinum layer having a thickness of 15-20 nm was formed by sputtering 250 parts of platinum with a sputterer, followed by heat treatment at 400 degrees for 2 hours under an Ar atmosphere. Thereafter, an Ag epoxy paste as a conductive paste was adhered to the surface of the current collector coated with platinum, and then the side including the sulfur-filled pores of the template was attached.

상기 Ag 에폭시 페이스트는 경화제와 섞어 사용할 수 있으며, 경화제와 섞어도 상온에서는 바르는 것이 가능한 정도의 점도를 갖는 것을 사용하며, 부착 후 80 도에서 12시간동안 경화시킨다. The Ag epoxy paste may be mixed with a curing agent. If the curing agent is mixed with the curing agent, the curing agent may be cured at 80 ° C for 12 hours.

이후에 양극 산화알루미늄 템플릿의 알루미늄 부분을 Hg2Cl2 5wt% 용액을 이용하여 제거하였다.The aluminum portion of the anodized aluminum template was then removed using a 5 wt% Hg2Cl2 solution.

마지막으로, 상기 집전체가 접착된, 탄소코팅된 산화알루미늄 템플릿을 3M NaOH 수용액에 24 시간 동안 담그어 산화알루미늄을 에칭하여 제거한다. 이후에 얻어진 양극을 증류수에 담그어 세척하고 건조하여 본 발명의 리튬황 이차전지용 양극을 제조하였다. 이렇게 형성된 황 나노선의 탄소 코팅층의 두께는 2 nm 정도이며 황 나노 막대의 직경은 70 nm을 나타내었다. Finally, the carbon-coated aluminum oxide template to which the current collector is adhered is immersed in a 3M NaOH aqueous solution for 24 hours to etch the aluminum oxide. The obtained positive electrode was immersed in distilled water, washed, and dried to prepare a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery of the present invention. The thickness of the carbon coating layer of the thus-formed sulfur nanowire was about 2 nm, and the diameter of the sulfur nanorod was 70 nm.

도 3은 상기 제조방법에 따라 제조된 탄소코팅된 황 나노선의 윗면의 SEM 이미지를 도시한 그림이다. 도 3a)는 고배율의 SEM을 도시하였고, 도 3b)는 저배율의 SEM 이미지를 도시하였다. FIG. 3 is a SEM image of a top surface of a carbon coated sulfur nanowire fabricated according to the above manufacturing method. FIG. 3A) shows a high magnification SEM, and FIG. 3B) shows a low magnification SEM image.

상기 도 3a) 및 도 3b)에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 탄소코팅된 황 나노선이 규칙적이고 균일한 형태로 배열된 것을 나타내고 있다. 3 a) and 3 b), it is shown that the carbon-coated sulfur nanowires of the present invention are arranged in a regular and uniform manner.

도 4는 상기 제조방법에 따라 제조된 탄소코팅된 황 나노선의 TEM 이미지를 도시한 그림이다. 도 4a)는 저배율로서 나노선의 중간부분을 도시하였고, 도 4b)는 고배율로서 끝부분의 이미지를 도시하였다. FIG. 4 is a TEM image of carbon-coated sulfur nanowires prepared according to the above-described method. 4A) shows the middle portion of the nanowire at low magnification, and FIG. 4B) shows the image of the end with high magnification.

또한 도 4 d) 및 도 4 e)에서 볼 수 있듯이, 3 nm 의 탄소층이 황 나노선 표면을 균일하게 둘러싸고 있는 것을 알 수 있다. 4 d) and 4 e), it can be seen that a 3 nm carbon layer uniformly surrounds the surface of the sulfur nanowire.

또한 탄소에 접하는 부위는 monoclinic sulfur 형태로 황이 존재하는 것으로 나타났으며 , 황 나노선의 중심부는 orthorhombic sulfur 형태로 황이 존재하는 것으로 나타났다. Sulfur was present in the form of monoclinic sulfur in the region of contact with carbon. Sulfur was present in the center of sulfur nanowire in orthorhombic sulfur form.

도 5는 상기 제조방법에 따라 제조된 탄소코팅된 황 나노선의 EDS 맵핑 이미지를 도시한 그림이다. 상기 도 5의 하단 우측 이미지로부터 본 발명의 양극에 포함되는 황 나노선은 내부는 황원자로 채워져 있으며, 표면은 탄소로 코팅되어 있음을 나타내고 있다. FIG. 5 is a view showing an EDS mapping image of a carbon-coated sulfur nanowire fabricated according to the above manufacturing method. From the lower right image of FIG. 5, the sulfur nanowires included in the anode of the present invention are filled with sulfur and the surface is coated with carbon.

실시예Example 2: 리튬 황 이차전지 셀 제작 2: Manufacture of lithium-sulfur secondary battery cell

본 발명에 의해 제작되어지는 셀의 제작은 아래와 같다. The fabrication of the cell fabricated according to the present invention is as follows.

상기 제조된 양극과 셀 작에 필요한 부품들을 진공처리된 Glove Box 안에 넣는다. 셀 케이스 위에 상기 양극을 가장 먼저 올린다. 이때, 상기 양극은 본 발명의 상기 제조방법에 의해 얻어진 탄소 코팅된 황 나노선을 포함하는 집전체를 포함하는 부분이다. The anode and the parts necessary for cell fabrication are placed in a vacuum-treated glove box. The anode is first placed on the cell case. At this time, the anode is a portion including a current collector including carbon-coated sulfur nanowires obtained by the above-described manufacturing method of the present invention.

상기 양극상에 EC(ethylene carbonate) 와 DMC(dimethyl carbonate)의 1:1 부피비율 혼합 용액에 1M의 LiPF6이 용해되어있는 전해액을 전해액을 스포이드로 3방울을 떨어뜨린다. 이후에 전지용 분리막 소재인 Poly-propylene 소재의 film형 분리막을 올리고 다시 전해액을 3방울 떨어뜨린다. Three drops of the electrolytic solution in which 1 M of LiPF 6 is dissolved in a 1: 1 volume ratio mixture of EC (ethylene carbonate) and DMC (dimethyl carbonate) is dropped on the anode. After that, the poly-propylene film separator for battery is formed, and the electrolytic solution is dropped by 3 drops.

마지막으로 Li 금속을 음극으로 올리고 상기 분리막과 Li 음극의 가장자리 상에 셀의 기밀을 하기 위한 gasket의 용도로서 플라스틱 링을 추가한다. stainless steel 스페이서와 스프링을 올린후에 셀 커버를 덮어 압착해주면 완성된다. Finally, a plastic ring is added as a gasket for lifting the Li metal to the cathode and sealing the cell on the edge of the separator and the Li cathode. Place the stainless steel spacer and spring on the cell cover, and press the cover.

시험예Test Example : 전지의 특성 평가 : Characteristic evaluation of battery

본 발명에서 제조된 전지의 평가방법으로서 정전류법을 이용하여 1.0 - 3.0V vs. Li/Li+ 전위구간에서 셀을 테스트하여 각 C rate에 따른 충방전 도표를 구하였다. As a method of evaluating the battery manufactured in the present invention, a constant current of 1.0 to 3.0 V vs. Cells were tested in the Li / Li + potential range to obtain charge / discharge diagrams for each C rate.

도 6은 본 발명에 의해 제조된 리튬 황 이차전지용 양극의 충방전 용량 평가 그래프이다. FIG. 6 is a graph showing the charging / discharging capacity evaluation value of the positive electrode for a lithium sulfur secondary battery manufactured by the present invention.

상기 도 6에서 나타내는 바와 같이, 본 발명의 탄소코팅된 황 나노선을 포함하는 양극은 높은 방전속도인 40 C rate의 경우에도 우수한 한 결과를 보여주고 있다. As shown in FIG. 6, the anode including carbon-coated sulfur nanowires according to the present invention shows excellent results even at 40 C rate, which is a high discharge rate.

도 7은 본 발명에 의해 제조된 리튬 황 이차전지용 양극의 수명특성을 나타낸 그래프를 도시한 그림이다. 7 a) 는 0.5C 로 충전 후 방전을 0.5C, 20C 로 하여 측정한 결과이다. 0.5C 방전의 경우 150 싸이클, 20C 방전의 경우 300 싸이클을 측정하였다. 7 b) 의 경우 2C 충전에 5C 방전을 하였고, 1000 싸이클을 측정하였다. 7 is a graph showing lifetime characteristics of a cathode for a lithium sulfur secondary battery manufactured by the present invention. 7a) is the result of measuring 0.5C and 20C after discharging at 0.5C. 150 cycles for 0.5C discharge and 300 cycles for 20C discharge were measured. In case of 7 b), 5 C discharge was performed at 2 C charge and 1000 cycles were measured.

도 8에서는 본 발명에 의해 제조된 양극을 포함하는 리튬 황 전지의 전기화학 그래프(galvanostatic curve)를 도시하였다 8 shows an electrochemical graph (galvanostatic curve) of a lithium sulfur battery including a positive electrode manufactured by the present invention

기존의 보고된 일반적인 Li-S 전지의 전기화학 그래프는 충전과 방전 중 2개의 편평부분(plateau)을 가지는 것에 비해, 본 발명에서는 충전 시 2개의 편평부분(plateau) 를 갖고, 방전 시에는 1개의 편평부분을 갖는다. 이는 TEM 분석 결과에서 나타났듯이 상온에서는 안정한 orthorhombic sulfur 가 아닌 monoclinic sulfur 형태로 황이 존재하기 때문이라고 판단된다. The electrochemical graph of a conventional reported general Li-S battery has two plateau portions during charging and discharging, whereas the present invention has two plateau portions when charged and one And has a flat portion. This is due to the presence of sulfur in the form of monoclinic sulfur rather than stable orthorhombic sulfur at room temperature as shown in TEM analysis results.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (15)

a) 기공을 가지며, 상기 기공의 한쪽 끝이 막힌 산화알루미늄 템플릿을 제공하는 단계;
b) 상기 산화알루미늄 템플릿 기공내부의 표면을 탄소로 코팅하는 단계;
c) 상기 b) 단계의 산화알루미늄 템플릿의 탄소코팅된 기공에 황을 채우는 단계;
d) 상기 황이 채워진 산화알루미늄 템플릿의 황이 채워진 기공면을 집전체에 접착시키는 단계; 및
e) 상기 집전체에 접착된 산화알루미늄 템플릿의 산화알루미늄을 제거하는 단계;를 포함하는 리튬 황 이차전지용 양극의 제조방법
a) providing an aluminum oxide template having pores and having one end of the pores closed;
b) coating the interior of the aluminum oxide template pores with carbon;
c) filling the carbon coated pores of the aluminum oxide template of step b) with sulfur;
d) attaching the sulfur-filled pore surface of the sulfur-filled aluminum oxide template to the current collector; And
and e) removing aluminum oxide of the aluminum oxide template adhered to the current collector.
제 1 항에 있어서,
상기 a) 단계의 산화알루미늄 템플릿은 기공크기가 15 내지 400 nm이고 두께가 10 내지 300 um 인 것을 특징으로 하는, 리튬 황 이차전지용 양극의 제조방법
The method according to claim 1,
Wherein the aluminum oxide template of step a) has a pore size of 15 to 400 nm and a thickness of 10 to 300 μm.
제 1 항에 있어서,
상기 b) 단계의 탄소코팅은 탄화수소를 탄소원으로 하는 CVD법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 리튬 황 이차전지용 양극의 제조방법
The method according to claim 1,
The method for producing a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery according to claim 1, wherein the carbon coating in step b) is carried out by a CVD method using a hydrocarbon as a carbon source
제 3 항에 있어서,
상기 탄소코팅은 탄소원으로서 에틸렌 가스 또는 아세틸렌 가스를 사용하여 550 내지 800도에서 10분 내지 6시간 동안 증착함으로서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 리튬 황 이차전지용 양극의 제조방법
The method of claim 3,
Wherein the carbon coating is formed by depositing ethylene gas or acetylene gas as a carbon source at 550 to 800 DEG C for 10 minutes to 6 hours to form a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery
제 1 항에 있어서,
상기 c) 단계의 황을 채우는 단계는 황을 용융시킨 후에 진공 또는 감압분위기에서 상기 산화알루미늄 템플릿 기공내부에 용융된 황을 채움으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는, 리튬 황 이차전지용 양극의 제조방법
The method according to claim 1,
Wherein the step of filling the sulfur in the step c) is performed by melting the sulfur and then filling the molten sulfur in the aluminum oxide template pores with a vacuum or a reduced pressure atmosphere to produce a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery
제 1 항에 있어서,
상기 d) 단계는 상기 산화알루미늄 템플릿의 황이 채워진 기공면에 도전성 페이스트, 또는 전도성 고분자를 포함하는 재료를 도포하여 상기 황이 채워진 기공면을 집전체에 접합함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는, 리튬 황 이차전지용 양극의 제조방법
The method according to claim 1,
Wherein the step d) comprises applying a conductive paste or a material containing a conductive polymer to the pore surface of the aluminum oxide template filled with sulfur and bonding the pore surface filled with the sulfur to the current collector. ≪ / RTI &
제 6 항에 있어서,
상기 황이 채워진 기공면을 집전체에 접합하는 것은 에폭시 성분을 포함하는 Ag 페이스트를 상기 집전체 또는 산화알루미늄 템플릿의 황이 채워진 기공면에 도포하여 접착함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는, 리튬 황 이차전지용 양극의 제조방법
The method according to claim 6,
And bonding the pore surface filled with the sulfur to the current collector is performed by applying an Ag paste containing an epoxy component to the pore surface filled with sulfur of the current collector or the aluminum oxide template and bonding the same. Way
제 1 항에 있어서,
상기 e) 단계는 상기 집전체에 접합된 산화알루미늄 템플릿을 산 또는 염기성 수용액으로 처리함으로써, 산화알루미늄을 제거하는 것을 특징으로 하는, 리튬 황 이차전지용 양극의 제조방법
The method according to claim 1,
Wherein the step (e) comprises a step of removing the aluminum oxide by treating the aluminum oxide template bonded to the collector with an acidic or basic aqueous solution, thereby producing a positive electrode for a lithium sulfur secondary battery
제 8 항에 있어서,
상기 산화알루미늄은 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 수용액에서 10 분내지 5일 처리함으로써 제거되는 것을 특징으로 하는, 리튬 황 이차전지용 양극의 제조방법
9. The method of claim 8,
Wherein the aluminum oxide is removed by treating in an aqueous solution of sodium hydroxide or potassium hydroxide for 10 minutes to 5 days.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 제조되는 리튬 황 이차전지용 양극 A positive electrode for a lithium sulfur secondary battery produced by a manufacturing method according to any one of claims 1 to 9 제 10 항에 있어서,
상기 양극내 황을 둘러싸고 있는 탄소코팅의 두께는 0.5 내지 10 nm인 것을 특징으로 하는, 리튬 황 이차전지용 양극
11. The method of claim 10,
Characterized in that the thickness of the carbon coating surrounding the sulfur in the anode is 0.5 to 10 nm,
양극, 음극 및 전해질을 포함하는 리튬 황 이차 전지에 있어서, 제10항에 기재된 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 황 이차전지A lithium sulfur secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte, wherein the lithium sulfur secondary battery comprises the positive electrode according to claim 10 금속성분을 포함하는 집전체;
상기 집전체상에 복수의 기둥형태로 형성되고, 각각의 기둥은 산화알루미늄 템플릿내 형성된 기공의 형상을 가지는 복수의 황 나노선; 및
상기 복수의 황 나노선들의 표면에 형성된 탄소 코팅층;을 포함하는 리튬 황 이차전지용 양극
A current collector containing a metal component;
A plurality of sulfur nanowires formed on the current collector in a plurality of columnar shapes, each column having a shape of pores formed in an aluminum oxide template; And
And a carbon coating layer formed on the surface of the plurality of sulfur nanowires.
집전체상에 형성되며, 탄소 코팅된 복수의 황 나노선을 포함하는 리튬 황 이차전지용 양극An anode for a lithium sulfur secondary battery formed on a current collector and including a plurality of sulfur nanowires coated with carbon 제13항 또는 제14항에 있어서,
상기 양극내 황을 둘러싸고 있는 탄소코팅층의 두께는 0.5 내지 10 nm인 것을 특징으로 하는, 리튬 황 이차전지용 양극
The method according to claim 13 or 14,
Characterized in that the thickness of the carbon coating layer surrounding the sulfur in the anode is 0.5 to 10 nm. The anode for a lithium sulfur secondary battery
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