KR20200055948A - Thermally expanded-reduced graphene oxide, manufacturing method, sulfur-carbon complex and lithium secondary battery comprising thereof - Google Patents

Thermally expanded-reduced graphene oxide, manufacturing method, sulfur-carbon complex and lithium secondary battery comprising thereof Download PDF

Info

Publication number
KR20200055948A
KR20200055948A KR1020180139657A KR20180139657A KR20200055948A KR 20200055948 A KR20200055948 A KR 20200055948A KR 1020180139657 A KR1020180139657 A KR 1020180139657A KR 20180139657 A KR20180139657 A KR 20180139657A KR 20200055948 A KR20200055948 A KR 20200055948A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sulfur
graphene oxide
thermally expanded
reduced graphene
lithium
Prior art date
Application number
KR1020180139657A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
양승보
손권남
한승훈
이장수
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020180139657A priority Critical patent/KR20200055948A/en
Publication of KR20200055948A publication Critical patent/KR20200055948A/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182Graphene
    • C01B32/198Graphene oxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182Graphene
    • C01B32/194After-treatment
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • H01M4/625Carbon or graphite
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2204/00Structure or properties of graphene
    • C01B2204/20Graphene characterized by its properties
    • C01B2204/22Electronic properties
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2204/00Structure or properties of graphene
    • C01B2204/20Graphene characterized by its properties
    • C01B2204/32Size or surface area
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

The present invention relates to a thermally expanded reduced graphene oxide having a specific surface area of 400-1200 m^2/g, a manufacturing method therefor, a sulfur-carbon composite comprising the same, and a lithium secondary battery.

Description

열팽창된 환원 그래핀 옥사이드, 이의 제조방법, 이를 포함하는 황-탄소 복합체 및 리튬 이차전지{Thermally expanded-reduced graphene oxide, manufacturing method, sulfur-carbon complex and lithium secondary battery comprising thereof}Thermally expanded reduced graphene oxide, a manufacturing method thereof, and a sulfur-carbon composite and lithium secondary battery comprising the same {Thermally expanded-reduced graphene oxide, manufacturing method, sulfur-carbon complex and lithium secondary battery comprising thereof}

본 발명은 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드, 이의 제조방법, 이를 포함하는 황-탄소 복합체 및 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a thermally expanded reduced graphene oxide, a method for manufacturing the same, a sulfur-carbon composite and a lithium secondary battery comprising the same.

탄소 원자들로만 구성된 나노 물질로 풀러렌, 탄소나노튜브, 그래핀을 포함한 흑연질 탄소 소재는 우수한 전기적 특성, 물리적 및 화학적 안정성을 가지고 있으므로 학계와 산업분야의 관심을 받고 있다.Graphite carbon materials, including fullerene, carbon nanotubes, and graphene as nanomaterials composed only of carbon atoms, have excellent electrical properties, physical and chemical stability, and are attracting attention from academia and industry.

특히, 그래핀은 체적 대비 매우 높은 비표면적, 우수한 전기전도도 및 물리적 화학적 안정성으로 인해 획기적인 신소재로 각광받고 있는 물질이다. 탄소 소재 중 그래핀은 풍부하고 값이 싼 천연 혹은 합성 흑연(graphite)을 원료로 하여 화학적 산화, 박리(exfoliation) 과정 그리고 화학적 또는 열적 환원처리를 거쳐 대량생산이 가능하며 그 제조방법이 개시되어 있다.In particular, graphene is a material that is in the spotlight as an innovative new material due to its very high specific surface area, excellent electrical conductivity, and physical and chemical stability. Among carbon materials, graphene can be mass-produced through chemical oxidation, exfoliation, and chemical or thermal reduction processes using rich and inexpensive natural or synthetic graphite as a raw material, and its manufacturing method is disclosed. .

한편, 최근 몇 년 동안 이차 전지용 전극 및 슈퍼커패시터 또는 환경 흡착제에 적용되는 탄소체의 부족한 특성 등을 보완하거나 성능 향상 효과를 유도하기 위해서 표면 활성화 및 도핑을 통한 표면 기능화가 이루어지고 있다.On the other hand, in recent years, surface functionalization through surface activation and doping has been made to supplement the insufficient properties of the electrode for secondary batteries and supercapacitors or carbon adsorbents applied to environmental adsorbents or to induce a performance improvement effect.

다만, 종래의 탄소소재를 이용하여 마이크로 입자 구조를 합성하며 조건 제어를 통한 균일한 밀도, 크기, 형태 및 조성을 제어가 어려우며 복잡한 합성 과정을 가지게 된다. 그래서, 이러한 문제점을 극복하고 간단한 합성 과정을 통한 기능화된 탄소 구조체의 개발이 필요한 시점이다.However, a conventional micro-particle structure is synthesized using a carbon material, and it is difficult to control uniform density, size, shape and composition through condition control, and has a complicated synthesis process. So, it is time to overcome these problems and develop a functionalized carbon structure through a simple synthesis process.

한편, 이차전지 중에서도, 리튬-황 전지는 이론 에너지 밀도가 약 2600Wh/kg으로서, 에너지 밀도가 약 570Wh/kg인 리튬 이온 전지의 약 7배에 해당하는 높은 값을 갖는다. 또한, 리튬-황 전지의 양극 소재로 사용되고 있는 황은 자원이 풍부하여 가격이 저렴하므로 전지의 제조단가를 낮출 수 있다는 장점을 갖고 있다. 이러한 장점들로 인해, 리튬-황 전지는 높은 관심을 받고 있다.On the other hand, among the secondary batteries, the lithium-sulfur battery has a theoretical energy density of about 2600 Wh / kg, and has a high value corresponding to about 7 times that of a lithium ion battery having an energy density of about 570 Wh / kg. In addition, sulfur, which is used as a positive electrode material for a lithium-sulfur battery, has an advantage of being able to lower the manufacturing cost of the battery because of its abundant resources and low price. Due to these advantages, lithium-sulfur batteries have received high attention.

상기와 같은 장점에도 불구하고, 리튬-황 전지의 전기화학 반응 중에 리튬 폴리설파이드가 중간 생성물로서 생성되어 리튬-황 전지의 수명에는 한계가 있다. 리튬-황 전지의 전기화학 반응 중에 생성되는 리튬 폴리설파이드는 유기 전해액에 대한 용해도가 높아, 방전 반응 중에 지속적으로 유기 전해액에 용해된다. 이에 따라, 황을 포함하는 양극 소재의 양이 감소하여 전지 자체의 수명이 저하되는 문제가 있다. 또한, 황 자체가 전기전도도가 매우 낮기 때문에, 양극 재료로 황만을 사용할 수가 없어 전도성 카본 및 고분자 등의 전도성 소재를 함께 이용하여 복합체를 만들거나, 이들에 황을 코팅하는 기술이 필수적으로 요구된다. 이와 같이 양극 활물질로서 황만을 사용할 수 없고 황 이외의 다른 전도성 소재가 함께 포함되기 때문에, 셀 전체의 에너지 밀도가 저하되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해서, 양극 재료 내의 황의 함량을 최대화시키는 반면, 전도성 소재의 함량을 최소화시키며, 전도성 소재에 황을 고르게 담지시켜야 한다.Despite the above advantages, lithium polysulfide is produced as an intermediate product during the electrochemical reaction of the lithium-sulfur battery, and thus the life of the lithium-sulfur battery is limited. Lithium polysulfide generated during the electrochemical reaction of a lithium-sulfur battery has high solubility in an organic electrolyte, and is continuously dissolved in the organic electrolyte during a discharge reaction. Accordingly, there is a problem in that the amount of the positive electrode material containing sulfur decreases and the life of the battery itself decreases. In addition, since the sulfur itself has a very low electrical conductivity, only sulfur cannot be used as a positive electrode material, and thus a technique of forming a composite by using conductive materials such as conductive carbon and a polymer or coating sulfur on them is essential. Since only sulfur cannot be used as the positive electrode active material and conductive materials other than sulfur are included together, there is a problem that the energy density of the entire cell is lowered. To solve this, while maximizing the content of sulfur in the positive electrode material, it is necessary to minimize the content of the conductive material, and evenly support the sulfur in the conductive material.

상기의 문제를 해결하기 위하여 많은 연구가 지속적으로 요구되고 있다. In order to solve the above problems, many studies are continuously required.

그래핀 옥사이드를 열처리하여 팽창 및 환원시키면 비표면적 및 기공 부피가 증가하여 그래핀 옥사이드에 담지되는 황의 함량을 증가시키며, 황의 담지를 고르게 할 수 있다는 것을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.When the graphene oxide is heat-treated and expanded and reduced, the specific surface area and pore volume increase, thereby increasing the content of sulfur carried on the graphene oxide and confirming that it is possible to uniformly support sulfur.

따라서, 본 발명은 높은 비표면적 및 기공 부피를 가지는 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드(Thermally expanded-reduced graphene oxide, TE-rGO) 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermally expanded reduced graphene oxide (TE-rGO) having a high specific surface area and pore volume and a method for manufacturing the same.

또한, 본 발명은 상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드 및 황을 포함하는 황-탄소 복합체 및 이를 양극 활물질로 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a sulfur-carbon composite comprising the thermally expanded reduced graphene oxide and sulfur and a lithium secondary battery comprising the same as a positive electrode active material.

상기 목적을 달성하기 위하여,In order to achieve the above object,

본 발명은 비표면적이 400 내지 1200m2/g인 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드(Thermally expanded-reduced graphene oxide, TE-rGO)를 제공한다.The present invention provides thermally expanded-reduced graphene oxide (TE-rGO) having a specific surface area of 400 to 1200 m 2 / g.

또한, 본 발명은 (a)그래핀 옥사이드를 300 내지 500℃의 온도로 열처리하여 열팽창시키는 단계; 및In addition, the present invention comprises the steps of (a) thermally expanding the graphene oxide to a temperature of 300 to 500 ° C; And

(b)상기 열팽창된 그래핀 옥사이드를 700 내지 1200℃의 온도로 열처리하여 환원시키는 단계;를 포함하는 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드 제조방법을 제공한다.(b) reducing the heat-expanded graphene oxide by heat treatment at a temperature of 700 to 1200 ° C.

또한, 본 발명은 상기 본 발명의 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드; 및In addition, the present invention is the thermally expanded reduced graphene oxide of the present invention; And

상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 내부 및 표면 중 적어도 일부에 황;을 포함하는 황-탄소 복합체를 제공한다.It provides a sulfur-carbon composite comprising; sulfur on at least a portion of the interior and surface of the thermally expanded reduced graphene oxide.

또한, 본 발명은 양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해액을 포함하는 리튬 이차전지로,In addition, the present invention is an anode; cathode; A separator interposed between the anode and the cathode; And lithium secondary battery comprising an electrolyte,

상기 양극은 상기 본 발명의 황-탄소 복합체를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.The positive electrode provides a lithium secondary battery comprising the sulfur-carbon composite of the present invention.

본 발명의 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드(Thermally expanded-reduced graphene oxide, TE-rGO)는 높은 비표면적 및 기공 부피를 가짐에 따라, 많은 양의 황을 담지할 수 있고, 황의 담지를 고르게 할 수 있다.The thermally expanded reduced-reduced graphene oxide (TE-rGO) of the present invention has a high specific surface area and pore volume, and thus can support a large amount of sulfur and evenly support sulfur. .

따라서, 상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 내부 및 표면 중 적어도 일부에 황을 포함하는 황-탄소 복합체를 양극 활물질로 포함하는 리튬 이차전지는 황의 반응성을 향상시킬 수 있어 우수한 초기 방전용량 및 수명특성을 나타낼 수 있다.Therefore, a lithium secondary battery comprising a sulfur-carbon composite containing sulfur in at least a portion of the inside and the surface of the thermally expanded reduced graphene oxide as a positive electrode active material can improve the reactivity of sulfur, thereby providing excellent initial discharge capacity and life characteristics. Can be represented.

도 1은 본 발명의 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 SEM 사진이다.
도 2는 환원 그래핀 옥사이드의 SEM 사진이다.
도 3은 실시예 1의 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드(Thermally expanded-reduced graphene oxide, TE-rGO) 및 비교예 1(reduced graphene oxide, rGO)의 환원 그래핀 옥사이드의 평균 기공 크기에 따른 기공 부피를 측정한 그래프이다.
도 4는 실험예 2의 초기 방전용량을 측정한 그래프이다.
도 5는 실험예 2의 전지의 수명 특성을 측정한 그래프이다.
1 is a SEM photograph of the thermally expanded reduced graphene oxide of the present invention.
2 is a SEM photograph of reduced graphene oxide.
Figure 3 shows the pore volume according to the average pore size of the reduced graphene oxide of the thermally expanded reduced graphene oxide (Thermally expanded-reduced graphene oxide, TE-rGO) and Comparative Example 1 (reduced graphene oxide, rGO) of Example 1 It is a measured graph.
4 is a graph measuring the initial discharge capacity of Experimental Example 2.
5 is a graph measuring the life characteristics of the battery of Experimental Example 2.

이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

열팽창된 환원 그래핀 옥사이드Thermally expanded reduced graphene oxide

본 발명은 비표면적이 400 내지 1200m2/g인 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드(Thermally expanded-reduced graphene oxide, TE-rGO)에 관한 것이다.The present invention relates to thermally expanded-reduced graphene oxide (TE-rGO) having a specific surface area of 400 to 1200 m 2 / g.

상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드는 그래핀 옥사이드(graphene oxide)를 열처리하여 열팽창된 그래핀 옥사이드를 제조한 후, 상기 열팽창된 그래핀 옥사이드를 다시 열처리하여 환원시킴으로써 제조된 것일 수 있다.The thermally expanded reduced graphene oxide may be prepared by heat-treating graphene oxide to prepare thermally expanded graphene oxide, and then heat-reducing the thermally expanded graphene oxide to reduce it.

본 발명에서는 상기와 같이 열팽창 및 환원 단계를 거쳐 제조된 그래핀 옥사이드를 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드(Thermally expanded-reduced graphene oxide, TE-rGO)로 정의한다.In the present invention, the graphene oxide produced through the thermal expansion and reduction steps as described above is defined as thermally expanded-reduced graphene oxide (TE-rGO).

본 발명에서 상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드는 황을 담지할 수 있는 담지체로 사용될 수 있으며, 상기의 비표면적 및 기공부피를 가짐으로써 보다 많은 양의 황을 담지할 수 있을 뿐만 아니라, 내부 기공 및 표면에 황을 고르게 담지할 수 있다. In the present invention, the thermally expanded reduced graphene oxide can be used as a carrier capable of supporting sulfur, and by having the specific surface area and pore volume, it can support a larger amount of sulfur, as well as internal pores and surfaces You can evenly support the sulfur.

만약, 탄소재의 내부 및 표면 중 적어도 일부에 황이 담지된 황-탄소 복합체에서 황의 담지량이 너무 적을 경우, 황-탄소 복합체의 탄소재 비율이 늘어나 전지의 에너지 밀도가 저하될 수 있다. 또한, 황이 고르게 담지되지 못하면 탄소재의 표면을 황이 덮고 있어 황-탄소 복합체의 전기 전도도가 감소하는 문제가 발생할 수 있다.If the sulfur-carrying amount is too small in the sulfur-carbon composite in which sulfur is supported on at least a part of the inside and the surface of the carbon material, the energy density of the battery may decrease due to an increase in the proportion of the carbon material in the sulfur-carbon composite. In addition, when the sulfur is not evenly supported, the surface of the carbon material is covered with sulfur, which may cause a problem in that the electrical conductivity of the sulfur-carbon composite decreases.

그러나, 상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 내부 및 표면 중 적어도 일부에 황이 담지된 황-탄소 복합체는 많은 양의 황을 고르게 담지시킬 수 있으며, 그에 따라 이를 양극 활물질로 사용하는 리튬 이차전지의 반응성을 향상시켜 우수한 초기 방전용량 및 수명특성을 구현할 수 있다.However, the sulfur-carbon composite in which sulfur is supported on at least a part of the inside and the surface of the thermally expanded reduced graphene oxide can evenly support a large amount of sulfur, thereby reactivity of the lithium secondary battery using it as a positive electrode active material. By improving it, excellent initial discharge capacity and life characteristics can be realized.

구체적으로, 상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 비표면적은 400 내지 1200m2/g이고, 바람직하게는 600 내지 1200m2/g, 보다 바람직하게는 800 내지 1200m2/g일 수 있다.Specifically, the specific surface area of the thermally expanded reduced graphene oxide is 400 to 1200 m 2 / g, preferably 600 to 1200 m 2 / g, and more preferably 800 to 1200 m 2 / g.

상기 비표면적이 400 내지 1200m2/g이면 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드에 많은 양의 황을 고르게 담지시킬 수 있다.When the specific surface area is 400 to 1200 m 2 / g, a large amount of sulfur can be evenly supported on the thermally expanded reduced graphene oxide.

또한, 상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 기공 부피는 3 내지 7cm3/g이고, 바람직하게는 4 내지 6cm3/g일 수 있다.In addition, the pore volume of the thermally expanded reduced graphene oxide is 3 to 7 cm 3 / g, preferably 4 to 6 cm 3 / g.

상기 기공부피가 3 내지 7cm2/g이면 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드에 많은 양의 황을 고르게 담지시킬 수 있다.When the pore volume is 3 to 7 cm 2 / g, a large amount of sulfur can be evenly supported on the thermally expanded reduced graphene oxide.

상기 본 발명의 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드는 열팽창 및 환원 단계를 거쳐 제조됨으로써 뒤틀린(crumpled) 페이퍼 구조를 가질 수 있다.The thermally expanded reduced graphene oxide of the present invention may have a crumpled paper structure by being manufactured through thermal expansion and reduction steps.

상기 뒤틀린 페이퍼 구조를 가짐에 따라 상기와 같이 높은 비표면적 및 기공 부피를 가질 수 있으며, 그에 따라 상술한 효과를 나타낼 수 있다.As it has the warped paper structure, it can have a high specific surface area and pore volume as described above, and thus can exhibit the above-described effect.

열팽창된 환원 그래핀 옥사이드 제조방법Method for manufacturing thermally expanded reduced graphene oxide

또한, 본 발명은 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드(Thermally expanded-reduced graphene oxide, TE-rGO)의 제조방법에 관한 것으로, In addition, the present invention relates to a method of manufacturing thermally expanded reduced graphene oxide (Thermally expanded-reduced graphene oxide, TE-rGO),

(a)그래핀 옥사이드를 300 내지 500℃의 온도로 열처리하여 열팽창시키는 단계; 및(a) thermally expanding graphene oxide by heat treatment at a temperature of 300 to 500 ° C; And

(b)상기 열팽창된 그래핀 옥사이드를 700 내지 1200℃의 온도로 열처리하여 환원시키는 단계;를 포함한다.(b) reducing the heat-expanded graphene oxide by heat treatment at a temperature of 700 to 1200 ° C.

상기 (a)단계는 그래핀 옥사이드(graphene oxide)를 열처리하여 열팽창시키는 단계이다.The step (a) is a step of thermal expansion by heat treatment of graphene oxide.

상기 열처리를 수행함에 따라 그래핀 옥사이드의 산소 작용기(oxygen functional group)가 용이하게 제거되어 그래핀 옥사이드의 열팽창이 용이하게 일어날 수 있다. 그래핀 옥사이드의 열팽창이 일어나면 그래핀 옥사이드의 산소 작용기(oxygen functional group)가 열(thermal shock)에 의해 제거되어 팽창된 뒤틀린(crumpled) 페이퍼 구조를 가질 수 있다. As the heat treatment is performed, the oxygen functional group of the graphene oxide is easily removed so that the thermal expansion of the graphene oxide can easily occur. When thermal expansion of graphene oxide occurs, an oxygen functional group of graphene oxide may be removed by thermal shock to have an expanded crumpled paper structure.

상기 (a)단계의 그래핀 옥사이드는 파우더 형태일 수 있다.The graphene oxide of step (a) may be in powder form.

필름 형태의 그래핀 옥사이드는 적층 구조(stacked structure)를 가지므로 목적하고자 하는 비표면적을 가지는 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드를 얻을 수 없다. 따라서, 본 발명에서는 파우더 형태의 그래핀 옥사이드를 사용하는 것이 바람직하다.Since the graphene oxide in the film form has a stacked structure, it is impossible to obtain a thermally expanded reduced graphene oxide having a desired specific surface area. Therefore, in the present invention, it is preferable to use a graphene oxide in powder form.

또한, 상기 열처리는 300 내지 500℃의 온도로 5 내지 30분 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 350 내지 450℃의 온도로 5 내지 15분 동안 수행될 수 있다.In addition, the heat treatment may be performed for 5 to 30 minutes at a temperature of 300 to 500 ° C, and preferably for 5 to 15 minutes at a temperature of 350 to 450 ° C.

상기 열처리 온도 및 시간이 상기 범위 미만이면 그래핀 옥사이드의 열팽창이 충분히 일어나지 않아 높은 비표면적을 얻을 수 없고, 상기 범위를 초과하면 수득율(yield)이 저하될 수 있다.If the heat treatment temperature and time are less than the above range, thermal expansion of graphene oxide does not occur sufficiently, so that a high specific surface area cannot be obtained, and if it exceeds the above range, yield may deteriorate.

상기 (b)단계는 상기 (a)단계에서 제조된 열팽창된 그래핀 옥사이드를 열처리하여 환원시키는 단계이다.The step (b) is a step of reducing the heat-expanded graphene oxide prepared in step (a) by heat treatment.

상기 (b)단계에서 추가적인 열처리를 수행함에 따라 열팽창된 그래핀 옥사이드의 환원 과정이 일어나며, 그에 따라 최종적으로 뒤틀린(crumpled) 페이퍼 구조의 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드를 얻을 수 있다.As the additional heat treatment is performed in step (b), a reduction process of the thermally expanded graphene oxide occurs, and thus a thermally expanded reduced graphene oxide having a crumpled paper structure is finally obtained.

또한, 상기 열처리는 700 내지 1200℃의 온도로 1 내지 5시간 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 800 내지 1000℃의 온도로 2 내지 4시간 동안 수행될 수 있다.In addition, the heat treatment may be performed for 1 to 5 hours at a temperature of 700 to 1200 ° C, and preferably for 2 to 4 hours at a temperature of 800 to 1000 ° C.

상기 열처리 온도 및 시간이 상기 범위 미만이면 열팽창된 그래핀 옥사이드의 열팽창이 충분히 일어나지 않아 높은 비표면적을 얻을 수 없고, 상기 범위를 초과하면 수득율(yield)이 저하될 수 있다.If the heat treatment temperature and time are less than the above range, thermal expansion of the thermally expanded graphene oxide does not occur sufficiently, so that a high specific surface area cannot be obtained, and if it exceeds the above range, yield may deteriorate.

상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드는 열팽창 및 환원 단계를 거쳐 뒤틀린 페이퍼 구조를 가지게 되며, 그에 따라 높은 비표면적 및 기공 부피를 나타낼 수 있다.The thermally expanded reduced graphene oxide has a twisted paper structure through thermal expansion and reduction steps, and thus can exhibit a high specific surface area and pore volume.

본 발명의 제조방법으로 제조된 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드는 황을 담지할 수 있는 담지체로 사용될 수 있으며, 높은 비표면적 및 기공 부피를 가짐에 따라 많은 양의 황을 고르게 담지할 수 있다. 따라서, 상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 내부 및 표면 중 적어도 일부에 황이 담지된 황-탄소 복합체는 많은 양의 황을 고르게 담지시킬 수 있으며, 그에 따라 이를 양극 활물질로 사용하는 리튬 이차전지의 반응성을 향상시켜 우수한 초기 방전용량 및 수명특성을 구현할 수 있다.The thermally expanded reduced graphene oxide produced by the production method of the present invention can be used as a carrier capable of supporting sulfur, and can have a large amount of sulfur evenly as it has a high specific surface area and pore volume. Therefore, the sulfur-carbon composite in which sulfur is supported on at least a part of the inside and the surface of the thermally expanded reduced graphene oxide can evenly support a large amount of sulfur, thereby reactivity of the lithium secondary battery using it as a positive electrode active material. By improving it, excellent initial discharge capacity and life characteristics can be realized.

보다 자세하게는, 상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 비표면적은 400 내지 1200m2/g이고, 바람직하게는 600 내지 1200m2/g, 보다 바람직하게는 800 내지 1200m2/g일 수 있다.More specifically, the specific surface area of the thermally expanded reduced graphene oxide is 400 to 1200 m 2 / g, preferably 600 to 1200 m 2 / g, and more preferably 800 to 1200 m 2 / g.

상기 비표면적이 400 내지 1200m2/g이면 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드에 많은 양의 황을 고르게 담지시킬 수 있다.When the specific surface area is 400 to 1200 m 2 / g, a large amount of sulfur can be evenly supported on the thermally expanded reduced graphene oxide.

또한, 상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 기공 부피는 3 내지 7cm3/g이고, 바람직하게는 4 내지 6cm3/g일 수 있다.In addition, the pore volume of the thermally expanded reduced graphene oxide is 3 to 7 cm 3 / g, preferably 4 to 6 cm 3 / g.

상기 기공부피가 3 내지 7cm2/g이면 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드에 많은 양의 황을 고르게 담지시킬 수 있다.When the pore volume is 3 to 7 cm 2 / g, a large amount of sulfur can be evenly supported on the thermally expanded reduced graphene oxide.

황-탄소 복합체Sulfur-carbon complex

본 발명은 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드; 및 상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 내부 및 표면 중 적어도 일부에 황;을 포함하는 황-탄소 복합체에 관한 것이다.The present invention is a thermally expanded reduced graphene oxide; And sulfur on at least a portion of the inside and the surface of the thermally expanded reduced graphene oxide.

상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드는 상술한 바와 동일하며, 상술한 제조방법으로 제조된 것일 수 있다.The thermally expanded reduced graphene oxide is the same as described above, and may be manufactured by the above-described manufacturing method.

상기 황은 황 원소(Elemental sulfur, S8), 유기황 화합물 Li2Sn(n≥1) 및 탄소-황 폴리머((C2Sx)n: x=2.5 ~ 50, n≥2) 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 무기 황(S8)을 사용할 수 있다.The sulfur is a group consisting of elemental sulfur (S 8 ), organic sulfur compound Li 2 S n (n≥1) and carbon-sulfur polymer ((C 2 S x ) n : x = 2.5 to 50, n≥2) It may be one or more selected from. Preferably, inorganic sulfur (S 8 ) can be used.

본 발명에 따른 황-탄소 복합체에서 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드와 황은 1:1 내지 1:9의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다. 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 함량이 상기 범위를 초과하면 활물질인 황의 함량이 낮아져 전지 용량 확보에 있어서 문제가 발생하고, 상기 범위 미만이면 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 함량이 전기 전도도를 부여하기에 부족하게 되므로, 상기 범위 내에서 적절히 조절한다.In the sulfur-carbon composite according to the present invention, the reduced thermally expanded graphene oxide and sulfur are preferably mixed in a weight ratio of 1: 1 to 1: 9. When the content of the thermally expanded reduced graphene oxide exceeds the above range, the content of sulfur as an active material is lowered, resulting in problems in securing battery capacity, and when it is less than the above range, the content of the thermally expanded reduced graphene oxide is insufficient to impart electrical conductivity. Therefore, it is appropriately adjusted within the above range.

본 발명의 황-탄소 복합체의 복합화 방법은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며 당 업계에서 통상적으로 사용되는 방법이 사용될 수 있다. 일례로, 상기 본 발명의 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드와 황을 단순 혼합한 다음 열처리하여 복합화 하는 방법이 사용될 수 있다.The method for complexing the sulfur-carbon composite of the present invention is not particularly limited in the present invention, and a method commonly used in the art may be used. As an example, a method of simple mixing of the thermally expanded reduced graphene oxide and sulfur of the present invention and then heat treatment may be used.

상기 황은 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 내부 및 표면 중 적어도 일부에 담지되어 있으며, 표면 보다는 내부에 보다 많은 양의 황이 담지되어 있다.The sulfur is supported on at least a portion of the inside and the surface of the thermally expanded reduced graphene oxide, and a larger amount of sulfur is supported on the inside than on the surface.

본 발명에서 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 내부는 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 기공을 의미한다.In the present invention, the inside of the thermally expanded reduced graphene oxide means the pores of the thermally expanded reduced graphene oxide.

본 발명의 황-탄소 복합체의 직경은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 다양할 수 있으나, 바람직하게는 0.1 내지 20μm, 보다 바람직하게는 1 내지 10 μm 일 수 있다. 상기 범위를 만족할 때, 고로딩의 전극을 제조할 수 있다.The diameter of the sulfur-carbon composite of the present invention is not particularly limited in the present invention, and may vary, but may preferably be 0.1 to 20 μm, more preferably 1 to 10 μm. When the above range is satisfied, a high loading electrode can be manufactured.

상기 황-탄소 복합체는 탄소재로 상술한 본 발명의 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드를 사용하므로, 종래의 환원 그래핀 옥사이드 대비 많은 양의 황을 고르게 담지시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 황-탄소 복합체를 포함하는 리튬 이차전지는 초기 방전용량 및 수명특성 향상 효과를 가질 수 있다.Since the sulfur-carbon composite uses the thermally expanded reduced graphene oxide of the present invention described above as a carbon material, a large amount of sulfur can be supported evenly compared to the conventional reduced graphene oxide. Therefore, the lithium secondary battery including the sulfur-carbon composite of the present invention may have an effect of improving initial discharge capacity and life characteristics.

리튬 이차전지Lithium secondary battery

본 발명은 양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해액을 포함하는 리튬 이차전지로,The present invention is an anode; cathode; A separator interposed between the anode and the cathode; And lithium secondary battery comprising an electrolyte,

상기 양극은 상기 본 발명의 황-탄소 복합체를 양극 활물질로 포함한다.The positive electrode includes the sulfur-carbon composite of the present invention as a positive electrode active material.

상기 황-탄소 복합체를 양극 활물질로 포함함에 따라, 본 발명의 리튬 이차전지는 리튬-황 전지일 수 있다.As the sulfur-carbon composite is included as a positive electrode active material, the lithium secondary battery of the present invention may be a lithium-sulfur battery.

상기 양극은 양극 집전체와 상기 양극 집전체의 일면 또는 양면에 도포된 양극 활물질층을 포함할 수 있다.The positive electrode may include a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer coated on one or both surfaces of the positive electrode current collector.

상기 양극 집전체는 양극 활물질을 지지하며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 팔라듐, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸 표면에 카본, 니켈, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.The positive electrode current collector supports the positive electrode active material, and is not particularly limited as long as it has a high conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, palladium, calcined carbon, copper or stainless steel surface treated with carbon, nickel, silver, or the like, aluminum-cadmium alloy, or the like may be used.

상기 양극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질과의 결합력을 강화시킬 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 메쉬, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태를 사용할 수 있다.The positive electrode current collector may form fine irregularities on its surface to enhance the bonding force with the positive electrode active material, and may use various forms such as a film, sheet, foil, mesh, net, porous body, foam, and nonwoven fabric.

상기 양극 활물질층은 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함할 수 있다.The positive electrode active material layer may include a positive electrode active material, a binder, and a conductive material.

상기 양극 활물질은 상술한 본 발명의 황-탄소 복합체를 포함한다.The positive electrode active material includes the sulfur-carbon composite of the present invention described above.

상술한 바와 같이, 황-탄소 복합체의 탄소재는 본 발명의 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드이고, 높은 비표면적 및 기공 부피를 가짐에 따라 보다 많은 양의 황을 고르게 담지할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 양극의 황의 로딩량은 2 내지 15mg/cm2일 수 있으며, 바람직하게는 6 내지 10mg/cm2일 수 있다. 이와 같이 높은 로딩량을 가짐에 따라 상기 양극을 포함하는 리튬 이차전지는 초기 방전용량 및 수명 특성 효과를 나타낼 수 있다.As described above, the carbon material of the sulfur-carbon composite is a thermally expanded reduced graphene oxide of the present invention, and has a higher specific surface area and pore volume, so it can evenly support a larger amount of sulfur. Therefore, in the present invention, the loading amount of sulfur of the positive electrode may be 2 to 15 mg / cm 2 , and preferably 6 to 10 mg / cm 2 . As described above, the lithium secondary battery including the positive electrode may exhibit an effect of initial discharge capacity and lifetime characteristics as it has a high loading amount.

상기 양극은 상기 양극 활물질 이외에 전이금속 원소, ⅢA족 원소, ⅣA족 원소, 이들 원소들의 황 화합물, 및 이들 원소들과 황의 합금 중에서 선택되는 하나 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.The positive electrode may further include at least one additive selected from transition metal elements, group IIIA elements, group IVA elements, sulfur compounds of these elements, and alloys of these elements with sulfur in addition to the positive electrode active material.

상기 전이금속 원소로는 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au 또는 Hg 등이 포함되고, 상기 ⅢA족 원소로는 Al, Ga, In, Ti 등이 포함되며, 상기 ⅣA족 원소로는 Ge, Sn, Pb 등이 포함될 수 있다.The transition metal elements include Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au or Hg, etc. are included, and the group IIIA elements include Al, Ga, In, and Ti, and the group IVA elements may include Ge, Sn, and Pb.

상기 도전재는 전기 전도성을 향상시키기 위한 것으로, 리튬 이차전지에서 화학변화를 일으키지 않는 전자 전도성 물질이면 특별한 제한이 없다.The conductive material is intended to improve electrical conductivity, and is not particularly limited as long as it is an electronic conductive material that does not cause a chemical change in a lithium secondary battery.

일반적으로 카본블랙(carbon black), 흑연, 탄소섬유, 카본 나노튜브, 금속 분말, 도전성 금속산화물, 유기 도전재 등을 사용할 수 있고, 현재 도전재로 시판되고 있는 상품으로는 아세틸렌 블랙계열(쉐브론 케미컬 컴퍼니(Chevron Chemical Company) 또는 걸프 오일 컴퍼니(Gulf Oil Company) 제품 등), 케트젠 블랙(Ketjen Black) EC 계열 (아르막 컴퍼니(Armak Company) 제품), 불칸(Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼 P(엠엠엠(MMM)사 제품) 등이 있다. 예를 들면 아세틸렌블랙, 카본블랙, 흑연 등을 들 수 있다.In general, carbon black, graphite, carbon fiber, carbon nanotubes, metal powders, conductive metal oxides, and organic conductive materials can be used. As a commercially available product, acetylene black series (Chevron Chemical) Company (Chevron Chemical Company or Gulf Oil Company, etc.), Ketjen Black EC series (Armak Company), Vulcan XC-72 (Cavity Company) (Manufactured by Cabot Company) and Super P (manufactured by MMM). Examples include acetylene black, carbon black, and graphite.

또한, 상기 양극 활물질은 양극 활물질을 양극 집전체에 유지시키고, 활물질 사이를 이어주는 기능을 갖는 바인더를 포함할 수 있다. 상기 바인더로서, 예를 들면, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴 풀루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 스티렌-부타디엔 고무(styrene butadiene rubber, SBR), 카르복실 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose, CMC) 등의 다양한 종류의 바인더가 사용될 수 있다.In addition, the positive electrode active material may include a binder having a function of maintaining the positive electrode active material in the positive electrode current collector and connecting between the active materials. Examples of the binder include, for example, polyvinylidene fluoride-hexafluorofluoropropylene (PVDF-co-HFP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile, poly Various types of binders such as polymethyl methacrylate, styrene-butadiene rubber (SBR), and carboxyl methyl cellulose (CMC) can be used.

상기와 같은 양극은 통상의 방법에 따라 제조될 수 있으며, 구체적으로는 양극 활물질과 도전재 및 바인더를 유기 용매 상에서 혼합하여 제조한 슬러리 상태의 양극 활물질층 형성용 조성물을 집전체 위에 도포 및 건조하고, 선택적으로 전극 밀도의 향상을 위하여 집전체에 압축 성형하여 제조할 수 있다. 이때 상기 유기 용매로는 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 균일하게 분산시킬 수 있으며, 쉽게 증발되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란, 물, 이소프로필알코올 등을 들 수 있다.The positive electrode as described above can be prepared according to a conventional method, specifically, a positive electrode active material, a conductive material and a binder are mixed on an organic solvent to prepare a slurry-forming positive electrode active material layer-forming composition on a current collector and dried. , Optionally it can be produced by compression molding on the current collector to improve the electrode density. At this time, as the organic solvent, a positive electrode active material, a binder, and a conductive material can be uniformly dispersed, and it is preferable to use one that is easily evaporated. Specific examples include acetonitrile, methanol, ethanol, tetrahydrofuran, water, and isopropyl alcohol.

상기 양극 활물질층 형성용 조성물을 양극 집전체 상에 당업계에 알려진 통상의 방법을 이용하여 코팅할 수 있으며, 예를 들면 딥핑(dipping)법, 스프레이(spray)법, 롤 코트(roll court)법, 그라비아 인쇄법, 바코트(bar court)법, 다이(die) 코팅법, 콤마(comma) 코팅법 또는 이들의 혼합 방식 등 다양한 방식을 이용할 수 있다.The composition for forming the positive electrode active material layer may be coated on a positive electrode current collector using a conventional method known in the art, for example, dipping, spray, or roll court method. , A gravure printing method, a bar court method, a die coating method, a comma coating method, or a mixture method thereof.

이와 같은 코팅 과정을 거친 양극 활물질층은 이후 건조 과정을 통해 용매나 분산매의 증발, 코팅막의 조밀성 및 코팅막과 집전체와의 밀착성 등이 이루어진다. 이때 건조는 통상적인 방법에 따라 실시되며, 이를 특별히 제한하지 않는다.The positive electrode active material layer that has undergone such a coating process is then evaporated from a solvent or dispersion medium through a drying process, denseness of the coating film, and adhesion between the coating film and the current collector. At this time, drying is performed according to a conventional method, and is not particularly limited.

상기 음극은 리튬계 금속이며, 리튬계 금속의 일 측에 집전체를 더욱 포함할 수 있다. 상기 집전체는 음극 집전체가 사용될 수 있다.The negative electrode is a lithium-based metal, and may further include a current collector on one side of the lithium-based metal. A negative electrode current collector may be used as the current collector.

상기 음극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특히 제한하지 않으며, 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 아연, 티타늄, 은, 팔라듐, 니켈, 철, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 스테인리스 스틸은 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면 처리될 수 있으며, 상기 합금으로는 알루미늄-카드뮴 합금을 사용할 수 있고, 그 외에도 소성 탄소, 도전재로 표면 처리된 비전도성 고분자, 또는 전도성 고분자 등을 사용할 수도 있다. 일반적으로 음극 집전체로는 구리 박판을 적용한다.The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery, and copper, aluminum, stainless steel, zinc, titanium, silver, palladium, nickel, iron, chromium, alloys thereof, and these It can be selected from the group consisting of. The stainless steel may be surface-treated with carbon, nickel, titanium, or silver, and an aluminum-cadmium alloy may be used as the alloy. In addition, calcined carbon, a non-conductive polymer surface-treated with a conductive material, or a conductive polymer, etc. You can also use Generally, a thin copper plate is used as the negative electrode current collector.

또한, 그 형태는 표면에 미세한 요철이 형성된/미형성된 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 사용될 수 있다.In addition, various forms such as fine / uneven film / sheet, foil, net, porous body, foam, nonwoven fabric with fine irregularities formed on the surface can be used.

또한, 상기 음극 집전체는 3 내지 500 ㎛의 두께 범위인 것을 적용한다. 상기 음극 집전체의 두께가 3 ㎛ 미만이면 집전 효과가 떨어지며, 반면 두께가 500 ㎛를 초과하면 셀을 폴딩(folding)하여 조립하는 경우 가공성이 저하되는 문제점이 있다.In addition, the negative electrode current collector is applied in a thickness range of 3 to 500 μm. If the thickness of the negative electrode current collector is less than 3 μm, the current collecting effect is deteriorated. On the other hand, when the thickness exceeds 500 μm, when the cells are assembled by folding, there is a problem that workability is deteriorated.

상기 리튬계 금속은 리튬 또는 리튬 합금일 수 있다. 이때 리튬 합금은 리튬과 합금화가 가능한 원소를 포함하고, 구체적으로 리튬과 Si, Sn, C, Pt, Ir, Ni, Cu, Ti, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상과의 합금일 수 있다.The lithium-based metal may be lithium or a lithium alloy. At this time, the lithium alloy contains an element capable of alloying with lithium, specifically, lithium and Si, Sn, C, Pt, Ir, Ni, Cu, Ti, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, It may be an alloy with one or more selected from the group consisting of Sr, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge and Al.

상기 리튬계 금속은 시트 또는 호일의 형태일 수 있으며, 경우에 따라 집전체 상에 리튬 또는 리튬 합금이 건식 공정에 의해 증착 또는 코팅된 형태이거나, 입자 상의 금속 및 합금이 습식 공정 등에 의해 증착 또는 코팅된 형태일 수 있다.The lithium-based metal may be in the form of a sheet or foil, and in some cases, a lithium or lithium alloy is deposited or coated on a current collector by a dry process, or a metal or alloy on a particle is deposited or coated by a wet process or the like. Can be in the form of

상기 양극과 음극 사이는 통상적인 분리막이 개재될 수 있다. 상기 분리막은 전극을 물리적으로 분리하는 기능을 갖는 물리적인 분리막으로서, 통상의 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하며, 특히 전해액의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다.A conventional separator may be interposed between the anode and the cathode. The separator is a physical separator having a function of physically separating an electrode, and can be used without particular limitation as long as it is used as a normal separator. In particular, it is preferable that the electrolyte has excellent resistance to ion migration of the electrolyte and excellent moisture absorption ability.

또한, 상기 분리막은 양극과 음극을 서로 분리 또는 절연시키면서 양극과 음극 사이에 리튬 이온의 수송을 가능하게 한다. 이러한 분리막은 다공성이고 비전도성 또는 절연성인 물질로 이루어질 수 있다. 상기 분리막은 필름과 같은 독립적인 부재이거나, 또는 양극 및/또는 음극에 부가된 코팅층일 수 있다.In addition, the separator enables the transport of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode while separating or insulating the positive electrode and the negative electrode from each other. The separator may be made of a porous, non-conductive or insulating material. The separator may be an independent member such as a film, or may be a coating layer added to the anode and / or cathode.

상기 분리막으로 사용될 수 있는 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막을 들 수 있다.Examples of the polyolefin-based porous membrane that can be used as the separation membrane include polyolefin-based polymers such as high-density polyethylene, linear low-density polyethylene, low-density polyethylene, and ultra-high molecular weight polyethylene, polypropylene, polybutylene, and polypentene, respectively. And a film formed of a mixed polymer.

상기 분리막으로 사용될 수 있는 부직포의 예로는, 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리이미드(polyimide), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에스테르(polyester) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포가 가능하며, 이러한 부직포는 다공성 웹(web)을 형성하는 섬유 형태로서, 장섬유로 구성된 스펀본드(spunbond) 또는 멜트블로운(meltblown) 형태를 포함한다.Examples of the non-woven fabric that can be used as the separator, polyphenylene oxide (polyphenyleneoxide), polyimide (polyimide), polyamide (polyamide), polycarbonate (polycarbonate), polyethylene terephthalate (polyethyleneterephthalate), polyethylene naphthalate (polyethylenenaphthalate) , Polybutylene terephthalate, polyphenylenesulfide, polyacetal, polyethersulfone, polyetheretherketone, polyester, or the like, respectively, or Non-woven fabrics formed of polymers mixed with them are possible, and these non-woven fabrics are in the form of fibers forming a porous web, and include spunbond or meltblown forms composed of long fibers.

상기 분리막의 두께는 특별히 제한되지는 않으나, 1 내지 100 ㎛ 범위가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5 내지 50 ㎛ 범위이다. 상기 분리막의 두께가 1 ㎛ 미만인 경우에는 기계적 물성을 유지할 수 없으며, 100 ㎛를 초과하는 경우에는 상기 분리막이 저항층으로 작용하게 되어 전지의 성능이 저하된다.The thickness of the separator is not particularly limited, but is preferably in the range of 1 to 100 μm, more preferably in the range of 5 to 50 μm. When the thickness of the separator is less than 1 μm, mechanical properties cannot be maintained, and when it exceeds 100 μm, the separator acts as a resistive layer, thereby deteriorating the performance of the battery.

상기 분리막의 기공 크기 및 기공도는 특별히 제한되지는 않으나, 기공 크기는 0.1 내지 50 ㎛이고, 기공도는 10 내지 95%인 것이 바람직하다. 상기 분리막의 기공 크기가 0.1 ㎛ 미만이거나 기공도가 10% 미만이면 분리막이 저항층으로 작용하게 되며, 기공 크기가 50 ㎛를 초과하거나 기공도가 95%를 초과하는 경우에는 기계적 물성을 유지할 수 없다.The pore size and porosity of the separator are not particularly limited, but the pore size is 0.1 to 50 μm, and the porosity is preferably 10 to 95%. If the pore size of the separator is less than 0.1 μm or the porosity is less than 10%, the separator acts as a resistive layer. When the pore size exceeds 50 μm or the porosity exceeds 95%, mechanical properties cannot be maintained. .

상기 전해액은 리튬염을 함유하는 비수계 전해질로서 리튬염과 전해액으로 구성되어 있으며, 전해액으로는 비수계 유기 용매, 유기 고체 전해질 및 무기 고체 전해질 등이 사용된다.The electrolyte is a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, which is composed of a lithium salt and an electrolyte, and a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte and an inorganic solid electrolyte are used as the electrolyte.

상기 리튬염은 리튬-황 전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, LiSCN, LiBr, LiI, LiPF6, LiBF4, LiB10Cl10, LiSO3CF3, LiCl, LiClO4, LiSO3CH3, LiB(Ph)4, LiC(SO2CF3)3, LiN(SO2CF3)2, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, LiFSI, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬 등으로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 포함될 수 있다.The lithium salt may be used without limitation as long as it is commonly used in the electrolyte solution for lithium-sulfur batteries. For example, LiSCN, LiBr, LiI, LiPF 6 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiSO 3 CF 3 , LiCl, LiClO 4 , LiSO 3 CH 3 , LiB (Ph) 4 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiN (SO 2 CF 3) 2, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, may be included are one or more from LiFSI, chloro group consisting of borane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium or the like.

또한, 상기 전해액에서 리튬염의 농도는 0.2 내지 2 M, 구체적으로 0.6 내지 2 M, 더욱 구체적으로 0.7 내지 1.7 M일 수 있다. 상기 리튬염의 농도가 0.2 M 미만으로 사용하면 전해액의 전도도가 낮아져서 전해액 성능이 저하될 수 있고, 2 M 을 초과하여 사용하면 전해액의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 감소될 수 있다.In addition, the concentration of the lithium salt in the electrolyte may be 0.2 to 2 M, specifically 0.6 to 2 M, and more specifically 0.7 to 1.7 M. When the concentration of the lithium salt is used less than 0.2 M, the conductivity of the electrolyte may be lowered and the performance of the electrolyte may be deteriorated. When the concentration is more than 2 M, the viscosity of the electrolyte may increase and mobility of lithium ions may be reduced.

상기 비수계 유기용매는 리튬염을 잘 용해시켜야 하며, 본 발명의 비수계 유기용매로는, 예컨대, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부티로락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소란, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소란, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소란 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있으며, 상기 유기 용매는 하나 또는 둘 이상의 유기용매들의 혼합물일 수 있다.The non-aqueous organic solvent should dissolve a lithium salt well, and as the non-aqueous organic solvent of the present invention, for example, N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, di Ethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, gamma-butyrolactone, 1,2-dimethoxy ethane, 1,2-diethoxy ethane, tetrahydroxyfran, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1, 3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxene, diethyl ether, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid triester, trime Non-proton such as methoxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyropionate, ethyl propionate An organic solvent may be used, and the organic solvent may be a mixture of one or more organic solvents.

상기 유기 고체 전해질로는, 예컨대, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(Agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include, for example, polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphoric acid ester polymers, poly agitation lysine, polyester sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, and ionic dissociation. Polymers containing groups and the like can be used.

상기 무기 고체 전해질로는, 예컨대, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.As the inorganic solid electrolyte, for example, Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 Li nitrides such as SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li2 S -SiS 2 , halides, sulfates and the like can be used.

본 발명의 전해질에는 충·방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예컨대, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-ethylene carbonate), PRS(Propene sultone), FPC(Fluoro-propylene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.In the electrolyte of the present invention, for the purpose of improving charge / discharge characteristics, flame retardance, etc., for example, pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme (glyme), hexaphosphate triamide, nitro Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride, etc. may be added. . In some cases, in order to impart non-flammability, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further included, or carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics, and FEC (Fluoro-ethylene) carbonate), PRS (Propene sultone), FPC (Fluoro-propylene carbonate), and the like.

상기 전해질은 액상 전해질로 사용할 수도 있고, 고체 상태의 전해질 세퍼레이터 형태로도 사용할 수 있다. 액상 전해질로 사용할 경우에는 전극을 물리적으로 분리하는 기능을 갖는 물리적인 분리막으로서 다공성 유리, 플라스틱, 세라믹 또는 고분자 등으로 이루어진 분리막을 더 포함한다.The electrolyte may be used as a liquid electrolyte, or may be used in the form of a solid electrolyte separator. When used as a liquid electrolyte, a physical separator having a function of physically separating electrodes further includes a separator made of porous glass, plastic, ceramic, or polymer.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, a preferred embodiment is provided to help the understanding of the present invention, but the following examples are only illustrative of the present invention, and it is apparent to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and technical scope of the present invention. It is natural that such modifications and corrections fall within the scope of the appended claims.

실시예 1. 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드 제조Example 1 Preparation of thermally expanded reduced graphene oxide

그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO, 제품명 SE2430, sixth element 사)를 비활성 분위기에서 400℃의 온도로 10분 동안 열처리하여 열팽창된 그래핀 옥사이드를 제조하였다.Graphene oxide (graphene oxide, GO, product name SE2430, manufactured by sixth element) was heat-treated for 10 minutes at a temperature of 400 ° C. in an inert atmosphere to prepare thermally expanded graphene oxide.

상기 열팽창된 그래핀 옥사이드를 비활성 분위기에서 900℃의 온도로 3시간 동안 열처리하여 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드(Thermally expanded-reduced graphene oxide, TE-rGO)를 제조하였다.The thermally expanded graphene oxide was heat-treated for 3 hours at a temperature of 900 ° C. in an inert atmosphere to prepare thermally expanded-reduced graphene oxide (TE-rGO).

상기 TE-rGO를 SEM을 이용하여 관찰한 결과, 뒤틀린(crumple) 페이퍼 구조를 가지고 있음을 확인하였다(도 1).As a result of observing the TE-rGO using SEM, it was confirmed that it has a crumple paper structure (FIG. 1).

실험예 1. 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 비표면적, 기공 부피 및 평균 기공 크기 측정Experimental Example 1. Measurement of specific surface area, pore volume and average pore size of thermally expanded reduced graphene oxide

상기 실시예 1에서 제조한 TE-rGO와 함께, 환원 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide, SE1231, sixth element 사, 도 2)를 비교예 1로 하여 TE-rGO 및 rGO의 비표면적, 기공 부피 및 평균 기공 크기를 측정하였다.With the TE-rGO prepared in Example 1, the reduced graphene oxide (reduced graphene oxide, SE1231, sixth element company, FIG. 2) was used as Comparative Example 1, and the specific surface area, pore volume, and average of TE-rGO and rGO. The pore size was measured.

상기 실시예 1의 TE-rGO 및 비교예 1의 rGO의 비표면적, 기공 부피 및 평균 기공 크기를 기공분포 측정기(Porosimetry analyzer; Bell Japan Inc, Belsorp-II mini)를 사용하여 질소 가스 흡착 유통법에 의해 BET(Brunauer-Emmett-Teller; BET) 6 점법으로 측정하였으며, 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The specific surface area, pore volume, and average pore size of TE-rGO of Example 1 and rGO of Comparative Example 1 were measured for nitrogen gas adsorption and distribution using a Porosimetry analyzer (Bell Japan Inc, Belsorp-II mini). It was measured by BET (Brunauer-Emmett-Teller; BET) 6-point method, and the results are shown in Table 1 below.

비표면적(m2/g)Specific surface area (m 2 / g) 기공 부피(cm3/g)Pore volume (cm 3 / g) 평균 기공 크기(nm)Average pore size (nm) 실시예 1(TE-rGO)Example 1 (TE-rGO) 921921 5.135.13 22.2822.28 비교예 1(rGO)Comparative Example 1 (rGO) 185185 0.610.61 12.7412.74

본 발명의 실시예 1의 TE-rGO는 비교예 1의 rGO 대비 높은 비표면적, 기공 부피 및 평균 기공 크기를 보였다.TE-rGO of Example 1 of the present invention showed a higher specific surface area, pore volume, and average pore size compared to rGO of Comparative Example 1.

이는 본 발명의 TE-rGO는 열팽창 및 환원 단계를 수행함에 따라 뒤틀린 페이퍼 구조를 가지며, 그로 인하여 rGO 대비 높은 비표면적, 기공 부피 및 평균 기공 크기를 갖는 것임을 알 수 있다.It can be seen that the TE-rGO of the present invention has a distorted paper structure as it performs thermal expansion and reduction steps, and thus has a higher specific surface area, pore volume, and average pore size compared to rGO.

또한, 상기의 비표면적 및 기공 부피를 나타냄으로써, TE-rGO는 rGO 대비 많은 양의 황을 고르게 담지할 수 있음을 알 수 있다.In addition, by indicating the specific surface area and pore volume, it can be seen that TE-rGO can evenly support a large amount of sulfur compared to rGO.

<리튬-황 전지 제조><Lithium-sulfur battery manufacturing>

실시예 2.Example 2.

상기 실시예 1에서 제조한 TE-rGO 및 황을 3:7의 중량비로 혼합한 후, 155℃의 온도에서 35분 동안 반응시켜 TE-rGO의 내부(기공) 및 표면에 황이 담지된 황-탄소 복합체를 제조하였다.After mixing the TE-rGO and sulfur prepared in Example 1 in a weight ratio of 3: 7, reacting for 35 minutes at a temperature of 155 ° C. and sulfur-carbon supported by sulfur on the inside (pore) and surface of TE-rGO. Composites were prepared.

아세토니트릴 중에서 상기 황-탄소 복합체, 도전재 및 바인더를 볼밀을 사용하여 믹싱하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이때 황-탄소 복합체는 양극 활물질로 사용되었으며, 도전재로는 카본블랙을, 바인더로는 폴리에틸렌옥사이드(분자량 5,000,000g/mol)을 각각 사용하였으며, 혼합 비율은 중량비로 황-탄소 복합체:도전재:바인더가 90:5:5가 되도록 하였다. 상기 양극 활물질 슬러리를 알루미늄 집전체에 도포한 후 건조하여 양극을 제조하였다.The positive electrode active material slurry was prepared by mixing the sulfur-carbon composite, conductive material, and binder in acetonitrile using a ball mill. In this case, the sulfur-carbon composite was used as a positive electrode active material, carbon black was used as a conductive material, and polyethylene oxide (molecular weight 5,000,000 g / mol) was used as a binder, and the mixing ratio was sulfur-carbon composite as a weight ratio: conductive material: The binder was brought to 90: 5: 5. The positive electrode active material slurry was coated on an aluminum current collector and dried to prepare a positive electrode.

이 때 양극 활물질의 로딩량은 5 mAh/cm2 이하였으며, 황의 로딩량은 6.7mg/cm2 이었다.At this time, the loading amount of the positive electrode active material was 5 mAh / cm 2 or less, and the loading amount of sulfur was 6.7 mg / cm 2 .

두께가 40 ㎛인 리튬 금속 박막을 음극으로 사용하였다.A lithium metal thin film having a thickness of 40 μm was used as a negative electrode.

상기 제조된 양극과 음극을 대면하도록 위치시키고 그 사이에 폴리에틸렌 분리막을 게재한 후, 전해액을 주입하여 코인형의 리튬-황 전지를 제조하였다.After placing the prepared positive electrode and negative electrode so as to face each other, and placing a polyethylene separator therebetween, an electrolyte solution was injected to prepare a coin-type lithium-sulfur battery.

상기 전해액은 1M LiFSI 1wt%의 LiNO3가 용해된 DOL(1,3-dioxolane):DEGDME(diethylene glycol dimethyl ether)=4:6 (v/v) 혼합액을 사용하였다.As the electrolyte, a mixed solution of DOL (1,3-dioxolane): DEGDME (diethylene glycol dimethyl ether) = 4: 6 (v / v) in which 1% LiFSI 1 wt% LiNO 3 was dissolved was used.

비교예 2.Comparative Example 2.

상기 실시예 1의 TE-rGO 대신에 비교예 1의 rGO를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 비교예 2의 리튬-황 전지를 제조하였다.A lithium-sulfur battery of Comparative Example 2 was prepared in the same manner as in Example 2, except that rGO of Comparative Example 1 was used instead of TE-rGO of Example 1.

실험예 2. 리튬-황 전지의 초기 방전용량 및 수명 특성 측정Experimental Example 2. Measurement of initial discharge capacity and life characteristics of lithium-sulfur batteries

2-1. 초기 방전용량 측정2-1. Initial discharge capacity measurement

상기 실시예 2 및 비교예 2에서 제조한 리튬-황 전지에 대해, 충·방전 측정장치를 사용하여 충·방전 특성 변화를 시험하였다. 얻어진 전지는 0.1C/0.1C 충전/방전 조건에서 초기 용량을 살펴보았으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.The lithium-sulfur batteries prepared in Example 2 and Comparative Example 2 were tested for charge / discharge characteristic changes using a charge / discharge measurement device. The obtained battery was examined for initial capacity under 0.1C / 0.1C charge / discharge conditions, and the results are shown in FIG. 4.

실시예 2의 리튬-황 전지의 초기 방전 용량은 1200 mAh/g을 초과하였으며, 비교예 2의 리튬-황 전지의 초기 방전 용량은 1100 mAh/g 미만이었다.The initial discharge capacity of the lithium-sulfur battery of Example 2 exceeded 1200 mAh / g, and the initial discharge capacity of the lithium-sulfur battery of Comparative Example 2 was less than 1100 mAh / g.

실시예 2의 리튬-황 전지는 양극 활물질인 황-탄소 복합체의 탄소재가 실시예 1의 TE-rGO이며, 상기 TE-rGO는 실험예 1에서 측정한 바와 같이 높은 비표면적 및 기공 부피를 가짐에 따라 많은 양의 황을 고르게 담지할 수 있어 황의 반응성 향상에 기여를 하여 초기 방전용량이 매우 높은 것을 알 수 있다.In the lithium-sulfur battery of Example 2, the carbon material of the sulfur-carbon composite as the positive electrode active material is TE-rGO of Example 1, and the TE-rGO has a high specific surface area and pore volume as measured in Experimental Example 1. Therefore, it can be seen that a large amount of sulfur can be evenly supported, contributing to the improvement of the reactivity of sulfur, so that the initial discharge capacity is very high.

반면, 비교예 2의 리튬-황 전지는 양극 활물질인 황-탄소 복합체의 탄소재가 비교예 1의 rGO이며, 상기 rGO는 실험예 1에서 측정한 바와 같이 실시예 1의 TE-rGO 보다 매우 작은 비표면적 및 기공 부피를 가짐에 따라, TE-rGO 만큼의 황을 고르게 담지할 수 없어 실시예 2 보다 낮은 초기 방전 용량을 보였다.On the other hand, in the lithium-sulfur battery of Comparative Example 2, the carbon material of the sulfur-carbon composite, which is a positive electrode active material, is rGO of Comparative Example 1, and the rGO is much smaller than that of TE-rGO of Example 1 as measured in Experimental Example 1. As it had a surface area and pore volume, it could not support sulfur equal to TE-rGO evenly, so it showed an initial discharge capacity lower than that of Example 2.

따라서, 본 발명의 리튬-황 전지는 양극 활물질인 황-탄소 복합체의 탄소재로 비표면적 및 기공 부피가 매우 높은 TE-rGO를 사용함에 보다 많은 양의 황을 고르게 담지할 수 있어 황의 반응성을 증대시킴에 따라 높은 초기 방전 용량을 나타낼 수 있다.Therefore, the lithium-sulfur battery of the present invention is a carbon material of the sulfur-carbon composite, which is a positive electrode active material, and can use a TE-rGO having a very high specific surface area and a high pore volume to support a larger amount of sulfur evenly, thereby increasing the reactivity of sulfur. High initial discharge capacity can be exhibited according to the application.

2-2. 수명 특성 측정2-2. Life characteristics measurement

상기 실시예 2 및 비교예 2에서 제조한 리튬-황 전지에 대해, 충·방전 측정장치를 사용하여 초기 3 cycle 동안 0.1C/0.1C 충전/방전, 그 이후 3 cycle 동안 0.2C/0.2C 충전/방전하고, 이후 0.3C/0.5C로 충전/방전하여 50 cycle의 충·방전을 반복하여 수명특성을 측정하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.For the lithium-sulfur batteries prepared in Example 2 and Comparative Example 2, a charge / discharge measuring device was used to charge / discharge 0.1C / 0.1C during the initial 3 cycles, and then charge 0.2C / 0.2C during the 3 cycles / Discharge, and then charged / discharged at 0.3C / 0.5C, the charging / discharging of 50 cycles was repeated to measure the life characteristics, and the results are shown in FIG. 5.

실시예 2의 리튬-황 전지는 0.5C의 고율 구간에서 방전 용량이 약 800mAh/g로 측정되었으며, 50사이클 동안 용량을 유지하였다.In the lithium-sulfur battery of Example 2, the discharge capacity was measured to be about 800 mAh / g in a high rate section of 0.5 C, and the capacity was maintained for 50 cycles.

반면, 비교예 2의 리튬-황 전지는 0.5C의 고율 구간에서 방전 용량은 600mAh/g 미만이었으며, 약 40사이클 이후 전지가 퇴화되어 용량을 유지하지 못하였다.On the other hand, in the lithium-sulfur battery of Comparative Example 2, the discharge capacity was less than 600 mAh / g in a high rate section of 0.5 C, and the battery was degraded after about 40 cycles, and the capacity was not maintained.

따라서, 본 발명의 리튬-황 전지는 양극 활물질인 황-탄소 복합체의 탄소재로 비표면적 및 기공 부피가 매우 높은 TE-rGO를 사용함에 따라 보다 많은 양의 황을 고르게 담지하여 황의 반응성을 증가시킴으로써 향상된 수명 특성을 나타낼 수 있다.Therefore, the lithium-sulfur battery of the present invention increases the reactivity of sulfur by evenly supporting a larger amount of sulfur by using TE-rGO having a very high specific surface area and pore volume as the carbon material of the sulfur-carbon composite, which is a positive electrode active material. It can exhibit improved life characteristics.

Claims (13)

비표면적이 400 내지 1200m2/g인 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드.Thermally expanded reduced graphene oxide having a specific surface area of 400 to 1200 m 2 / g. 제1항에 있어서, 상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 기공 부피는 3 내지 7cm3/g인 것을 특징으로 하는 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드.The thermally expanded reduced graphene oxide according to claim 1, wherein the thermally expanded reduced graphene oxide has a pore volume of 3 to 7 cm 3 / g. 제1항에 있어서, 상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드는 뒤틀린(crumpled) 페이퍼 구조를 갖는 것을 특징으로 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드.The thermally expanded reduced graphene oxide according to claim 1, wherein the thermally expanded reduced graphene oxide has a crumpled paper structure. (a)그래핀 옥사이드를 300 내지 500℃의 온도로 열처리하여 열팽창시키는 단계; 및
(b)상기 열팽창된 그래핀 옥사이드를 700 내지 1200℃의 온도로 열처리하여 환원시키는 단계;를 포함하는 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드 제조방법.
(a) thermally expanding graphene oxide by heat treatment at a temperature of 300 to 500 ° C; And
(B) a step of reducing the heat-expanded graphene oxide by heat treatment at a temperature of 700 to 1200 ℃; thermally expanded reducing graphene oxide manufacturing method comprising a.
제4항에 있어서, 상기 (a)단계의 그래핀 옥사이드는 파우더 형태인 것을 특징으로 하는 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드 제조방법.[6] The method of claim 4, wherein the graphene oxide in the step (a) is in the form of a powder. 제4항에 있어서, 상기 (a)단계의 열팽창은 5 내지 30분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드 제조방법.The method of claim 4, wherein the thermal expansion of step (a) is performed for 5 to 30 minutes. 제4항에 있어서, 상기 (b)단계의 환원은 1 내지 5시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드 제조방법.The method of claim 4, wherein the reduction in step (b) is performed for 1 to 5 hours. 제4항에 있어서, 상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드는 비표면적이 400 내지 1200m2/g인 것을 특징으로 하는 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드 제조방법.The method of claim 4, wherein the thermally expanded reduced graphene oxide has a specific surface area of 400 to 1200 m 2 / g. 제4항에 있어서, 상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 기공 부피는 3 내지 7cm3/g인 것을 특징으로 하는 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드 제조방법.The method of claim 4, wherein the thermally expanded reduced graphene oxide has a pore volume of 3 to 7 cm 3 / g. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항의 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드; 및
상기 열팽창된 환원 그래핀 옥사이드의 내부 및 표면 중 적어도 일부에 황;을 포함하는 황-탄소 복합체.
The thermally expanded reduced graphene oxide of any one of claims 1 to 3; And
Sulfur-carbon composite comprising; sulfur on at least a portion of the interior and surface of the thermally expanded reduced graphene oxide.
양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해액을 포함하는 리튬 이차전지로,
상기 양극은 제10항의 황-탄소 복합체를 포함하는 리튬 이차전지.
anode; cathode; A separator interposed between the anode and the cathode; And lithium secondary battery comprising an electrolyte,
The positive electrode is a lithium secondary battery comprising the sulfur-carbon composite of claim 10.
제11항에 있어서, 양극의 황의 로딩량은 2 내지 15mg/cm2인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery according to claim 11, wherein the loading amount of sulfur of the positive electrode is 2 to 15 mg / cm 2 . 제11항에 있어서, 상기 리튬 이차전지는 리튬-황 전지인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery according to claim 11, wherein the lithium secondary battery is a lithium-sulfur battery.
KR1020180139657A 2018-11-14 2018-11-14 Thermally expanded-reduced graphene oxide, manufacturing method, sulfur-carbon complex and lithium secondary battery comprising thereof KR20200055948A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180139657A KR20200055948A (en) 2018-11-14 2018-11-14 Thermally expanded-reduced graphene oxide, manufacturing method, sulfur-carbon complex and lithium secondary battery comprising thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180139657A KR20200055948A (en) 2018-11-14 2018-11-14 Thermally expanded-reduced graphene oxide, manufacturing method, sulfur-carbon complex and lithium secondary battery comprising thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20200055948A true KR20200055948A (en) 2020-05-22

Family

ID=70914100

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180139657A KR20200055948A (en) 2018-11-14 2018-11-14 Thermally expanded-reduced graphene oxide, manufacturing method, sulfur-carbon complex and lithium secondary battery comprising thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20200055948A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10622631B2 (en) Negative active material, lithium secondary battery including the material, and method of manufacturing the material
KR102148513B1 (en) A carbon -surfur complex, manufacturing method thereof and lithium secondary battery comprising the same
KR101494715B1 (en) Negative active material for rechargeable lithium battery, method of preparing the same, and negative electrode and rechargeable lithium battery including the same
KR102201335B1 (en) An active material for an anode, an anode comprising the same and an electrochemical device comprising the same
KR101718055B1 (en) Negative active material and lithium battery containing the material
US20220384788A1 (en) Positive electrode active material for lithium secondary battery, method for producing same, and lithium secondary battery comprising same
KR101590678B1 (en) Anode Active Material for Lithium Secondary Battery and Lithium Secondary Battery Comprising the Same
KR20170092121A (en) Anode Coated with Primer Layer Comprising CNT and Method of Manufacturing the Same
KR20200056308A (en) Thermally expanded-reduced graphene oxide, manufacturing method, sulfur-carbon composite and lithium secondary battery comprising thereof
KR101772420B1 (en) Anode Comprising Anode Active Material having Large Specific Surface Area and Method of Manufacturing the Same
KR20200132248A (en) Sulfur-carbon composite and lithium-sulfur battery comprising the same
KR102202366B1 (en) Negative active material for rechargeable lithium battery, method of preparing the same, and rechargeable lithium battery including the same
KR20160126840A (en) Cathode Active Material Particles Comprising One or More Coating Layer and Method for Preparation of the Same
KR20200136656A (en) Sulfur-carbon composite, preparation method thereof and lithium-sulfur battery comprising the same
KR20200144719A (en) Sulfur-carbon complex, manufacturing method of the same, positive electrode for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising the same
US20220388850A1 (en) Reduced porous graphene oxide, manufacturing method therefor, sulfur-carbon composite comprising same, and lithium secondary battery
KR101156614B1 (en) Electrode material including high degree of polymerization of polyacrylonitrile binder, method of the electrode material and rechargeable lithium battery comprising electrode material
KR20220100209A (en) Sulfur-carbon composite, preparation method thereof and lithium-sulfur battery comprising the same
KR102415160B1 (en) Positive electrode active material for lithium secondary battery including vanadium oxide coated with carbon and method for preparing the same
KR20200055948A (en) Thermally expanded-reduced graphene oxide, manufacturing method, sulfur-carbon complex and lithium secondary battery comprising thereof
US20220002158A1 (en) Thermally expanded reduced graphene oxide, manufacturing method therefor, sulfur-carbon composite comprising same, and lithium secondary battery
KR102229459B1 (en) Cathode additives for lithium secondary battery and method for preparing the same
EP4195310A1 (en) Positive electrode for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising same
KR20170092122A (en) Anode Coated with Primer Layer Comprising Graphene and CNT and Method of Manufacturing the Same
KR20230000593A (en) Electrolyte for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising the same

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal