KR20180071732A - 가교 반응의 정도 조절이 가능한 리튬-황 전지용 전극 및 그 제작 방법 - Google Patents

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Abstract

일실시예에 따르면, 가교 반응의 정도 조절이 가능한 리튬-황 전지용 전극은 집전체; 및 상기 집전체에 결착되는 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 황 기반의 활물질, 도전재 및 고분자 바인더-상기 고분자 바인더는 상기 리튬-황 전지의 전해액에 대해 불용성이고, 아마이드 작용기를 포함함-를 포함하는 슬러리 조성물로 형성된다.

Description

가교 반응의 정도 조절이 가능한 리튬-황 전지용 전극 및 그 제작 방법{SULFUR CATHODE FOR LITHIUM-SULFUR BATTERY OF ADJUSTING CROSS-LINK AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
아래의 실시예들은 가교 반응의 정도 조절이 가능한 리튬-황 전지용 전극 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 충방전 중 리튬-황 전지에서 생성되는 폴리서파이드(Li2Sn)가 전해질로 용출되는 것을 억제하고, 전극의 기계적 특성을 향상시켜 보다 우수한 수명 특성을 갖는 리튬-황 전지용 전극에 대한 기술이다
최근 화석연료의 고갈과 환경오염에 의한 이산화탄소 배출량 규제 등이 에너지 분야에서 이슈로 거론되면서, 이를 해결하기 위한 친환경 신재생 에너지원에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이에, 태양 에너지, 풍력 에너지와 같은 대부분의 신재생 에너지원으로부터 나오는 에너지를 효율적으로 저장하고 사용하기 위해 높은 에너지 밀도를 갖는 에너지 저장장치의 필요성이 이전보다 더욱 대두되었다.
특히, 리튬 이온 전지는 다른 전지에 비해 높은 에너지 밀도와 경량성 등의 좋은 특성을 가지나, 전지의 이용 시장이 소형 휴대기기로부터 전기 자동차와 같은 중대형 전지시장으로 옮겨가면서 고용량 전극재의 개발이 요구됨에 따라, 고용량 양극재를 이용한 리튬-황 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
리튬-황 전지의 경우 양극으로 황을, 음극으로 리튬 금속을 사용하여 가장 가벼우면서도 가장 높은 에너지 밀도(예컨대, 2.51kWh/kg)를 갖는 고체 레독스 쌍을 반응물로 이용한다. 이러한 리튬-황 전지는 자연계에 흔히 존재하는 물질인 황을 사용하기 때문에, 전지의 가격을 낮출 수 있어, 대형 전지에 적용하기에도 적합하며, 음극 소재로 리튬 금속이나 리튬 합금을 사용하기 때문에, 전지의 질량 및 부피에 대한 에너지 밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 장점이 있는 전지 시스템이다.
현재, 리튬-황 전지에서 황 양극을 이루는 바인더로 가장 많이 사용되고 있는 물질은 전극 물질간에 기계적 접촉을 함으로써, 그 구조를 유지시키는 플루오르화 폴리비닐리덴(Polyvinylidene fluoride; PVdF), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE) 등이 있다. 이에, 종래의 리튬-황 전지의 양극은 활물질과 도전재가 상술한 바인더와 함께 유기용제에 녹아 제조된 슬러리가 집전체에 도포되어 제작된다.
그러나 종래의 기계적 접촉만을 이용하는 고분자 바인더를 기반으로 제작되는 양극은 충방전 중 큰 부피 변화뿐만 아니라, 고체-액체-고체로의 상전이를 동반하는 구조를 전기화학 반응 이후에도 초기와 같은 상태로 유지하는데 큰 어려움이 있다. 또한, 전해질에 크게 팽윤되어 황과 도전재로 이루어진 초기의 전극 구조가 무너지면서 전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
부도체인 황을 활물질로 사용하는 리튬-황 전지의 경우, 초기의 도전 구조를 유지시키는 것이 용량 및 수명 측면에서 매우 중요하기 때문에, 이를 위해 효과적인 바인더의 사용이 요구된다.
따라서, 아래의 실시예들은 상술한 종래의 기계적 접촉만을 이용하는 고분자 바인더의 문제점들을 해결하기 위한 새로운 고분자 바인더를 제안하며, 이를 이용하여 제작되는 리튬-황 전지용 전극을 제안한다.
일실시예들은 집전체 및 코팅층을 포함하는 리튬-황 전지용 전극에서, 황 기반의 활물질, 도전재 및 고분자 바인더를 포함하는 슬러리 조성물로 코팅층을 형성하는 기술을 제안한다.
구체적으로, 일실시예들은 코팅층이 집전체에 결착되도록, 리튬-황 전지의 전해액에 대해 불용성이고, 아마이드 작용기를 포함하는 고분자 바인더를 이용하는 기술을 제안한다.
특히, 일실시예들은 알데히드 작용기에 의해 아마이드 작용기가 치환되는 반응 및 산이 첨가되는 가교 반응을 통하여, 슬러리 조성물을 집전체에 결착시키는 고분자 바인더를 제안한다.
이 때, 일실시예들은 가교 반응을 위하여 산이 첨가되는 정도에 따라, 변화되는 가교율을 갖는 고분자 바인더를 제안한다.
일실시예에 따르면, 가교 반응의 정도 조절이 가능한 리튬-황 전지용 전극은 집전체; 및 상기 집전체에 결착되는 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 황 기반의 활물질, 도전재 및 고분자 바인더-상기 고분자 바인더는 상기 리튬-황 전지의 전해액에 대해 불용성이고, 아마이드 작용기를 포함함-를 포함하는 슬러리 조성물로 형성된다.
상기 고분자 바인더는 알데히드 작용기에 의해 상기 아마이드 작용기가 치환되는 반응 및 산이 첨가되는 가교 반응을 통하여, 상기 슬러리 조성물을 상기 집전체에 결착시킬 수 있다.
상기 고분자 바인더는 상기 가교 반응을 위하여 산이 첨가되는 정도에 따라, 변화되는 가교율을 가질 수 있다.
상기 고분자 바인더는 상기 알데히드 작용기에 의해 상기 아마이드 작용기가 치환되는 반응으로 생성되는 하이드록실 작용기를 이용하는 축합 반응을 통하여 상기 집전체와 결착될 수 있다.
상기 고분자 바인더는 상기 활물질이 상기 리튬과 반응하여 생성되는 폴리서파이드와의 바인딩 에너지를 통하여 상기 활물질과 결합될 수 있다.
상기 고분자 바인더는 폴리아크릴아마이드 및 글리옥살화된 폴리아크릴아마이드를 포함할 수 있다.
상기 폴리아크릴아마이드는 5000 내지 10000000 몰(mole)의 분자량을 가질 수 있다.
상기 글리옥살화된 폴리아크릴아마이드에서 상기 폴리아크릴아마이드 성분에 대한 상기 글리옥살 성분의 질량 백분율은 0.1 내지 75%일 수 있다.
상기 산은 상기 활물질, 상기 도전재 및 상기 집전체를 부식시키지 않도록 아세트산 또는 옥살산 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 가교 반응의 정도 조절이 가능한 리튬-황 전지용 전극의 제작 방법은 집전체를 준비하는 단계; 황 기반의 활물질, 도전재 및 고분자 바인더-상기 고분자 바인더는 상기 리튬-황 전지의 전해액에 대해 불용성이고, 아마이드 작용기를 포함함-를 포함하는 슬러리 조성물을 제조하는 단계; 및 상기 슬러리 조성물로 상기 집전체에 결착되는 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 슬러리 조성물로 상기 집전체에 결착되는 코팅층을 형성하는 단계는 상기 고분자 바인더를 기반으로 알데히드 작용기에 의해 상기 아마이드 작용기가 치환되는 반응 및 산이 첨가되는 가교 반응을 통하여, 상기 슬러리 조성물을 상기 집전체에 결착시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 슬러리 조성물을 상기 집전체에 결착시키는 단계는 상기 가교 반응을 위하여 산이 첨가되는 정도에 따라, 상기 고분자 바인더의 가교율을 변화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 슬러리 조성물을 상기 집전체에 결착시키는 단계는 상기 알데히드 작용기에 의해 상기 아마이드 작용기가 치환되는 반응으로 생성되는 하이드록실 작용기를 이용하는 축합 반응을 통하여 상기 고분자 바인더를 상기 집전체와 결착시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 슬러리 조성물을 상기 집전체에 결착시키는 단계는 상기 활물질이 상기 리튬과 반응하여 생성되는 폴리서파이드와의 바인딩 에너지를 통하여 상기 고분자 바인더를 상기 활물질과 결합시키는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 집전체 및 상기 집전체에 결착되는 코팅층을 포함하는 리튬-황 전지용 전극에서 상기 코팅층이 형성되는데 이용되는 슬러리 조성물은 황 기반의 활물질; 도전재; 및 고분자 바인더-상기 고분자 바인더는 상기 리튬-황 전지의 전해액에 대해 불용성이고, 아마이드 작용기를 포함함-를 포함한다.
일실시예들은 집전체 및 코팅층을 포함하는 리튬-황 전지용 전극에서, 황 기반의 활물질, 도전재 및 고분자 바인더를 포함하는 슬러리 조성물로 코팅층을 형성하는 기술을 제안할 수 있다.
구체적으로, 일실시예들은 코팅층이 집전체에 결착되도록, 리튬-황 전지의 전해액에 대해 불용성이고, 아마이드 작용기를 포함하는 고분자 바인더를 이용하는 기술을 제안할 수 있다.
특히, 일실시예들은 알데히드 작용기에 의해 아마이드 작용기가 치환되는 반응 및 산이 첨가되는 가교 반응을 통하여, 슬러리 조성물을 집전체에 결착시키는 고분자 바인더를 제안할 수 있다,
이 때, 일실시예들은 가교 반응을 위하여 산이 첨가되는 정도에 따라, 변화되는 가교율을 갖는 고분자 바인더를 제안할 수 있다.
따라서, 일실시예들은 수명 특성 및 용량 특성이 향상된 리튬-황 전지를 제공할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 리튬-황 전지의 전극을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 고분자 바인더의 화학 반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 고분자 바인더의 가교 반응에 따른 전극의 접착성 향상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 리튬-황 전지의 수명 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 리튬-황 전지용 전극의 제작 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(Terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 일실시예에 따른 리튬-황 전지의 전극을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 일실시예에 따른 고분자 바인더의 화학 반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 2를 참조하면, 일실시예에 따름 리튬-황 전지의 전극은 집전체 및 집전체에 결착되는 코팅층으로 구성된다. 이하, 설명하는 리튬-황 전지의 전극은 방전 과정 시 외부 도선으로부터 전자를 획득하여 환원 반응이 일어나는 양극으로서, 리튬과 반응하여 폴리서파이드(Li2Sn)를 생성하는 황 및/또는 탄소를 포함하는 양극을 의미한다.
여기서, 집전체는 전자를 모아서 외부 도선으로 보내주는 역할을 하도록 알루미늄으로 형성될 수 있다.
집전체에 결착되는 코팅층은 황 기반의 활물질, 도전재 및 고분자 바인더를 포함하는 슬러리 조성물로 형성된다. 이 때, 슬러리 조성물은 활물질, 도전재 및 고분자 바인더뿐만 아니라, 전극을 제작하기 위한 가공성 및 제작될 전극의 특성을 고려하여 미리 설정된 점도를 갖도록 추가적인 고형분을 더 포함할 수 있다. 또한, 추가적인 고형분의 종류 및 함량은 전극을 제작하기 위한 가공성 및 제작될 전극의 특성을 고려하여 적응적으로 조절될 수 있다.
활물질은 황으로 형성되거나, 황과 탄소로 구성되는 복합체로 형성될 수 있으며, 활물질이 황과 탄소로 구성되는 복합체로 형성되는 경우, 활물질은 황의 낮은 용융점을 이용하여 황을 탄소 내부로 용융 확산시키는 방식, 기화 확산, 또는 석출 등의 방식으로 제조될 수 있다.
도전재는 전극에 전도성을 부여하기 위한 물질로서, 탄소와 같이 도전성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 탄소 도전재는 흑연, Super P, 아세틸렌 블랙(Acethleneblack), 케첸 블랙(Ketjen black), 카본 블랙(Carbon black), 탄소 나노튜브(Carbon nanotube), 기상성장 탄소 섬유(Vapor grown carbon fiber) 및 메조 기공 탄소(Mesoporous carbon) 중 적어도 하나 이상이 적용되어 형성될 수 있다.
고분자 바인더는 리튬-황 전지의 전해액(전지의 구동을 위해 사용되도록 리튬염을 녹인 DME, DOL, THF, EC, DEC, DMC, TEGDME 등의 용매 중 어느 하나를 포함하는 전해질)에 대해 불용성으로서, 활물질 및 도전재를 집전체에 결착시키는 역할을 한다.
특히, 고분자 바인더는 아마이드 작용기(-CONH2)를 포함함으로써, 집전체에 결착되도록 활물질 및 도전재와 함께 슬러리 조성물을 형성하는 고분자 물질이다.
예를 들어, 고분자 바인더는 집전체와의 결착을 위하여 폴리서파이드와 바인딩 에너지(Binding energy)가 큰 카르보닐(Carbonyl) 작용기를 포함한 채, 물에 녹아 활물질과 도전재와 함께 집전체에 결착되는 수계 바인더일 수 있다.
따라서, 고분자 바인더는 알데히드 작용기에 의해 아마이드 작용기가 치환되는 반응(210) 및 산이 첨가되는 가교 반응(220)을 통하여, 슬러리 조성물을 집전체에 결착시킬 수 있다.
이하, 고분자 바인더로 5000 내지 10000000 몰(mole)의 분자량을 갖는 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide)가 이용되는 것으로 설명하나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 알데히드 작용기와 반응하는 아마이드 작용기를 포함하는 다양한 고분자 물질이 이용될 수 있다.
따라서, 고분자 바인더는 산이 첨가되는 가교 반응(220)을 통하여, 고분자 바인더끼리의 결합을 강화하며(110), 제작될 전극의 기계적 강도를 높일 수 있다.
특히, 고분자 바인더는 가교 반응(220)을 위하여 산이 첨가되는 정도에 따라, 변화되는 가교율을 가질 수 있다. 예를 들어, 고분자 바인더의 가교 반응(220)에서 산이 기준값 이상으로 많이 첨가되는 경우, 고분자 바인더의 가교율이 높아져 제작될 전극의 기계적 강도 역시 향상될 수 있다.
여기서, 가교 반응(220)을 위하여 첨가되는 산으로는 활물질, 도전재 및 집전체를 부식시키지 않도록 약산인 아세트산 (Acetic acid) 또는 옥살산(Oxalic acid) 중 적어도 어느 하나가 이용될 수 있다. 그러나 이에 제한되거나 한정되지 않고, 가교 반응(220)을 위하여 첨가되는 산으로는 황이나 탄소의 특성에 영향을 끼치거나, 알루미늄으로 형성되는 집전체를 부식시키는 성질이 강하지 않은 다양한 산이 이용될 수 있다.
이 때, 고분자 바인더의 가교 반응(220)이 발생되기 위해서, 알데히드 작용기에 의해 아마이드 작용기가 치환되는 반응(210)이 선행될 수 있다. 이에, 고분자 바인더는 알데히드 작용기에 의해 아마이드 작용기가 치환되는 반응(210)에 기초하여, 고분자 바인더 그 자신을 집전체에 강하게 결착(120)시킬 뿐만 아니라, 활물질 및 도전재를 집전체에 강하게 결착시킬 수 있다.
예를 들어, 고분자 바인더는 알데히드 작용기가 첨가됨에 따라, 알데히드 작용기에 의해 아마이드 작용기가 치환되는 반응(210)을 발생시키고, 이에 따라 생성되는 하이드록실 작용기(Hydroxyl group)를 이용하는 축합 반응(상기 축합 반응은 고분자 바인더의 하이드록실 작용기가 집전체 표면의 하이드록실 작용기와 만나 슬러리 조성물이 건조되는 과정에서 발생됨)을 통하여 집전체와 결착될 수 있다(120).
다른 예를 들면, 고분자 바인더는 활물질이 리튬과 반응하여 생성되는 폴리서파이드와의 바인딩 에너지를 통하여 활물질과 결합될 수 있다(130).
여기서, 활물질과 고분자 바인더 사이에는 아마이드 작용기와 폴리서파이드(폴리서파이드는 리튬 이온에 의해 생성되는 중간 생성물로서, 전하를 띄는 물질이기 때문에, 아마이드 작용기와 바인딩 에너지를 갖게 됨)에 의한 매우 큰 바인딩 에너지가 발생되기 때문에, 일반적인 고분자에 비해 더 큰 결착력이 발생될 수 있다(130).
이와 같은 알데히드 작용기에 의해 아마이드 작용기가 치환되는 반응(210)을 위해 고분자 바인더에 첨가되는 알데히드 작용기로는 글리옥살(Glyoxal)이 이용될 수 있다. 예를 들어, 다이알데히드의 형태인 글리옥살이 알데히드 작용기에 의해 아마이드 작용기가 치환되는 반응(210)을 위해 고분자 바인더에 첨가될 수 있다. 그러나 이에 제한되거나 한정되지 않고, 고분자 바인더에 첨가되는 물질로는 Formaldehyde, Acetaldehyde, Propionaldehyde, Butyraldehyde, Benzaldehyde, Cinnamaldehyde, Vanillin, Tolualdehyde, Furfural, Retinaldehyde 등이 반응이 가능한 알데히드로써 포함되는 물질이 이용될 수 있다. 더 구체적인 예를 들면, 다이알데히드로서, Glyoxal, Malondialdehyde, Succindialdehyde, Glutaraldehyde, Phthalaldehyde 등이 이용될 수 있다.
또한, 일실시예에 따른 슬러리 조성물에서는, 고분자 바인더에 알데히드 작용기가 첨가되어 알데히드 작용기에 의해 아마이드 작용기가 치환되는 반응(210)이 발생될 뿐만 아니라, 고분자 바인더로서, 아마이드 작용기를 포함하는 물질 및 알데히드 작용기를 포함하는 물질이 함께 이용됨으로써, 알데히드 작용기에 의해 아마이드 작용기가 치환되는 반응(210)이 발생될 수 있다.
예를 들어, 이러한 경우, 고분자 바인더로는 폴리아크릴아마이드 및 글리옥살화된 폴리아크릴아마이드가 함께 이용될 수 있다. 이 때, 글리옥살화된 폴리아크릴아마이드에서 폴리아크릴아마이드 성분에 대한 글리옥살 성분의 질량 백분율은 0.1 내지 75%일 수 있다.
또한, 고분자 바인더에서 알데히드 작용기가 첨가되는 정도에 따라, 알데히드 작용기에 의해 아마이드 작용기가 치환되는 반응(210)이 조절될 수 있다.
이와 같이, 일실시예에 따른 슬러리 조성물에 포함되는 고분자 바인더는 아마이드 작용기를 포함하며, 알데히드 작용기 및 산의 첨가에 따라 가교 반응이 진행되는 정도를 조절함으로써, 슬러리 조성물의 특성을 쉽게 조절할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 고분자 바인더의 가교 반응에 따른 전극의 접착성 향상을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 일실시예에 따른 리튬-황 전지의 수명 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 살펴보면, 도 1 내지 2를 참조하여 설명된 고분자 바인더(310)에서는 폴리아크릴아마이드(320)를 기반으로 가교 반응이 발생되기 때문에, 종래의 플루오르화 폴리비닐리덴 기반의 고분자 바인더(330)에 비해 집전체에 대한 결착력이 크게 향상되는 것이 확인된다.
더욱이, 도 1 내지 2를 참조하여 설명된 고분자 바인더(310)가 포함되는 슬러리 조성물로 집전체에 결착되는 코팅층이 형성된 양극은 일반적인 슬러리 조성물에 포함되는 고분자 바인더 간의 결합뿐만 아니라, 집전체에 대한 고분자 바인더의 결착 능력 및 활물질에 대한 고분자 바인더의 결합 능력을 갖기 때문에, 도 4와 같이 전극의 수명 특성(410)을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 제조되는 슬러리 조성물로 집전체에 결착되는 코팅층이 형성된 양극은 수계 바인더인 고분자 바인더를 이용하여 제작되기 때문에, 슬러리 조성물의 용매 회수 공정을 필요로 하지 않으며, 짧은 시간, 낮은 온도에서 제작되므로 제작 비용을 절감시키는 장점을 갖는다.
도 5는 일실시예에 따른 리튬-황 전지용 전극의 제작 방법을 나타낸 플로우 차트이다. 이하, 일실시예에 따른 리튬-황 전지용 전극의 제작 방법은 리튬-황 전지용 전극의 제작 시스템에 의해 수행되는 것으로 설명한다. 또한, 이하, 리튬-황 전지용 전극은 방전 과정 시 외부 도선으로부터 전자를 획득하여 환원 반응이 일어나는 양극을 의미한다.
도 5를 참조하면, 일실시예에 따른 리튬-황 전지용 전극의 제작 시스템은 집전체를 준비한다(510). 예를 들어, 리튬-황 전지용 전극의 제작 시스템은 전자를 모아서 외부 도선으로 보내주는 역할을 하도록 알루미늄으로 형성된 집전체를 준비할 수 있다.
그 다음, 리튬-황 전지용 전극의 제작 시스템은 황 기반의 활물질, 도전재 및 고분자 바인더-고분자 바인더는 리튬-황 전지의 전해액에 대해 불용성이고, 아마이드 작용기를 포함함-를 포함하는 슬러리 조성물을 제조한다(520).
여기서, 활물질은 황으로 형성되거나, 황과 탄소로 구성되는 복합체로 형성될 수 있으며, 도전재는 전극에 전도성을 부여하기 위하여 도전성을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
고분자 바인더는 아마이드 작용기를 포함함으로써, 후술되는 각종 반응들을 발생시켜 활물질 및 도전재를 집전체에 결착시키는 역할을 한다. 예를 들어, 고분자 바인더로는 폴리아크릴아마이드가 이용될 수 있으며, 알데히드 작용기가 첨가되어, 후술되는 530 단계에서, 알데히드 작용기에 의해 아마이드 작용기가 치환되는 반응 및 산이 첨가되는 가교 반응을 통하여, 슬러리 조성물을 집전체에 결착시킬 수 있다.
이 때, 고분자 바인더에 첨가되는 알데히드 작용기로는 글리옥살이 이용될 수 있다. 그러나 이에 제한되거나 한정되지 않고, 고분자 바인더에 알데히드 작용기가 첨가되는 대신에, 고분자 바인더로서, 아마이드 작용기를 포함하는 물질 및 알데히드 작용기를 포함하는 물질이 함께 이용될 수도 있다.
그 후, 리튬-황 전지용 전극의 제작 시스템은 슬러리 조성물로 집전체에 결착되는 코팅층을 형성한다(530).
구체적으로, 530 단계에서, 리튬-황 전지용 전극의 제작 시스템은 고분자 바인더를 기반으로 알데히드 작용기에 의해 아마이드 작용기가 치환되는 반응 및 산이 첨가되는 가교 반응을 통하여, 슬러리 조성물을 집전체에 결착시킬 수 있다.
예를 들어, 리튬-황 전지용 전극의 제작 시스템은 알데히드 작용기에 의해 아마이드 작용기가 치환되는 반응으로 생성되는 하이드록실 작용기를 이용하는 축합 반응을 통하여 고분자 바인더를 집전체와 결착시킬 수 있다.
다른 예를 들면, 리튬-황 전지용 전극의 제작 시스템은 활물질이 리튬과 반응하여 생성되는 폴리서파이드와의 바인딩 에너지를 통하여 고분자 바인더를 활물질과 결합시킬 수 있다.
특히, 리튬-황 전지용 전극의 제작 시스템은 가교 반응을 위하여 산이 첨가되는 정도에 따라, 530 단계에서 고분자 바인더의 가교율을 변화시킬 수 있다.
또한, 리튬-황 전지용 전극의 제작 시스템은 알데히드 작용기가 첨가되는 정도에 따라, 530 단계에서 알데히드 작용기에 의해 아마이드 작용기가 치환되는 반응을 조절할 수 있다.
또한, 530 단계에서, 리튬-황 전지용 전극의 제작 시스템은 슬러리 조성물을 집전체에 코팅한 뒤, 건조 과정을 수행하여 집전체에 결착되는 코팅층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 리튬-황 전지용 전극의 제작 시스템은 40 내지 70도에서 10 내지 60분 동안 건조 과정을 수행함으로써, 집전체에 코팅된 슬러리 조성물로 코팅층을 형성할 수 있다.
또한, 530 단계에서, 리튬-황 전지용 전극의 제작 시스템은 제작하고자 하는 전극의 두께에 기초하여, 슬러리 조성물을 집전체에 코팅하는 두께를 조절할 수 있다.
더 나아가, 리튬-황 전지용 전극의 제작 시스템은 필요에 따라, 롤-프레스를 통하여 전극의 밀도를 높일 수도 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 가교 반응의 정도 조절이 가능한 리튬-황 전지용 전극에 있어서,
    집전체; 및
    상기 집전체에 결착되는 코팅층
    을 포함하고,
    상기 코팅층은
    황 기반의 활물질, 도전재 및 고분자 바인더-상기 고분자 바인더는 상기 리튬-황 전지의 전해액에 대해 불용성이고, 아마이드 작용기를 포함함-를 포함하는 슬러리 조성물로 형성되는, 리튬-황 전지용 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 바인더는
    알데히드 작용기에 의해 상기 아마이드 작용기가 치환되는 반응 및 산이 첨가되는 가교 반응을 통하여, 상기 슬러리 조성물을 상기 집전체에 결착시키는, 리튬-황 전지용 전극.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고분자 바인더는
    상기 가교 반응을 위하여 산이 첨가되는 정도에 따라, 변화되는 가교율을 갖는, 리튬-황 전지용 전극.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 고분자 바인더는
    상기 알데히드 작용기에 의해 상기 아마이드 작용기가 치환되는 반응으로 생성되는 하이드록실 작용기를 이용하는 축합 반응을 통하여 상기 집전체와 결착되는, 리튬-황 전지용 전극.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 고분자 바인더는
    상기 활물질이 상기 리튬과 반응하여 생성되는 폴리서파이드와의 바인딩 에너지를 통하여 상기 활물질과 결합되는, 리튬-황 전지용 전극.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 고분자 바인더는
    폴리아크릴아마이드 및 글리옥살화된 폴리아크릴아마이드를 포함하는, 리튬-황 전지용 전극.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 폴리아크릴아마이드는
    5000 내지 10000000 몰(mole)의 분자량을 갖는, 리튬-황 전지용 전극.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 글리옥살화된 폴리아크릴아마이드에서 상기 폴리아크릴아마이드 성분에 대한 상기 글리옥살 성분의 질량 백분율은
    0.1 내지 75%인, 리튬-황 전지용 전극.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 산은
    상기 활물질, 상기 도전재 및 상기 집전체를 부식시키지 않도록 아세트산 또는 옥살산 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 리튬-황 전지용 전극.
  10. 가교 반응의 정도 조절이 가능한 리튬-황 전지용 전극의 제작 방법에 있어서,
    집전체를 준비하는 단계;
    황 기반의 활물질, 도전재 및 고분자 바인더-상기 고분자 바인더는 상기 리튬-황 전지의 전해액에 대해 불용성이고, 아마이드 작용기를 포함함-를 포함하는 슬러리 조성물을 제조하는 단계; 및
    상기 슬러리 조성물로 상기 집전체에 결착되는 코팅층을 형성하는 단계
    를 포함하는 리튬-황 전지용 전극의 제작 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 슬러리 조성물로 상기 집전체에 결착되는 코팅층을 형성하는 단계는
    상기 고분자 바인더를 기반으로 알데히드 작용기에 의해 상기 아마이드 작용기가 치환되는 반응 및 산이 첨가되는 가교 반응을 통하여, 상기 슬러리 조성물을 상기 집전체에 결착시키는 단계
    를 포함하는 리튬-황 전지용 전극의 제작 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 슬러리 조성물을 상기 집전체에 결착시키는 단계는
    상기 가교 반응을 위하여 산이 첨가되는 정도에 따라, 상기 고분자 바인더의 가교율을 변화시키는 단계
    를 더 포함하는 리튬-황 전지용 전극의 제작 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 슬러리 조성물을 상기 집전체에 결착시키는 단계는
    상기 알데히드 작용기에 의해 상기 아마이드 작용기가 치환되는 반응으로 생성되는 하이드록실 작용기를 이용하는 축합 반응을 통하여 상기 고분자 바인더를 상기 집전체와 결착시키는 단계
    를 포함하는 리튬-황 전지용 전극의 제작 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 슬러리 조성물을 상기 집전체에 결착시키는 단계는
    상기 활물질이 상기 리튬과 반응하여 생성되는 폴리서파이드와의 바인딩 에너지를 통하여 상기 고분자 바인더를 상기 활물질과 결합시키는 단계
    를 포함하는 리튬-황 전지용 전극의 제작 방법.
  15. 집전체 및 상기 집전체에 결착되는 코팅층을 포함하는 리튬-황 전지용 전극에서 상기 코팅층이 형성되는데 이용되는 슬러리 조성물에 있어서,
    황 기반의 활물질;
    도전재; 및
    고분자 바인더-상기 고분자 바인더는 상기 리튬-황 전지의 전해액에 대해 불용성이고, 아마이드 작용기를 포함함-
    를 포함하는 슬러리 조성물.
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