KR20150093874A - 리튬-황 이차전지용 전극 구조물 및 이의 제조 방법 - Google Patents

리튬-황 이차전지용 전극 구조물 및 이의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20150093874A
KR20150093874A KR1020140013957A KR20140013957A KR20150093874A KR 20150093874 A KR20150093874 A KR 20150093874A KR 1020140013957 A KR1020140013957 A KR 1020140013957A KR 20140013957 A KR20140013957 A KR 20140013957A KR 20150093874 A KR20150093874 A KR 20150093874A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sulfur
coating layer
thin film
metal thin
pattern
Prior art date
Application number
KR1020140013957A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101618428B1 (ko
Inventor
이헌
신주현
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR1020140013957A priority Critical patent/KR101618428B1/ko
Publication of KR20150093874A publication Critical patent/KR20150093874A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101618428B1 publication Critical patent/KR101618428B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/136—Electrodes based on inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/403—Manufacturing processes of separators, membranes or diaphragms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

리튬-황 이차전지용 전극 구조물은 금속 박막, 상기 금속 박막 상에 형성되며, 나노 크기의 패턴이 상부에 형성된 황코팅층 및 상기 황코팅층 상에 형성되며, 상기 황코팅층에 포함된 황의 전해질로의 확산을 억제하는 이온 교환막을 포함한다. 이로써 리튬-황 이차전지용 전극 구조물이 리튬-황 이차전지의 효율이 개선될 수 있다.

Description

리튬-황 이차전지용 전극 구조물 및 이의 제조 방법{ELECTRODE STRUCTURE FOR A LITHIUM-SULFUR SECONDARY CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 리튬-황 이차전지용 전극 구조물 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 황을 양극 활물질로 이용하는 전극 구조물 및 상기 전극 구조물의 제조 방법에 관한 것이다.
리튬이차전지는 수계 전해액을 사용하는 납축전지, Ni-Cd, Ni-MH(Nickel- metal hydrate) 등의 기존 이차전지에 비해 성능은 우수하지만, 비수계 전해액 사용에 따른 발화 및 폭발 등의 안전성 문제와 제조 공정이 까다로운 단점이 있다. 또한, 전기자동차와 에너지저장장치 사용을 위해서는 고에너지밀도, 고온신뢰성, 저온특성, 단가 등 해결되어야 할 문제가 다수 존재한다.
특히, 고에너지밀도 구현을 위해서는 이론 용량이 큰 전극 활물질의 개발이 필수적으로 요구된다. 그러나, 기존의 리튬이차전지용 양극 활물질인 전이금속산화물의 이론 용량이 약 250mAh/g 이하로, 고에너지밀도 전지를 구현하기가 쉽지 않다. 이를 극복하기 위한 방안으로 황 계열의 화합물을 양극 활물질로 사용하는 리튬-황 전지에 대한 개발이 활발하게 진행되고 있다.
리튬-황 전지는 황-황 결합(Sulfur-sulfur bond)을 갖는 황 계열 화합물을 양극 활물질로 사용하고, 리튬 금속, 리튬 합금 또는 리튬 이온 등과 같은 금속 이온의 삽입/탈삽입이 일어나는 탄소계 물질을 음극 활물질로 사용하는 이차 전지이다. 환원 반응시 (방전시) S-S 결합이 끊어지면서 S의 산화수가 감소하고, 산화 반응시 (충전시) S의 산화수가 증가하면서 S-S 결합이 다시 형성되는 산화-환원 반응을 이용하여 전기에너지를 저장 및 생성한다.
리튬-황 전지는 음극 활물질로 사용되는 리튬 금속을 사용할 경우 에너지 용량이 3,860mAh/g이고, 양극 활물질로 사용되는 황(S8)을 사용할 경우 에너지 용량이 1,672mAh/g으로, 현재까지 개발되고 있는 전지 중에서 에너지 밀도 면에서 가장 유망한 전지이다. 또한 양극 활물질로 사용되는 황 계열 화합물은 자체가 값싸고 환경친화적인 물질이라는 장점이 있다.
그러나 아직 리튬-황 전지에 포함된 양극 활물질체가 황을 포함할 경우, 황이 전해액에 쉽게 용해됨으로써 상기 양극 활물질체의 패턴을 유지하기 어려운 문제가 있다. 이로써 전지 내 전기화학적 산화환원 반응에서 황의 기여율이 낮아짐에 따라 이론 용량 대비 극히 낮은 전지 용량을 갖는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로써, 본 발명의 일 목적은 황의 전해액 내에서의 용해를 억제할 수 있는 리튬-황 이차전지용 전극 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 황의 전해액 내에서의 용해를 억제할 수 있는 리튬-황 이차전지용 전극 구조물의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬-황 이차전지용 전극 구조물은 금속 박막, 상기 금속 박막 상에 형성되며, 나노 크기의 패턴이 상부에 형성된 황코팅층 및 상기 황코팅층 상에 형성되며, 상기 황코팅층에 포함된 황의 전해질로의 확산을 억제하는 이온 교환막을 포함한다.
여기서, 상기 이온 교환막은 술폰화 테트라플루오로에틸린을 포함할 수 있다. 이와 다르게, 상기 이온 교환막은 다이비닐벤젠화 폴리스틸렌(PS/DVB)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬-황 이차전지용 전극 구조물의 제조 방법에 있어서, 금속 박막을 준비한 후, 상기 금속 박막 상에, 나노 크기의 패턴이 상부에 형성된 황코팅층을 형성한다. 이후, 상기 황코팅층 상에, 상기 황코팅층에 포함된 황의 전해질로의 확산을 억제하는 이온 교환막을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이온 교환막을 형성하기 전, 상기 황코팅층에 포함된 나노 크기의 패턴의 상부 표면을 전처리하는 공정이 추가적으로 수행될 수 있다. 여기서, 상기 나노 크기의 패턴의 상부 표면을 전처리하는 공정은, 상기 황코팅층의 상부 표면을 오존 처리 공정을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 박막을 형성하기 위하여, 제1 몰드를 이용하는 나노 임프린트 리소그래피 공정을 통하여 나노 폴리머 패턴을 형성한 후, 상기 나노 폴리머 패턴의 상부면을 따라 컨포멀(conformal)하게 금속 시드막을 형성한다. 상기 금속 시드막을 이용하는 전주도금 공정을 통하여 상기 나노 폴리머 패턴 상에 금속 박막을 형성하고, 상기 금속 박막을 상기 나노 폴리머 패턴으로부터 이형(release)할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 박막 상에 나노 크기의 패턴이 상부에 형성된 황코팅층을 형성하기 위하여, 나노 패턴이 형성된 제2 몰드를 준비하고, 상기 제2 몰드 상에 상기 나노 패턴을 채우도록 황함유 용액을 공급하여 상기 제2 몰드 상에 예비 황코팅층을 형성한다. 상기 금속 박막 상에 상기 예비 황코팅층의 상면이 콘택하도록 상기 제2 몰드 및 상기 예비 황코팅층을 적층하고, 상기 제2 몰드를 상기 금속 박막을 향하여 가압하면서 상기 예비 황코팅층을 경화시켜 황코팅층을 형성한다. 이후, 상기 제2 몰드로부터 상기 황코팅층을 이형한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬-황 이차전지용 전극 구조물에 따르면, 나노 크기의 패턴이 상부에 형성된 황코팅층이 구비됨에 따라 증대된 에너지 용량 및 전해질과의 접촉면적을 갖는 리튬-황 이차전지용 전극이 구현된다. 나아가, 상기 황코팅층 상에 이온 교환막이 구비됨으로써 상기 황코팅층에 포함된 황의 전해질로의 확산을 억제함으로써 리튬-황 이차전지를 개선된 전지효율을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬-황 이차전지용 전극 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬-황 이차전지용 전극 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬-황 이차전지용 전극 구조물의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도4a 내지 도 4e는 도3의 금속 박막의 형성 방법의 일 예를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5a 내지 도 5f는 도3의 황코팅층의 형성 방법의 일 예를 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 대상물들의 크기와 양은 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대 또는 축소하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
리튬-황 이차전지용 전극 구조물
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬-황 이차전지용 전극 구조물을 설명하기 위한 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬-황 이차전지용 전극 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 리튬-황 이차전지용 전극 구조물(100)은 금속 박막(110), 황코팅층(120) 및 이온 교환막(140)을 포함한다. 상기 리튬-황 이차전지용 전극 구조물(100)은 리튬-황 이차전지의 양극 활물질체로서 이용될 수 있다.
상기 금속 박막(110)은 구리, 텅스텐, 알루미늄 등과 같은 금속 물질로 이루어질 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 상기 금속 박막(110)은 그 상부에 나노 패턴을 포함할 수 있다. 상기 나노 패턴을 따라 균일한 두께로 상기 황코팅층(120) 및 이온 교환막(140)이 상기 금속 박막(110) 상에 형성될 수 있다. 이와 다르게, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 금속 박막(110)은 평탄한 상면을 구비할 수도 있다.
상기 황코팅층(120)은 상기 금속 박막(110) 상에 형성된다. 상기 황코팅층(120)은 황 원소, 황 계열 화합물 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다. 상기 황 계열 화합물은 Li2Sn(n은 자연수) 또는 유기 황화합물을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 황코팅층(120)이 양극 활물질로 사용될 경우 에너지 용량이 이론적으로 1,672mAh/g에 해당할 수 있다.
또한 상기 황코팅층(120)의 상부에 나노 크기의 패턴이 형성된다. 상기 나노 패턴이 구비됨에 따라 상기 황코팅층(120)은 증대된 표면적을 포함할 수 있다. 이로써 상기 황코팅층(120)은 상기 전해질과 접촉가능한 면적이 증대됨으로써 상기 전극 구조물(100)이 리튬-황 이차전지에 적용될 경우, 개선된 전지 효율을 가질 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 황코팅층(120)은 나노 패턴이 구비된 금속 박막(110)의 상부 표면을 따라 균일한 두께를 갖도록 컨포멀하게 형성될 수 있다. 이와 다르게, 도 2를 참조하면, 상기 황코팅층(120)은 평탄한 금속 박막(110)의 상부 표면에 별도의 나노 패턴을 포함하도록 형성될 수 있다.
상기 이온 교환막(140)은 상기 황코팅층(120) 상에 형성된다. 상기 이온 교환막(140)은 상기 황코팅층(120) 상에 균일한 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 이온 교환막(140)을 포함하는 전극 구조물(100)이 리튬-황 이차전지에 적용될 경우, 전해액은 상기 이온 교환막(140)을 통과할 수 있는 반면에 황은 통과하지 못하도록 구비된다. 따라서, 이온 교환막(140)의 황의 전해질로의 확산을 억제함으로써 황코팅층(120)의 패턴이 유지될 수 있도록 한다. 또한, 상기 이온 교환막(140)은 탄소층이나 그래핀층의 기능을 대체함으로써 탄소층이나 그래핀층을 형성하는 별도의 공정이 생략될 수 있다.
상기 이온 교환막(140)은 테트라플루오로에틸린 기반에 술폰산기를 접합한 술폰화 테트라플루오로에틸린 또는 폴리스티렌 기반에 다이비닐벤젠기를 접합한 다이비닐벤젠화 폴리스틸렌(PS/DVB)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 이온 교환막(140)은 황의 전해질로의 확산을 억제할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 전극 구조물(100)은 나노 크기의 패턴(125)이 상부에 형성된 황코팅층(120) 및 상기 황코팅층(120) 상에 형성되며, 상기 황코팅층(120)에 포함된 황의 전해질로의 확산을 억제하는 이온 교환막(140)을 구비함으로써 리튬-황 이차전지를 개선된 전지효율을 가질 수 있다.
리튬-황 이차전지용 전극 구조물의 제조 방법
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬-황 이차전지용 전극 구조물의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도4a 내지 도 4e는 도3의 금속 박막의 형성 방법의 일 예를 설명하기 위한 단면도들이다. 도 5a 내지 도 5f는 도3의 황코팅층의 형성 방법의 일 예를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 먼저 금속 박막을 준비한다(S110). 상기 금속 박막은 나노 패턴이 구비된 상부를 가질 수 있으며, 이와 다르게 상기 금속 박막은 평탄한 상면을 가질 수 있다.
상기 금속 박막은 나노 패턴이 구비된 상부를 가지는 경우에 대하여 먼저 설명한다.
도 4a를 참조하면, 제1 몰드(11)를 이용하는 나노 임프린트 리소그래피 공정을 통하여 나노 폴리머 패턴(20)을 형성한다. 보다 상세하게 설명하면, 먼저 폴리머 박막 상에 제1 몰드(11)를 위치시킨 후, 상기 제1 몰드(11)를 상기 폴리머 박막을 향하여 가압하면서 상기 폴리머 박막을 가열함으로써 나노 폴리머 패턴(20)을 형성한다. 이때 온도는 상기 폴리머 박막을 이루는 폴리머의 전이온도 이상에 해당한다.
도 4b를 참조하면, 상기 나노 폴리머 패턴(20)을 냉각시킴으로써 경화된 나노 폴리머 패턴(20)이 형성한 후, 상기 제1 몰드(11)를 상기 나노 폴리머 패턴(20)으로부터 이형시킨다.
도 4c를 참조하면, 상기 나노 폴리머 패턴(20) 상에 금속 시드막(101)을 형성한다. 상기 금속 시드막(101)은 후속하는 전주 도금 공정에서 시드막으로 기능할 수 있다. 상기 금속 시드막(101)은 기화 공정(evaporation process)을 통하여 형성될 수 있다.
도 4d를 참조하면, 상기 금속 시드막(101)을 전극으로 이용하는 전주도금(electroforming) 공정을 통하여 상기 나노 폴리머 패턴(20) 상에 금속 박막(110)을 형성한다. 이때 상기 금속 박막(110)은 상기 나노 폴리머 패턴(20)의 형상에 대응되는 나노 패턴을 포함할 수 있다.
도 4e를 참조하면, 상기 금속 박막(110)을 상기 나노 폴리머 패턴(20)으로부터 이형시킴으로써 상기 나노 패턴이 형성된 금속 박막(110)을 형성할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 상기 나노 패턴이 형성된 금속 박막을 황 용액에 딥핑하여 상기 금속 박막 상에 황코팅층을 형성한다(S120).
이후, 상기 황코팅층이 형성된 금속 박막을 이온 교환 용액에 딥핑하여 상기 황코팅층 상에 이온 교환막을 형성한다(S140). 이때 이온 교환 용액은 테트라플루오로에틸린 기반에 술폰산기를 접합한 술폰화 테트라플루오로에틸린 또는 폴리스티렌 기반에 다이비닐벤젠기를 접합한 다이비닐벤젠화 폴리스틸렌(PS/DVB) 및 용매를 포함할 수 있다. 이때, 상기 이온 교환막은 상기 황코팅층 상에 균일한 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 이온 교환막을 포함하는 전극 구조물이 리튬-황 이차전지에 적용될 경우, 전해액은 상기 이온 교환막을 통과할 수 있는 반면에 황은 통과하지 못하도록 구비된다. 따라서, 이온 교환막의 황의 전해질로의 확산을 억제함으로써 황코팅층의 패턴이 유지될 수 있도록 한다. 또한, 상기 이온 교환막은 탄소층이나 그래핀층의 기능을 대체함으로써 탄소층이나 그래핀층을 형성하는 별도의 공정이 생략될 수 있다.
상기 금속 박막은 평탄한 상면을 가지는 경우, 상기 금속 박막 상에 나노 패턴이 형성된 황코팅층을 형성한다. 이하, 상기 황코팅층을 형성하는 공정에 대항 상술하기로 한다.
도 5a를 참조하면, 먼저 나노 패턴이 형성된 마스트 몰드(11)를 준비한다. 이후, 상기 마스트 몰드 상에 고분자 수지를 이용하여 제2 몰드(12)를 형성한다. 상기 제2 몰드(12)는 폴리메틸실록산(PDMS), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(CAB), 이들 중 2 이상의 공중합체 등으로 형성될 수 있다.
도 5b 및 도 5c를 참조하면, 상기 마스트 몰드(11)로부터 상기 제2 몰드(12)를 이형한 후, 상기 제2 몰드(12) 상에 상기 나노 패턴을 채우도록 황함유 용액을 공급하여 상기 제2 몰드 상에 예비 황코팅층(30)을 형성한다. 이때 스핀 코팅 공정이 수행될 수 있다.
도 5d를 참조하면, 상기 금속 박막(110) 상에 상기 예비 황코팅층(30)의 상면이 콘택하도록 상기 제2 몰드(12) 및 상기 예비 황코팅층(30)을 적층한다.
도 5e를 참조하면, 상기 제2 몰드(12)를 상기 금속 박막(110)을 향하여 가압하면서 상기 예비 황코팅층(30)을 가열함으로써 상기 예비 황코팅층에 포함된 용매는 상기 제2 몰드를 통하여 제거되고 경화된 황코팅층(130)이 상기 금속 박막 상에 형성된다.
도 5f를 참조하면, 상기 제2 몰드(12)로부터 상기 황코팅층(130)을 이형함으로써 상기 금속 박막(110) 상에 나노 패턴을 갖는 황코팅층(130)이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이온 교환막을 형성하기 전, 상기 황코팅층에 포함된 나노 크기의 패턴의 상부 표면을 전처리하는 공정이 추가적으로 수행될 수 있다(S130, 도 3 참조). 상기 나노 크기의 패턴의 상부 표면을 전처리 공정은, 오존 처리 공정을 포함할 수 있다. 상기 오존 처리 공정을 통하여 후속하는 이온 교환막 형성 공정에서 이온 교환막이 상기 황코팅층의 상부 표면을 따라 균일하게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이온 교환막은 상기 황코팅층이 형성된 금속 박막을 이온 교환 용액에 딥핑함으로써 형성될 수 있다. 이때 이온 교환 용액은 테트라플루오로에틸린 기반에 술폰산기를 접합한 술폰화 테트라플루오로에틸린 또는 폴리스티렌 기반에 다이비닐벤젠기를 접합한 다이비닐벤젠화 폴리스틸렌(PS/DVB) 및 용매를 포함할 수 있다. 이때, 초음파 진동자를 이용하는 소니케이션 방법이 추가됨으로써 상기 이온 교환막은 상기 황코팅층 상에 균일한 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 전극 구조물 및 이의 제조 방법은 리튬-황 이차전지의 양극으로 응용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 금속 박막;
    상기 금속 박막 상에 형성되며, 나노 크기의 패턴이 상부에 형성된 황코팅층; 및
    상기 황코팅층 상에 형성되며, 상기 황코팅층에 포함된 황의 전해질로의 확산을 억제하는 이온 교환막을 포함하는 리튬-황 이차전지용 전극 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이온 교환막은 술폰화 테트라플루오로에틸린을 포함하는 리튬-황 이자전지용 전극 구조물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 이온 교환막은 다이비닐벤젠화 폴리스틸렌(PS/DVB)을 포함하는 리튬-황 이자전지용 전극 구조물.
  4. 금속 박막을 준비하는 단계;
    상기 금속 박막 상에, 나노 크기의 패턴이 상부에 형성된 황코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 황코팅층 상에, 상기 황코팅층에 포함된 황의 전해질로의 확산을 억제하는 이온 교환막을 형성하는 단계를 포함하는 리튬-황 이차전지용 전극 구조물의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 이온 교환막을 형성하기 전, 상기 황코팅층에 포함된 나노 크기의 패턴의 상부 표면을 전처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지용 전극 구조물의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 나노 크기의 패턴의 상부 표면을 전처리하는 단계는, 상기 황코팅층의 상부 표면을 오존 처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지용 전극 구조물의 제조 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 금속 박막을 준비하는 단계는,
    제1 몰드를 이용하는 나노 임프린트 리소그래피 공정을 통하여 나노 폴리머 패턴을 형성하는 단계;
    상기 나노 폴리머 패턴의 상부면을 따라 컨포멀(conformal)하게 금속 시드막을 형성하는 단계;
    상기 금속 시드막을 이용하는 전주도금 공정을 통하여 상기 나노 폴리머 패턴 상에 금속 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 금속 박막을 상기 나노 폴리머 패턴으로부터 이형(release)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지용 전극 구조물의 제조 방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기 금속 박막 상에 나노 크기의 패턴이 상부에 형성된 황코팅층을 형성하는 단계는
    나노 패턴이 형성된 제2 몰드를 준비하는 단계;
    상기 제2 몰드 상에 상기 나노 패턴을 채우도록 황함유 용액을 공급하여 상기 제2 몰드 상에 예비 황코팅층을 형성하는 단계;
    상기 금속 박막 상에 상기 예비 황코팅층의 상면이 콘택하도록 상기 제2 몰드 및 상기 예비 황코팅층을 적층하는 단계;
    상기 제2 몰드를 상기 금속 박막을 향하여 가압하면서 상기 예비 황코팅층을 경화시켜 황코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 몰드로부터 상기 황코팅층을 이형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지용 전극 구조물의 제조 방법.
KR1020140013957A 2014-02-07 2014-02-07 리튬-황 이차전지용 전극 구조물의 제조 방법 KR101618428B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140013957A KR101618428B1 (ko) 2014-02-07 2014-02-07 리튬-황 이차전지용 전극 구조물의 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140013957A KR101618428B1 (ko) 2014-02-07 2014-02-07 리튬-황 이차전지용 전극 구조물의 제조 방법

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160052412A Division KR20160053886A (ko) 2016-04-28 2016-04-28 리튬-황 이차전지용 전극 구조물

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150093874A true KR20150093874A (ko) 2015-08-19
KR101618428B1 KR101618428B1 (ko) 2016-05-09

Family

ID=54057472

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140013957A KR101618428B1 (ko) 2014-02-07 2014-02-07 리튬-황 이차전지용 전극 구조물의 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101618428B1 (ko)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170040070A (ko) * 2015-10-01 2017-04-12 한국전자통신연구원 금속 스탬프 제조 방법
KR20180033677A (ko) 2016-09-26 2018-04-04 주식회사 엘지화학 리튬-황 이차전지 양극용 아크릴 바인더 및 이의 용도
KR20180033665A (ko) 2016-09-26 2018-04-04 주식회사 엘지화학 리튬-황 이차전지 양극용 아크릴 바인더 및 이의 용도
WO2019022359A1 (ko) 2017-07-26 2019-01-31 주식회사 엘지화학 리튬-황 이차전지의 양극 제조용 바인더 및 이를 사용한 양극의 제조방법
WO2019066352A2 (ko) 2017-09-29 2019-04-04 주식회사 엘지화학 리튬-황 이차전지의 양극 제조용 바인더 및 이를 사용한 양극의 제조방법
KR20190038332A (ko) 2017-09-29 2019-04-08 주식회사 엘지화학 리튬-황 이차전지의 양극 제조용 바인더 및 이를 사용한 양극의 제조방법
KR20190120740A (ko) 2019-10-16 2019-10-24 주식회사 엘지화학 리튬-황 이차전지 양극용 아크릴 바인더
US11005092B2 (en) 2017-07-10 2021-05-11 Lg Chem, Ltd. 3D pattern cutting machine for lithium metal electrode
US11183683B2 (en) 2017-08-10 2021-11-23 Lg Chem, Ltd. Pre-lithiation method of negative electrode for secondary battery

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5479775B2 (ja) 2009-05-08 2014-04-23 古河電気工業株式会社 リチウムイオン二次電池用の負極およびその製造方法
KR20120101414A (ko) 2009-10-27 2012-09-13 솔베이 플루오르 게엠베하 리튬황전지

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170040070A (ko) * 2015-10-01 2017-04-12 한국전자통신연구원 금속 스탬프 제조 방법
KR20180033677A (ko) 2016-09-26 2018-04-04 주식회사 엘지화학 리튬-황 이차전지 양극용 아크릴 바인더 및 이의 용도
KR20180033665A (ko) 2016-09-26 2018-04-04 주식회사 엘지화학 리튬-황 이차전지 양극용 아크릴 바인더 및 이의 용도
US11005092B2 (en) 2017-07-10 2021-05-11 Lg Chem, Ltd. 3D pattern cutting machine for lithium metal electrode
WO2019022359A1 (ko) 2017-07-26 2019-01-31 주식회사 엘지화학 리튬-황 이차전지의 양극 제조용 바인더 및 이를 사용한 양극의 제조방법
KR20190011943A (ko) 2017-07-26 2019-02-08 주식회사 엘지화학 리튬-황 이차전지의 양극 제조용 바인더 및 이를 사용한 양극의 제조방법
US11031598B2 (en) 2017-07-26 2021-06-08 Lg Chem, Ltd. Binder for positive electrode of lithium-sulfur secondary battery and method for preparing positive electrode using same
US11183683B2 (en) 2017-08-10 2021-11-23 Lg Chem, Ltd. Pre-lithiation method of negative electrode for secondary battery
WO2019066352A2 (ko) 2017-09-29 2019-04-04 주식회사 엘지화학 리튬-황 이차전지의 양극 제조용 바인더 및 이를 사용한 양극의 제조방법
KR20190038332A (ko) 2017-09-29 2019-04-08 주식회사 엘지화학 리튬-황 이차전지의 양극 제조용 바인더 및 이를 사용한 양극의 제조방법
US11780945B2 (en) 2017-09-29 2023-10-10 Lg Energy Solution, Ltd. Binder for preparing positive electrode for lithium-sulfur secondary battery, and method for preparing positive electrode using same
KR20190120740A (ko) 2019-10-16 2019-10-24 주식회사 엘지화학 리튬-황 이차전지 양극용 아크릴 바인더

Also Published As

Publication number Publication date
KR101618428B1 (ko) 2016-05-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101618428B1 (ko) 리튬-황 이차전지용 전극 구조물의 제조 방법
US11355817B2 (en) Nanoporous separators for batteries and related manufacturing methods
US7427455B2 (en) Anode for lithium metal polymer secondary battery comprising surface patterned anodic current collector and method of preparing the same
US9214678B2 (en) Porous support structures, electrodes containing same, and associated methods
KR101614885B1 (ko) 리튬 이차 전지용 리튬 전극의 표면 보호막 및 이를 이용한 리튬 이차 전지
WO2016086783A1 (zh) 锂离子电池隔膜制造方法及其制得的电池隔膜和电池
JP4249607B2 (ja) 単イオン伝導体を含むリチウム２次電池用の複合高分子電解質およびその製造方法
US20110086294A1 (en) Electrodes including an embedded compressible or shape changing component
CN104900831A (zh) 用于锂硫电池的分隔膜
CN103718337A (zh) 用于电极的电镀技术
CN105794018A (zh) 保护膜、使用该保护膜的间隔物以及充电电池
Tan et al. LiF-rich and self-repairing interface induced by MgF2 engineered separator enables dendrite-free lithium metal batteries
TW201014016A (en) Sodium secondary battery
WO2018024203A1 (zh) 极片及电芯
KR20150082958A (ko) 이차전지용 전극 및 그 제조방법
Han et al. A 2D ultrathin nanopatterned interlayer to suppress lithium dendrite growth in high‐energy lithium‐metal anodes
JP2014507762A (ja) 円筒型二次電池
KR101103198B1 (ko) 도전제 입자들의 분산성이 개선된 이차전지의 전극활물질층 형성방법
US20230378518A1 (en) Metal-ion deposition regulator for suppressing dendrite formation in electrochemical cells
JP2015195191A (ja) ラミネート電池およびラミネート電池用外装材
CN103181002B (zh) 线缆型二次电池的负极及其制造方法
CN102122725B (zh) 一种锂-二硫化铁电池
CN117691189A (zh) 电解液、电池及用电设备
KR20160053886A (ko) 리튬-황 이차전지용 전극 구조물
US20080213655A1 (en) Safe lithium ion battery

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant