KR20160037084A - Surfur-carbonnanotube complex, method of preparing the same, cathode active material for lithium-sulfur battery including the same and lithium-sulfur battery including the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a sulfur-carbon nanotube composite, a production method thereof, a cathode active material for a lithium-sulfur battery comprising the same, and a lithium-sulfur battery comprising the same. According to the present invention, the lithium-sulfur battery ensures high capacity even under a high loading condition.

Description

황-탄소나노튜브 복합체, 이의 제조방법, 이를 포함하는 리튬-황 전지용 캐소드 활물질 및 이를 포함한 리튬-황 전지{SURFUR-CARBONNANOTUBE COMPLEX, METHOD OF PREPARING THE SAME, CATHODE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM-SULFUR BATTERY INCLUDING THE SAME AND LITHIUM-SULFUR BATTERY INCLUDING THE SAME}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a sulfur-carbon nanotube composite, a method for producing the same, a cathode active material for a lithium-sulfur battery including the same, and a lithium-sulfur battery including the same. BACKGROUND ART AND LITHIUM-SULFUR BATTERY INCLUDING THE SAME}

본 명세서는 황-탄소나노튜브 복합체, 이의 제조방법, 이를 포함하는 리튬-황 전지용 캐소드 활물질 및 이를 포함한 리튬-황 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a sulfur-carbon nanotube composite, a method for producing the same, a cathode active material for a lithium-sulfur battery including the same, and a lithium-sulfur battery including the same.

리튬-황 전지는 황-황 결합을 갖는 황 계열 화합물을 캐소드 활물질로 사용하고, 리튬과 같은 알칼리 금속을 애노드 활물질로 사용하는 이차 전지이다. 환원 반응인 방전시 황-황 결합이 끊어지면서 황의 산화수가 감소하고, 산화 반응인 충천시 황의 산화수가 증가하면서 황-황 결합이 다시 형성되는 산화-환원 반응을 이용하여 전기적 에너지를 저장하고 생성한다.The lithium-sulfur battery is a secondary battery using a sulfur-based compound having a sulfur-sulfur bond as a cathode active material and an alkali metal such as lithium as an anode active material. The reduction of the sulfur-sulfur bond during the reduction reaction leads to a decrease in the oxidation number of sulfur and an oxidation-reduction reaction in which the sulfur-sulfur bond is regenerated while the oxidation number of the sulfuric acid is increased .

리튬-황 전지는 애노드 활물질로 사용되는 리튬 금속을 사용할 경우 에너지 밀도가 3,830 mAh/g 이고, 캐소드 활물질로 사용되는 황(S8)을 사용할 경우 에너지 밀도가 1,675 mAh/g으로 에너지 밀도면에서 유망한 전지이다. 또한, 캐소드 활물질로 사용되는 황계 물질은 값이 싸고 환경친화적인 물질이라는 장점이 있다.The lithium-sulfur battery has an energy density of 3,830 mAh / g when lithium metal is used as an anode active material and 1,675 mAh / g of sulfur (S 8 ) used as a cathode active material. Battery. In addition, the sulfur oxide used as the cathode active material is advantageous in that it is a cheap and environmentally friendly material.

그러나, 황은 전기전도도가 5 × 10-30 S/cm 로 부도체에 가까우므로 전기 화학 반응으로 생성된 전자의 이동이 어려운 문제가 있다. 이를 해결하기 위해, 원활한 전기 화학적 반응 사이트를 제공할 수 있는 탄소와 같은 전기적 도전재를 사용되고 있다. However, sulfur has an electrical conductivity of 5 × 10 -30 S / cm, which is close to that of insulators. Therefore, it is difficult to transfer electrons generated by an electrochemical reaction. To solve this problem, an electrically conductive material such as carbon, which can provide a smooth electrochemical reaction site, has been used.

리튬-황 전지는 캐소드 활물질로 황이 사용되는데 이들 활물질은 바인더, 도전재와 혼합되어 슬러리화 되고 이 슬러리를 전도성을 가지는 2차원 구조인 알루미늄 집전체 위에 코팅하게 되면 캐소드가 된다. 이 때, 황과 도전재가 단순 혼합되어 사용되는 경우는 산화-환원 반응시에 황이 전해질로 유출되어 전지 수명이 열화될 뿐 아니라, 황의 환원 물질인 리튬 폴리설파이드가 용출되어 더 이상 전기화학반응에 참여하지 못하게 되는 문제점이 있었다. 또한, 전극 내 황 하이 로딩(high loading)시 용량이 감소하는 문제점도 있다.Sulfur is used as a cathode active material in lithium-sulfur batteries. These active materials are mixed with a binder and a conductive material and slurried. When the slurry is coated on an aluminum current collector having a conductive structure, the cathode becomes a cathode. In this case, when sulfur and the conductive material are used in a simple mixture, not only the life of the battery is deteriorated due to the leakage of sulfur into the electrolyte during the oxidation-reduction reaction, but also the lithium polysulfide which is a reducing substance of sulfur is eluted, There is a problem that it can not be done. In addition, there is a problem that capacity is reduced during sulfur loading in the electrode.

대한민국 공개특허공보 제10-2007-0083384호Korean Patent Publication No. 10-2007-0083384

본 명세서는 황-탄소나노튜브 복합체, 이의 제조방법, 이를 포함하는 리튬-황 전지용 캐소드 활물질 및 이를 포함한 리튬-황 전지를 제공한다.The present invention provides a sulfur-carbon nanotube composite, a method for producing the same, a cathode active material for a lithium-sulfur battery including the same, and a lithium-sulfur battery including the same.

본 명세서의 일 실시상태는 3차원 구조의 탄소나노튜브 응집체; One embodiment of the present disclosure relates to a three-dimensional carbon nanotube aggregate;

상기 탄소나노튜브 응집체의 내부표면 및 외부표면 중 적어도 일부에 구비된 황 또는 황 화합물; 및A sulfur or sulfur compound provided on at least a part of the inner surface and the outer surface of the aggregate of carbon nanotubes; And

상기 황 또는 황 화합물이 구비된 탄소나노튜브 응집체의 내부표면 및 외부표면 중 적어도 일부에 구비된 그래핀(graphene)을 포함하는 황-탄소나노튜브 복합체를 제공한다.Carbon nanotube composite comprising graphene provided on at least a part of an inner surface and an outer surface of a carbon nanotube aggregate having the sulfur or sulfur compound.

본 명세서의 일 실시상태는 또한, 상기 황-탄소나노튜브 복합체의 제조방법을 제공한다.One embodiment of the present disclosure also provides a method of making the sulfur-carbon nanotube composite.

본 명세서의 일 실시상태는 또한, 상기 황-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 리튬-황 전지용 캐소드 활물질을 제공한다.An embodiment of the present disclosure also provides a cathode active material for a lithium-sulfur battery including the sulfur-carbon nanotube composite.

본 명세서의 일 실시상태는 또한, 상기 리튬-황 전지용 캐소드 활물질을 포함하는 리튬-황 전지용 캐소드를 제공한다.An embodiment of the present disclosure also provides a cathode for a lithium-sulfur battery including the cathode active material for the lithium-sulfur battery.

또한, 본 명세서의 일 실시상태는 상기 리튬-황 전지용 캐소드의 제조방법을 제공한다.In addition, one embodiment of the present invention provides a method of manufacturing the cathode for a lithium-sulfur battery.

또한, 본 명세서의 일 실시상태는 애노드;In addition, one embodiment of the present disclosure relates to an anode;

상기 캐소드 활물질을 포함하는 캐소드;A cathode including the cathode active material;

상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 분리막; 및A separation membrane positioned between the cathode and the anode; And

상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 전해질을 포함하는 리튬-황 전지를 제공한다.And an electrolyte positioned between the cathode and the anode.

본 명세서는 또한, 상기 리튬-황 전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공한다.The present disclosure also provides a battery module comprising the lithium-sulfur battery as a unit cell.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 황-탄소나노튜브 복합체는 탄소나노튜브 응집체의 3차원 구조를 통해 전지의 충방전 과정에서 황의 폴리설파이드로의 용출시에 캐소드 구조가 붕괴되는 현상을 억제하고, 그래핀 코팅을 통해 폴리설파이드 억제 및 황-탄소나노튜브 복합체의 도전성을 증가시킬 수 있다.The sulfur-carbon nanotube composite according to one embodiment of the present invention suppresses the collapse of the cathode structure during the discharge of sulfur into the polysulfide during the charge and discharge of the battery through the three-dimensional structure of the carbon nanotube aggregate, Pin coating can increase polysulfide inhibition and conductivity of the sulfur-carbon nanotube complex.

나아가, 본 명세서에 따른 황-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 리튬-황 전지는 하이 로딩(high loading)에서도 고용량을 구현시킬 수 있다.Furthermore, a lithium-sulfur battery including the sulfur-carbon nanotube composite according to the present invention can realize a high capacity even at high loading.

도 1(a)는 3차원 구조의 탄소나노튜브를 이용한 복합체 제조시 황 함침 전의 모습을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 1(b)는 3차원 구조의 탄소나노튜브를 이용한 복합체 제조시 황 함침 후의 모습을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 황-탄소나노튜브 복합체를 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 3 내지 도 5는 종래의 리튬-황 전지에 있어서, 폴리설파이드가 전해액에 용출되는 모습을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 6은 실시예 및 비교예의 셀용량 그래프이다.
도 7은 실시예 및 비교예의 충방전 효율을 나타내는 그래프이다.
FIG. 1 (a) is an image taken by a scanning electron microscope (SEM) of a carbon nanotube-based composite having a three-dimensional structure before sulfur impregnation.
FIG. 1 (b) is an image obtained by scanning electron microscopy (SEM) of a carbon nanotube-based composite having a three-dimensional structure after sulfur impregnation.
2 is an SEM image of a sulfur-carbon nanotube composite according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3 to 5 are schematic views showing a state in which polysulfide is eluted into an electrolytic solution in a conventional lithium-sulfur battery. FIG.
6 is a cell capacity graph of Examples and Comparative Examples.
FIG. 7 is a graph showing the charge-discharge efficiency of the examples and comparative examples.

이하 본 명세서에 대하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 명세서의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시상태들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 명세서는 이하에서 개시되는 실시상태들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이고, 단지 본 실시상태들은 본 명세서의 개시가 완전하도록 하며, 본 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 명세서는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 기술 및 과학적 용어를 포함하는 모든 용어는 본 출원이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Brief Description of the Drawings The advantages and features of the present disclosure and how to accomplish them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the intention is not to limit the present disclosure to the specific embodiments disclosed hereinafter but that the invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein, To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and this specification is only defined by the scope of the claims. Unless defined otherwise, all terms, including technical and scientific terms used herein, may be used in a manner that is commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this application belongs. Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 황-탄소나노튜브 복합체는 3차원 구조의 탄소나노튜브 응집체; 상기 탄소나노튜브 응집체의 내부표면 및 외부표면 중 적어도 일부에 구비된 황 또는 황 화합물; 및 상기 황 또는 황 화합물이 구비된 탄소나노튜브 응집체의 내부표면 및 외부표면 중 적어도 일부에 구비된 그래핀(graphene)을 포함한다.According to one embodiment of the present invention, a sulfur-carbon nanotube composite includes a three-dimensional structure of carbon nanotube aggregates; A sulfur or sulfur compound provided on at least a part of the inner surface and the outer surface of the aggregate of carbon nanotubes; And a graphene provided on at least a part of an inner surface and an outer surface of the carbon nanotube aggregate having the sulfur or sulfur compound.

도 2에서 본 명세서의 일 실시상태에 따른 황-탄소나노튜브 복합체의 모습을 나타내었다. 구체적으로, 황이 구비된 3차원 구조의 탄소나노튜브 응집체의 외부표면에 그래핀이 코팅된 모습을 나타내었다. 그러나, 본 명세서에 따른 황-탄소나노튜브 복합체의 모습이 도 2의 구조에 한정되는 것은 아니다.FIG. 2 shows the appearance of a sulfur-carbon nanotube composite according to an embodiment of the present invention. Specifically, graphene was coated on the outer surface of a carbon nanotube aggregate having a three-dimensional structure equipped with sulfur. However, the shape of the sulfur-carbon nanotube composite according to the present invention is not limited to the structure of FIG.

종래의 리튬-황 전지에 있어서, 폴리설파이드가 전해액에 용출되는 모습을 하기 도 3 내지 도 5에 개략적으로 나타내었다. 보다 구체적으로, 도 3은 리튬-황 전지의 방전시, 캐소드에 도착한 리튬 이온이 황과 반응하고, 황은 링이 열리면서 리튬 폴리설파이드 형태로 변화하는 것을 나타낸 것이다. 또한, 도 4는 리튬 폴리설파이드가 전해액에 녹아서 전해액 속에 떠다니거나 애노드로 이동하는 모습을 나타낸 것이다. 또한, 도 5는 리튬 폴리설파이드가 전해액에 완전 용출되고, 캐소드 표면에 노출된 모습을 나타낸 것이다.In the conventional lithium-sulfur battery, a state in which polysulfide is eluted into the electrolytic solution is schematically shown in FIG. 3 to FIG. 5. More specifically, FIG. 3 shows that at the time of discharging of the lithium-sulfur battery, the lithium ions at the cathode react with sulfur, and the sulfur changes into lithium polysulfide form as the ring is opened. 4 shows a state in which lithium polysulfide is dissolved in an electrolytic solution to float in an electrolyte or to move to an anode. 5 shows a state in which lithium polysulfide is completely dissolved in the electrolytic solution and exposed to the surface of the cathode.

상기와 같이, 종래의 리튬-황 전지는 산화-환원 반응시에 황이 전해질로 유출되어 전지 수명이 열화될 뿐 아니라, 적절한 전해액을 선택하지 못하였을 경우에 황의 환원 물질인 리튬 폴리설파이드가 용출되어 더 이상 전기화학반응에 참여하지 못하게 되는 문제점이 있다.As described above, in the conventional lithium-sulfur battery, when sulfur is discharged to the electrolyte during the oxidation-reduction reaction, the life of the battery deteriorates. In addition, when an appropriate electrolyte is not selected, lithium polysulfide, which is a reducing material of sulfur, There is a problem that it can not participate in the electrochemical reaction.

황은 전기화학 반응시 폴리설파이드로 변하며, 초기에는 가용성(soluble) 상이 생성된다. 이에 따라, 폴리설파이드로 변한 황이 전해액에 녹게 되고, 더 이상 전기화학 반응에 참여하지 못해 전지의 용량 손실의 주요 원인이 된다. 또한, 전해액으로 용출되면서 캐소드 구조가 무너지는 위험도 함유하고 있다.Sulfur changes to polysulfide during electrochemical reaction and initially produces a soluble phase. As a result, sulfur converted to polysulfide is dissolved in the electrolytic solution and is no longer able to participate in the electrochemical reaction, which is a major cause of capacity loss of the cell. Also, there is a risk that the cathode structure may collapse as the electrolyte is eluted.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 황-탄소나노튜브 복합체는 탄소나노튜브의 3차원 구조의 내부에 황이 존재하기 때문에, 전기화학 반응으로 용해성이 있는 폴리설파이드가 생성되더라도 탄소나노튜브 내부에 위치할 수 있게 되면, 폴리설파이드 용출시에도 3차원으로 얽혀 있는 구조가 유지되어 캐소드 구조가 붕괴되는 현상을 억제시킬 수 있다. 그 결과, 상기 황-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 리튬-황 전지는 하이로딩(high loading)에서도 고용량을 구현할 수 있다는 장점이 있다.The sulfur-carbon nanotube composite according to one embodiment of the present invention has sulfur in the three-dimensional structure of the carbon nanotube, so that even if a polysulfide having solubility is generated by an electrochemical reaction, , It is possible to suppress the phenomenon that the structure of the cathode structure is collapsed due to the structure entangled in three dimensions in the release of polysulfide. As a result, the lithium-sulfur battery including the sulfur-carbon nanotube composite has an advantage that a high capacity can be realized even at high loading.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 황 또는 황 화합물은 상기 탄소나노튜브 응집체의 내부기공에도 구비될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the sulfur or sulfur compound may be included in the inner pores of the carbon nanotube aggregate.

나아가, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 황-탄소나노튜브 복합체는 황 또는 황 화합물이 구비된 탄소나노튜브 응집체에 그래핀 층이 추가로 더 구비된다. 상기 그래핀은 폴리설파이드의 용출을 억제하는 역할을 함과 동시에 황-탄소나노튜브 복합체의 도전성을 향상시키는 역할을 할 수 있다.Furthermore, the sulfur-carbon nanotube composite according to one embodiment of the present invention further comprises a graphene layer in a carbon nanotube aggregate having a sulfur or sulfur compound. The graphene serves to inhibit the elution of polysulfide and to improve the conductivity of the sulfur-carbon nanotube composite.

본 명세서에 있어서, 3차원 구조란 2가닥 이상이 교차되는 교차점들이 3차원으로 분포하는 것을 의미할 수 있다.In the present specification, a three-dimensional structure may mean that intersections where two or more strands intersect are distributed in three dimensions.

본 명세서에 있어서, 3차원 구조란 2차원으로 얽힌 각각의 기본 단위들이 다시 3차원으로 얽혀 최종적으로 3차원 구조를 가지는 것을 의미할 수 있다. 상기 “얽힌”은 2가닥 이상이 물리적 접촉을 통해 서로 교차하고 있는 것을 의미할 수 있다.In this specification, the term " three-dimensional structure " may mean that each basic unit entangled in two dimensions is entangled again in three dimensions and finally has a three-dimensional structure. The " tangled " may mean that more than two strands cross each other through physical contact.

본 명세서에 있어서, 상기 3차원 구조의 탄소나노튜브 응집체는 탄소나노튜브들이 서로 가교되거나 얽혀서 그물 구조를 형성하는 것으로서, 케이지형(cage type) 탄소나노튜브 등과 같은 용어로 표현될 수도 있다.In this specification, the carbon nanotube aggregates of the three-dimensional structure may be expressed in terms of cage-type carbon nanotubes or the like, in which carbon nanotubes are crosslinked or entangled with each other to form a net structure.

본 명세서에서 상기 탄소나노튜브 응집체는 수많은 탄소나노튜브 가닥이 얽혀 있는 구조로 각각의 탄소나노튜브의 단면의 직경이 1 나노미터 이상 100 나노미터 이하일 수 있다.In this specification, the carbon nanotube aggregates have a structure in which a plurality of carbon nanotube strands are intertwined, and the cross-sectional diameter of each carbon nanotube may be 1 nanometer or more and 100 nanometers or less.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 황-탄소나노튜브 복합체의 재료로 사용되는 3차원 구조의 탄소나노튜브 응집체는 전술한 바와 같이 케이지형 탄소나노튜브 일 수 있으며, 상기 탄소나노튜브는 케이지 형태를 취하기 위해 별도로 복잡한 과정을 필요로 하지 않는다는 장점이 있다. 구체적으로, 상기 탄소나노튜브는 제조 후 별도로 분리작업을 하지 않으므로 케이지 형태를 취하기 위한 복잡한 과정을 요하지 않는다. 이는 CNT 제조 시 초기에 나오는 응집체 형태를 그대로 이용하여 복합체를 제조하기 때문이다.The three-dimensional carbon nanotube aggregate used as the material of the sulfur-carbon nanotube composite according to one embodiment of the present invention may be a cage-type carbon nanotube as described above, and the carbon nanotube may take the form of a cage There is an advantage in that it does not require a complicated process separately. Specifically, since the carbon nanotubes are not separately separated after their manufacture, a complicated process for taking a cage shape is not required. This is because the complex is produced by using the aggregate form at the initial stage of CNT production as it is.

상기 탄소나노튜브는 선형 도전성 탄소를 의미하며, 구체적으로 탄소나노튜브(CNT), 그라파이트 나노파이버(GNF), 카본 나노파이버(CNF) 또는 활성화 탄소 파이버(ACF)를 사용할 수 있고, 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT) 또는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 모두 사용 가능하다.The carbon nanotube refers to a linear conductive carbon. Specifically, carbon nanotube (CNT), graphite nanofiber (GNF), carbon nanofiber (CNF), or activated carbon fiber (ACF) Both tube (SWCNT) and multiwall carbon nanotubes (MWCNT) are available.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 황-탄소나노튜브 복합체는 케이지 형태를 갖는다.According to one embodiment of the present disclosure, the sulfur-carbon nanotube composite has a cage shape.

도 1(a)에서는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 황-탄소나노튜브 복합체에 포함되는 3차원 구조의 탄소나노튜브 응집체의 이미지를 나타내었으며, 도 1(b)는 황을 함침시킨 후의 이미지이다.1 (a) shows an image of a three-dimensional carbon nanotube aggregate included in a sulfur-carbon nanotube composite according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1 (b) is an image after sulfur impregnation .

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 그래핀 층의 두께는 그래핀 1 시트(sheet) 이상 100 시트(sheet) 이하이다. 상기 그래핀 시트의 두께 및/또는 그래핀 시트의 개수는 주사전자현미경으로 촬영한 SEM 이미지 또는 투과전자현미경으로 촬영한 TEM 이미지를 통해서 확인할 수 있다. According to one embodiment of the present disclosure, the thickness of the graphene layer is less than 100 sheets of graphene sheet. The thickness of the graphene sheet and / or the number of graphene sheets can be confirmed by SEM images taken with a scanning electron microscope or TEM images taken with a transmission electron microscope.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄소나노튜브 응집체의 탭 밀도(tap density)는 0.01g/cc 이상 1g/cc 이하일 수 있다. 상기 탄소나노튜브 응집체의 탭 밀도가 0.01g/cc 이상이면 단위 부피당 바인더 및 용매의 첨가량이 감소하게 되고, 이에 따라 황의 함유량이 증가하여 전지의 용량이 증가될 수 있다. 상기 탄소나노튜브 응집체의 탭 밀도가 1g/cc 이하이면 전극 내 탄소나노튜브 응집체 간의 기공도가 급격히 감소하여 함침된 황이 서로 엉겨 붙어 전해액 젖음성이 감소하고, 전자 전달이 어려워지게 되는 문제를 억제할 수 있다. 더욱이, 황이 반응하여 Li2S를 생성하면서 부피가 증가하게 되므로 탭 밀도가 1g/cc 이하이면 기공도가 더욱 감소하게 되어 전극의 내구성에도 문제가 생기고 용량 또한 감소하게 되는 문제도 억제할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the tap density of the carbon nanotube aggregate may be 0.01 g / cc or more and 1 g / cc or less. If the tap density of the carbon nanotube agglomerate is 0.01 g / cc or more, the addition amount of the binder and the solvent per unit volume is decreased, thereby increasing the content of sulfur and increasing the capacity of the battery. If the tap density of the carbon nanotube agglomerate is 1 g / cc or less, the porosity between the carbon nanotube agglomerates in the electrode is drastically reduced, so that the sulfur impregnated with the impregnated carbon nanotube aggregates to reduce the wettability of the electrolyte solution, have. Furthermore, since sulfur reacts to generate Li 2 S, the volume increases. Therefore, when the tap density is 1 g / cc or less, the porosity is further reduced, and the problems of durability of the electrode and capacity are also reduced.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄소나노튜브 응집체는 제조 방식에 따라 구형 타입, 얼기설기 얽힌(entangled) 타입 및 번들(bundle) 타입으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 형태를 갖는다.According to one embodiment of the present invention, the carbon nanotube aggregates have one or more shapes selected from the group consisting of a spherical type, an entangled type, and a bundle type, depending on the manufacturing method.

탄소나노튜브 응집체의 형태 및 탭 밀도(tap denity)는 탄소나노튜브 제조 시 첨가되는 촉매의 함량에 따라 변할 수 있으며, 이러한 특성에 의해 탄소나노튜브 응집체의 탭 밀도(tap density) 및 탄소나노튜브 입자간 간격도 변하게 된다. 촉매의 양을 이용하여 탭 밀도에 변화를 주는 경우, 촉매의 양이 많을수록 탭 밀도(tap density)가 크고 서로 치밀하게 더 엉켜 있으면서 탄소나노튜브의 꼬임이 더 심한 반면 촉매의 양이 적을수록 탭 밀도(tap density)가 낮고 탄소나노튜브가 선형적으로 꼬임이 덜한 상태로 응집된다. 이러한 엉킴 상태에 따라 탄소나노튜브 응집체의 공극도가 달라지게 된다.The shape and tap denity of the carbon nanotube aggregates may vary depending on the content of the catalyst added in the production of the carbon nanotubes. By this property, the tap density of the carbon nanotube aggregates and the carbon nanotube particles The spacing of the gaps also changes. In the case of varying the tap density by using the amount of the catalyst, the larger the amount of the catalyst, the larger the tap density, the more closely tangled each other, and the greater the twist of the carbon nanotubes. On the other hand, the tap density is low and the carbon nanotubes aggregate in a linearly less twisted state. The entangled carbon nanotube aggregates have different porosity.

본 명세서에서 탭 밀도는 단위 부피당 시료의 충진 정도를 측정하기 위한 방법으로 당업계에서 일반적으로 사용되는 방법으로 측정할 수 있다. 예컨대, 시료를 넣은 측정용 용기를 기계적으로 부피 변화량이 2% 이내일 때까지 태핑(tapping)하여 얻은 겉보기밀도일 수 있다.In the present specification, the tap density can be measured by a method commonly used in the art as a method for measuring the degree of filling of a sample per unit volume. For example, the apparent density may be obtained by tapping the measuring container into which the sample is placed until the volume change amount is mechanically within 2%.

본 명세서의 일 실시상태에서, 상기 탭 밀도는 탄소나노튜브를 준비하는 단계에서 탄소나노튜브를 성장할 때 촉매량을 변화하여 조절할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the tap density can be adjusted by varying the catalyst amount when growing the carbon nanotubes in the step of preparing the carbon nanotubes.

상기 탄소나노튜브를 성장시키는 방법은 한정되지 않으며, 당업계에서 사용되는 방법을 이용할 수 있다. 상기 촉매의 종류 또한 한정되지 않으며, 당업계에서 사용되는 일반적인 촉매를 사용할 수 있다.The method for growing the carbon nanotubes is not limited, and the methods used in the art can be used. The type of the catalyst is not particularly limited, and a common catalyst used in the art can be used.

상기 촉매는 금속 촉매 또는 금속 산화물 촉매일 수 있다.The catalyst may be a metal catalyst or a metal oxide catalyst.

상기 금속 촉매는 Fe, Ni, Co, Cr, Ni/Ti, Co/Ti 및 Fe/Ti 등일 수 있다. The metal catalyst may be Fe, Ni, Co, Cr, Ni / Ti, Co / Ti and Fe / Ti.

상기 금속 산화물 촉매는 Fe2O3, Al2O3 및 CuO일 수 있다.The metal oxide catalyst may be Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 And CuO.

전술한 바와 같이, 상기 금속 촉매 또는 금속 산화물 촉매의 종류와 함량을 조절함으로써 탄소나노튜브 응집체의 공극도와 탄소나노튜브의 길이와 형상을 조절할 수 있다. 상기 촉매량을 적게 포함할수록 탄소나노튜브 응집체의 내부의 밀도가 크고, 입자의 모양이 실타래의 형상을 띨 수 있고, 촉매량을 많이 포함할수록 탄소나노튜브 응집체 내부의 입자가 선형(linear)이고, 내부의 밀도가 작게 형성될 수 있다. 따라서, 상기와 같이 탄소나노튜브 응집체의 제조시 촉매량을 조절하여 탄소나노튜브 응집체의 탭밀도를 조절할 수 있다.As described above, the porosity of the carbon nanotube aggregates and the length and shape of the carbon nanotubes can be controlled by controlling the kind and content of the metal catalyst or the metal oxide catalyst. The smaller the amount of the catalyst, the larger the density of the carbon nanotube agglomerate is, and the shape of the particles may be a shape of the thread. When the amount of the catalyst is larger, the particles in the carbon nanotube agglomerate are linear, The density can be made small. Therefore, the tap density of the carbon nanotube agglomerate can be controlled by adjusting the amount of catalyst in the production of the carbon nanotube agglomerate as described above.

본 명세서에 따른 탄소나노튜브-황 복합체는 탄소나노튜브 응집체를 사용하여 종래의 탄소나노튜브 입자를 분산시켜 황을 시드(seed)로 성장시키거나 표면에 코팅하는 방법보다 더 많은 양의 황을 탄소나노튜브에 균일하게 함침시킬 수 있다. 이에 따라 단위 부피당 황의 함유량(loading)이 증가되어 전극의 용량을 증가시킬 수 있다.The carbon nanotube-sulfur composite according to the present invention can be produced by dispersing conventional carbon nanotube particles using a carbon nanotube aggregate to produce a larger amount of sulfur than carbon nanotube- The nanotubes can be uniformly impregnated. Accordingly, the loading of sulfur per unit volume can be increased to increase the capacity of the electrode.

상기 탄소나노튜브-황 복합체에서 탄소나노튜브 응집체의 직경은 1 마이크로미터 이상 500 마이크로미터 이하, 구체적으로 1 마이크로미터 이상 100 마이크로미터 이하, 더욱 구체적으로 1 마이크로미터 이상 50 마이크로미터 이하일 수 있고, 더욱 더 구체적으로 1 마이크로미터 이상 10 마이크로미터 이하일 수 있다. 상기 탄소나노튜브 응집체의 직경이란 응집체의 단면의 지름 중 가장 큰 값을 의미한다. In the carbon nanotube-sulfur composite, the carbon nanotube aggregates may have a diameter of 1 to 500 micrometers, specifically 1 to 100 micrometers, more specifically 1 to 50 micrometers, More specifically, not less than 1 micrometer and not more than 10 micrometers. The diameter of the aggregate of carbon nanotubes means the largest diameter of the cross-section of the agglomerate.

탄소나노튜브 응집체의 직경이 500 마이크로미터를 초과하면 전극 균일성이 떨어지면서 입자간 공극이 많이 생겨 황 함유량이 감소하게 되며 집전체와의 접촉 면적이 감소하게 된다. 그러므로 적절한 공극 및 전극 균일성을 주기 위해서는 탄소나노튜브 응집체의 직경이 500 마이크로미터 이하인 것이 바람직하다. If the diameter of the carbon nanotube agglomerate exceeds 500 micrometers, the uniformity of the electrode is lowered, the inter-particle voids are increased, the sulfur content is decreased, and the contact area with the current collector is decreased. Therefore, it is preferable that the diameter of the carbon nanotube agglomerate is 500 micrometers or less in order to provide proper air gap and electrode uniformity.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄소나노튜브 응집체의 직경은 10㎛ 내지 20㎛이다.According to an embodiment of the present invention, the carbon nanotube aggregate has a diameter of 10 to 20 占 퐉.

본 명세서에 있어서, 상기 황-탄소나노튜브 복합체는 황을 구비하고 있는 황-탄소나노튜브 복합체 또는 황 화합물을 구비하고 있는 황-탄소나노튜브 복합체를 의미한다. 다시 말해, 황-탄소나노튜브 복합체의 황은 황 원소 또는 황 화합물에 포함되는 황을 의미한다.In this specification, the sulfur-carbon nanotube composite refers to a sulfur-carbon nanotube composite having sulfur or a sulfur-carbon nanotube composite having a sulfur compound. In other words, sulfur of a sulfur-carbon nanotube composite means sulfur contained in a sulfur element or a sulfur compound.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 황은 입자 형태를 가질 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, the sulfur may have a particulate form.

구체적으로, 상기 황은 상기 탄소나노튜브 응집체의 외부 전체 표면의 100% 미만, 구체적으로 1% 내지 80%, 더욱 구체적으로 50% 내지 80% 영역에 위치할 수 있다. 상기 황이 상기 탄소나노튜브 응집체의 외부 전체 표면 영역에서 상기 범위 내에 있을 때, 전자 전달 면적 및 전해액의 젖음성 면에서 최대 효과를 나타낼 수 있다. 상기 영역에서 황은 모세관 현상(Capillary force)에 의해 탄소나노뷰브 응집체에 얇게 함침되므로써 충방전 과정에서 전자 전달 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. Specifically, the sulfur may be located in an area of less than 100%, specifically 1% to 80%, more specifically 50% to 80% of the entire outer surface of the carbon nanotube aggregate. When the sulfur is within the above range in the entire outer surface area of the carbon nanotube aggregates, it can exhibit the maximum effect in terms of the electron transfer area and the wettability of the electrolyte solution. In this region, sulfur is impregnated thinly in the carbon nano-vieve agglomerates by capillary force, thereby increasing the electron transfer contact area in the charging and discharging process.

상기 황이 상기 탄소나노튜브 응집체의 외부 전체 표면의 100% 영역에 위치할 경우, 상기 탄소나노튜브 응집체가 황으로 완전히 덮여 전해액 젖음성이 떨어지고, 전극 내에 포함되는 도전재와 접촉성이 떨어져 전자 전달을 받지 못해 반응에 기여할 수 없게 된다. 즉, 상기 황이 상기 탄소나노튜브 응집체의 외부 표면 전체에 위치하는 경우는 탄소나노튜브의 전자 전달 역할을 감소시키기 때문에 바람직하지 않다. When the sulfur is located in a 100% region of the entire outer surface of the carbon nanotube aggregate, the carbon nanotube aggregate is completely covered with sulfur, thereby deteriorating the wettability of the electrolyte, It can not contribute to the reaction. That is, when the sulfur is located on the entire outer surface of the carbon nanotube agglomerates, the electron transferring role of the carbon nanotubes is undesirably reduced.

상기 복합체는 황을 탄소나노튜브에 함침시킨 것으로서 황이 탄소나노튜브 응집체에 함침시 입자 크기에는 변화가 거의 없다. 상기 함침은 탄소나노튜브 응집체와 황을 균일하게 혼합한 후 황의 녹는점 이상의 온도에서 황이 탄소나노튜브 응집체를 따라 모세관 현상에 의해 코팅이 되는 것일 수 있다.The composite is impregnated with carbon nanotubes. When the sulfur is impregnated into the carbon nanotube aggregates, there is little change in the particle size. The impregnation may be such that sulfur is uniformly mixed with carbon nanotube agglomerate and sulfur, and sulfur is coated by capillary action along carbon nanotube agglomerates at a temperature above the melting point of sulfur.

또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 황-탄소나노튜브 복합체는 양친매성 물질로 표면처리된다.According to another embodiment, the sulfur-carbon nanotube composite is surface-treated with an amphipathic substance.

상기 황-탄소나노튜브 복합체에 양친매성 물질을 코팅해 줌으로서 폴리설파이드를 트랩(trap)시키는 역할을 증대시킬 수 있다. 이로 인하여, 폴리설파이드의 전해액 내로의 용출이 억제되고 이는 전지의 수명 개선으로 이어진다.By coating the sulfur-carbon nanotube composite with an amphipathic substance, the role of trapping polysulfide can be enhanced. As a result, the dissolution of the polysulfide into the electrolytic solution is inhibited, leading to improvement in the life of the battery.

상기 양친매성 물질은 친수성(hydrophilicity) 부분과 소수성(hydrophobicity) 부분을 동시에 가지고 있는 물질이다. 상기 양친매성 물질의 예로는, 폴리비닐 피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide, PEO), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 젤라틴 및 이들의 공중합체 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.The amphipathic substance is a substance having a hydrophilicity portion and a hydrophobicity portion at the same time. Examples of the amphipathic substance include polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyethylene oxide (PEO), polyvinyl alcohol (PVA), gelatin, and copolymers thereof , But is not limited thereto.

상기 황-탄소나노튜브 복합체를 양친매성 물질로 표면처리하는 방법은, 전술한 양친매성 물질이 용해된 계면활성제 용액에 탄소나노튜브 응집체를 투입하고, 50℃ 미만의 온도에서 24시간 정도 교반한 후, 탄소나노튜브 응집체를 필터하여 건조하는 공정을 통하여 수행될 수 있으나, 당 기술분야에 알려진 방법이면 어느 방법이든 무방하다.The method of surface-treating the sulfur-carbon nanotube composite with an amphipathic substance may be carried out by adding a carbon nanotube aggregate to a surfactant solution in which the amphipathic substance is dissolved, stirring the mixture at a temperature lower than 50 ° C for about 24 hours , And filtering and drying the carbon nanotube aggregates. However, any method may be used as long as it is a method known in the art.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 양친매성 물질은 황-탄소나노튜브 복합체의 표면의 적어도 일부분에 위치할 수 있다. 또한, 상기 양친매성 물질은 황-탄소나노튜브의 표면의 전체 영역에 위치할 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, the amphipathic substance may be located on at least a portion of the surface of the sulfur-carbon nanotube complex. In addition, the amphipathic substance may be located in the entire area of the surface of the sulfur-carbon nanotube.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 양친매성 물질은 캐소드 활물질의 전체 중량을 기준으로 0 중량% 초과 35 중량% 미만으로 포함될 수 있다. 구체적으로는, 캐소드 활물질 전체 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 33 중량%로 포함될 수 있고, 더욱 구체적으로는 1 중량% 내지 33 중량%로 포함될 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, the amphipathic substance may be contained in an amount of more than 0 wt% to less than 35 wt% based on the total weight of the cathode active material. Specifically, it may be contained in an amount of 0.1% by weight to 33% by weight, more specifically 1% by weight to 33% by weight, based on the total weight of the cathode active material.

본 명세서의 일 실시상태는 상기 황-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 리튬-황 전지용 캐소드 활물질을 제공한다.One embodiment of the present invention provides a cathode active material for a lithium-sulfur battery including the sulfur-carbon nanotube composite.

본 명세서는 또한, 상기 리튬-황 전지용 캐소드 활물질을 포함하는 리튬-황 전지용 캐소드를 제공한다.The present specification also provides a cathode for a lithium-sulfur battery including the cathode active material for the lithium-sulfur battery.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 리튬-황 전지용 캐소드는 전극 로딩량이 3mAh/cm2일 때, 초기 방전 용량이 1100mAh/g이상이다.According to one embodiment of the present invention, the cathode for the lithium-sulfur battery has an initial discharge capacity of 1100 mAh / g or more when the electrode loading amount is 3 mAh / cm 2 .

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 리튬-황 전지용 캐소드는 전극 로딩량이 3mAh/cm2일 때, 초기 방전 용량이 900mAh/g이상이다.According to one embodiment of the present invention, the cathode for the lithium-sulfur battery has an initial discharge capacity of 900 mAh / g or more when the electrode loading amount is 3 mAh / cm 2 .

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 리튬-황 전지용 캐소드는 전극 로딩량이 3mAh/cm2일 때, 초기 방전 용량이 800mAh/g이상이다.According to one embodiment of the present invention, the cathode for the lithium-sulfur battery has an initial discharge capacity of 800 mAh / g or more when the electrode loading amount is 3 mAh / cm 2 .

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 리튬-황 전지용 캐소드는 전극 로딩량이 3mAh/cm2일 때, 초기 방전 용량이 700mAh/g이상이다.According to one embodiment of the present invention, the cathode for the lithium-sulfur battery has an initial discharge capacity of 700 mAh / g or more when the electrode loading amount is 3 mAh / cm 2 .

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 리튬-황 전지용 캐소드는 도전재 및 바인더 수지 중 적어도 하나를 추가로 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the cathode for a lithium-sulfur battery may further include at least one of a conductive material and a binder resin.

상기 도전재로는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 한정하지 않으나, KS6와 같은 흑연계 물질; 슈퍼 P(Super-P), 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 카본 블랙; 탄소 나노튜브나 플러렌 등의 탄소 유도체; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 또는 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 등의 전도성 고분자를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing chemical changes in the battery, but may be a graphite based material such as KS6; Super P, Denka Black, Acetylene Black, Ketjen Black, Channel Black, Funace Black, Lamp Black, Summer Black, Carbon Black; Carbon derivatives such as carbon nanotubes and fullerene; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Or conductive polymers such as polyaniline, polythiophene, polyacetylene, and polypyrrole may be used alone or in combination.

상기 도전재의 함량은 상기 캐소드 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 30 중량%로 첨가될 수 있다. The conductive material may be added in an amount of 0.5 wt% to 30 wt% based on the total weight of the mixture including the cathode active material.

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.Examples of the binder include poly (vinyl acetate), polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, alkylated polyethylene oxide, crosslinked polyethylene oxide, polyvinyl ether, poly (methyl methacrylate) (Trade name: Kynar), poly (ethyl acrylate), polytetrafluoroethylene polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polyvinylpyridine, polystyrene, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride, Derivatives thereof, blends, copolymers and the like can be used.

상기 바인더의 함량은 상기 캐소드 재료용 조성물 전체 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 30 중량%로 첨가될 수 있다. The content of the binder may be from 0.5% by weight to 30% by weight based on the total weight of the composition for the cathode material.

본 명세서는 또한, 애노드; 상기 캐소드 활물질을 포함하는 캐소드; 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 분리막; 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 전해질을 포함하는 리튬-황 전지를 제공한다.The disclosure also includes an anode; A cathode including the cathode active material; A separation membrane located between the cathode and the anode; And an electrolyte positioned between the cathode and the anode.

상기 애노드는 전지가 방전될 때 전자를 내보내면서 금속이온이 생성되는 산화반응이 일어나며, 전지의 충전 시에 캐소드(환원전극)의 역할을 수행할 수 있다.When the battery is discharged, the anode oxidizes to generate metal ions while discharging electrons, and may function as a cathode (reductive electrode) when charging the battery.

상기 캐소드는 전지가 방전될 때 애노드로부터 전달된 양이온을 받아 환원반응이 일어나며, 전지의 충전 시에 애노드(산화전극)의 역할을 수행할 수 있다.The cathode receives the positive ions transferred from the anode when the battery is discharged, and performs a reduction reaction. The cathode can act as an anode (oxidizing electrode) when the battery is charged.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 애노드는 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함한다.According to one embodiment of the present disclosure, the anode comprises lithium metal or a lithium alloy.

상기 애노드 활물질로서의 리튬 합금은 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al 및 Sn으로 이루어지는 군에서 선택되는 금속의 합금인 것이나, 이에 한정되지 않는다.The lithium alloy as the anode active material is an alloy of lithium and a metal selected from the group consisting of Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, .

상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 분리막은 캐소드와 애노드를 서로 분리 또는 절연시키고, 캐소드와 애노드 사이에 리튬 이온 수송을 가능하게 하는 것으로 다공성 비전도성 또는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 분리막은 필름과 같은 독립적인 부재일 수도 있고, 캐소드 및/또는 애노드에 부가된 코팅층일 수도 있다.The separation membrane located between the cathode and the anode may be made of a porous nonconductive or insulating material which separates or insulates the cathode from the anode and enables lithium ion transport between the cathode and the anode. Such a separation membrane may be an independent member such as a film, or may be a coating layer added to the cathode and / or the anode.

상기 분리막을 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 있다The material forming the separation membrane includes, for example, a polyolefin such as polyethylene and polypropylene, a glass fiber filter paper, and a ceramic material, but is not limited thereto. The thickness of the separation membrane is about 5 탆 to about 50 탆, Can be about 25 [mu] m

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 전해질은 리튬염 및 유기 용매를 포함한다.According to one embodiment of the present disclosure, the electrolyte located between the cathode and the anode comprises a lithium salt and an organic solvent.

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 0.2M 내지 2.0M일 수 있다. 본 출원에 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 포함될 수 있다.The concentration of the lithium salt may be in the range of about 0.2M to about 10M, depending on various factors such as the precise composition of the electrolyte solvent mixture, the solubility of the salt, the conductivity of the dissolved salt, the charging and discharging conditions of the battery, 2.0M. Lithium salt for example for use in the present application, LiSCN, LiBr, LiI, LiPF 6, LiBF 4, LiSO 3 CF 3, LiClO 4, LiSO 3 CH 3, LiB (Ph) 4, LiC (SO 2 CF 3) 3 and LiN (SO 2 CF 3) may include one or more from the group consisting of 2.

상기 유기 용매는 단일 용매를 사용할 수도 있고 2 이상의 혼합 유기 용매를 사용할 수도 있다. 2 이상의 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.The organic solvent may be a single solvent or two or more mixed organic solvents. When two or more mixed organic solvents are used, it is preferable to use at least one solvent selected from two or more of the weak polar solvent group, the strong polar solvent group, and the lithium metal protective solvent group.

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.A weakly polar solvent is defined as a solvent having a dielectric constant of less than 15 which is capable of dissolving a sulfur element among aryl compounds, bicyclic ethers and acyclic carbonates, and the strong polar solvent includes bicyclic carbonates, sulfoxide compounds, lactone compounds, Ketone compounds, ester compounds, sulfate compounds, and sulfite compounds, wherein the lithium metal protective solvent is a saturated ether compound, an unsaturated ether compound, N, O , S or a heterocyclic compound containing a combination of these, is defined as a solvent having a charge / discharge cycle efficiency of 50% or more to form a stable SEI (Solid Electrolyte Interface) on a lithium metal.

약한 극성 용매의 구체적인 예로는 자일렌(xylene), 디메톡시에탄, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 톨루엔, 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디글라임, 테트라글라임 등이 있다.Specific examples of the weak polar solvent include xylene, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, toluene, dimethyl ether, diethyl ether, diglyme and tetraglyme.

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.Specific examples of the strong polar solvent include hexamethyl phosphoric triamide,? -Butyrolactone, acetonitrile, ethylene carbonate, propylene carbonate, N-methylpyrrolidone, 3-methyl-2-oxazolidone , Dimethylformamide, sulfolane, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylsulfate, ethylene glycol diacetate, dimethylsulfite, or ethylene glycol sulfite.

리튬 보호용매의 구체적인 예로는 테트라하이드로 퓨란, 에틸렌 옥사이드, 디옥솔란, 3,5-디메틸 이속사졸, 퓨란, 2-메틸 퓨란, 1,4-옥산, 4-메틸디옥솔란 등이 있다.Specific examples of the lithium-protecting solvent include tetrahydrofuran, ethylene oxide, dioxolane, 3,5-dimethylisoxazole, furan, 2-methylfuran, 1,4-oxane and 4-methyldioxolane.

본 명세서는 상기 리튬-황 전지를 단위전지로 포함하는 전지 모듈을 제공한다.The present invention provides a battery module including the lithium-sulfur battery as a unit battery.

상기 전지모듈은 구체적으로 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치의 전원으로 사용될 수 있다.The battery module may be specifically used as a power source for an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, or a power storage device.

또한, 본 명세서는 3차원 구조의 탄소나노튜브 응집체의 내부표면 및 외부표면 중 적어도 일부에 황 또는 황 화합물을 도입하는 단계; 및 상기 황 또는 황 화합물이 구비된 탄소나노튜브 응집체의 내부표면 및 외부표면 중 적어도 일부에 그래핀 층을 구비하는 단계를 포함하는 상기 리튬-황 전지용 캐소드 활물질의 제조방법을 제공한다.Further, the present specification discloses a method of manufacturing a carbon nanotube aggregate, comprising: introducing a sulfur or sulfur compound into at least a part of an inner surface and an outer surface of a three-dimensional carbon nanotube aggregate; And a graphene layer on at least a part of an inner surface and an outer surface of the carbon nanotube aggregate having the sulfur or sulfur compound.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 그래핀을 구비하는 단계는 그래핀 또는 그래핀 옥사이드를 스프레이(spray) 코팅하거나, 그래핀 옥사이드를 물에 녹여 고온에서 환원시키는 방법 등을 이용할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the step of providing the graphene may include spray coating of graphene or graphene oxide, or a method of dissolving graphene oxide in water and reducing at a high temperature.

본 명세서에 따른 리튬-황 전지용 캐소드 활물질의 제조방법은 응집된 탄소나노튜브를 제트밀(Jet mill), 다이노 밀 등의 건식 방법으로 탄소나노튜브 자체의 응집성을 잃지 않으면서 그 크기를 수마이크로 크기로 조절한 후 황 또는 황 화합물을 탄소나노튜브 응집체 내에 함침시키는 방법에 대한 것이다. The method for producing a cathode active material for a lithium-sulfur battery according to the present invention is a method for manufacturing a cathode active material for a lithium-sulfur battery, wherein the coagulated carbon nanotubes are dried by a dry method such as a jet mill or a dyno mill, And then impregnating the carbon nanotube aggregates with a sulfur or sulfur compound.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 황 또는 황 화합물은 탄소나노뷰트 응집체에 가압 하에서의 용융(molten) 형태로 함침되는 방법; 용매에 황 또는 황 화합물을 녹인 후 탄소나노튜브 응집체를 첨가하여 탄소나노튜브 응집체의 내부에서 황을 재성장시키는 방법; 및 볼 밀(ball mill) 방법으로 이루어진 군에서 선택된 1가지 이상의 방법으로 탄소나노튜브 응집체에 도입될 수 있다.In one embodiment of the present disclosure, the sulfur or sulfur compound is impregnated with molten carbon nanobut aggregates under pressure. A method of dissolving a sulfur or a sulfur compound in a solvent and then adding a carbon nanotube aggregate to regenerate sulfur in the interior of the carbon nanotube aggregate; And a ball mill method. The carbon nanotube aggregates may be introduced into the carbon nanotube aggregates by one or more methods.

황은 탄소나노튜브 원재료에 함침시킨 후 제트 밀(Jet mill), 다이노 밀, 볼 밀(ball mill) 등으로 입자를 수마이크로로 조절할 수 있으나, 탄소나노튜브 응집체를 수마이크로로 조절한 후 황을 함침시키는 것이 바람직하다.After impregnating the raw material of carbon nanotubes with sulfur, the particles can be controlled to a few micrometers by using a jet mill, a dyno mill, a ball mill, etc. However, after the carbon nanotube agglomerates are adjusted to a few micrometers, .

본 명세서에서 사용하는 3차원 구조의 탄소나노튜브 응집체는 탄소나노튜브 분산 전 생산물로 특별한 공정이 필요없이 바로 사용할 수 있으며, 형상에 제한이 없어 공정상 이점이 있다.The carbon nanotube agglomerates of the three-dimensional structure used in this specification can be used directly without any special process as a product for dispersing carbon nanotubes, and there is no limitation in the shape, which is advantageous in the process.

종래에는 탄소나노튜브의 표면에 산처리를 하거나 피치 옥사이드(pitch oxide) 처리를 하여 개개의 탄소나노튜브 입자로 분산시킨 후, 황을 탄소나노튜브 입자의 내부 또는 표면에 성장시키거나, 내부 및 외부에 코팅하는 방법을 사용하여 탄소나노튜브-황 복합체를 제조하였다. 또는, 카본에 인위적으로 기공을 만들어서 속이 빈 할로우 카본(hollow carbon)이나 다공성 카본을 제조하여 탄소-황 복합체를 제조하였다. 상기 종래의 방법은 탄소나노튜브에 표면 처리를 하거나 인위적으로 기공을 만드는 것이 쉽지 않았고, 균일한 크기의 복합체 입자를 제조하기가 어려웠으며, 대량생산이 어렵다는 문제가 있다.Conventionally, the surfaces of carbon nanotubes are subjected to an acid treatment or a pitch oxide treatment to disperse the carbon nanotubes into individual carbon nanotube particles, and then sulfur is grown on the inside or the surface of the carbon nanotube particles, To prepare a carbon nanotube-sulfur complex. Alternatively, hollow carbon or porous carbon was produced by artificially forming pores in carbon to prepare a carbon-sulfur complex. It is not easy to perform surface treatment or artificial pore formation on carbon nanotubes, and it is difficult to produce composite particles of uniform size, and it is difficult to mass-produce carbon nanotubes.

그러나, 본 명세서에 따른 황-탄소나노튜브 복합체는 탄소나노튜브가 전자 이동 통로의 역할을 하기 때문에 전자 전도성을 높여주며, 전극의 용량을 개선시킬 수 있는 장점이 있다. 동시에 탄소나노튜브가 황의 컨택 사이트(contact site)로 역할을 할 수 있어서 황이 전해액에 의해 스웰링(swelling) 되더라도 탄소와 황의 분리가 일어나지 않아서, 황이 전해질로 유출되는 것을 감소시킬 수 있고, 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.However, the sulfur-carbon nanotube composite according to the present invention has an advantage that the carbon nanotube improves the electron conductivity because the carbon nanotube acts as an electron transfer path, and the capacity of the electrode can be improved. At the same time, the carbon nanotube can serve as a contact site of sulfur, so that even if sulfur is swelled by the electrolyte solution, the separation of carbon and sulfur does not occur so that sulfur can be prevented from flowing out to the electrolyte, There is an advantage that it can be improved.

또한, 본 명세서의 다른 하나의 실시상태에 따른 리튬-황 전지용 캐소드의 제조방법은, 1) 본 명세서의 일 실시상태에 따른 상기 캐소드 활물질을 포함하는 슬러리를 준비하는 단계, 및 2) 상기 슬러리를 집전체에 도포하고, 건조하는 단계를 포함한다.Further, a method of manufacturing a cathode for a lithium-sulfur battery according to another embodiment of the present invention includes the steps of: 1) preparing a slurry containing the cathode active material according to one embodiment of the present specification; and 2) Applying the coating liquid to the current collector, and drying the coating liquid.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 건조는 진공 건조이다.According to one embodiment of the present disclosure, the drying is vacuum drying.

본 명세서에 따른 리튬-황 전지용 캐소드의 제조방법에 있어서, 상기 캐소드 활물질 등에 대한 내용은 전술한 바와 동일하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.In the method for manufacturing a cathode for a lithium-sulfur battery according to the present invention, the content of the cathode active material is the same as that described above, and thus a detailed description thereof will be omitted.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 슬러리는 유기용매를 추가로 더 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 유기용매는 캐소드 활물질 및 도전재를 균일하게 분산시킬 수 있고, 쉽게 증발될 수 있는 유기용매라면 특별히 한정되지 않는다. 이의 구체적인 예로는, 에탄올, 톨루엔, 벤젠, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤, 클로로포름, 디메틸포름아미드, 시클로헥산, 테트라하이드로퓨란, 폴리에틸렌글리콜, 및 메틸렌클로라이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합 용매일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the slurry may further include an organic solvent. More specifically, the organic solvent is not particularly limited as long as it is an organic solvent capable of uniformly dispersing the cathode active material and the conductive material and easily evaporated. Specific examples of the solvent include ethanol, toluene, benzene, N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylsulfoxide (DMSO), acetone, chloroform, dimethylformamide, cyclohexane, tetrahydrofuran, Methylene chloride, and mixtures thereof.

상기 슬러리를 집전체에 도포하고, 진공 건조하여 리튬-황 전지용 캐소드를 형성할 수 있다. 상기 슬러리는 슬러리의 점도 및 형성하고자 하는 캐소드의 두께에 따라 적절한 두께로 집전체에 코팅할 수 있다.The slurry is applied to a current collector and vacuum dried to form a cathode for a lithium-sulfur battery. The slurry can be coated on the current collector to have an appropriate thickness according to the viscosity of the slurry and the thickness of the cathode to be formed.

상기 집전체로는 일반적으로 3㎛ ~ 500㎛의 두께로 만들 수 있고, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특히 제한하지 않는다. 구체적으로 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 티타늄 등의 도전성 물질을 사용할 수 잇고, 더욱 구체적으로 카본-코팅된 알루미늄 집전체를 사용할 수 있다. 탄소가 코팅된 알루미늄 기판을 사용하는 것이 탄소가 코팅되지 않은 것에 비해 활물질에 대한 접착력이 우수하고, 접촉 저항이 낮으며, 알루미늄의 폴리설파이드에 의한 부식을 방지할 수 있는 장점이 있다. 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체 또는 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The current collector generally has a thickness of 3 탆 to 500 탆 and is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery. More specifically, a conductive material such as stainless steel, aluminum, copper, or titanium may be used. More specifically, a carbon-coated aluminum current collector may be used. The use of a carbon-coated aluminum substrate is advantageous in that it has an excellent adhesion to an active material, has a low contact resistance, and can prevent corrosion caused by aluminum polysulfide, as compared with a carbon-coated aluminum substrate. The current collector may be in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam or a nonwoven fabric.

이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예 등을 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예 및 비교예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예 및 비교예에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예 및 비교예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples and Comparative Examples. However, the examples and comparative examples according to the present specification can be modified in various other forms, and the scope of the present specification is not construed as being limited to the above-described embodiments and comparative examples. The examples and comparative examples provided herein are provided to more fully describe the present specification to those skilled in the art.

[실시예][Example]

sulfur를 용융하여, 150℃에서 3차원 구조의 탄소나노튜브 응집체(탭 밀도: 0.02g/cc, 직경: 100㎛ 이하)에 함침시킨 후 그래핀 옥사이드를 sulfur가 함침된 탄소나노튜브 응집체와 함께 90℃에서 3시간 동안 교반하면서 열처리하여 복합체를 제조했다. 제조된 복합체의 S:Carbon의 중량비는 7:3이었다. 이때, Carbon은 그래핀 옥사이드와 탄소나노튜브 응집체의 중량을 포함한다. (tap density: 0.02 g / cc, diameter: 100 μm or less) at 150 ° C., graphene oxide was impregnated with sulfur-impregnated carbon nanotube agglomerates Lt; 0 > C for 3 hours to prepare a composite. The weight ratio of S: Carbon in the prepared composite was 7: 3. At this time, Carbon contains the weight of graphene oxide and carbon nanotube agglomerates.

제조한 복합체를 이용하여, 복합체: 도전재(Denka black): SBR/CMC= 75: 20: 5 (2.5/2.5) 의 중량비로 슬러리를 제조한 후 20㎛ 두께의 알루미늄 호일의 집전체에 코팅하여 전극을 제조했다.The prepared composite was used to prepare a slurry at a weight ratio of composite: conductive black (Denka black): SBR / CMC = 75: 20: 5 (2.5 / 2.5) Electrode.

상기 SBR/CMC는 바인더로서 각각 스티렌부타디엔 고무 (Styrene-butadiene rubber), 카르복시메틸 셀룰로오스 (Carboxymethyl cellulose)를 사용했다.Styrene-butadiene rubber and Carboxymethyl cellulose were used as SBR / CMC as binders, respectively.

[비교예][Comparative Example]

실시예에서 탄소나노튜브 응집체 대신에 super-C를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 전극을 제조했다. In Examples, electrodes were prepared in the same manner except that super-C was used instead of carbon nanotube aggregates.

[실험예 1][Experimental Example 1]

캐소드로서 실시예 및 비교예에서 제조된 전극을 각각 사용하고, 애노드로서 리튬금속을 사용하여 코인셀을 제조했다. 이때, 상기 코인셀은 TEGDME/DOL/DME(1:1:1), LiN(CF3SO2)2 (LiTFSI) 1M, LiNO3 0.1M로 제조한 전해액을 사용했다.The electrodes prepared in Examples and Comparative Examples were respectively used as cathodes, and lithium metal was used as an anode to prepare coin cells. At this time, the coin cell used was an electrolytic solution prepared from TEGDME / DOL / DME (1: 1: 1), LiN (CF 3 SO 2 ) 2 (LiTFSI) 1M and LiNO 3 0.1M.

상기 TEGDME/DOL/DME는 용매로서 각각 Triethylene glycol dimethyl ether, dioxolane 및 Dimethyl ether를 사용했다. TEGDME / DOL / DME was prepared by using triethylene glycol dimethyl ether, dioxolane, and dimethyl ether as solvents.

제조된 코인셀을 1.5에서 2.8V까지의 용량을 측정했다. The prepared coin cell was measured for capacities from 1.5 to 2.8V.

0.1C rate CC/CV로 충전하고, 0.1C rate CC로 방전하는 사이클을 50회 반복하여 충방전 효율을 측정했다. (CC: Constant Current, CV: Constant Voltage)The charge / discharge efficiency was measured by repeating a cycle of charging 0.1C rate CC / CV and discharging 0.1C rate CC 50 times. (CC: Constant Current, CV: Constant Voltage)

그 결과를 도 6 및 도 7에 도시했다. The results are shown in Fig. 6 and Fig.

도 6을 통해 비교예에 비하여 실시예의 초기 방전 용량이 향상된 것을 확인할 수 있고 도 7을 통해 실시예의 수명특성이 비교예에 비하여 향상된 것을 확인할 수 있다. FIG. 6 shows that the initial discharge capacity of the embodiment is improved compared to the comparative example. FIG. 7 shows that the life characteristics of the embodiment are improved as compared with the comparative example.

[실험예 2][Experimental Example 2]

실시예에서 황-탄소나노튜브 복합체를 제조할 때, 황 함침 전의 3차원 구조의 탄소나노튜브 응집체, 황이 함침된 탄소나노튜브 응집체 및 그래핀 옥사이드가 구비된 복합체를 주사전자현미경으로 관찰했다. In preparing the sulfur-carbon nanotube composite in the examples, a composite having a three-dimensional carbon nanotube aggregate, a sulfur-impregnated carbon nanotube aggregate, and a graphene oxide before the sulfur impregnation was observed with a scanning electron microscope.

도 1(a)는 3차원 구조의 탄소나노튜브를 이용한 복합체 제조시 황 함침 전의 탄소나노튜브 응집체를 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이다.FIG. 1 (a) is an image obtained by scanning electron microscopy (SEM) of a carbon nanotube aggregate before sulfur impregnation in the production of a composite using a three-dimensional carbon nanotube.

도 1(b)는 3차원 구조의 탄소나노튜브를 이용한 복합체 제조시 황 함침 후의 모습을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이다.FIG. 1 (b) is an image obtained by scanning electron microscopy (SEM) of a carbon nanotube-based composite having a three-dimensional structure after sulfur impregnation.

도 2는 실시예에서 제조된 황-탄소나노튜브 복합체를 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이다.FIG. 2 is an SEM photograph of the sulfur-carbon nanotube composite prepared in Example. FIG.

Claims (19)

3차원 구조의 탄소나노튜브 응집체;
상기 탄소나노튜브 응집체의 내부표면 및 외부표면 중 적어도 일부에 구비된 황 또는 황 화합물; 및
상기 황 또는 황 화합물이 구비된 탄소나노튜브 응집체의 내부표면 및 외부표면 중 적어도 일부에 구비된 그래핀(graphene) 층을 포함하는 황-탄소나노튜브 복합체.
A three-dimensional carbon nanotube aggregate;
A sulfur or sulfur compound provided on at least a part of the inner surface and the outer surface of the aggregate of carbon nanotubes; And
And a graphene layer provided on at least a part of an inner surface and an outer surface of the carbon nanotube aggregate having the sulfur or sulfur compound.
청구항 1에 있어서, 상기 그래핀 층의 두께가 그래핀 1 시트(sheet) 이상 100 시트(sheet) 이하인 것인 것인 황-탄소나노튜브 복합체.The sulfur-carbon nanotube composite according to claim 1, wherein the thickness of the graphene layer is not less than one sheet of graphene and not more than 100 sheets. 청구항 1에 있어서, 상기 탄소나노튜브 응집체의 탭 밀도(tap density)가 0.01g/cc 내지 1g/cc인 것인 황-탄소나노튜브 복합체.The sulfur-carbon nanotube composite according to claim 1, wherein the carbon nanotube aggregate has a tap density of 0.01 g / cc to 1 g / cc. 청구항 1에 있어서, 상기 탄소나노튜브 응집체의 직경이 500㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 황-탄소나노튜브 복합체.The sulfur-carbon nanotube composite according to claim 1, wherein the aggregate of carbon nanotubes has a diameter of 500 mu m or less. 청구항 1에 있어서, 상기 탄소나노튜브 응집체의 직경이 10㎛ 내지 20㎛인 것인 황-탄소나노튜브 복합체.The sulfur-carbon nanotube composite according to claim 1, wherein the carbon nanotube aggregate has a diameter of 10 mu m to 20 mu m. 청구항 1에 있어서, 상기 황은 입자 형태를 갖는 것인 황-탄소나노튜브 복합체.The sulfur-carbon nanotube composite according to claim 1, wherein the sulfur has a particle shape. 청구항 1에 있어서, 상기 황의 함량이 리튬-황 전지용 캐소드 활물질의 총중량을 기준으로 1 중량% 초과 80 중량% 미만인 것인 황-탄소나노튜브 복합체.The sulfur-carbon nanotube composite according to claim 1, wherein the sulfur content is more than 1 wt% and less than 80 wt% based on the total weight of the cathode active material for a lithium-sulfur battery. 청구항 1에 있어서, 상기 황-탄소나노튜브 복합체가 케이지 형태를 갖는 것인 황-탄소나노튜브 복합체.The sulfur-carbon nanotube composite according to claim 1, wherein the sulfur-carbon nanotube composite has a cage shape. 청구항 1에 있어서, 상기 황-탄소나노튜브 복합체가 양친매성 물질로 표면처리된 것인 황-탄소나노튜브 복합체.The sulfur-carbon nanotube composite according to claim 1, wherein the sulfur-carbon nanotube composite is surface-treated with an amphipathic substance. 청구항 9에 있어서, 상기 양친매성 물질은 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 알코올, 젤라틴 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 황-탄소나노튜브 복합체.The method of claim 9, wherein the amphipathic substance comprises at least one selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone (PVP), polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, gelatin, and copolymers thereof. Tube composite. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 따른 황-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 리튬-황 전지용 캐소드 활물질.A cathode active material for a lithium-sulfur battery comprising the sulfur-carbon nanotube composite according to any one of claims 1 to 10. 청구항 11의 리튬-황 전지용 캐소드 활물질을 포함하는 리튬-황 전지용 캐소드.A cathode for a lithium-sulfur battery comprising the cathode active material for a lithium-sulfur battery according to claim 11. 청구항 12에 있어서, 상기 리튬-황 전지용 캐소드는 도전재 및 바인더 수지 중 적어도 하나를 더 포함하는 것인 리튬-황 전지용 캐소드.13. The cathode of claim 12, wherein the cathode for lithium-sulfur batteries further comprises at least one of a conductive material and a binder resin. 애노드;
청구항 11의 캐소드 활물질을 포함하는 캐소드;
상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 분리막; 및
상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 전해질을 포함하는 리튬-황 전지.
Anode;
A cathode comprising the cathode active material of claim 11;
A separation membrane located between the cathode and the anode; And
And an electrolyte positioned between the cathode and the anode.
청구항 14의 리튬-황 전지를 단위전지로 포함하는 전지 모듈.A battery module comprising the lithium-sulfur battery according to claim 14 as a unit cell. 3차원 구조의 탄소나노튜브 응집체의 내부표면 및 외부표면 중 적어도 일부에 황 또는 황 화합물을 도입하는 단계; 및 상기 황 또는 황 화합물이 도입된 탄소나노튜브 응집체의 내부표면 및 외부표면 중 적어도 일부에 그래핀 층을 구비하는 단계를 포함하는 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 따른 황-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.Introducing a sulfur or sulfur compound into at least a part of the inner surface and the outer surface of the carbon nanotube aggregate of the three-dimensional structure; Carbon nanotube composite according to any one of claims 1 to 10, comprising a step of providing a graphene layer on at least a part of an inner surface and an outer surface of the carbon nanotube aggregate into which the sulfur or sulfur compound is introduced Gt; 청구항 16에 있어서, 상기 황 또는 황 화합물을 도입하는 단계는 상기 황 또는 황 화합물을 3차원 구조의 탄소나노튜브 응집체에 가압 하에서 용융(molten) 형태로 함침되는 방법; 용매에 황 또는 황 화합물을 녹인 후 3차원 구조의 탄소나노튜브 응집체를 첨가하여 탄소나노튜브의 내부에서 황 또는 황 화합물을 재성장 시키는 방법; 및 볼 밀(ball mill) 방법으로 이루어진 군에서 선택된 1가지 이상의 방법으로 3차원 구조의 탄소나노튜브 응집체에 상기 황 또는 황 화합물을 도입하는 것인 황-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.[16] The method of claim 16, wherein the step of introducing the sulfur or sulfur compound comprises: impregnating the sulfur or sulfur compound into molten carbon nanotube agglomerates under pressure in a molten state; A method of dissolving a sulfur or a sulfur compound in a solvent and then adding a three-dimensional carbon nanotube agglomerate to regenerate a sulfur or a sulfur compound inside the carbon nanotube; Wherein the sulfur or sulfur compound is introduced into a three-dimensional carbon nanotube aggregate by at least one method selected from the group consisting of a ball mill method and a ball mill method. 청구항 16에 있어서, 상기 그래핀을 구비하는 단계는 그래핀 또는 그래핀 옥사이드를 스프레이(spray) 코팅하거나, 그래핀 옥사이드를 물에 녹여 고온에서 환원시키는 방법을 이용하는 것인 황-탄소나노튜브 복합체의 제조방법.[16] The method of claim 16, wherein the step of providing the graphene comprises spray coating a graphene or graphene oxide or a method of melting graphene oxide in water and reducing at a high temperature. Gt; 1) 청구항 11에 따른 캐소드 활물질을 포함하는 슬러리를 준비하는 단계, 및
2) 상기 슬러리를 집전체에 도포하고, 건조하는 단계를 포함하는 리튬-황 전지용 캐소드의 제조방법.
1) preparing a slurry comprising the cathode active material according to claim 11, and
2) applying the slurry to a current collector, and drying the slurry.
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