KR20170059851A - 황 전극 복합체 및 이를 포함하는 리튬 황전지 - Google Patents

황 전극 복합체 및 이를 포함하는 리튬 황전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 황 전극 위에 전도성을 띄는 다공성 중간층을 일체형으로 형성함으로써 폴리설파이드의 확산을 억제할 수 있는 황 전극 복합체 및 이를 포함하는 리튬 황전지에 관한 것이다.
본 발명에 황 전극 복합체는 황 전극과, 상기 황 전극의 표면에 동일체로 형성된 중간층;을 가질 수 있다.

Description

황 전극 복합체 및 이를 포함하는 리튬 황전지{SULFUR ELECTORD COMPOSITE AND LITHIUM SULFUR BATTERY HAVING THE SAME}
본 발명은 리튬 황전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 황 전극 위에 전도성을 띄는 다공성 중간층을 일체형으로 형성함으로써 폴리설파이드의 확산을 억제할 수 있는 황 전극 복합체 및 이를 포함하는 리튬 황전지에 관한 것이다.
리튬 황전지는 구동 시에 S와 Li가 반응하여 중간생성물(폴리설파이드; Li2S2, Li2S4, Li2S6, Li2S8)을 생성하고, 이러한 폴리설파이드는 전해액에 녹아 나오며(셔틀반응), 분리막을 통해 확산되어 리튬 전극(애노드)과 비가역적으로 반응할 수 있다.
이때, 폴리설파이드가 리튬 전극(애노드)과 반응하는 것으로 자가방전할 수 있고, 최종생성물인 Li2S는 고체 상태로 리튬 전극(애노드)에 남아 양극 활물질인 황이 소실됨으로써 사이클의 수명이 나빠짐에 황 전극(캐소드)측에서 리튬 전극(애노드)로의 폴리설파이드 확산을 막는 구조가 필요하다.
이에, 황 전극(캐소드)과 분리막 사이에 다공성 중간층을 삽입하여 폴리설파이드의 확산을 억제하도록 구성된다.
이러한 다공성 중간층은 폴리설파이드를 가둬 확산을 막는 2번째 분리막의 역할을 수행할 수 있다.
또한, 다공성 중간층에 전도성을 부여하여 2번째 집전체의 역할을 수행할 수 있다.
하지만, 종래의 리튬 황전지는 황 전극(캐소드)과 중간층 사이의 접착력이 없기 때문에 중간층에서 전기화학반응이 일어날 때 중간층에서 활물질로 이루어지는 전자의 흐름이 원활해지지 못하는 단점이 있었다.
또한, 절연체인 폴리설파이드가 황 전극(캐소드)과 중간층 사이에 쌓여 장기적인 수명에 나쁜 영향을 줄 뿐만 아니라 중간층의 두께 조절이 어려워 전지의 컴팩트한 구조를 구현하기 어려운 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 여러 단점을 극복하기 위하여 연구개발된 것으로, 황 전극 위에 전도성을 띄는 다공성 중간층을 일체형으로 형성함으로써 폴리설파이드의 확산을 억제하고, 중간층에서의 전기화학반응을 원활하게 할 수 있는 황 전극 복합체 및 이를 포함하는 리튬 황전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 리튬 황전지의 캐소드로 이용되는 황 전극 복합체로서,
황 전극; 및
상기 황 전극의 표면에 동일체로 형성된 중간층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 중간층의 표면에 도전제가 코팅되어 형성된 도전층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면은 리튬 황전지로서,
리튬 전극;
황 전극과, 상기 황 전극의 표면에 동일체로 형성된 중간층을 가진 황 전극 복합체;
상기 리튬 전극과 황 전극 복합체 사이에 개재된 분리막;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 황 전극 위에 중간층을 일체형으로 형성함으로써 폴리설파이드의 확산을 억제할 수 있고, 더불어 중간층에 전도성을 부여해 중간층에서의 전기화학반응을 원활하게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 황 전극 위에 다공성 중간층을 전기방사에 의해 형성함에 따라 중간층의 두께 및 기공의 사이즈 조절이 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 리튬 황전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 리튬 황전지의 황 전극 복합체를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.
도 1은 본 발명에 의한 리튬 황전지를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 리튬 황전지는 리튬으로 이루어진 리튬 전극(10)과, 황으로 이루어진 황 전극(21) 및 황 전극(21)의 표면에 형성된 중간층(22)을 가진 황 전극 복합체(20)와, 리튬 전극(10)과 황 전극 복합체(20) 사이에 개재된 분리막(30)을 포함할 수 있다.
리튬 전극(10)은 리튬을 포함할 수 있고, 리튬 전극(10)에는 집전체(15)가 부착되어 있다.
황 전극 복합체(20)는 황을 포함한 황 전극(21)과, 황 전극(21)의 표면에 형성된 중간층(22)을 가진다.
황 전극(21)은 황 슬러리가 집전체(25)에 코팅된 이후에 상온에서 건조됨으로써 형성될 수 있다.
중간층(22)은 황 전극(21)의 표면에 전기방사에 의해 동일체로 형성될 수 있다. 이와 같이, 황 전극(21)의 일면에 중간층(22)이 동일체로 형성됨에 따라 전기화학반응이 일어날 때 중간층(22), 황 전극(21), 집전체(25)로의 전자 이동이 매우 용이해질 수 있는 장점이 있다.
일 실시예에 따르면, 중간층(22)은 전기방사에 의해 황 전극(21)의 일면에 형성될 수 있고, 이러한 전기방사에 의해 중간층(22)의 두께 조절을 정밀하게 조절할 수 있다. 이에, 중간층(22)의 두께 조절을 통해 전지 전체의 두께를 보다 컴팩트하게 구현할 수 있는 장점이 있다.
바람직하게는, 중간층(22)의 두께는 5um 내지 30um로 조절될 수 있다.
또한, 중간층(22)은 고분자 나노섬유와 같은 웹 형태의 물질로 이루어질 수 있고, 이에 중간층(22)은 고분자 나노섬유가 황 전극(21)의 일면에 전기방사에 의해 형성될 수 있다. 여기서, 고분자 나노섬유의 직경은 50nm 내지 500nm이고, 상기 고분자 나노섬유의 길이는 50nm 내지 1cm일 수 있다.
한편, 고분자 나노섬유는 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐아세테이트(Polyvinylacetate, PVAc), 폴리비닐플루오라이드(Polyvinylfluoride, PVF), 폴리우레탄(Polyurethan) 중 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
그리고, 중간층(22)은 고분자 나노섬유가 전기방사에 의해 황 전극(21)의 표면에 동일체로 형성됨에 따라 복수의 기공을 가진 다공성 구조로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 중간층(22)의 기공은 50nm 내지 1㎛일 수 있다.
또한, 황 전극 복합체(20)는 도 3에 도시된 바와 같이, 중간층(22)에 도전성 슬러리(conductive slurry)를 코팅한 후에 건조(대략 80℃)함으로써 도전성 슬러리의 도전입자(23)들이 중간층(22)의 기공 내에 함침되도록 구성될 수도 있다. 이와 같이 중간층(22)의 기공 내에 도전입자(23)들이 함침됨에 따라 중간층(22)의 도전성이 대폭 향상될 수 있고, 이를 통해 폴리설파이드의 함습성을 개선할 수 있다.
한편, 중간층(22)에 도전성 슬러리를 코팅할 때, 그 도전성 슬러리의 양을 좀 더 증가시킬 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이, 도전입자(23)들이 중간층(22) 내의 기공에 모두 함침된 이후에 중간층(22)의 표면에 도전성 피막(23a)을 형성하도록 구성될 수도 있다.
도전성 슬러리는 도전제 및 용매가 혼합되어 이루어질 수 있고, 도전제는 카본 블랙, 그래핀(Graphene), 케첸 블랙(ketjen black), 덴카 블랙(denka black), 아세틸렌 블랙(acetylene black) 중 하나 내지 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 용매는 NMP(N-methylpyrrolideon), TEGDME(tetra (ethylene glycol) dimethyleter), DIOX(1,3-dioxlane) 중 하나 내지 둘 이상의 혼합 용액일 수 있다.
그리고, 도전성 슬러리의 코팅방법은 에어 스프레이법, 딥 코팅법, 드랍 코팅법 중 어느 하나일 수 있다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.
10: 리튬 전극 20: 황 전극 복합체
21: 황 전극 22: 중간층
23: 도전입자 23a: 도전성 피막
30: 분리막

Claims (17)

  1. 리튬 황전지의 캐소드로 이용되는 황 전극 복합체로서,
    황 전극; 및
    상기 황 전극의 표면에 동일체로 형성된 중간층;을 포함하는 황 전극 복합체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간층은 고분자 나노섬유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 황 전극 복합체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 중간층은 고분자 나노섬유가 황 전극의 표면에 전기방사에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 황 전극 복합체.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 고분자 나노섬유의 직경은 50nm 내지 500nm이고, 상기 고분자 나노섬유의 길이는 50nm 내지 1cm인 것을 특징으로 하는 황 전극 복합체.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 고분자 나노섬유는 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐아세테이트(Polyvinylacetate, PVAc), 폴리비닐플루오라이드(Polyvinylfluoride, PVF), 폴리우레탄(Polyurethan) 중 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 황 전극 복합체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간층은 복수의 기공을 가진 다공성 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 황 전극 복합체.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 중간층의 기공은 50nm 내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 황 전극 복합체.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간층의 두께는 5um 내지 30um인 것을 특징으로 하는 황 전극 복합체.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 중간층의 기공 내에는 도전성 입자가 함침된 것을특징으로 하는 황 전극 복합체.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 중간층에 도전성 슬러리가 코팅됨으로써 도전성 슬러리의 도전입자가 상기 중간층 내의 기공에 함침되고,
    상기 도전성 슬러리는 도전제 및 용매로 이루어지는 것을 특징으로 하는 황 전극 복합체.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 중간층의 기공 내에는 도전성 입자가 함침되고, 상기 중간층의 표면에 도전성 피막이 형성되는 것을 특징으로 하는 황 전극 복합체.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 도전제는 카본 블랙, 그래핀(Graphene), 케첸 블랙(ketjen black), 덴카 블랙(denka black), 아세틸렌 블랙(acetylene black) 중 하나 내지 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 황 전극 복합체.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 용매는 NMP(N-methylpyrrolideon), TEGDME(tetra (ethylene glycol) dimethyleter), DIOX(1,3-dioxlane) 중 하나 내지 둘 이상의 혼합 용액인 것을 특징으로 하는 황 전극 복합체.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 도전성 슬러리는 에어 스프레이법, 딥 코팅법, 드랍 코팅법 중 어느 하나에 의해 코팅되는 것을 특징으로 하는 황 전극 복합체.
  15. 리튬 전극;
    황 전극과, 상기 황 전극의 표면에 동일체로 형성된 중간층을 가진 황 전극 복합체; 및
    상기 리튬 전극과 황 전극 복합체 사이에 개재된 분리막;을 포함하는 리튬 황전지.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 중간층을 복수의 기공을 가진 다공성 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 황전지.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 중간층의 기공 내에 도전성 입자가 함침되는 것을 특징으로 하는 리튬 황전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108630890A (zh) * 2018-04-28 2018-10-09 四川华昆能源有限责任公司 一种用于锂硫电池的多层电极结构及其制备方法
CN115084492A (zh) * 2021-03-12 2022-09-20 钟升恒 非电镀金属/硫纳米复合材料的制作方法、使用该材料的阴极、及使用该阴极的电池

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