KR20180099572A - Preparation method of N-doped graphene, preparation method of Sulfur-graphene composite, and anode of Lithium-Sulfur battery comprising the same - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a manufacturing method of nitrogen-doped graphene, a manufacturing method of a sulfur-graphene composite using the same, an anode of a lithium-sulfur battery including the same, and a lithium-sulfur battery having the same. The manufacturing method of nitrogen-doped graphene comprises: a first step of peeling graphite by high pressure homogenization of allowing dispersion liquid containing the graphite to pass through a micro-channel of a high pressure homogenizer (HPH) including an inlet, an outlet, and the micro-channel connecting between the inlet and the outlet and having a micrometer-sized diameter to obtain graphene flakes; a second step of filtering and drying the obtained graphene flakes, then inserting the graphene flakes with an ammonium compound into a ball mill, and performing dry ball milling in an inert atmosphere to obtain grains surrounded by the ammonium compound on the surface of the graphene flakes; and a third step of heat-treating the obtained grains to obtain graphene doped with nitrogen atoms.

Description

질소 도핑된 그래핀의 제조 방법, 이를 이용한 황-그래핀 복합체의 제조 방법 및 상기 황-그래핀 복합체를 포함하는 리튬 황 전지 양극{Preparation method of N-doped graphene, preparation method of Sulfur-graphene composite, and anode of Lithium-Sulfur battery comprising the same}A preparation method of a sulfur-graphene composite, a preparation method of a sulfur-containing graphene, a preparation method of a sulfur-graphene composite, and an anode of a lithium-sulfur battery comprising the same.

본 발명은 질소 도핑된 그래핀의 제조 방법, 이를 이용한 황-그래핀 복합체의 제조 방법 및 상기 황-그래핀 복합체를 포함하는 리튬 황 전지 양극에 관한 것으로서, 상세하게는 리튬 황 전지에서의 황의 로딩량을 증가시키고 이에 따라 결과적으로 리튬 폴리설파이드의 용출 속도를 줄임으로써 리튬 황 전지의 수명을 개선할 수 있는 질소 도핑된 그래핀의 제조 방법, 이를 이용한 황-그래핀 복합체의 제조 방법 및 상기 황-그래핀 복합체를 포함하는 리튬 황 전지 양극에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing graphene doped with nitrogen, a method for producing a sulfur-graphene composite using the same, and a cathode for a lithium sulfur battery including the sulfur-graphene composite, and more particularly, Doped graphene which can improve the lifetime of a lithium sulphide battery by reducing the dissolution rate of lithium polysulfide as a result of increasing the amount of lithium sulfide, Lt; RTI ID = 0.0 > lithium-sulfur < / RTI >

리튬 황 전지의 상용화를 위해서 해결해야 할 중요한 이슈 중의 하나는 리튬 폴리설파이드(lithium polysulfide, LiPS) 용출에 의한 리튬 황 전지의 낮은 수명특성이다. One of the important issues to be solved for the commercialization of lithium sulfur battery is low lifetime characteristics of lithium sulfur battery by lithium polysulfide (LiPS) elution.

이와 같이 리늄 황 전지의 수명 특성이 열악한 이유는 리튬 황 전지의 전기화학 반응 중에 생성되는 리튬 폴리설파이드(LiPS)가 유기 전해액에 대한 용해도가 높아 방전 반응 중에 지속적으로 녹아나면서 양극 소재의 양이 감소하기 때문이다. The reason why the lifetime characteristics of the lithium sulphate battery is poor is that the lithium polysulfide (LiPS) generated during the electrochemical reaction of the lithium sulphate battery is highly soluble in the organic electrolytic solution, Because.

이러한 문제점을 해결하도록 전기화학적 성능을 향상시키기 위한 물리적 및 화학적 방법으로 황을 카본, 탄소 나노튜브(CNT), 그래핀 등과 같은 전도성 소재와 복합화하는 방법이 많이 이용된다. To solve these problems, a method of compounding sulfur with a conductive material such as carbon, carbon nanotube (CNT), or graphene is widely used by physical and chemical methods for improving electrochemical performance.

그 중에서도 그래핀은 황의 담지량을 증가시킬 수 있는 이상적인 후보물질이라 할 수 있다. 그래핀은 2차원의 매우 얇은 판상형 물질이고 비표면적이 커서 우수한 전기적, 기계적 성질을 가지는 것으로 잘 알려져 있다. 이러한 그래핀의 특성은 전기화학적 사이클링 동안에 기계적 스트레스에 유연하게 대처하는 것을 가능하게 해준다. Among them, graphene is an ideal candidate to increase the loading of sulfur. Graphene is a two-dimensional very thin sheet-like material and has a large specific surface area and is well known for its excellent electrical and mechanical properties. The nature of this graphene makes it possible to flexibly cope with mechanical stress during electrochemical cycling.

한편, 그래핀에 보다 많은 양의 황을 담지하기 위해서는 그래핀의 표면적을 좀더 크게 하기 위한 연구가 많이 진행되어 왔다. 이러한 연구의 일환으로 보다 얇은 두께 및 대표면적을 갖는 그래핀 시트 또는 플레이크를 제조하기 위한 연구가 활발히 진행 중이며, 그 중에서 물리적인 방법에 의해 그라파이트를 얇게 박리하여 그래핀 플레이크로 제조하는 방법, 일명 균질화 방법이 많이 제안되고 있다. On the other hand, much research has been done to increase the surface area of graphene in order to carry a larger amount of sulfur to graphene. As a part of such studies, researches for producing graphene sheets or flakes having a thinner thickness and a representative area are actively under way, and a method of producing graphene flakes by thinly separating graphite from them by a physical method, Many methods have been proposed.

이러한 방법들 중에서 최근에는 그라파이트를 포함하는 분산액을 고압 균질화 반응기를 통과시켜 물리적으로 박리시키는 방법이 활용되고 있다. 그러나 이와 같은 단순한 물리적 박리만으로는 황을 다량으로 담지할 만큼 충분히 큰 표면적이 얻어질 수 없는 한계가 있다. Among these methods, a method in which a dispersion containing graphite is physically peeled by passing through a high-pressure homogenization reactor has recently been utilized. However, such a simple physical exfoliation has a limitation that a surface area large enough to support a large amount of sulfur can not be obtained.

따라서 그래핀을 이용한 리튬 황 전지의 제조에 있어, 매크로포러스한 구조를 도입함으로써 표면적과 기공부피를 더욱 증대시켜 황의 담지량을 증대시킴으로써 리튬 황 전지의 수명을 연장시킬 수 있는 기술에 대한 개발 필요성이 큰 상황이다.Therefore, in the manufacture of lithium sulfur batteries using graphene, there is a great need to develop a technique for extending the lifetime of lithium sulfur batteries by increasing the surface area and pore volume and increasing the amount of sulfur supported by introducing a macroporous structure It is a situation.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 상황을 감안하여 그래핀의 구조를 개선함으로써 비표면적과 기공부피를 더욱 증대시킬 수 있는 비표면적 및 기공부피가 증대된 질소 도핑된 그래핀을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention provides a method for manufacturing nitrogen-doped graphene having increased specific surface area and pore volume that can further increase specific surface area and pore volume by improving the structure of graphene .

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 얻어지는 그래핀 플레이크를 이용하여 리튬 황 전지에서의 황의 로딩량을 증가시키고 이에 따라 결과적으로 리튬 폴리설파이드의 용출 속도를 줄임으로써 리튬 황 전지의 수명을 개선할 수 있는, 황-그래핀 복합체를 제조하는 방법, 상기 황-그래핀 복합체를 리튬 황 전지 양극, 및 상기 양극을 구비하는 리튬 황 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention also provides a method for improving the lifetime of a lithium sulfur battery by increasing the loading amount of sulfur in the lithium sulfur battery using the graphene flake obtained by the above method and consequently reducing the dissolution rate of the lithium polysulfide , A method for producing a sulfur-graphene composite, a method for producing the sulfur-graphene composite as a lithium sulfur battery positive electrode, and a lithium sulfur battery having the positive electrode.

상기의 과제를 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 구현예의 질소 도핑된 그래핀의 제조 방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing nitrogen-doped graphene of the following embodiments.

제1 구현예는,In a first embodiment,

그라파이트를 포함하는 분산액을 유입부와 유출부 및 상기 유입부와 상기 유출부 사이를 연결하며 마이크로미터 크기의 직경을 갖는 미세 유로를 포함하는 고압 균질기(High Pressure Homogenizer, HPH)의 미세 유로를 통과시키는 고압 균질화를 통해 그라파이트를 박리시켜 그래핀 플레이크를 얻는 제1 단계; The dispersion containing graphite is passed through a microfluidic channel of a high pressure homogenizer (HPH) comprising an inlet portion and an outlet portion, and a microchannel connecting between the inlet portion and the outlet portion and having a micrometer-sized diameter A first step of peeling the graphite through high pressure homogenization to obtain graphene flakes;

상기 얻어진 그래핀 플레이크를 여과 및 건조시킨 후 암모늄 화합물과 함께 볼밀에 넣고, 불활성 분위기 하에서 건식 볼 밀링을 진행하여 상기 그래핀 플레이크의 표면에 상기 암모늄 화합물이 둘러싼 상태의 입자를 얻는 제2 단계; 및A second step of filtering and drying the obtained graphene flake, putting it into a ball mill together with an ammonium compound, and conducting dry ball milling in an inert atmosphere to obtain grains in a state in which the ammonium compound is surrounded on the surface of the graphene flake; And

상기 얻어진 입자를 열처리하여 질소 원자가 도핑된 그래핀을 얻는 제 3 단계;를 포함하는 질소 도핑된 그래핀의 제조 방법에 관한 것이다.And a third step of heat treating the obtained particles to obtain graphene doped with nitrogen atoms.

제2 구현예는, 제1 구현예에 있어서, The second embodiment, in the first embodiment,

상기 고압 균질화는 상기 분산액에 500 내지 3,000 bar의 압력을 인가함에 의해 수행되는 질소 도핑된 그래핀의 제조 방법에 관한 것이다.Wherein the high pressure homogenization is performed by applying a pressure of 500 to 3,000 bar to the dispersion.

제3 구현예는, 제1 구현예 또는 제2 구현예에 있어서,The third embodiment is, in the first embodiment or the second embodiment,

상기 암모늄 화합물은 염화암모늄인 질소 도핑된 그래핀의 제조 방법에 관한 것이다. Wherein the ammonium compound is ammonium chloride.

제4 구현예는, 제1 구현예 내지 제3 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,The fourth embodiment is, in any one of the first to third embodiments,

상기 제2 단계는 불활성 기체 및 공기를 상기 볼밀에 넣고 0.1 내지 5mm 직경의 볼 크기를 갖는 볼을 이용하여 200 내지 700 rpm으로 10 내지 30 시간 동안 교반시킴에 의해 수행되는 질소 도핑된 그래핀의 제조 방법에 관한 것이다.The second step is to prepare nitrogen-doped graphene by stirring inert gas and air into the ball mill and stirring the mixture at 200 to 700 rpm for 10 to 30 hours using a ball having a diameter of 0.1 to 5 mm ≪ / RTI >

제5 구현예는, 제1 구현예 내지 제4 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,The fifth embodiment is, in any one of the first through fourth embodiments,

상기 제3 단계 전에 제2 단계에서 얻어진 입자를 메쉬를 이용하여 입자 선별하는 단계를 더 포함하는 질소 도핑된 그래핀의 제조 방법에 관한 것이다.Further comprising the step of sorting the particles obtained in the second step before the third step using a mesh.

제6 구현예는, 제1 구현예 내지 제5 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,The sixth embodiment is, in any one of the first through fifth embodiments,

상기 제3 단계에서 열처리는 상기 얻어진 입자를 알루미나 보트에 적재하고, 불활성 분위기하의 튜브 퍼니스에서 700 내지 1000℃의 온도, 0.5 내지 5 시간, 및 8 내지 15 ℃/min의 온도 상승 조건으로 수행되는 질소 도핑된 그래핀의 제조 방법에 관한 것이다.The heat treatment in the third step is carried out by heating the obtained particles in an alumina boat and heating the mixture in a tube furnace under an inert atmosphere at a temperature of 700 to 1000 DEG C for 0.5 to 5 hours and a temperature rise of 8 to 15 DEG C / To a method for producing doped graphene.

또한, 상기의 과제를 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 구현예의 황-그래핀 복합체의 제조 방법이 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a sulfur-graphene composite of the following embodiment.

제7 구현예는, 제1 구현예 내지 제6 구현예 중 어느 한 구현예의 방법으로 제조된 질소 도핑된 그래핀에 황을 담지하여 복합화하는 황-그래핀 복합체의 제조 방법에 관한 것이다.A seventh embodiment relates to a method of manufacturing a sulfur-graphene composite in which sulfur is supported on nitrogen-doped graphene produced by the method of any one of Embodiments 1 to 6 to composite.

또한, 상기의 과제를 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 구현예의 리튬 황 전지 양극이 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided a lithium sulfur battery anode of the following embodiment.

제8 구현예는, 제7 구현예에 의해 제조된 황-그래핀 복합체를 포함하는 리튬 황 전지 양극에 관한 것이다.An eighth embodiment relates to a lithium sulfur battery anode comprising the sulfur-graphene composite produced by the seventh embodiment.

또한, 상기의 과제를 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 구현예의 리튬 황 전지가 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided a lithium sulfur battery of the following embodiments.

제9 구현예는, 제8 구현예에 의해 제조된 양극을 구비하는 리튬 황 전지에 관한 것이다.The ninth embodiment relates to a lithium sulfur battery having a positive electrode manufactured by the eighth embodiment.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 비표면적 및 기공부피가 기존의 일반적인 그래핀에 비하여 획기적으로 증대될 수 있어 황과 복합화할 경우 황 담지 성능이 대폭 증대되며, 또한 질소 원자가 그래핀에 도입되어 있으므로 리튬 황 전지의 전기 화학적 반응 중에 리튬 폴리설파이드의 용출을 억제하여 초기용량이 개선되도록 하고 전지의 수명을 연장시킬 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the specific surface area and the pore volume can be drastically increased compared to conventional graphenes, and when combined with sulfur, the sulfur supporting performance is significantly increased, and nitrogen atoms are introduced into graphene The dissolution of lithium polysulfide during the electrochemical reaction of the lithium sulfur battery can be suppressed, the initial capacity can be improved, and the life of the battery can be prolonged.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 도핑된 그래핀을 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 질소 도핑된 그래핀을 제조하는 각 과정에서의 그래핀 플레이크의 표면 상태를 나타낸 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 질소 도핑된 그래핀의 XPS 분석 결과이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 질소 도핑된 그래핀의 SEM 사진 및 TEM 사진을 각각 나타낸다.
도 5a는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 질소 도핑된 그래핀의 압력별 질소의 흡탈착 아이소썸(isotherm)을 나타낸다.
도 5b는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 질소 도핑된 그래핀의 기공 직경별 기공 부피를 나타낸다.
도 5c는 비교예 1에 따라 제조된 질소 도핑된 그래핀의 압력별 질소의 흡탈착 아이소썸을 나타낸다.
도 5d는 비교예 1에 따라 제조된 질소 도핑된 그래핀의 기공 직경별 기공 부피를 나타낸다.
도 6은 비교예 3의 질소(N) 도핑 처리 전 그래핀 나노플레이틀렛과 질소(N) 도핑 처리 후 그래핀 나노플레이틀렛의 압력별 질소의 흡탈착 아이소썸을 나타낸다.
도 7은 비교예 3의 질소(N) 도핑 처리 전 그래핀 나노플레이틀렛과 질소(N) 도핑 처리 후 그래핀 나노플레이틀렛의 기공 직경별 기공 부피를 나타낸다.
도 8은 실시예 2, 비교예 2, 및 비교예 4에 따라 제조된 리튬 황 전지에 대한 충/방전 특성을 나타낸다.
FIGS. 1A to 1C are views illustrating a process of fabricating nitrogen-doped graphene according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a SEM photograph showing the surface state of graphene flakes in each step of preparing nitrogen-doped graphene according to Example 1 of the present invention. FIG.
3 is a result of XPS analysis of nitrogen-doped graphene prepared according to Example 1 of the present invention.
4A and 4B are SEM and TEM photographs of nitrogen doped graphene prepared according to Example 1 of the present invention, respectively.
FIG. 5A shows nitrogen adsorption / desorption isotherm of nitrogen-doped graphene prepared according to Example 1 of the present invention by pressure. FIG.
5B shows the pore volume of the nitrogen-doped graphene prepared according to Example 1 of the present invention by the pore diameter.
FIG. 5C shows nitrogen adsorption / desorption isomers of nitrogen-doped graphene prepared according to Comparative Example 1 by pressure.
5D shows the pore volume of the nitrogen-doped graphene prepared according to Comparative Example 1 by pore diameter.
FIG. 6 shows adsorption / desorption isomers of nitrogen in the graphene nanoflake after the nitrogen (N) doping process and the graphene nanoflake after the nitrogen (N) doping process in Comparative Example 3. FIG.
FIG. 7 shows the pore volume of the graphene nanoflake after the nitrogen (N) doping process and the graphene nanoflake after the nitrogen (N) doping process of Comparative Example 3. FIG.
8 shows charging / discharging characteristics of the lithium sulfur battery produced according to Example 2, Comparative Example 2 and Comparative Example 4. Fig.

이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims and their equivalents. .

먼저 본 발명의 일 측면에 따르면, 고압 균질화를 통해 그라파이트를 박리시켜 얻은 그래핀 플레이크를 이용한, 질소 도핑된 그래핀의 제조 방법이 제공된다. According to one aspect of the present invention, there is provided a process for producing nitrogen-doped graphene using graphene flakes obtained by stripping graphite through high-pressure homogenization.

본 발명의 일 구현예에 따른 상기 그래핀 플레이크의 제조 방법은 크게 3단계를 포함한다. The method of manufacturing the graphene flake according to an embodiment of the present invention includes three steps.

제1 단계로서 고압 균질화를 통해 그라파이트를 박리하여 그래핀 플레이크를 얻는 단계,In the first step, graphite flakes are obtained by peeling the graphite through high pressure homogenization,

제2 단계로서 상기 얻어진 그래핀 플레이크를 불활성 분위기 하에서 암모늄 화합물과 볼 밀링하여 그래핀 플레이크 표면에 암모늄 화합물이 둘러싸도록 하는 단계, In a second step, the obtained graphene flakes are ball-milled with an ammonium compound under an inert atmosphere to form an ammonium compound on the graphene flake surface,

그리고 제3 단계로서, 상기와 같이 얻어진 암모늄 화합물이 둘러싼 그래핀 플레이크를 열처리하여 염을 분해시키고 질소 원자가 도핑되도록 하는 단계를 포함한다. In a third step, the graphene flakes surrounding the ammonium compound thus obtained are heat-treated to decompose the salt and allow the nitrogen atoms to be doped.

먼저, 상기 그래핀 플레이크의 제조 단계에 관하여 설명한다. First, the manufacturing step of the graphene flakes will be described.

도 1a에 도시된 바와 같이, 그라파이트를 포함하는 분산액을 고압 균질기의 미세 유로를 통과시켜 통과시킬 때의 높은 압력에 의한 충격과 미세 유로를 통과시키는 동안 인가되는 높은 전단력에 의해 그라파이트에서 그래핀이 박리되도록 함으로써 그래핀 플레이크를 얻는다. As shown in FIG. 1A, when a dispersion containing graphite is passed through a micro flow path of a high pressure homogenizer and graphene is grafted on the graphite by a high shear force applied while passing through the micro flow path, Thereby obtaining a graphene flake.

상기 고압 균질기의 미세 유로는 약 50 내지 300 ㎛의 직경을 갖는 것을 사용할 수 있고, 상기 분산액에 인가되는 압력은 약 500 내지 3000 bar의 범위로 조절할 수 있다. The microfluidic channel of the high pressure homogenizer may have a diameter of about 50 to 300 mu m, and the pressure applied to the dispersion may be adjusted to about 500 to 3000 bar.

본 발명의 일 구현예에서 상기 분산액에 포함되는 분산매로는 물, NMP(N-methyl-2-pyrrolidone), 아세톤, 알코올 등의 일반적으로 사용되는 분산매를 제한 없이 사용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a dispersion medium commonly used in water, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), acetone,

또한, 본 발명의 일 구현예에서 상기 그라파이트는 일반적인 형상의 그라파이트를 사용할 수도 있고, 그래핀의 박리를 용이하게 하기 위해 층간 간격이 넓은 팽창 그라파이트를 사용할 수도 있다. 특히 팽창 그라파이트로는 열 팽창 그라파이트를 사용할 수 있으며, 팽창도는 약 0.01 내지 0.5 g/cm3, BET(surface area)는 약 5 내지 50 m3/g를 갖는 것을 사용할 수 있다. Further, in one embodiment of the present invention, the graphite may be graphite of a general shape, or expanded graphite having a wide interlayer spacing may be used to facilitate the separation of graphene. Especially, expanded graphite can be used as the expanding graphite. The expandable graphite can have an expansion degree of about 0.01 to 0.5 g / cm 3 and a BET (surface area) of about 5 to 50 m 3 / g.

도 1b는 상기 고압 균질화를 통해 그라파이트가 박리되어 그래핀 플레이크가 형성되는 것을 나타낸다. Figure 1 (b) shows that graphite flakes are formed through the high pressure homogenization to form graphene flakes.

이어서, 상기 공정에 의해 얻어진 그래핀 플레이크를 여과 및 건조 과정을 거쳐 파우더화하고, 이러한 파우더를 볼밀, 상세하게는 유성형 볼밀(planery ball mill)에 넣고, 불활성 분위기 하에서 건식 볼 밀링을 실시한다. Next, the graphene flakes obtained by the above process are pulverized through filtration and drying, and the powder is put into a ball mill, specifically a planetary ball mill, and subjected to dry ball milling in an inert atmosphere.

상기 볼 밀링은 상기 불활성 기체 및 공기를 상기 유성형 볼밀에 넣고 0.1 내지 5mm 직경의 볼 크기를 갖는 볼을 이용하여 200 내지 700 rpm으로 10 내지 30 시간 동안 교반시킴에 의해 수행될 수 있다.The ball milling may be performed by placing the inert gas and air into the planetary ball mill and stirring the mixture at 200 to 700 rpm for 10 to 30 hours using a ball having a ball size of 0.1 to 5 mm.

본 발명의 일 구현예에서 상기 암모늄 화합물은 염화암모늄(ammonium chloride), 질산암모늄(ammonium nitrate), 황산암모늄(ammonium sulfate), 과황산암모늄(ammonium persulfate), 과염소산암모늄(ammonium perchlorate), (중)탄산암모늄(ammonium (bi)carbonate), (중)불화암모늄(ammonium (bi)fluoride), 제일인산암모늄(ammonium phosphate), 옥살산암모늄(ammonium oxalate), 수산화암모늄(ammonium hydroxide), 포름산암모늄(ammonium formate), (중)크롬산암모늄(ammonium (di)chromate)을 이용할 수 있으나, 이에 제한되지 않고 암모늄기를 포함한 화합물은 제한 없이 이용될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the ammonium compound is selected from the group consisting of ammonium chloride, ammonium nitrate, ammonium sulfate, ammonium persulfate, ammonium perchlorate, (Bi) carbonate, (b) ammonium (b) fluoride, ammonium phosphate, ammonium oxalate, ammonium hydroxide, ammonium formate ), And (middle) ammonium (chromium) chromate, but the present invention is not limited thereto. Compounds containing an ammonium group can be used without limitation.

상기 단계에서 얻어진 입자는 상기 그래핀 플레이크의 표면에 상기 암모늄 화합물이 둘러싼 상태의 입자 형태를 이루며(도 1c 참조), 이렇게 얻어진 입자를 메쉬를 이용하여 입자 선별하여 균일한 크기의 입자들만을 이용할 수도 있다. The particles obtained in the above step are in the form of particles in the state of the graphene flakes surrounding the ammonium compound (see FIG. 1C), and the particles thus obtained can be sorted by using a mesh to use only particles of uniform size have.

이어서, 상기 얻어지는 입자, 즉 표면에 암모늄 화합물이 둘러싼 그래핀 플레이크를 열처리하여 염을 분해함으로써 질소 원자가 도핑된 그래핀을 얻는다. Next, the resulting grains, that is, graphene flakes surrounding the ammonium compound on the surface thereof are heat-treated to decompose the salt to obtain graphene doped with nitrogen atoms.

상기 열처리 과정은 상기 얻어진 입자를 알루미나 보트에 적재하고, 불활성 분위기하의 튜브 퍼니스에서 700 내지 1000℃의 온도, 0.5 내지 5 시간, 및 8 내지 15 ℃/min의 온도 상승 조건으로 수행될 수 있다. The heat treatment can be performed in a tube furnace under an inert atmosphere at a temperature of 700 to 1000 DEG C, for 0.5 to 5 hours, and at a temperature of 8 to 15 DEG C / min, on the alumina boat.

이와 같은 공정에 의해 제조되는 그래핀은 표면에 질소 원자가 도핑되어 있고 표면에 기공과 주름이 다량 형성되어 있으므로 비표면적이 크고 기공 부피가 큰 것이 특징이다. The graphene produced by such a process is characterized in that it has a large specific surface area and a large pore volume because nitrogen atoms are doped on the surface and a large amount of pores and wrinkles are formed on the surface.

따라서 이와 같은 그래핀에 황을 담지하여 복합화함으로써 황-그래핀 복합체를 형성할 수 있으며 이렇게 형성되는 황-그래핀 복합체는 황의 담지량이 증대되므로 리튬 황 전지의 양극으로 사용할 경우, 리튬 폴리설파이드의 용출 속도를 줄임으로써 리튬 황 전지의 수명을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.Therefore, a sulfur-graphene composite can be formed by supporting sulfur in such graphene, and the sulfur-graphene composite thus formed increases the amount of sulfur supported. Therefore, when used as a positive electrode of a lithium sulfur battery, elution of lithium polysulfide It is expected that the lifetime of the lithium sulfur battery can be improved by reducing the speed.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 황-그래핀 복합체는 황 또는 황 계열 화합물을 탄소의 외부 포면 및 내부에 함침시켜서 제조할 수 있다. 상기 함침시키는 단계는 질소 도핑된 그래핀과 황 또는 황 계열 화합물 분말을 혼합한 후 가열하여 용융된 황 또는 황 계열 화합물을 탄소에 함침시켜서 수행할 수 있으며, 이러한 혼합시에 건식 볼밀 방법, 건식 제트밀 방법 또는 건식 다이노 밀 방법을 사용할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the sulfur-graphene composite can be prepared by impregnating a sulfur or sulfur-based compound into the outer surface and interior of the carbon. The impregnation may be performed by mixing nitrogen-doped graphene with a sulfur or sulfur-based compound powder and then heating to impregnate the molten sulfur or sulfur-based compound with carbon. In the mixing, the dry ball mill method, A mill method or a dry dynomill method can be used.

또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 양극은, 양극활물질인 상기 황-그래핀 복합체와 함께 전자가 상기 양극 내에서 원활하게 이동하도록 하기 위한 도전재, 및 양극활물질간 또는 양극활물질과 집전체와의 결착력을 높이기 위한 바인더를 더 포함할 수 있다.The positive electrode according to an embodiment of the present invention may include a conductive material for allowing electrons to move smoothly in the positive electrode together with the sulfur-graphene composite as a positive electrode active material, and a positive electrode active material, And a binder for increasing the binding force of the binder.

상기 도전재는 덴카 블랙, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 기상성장 탄소섬유(Vapor Grown Carbon Fiber, VGCF)와 같은 탄소계 물질; 또는 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤과 같은 전도성 고분자일 수 있다. 상기 도전재의 함량은 상기 양극활물질 100 중량부에 대하여 0.1 내지 20 중량부, 상세하게는 1 내지 17 중량부, 더 상세하게는 2 내지 15 중량부일 수 있다. 상기 도전재의 함량이 이러한 범위를 만족하는 경우, 적절한 도전 네트워크 형성을 통한 도전성 향상효과가 있고, 충방전 시 과전압 발생을 줄이고 용량 특성이 저하되는 문제도 방지할 수 있다.The conductive material may be a carbon-based material such as denka black, carbon black, acetylene black, Ketjen black, Vapor Grown Carbon Fiber (VGCF); Or a conductive polymer such as polyaniline, polythiophene, polyacetylene, and polypyrrole. The conductive material may be used in an amount of 0.1 to 20 parts by weight, more preferably 1 to 17 parts by weight, and more preferably 2 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the cathode active material. When the content of the conductive material satisfies the above range, there is an effect of improving the conductivity through formation of a suitable conductive network, and the problem of reducing the overvoltage during charging and discharging and deteriorating the capacity characteristics can be prevented.

또한, 상기 바인더로는 SBR (Styrene-Butadiene Rubber)/CMC (Carboxymethyl Cellulose), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 알킬레이티드 폴리에틸렌옥사이드, 가교결합된 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐에테르, 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌과 폴리비닐리덴플루오라이드의 코폴리머(상품명: Kynar), 폴리(에틸아크릴레이트), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리스티렌, 폴리아크릴산, 이들의 유도체, 블랜드, 코폴리머 등이 사용될 수 있다. 또 상기 바인더의 함량은 상기 양극활물질 100 중량부에 대하여 0.1 내지 20 중량부, 상세하게는 1 내지 17 중량부, 더 상세하게는 2 내지 15 중량부일 수 있다. 상기 바인더의 함량이 이러한 범위를 만족하는 경우, 양극활물질간 또는 양극활물질과 집전체간 결착력이 크게 개선되고, 용량 특성이 저하되는 문제도 방지될 수 있다. 또한 폴리설파이드와 바인더로 사용되는 고분자 사슬의 특정 작용기 간 상호작용에 의한 폴리설파이드 용출 억제 또한 기대할 수 있다. Examples of the binder include styrene-butadiene rubber (SBR) / carboxymethyl cellulose (CMC), poly (vinyl acetate), polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, alkylated polyethylene oxide, crosslinked polyethylene oxide , A copolymer of polyvinyl ether, poly (methyl methacrylate), polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene and polyvinylidene fluoride (trade name: Kynar), poly (ethyl acrylate), polytetrafluoro Ethylene, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polyvinylpyridine, polystyrene, polyacrylic acid, derivatives thereof, blends, copolymers and the like can be used. The content of the binder may be 0.1 to 20 parts by weight, specifically 1 to 17 parts by weight, more specifically 2 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the cathode active material. When the content of the binder satisfies the above range, the adhesion between the positive electrode active material or between the positive electrode active material and the current collector is greatly improved, and the problem that the capacity characteristic is lowered can also be prevented. In addition, polysulfide dissolution inhibition by polysulfide and specific functional groups of the polymer chains used as binders can also be expected.

상기 양극은 통상의 방법에 따라 제조될 수 있으며, 구체적으로는 상기 황-그래핀 복합체인 양극활물질, 도전재 및 바인더를 분산매 상에서 혼합하여 제조한 양극활물질층 형성용 조성물을, 상기 집전체 위에 도포한 후 건조 및 선택적으로 압연하여 제조될 수 있다.The positive electrode may be prepared according to a conventional method. Specifically, a composition for forming a positive electrode active material layer, which is prepared by mixing a positive electrode active material, a conductive material and a binder, which are the sulfur-graphene composite, on a dispersion medium, Followed by drying and optionally rolling.

이때 상기 분산매로는 상기 양극활물질, 바인더 및 도전재를 균일하게 분산시킬 수 있으며, 쉽게 증발되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란, 물, 이소프로필알코올, N-메틸-2-피롤리돈 (NMP) 등을 들 수 있다.At this time, it is preferable that the cathode active material, the binder, and the conductive material can be uniformly dispersed in the dispersion medium and easily evaporated. Specific examples include acetonitrile, methanol, ethanol, tetrahydrofuran, water, isopropyl alcohol, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and the like.

본 발명의 일 측면에 따른 리튬 황 전지는 서로 대향 배치되는 양극과 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 위치하는 분리막을 포함하고, 상기 양극은 전술한 양극이다.The lithium selenium battery according to one aspect of the present invention includes a positive electrode and a negative electrode disposed opposite to each other, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the positive electrode is the above-described positive electrode.

상기 음극은 음극활물질로서 리튬 이온을 가역적으로 삽입 또는 탈리할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 및 리튬 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있다.The negative electrode may include a material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions as a negative electrode active material, a material capable of reacting with lithium ions to reversibly form a lithium-containing compound, a lithium metal, and a lithium alloy .

상기 리튬 이온을 가역적으로 삽입/탈리할 수 있는 물질로는 탄소 물질로서, 상기 리튬 황 전지에서 일반적으로 사용되는 탄소계 음극 활물질은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 구체적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들을 함께 사용할 수 있다. 또한, 상기 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질의 대표적인 예로는 산화 주석(SnO2), 티타늄 나이트레이트, 실리콘(Si) 등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 리튬 금속의 합금은 구체적으로 리튬과 Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, 또는 Cd의 금속과의 합금일 수 있다.As the material capable of reversibly intercalating / deintercalating lithium ions, any carbonaceous anode active material commonly used in the lithium sulfur battery can be used as the carbonaceous material, and specific examples thereof include crystalline carbon, amorphous carbon, Can be used. Typical examples of the material capable of reacting with the lithium ion to form a lithium-containing compound reversibly include tin oxide (SnO 2 ), titanium nitrate, silicon (Si), and the like, but are not limited thereto. The lithium metal alloy may specifically be an alloy of lithium and a metal of Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, or Cd.

또한, 상기 음극은 상기한 음극활물질과 함께 선택적으로 바인더를 더 포함할 수 있다.In addition, the negative electrode may further include a binder in addition to the negative active material.

상기 바인더는 음극활물질의 페이스트화, 활물질간 상호 접착, 활물질과 집전체와의 접착, 활물질 팽창 및 수축에 대한 완충 효과 등의 역할을 한다. 구체적으로 상기 바인더는 앞서 설명한 바와 동일하다.The binder acts as a paste for the anode active material, mutual adhesion between the active materials, adhesion between the active material and the current collector, buffering effect on expansion and contraction of the active material, and the like. Specifically, the binder is the same as described above.

또한, 상기 음극은 상기한 음극활물질 및 바인더를 포함하는 음극활물질층의 지지를 위한 음극집전체를 더 포함할 수도 있다.The negative electrode may further include a negative electrode collector for supporting the negative electrode active material layer including the negative electrode active material and the binder.

상기 음극집전체는 구체적으로 Cu, Al, 스테인리스스틸, Ti, Ag, Pd, Ni, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다. 상기 스테인리스스틸은 C, Ni, Ti 또는 Ag로 표면 처리될 수 있으며, 상기 합금으로는 알루미늄-카드뮴(Al-Cd) 합금이 사용될 수 있다. 그 외에도 소성 탄소, 도전재로 표면 처리된 비전도성 고분자, 또는 전도성 고분자 등이 사용될 수도 있다.The negative electrode current collector may be selected from the group consisting of Cu, Al, stainless steel, Ti, Ag, Pd, Ni, alloys thereof, and combinations thereof. The stainless steel may be surface-treated with C, Ni, Ti or Ag, and an Al-Cd alloy may be used as the alloy. In addition, fired carbon, a nonconductive polymer surface-treated with a conductive material, or a conductive polymer may be used.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음극은 리튬 금속의 박막일 수도 있다.According to an embodiment of the present invention, the cathode may be a thin film of lithium metal.

또한, 상기 리튬 황 전지에 있어서, 상기 분리막은 전극을 물리적으로 분리하는 기능을 갖는 물리적인 분리막으로서, 통상 리튬 황 전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저항이 작으면서 전해질을 함습하는 능력이 우수한 것이 바람직하다. In addition, in the lithium sulfur battery, the separation membrane is a physical separator having a function of physically separating an electrode, and can be used without any particular limitation as long as it is used as a separation membrane in a lithium sulfur battery. Particularly, It is preferable that the electrolytic solution has a small resistance and excellent ability to humidify the electrolyte.

구체적으로는 상기 분리막으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 또는 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.More specifically, the separator may be a porous polymer film such as a porous polymer film made of a polyolefin-based polymer such as an ethylene homopolymer, a propylene homopolymer, an ethylene / butene copolymer, an ethylene / hexene copolymer, and an ethylene / methacrylate copolymer The polymer film may be used alone or as a laminate thereof, or may be a nonwoven fabric made of a conventional porous nonwoven fabric, for example, glass fiber of high melting point, polyethylene terephthalate fiber or the like, but is not limited thereto.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 분리막으로는 상기 다공성 고분자 필름, 다공성 부직포 등의 다공성 기재를 단독으로 사용하는 것 외에, 상기 다공성 기재의 적어도 일면 상에 무기물 입자와 바인더 고분자를 포함하는 다공성 코팅층을 더 구비하는 형태일 수도 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the separator may be a porous substrate such as the porous polymer film, porous nonwoven fabric, or the like alone, and may further include a porous material including inorganic particles and a binder polymer on at least one surface of the porous substrate It may be a form having a coating layer.

상기 리튬 황 전지는 상기 분리막에 침지되는 전해질을 더 포함할 수 있다. 상기 전해질은, 유기용매와 리튬염을 포함할 수 있다.The lithium sulfur battery may further include an electrolyte immersed in the separation membrane. The electrolyte may include an organic solvent and a lithium salt.

상기 유기용매는 구체적으로, 아릴 화합물, 바이사이클릭 에테르, 비환형 카보네이트, 설폭사이드 화합물, 락톤 화합물, 케톤 화합물, 에스테르 화합물, 설페이트 화합물, 설파이트 화합물 등과 같은 극성 용매일 수 있다.The organic solvent may specifically be a polar solvent such as an aryl compound, a bicyclic ether, a cyclic carbonate, a sulfoxide compound, a lactone compound, a ketone compound, an ester compound, a sulfate compound or a sulfite compound.

보다 구체적으로는 상기 유기용매는 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 1,2-디부톡시에탄, 디옥솔란(Dioxolane, DOL), 1,4-디옥산, 테트라하이드로푸란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸프로필카보네이트(MPC), 에틸프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 부틸에틸카보네이트, 에틸프로파노에이트(EP), 톨루엔, 자일렌, 디메틸에테르(dimethyl ether, DME), 디에틸에테르, 에틸렌글리콜에틸메틸에테르 (Ethylene glycol ethyl methyl ether, EGEME), 트리에틸렌글리콜모노메틸에테르(Triethylene glycol monomethyl ether, TEGME), 디글라임, 테트라글라임, 헥사메틸 포스포릭 트리아마이드(hexamethyl phosphoric triamide), 감마부티로락톤(GBL), 아세토니트릴, 프로피오니트릴, 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), N-메틸피롤리돈, 3-메틸-2-옥사졸리돈, 아세트산에스테르, 부티르산에스테르 및 프로피온산에스테르, 디메틸포름아마이드, 설포란(SL), 메틸설포란, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, 디메틸설페이트, 에틸렌글리콜 디아세테이트, 디메틸설파이트, 또는 에틸렌글리콜설파이트 등을 들 수 있다.More specifically, the organic solvent is selected from the group consisting of 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane, Dioxolane (DOL), 1,4-dioxane, tetrahydrofuran , Dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate (MPC), ethyl propyl carbonate, dipropyl carbonate, butyl ethyl carbonate, ethyl propanoate (EP), toluene, xylene, dimethyl ether (DME), diethyl ether, ethylene glycol ethyl methyl ether (EGEME), triethylene glycol monomethyl ether TEGME), diglyme, tetraglyme, hexamethyl phosphoric triamide, gamma butyrolactone (GBL), acetonitrile, propionitrile, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate - Me Dimethyl sulfoxide (SL), methyl sulfolane, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, dimethyl sulfate, ethylene glycol (dimethyl sulfoxide), dimethyl sulfoxide Diacetate, dimethylsulfite, or ethylene glycol sulfite.

전술한 유기용매 중에서 에틸렌글리콜에틸메틸에테르 /디옥솔란/디메틸에테르의 혼합용매가 보다 바람직할 수 있다.Among the above-mentioned organic solvents, a mixed solvent of ethylene glycol ethyl methyl ether / dioxolane / dimethyl ether may be more preferable.

또한, 상기 리튬염은 리튬 이차 전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염으로는 LiN(F5SO2)2 (lithium bis(fluorosulfonyl) imide, LiFSI), LiNO3, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2(Lithium bis(perfluoroethylsulfonyl)imide, BETI), LiN(CF3SO2)2(Lithium bis(Trifluoromethanesulfonyl)imide, LiTFSI), LiN(CaF2a+1SO2)(CbF2b+1SO2)(단, a 및 b는 자연수, 바람직하게는 1≤a≤20이고, 1≤b≤20임), 리튬 폴리[4,4'-(헥사플루오로이소프로필리덴)디페녹시]술포닐이미드(lithium poly[4,4'-(hexafluoroisopropylidene)diphenoxy]sulfonylimide, LiPHFIPSI), LiCl, LiI, LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있으며, 이중에서도 LiFSI, LiTFSI, BETI 또는 LiPHFIPSI 등과 같은 술포닐기-함유 이미드 리튬 화합물이 보다 바람직할 수 있다In addition, the lithium salt can be used without particular limitation as long as it is a compound capable of providing lithium ions used in a lithium secondary battery. Specifically, LiN (F 5 SO 2) with the lithium salt 2 (lithium bis (fluorosulfonyl) imide , LiFSI), LiNO 3, LiPF 6, LiClO 4, LiAsF 6, LiBF 4, LiSbF 6, LiAl0 4, LiAlCl 4, LiCF 3 SO 3, LiC 4 F 9 SO 3, LiN (C 2 F 5 SO 3) 2, LiN (C 2 F 5 SO 2) 2 (Lithium bis (perfluoroethylsulfonyl) imide, BETI), LiN (CF 3 SO 2 ) 2 (Lithium bis (Trifluoromethanesulfonyl) imide, LiTFSI), LiN (C a F 2a + 1 SO 2) (C b F 2b + 1 SO 2) ( However, a and b is a natural number, preferably 1≤a≤ 20 and 1? B? 20), lithium poly [4,4 '- (hexafluoroisopropylidene) diphenoxy] sulfonylimide (lithium poly [4,4'- (hexafluoroisopropylidene) diphenoxy] sulfonylimide , LiPHFIPSI), LiCl, LiI, LiB (C 2 O 4 ) 2, etc. Among them, a sulfonyl group-containing imide lithium compound such as LiFSI, LiTFSI, BETI or LiPHFIPSI may be more preferable

또한, 상기 리튬염은 상기 전해질 전체 중량에 대하여 1 내지 60중량%, 상세하게는 10 내지 35 중량%로 포함되는 것이 바람직할 수 있다. 상기 리튬염의 함량이 이러한 범위를 만족하는 경우, 전해질의 전도도 및 점도가 적절하게 조절되어 전해질 성능이 개선되고, 리튬 이온의 이동성이 개선될 수 있다. The lithium salt may be contained in an amount of 1 to 60% by weight, more preferably 10 to 35% by weight based on the total weight of the electrolyte. When the content of the lithium salt satisfies this range, the conductivity and viscosity of the electrolyte are appropriately controlled to improve the electrolyte performance and improve the mobility of the lithium ion.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the embodiments according to the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention.

실시예 1Example 1

분산매인 증류수에 열팽창 그라파이트(TIMCAL社, BNB90) 가 포함된 분산액을 고압 균질기(일신오토클레이브社, Nano Disperser (NH500))를 이용하여 그래핀 플레이크를 제조하였다. 구체적으로 상기 분산액에 고압 균질기에서 약 1,600 bar의 고압을 인가하여 175 ㎛의 직경을 갖는 미세 유로를 통과시킴으로써 고압 균질기의 유출부에서 샘플을 채취하였다. A graphene flake was prepared by using a high-pressure homogenizer (Nano Disperser (NH500)) as a dispersion containing thermally expanding graphite (TIMCAL, BNB90) in distilled water as a dispersion medium. Specifically, a high pressure of about 1,600 bar was applied to the dispersion by means of a high-pressure homogenizer, and a fine channel having a diameter of 175 mu m was passed through to obtain a sample from the outlet of the high-pressure homogenizer.

이렇게 채취된 샘플을 여과 및 건조하여 파우더로 회수하였다. The sampled sample was filtered and dried to recover the powder.

이어서 유성형 볼밀 장치(Pulvereisette 6, Fritsch)의 80cc 쟈(Jar) 내부에 1mm 직경의 지르코니아 볼을 20cc 채우고, 상기 얻어진 그래핀 프레이크 파우더 0.7g과 염화암모늄 10g을 채운 후, Ar 충전을 위해 글러브 박스 내에서 쟈 뚜껑을 닫고 밀폐시켰다. Then, 20 cc of 1 mm diameter zirconia balls were filled in an 80 cc jar of a planetary ball mill apparatus (Pulvereisette 6, Fritsch), 0.7 g of the obtained graphene powder and 10 g of ammonium chloride were filled in the glove box, I closed the jar lid and sealed it.

이어서, 450rpm 조건의 교반하에 반응 시간을 20시간 동안 진행하였으며, 반응 분위기로 Ar 분위기 상태의 쟈 내에 충진된 상태에서 수행되었다. 이후, 시간이 종료된 후, 메쉬를 사용하여 분극한 파우더를 수집하였다. Subsequently, the reaction was carried out under stirring at 450 rpm for 20 hours, and the reaction was carried out in an atmosphere of argon atmosphere. Thereafter, after the end of the time, the polarized powder was collected using a mesh.

이후, 알루미나 보트에 파우더를 넣고, Ar 분위기에서 튜브 퍼니스(tube furnace)에서 열처리를 진행하였다. 상기 열처리는 800℃에서 1시간 처리하였으며, 이때 온도 상승 조건은 10℃/min로 처리하였다. Then, the powder was placed in an alumina boat, and heat treatment was performed in a tube furnace in an Ar atmosphere. The heat treatment was performed at 800 ° C for 1 hour, and the temperature was raised at a rate of 10 ° C / min.

이와 같이 제조되는 과정에서의 파우더 특성을 분석하기 위하여 SEM 및 TEM 이미지를 촬영하여 표면 형상을 확인하였으며, XPS 분석 실험을 실시하여, 그 결과를 도 2와 도 3에 각각 나타내었다. SEM and TEM images were taken to analyze the powder characteristics in the course of the production, and the surface morphology was confirmed. The results of the XPS analysis were shown in FIGS. 2 and 3, respectively.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 질소 도핑된 그래핀을 제조하는 각 과정에서의 그래핀 플레이크의 표면 상태를 나타낸 SEM 사진이다. FIG. 2 is a SEM photograph showing the surface state of graphene flakes in each step of preparing nitrogen-doped graphene according to Example 1 of the present invention. FIG.

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 질소 도핑된 그래핀의 XPS 분석 결과이다. 3 is a result of XPS analysis of nitrogen-doped graphene prepared according to Example 1 of the present invention.

도 2에서 보는 바와 같이, 실시예 1에 따라 질소 도핑된 그래핀을 제조하는 각 과정에서의 그래핀 플레이크의 표면 상태는 공정이 진행됨에 따라 표면에 기공과 주름이 다량 형성되는 것을 확인하였다. As shown in FIG. 2, the surface state of the graphene flake in each step of preparing nitrogen-doped graphene according to Example 1 was confirmed to be formed with a large amount of pores and wrinkles on the surface as the process progresses.

또한, 도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 질소 도핑된 그래핀은 398.4 eV(pyridinic N) 및 400.6 eV(graphitic N)에서 2종의 N-state 피크가 관찰됨으로써 질소 도핑된 것을 확인하였으며, 도핑된 질소는 전체의 약 3%가 형성됨을 확인하였다. Further, as shown in FIG. 3, nitrogen-doped graphene prepared according to Example 1 of the present invention showed two N-state peaks at 398.4 eV (pyridinic N) and 400.6 eV (graphitic N) And it was confirmed that about 3% of the doped nitrogen was formed.

또한, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 질소 도핑된 그래핀의 SEM 사진 및 TEM 사진을 각각 나타낸다. 도면에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 그래핀 플레이크는 다량의 기공과 주름을 갖는 모폴로지를 보임을 확인할 수 있었다. 4A and 4B are SEM photographs and TEM photographs of nitrogen-doped graphene prepared according to Example 1 of the present invention, respectively. As shown in the figure, it was confirmed that the graphene flakes prepared according to Example 1 of the present invention exhibited a morphology having a large amount of pores and wrinkles.

비교예 1Comparative Example 1

분산매인 증류수에 열팽창 그라파이트가 포함된 분산액을 고압 균질기를 이용하여 그래핀 플레이크를 제조하였다. 구체적으로 상기 분산액에 고압 균질기에서 약 1600 bar의 고압을 인가하여 미세 유로를 통과시킴으로써 고압 균질기의 유출부에서 샘플을 채취하였다. The graphene flakes were prepared by using high pressure homogenizer in dispersion containing distilled water and thermally expanding graphite. Specifically, a high pressure of about 1600 bar was applied to the dispersion by a high-pressure homogenizer to pass a microfluidic channel, and a sample was taken from the outlet of the high-pressure homogenizer.

이렇게 채취된 샘플을 여과 및 건조하여 파우더로 회수하였다. The sampled sample was filtered and dried to recover the powder.

이후, 알루미나 보트에 파우더를 넣고, Ar 분위기에서 튜브 퍼니스(tube furnace)에서 열처리를 진행하였다. 상기 열처리는 800℃에서 1시간 처리하였으며, 이때 온도 상승 조건은 10℃/min로 처리하였다. Then, the powder was placed in an alumina boat, and heat treatment was performed in a tube furnace in an Ar atmosphere. The heat treatment was performed at 800 ° C for 1 hour, and the temperature was raised at a rate of 10 ° C / min.

비교예 1은 열팽창 그라파이트를 고압 균질기를 이용하여 얻어진 그래핀 프레이크를 염화암모늄을 첨가하여 볼 밀링하는 질소 도핑 단계를 거치지 않고 바로 열처리를 진행한 점에서 실시예 1과 차이가 있었다. Comparative Example 1 was different from Example 1 in that the graphene flakes obtained by using the high-pressure homogenizer of the thermally expanding graphite were subjected to a heat treatment immediately without adding a nitrogen-doping step of ball milling with addition of ammonium chloride.

실시예 2 (양극 및 리튬 황 전지의 제조)Example 2 (Preparation of positive electrode and lithium sulfur battery)

실시예 1에서 제조된 질소 도핑된 그래핀 6 중량부와 황 14 중량부를 모르타 믹싱(moltar mixing)을 한 후 155℃에서 30분간 용융확산 (melt-diffusion)시켜서 황-그래핀 복합체를 제조하였다. 이때, 황이 용융되어 탄소 호스트(carbon host)인 그래핀의 기공으로 흘러 들어가도록 하기 위한 최적의 온도가 155℃이었다. 외기와의 접촉이 차단된 상태에서 오븐에서 열처리 공정으로 실시되었다. 6 parts by weight of the nitrogen-doped graphene prepared in Example 1 and 14 parts by weight of sulfur were subjected to molar mixing and melt-diffusion at 155 DEG C for 30 minutes to prepare a sulfur-graphene composite . At this time, the optimum temperature for causing the sulfur to melt and flow into the pores of the carbon host, graphene, was 155 ° C. It was carried out in a heat treatment process in an oven with the contact with outside air being blocked.

구체적으로, 상온에서 S8 형태의 사방정계 황(orthorhombic sulfur)은 95.5℃에서 단사정계 황(monoclinic sulfur)으로 전환되고 118.7℃에서 용융되었다. 하지만, 액체 황은 155℃ 근처에서 사이클로-S8(cyclo-S8)과 카테나-S8(catena-S8) 형태가 공존하게 되었다. S8형태가 선형 술페닐 라디칼(linear sulfenyl diradical)을 형성하며 탄소 호스트 내로 용융 확산되었다.Specifically, at room temperature, orthorhombic sulfur in the form of S8 was converted to monoclinic sulfur at 95.5 ° C and melted at 118.7 ° C. However, liquid sulfur coexisted with cyclo-S8 and catena-S8 forms near 155 ° C. The S8 form forms a linear sulfenyl diradical and is melt-diffused into the carbon host.

얻어진 황-그래핀 복합체를 도전재로 덴카 블랙, 바인더로는 SBR/CMC 를 각각 사용하고, 혼합비율은 중량비로 황-그래핀 복합체:덴카 블랙:SBR:CMC가 90:5:3.5:1.5가 되도록 혼합하여 고형분 20%의 수계 슬러리를 제조하였다.The mixture of sulfur-graphene composite material: Denka Black: SBR: CMC in a weight ratio of 90: 5: 3.5: 1.5 was used as a conductive material, and SBR / CMC was used as a binder. To prepare an aqueous slurry having a solid content of 20%.

제조된 슬러리를 알루미늄 포일 집전체에 도포한 후 건조하여 양극을 제조하였다 (양극의 에너지 밀도: 3mAh/㎠).The prepared slurry was applied to an aluminum foil current collector and dried to prepare a positive electrode (energy density of the positive electrode: 3 mAh / cm 2).

또한, 음극으로는 리튬 금속 박막을 준비하였다.A lithium metal thin film was prepared as a cathode.

상기 준비된 양극과 음극을 대면하도록 위치시킨 후, 폴리에틸렌의 분리막을 상기 양극과 음극 사이에 개재하였다.After the prepared positive electrode and negative electrode were positioned to face each other, a polyethylene separator was interposed between the positive electrode and the negative electrode.

그 후, 케이스 내부로 전해질을 주입하여 리튬 황 전지를 제조하였다. 이때 상기 전해질은, 유기용매 에틸렌글리콜에틸메틸에테르/디옥솔란/디메틸에테르 (EGEME/DOL/DME)(4/2/4 부피비)에 리튬염으로 LiFSI를 0.4몰 농도로 혼합하고, LiNO3를 전해액 대비 4중량% 로 첨가한 전해질을 사용하였다.Thereafter, an electrolyte was injected into the case to prepare a lithium sulfur battery. At this time, the electrolyte is an organic solvent ethylene glycol methyl ether / dioxolane / dimethyl ether (EGEME / DOL / DME) ( 4/2/4 volume ratio) mixed at a 0.4 molar concentration of lithium salt LiFSI in, and the electrolytic solution LiNO 3 And 4% by weight based on the electrolyte.

비교예 2 (양극 및 리튬 황 전지의 제조)Comparative Example 2 (Preparation of positive electrode and lithium sulfur battery)

비교예 1에 따라 제조된 그래핀 플레이크를 이용한 점을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로, 황-그래핀 복합체, 이를 이용한 양극, 및 이러한 양극을 구비하는 리튬 황 전지를 제조하였다.A sulfur-graphene composite, a positive electrode using the same, and a lithium-sulfur battery including such a positive electrode were prepared in the same manner as in Example 2, except that the graphene flakes prepared in Comparative Example 1 were used.

비교예 3 (N-도핑된 그래핀 나노플레이트렛의 제조)Comparative Example 3 (Preparation of N-doped graphene nanoflotlet)

유성형 볼밀 장치(Pulvereisette 6, Fritsch)의 80cc 쟈(Jar) 내부에 1mm 직경의 지르코니아 볼을 20cc 채우고, 그래핀 나노플레이트렛(Graphene nanoplatelets)(XG sciences, XGNP) 0.7g과 염화암모늄 10g을 채운 후, Ar 충전을 위해 글러브 박스 내에서 쟈 뚜껑을 닫고 밀폐시켰다. In an 80 cc jar of a planetary ball mill apparatus (Pulvereisette 6, Fritsch), 20 cc of 1 mm diameter zirconia balls were filled, 0.7 g of graphene nanoplatelets (XG sciences, XGNP) and 10 g of ammonium chloride were filled , The jar lid was closed and sealed in the glove box for Ar filling.

이어서, 450rpm 조건의 교반하에 반응 시간을 20시간 동안 진행하였으며, 반응 분위기로 Ar 분위기 상태의 쟈 내에 충진된 상태에서 수행되었다. 이후, 시간이 종료된 후, 메쉬를 사용하여 분극한 파우더를 수집하였다. Subsequently, the reaction was carried out under stirring at 450 rpm for 20 hours, and the reaction was carried out in an atmosphere of argon atmosphere. Thereafter, after the end of the time, the polarized powder was collected using a mesh.

이후, 알루미나 보트에 파우더를 넣고, Ar 분위기에서 튜브 퍼니스(tube furnace)에서 열처리를 진행하였다. 상기 열처리는 800℃에서 1시간 처리하였으며, 이때 온도 상승 조건은 10 ℃/min로 처리하였다. Then, the powder was placed in an alumina boat, and heat treatment was performed in a tube furnace in an Ar atmosphere. The heat treatment was performed at 800 ° C for 1 hour, and the temperature was raised at a rate of 10 ° C / min.

비교예 4 (양극 및 리튬 황 전지의 제조)Comparative Example 4 (Preparation of positive electrode and lithium sulfur battery)

비교예 3에 따라 제조된 N-도핑된 그래핀 나노플레이트렛을 이용한 점을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로, 황-그래핀 복합체, 이를 이용한 양극, 및 이러한 양극을 구비하는 리튬 황 전지를 제조하였다.Graphene composite, a positive electrode using the same, and lithium sulfur having such an anode were obtained in the same manner as in Example 2, except that the N-doped graphene nanoflotette prepared according to Comparative Example 3 was used. A battery was prepared.

평가 결과Evaluation results

(1) 원소분석(1) Elemental analysis

본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 질소 도핑된 그래핀의 원소분석(EA)을 하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. Elemental analysis (EA) of the nitrogen-doped graphene prepared according to Example 1 of the present invention was performed, and the results are shown in Table 1 below.

이때, 원소분석 방법은 하기와 같다.At this time, the element analysis method is as follows.

1) 시료 약 0.1 g을 정확히 측량하여 코닝 튜브(corning tube)에 담는다. 1) Measure approximately 0.1 g of sample accurately and place in corning tube.

2) 시료가 담긴 코팅 튜브에 왕수(염산:질산=3:1 (부피비))를 넣어 용출시킨다. 2) Dissolve aqua regia (hydrochloric acid: nitric acid = 3: 1 (volume ratio)) into the coating tube containing the sample.

3) 시료가 담긴 코닝 corning tube를 물중탕 시켜 산을 증발시킨다.3) The corning tube containing the sample is boiled in water to evaporate the acid.

4) 산이 1 mL 이하로 남으면, 초순수 25 mL 로 희석한 후 내부 표준 물질 (Internal Standard)를 첨가한다. (내부 표준 물질: Sc) 4) If the acid remains below 1 mL, dilute to 25 mL of ultrapure water and add the Internal Standard (Internal Standard). (Internal standard substance: Sc)

5) 용출액을 필터한 후 측정한다.5) Filter the effluent and measure it.

CC HH NN OO 실시예 1Example 1 92.992.9 0.460.46 2.932.93 1.051.05

(2) 비표면적(specific surface area), 전체 기공 부피(total pore volume) 및 평균 기공 직경(mean pore diameter) 측정(2) Measurement of specific surface area, total pore volume and mean pore diameter

상기 실시예 1에서 제조된 질소 도핑된 그래핀과, 비교예 1에 따라 제조된 그래핀 플레이크의 특성과 성능을 평가하기 위하여 압력별 질소의 흡탈착 아이소썸과 기공 직경별 기공 부피를 측정하여 도 5a 내지 도 5d에 나타내었다. To evaluate the characteristics and performance of the nitrogen-doped graphene prepared in Example 1 and the graphene flake prepared according to Comparative Example 1, the adsorption / desorption isomers of nitrogen per pressure and the pore volume of each pore diameter were measured 5a to 5d.

도 6에는 비교예 3의 질소(N) 도핑 처리전 그래핀 나노플레이틀렛과 질소(N) 도핑 처리후 그래핀 나노플레이틀렛의 압력별 질소의 흡탈착 아이소썸(isotherm)을 나타내었다. 도 7에는 비교예 3의 질소(N) 도핑 처리전 그래핀 나노플레이틀렛과 질소(N) 도핑 처리후 그래핀 나노플레이틀렛의 기공 직경별 기공 부피를 나타내었다. FIG. 6 shows the adsorption / desorption isotherm of the nitrogen of the graphene nanoflake after the nitrogen (N) doping process and the graphene nanoflotlet after the nitrogen (N) doping process of Comparative Example 3. FIG. 7 shows the pore volume of the graphene nanoflake after the nitrogen (N) doping process and the graphene nanoflake after the nitrogen (N) doping process of Comparative Example 3. FIG.

실시예 1에서 제조된 질소 도핑된 그래핀, 비교예 1에 따라 제조된 그래핀 플레이크, 비교예 3의 질소(N) 도핑 처리전 그래핀 나노플레이틀렛, 및 비교예 3의 질소(N) 도핑 처리후 그래핀 나노플레이틀렛의 비표면적, 전체 기공 부피, 평균 기공 직경을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. The nitrogen doped graphene prepared in Example 1, the graphene flake prepared according to Comparative Example 1, the graphene nanoflite before the nitrogen (N) doping treatment of Comparative Example 3, and the nitrogen (N) doping After the treatment, the specific surface area, total pore volume, and average pore diameter of the graphene nanoflake tablet were measured. The results are shown in Table 2 below.

이러한 비표면적, 전체 기공 부피, 평균 기공 직경, 압력별 질소의 흡탈착 아이소썸(isotherm)은 기공분포 측정기(Porosimetry analyzer; Bell Japan Inc, Belsorp-II mini)를 사용하여 질소 가스 흡착 유통법에 의해 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 6 점법으로 측정하였다.The adsorption / desorption isotherm of nitrogen in the specific surface area, total pore volume, average pore diameter and pressure was measured by a nitrogen gas adsorption / distribution method using a porosimetry analyzer (Bell Japan Inc, Belsorp-II mini) BET (Brunauer-Emmett-Teller) 6-point method.

비표면적(m2/g)Specific surface area (m 2 / g) 전체 기공 부피
(p/p0=0.990)(cm3/g)
Total pore volume
(p / p 0 = 0.990) (cm 3 / g)
평균 기공 직경(nm)Average pore diameter (nm)
비교예 1
(그래핀 플레이크)
Comparative Example 1
(Graphene flake)
64.7864.78 0.180.18 11.3211.32
실시예 1
(질소 도핑된 그래핀)
Example 1
(Nitrogen doped graphene)
293.67293.67 0.930.93 12.7012.70
비교예 3
(질소 도핑 처리전 그래핀 나노플레이틀렛)
Comparative Example 3
(Graphene nanopletlet before nitrogen doping)
18.418.4 0.090.09 19.3919.39
비교예 3
(질소 도핑 처리후 그래핀 나노플레이틀렛)
Comparative Example 3
(Graphene nanoflotetlet after nitrogen doping)
101101 0.120.12 4.734.73

상기 표 2를 참조하면, 비교예 1에서 고압 균질화 공정을 적용하여 박리하여 얻어진 그래핀 플레이크는 약 40개의 레이어(layers)를 갖는 그래핀이며, 비교예 1의 그래핀 플레이크에 비하여, 실시예 1의 염화암모늄을 처리하여 얻어진 질소 도핑된 그래핀의 경우가 비표면적 및 기공부피가 4배 이상 증대되는 것을 확인할 수 있었다. Referring to Table 2, the graphene flakes obtained by peeling off by applying the high pressure homogenization process in Comparative Example 1 are graphenes having about 40 layers, and compared with the graphene flakes of Comparative Example 1, In the case of nitrogen doped graphene obtained by treating ammonium chloride, the specific surface area and the pore volume were increased 4 times or more.

한편, 비교예 3에서 질소 도핑 처리전 그래핀 나노플레이틀렛은 약 140개의 레이어를 갖는 그래핀이며, 이를 질소 도핑 처리후 얻어진 그래핀 나노플레이틀렛은 질소 도핑 처리전에 비하여 증대된 비표면적 및 기공 부피 값을 보였다.On the other hand, in Comparative Example 3, the graphene nanoflotette before the nitrogen doping treatment was graphen having about 140 layers, and the graphene nanoflake obtained after the nitrogen doping treatment had an increased specific surface area and pore volume Respectively.

하지만, 비교예 3의 질소 도핑 처리후 얻어진 그래핀 나노플레이틀렛에 비하여, 실시예 1의 질소 도핑된 그래핀의 경우가 비표면적 및 기공부피 면에서 현저하게 개선된 값을 나타내는 것을 확인하였다. However, it was confirmed that the nitrogen doped graphene of Example 1 exhibited a remarkably improved value in terms of specific surface area and pore volume, as compared with the graphene nanoplettelet obtained after the nitrogen doping treatment of Comparative Example 3.

(3) 충/방전 특성 측정(3) Charging / discharging characteristic measurement

실시예 2, 비교예 2, 및 비교예 4의 양극을 이용하여, CR2032 코인셀 반쪽 전지를 제조하고, 이의 충/방전 특성을 측정하고, 그 결과를 하기 도 7에 나타내었다.A cathode of a CR2032 coin cell was produced by using the positive electrodes of Example 2, Comparative Example 2 and Comparative Example 4. The charge / discharge characteristics of the cell were measured. The results are shown in FIG.

이때, 음극으로는 직경 15 mm의 디스크 형태의 리튬 금속을 사용하였고, 분리막으로는 직경 18 mm의 폴리프로필렌(PE)을 사용하였으며, 1,3-디옥솔란(DOL):디메틸에테르(DME) = 1:1(v/v%), 1M LiTFSi, 0.5M LiNO3을 포함하는 전해질을 사용하였다. In this case, lithium metal having a diameter of 15 mm was used as a cathode, polypropylene (PE) having a diameter of 18 mm was used as a separator, 1,3-dioxolane (DOL): dimethyl ether (DME) 1: 1 (v / v% ), it was used as the electrolyte containing 1M LiTFSi, 0.5M LiNO 3.

충/방전 특성 측정에서, 충방전 전압 범위는 1.5 내지 2.6V이고, 율속은 방전 0.1C, 충전 0.1C의 조건이었다.In the charge / discharge characteristics measurement, the charge / discharge voltage range was 1.5 to 2.6 V, and the rate was 0.1 C for discharge and 0.1 C for charge.

도 7을 참조하면, 비교예 2의 양극을 구비한 전지는 약 2mAh/cm2의 로딩을 가지는 황과 그래핀 복합체 전극의 충방전 특성을 평가했을 때, 초기 방전 커브에서 분극이 발생하였으며 약 900 mAh/g의 낮은 방전용량을 보였고, 비교예 4의 양극을 구비한 전지도 약 1,000 mAh/g의 낮은 방전용량을 보였다.Referring to FIG. 7, when the charge / discharge characteristics of the sulfur and graphene composite electrode having the loading of about 2 mAh / cm 2 were evaluated, the cell having the anode of Comparative Example 2 was polarized at an initial discharge curve, mAh / g, and a battery having a positive electrode of Comparative Example 4 showed a discharge capacity as low as about 1,000 mAh / g.

이에 반하여, 실시예 2에 따라 염화암모늄을 그래핀 프레이크(GF)와 볼 밀링하여 제조한 질소 도핑된 그래핀[293m2/g 비표면적, 0.93cm3/g 기공부피]을 황과 복합화하여 제조한 양극을 구비한 전지는 초기용량 약 1,140mAh/g으로 증대된 방전용량을 나타내는 것을 알 수 있었다.On the contrary, the anode prepared by complexing nitrogen with sulfur-doped graphene [293 m 2 / g specific surface area, 0.93 cm 3 / g pore volume] prepared by ball milling ammonium chloride with graphene flake (GF) Showed an increased discharge capacity at an initial capacity of about 1,140 mAh / g.

이상의 실험 결과로부터, 본 발명에 따른 방법에 의하여 그래핀 플레이크에 다량의 기공과 주름을 형성하여 그래핀 플레이크를 형성하고 이를 이용하여 황을 담지한 복합체를 리튬 황 전지의 양극으로 이용할 경우, 상기 그래핀 플레이크의 비표면적 및 기공부피가 기존의 일반적인 그래핀에 비하여 획기적으로 증대될 수 있어 황 담지 성능이 대폭 증대되며, 또한 질소 원자가 그래핀에 도입되어 있으므로 리튬 황 전지의 전기 화학적 반응 중에 리튬 폴리설파이드의 용출을 억제하여 초기용량이 개선되도록 함으로써 전지의 수명을 연장시킬 수 있을 것으로 기대된다. From the above experimental results, it can be seen from the above results that when graphene flakes are formed by forming a large amount of pores and wrinkles in the graphene flakes according to the method of the present invention, and a composite in which sulfur is supported using the graphene flakes is used as the anode of the lithium sulfur battery, The specific surface area and pore volume of the pin flakes can be drastically increased as compared with conventional graphenes, so that the sulfur bearing performance is significantly increased. Also, since nitrogen atoms are introduced into the graphene, lithium polysulfide It is expected that the lifetime of the battery can be prolonged.

이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.As described above, preferred embodiments of the present invention have been disclosed in the present specification and drawings, and although specific terms have been used, they have been used only in a general sense to easily describe the technical contents of the present invention and to facilitate understanding of the invention , And are not intended to limit the scope of the present invention. It is to be understood by those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.

Claims (9)

그라파이트를 포함하는 분산액을 유입부, 유출부, 및 상기 유입부와 유출부 사이를 연결하며 마이크로미터 크기의 직경을 갖는 미세 유로를 포함하는 고압 균질기(High Pressure Homogenizer, HPH)의 미세 유로를 통과시키는 고압 균질화를 통해 그라파이트를 박리시켜 그래핀 플레이크를 얻는 제1 단계;
상기 얻어진 그래핀 플레이크를 여과 및 건조시킨 후 암모늄 화합물과 함께 볼밀에 넣고, 불활성 분위기 하에서 건식 볼 밀링을 진행하여 상기 그래핀 플레이크의 표면에 상기 암모늄 화합물이 둘러싼 상태의 입자를 얻는 제2 단계; 및
상기 얻어진 입자를 열처리하여 질소 원자가 도핑된 그래핀을 얻는 제3 단계;를 포함하는 질소 도핑된 그래핀의 제조 방법.
The dispersion containing the graphite is passed through a microfluidic channel of a high pressure homogenizer (HPH) comprising an inlet, an outlet, and a microchannel having a micrometer-sized diameter connecting the inlet and outlet, A first step of peeling the graphite through high pressure homogenization to obtain graphene flakes;
A second step of filtering and drying the obtained graphene flake, putting it into a ball mill together with an ammonium compound, and conducting dry ball milling in an inert atmosphere to obtain grains in a state in which the ammonium compound is surrounded on the surface of the graphene flake; And
And a third step of heat treating the obtained grains to obtain graphene doped with nitrogen atoms.
제1항에 있어서,
상기 고압 균질화는 상기 분산액에 500 내지 3,000 bar의 압력을 인가함에 의해 수행되는 질소 도핑된 그래핀의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the high-pressure homogenization is performed by applying a pressure of 500 to 3,000 bar to the dispersion.
제1항에 있어서,
상기 암모늄 화합물은 염화암모늄인 질소 도핑된 그래핀의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the ammonium compound is ammonium chloride.
제1항에 있어서,
상기 제2 단계는 불활성 기체 및 공기를 상기 볼밀에 넣고 0.1 내지 5mm 직경의 볼 크기를 갖는 볼을 이용하여 200 내지 700 rpm으로 10 내지 30 시간 동안 교반시킴에 의해 수행되는 질소 도핑된 그래핀의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The second step is to prepare nitrogen-doped graphene by stirring inert gas and air into the ball mill and stirring the mixture at 200 to 700 rpm for 10 to 30 hours using a ball having a diameter of 0.1 to 5 mm Way.
제1항에 있어서,
상기 제3 단계 전에 상기 제2 단계에서 얻어진 입자를 메쉬를 이용하여 입자 선별하는 것을 더 포함하는 질소 도핑된 그래핀의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising the step of sorting the particles obtained in the second step using a mesh before the third step.
제1항에 있어서,
상기 제3 단계에서 열처리는, 상기 얻어진 입자를 알루미나 보트에 적재하고, 불활성 분위기하의 튜브 퍼니스에서 700 내지 1,000℃의 온도, 0.5 내지 5 시간, 및 8 내지 15 ℃/min의 온도 상승 조건으로 수행되는 질소 도핑된 그래핀의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The heat treatment in the third step is carried out in a tube furnace under an inert atmosphere at a temperature of 700 to 1,000 DEG C, for 0.5 to 5 hours, and at a temperature raising condition of 8 to 15 DEG C / min, A method for producing graphene doped with nitrogen.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 질소 도핑된 그래핀에 황을 담지하여 복합화하는 황-그래핀 복합체의 제조 방법.A process for producing a sulfur-graphene composite, comprising the steps of: (a) preparing a sulfur-graphene composite by mixing sulfur with nitrogen in a nitrogen-doped graphene produced by the process of any one of claims 1 to 6; 제7항의 방법에 의해 제조된 황-그래핀 복합체를 포함하는 리튬 황 전지 양극. A lithium sulfur battery anode comprising a sulfur-graphene composite produced by the method of claim 7. 제8항의 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막을 구비하는 리튬 황 전지.A positive electrode of claim 8; cathode; And a separator disposed between the anode and the cathode.
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