KR20150001098A - 리튬-황 전지의 양극 활물질용 그라핀-황 복합체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬-황 전지의 양극 활물질용 그라핀-황 복합체 및 이의 제조 방법으로서, 상세하게는, 황 원소 또는 황 화합물; 및 상기 황 원소 또는 황 화합물을 형성하는 전구체와 다른 표면 전하를 나타내도록 표면 개질된 그라핀(grapheme) 또는 환원된 그라핀 옥사이드(reduced graphene oxide); 을 포함하는 것을 특징으로 하는 그라핀-황 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

리튬-황 전지의 양극 활물질용 그라핀-황 복합체 및 이의 제조 방법 {Graphene-Sulfur Composite for Cathode Active Material of Lithium-Sulfur Battery and Method of Preparing the Same}
본 발명은 리튬-황 전지의 양극 활물질용 그라핀-황 복합체 및 이의 제조 방법으로서, 상세하게는, 황 원소 또는 황 화합물; 및 상기 황 원소 또는 황 화합물을 형성하는 전구체와 다른 표면 전하를 나타내도록 표면 개질된 그라핀(grapheme) 또는 환원된 그라핀 옥사이드(reduced graphene oxide); 을 포함하는 것을 특징으로 하는 그라핀-황 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근까지, 음극으로 리튬을 사용하는 고에너지 밀도 전지를 개발하는데 있어 상당한 관심이 있어 왔다. 리튬 금속은, 예를 들어, 비-전기 활성 재료의 존재로 음극의 중량 및 부피를 증가시켜서 전지의 에너지 밀도를 감소시키는 리튬 삽입된 탄소 음극, 및 니켈 또는 카드뮴 전극을 갖는 다른 전기화학 시스템과 비교하여, 저중량 및 고에너지 밀도를 갖기 때문에, 전기화학 전지의 음극 활물질로서 매우 관심을 끌고 있다. 리튬 금속 음극, 또는 리튬 금속을 주로 포함하는 음극은, 리튬-이온, 니켈 금속 수소화물 또는 니켈-카드뮴 전지와 같은 전지 보다는 경량화되고 고에너지 밀도를 갖는 전지를 구성할 기회를 제공한다. 이러한 특징들은 프리미엄이 낮은 가중치로 지불되는, 휴대폰 및 랩-탑 컴퓨터와 같은 휴대용 전자 디바이스용 전지에 대해 매우 바람직하다.
이러한 유형의 리튬 전지용 양극 활물질들이 공지되어 있고, 이들은 황-황 결합을 포함하는 황 함유 양극 활물질을 포함하며, 황-황 결합의 전기화학적 절단(환원) 및 재형성(산화)으로부터 고에너지 용량 및 재충전능이 달성된다.
상기와 같이 음극 활물질로 리튬과 알칼리 금속을, 양극 활물질로 황을 사용하는 리튬-황 전지는 이론 에너지 밀도가 2800 Wh/kg(1675 mAh)으로, 다른 전지 시스템에 비하여 월등히 높고, 황은 자원이 풍부하여 값이 싸며, 환경친화적인 물질이라는 장점 때문에, 휴대 전자기기로 주목을 받고 있다
그러나, 리튬-황 전지의 양극 활물질로 사용되는 황은 부도체이므로 전기화학 반응으로 생성된 전자의 이동이 어렵고, 산화-환원 반응 시에 황이 전해질로 유출되어 전지 수명이 열화될 뿐만 아니라, 적절한 전해액을 선택하지 못하였을 경우에 황의 환원 물질인 리튬 폴리설파이드가 용출되어 더 이상 전기화학반응에 참여하지 못하게 되는 문제점이 있었다.
이에, 전해액으로 녹아나는 리튬 폴리설파이드의 양을 최소화하고 부도체인 황 전극에 전기전도도 특성을 부여하기 위해 탄소와 황의 복합체를 양극으로 사용하는 기술이 개발되었으나, 이 경우 탄소와 황 입자 사이의 결합력이 약해 황의 낮은 전기전도도 특성이 충분히 개선되지 못하였을 뿐만 아니라, 여전히 리튬 폴리설파이드의 용출 문제를 해결하지 못하고 있는 실정이다.
따라서, 황 전극의 전기전도도를 향상시키고, 전지의 방전 시 리튬 폴리설파이드가 전해질로 녹아 나오는 것을 효과적으로 차단하여 사이클 특성 역시 향상시키는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같은 특정한 그라핀-황 복합체를 개발하였고, 이러한 그라핀-황 복합체를 양극 활물질로 사용하는 경우, 그라핀-황 복합체 내의 두 성분들 간의 결합력이 향상되어 황 전극의 전기전도도 및 전지 용량이 증가할 뿐만 아니라, 리튬 폴리설파이의 용출을 효과적으로 억제하여 리튬-황 전지의 사이클 특성을 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 그라핀-황 복합체는,
황 원소 또는 황 화합물; 및
상기 황 원소 또는 황 화합물을 형성하는 전구체와 다른 표면 전하를 나타내도록 표면 개질된 그라핀(grapheme) 또는 환원된 그라핀 옥사이드(reduced graphene oxide);
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그라핀 옥사이드는 넓은 밴드 갭(6 eV)의 절연체이며, 환원 과정을 통해 C-O 결합을 제거하면 제로-밴드갭(0 eV)의 그라핀을 제조할 수 있다. 하지만 환원 과정으로 완전한 그라핀을 만들긴 현실적으로 어려우며, 다만 C-O 결합의 정도를 변화시켜 전기적, 광학적 및 기계적 특성의 조절이 가능하다. 산소와 결합된 탄소는 sp3 결합을 하고 그라핀의 C-C 결합인 sp2 공유결합 네트워크를 방해하여 전도성을 조절한다. 일부에서는 환원 과정을 거친 그라핀 옥사이드를 그라핀으로 단순히 명명하기도 하지만, 본 발명에서는 환원 과정을 거쳐 산소 비율이 줄어든 그라핀 옥사이드를 ‘그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드’로 정의한다.
상기 환원 방법은 다양할 수 있는 바, 예를 들어, 그라핀 옥사이드를 800 ~ 1,000℃에서 5 ~ 60 분간 Ar/H2 혼합물(90% Ar, 10% H2) 분위기에서 어닐링하여 환원시킬 수도 있고, 그라핀 옥사이드 현탁액에 환원제를 첨가하고 80 ~ 1,00℃에서 5 ~ 60 분간 가열함으로써 환원시킬 수도 있다. 이때, 가열 온도와 시간은 그라핀 옥사이드를 환원시키고자 하는 정도에 따라 다를 수 있지만, 온도가 높을 수록, 가열 시간이 길수록 환원 정도가 높다.
하나의 구체적인 예에서, 황 원소 또는 황 화합물을 형성하는 전구체는, 예를 들어, 설파이드(sulfide)계 화합물 및/또는 설페이트(sulfate)계 화합물이 사용될 수 있고, 이때 표면 전하는 음전하일 수 있다.
반면, 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드는 황 원소 또는 황 화합물을 형성하는 전구체와 다른 표면 전하를 띄도록 표면 개질되는 바 표면 전하는 양전하일 수 있고, 상기 양전하는 NH4 +, N(CH3)+, C(NH2)2 +, NH3 + 및 NH(CH3)3 +로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나로 인해 형성될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 표면 개질의 방법은 상기 양전하를 가진 관능기를 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드에 화학 결합으로 도입하는 것에 의해 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일반적으로 표면 개질되지 않은 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드를 사용한 그라핀-황 복합체에서는 두 성분들 간의 결합이 약한 반데르발스 결합인 경우가 대부분이지만, 본 발명에 따른 그라핀-황 복합체는 표면 개질된 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드와 황 원소 또는 황 화합물을 형성하는 전구체가 서로 다른 표면 전하를 띄고 있어 강한 정전기적 인력으로 결합되어 형성될 수 있다.
또한, 같은 전하끼리는 반발하는 성질로 인해 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드끼리, 또는 황 원소 또는 황 화합물끼리의 결합보다 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드와 황의 이종결합에 의한 복합체 형성이 더 우세하게 된다.
본 출원의 발명자들은, 상기와 같이 서로 다른 표면 전하를 띄어 견고하게 결합된 그라핀-황 복합체를 사용하는 경우, 물질 합성 시 혼합 과정에서 열처리나 기계적 압력을 가하는 등의 다른 외부 에너지를 사용하지 않고도 자가 조립(self assembly)됨으로써 복합체가 얻어지므로 합성의 측면에서도 용이할 뿐만 아니라, 결과적으로 황 전극 내의 전기전도도를 더욱 향상시키고, 전기화학적 반응이 유효한 황을 증가시켜 전지 용량 역시 증가시키며, 황 원소 또는 황 화합물이 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드에 강하게 결합하므로 전지 방전 시 리튬 폴리설파이드가 전해액에 용출되는 현상을 효과적으로 억제할 수 있음을 확인하였다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드와 황 원소 또는 황 화합물의 함량비는 중량을 기준으로 1 : 40 ~ 1 : 1일 수 있다. 상기 함량비를 벗어나 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드가 너무 많은 경우에는 상대적으로 황 원소 또는 황 화합물의 양이 줄어 용량이 감소되고, 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드가 너무 적은 경우에는 소망하는 전기전도도 특성의 향상 및 리튬 폴리설파이드 용출문제의 해결이라는 효과를 얻을 수 없어 바람직하지 않다.
본 발명은 또한, 상기 그라핀-황 복합체를 제조하는 방법을 제공한다.
상기 그라핀-황 복합체의 제조 방법은,
(i) 그라핀 옥사이드가 포함되어 있는 콜로이달 용액을 제조하는 과정;
(ii) 상기 콜로이달 용액에 양전하를 띄는 관능기를 갖는 첨가제를 넣어 상기 그라핀 옥사이드에 화학 결합으로 도입하는 과정;
(iii) 상기 콜로이달 용액의 그라핀 옥사이드를 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드로 환원시키는 과정;
(iv) 황 원소 또는 황 화합물을 형성하는 전구체를 상기 과정(iii)의 콜로이달 용액에 분산시켜 침전물을 형성시키는 과정; 및
(v) 상기 과정(iv)의 침전물을 산화시킨 후 콜로이달 용액을 건조하여 그라핀-황 복합체를 형성하는 과정;
을 포함하거나,
(a) 그라핀 옥사이드가 포함되어 있는 콜로이달 용액을 제조하는 과정;
(b) 상기 콜로이달 용액의 그라핀 옥사이드를 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드로 환원시키는 과정;
(c) 상기 콜로이달 용액에 양전하를 띄는 관능기를 갖는 첨가제를 넣어 상기 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드에 화학 결합으로 도입하는 과정;
(d) 황 원소 또는 황 화합물을 형성하는 전구체를 상기 과정(c)의 콜로이달 용액에 분산시켜 침전물을 형성시키는 과정; 및
(e) 상기 과정(d)의 침전물을 산화시킨 후 콜로이달 용액을 건조하여 그라핀-황 복합체를 형성하는 과정;
을 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 양전하를 띄는 관능기를 갖는 첨가제는 NH4 +, N(CH3)+, C(NH2)2 +, NH3 + 및 NH(CH3)+로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 화합물일 수 있고, 상기 침전물은 표면 개질된 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드와 황 원소 또는 황 화합물을 형성하는 전구체가 정전기적 인력으로 결합되어 형성될 수 있다.
상기 황 원소 또는 황 화합물을 형성하는 전구체의 분산은 한정되지는 아니하나, 소니케이션(sonication) 또는 스터링(stirring)으로 수행할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 그라핀-황 복합체를 포함하는 이차전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬-황 전지를 제공한다.
상기 리튬-황 전지는 상세하게는, 음극 활물질로서 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함하는 음극; 양극 활물질로서 상기 그라핀-황 복합체를 포함하는 양극; 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 세퍼레이터; 및 상기 음극, 양극 및 세퍼레이터에 함침되어 있으며, 리튬염과 유기 용매를 포함하는 전해질; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 양극은 양극 활물질, 또는 선택적으로 첨가제와 함께, 전자가 양극 내에서 원활하게 이동하도록 하기 위한 전기전도성 도전재 및 양극 활물질을 집전체에 잘 부착시키기 위한 바인더를 더 포함할 수 있다.
상기 도전재로는 특별히 한정하지 않으나, KS6와 같은 흑연계 물질, Super-P, 덴카 블랙, 카본 블랙과 같은 카본계 물질 등의 전도성 물질 또는 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 등의 전도성 고분자를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 바인더로는 폴리(비닐 아세테이트), 폴리비닐 알콜, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 피롤리돈, 알킬레이티드 폴리에틸렌 옥사이드, 가교결합된 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 에테르, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌과 폴리비닐리덴플루오라이드의 코폴리머(상품명: Kynar), 폴리(에틸 아크릴레이트), 폴리테트라플루오로에틸렌폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리스티렌, 이들의 유도체, 블랜드, 코폴리머 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더의 함량은 상기 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 30 중량%로 첨가된다. 바인더의 함량이 0.5 중량% 미만이면, 양극의 물리적 성질이 저하되어 양극 내 활물질과 도전재가 탈락하는 문제점이 있고, 30 중량%를 초과하면 양극에서 활물질과 도전재의 비율이 상대적으로 감소되어 전지 용량이 감소할 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명의 양극을 제조하는 방법을 구체적으로 살펴보면, 먼저, 슬러리를 제조하기 위한 용매에 상기 바인더를 용해시킨 다음, 도전재를 분산시킨다. 슬러리를 제조하기 위한 용매로는 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 균일하게 분산시킬 수 있으며, 쉽게 증발되는 것을 사용하는 것이 바람직하고, 대표적으로는 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란, 물, 이소프로필알콜 등을 사용할 수 있다. 다음으로 양극 활물질을, 또는 선택적으로 첨가제와 함께, 상기 도전재가 분산된 용매에 다시 균일하게 분산시켜 양극 슬러리를 제조한다. 슬러리에 포함되는 용매, 양극 활물질, 또는 선택적으로 첨가제의 양은 본 발명에 있어서 특별히 중요한 의미를 가지지 않으며, 단지 슬러리의 코팅이 용이하도록 적절한 점도를 가지면 충분하다.
이와 같이 제조된 슬러리를 집전체에 도포하고, 진공 건조하여 양극을 형성한다. 상기 슬러리는 슬러리의 점도 및 형성하고자 하는 양극의 두께에 따라 적절한 두께로 집전체에 코팅하면 충분하고, 상기 집전체로는 특히 제한하지 않으나 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 티타늄 등의 도전성 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 카본-코팅된 알루미늄 집전체를 사용하면 더욱 바람직하다. 탄소가 코팅된 Al 기판을 사용하는 것이 탄소가 코팅되지 않은 것에 비해 활물질에 대한 접착력이 우수하고, 접촉 저항이 낮으며, 알루미늄의 폴리설파이드에 의한 부식을 방지할 수 있는 장점이 있다.
상기 음극은 음극 활물질로서 리튬 금속 또는 리튬 합금을 사용하는데 상기 리튬 합금은 리튬/알루미늄 합금 및 리튬/주석 합금 등이 포함되나, 이에 한정되지 않는다.
상기 양극과 음극 사이에 위치하는 세퍼레이터는 양극과 음극을 서로 분리 또는 절연시키고, 양극과 음극 사이에 리튬 이온 수송을 가능하게 하는 것으로 다공성 비전도성 또는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 세퍼레이트는 필름과 같은 독립적인 부재일 수도 있고, 양극 및/또는 음극에 부가된 코팅층일 수도 있다.
상기 세퍼레이터를 이루는 물질은 예를 들어 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀, 유리 섬유 여과지 및 세라믹 물질이 포함되나, 이에 한정되지 않고, 그 두께는 약 5 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 상세하게는 약 5 ㎛ 내지 약 25 ㎛일 수 있다
상기 음극, 양극 및 세퍼레이터에 함침되어 있는 전해질은 리튬염 및 유기 용매를 포함한다.
상기 리튬염의 농도는, 전해질 용매 혼합물의 정확한 조성, 염의 용해도, 용해된 염의 전도성, 전지의 충전 및 방전 조건, 작업 온도 및 리튬 배터리 분야에 공지된 다른 요인과 같은 여러 요인에 따라, 약 0.2 M 내지 2.0 M일 수 있다. 본 발명에 사용하기 위한 리튬염의 예로는, LiSCN, LiBr, LiI, LiPF6, LiBF4, LiSO3CF3, LiClO4, LiSO3CH3, LiB(Ph)4, LiC(SO2CF3)3 및 LiN(SO2CF3)2로 이루어진 군으로부터 하나 이상이 포함되나, 이에 한정되지는 않고, 상세하게는 LiBr, LiI, LiSCN, LiSO3CF3 및 LiN(SO2CF3)2일 수 있다.
상기 유기 용매는 단일 용매를 사용할 수도 있고 2이상의 혼합 유기 용매를 사용할 수도 있다. 2이상의 혼합 유기 용매를 사용하는 경우 약한 극성 용매 그룹, 강한 극성 용매 그룹, 및 리튬 메탈 보호 용매 그룹 중 두 개 이상의 그룹에서 하나 이상의 용매를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
약한 극성 용매는 아릴 화합물, 바이사이클릭 에테르, 비환형 카보네이트 중에서 황 원소를 용해시킬 수 있는 유전 상수가 15보다 작은 용매로 정의되고, 강한 극성 용매는 비사이클릭 카보네이트, 설폭사이드 화합물, 락톤 화합물, 케톤 화합물, 에스테르 화합물, 설페이트 화합물, 설파이트 화합물 중에서 리튬 폴리설파이드를 용해시킬 수 있는 유전 상수가 15보다 큰 용매로 정의되며, 리튬 메탈 보호 용매는 포화된 에테르 화합물, 불포화된 에테르 화합물, N, O, S 또는 이들의 조합이 포함된 헤테로 고리 화합물과 같은 리튬 금속에 안정한 SEI(Solid Electrolyte Interface)를 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(hexamethyl phosphoric triamide), γ-부티로락톤, 아세토니트릴, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, N-메틸피롤리돈, 3-메틸-2-옥사졸리돈, 디메틸 포름아마이드, 설포란, 디메틸 아세트아마이드, 디메틸 설폭사이드, 디메틸 설페이트, 에틸렌 글리콜 디아세테이트, 디메틸 설파이트, 또는 에틸렌 글리콜 설파이트 등이 있다.
리튬 보호용매의 구체적인 예로는 테트라하이드로 퓨란, 에틸렌 옥사이드, 디옥솔란, 3,5-디메틸 이속사졸, 퓨란, 2-메틸 퓨란, 1,4-옥산, 4-메틸디옥솔란 등이 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 그라핀-황 복합체는, 황 원소 또는 황 화합물, 및 표면 개질된 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드를 사용함으로써, 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드끼리, 또는 황 원소 또는 황 화합물끼리의 결합보다 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드와 황의 이종결합에 의한 복합체 형성을 더욱 우세하게 하여 황 전극 내 전체적인 전기전도도를 향상시킬 뿐 아니라, 전기화학적 반응이 유효한 황을 증가시켜 전지 용량 역시 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 그라핀-황 복합체는 복합체 내의 황 원소 또는 황 화합물이 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드에 강하게 결합하므로, 전지 방전 시 리튬 폴리설파이드가 전해액에 용출되는 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 1은 실시예 1 및 비교예 1의 전지에 대해 실험예 1에서 얻은 각 C-rate별 방전용량의 비교 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
그라핀 옥사이드가 포함되어 있는 콜로이달 용액에 아민(amine)기를 가지고 있는 첨가제 에틸렌디아민(ethylendiamine)을 넣어 양전하로 개질된 그라핀 옥사이드를 얻고 이를 환원시켜 양전하로 개질된 그라핀을 얻었다.
상기 양전하로 개질된 그라핀이 포함되어 있는 콜로이달 용액(농도 0.05wt%)에 음의 전하를 띄는 황 전구체로서 Na2S2O3을 첨가하고, 50℃에서 건조시켜 표면 개질된 그라핀-황 복합체를 얻었다.
상기 복합체를 포함하는 양극 활물질 70 중량%, carbon black(도전재) 20 중량%, 및 PVDF(바인더) 10 중량% 조성의 양극 합제를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 슬러리를 제조한 후, 알루미늄 집전체 상에 코팅하여 양극을 제조하였다.
음극으로 약 150 ㎛ 두께를 갖는 리튬 호일을, 전해액으로 1M LiN(SO2CF3) 2가 용해된 1M LiN(SO2CF3)2가 용해된 디메톡시에탄, 디옥솔란 및 디글라임(14 : 65 : 21 부피비)의 혼합 전해액을 사용하고, 세퍼레이터로 16 마이크론 폴리올레핀을 사용하여 리튬-황 전지를 제조하였다.
<비교예 1>
실시예 1에서, 표면 개질되지 않은 그라핀을 사용한 그라핀-황 복합체를 포함하는 양극 활물질을 사용하였다는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지를 제조하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 리튬-황 전지에 대해, 충방전 측정장치를 사용하여 충방전 특성 변화를 시험하였다. 얻어진 전지는 0.2C/0.2C 충전/방전, 0.5C/0.5C 충전/방전하여 각각 100 cycle의 충방전을 반복하여 초기 용량 대비 100 cycle 때의 용량 유지율(%)을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1 및 도 1에 나타내었다.
0.2C 0.5C
초기 용량 (mAh/g) 100 cycle 후 용량 유지율(%) 초기 용량 (mAh/g) 100 cycle 후 용량 유지율(%)
실시예 1 1270 91 1050 90
비교예 1 1210 64 1050 34
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지는 100 cycle 이후에도 초기 용량과 비교하여 적어도 90% 이상의 용량 유지율을 보이는 반면, 비교예 1의 전지는 상당한 정도로 용량이 감소됨을 알 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (14)

  1. 황 원소 또는 황 화합물; 및
    상기 황 원소 또는 황 화합물을 형성하는 전구체와 다른 표면 전하를 나타내도록 표면 개질된 그라핀(grapheme) 또는 환원된 그라핀 옥사이드(reduced graphene oxide);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 그라핀-황 복합체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 황 원소 또는 황 화합물을 형성하는 전구체의 표면 전하는 음전하이고, 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드의 표면 전하는 양전하인 것을 특징으로 하는 그라핀-황 복합체.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 양전하는 NH4 +, N(CH3)+, C(NH2)2 +, NH3 + 및 NH(CH3)3 +로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나로 인해 형성된 것을 특징으로 하는 그라핀-황 복합체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 개질은 양전하를 가진 관능기(functional group)를 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드에 화학 결합으로 도입하는 것에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 그라핀-황 복합체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 그라핀-황 복합체는 표면 개질된 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드와 황 원소 또는 황 화합물을 형성하는 전구체가 정전기적 인력으로 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 그라핀-황 복합체.
  6. 제 1 항에 따른 그라핀-황 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 활물질.
  7. 음극 활물질로서 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함하는 음극;
    양극 활물질로서 제 1 항에 따른 그라핀-황 복합체를 포함하는 양극;
    상기 양극과 음극 사이에 위치하는 세퍼레이터; 및
    상기 음극, 양극 및 세퍼레이터에 함침되어 있으며, 리튬염과 유기 용매를 포함하는 전해질;
    을 포함하는 리튬-황 전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 리튬염은 LiBr, LiI, LiSCN, LiSO3CF3 및 LiN(SO2CF3)2로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 음극 활물질로서 리튬 합금은 리튬/알루미늄 합금 또는 리튬/주석 합금인 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 유기 용매는 단일 용매 또는 2이상의 혼합 유기 용매인 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지.
  11. 제 1 항에 따른 그라핀-황 복합체를 제조하는 방법으로서,
    (i) 그라핀 옥사이드가 포함되어 있는 콜로이달 용액을 제조하는 과정;
    (ii) 상기 콜로이달 용액에 양전하를 띄는 관능기를 갖는 첨가제를 넣어 상기 그라핀 옥사이드에 화학 결합으로 도입하는 과정;
    (iii) 상기 콜로이달 용액의 그라핀 옥사이드를 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드로 환원시키는 과정;
    (iv) 황 원소 또는 황 화합물을 형성하는 전구체를 상기 과정(iii)의 콜로이달 용액에 분산시켜 침전물을 형성시키는 과정; 및
    (v) 상기 과정(iv)의 침전물을 산화시킨 후 콜로이달 용액을 건조하여 그라핀-황 복합체를 형성하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 그라핀-황 복합체의 제조 방법.
  12. 제 1 항에 따른 그라핀-황 복합체를 제조하는 방법으로서,
    (a) 그라핀 옥사이드가 포함되어 있는 콜로이달 용액을 제조하는 과정;
    (b) 상기 콜로이달 용액의 그라핀 옥사이드를 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드로 환원시키는 과정;
    (c) 상기 콜로이달 용액에 양전하를 띄는 관능기를 갖는 첨가제를 넣어 상기 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드에 화학 결합으로 도입하는 과정;
    (d) 황 원소 또는 황 화합물을 형성하는 전구체를 상기 과정(c)의 콜로이달 용액에 분산시켜 침전물을 형성시키는 과정; 및
    (e) 상기 과정(d)의 침전물을 산화시킨 후 콜로이달 용액을 건조하여 그라핀-황 복합체를 형성하는 과정;과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 그라핀-황 복합체의 제조 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 양전하를 띄는 관능기를 갖는 첨가제는 NH4 +, N(CH3)+, C(NH2)2 +, NH3 + 및 NH(CH3)+로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 화합물인 것을 특징으로 하는 그라핀-황 복합체의 제조 방법.
  14. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 침전물은 표면 개질된 그라핀 또는 환원된 그라핀 옥사이드와 황 원소 또는 황 화합물을 형성하는 전구체가 정전기적 인력으로 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 그라핀-황 복합체의 제조 방법.
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