KR20180074902A - Sulfur-carbon composite and method for preparing thereof - Google Patents

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Abstract

Provided are: a crystalline or paracrystalline carbonaceous conductive material having a three-dimensional framework structure formed by aggregating a plurality of primary particles having pores; sulfur existing in the pores of the primary particles and on the surface of the three-dimensional framework structure; and a sulfur-carbon composite comprising the carbonaceous conductive material and an outermost carbonaceous coating layer surrounding the sulfur. It is an object of the present invention to provide the sulfur-carbon composite having a structure capable of improving the utilization ratio of sulfur in an electrochemical oxidation-reduction reaction and inhibiting dissolution of sulfur into a non-aqueous solvent.

Description

황-탄소 복합체 및 이의 제조방법{SULFUR-CARBON COMPOSITE AND METHOD FOR PREPARING THEREOF}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a sulfur-

본 발명은 황-탄소 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 이차 전지 양극 재료에 적용되어 우수한 성능을 나타내는 황-탄소 복합체에 관한 것이다.
The present invention relates to a sulfur-carbon composite material and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a sulfur-carbon composite material which is applied to a cathode material of a secondary battery and exhibits excellent performance.

이차전지는 전기자동차나 전지전력저장시스템 등의 대용량 전력저장 전지와 휴대전화, 캠코더, 노트북 등의 휴대 전자기기의 고성능 에너지원으로 사용되고 있다. BACKGROUND ART [0002] A secondary battery is used as a high-performance energy source for a large-capacity power storage battery such as an electric car or a battery power storage system, and a portable electronic device such as a mobile phone, a camcorder, and a notebook.

이차전지로서 리튬이온전지는 니켈-망간전지나 니켈-카드뮴전지보다 에너지 밀도가 높고 면적당 용량이 크다는 장점이 있으나, 과열에 의한 안정성 저하, 낮은 에너지 밀도 및 저출력 특성 등과 같은 여러가지 단점을 가지고 있다.As a secondary battery, a lithium ion battery has a higher energy density and a larger capacity per unit area than a nickel-manganese battery or a nickel-cadmium battery, but has various disadvantages such as low stability due to overheating, low energy density and low output characteristics.

이러한 리튬이온전지의 단점을 개선하기 위해 고출력 및 높은 에너지 밀도를 가지는 리튬유황 이차전지나 리튬공기 이차전지 등에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있는 추세이다.In order to improve the disadvantages of such lithium ion batteries, research and development on lithium sulfur secondary batteries and lithium secondary batteries having high output and high energy density are actively under way.

이 중에서 리튬유황 이차전지는 유황을 양극 활물질로 사용하고 리튬 금속을 음극으로 사용하는 전지로서, 기존 리튬이온 전지의 이론적 에너지 밀도보다 5배 높은 2500Wh/kg을 나타냄으로써 고출력, 고에너지 밀도를 요구하는 전기 자동차용 배터리로 적합하다.Of these, the lithium sulfur secondary battery uses sulfur as a cathode active material and uses lithium metal as a cathode. It exhibits 2500 Wh / kg, which is five times higher than the theoretical energy density of a conventional lithium ion battery and requires high output and high energy density It is suitable as battery for electric vehicles.

위와 같은 장점에도 불구하고, 황을 활물질로 사용하면 투입된 황의 총량 대비 전지 내 전기화학적 산화-환원 반응에 참여하는 황의 이용률이 낮아, 실제로는 이론 용량보다 낮은 전지 용량을 나타내는 문제가 있었다.Despite the above advantages, when sulfur is used as the active material, the utilization rate of sulfur participating in the electrochemical oxidation-reduction reaction in the cell is lower than the total amount of sulfur added, which actually results in a cell capacity lower than the theoretical capacity.

또한, 전지의 구동시 일어나는 산화-환원 반응시 황이 비수계 용매인 전해질로 유출되어 전지 수명이 열화되며, 황의 환원 물질인 리튬-폴리설파이드가 용출되어 양극과 음극 사이를 이동하는 셔틀 현상에 의해 전지 용량 및 수명이 저하되는 문제가 있었다. In addition, during the oxidation-reduction reaction occurring during the operation of the battery, the sulfur is discharged to the electrolyte, which is a non-aqueous solvent, and the lifetime of the battery deteriorates. Due to the shuttle phenomenon that lithium- polysulfide, which is a reducing material of sulfur, is eluted and moves between the anode and the cathode, There is a problem that the capacity and the service life are deteriorated.

또한, 지금까지 알려진 대부분의 리튬 유황 이차전지용 양극 활물질들은 황의 서포트로 사용되는 도전재의 메조 포어 및 마이크로 포어 내 황이 주입된 복합체에 관한 것이나, 종래 기술에 따른 복합체들은 복합체 내에 황의 불균일한 주입에 의해 황-응집체가 존재하거나 복합체 내에 황이 고르게 분산되지 않으며, 전지 구동 중의 황 성분의 용출을 방지하지 못하여 셔틀 현상을 야기한다는 문제가 있었다.
In addition, most of the cathode active materials for lithium sulfur secondary batteries known so far are related to a composite of a conductive mesophase and a sulfur-doped microporous material used as a support for sulfur, but the composites according to the prior art do not contain sulfur - Aggregates are present or the sulfur is not uniformly dispersed in the composite, and the elution of sulfur components during the operation of the battery can not be prevented, resulting in a shuttle phenomenon.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전기화학적 산화-환원 반응 시 황의 이용률을 향상시킬 수 있고, 황의 비수계 용매에 대한 용출을 억제할 수 있는 구조를 가지는 황-탄소 복합체를 제공하는 것을 목적으로 한다. Disclosure of the Invention The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a sulfur-carbon composite having a structure capable of improving the utilization ratio of sulfur in an electrochemical oxidation-reduction reaction and inhibiting dissolution of sulfur into non- The purpose.

또한, 본 발명은 복합체 내의 일부 영역에 황이 응집되지 않고 균일하게 분산 및 코팅됨에 따라 황과 유사한 수준의 기계적 특성을 가지는 황-탄소 복합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide a sulfur-carbon composite having mechanical properties similar to those of sulfur as sulfur is not uniformly dispersed and coated in some regions of the composite.

또한, 본 발명은 상기 이점을 갖는 황-탄소 복합체의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
It is another object of the present invention to provide a process for producing a sulfur-carbon composite having the above advantages.

본 발명의 일 구현예에서, 기공을 갖는 복수의 일차 입자들이 집합되어 형성된 3차원 골격 구조를 갖는 결정상(crystalline) 또는 유사결정상(paracrystalline)의 탄소질 도전재; 상기 복수의 일차 입자들의 기공 내부 및 상기 3차원 골격 구조의 표면에 존재하는 황; 및 상기 탄소질 도전재 및 상기 황을 둘러싸는 최외각 탄소질 코팅층을 포함하는 황-탄소 복합체 제공한다.In one embodiment of the present invention, a crystalline or pseudocratic carbonaceous conductive material having a three-dimensional framework structure formed by aggregating a plurality of primary particles having pores; Sulfur existing in the pores of the plurality of primary particles and on the surface of the three-dimensional framework structure; And an outermost carbonaceous coating layer surrounding the carbonaceous conductive material and the sulfur.

상기 기공은 직경이 2nm 내지 50nm인 메조 기공 및 직경이 0nm 초과, 2nm 미만인 마이크로 기공을 포함하고, 상기 황은 상기 메조 기공 및 상기 마이크로 기공 내부에 충전될 수 있다. The pores may include mesopores having a diameter of 2 nm to 50 nm and micropores having a diameter of more than 0 nm and less than 2 nm, and the sulfur may be filled in the mesopores and the micropores.

상기 메조 기공 및 상기 마이크로 기공 내부의 상기 황의 충전율은 90면적% 내지 100면적%일 수 있다.The filling ratio of the mesopores and the sulfur in the micropores may be 90% to 100% by area.

상기 최외각 탄소질 코팅층의 탄소와 상기 황은 공유 결합을 이룰 수 있다. The carbon of the outermost carbonaceous coating layer and the sulfur may form a covalent bond.

상기 최외각 탄소질 코팅층은 석유계 피치, 석탄계 피치, 화학계 피치 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 저결정성 탄소 재료로부터 유래될 수 있다. The outermost carbonaceous coating layer may be derived from a low crystalline carbon material comprising one selected from the group consisting of petroleum pitch, coal pitch, chemical pitch and combinations thereof.

상기 최외각 탄소질 코팅층은 복합체 중의 약 50중량% 미만일 수 있고, 예를 들어, 약 0중량% 초과, 약 50중량% 미만일 수 있다. The outermost carbonaceous coating layer may be less than about 50% by weight in the composite, for example, greater than about 0% by weight, and less than about 50% by weight.

본 발명이 다른 구현예에서, a) 기공을 갖는 복수의 일차 입자들이 집합되어 형성된 3차원 골격 구조를 갖는 결정상(crystalline) 또는 유사결정상(paracrystalline)의 탄소질 도전재와 황 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; b) 상기 혼합물을 제1 열처리하여 상기 혼합물 중의 황 분말을 용융시켜 상기 복수의 일차 입자들의 기공 내부에 충전하고, 상기 3차원 골격 구조의 표면에 코팅하는 단계; c) 상기 혼합물에 저결정성 탄소 재료를 혼합하여 상기 탄소질 도전재 및 상기 황을 둘러싸는 최외각 탄소질 코팅층을 형성하는 단계; d) 상기 최외각 탄소질 코팅층이 형성된 혼합물을 제2 열처리하는 단계; 및 e) 상기 최외각 탄소질 코팅층이 형성된 혼합물을 제3 열처리하여 상기 최외각 탄소질 코팅층을 탄화시키는 단계를 포함하는 황-탄소 복합체의 제조방법이 제공된다. In another embodiment of the present invention, there is provided a method for preparing a mixture of a) a carbonaceous conductive material having a three-dimensional skeleton structure formed by aggregating a plurality of primary particles having pores and a crystalline or pseudocratic carbonaceous conductive material, Producing; b) subjecting the mixture to a first heat treatment to melt the sulfur powder in the mixture to fill the pores of the plurality of primary particles and coat the surface of the three-dimensional framework structure; c) mixing the low-crystalline carbon material with the mixture to form the carbonaceous conductive material and the outermost carbonaceous coating layer surrounding the sulfur; d) subjecting the mixture having the outermost carbonaceous coating layer formed to a second heat treatment; And e) subjecting the mixture having the outermost carbonaceous coating layer formed to a third heat treatment to carbonize the outermost carbonaceous coating layer.

상기 단계 a)에서 상기 혼합물은 상기 탄소질 도전재와 상기 황 분말을 상기 탄소질 도전재 : 상기 황 분말의 중량비가 1 : 15 내지 1 : 30을 만족하도록 혼합하여 제조될 수 있다.In the step a), the mixture may be prepared by mixing the carbonaceous conductive material and the sulfur powder so that the weight ratio of the carbonaceous conductive material: the sulfur powder is 1: 15 to 1:30.

상기 단계 b)에서 제1 열처리 온도는 120℃ 내지 180℃일 수 있다. 또한, 상기 단계 d)에서 제2 열처리 온도는 200℃ 내지 350℃일 수 있다. 또한, 상기 단계 e)에서 제3 열처리 온도는 500℃ 내지 1000℃일 수 있다. 상기 단계 d)에서 제2 열처리는 1bar 내지 10bar의 가압 조건 하에서 수행될 수 있다.
In the step b), the first heat treatment temperature may be 120 ° C to 180 ° C. In addition, in the step d), the second heat treatment temperature may be 200 ° C to 350 ° C. In the step e), the third heat treatment temperature may be 500 ° C to 1000 ° C. In the step d), the second heat treatment may be performed under a pressure of 1 bar to 10 bar.

본 발명의 일 구현예에 따른 상기 황-탄소 복합체는 전기화학적 산화-환원 반응 시 황의 이용률을 향상시킬 수 있고, 황의 비수계 용매에 대한 용출을 억제할 수 있는 구조를 갖는다. The sulfur-carbon composite according to one embodiment of the present invention has a structure capable of improving the utilization ratio of sulfur in an electrochemical oxidation-reduction reaction and inhibiting dissolution of sulfur into a non-aqueous solvent.

또한, 상기 황-탄소 복합체는 복합체 내의 일부 영역에 황이 응집되지 않고 전체적으로 균일하게 분산 및 코팅됨에 따라 황과 유사한 수준의 기계적 특성을 나타낼 수 있다.In addition, the sulfur-carbon composite may exhibit a mechanical property similar to sulfur as sulfur is not aggregated in a part of the composite and uniformly dispersed and coated as a whole.

또한, 본 발명의 다른 구현예에 따른 상기 황-탄소 복합체의 제조방법을 통하여 전술한 이점을 갖는 황-탄소 복합체를 얻을 수 있다.
In addition, the sulfur-carbon composite having the above-described advantages can be obtained through the method for producing the sulfur-carbon composite according to another embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 황-탄소 복합체를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실험예 2에 따른 결과 그래프를 도시한 것이다.
1 schematically shows a sulfur-carbon composite of the present invention.
2 shows a graph of a result of Experimental Example 2 of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other features and advantages of the present invention will become more apparent by describing in detail exemplary embodiments thereof with reference to the attached drawings in which: These embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art to which the invention pertains. Only.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께 또는 영역을 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역을 과장되게 나타내었다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. In the drawings, the thickness or area is enlarged to clearly indicate layers and regions. In the drawings, for purposes of explanation, some layers and regions are exaggerated. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하, 본 발명의 구현예에 따른 황-탄소 복합체 및 이의 제조방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
Hereinafter, a sulfur-carbon composite according to embodiments of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail.

본 발명의 일 구현예는 기공을 갖는 복수의 일차 입자들이 집합되어 형성된 3차원 골격 구조를 갖는 결정상(crystalline) 또는 유사결정상(paracrystalline)의 탄소질 도전재; 상기 복수의 일차 입자들의 기공 내부 및 상기 3차원 골격 구조의 표면에 존재하는 황; 및 상기 탄소질 도전재 및 상기 황을 둘러싸는 최외각 탄소질 코팅층을 포함하는 황-탄소 복합체를 제공한다. One embodiment of the present invention relates to a carbonaceous conductive material of a crystalline or pseudocrystalline having a three-dimensional framework structure formed by aggregating a plurality of primary particles having pores; Sulfur existing in the pores of the plurality of primary particles and on the surface of the three-dimensional framework structure; And an outermost carbonaceous coating layer surrounding the carbonaceous conductive material and the sulfur.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 황-탄소 복합체(100)를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1을 참조할 때, 상기 황-탄소 복합체(100)는 탄소질 도전재(10), 황(20) 및 최외각 탄소질 코팅층(30)을 포함한다. 1 schematically illustrates the sulfur-carbon composite 100 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the sulfur-carbon composite 100 includes a carbonaceous conductive material 10, a sulfur 20, and an outermost carbonaceous coating layer 30.

도 1을 참조할 때, 상기 탄소질 도전재(10)는 기공을 갖는 복수의 일차 입자들이 응집되어 가지(branch) 형상의 구조를 형성하고, 상기 가지(branch) 형상의 구조가 불규칙적으로 뻗어 형성된 3차원 골격 구조를 갖는다. 이러한 3차원 골격 구조를 통하여 상기 탄소질 도전재는 부피 대비 비표면적이 큰 특징을 갖게 된다. Referring to FIG. 1, the carbonaceous conductive material 10 has a structure in which a plurality of primary particles having pores are aggregated to form a branch-like structure, and the branch-like structure is irregularly formed And has a three-dimensional skeletal structure. Through the three-dimensional framework structure, the carbonaceous conductive material has a large specific surface area relative to volume.

구체적으로, 상기 탄소질 도전재의 BET 비표면적은 약 50㎡/g 내지 약 1300㎡/g일 수 있고, 예를 들어, 약 50㎡/g 내지 약 1000㎡/g일 수 있고, 예를 들어, 약 50㎡/g 내지 약 900㎡/g일 수 있고, 예를 들어, 약 50㎡/g 내지 약 500㎡/g일 수 있고, 약 50㎡/g 내지 약 100㎡/g일 수 있고, 예를 들어, 약 60㎡/g 내지 약 80㎡/g일 수 있다. 상기 BET 비표면적은 상기 탄소질 도전재의 복수의 일차 입자들의 기공 내부와 상기 3차원 골격 구조의 표면에 황이 존재하기 이전의 상기 탄소질 도전재 자체의 BET 표면적의 의미한다. 상기 범위의 BET 비표면적을 통하여, 상기 황-탄소 복합체는 높은 함량의 황을 함유할 수 있게 되며, 목적하는 황 이용률을 확보할 수 있다.Specifically, the BET specific surface area of the carbonaceous conductive material can be from about 50 m 2 / g to about 1300 m 2 / g, for example from about 50 m 2 / g to about 1000 m 2 / g, G may be from about 50 m 2 / g to about 100 m 2 / g, for example from about 50 m 2 / g to about 500 m 2 / g, G to about 80 m < 2 > / g. The BET specific surface area means the BET surface area of the carbonaceous conductive material itself before the presence of sulfur in the pores of the plurality of primary particles of the carbonaceous conductive material and on the surface of the three-dimensional framework structure. Through the BET specific surface area in the above range, the sulfur-carbon composite can contain a high content of sulfur, and the desired sulfur utilization can be ensured.

상기 탄소질 도전재의 복수의 일차 입자들은 각각의 입경(particle diameter)이 약 30nm 내지 약 100nm일 수 있다. 이때, 상기 입경(particle diameter)은 광학 현미경 또는 전자 현미경을 이용하여 측정할 수 있고, 각 입자의 산술 평균치로서 고려한다. The plurality of primary particles of the carbonaceous conductive material may each have a particle diameter of about 30 nm to about 100 nm. At this time, the particle diameter can be measured using an optical microscope or an electron microscope, and is regarded as an arithmetic average value of each particle.

또한, 상기 탄소질 도전재를 이루는 복수의 일차 입자들은 각각의 입자가 기공을 갖는 다공성 구조이며, 구체적으로 메조 기공, 마이크로 기공 또는 이들 모두를 포함할 수 있다. 이때, 상기 메조 기공은 직경이 약 2nm 내지 약 50nm인 기공이고, 상기 마이크로 기공은 기공의 직경이 약 2nm 미만, 즉, 약 0nm 초과, 약 2nm 미만인 기공이다. In addition, the plurality of primary particles constituting the carbonaceous conductive material may be a porous structure in which each particle has pores, and may specifically include mesopores, micropores, or both. The mesopore is a pore having a diameter of about 2 nm to about 50 nm, and the micropore is a pore having a pore diameter of less than about 2 nm, i.e., more than about 0 nm and less than about 2 nm.

상기 탄소질 도전재는 고결정성 탄소 재료, 즉, 결정상(crsyalline) 또는 유사결정상(paracrystalline)의 탄소 재료로 이루어진다. 예를 들어, 상기 탄소질 도전재는 카본 블랙, 케첸 블랙, 램프 블랙, 채널 블랙, 아세틸렌 블랙, 파네스 블랙, 서머 블랙, 그래핀, 플러렌, 카본나노튜브, 카본나노섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.The carbonaceous conductive material is made of a highly crystalline carbon material, that is, a carbon material of a crsyalline or a similar paracrystalline. For example, the carbonaceous conductive material may include carbon black, ketjen black, lamp black, channel black, acetylene black, fines black, summer black, graphene, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanofibers, . ≪ / RTI >

또한, 상기 황-탄소 복합체 전체 중량 중의 상기 탄소질 도전재의 중량은 약 1중량% 내지 약 10중량%일 수 있다.
Also, the weight of the carbonaceous conductive material in the total weight of the sulfur-carbon composite material may be about 1 wt% to about 10 wt%.

도 1을 참조할 때, 상기 황-탄소 복합체(100)의 황(20)은 상기 탄소질 도전재(10)의 복수의 일차 입자들의 기공 내부, 상기 탄소질 도전재(10)의 3차원 골격 구조의 표면, 또는 이들 모두에 존재할 수 있다.Referring to FIG. 1, the sulfur 20 of the sulfur-carbon composite 100 is injected into the pores of a plurality of primary particles of the carbonaceous conductive material 10, The surface of the structure, or both.

구체적으로, 상기 황(20)은 황 원자 형태 또는 황 화합물 형태이며, 이때, 상기 황 화합물은 황을 함유하는 폴리머는 아니다. 즉, 상기 황(20)은 황 원자 형태 또는 비폴리머성 황 화합물 형태이다. Specifically, the sulfur 20 is in the form of a sulfur atom or a sulfur compound, wherein the sulfur compound is not a sulfur-containing polymer. That is, the sulfur 20 is in the form of a sulfur atom or a non-polymeric sulfur compound.

상기 복수의 일차 입자들의 기공 내부에 존재하는 황은 상기 메조 기공 및 상기 마이크로 기공을 충전한 상태로 존재하며, 보다 구체적으로, 상기 메조 기공 및 상기 마이크로 기공의 내벽에 코팅된 상태로 존재한다. Sulfur present in the pores of the plurality of primary particles is present in a state filled with the mesopores and the micropores, more specifically, the mesopores and the micropores are coated on the inner wall.

이때, 상기 메조 기공 및 상기 마이크로 기공 내부의 상기 황의 충전율은 약 90면적% 내지 약 100면적%일 수 있고, 예를 들어, 약 90면적% 내지 약 98.5면적%일 수 있다. 즉, 기공 내벽 전체 면적 중에 약 90% 내지 약 100%, 예를 들어, 약 90% 내지 약 98.5%의 면적에 코팅되어 있을 수 있다. 이로써, 상기 황-탄소 복합체의 황 함유량이 높아지고, 기공 내부에 존재함으로써 황의 용출 가능성을 줄일 수 있다. 상기 기공 내부의 상기 황의 충전율은 황이 충전되기 이전의 탄소질 도전재의 비표면적과 상기 황이 충전된 이후의 탄소질 도전재의 비표면적을 비교하여 도출할 수 있다. 이때, 비표면적은 BET 측정 장비를 이용하여 측정 가능하다Here, the filling rate of the sulfur in the mesopores and the micropores may be about 90% to about 100%, for example, about 90% to about 98.5%. That is, about 90% to about 100%, for example, about 90% to about 98.5% of the total area of the pore inner wall. As a result, the sulfur content of the sulfur-carbon composite is increased and the presence of sulfur in the pores reduces the possibility of sulfur leaching. The filling rate of the sulfur in the pores can be derived by comparing the specific surface area of the carbonaceous conductive material before the sulfur is filled with the specific surface area of the carbonaceous conductive material after the sulfur is filled. At this time, the specific surface area can be measured using a BET measuring instrument

상기 탄소질 도전재(10)의 3차원 골격 구조의 표면에 존재하는 황은 상기 복수의 일차 입자들이 응집되어 형성된 가지(branch) 형상의 구조 사이의 공간에 존재할 수 있다. 이러한 위치에 황이 존재함으로써 낮은 전기 전도성을 갖는 황의 충분한 반응 표면적이 확보 가능할 수 있다. Sulfur present on the surface of the three-dimensional framework structure of the carbonaceous conductive material 10 may exist in a space between branch-shaped structures formed by aggregation of the plurality of primary particles. Due to the presence of sulfur at such locations, a sufficient reaction surface area of sulfur with low electrical conductivity can be secured.

또한, 상기 황-탄소 복합체에 있어서, 상기 3차원 골격 구조 표면에 존재하는 황은 상기 가지 형상의 구조 사이의 공간을 전체적으로 점유하지 않으며, 일부만을 점유하도록 존재할 수 있다. 이로써, 황에 의해 점유되지 않은 공간들이 전기화학적 산화-환원 반응을 위해 전해질이 확산 또는 이동하는 경로로 이용될 수 있으며, 상기 전해질이 상기 황에 용이하게 도달하여 전기화학적 산화-환원 반응 시 황의 이용률을 향상시킬 수 있다. In addition, in the sulfur-carbon composite, the sulfur present on the surface of the three-dimensional framework structure may not exist in the space between the branched structures as a whole, but may occupy only a part of the space. As a result, the spaces not occupied by sulfur can be used as a path for diffusion or migration of the electrolyte for the electrochemical oxidation-reduction reaction, and the electrolyte easily reaches the sulfur, and the utilization rate of sulfur in the electrochemical oxidation- Can be improved.

또한, 상기 황-탄소 복합체 전체 중량 중의 상기 황의 중량은 약 10중량% 내지 약 50중량%일 수 있다.
In addition, the weight of the sulfur in the total weight of the sulfur-carbon composite may be about 10 wt% to about 50 wt%.

도 1을 참조할 때, 상기 황-탄소 복합체(100)의 최외각 탄소질 코팅층(30)은 상기 탄소질 도전재(10) 및 상기 황(20)을 둘러싸는 피복층이다. Referring to FIG. 1, the outermost carbonaceous coating layer 30 of the sulfur-carbon composite 100 is a covering layer surrounding the carbonaceous conductive material 10 and the sulfur 20.

상기 황-탄소 복합체(100)가 상기 최외각 탄소질 코팅층(30)을 포함함으로써 상기 황(20)의 비수계 용매에 대한 용출을 방지하는 성능이 크게 향상되며, 상기 황-탄소 복합체(100)의 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. The performance of preventing the leaching of the sulfur 20 to the non-aqueous solvent is greatly improved by including the outermost carbonaceous coating layer 30 on the sulfur-carbon composite 100, Can be improved.

구체적으로, 상기 최외각 탄소질 코팅층(30)은 상기 황-탄소 복합체(100) 전체 중량 중의 약 50중량% 미만일 수 있고, 예를 들어, 약 0중량% 초과, 약 50중량% 미만일 수 있다.Specifically, the outermost carbonaceous coating layer 30 may be less than about 50 wt%, for example, greater than about 0 wt% and less than about 50 wt% of the total weight of the sulfur-carbon composite 100.

또한, 상기 최외각 탄소질 코팅층은 저결정성 탄소 재료로부터 유래될 수 있다. 구체적으로, 상기 저결정성 탄소 재료는 석유계 피치, 석탄계 피치, 화학계 피치 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.Further, the outermost carbonaceous coating layer may be derived from a low-crystalline carbon material. Specifically, the low-crystalline carbon material may include one selected from the group consisting of a petroleum pitch, a coal pitch, a chemical pitch, and combinations thereof.

상기 최외각 탄소질 코팅층이 저결정성 탄소 재료로부터 유래됨으로써 고결정성 탄소 재료, 즉, 결정상 또는 유사결정상의 탄소 재료를 이용해 제조되는 경우에 비하여 결정상이 가변적인 이점이 있고, 이를 통해 상기 최외각 탄소질 코팅층의 결정상을 열처리 조건을 통해 목적하는 수준으로 가공할 수 있다는 점에서 유리할 수 있다. Since the outermost carbonaceous coating layer is derived from a low-crystalline carbon material, there is an advantage that the crystalline phase is variable as compared with the case where it is produced using a high-crystalline carbon material, that is, a crystalline material or a carbon material having a similar crystal phase, It may be advantageous in that the crystal phase of the vaginal coating layer can be processed to the desired level through heat treatment conditions.

도 1을 참조할 때, 상기 최외각 탄소질 코팅층은 상기 탄소질 도전재의 3차원 골격 구조의 표면에 코팅된 황과 직접 맞닿을 수 있고, 경우에 따라, 상기 탄소질 도전재의 복수의 일차 입자의 기공 내부에 존재하는 황과도 맞닿을 수 있다. Referring to FIG. 1, the outermost carbonaceous coating layer can directly contact sulfur coated on the surface of the three-dimensional framework structure of the carbonaceous conductive material, and in some cases, a plurality of primary particles of the carbonaceous conductive material It can also come in contact with sulfur present inside the pores.

이때, 상기 최외각 탄소질 코팅층의 탄소 원자(C)는 상기 황의 황 원자(S)와 공유 결합을 이룰 수 있다. 이로써, 상기 황의 비수계 용매에 대한 용출 억제 효과가 극대화되며, 전지 용량 및 수명 향상에 기여할 수 있다. At this time, the carbon atom (C) of the outermost carbonaceous coating layer can form a covalent bond with the sulfur atom (S) of the sulfur. As a result, the effect of inhibiting dissolution of sulfur in the non-aqueous solvent is maximized, which contributes to the improvement of battery capacity and lifetime.

또한, 전술한 바와 같이, 상기 황(20)은 황 원자 형태 또는 황 화합물 형태이며, 이때, 상기 황 화합물은 황을 함유하는 폴리머는 아니다. 즉, 상기 황(20)은 황 원자 형태 또는 비폴리머성 황 화합물 형태이다. Also, as noted above, the sulfur 20 is in the form of a sulfur atom or a sulfur compound, wherein the sulfur compound is not a sulfur containing polymer. That is, the sulfur 20 is in the form of a sulfur atom or a non-polymeric sulfur compound.

일반적으로, 황의 용출을 억제하기 위하여 황을 함유하는 폴리머 물질이 사용되어 왔다. 여기서 황을 함유하는 폴리머 물질이란, 화학적 구조 내에 탄소-황(C-S) 결합 또는 황-황(S-S) 결합을 갖는 폴리머 물질이다. 다만, 황을 함유하는 폴리머 물질은 전지의 방전 시, 리튬(Li) 이온과 황 원자(S)가 결합하여 폴리머가 절단됨에 따라 반응의 가역성이 없어지고, 그 결과 전지의 수명을 저하시킨다는 문제가 있었다. Generally, sulfur-containing polymer materials have been used to inhibit the elution of sulfur. Here, the sulfur-containing polymer material is a polymer material having a carbon-sulfur (C-S) bond or a sulfur-sulfur (S-S) bond in its chemical structure. However, the polymer material containing sulfur has a disadvantage that the reversibility of the reaction is lost as the polymer is cleaved by the binding of lithium (Li) ion and sulfur atom (S) at the time of discharge of the battery, there was.

이에, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 황-탄소 복합체는 상기 황(20)을 황 원자 또는 비폴리머성 황 화합물 형태로 이용함으로써 황의 용출을 억제함과 동시에 전지에 수명의 개선하는 효과를 얻을 수 있다. Accordingly, the sulfur-carbon composite according to one embodiment of the present invention has the effect of suppressing the elution of sulfur and improving the lifetime of the battery by using the sulfur (20) in the form of a sulfur atom or a non-polymeric sulfur compound .

상기 비폴리머성 황 화합물은 특별히 제한되지 아니하나, 예를 들어, 디페닐디설파이트(diphenyl disulfide), 디벤조티오펜(dibenzothiophene), 티오에테르(thioethers), 티오에스터(thioesters), 티오아세탈(thioacetals) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 사용할 수 있다.
The nonpolymeric sulfur compound is not particularly limited and includes, for example, diphenyl disulfide, dibenzothiophene, thioethers, thioesters, thioacetals, ), And a combination thereof.

본 발명의 다른 구현예는, 상기 황-탄소 복합체의 제조방법을 제공한다. 이때, 상기 황-탄소 복합체의 제조방법은 하기 단계들을 포함할 수 있다. Another embodiment of the present invention provides a process for producing the sulfur-carbon composite. At this time, the method for producing the sulfur-carbon composite may include the following steps.

a) 기공을 갖는 복수의 일차 입자들이 집합되어 형성된 3차원 골격 구조를 갖는 결정상(crystalline) 또는 유사결정상(paracrystalline)의 탄소질 도전재와 황 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; a) preparing a mixture by mixing a carbonaceous conductive material of a crystalline or pseudocratic paratrystalline structure having a three-dimensional skeleton structure formed by collecting a plurality of primary particles having pores and sulfur powder;

b) 상기 혼합물을 제1 열처리하여 상기 혼합물 중의 황 분말을 용융시켜 상기 복수의 일차 입자들의 기공 내부에 충전하고, 상기 3차원 골격 구조의 표면에 코팅하는 단계; b) subjecting the mixture to a first heat treatment to melt the sulfur powder in the mixture to fill the pores of the plurality of primary particles and coat the surface of the three-dimensional framework structure;

c) 상기 혼합물에 저결정성 탄소 재료를 혼합하여 상기 탄소질 도전재 및 상기 황을 둘러싸는 최외각 탄소질 코팅층을 형성하는 단계; c) mixing the low-crystalline carbon material with the mixture to form the carbonaceous conductive material and the outermost carbonaceous coating layer surrounding the sulfur;

d) 상기 최외각 탄소질 코팅층이 형성된 혼합물을 제2 열처리하는 단계; 및 d) subjecting the mixture having the outermost carbonaceous coating layer formed to a second heat treatment; And

e) 상기 최외각 탄소질 코팅층이 형성된 혼합물을 제3 열처리하여 상기 최외각 탄소질 코팅층을 탄화시키는 단계.
e) subjecting the mixture having the outermost carbonaceous coating layer formed to a third heat treatment to carbonize the outermost carbonaceous coating layer.

상기 단계 a) 내지 d)를 통하여 전술한 구조 및 특징을 갖는 황-탄소 복합체가 제조될 수 있다. 상기 탄소질 도전재, 황 및 최외각 탄소질 코팅층에 관한 사항은 전술한 바와 같다. Through the above steps a) to d), a sulfur-carbon composite having the above-described structure and characteristics can be produced. The matters relating to the carbonaceous conductive material, the sulfur and the outermost carbonaceous coating layer are as described above.

상기 단계 a)에서, 상기 혼합물은 상기 탄소질 도전재와 상기 황 분말을 혼합하여 제조하며, 이때, 탄소질 도전재 : 황 분말의 중량비는 1 : 15 내지 1 : 30일 수 있다. In the step a), the mixture is prepared by mixing the carbonaceous conductive material and the sulfur powder, wherein the weight ratio of the carbonaceous conductive material: sulfur powder may be 1:15 to 1:30.

상기 탄소질 도전재와 상기 황 분말은 혼합을 위해 물리적으로 가공될 수 있으며, 구체적으로, 그라인딩(grinding) 또는 밀링(milling)의 방법으로 가공되어 균일하게 혼합될 수 있다. The carbonaceous conductive material and the sulfur powder may be physically processed for mixing and may be processed by a method of grinding or milling and mixed uniformly.

상기 단계 b)는 상기 탄소질 도전재의 3차원 골격 구조의 표면 또는 기공의 내부로 황을 침투시키기 위한 단계로서, 이때, 제1 열처리 온도는 약 120℃ 내지 약 180℃일 수 있다. 이러한 온도 범위에서 열처리 함으로써 상기 황 분말이 용융되어 상기 3차원 골격 구조의 표면 또는 기공의 내부로 침투되기에 용이한 흐름성을 확보할 수 있다. Step b) is a step for impregnating sulfur into the surface or pores of the three-dimensional framework structure of the carbonaceous conductive material, wherein the first heat treatment temperature may be about 120 ° C to about 180 ° C. By the heat treatment in this temperature range, the sulfur powder can be melted and flowability can be easily ensured to penetrate into the surface or pores of the three-dimensional framework structure.

이때, 용융된 상기 황을 보다 효율적으로 침투시키기 위하여 상기 단계 b)를 약 1bar 내지 약 10bar의 가압 조건 하에서 수행할 수도 있다. At this time, step b) may be carried out under pressurized conditions of about 1 bar to about 10 bar to more efficiently penetrate the molten sulfur.

상기 단계 b)는 황 원료를 용융시켜 상기 탄소질 도전재의 내부 곳곳에 침투시키기 위한 단계이며, 상기 단계 b)를 완료한 직후 상기 황은 각 위치에서 상기 탄소질 도전재와 물리적으로 접촉한 상태를 형성하며, 일부 영역에서는 응집된 상태로 존재할 수도 있다. The step b) is a step for melting the sulfur raw material and penetrating the carbonaceous conductive material into the inside of the carbonaceous conductive material, and immediately after the completion of the step b), the sulfur forms a state of physical contact with the carbonaceous conductive material at each position And may exist in a coagulated state in some regions.

이어서, 상기 단계 c)에서는 상기 혼합물에 저결정성 탄소 재료를 혼합하여 상기 탄소질 도전재 및 상기 황을 둘러싸는 최외각 탄소질 코팅층을 형성한다. 이때, 상기 단계 c)는 약 90℃ 내지 약 110℃에서 수행될 수 있다. Next, in the step c), a low-crystalline carbon material is mixed with the mixture to form the carbonaceous conductive material and the outermost carbonaceous coating layer surrounding the sulfur. At this time, the step c) may be performed at about 90 ° C to about 110 ° C.

상기 단계 c)는 상기 저결정성 탄소 재료를 상기 탄소질 도전재 및 상기 황에 접촉시키는 단계로서, 상기 단계 c)를 완료한 직후 상기 저결정성 탄소 재료는 상기 탄소질 도전재 및 상기 황과 물리적으로 접촉된 상태로 존재할 뿐, 어떠한 화학적 결합을 형성하는 것은 아니다. Wherein the step c) comprises the step of bringing the low-crystalline carbon material into contact with the carbonaceous conductive material and the sulfur, and immediately after completing the step c), the low- They are physically in contact with each other and do not form any chemical bonds.

이어서, 상기 단계 d)에서 상기 최외각 탄소질 코팅층이 형성된 혼합물이 제2 열처리된다. 이때, 상기 제2 열처리 온도는 약 200℃ 내지 약 350℃일 수 있다. 상기 제2 열처리 온도는 상기 단계 b) 또는 단계 c)의 수행 온도보다 높은 온도로서, 상기 단계 d)를 통하여 상기 단계 b)에서 일부 영역에 응집된 상태로 존재하는 황을 재용융시켜 상기 탄소질 도전재 내에 균일하게 분산시킬 수 있다. 또한, 이와 동시에, 상기 단계 c)에서 서로 물리적으로 접촉한 상기 최외각 탄소질 코팅층과 상기 황 사이에 탄소-황(C-S) 공유 결합을 형성할 수 있다. Next, in the step d), the mixture in which the outermost carbonaceous coating layer is formed is subjected to a second heat treatment. At this time, the second heat treatment temperature may be about 200 ° C to about 350 ° C. Wherein the second heat treatment temperature is a temperature higher than the performance temperature of step b) or step c), and refolding the sulfur present in the aggregated state in a part of the step b) through the step d) It can be uniformly dispersed in the conductive material. At the same time, carbon-sulfur (C-S) covalent bonds can be formed between the outermost carbonaceous coating layer and the sulfur, which are in physical contact with each other in the step c).

또한, 상기 단계 d)는 약 1bar 내지 약 10bar의 가압 조건 하에서 수행될 수 있다. 이로써, 상기 탄소-황(C-S) 공유 결합이 잘 형성될 수 있고, 그 결과, 비수계 전해질로의 황의 유출을 방지하고, 고온 조건에서 황의 이탈을 방지하여 황의 이용률과 전지의 수명 안정성을 향상시킬 수 있다. Also, step d) may be carried out under pressurized conditions of from about 1 bar to about 10 bar. As a result, the carbon-sulfur (CS) covalent bond can be well formed, and as a result, leakage of sulfur to the non-aqueous electrolyte can be prevented and sulfur release can be prevented at high temperature to improve the utilization ratio of sulfur and the lifetime stability of the battery .

이어서, 상기 단계 e)에서, 상기 제2 열처리된 혼합물을 제3 열처리하여 상기 최외각 탄소질 코팅층을 탄화시킨다. 이때, 상기 제3 열처리 온도는 약 500℃ 내지 약 1000℃일 수 있다. 이로써, 상기 최외각 탄소질 코팅층이 상기 황-탄소 복합체의 최종 쉘(shell)로 형성되며, 황의 유출 또는 이탈 방지 기능을 수행하게 된다. Next, in the step e), the second heat-treated mixture is subjected to a third heat treatment to carbonize the outermost carbonaceous coating layer. At this time, the third heat treatment temperature may be about 500 ° C to about 1000 ° C. As a result, the outermost carbonaceous coating layer is formed as a final shell of the sulfur-carbon composite, and functions to prevent sulfur from leaking or escaping.

예를 들어, 상기 단계 e)는 상기 범위의 온도에서 약 1시간 동안 수행될 수 있다. For example, step e) may be carried out at a temperature in the above range for about 1 hour.

상기 황-탄소 복합체의 제조방법은 소위 고온/가압 코팅 및 가공에 의하여 탄소질 도전재의 3차원 골격 구조 및 일차 입자의 기공에 대한 황-로딩양 및 황-충전양을 향상시킬 수 있고, 상기 황 원자를 응집 없이 균일하게 분산, 코팅 시킬 수 있다. The method for producing the sulfur-carbon composite can improve the three-dimensional skeleton structure of the carbonaceous conductive material and the sulfur-loading amount and the sulfur-filling amount of the pores of the primary particles by so-called high temperature / pressure coating and processing, Atoms can be uniformly dispersed and coated without aggregation.

또한, 상기 단계 c) 내지 e)에 걸쳐 상기 최외각 탄소질 코팅층을 형성하고 열처리하는 과정을 통하여, 상기 최외각 탄소질 코팅층이 우수한 전기 전도도 확보에 기여하는 결정화도를 갖게 되며, 상기 황-탄소 복합체 내에서 황의 용출 및 이탈을 방지하도록 기능할 수 있는 물리적 및/또는 화학적 구조를 갖게 된다. Further, the outermost carbonaceous coating layer is formed through the steps of forming the outermost carbonaceous coating layer and heat-treated, and the outermost carbonaceous coating layer has a degree of crystallinity which contributes to securing a good electrical conductivity, and the sulfur- Or < / RTI > chemical structure capable of functioning to prevent sulphation and escape of sulfur within the body.

이로써, 상기 황-탄소 복합체는 이차 전지에 적용되어 우수한 기능을 구현하며, 보다 구체적으로, 이차 전지의 양극 재료로서 향상된 물성을 나타낼 수 있다.
As a result, the sulfur-carbon composite material is applied to a secondary battery to realize a superior function, and more specifically, it can exhibit improved physical properties as a cathode material of a secondary battery.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로 인해 본 발명이 제한되는 것을 아니다.
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described. However, the embodiments described below are only intended to illustrate or explain the present invention, and thus the present invention is not limited thereto.

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실시예Example 1 One

메조 기공 및 마이크로 기공을 갖는 복수의 일차 입자들의 집합체인 카본 블랙(Ketjenblack EC, AKZO-NOBEL) 분말 1g과 황 분말 60g을 혼합한 뒤 그라인딩(grinding)하여 혼합물을 제조하였다. 이어서, 상기 혼합물을 150℃에서 열처리하여 상기 황 분말을 용융시키고, 용융된 상기 황을 상기 메조 기공 및 마이크로 기공 내부에 충전하고, 상기 카본 블랙 분말의 외부 표면에 코팅하였다. 이어서, 저결정성 탄소 재료로서 석탄계 피치(OCI社) 15.25g을 100℃ 조건에서 혼합하여 상기 탄소질 도전재 및 상기 황을 둘러싸는 피치 코팅층을 형성하였다. 이어서, 피치 코팅된 상기 탄소질 도전재 및 황을 비활성 기체 조건 하에서 7bar의 가압 조건으로 300℃에서 열처리 하였다. 이어서, 비활성 기체 조건 하에서 1시간 동안 500℃로 열처리하여 최종 황-탄소 복합체를 제조하였다.
1 g of carbon black (Ketjenblack EC, AKZO-NOBEL) powder as an aggregate of a plurality of primary particles having mesopores and micropores was mixed with 60 g of sulfur powder, followed by grinding to prepare a mixture. The mixture was then heat treated at 150 ° C to melt the sulfur powder and the molten sulfur was charged into the mesopores and micropores and coated on the outer surface of the carbon black powder. Subsequently, 15.25 g of coal-based pitch (OCI) as a low-crystalline carbon material was mixed at 100 ° C to form a carbon coating material and a pitch coating layer surrounding the sulfur. Subsequently, the pitch-coated carbonaceous conductive material and sulfur were heat-treated at 300 DEG C under an inert gas condition at 7 bar. Subsequently, heat treatment was performed at 500 캜 for 1 hour under an inert gas atmosphere to prepare a final sulfur-carbon composite.

비교예Comparative Example 1 One

실시예 1과 동일한 종류 및 함량의 카본 블랙 분말과 황 분말의 혼합물을 사용하되, 피치 코팅층을 형성하지 않고, 상기 혼합물을 150℃에서 열처리하여 상기 황 분말을 용융시키고, 용융된 상기 황을 상기 메조 기공 및 마이크로 기공 내부에 충전하고, 상기 카본 블랙 분말의 외부 표면에 코팅하였고, 이어서, 7bar의 가압 조건 하에서 300℃에서 열처리하여 복합체를 제조하였다.
Using the mixture of carbon black powder and sulfur powder of the same kind and content as in Example 1, but without forming a pitch coating layer, the mixture was heat-treated at 150 ° C to melt the sulfur powder, Pores and micropores, coated on the outer surface of the carbon black powder, and then heat treated at 300 DEG C under a pressure of 7 bar to prepare a composite.

<평가><Evaluation>

실험예Experimental Example 1: 황-탄소 복합체 내 황의 함유량 1: Sulfur content in the sulfur-carbon composite

상기 실시예 1 및 상기 비교예 1에서 최종 제조된 각 복합체 내의 황(S) 함유량을 원소 분석기(EA, Eager 300 elemental analyzer)를 통해 측정하였고, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
The content of sulfur (S) in each of the composites prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was measured by an elementary analyzer (EA, Eager 300 elemental analyzer). The results are shown in Table 1 below.

실험예Experimental Example 2: 황의 용출 및 이탈 방지 성능 평가 2: Sulfur release and release prevention performance evaluation

상기 실시예 1 및 상기 비교예 1에서 최종 제조된 각 복합체에 대하여, 열중량분석(TGA, Thermogravimetric Analysis)를 통해 500도까지 열처리 시 황의 용출 유무 및 방지 성능을 평가하였다. 그 결과는 하기 표 1 및 도 2의 그래프와 같다. 하기 표 1에서 열중량분석 결과는 열처리 이전의 복합체 중량 대비 열처리 중에 감소된 복합체의 중량의 백분율을 기재한 것이다.
For each of the composites finally prepared in Example 1 and Comparative Example 1, the elution and prevention performance of sulfur was evaluated by thermal gravimetric analysis (TGA, thermogravimetric analysis) up to 500 ° C. The results are shown in the following Table 1 and the graph of Fig. The thermogravimetric results in Table 1 below are percentages of the weight of the composite reduced during the heat treatment compared to the weight of the composite before heat treatment.

황 함유량 [중량%]Sulfur Content [wt%] 열중량분석[%] Thermogravimetric analysis [%] 실시예 1Example 1 47%47% 1.4%1.4% 비교예 1Comparative Example 1 3%3% 98.1%98.1%

상기 표 1의 결과를 참조할 때, 상기 실시예 1의 복합체는 상기 비교예 1의 복합체에 비하여 황 함유량이 상당히 높으며, 전지의 사용 중에 황의 용출 및 이탈을 효과적으로 방지하는 이점을 갖는 것을 알 수 있다.
Referring to the results of Table 1 above, it can be seen that the composite of Example 1 has a significantly higher sulfur content than that of the composite of Comparative Example 1, and has an advantage of effectively preventing elution and desorption of sulfur during use of the battery .

100: 황-탄소 복합체
10: 탄소질 도전재
20: 황
30: 최외각 탄소질 코팅층
100: sulfur-carbon complex
10: carbonaceous conductive material
20: sulfur
30: Outermost carbonaceous coating layer

Claims (10)

기공을 갖는 복수의 일차 입자들이 집합되어 형성된 3차원 골격 구조를 갖는 결정상(crystalline) 또는 유사결정상(paracrystalline)의 탄소질 도전재;
상기 복수의 일차 입자들의 기공 내부 및 상기 3차원 골격 구조의 표면에 존재하는 황; 및
상기 탄소질 도전재 및 상기 황을 둘러싸는 최외각 탄소질 코팅층을 포함하는 황-탄소 복합체.
A crystalline or pseudocratic carbonaceous conductive material having a three-dimensional framework structure formed by aggregating a plurality of primary particles having pores;
Sulfur existing in the pores of the plurality of primary particles and on the surface of the three-dimensional framework structure; And
A carbonaceous conductive material and an outermost carbonaceous coating layer surrounding said sulfur.
제1항에 있어서,
상기 기공은 직경이 2nm 내지 50nm인 메조 기공 및 직경이 0nm 초과, 2nm 미만인 마이크로 기공을 포함하고,
상기 황은 상기 메조 기공 및 상기 마이크로 기공 내부에 충전된
황-탄소 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the pores include mesopores having a diameter of 2 nm to 50 nm and micropores having a diameter of more than 0 nm and less than 2 nm,
Wherein said sulfur is present in said mesopore and in said micropores
Sulfur - carbon complex.
제2항에 있어서,
상기 메조 기공 및 상기 마이크로 기공 내부의 상기 황의 충전율은 90면적% 내지 100면적%인
황-탄소 복합체.
3. The method of claim 2,
The filling ratio of the mesopores and the sulfur in the micropores is 90% to 100%
Sulfur - carbon complex.
제1항에 있어서,
상기 최외각 탄소질 코팅층의 탄소 원자(C)와 상기 황의 황 원자(S)가 공유 결합을 이루는
황-탄소 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon atom (C) of the outermost carbonaceous coating layer and the sulfur atom (S) of the sulfur are covalently bonded
Sulfur - carbon complex.
제1항에 있어서,
상기 최외각 탄소질 코팅층은 석유계 피치, 석탄계 피치, 화학계 피치 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 저결정성 탄소 재료로부터 유래된
황-탄소 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein said outermost carbonaceous coating layer is a layer of carbonaceous material derived from a low crystalline carbon material comprising one selected from the group consisting of a petroleum pitch, a coal pitch, a chemical pitch,
Sulfur - carbon complex.
제1항에 있어서,
상기 최외각 탄소질 코팅층은 복합체 중의 0중량% 초과, 50중량% 미만인
황-탄소 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the outermost carbonaceous coating layer comprises greater than 0 wt%, less than 50 wt%
Sulfur - carbon complex.
a) 기공을 갖는 복수의 일차 입자들이 집합되어 형성된 3차원 골격 구조를 갖는 결정상(crystalline) 또는 유사결정상(paracrystalline)의 탄소질 도전재와 황 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
b) 상기 혼합물을 제1 열처리하여 상기 혼합물 중의 황 분말을 용융시켜 상기 복수의 일차 입자들의 기공 내부에 충전하고, 상기 3차원 골격 구조의 표면에 코팅하는 단계;
c) 상기 혼합물에 저결정성 탄소 재료를 혼합하여 상기 탄소질 도전재 및 상기 황을 둘러싸는 최외각 탄소질 코팅층을 형성하는 단계;
d) 상기 최외각 탄소질 코팅층이 형성된 혼합물을 제2 열처리하는 단계; 및
e) 상기 최외각 탄소질 코팅층이 형성된 혼합물을 제3 열처리하여 상기 최외각 탄소질 코팅층을 탄화시키는 단계를 포함하는
황-탄소 복합체의 제조방법.
a) preparing a mixture by mixing a carbonaceous conductive material of a crystalline or pseudocratic paratrystalline structure having a three-dimensional skeleton structure formed by collecting a plurality of primary particles having pores and sulfur powder;
b) subjecting the mixture to a first heat treatment to melt the sulfur powder in the mixture to fill the pores of the plurality of primary particles and coat the surface of the three-dimensional framework structure;
c) mixing the low-crystalline carbon material with the mixture to form the carbonaceous conductive material and the outermost carbonaceous coating layer surrounding the sulfur;
d) subjecting the mixture having the outermost carbonaceous coating layer formed to a second heat treatment; And
and e) subjecting the mixture having the outermost carbonaceous coating layer formed to a third heat treatment to carbonize the outermost carbonaceous coating layer
Sulfur - carbon composite.
제7항에 있어서,
상기 단계 a)에서 상기 혼합물은 상기 탄소질 도전재와 상기 황 분말을 상기 탄소질 도전재 : 상기 황 분말의 중량비가 1 : 15 내지 1 : 30을 만족하도록 혼합하여 제조되는
황-탄소 복합체의 제조방법.
8. The method of claim 7,
In the step a), the mixture is prepared by mixing the carbonaceous conductive material and the sulfur powder so that the weight ratio of the carbonaceous conductive material: sulfur powder is 1: 15 to 1:30
Sulfur - carbon composite.
제7항에 있어서,
상기 단계 b)에서 제1 열처리 온도는 120℃ 내지 180℃이고,
상기 단계 d)에서 제2 열처리 온도는 200℃ 내지 350℃이며,
상기 단계 e)에서 제3 열처리 온도는 500℃ 내지 1000℃인
황-탄소 복합체의 제조방법.
8. The method of claim 7,
In the step b), the first heat treatment temperature is 120 ° C to 180 ° C,
In the step d), the second heat treatment temperature is 200 ° C to 350 ° C,
Wherein the third heat treatment temperature in step e) is in the range of 500 &lt; 0 &gt;
Sulfur - carbon composite.
제7항에 있어서,
상기 단계 d)에서 제2 열처리는 1bar 내지 10bar의 가압 조건 하에서 수행되는
황-탄소 복합체의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The second heat treatment in step d) is carried out under pressure conditions of 1 bar to 10 bar
Sulfur - carbon composite.
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