KR20200073120A - Lithium-sulfur secondary battery - Google Patents

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KR20200073120A
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이창훈
박인태
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주식회사 엘지화학
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Abstract

The present invention relates to a lithium-sulfur secondary battery. More specifically, a positive electrode includes a conductive material containing a high specific surface area carbon material. In addition, by specifying conditions of the positive electrode and an electrolyte, it is possible to improve energy density compared to the conventional lithium-sulfur secondary battery.

Description

리튬-황 이차전지{LITHIUM-SULFUR SECONDARY BATTERY}Lithium-sulfur secondary battery {LITHIUM-SULFUR SECONDARY BATTERY}

본 발명은 리튬-황 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium-sulfur secondary battery.

이차전지의 응용 영역이 전기 자동차(electric vehicle; EV)나 에너지 저장 장치(energy storage system; ESS) 등으로 확대됨에 따라, 상대적으로 낮은 무게 대비 에너지 저장 밀도(~250 Wh/㎏)를 갖는 리튬-이온 이차전지는 이러한 제품에 대한 적용의 한계가 있다. 이와 달리, 리튬-황 이차전지는 이론상으로 높은 무게 대비 에너지 저장 밀도(~2,600 Wh/kg)를 구현할 수 있기 때문에, 차세대 이차전지 기술로 각광을 받고 있다.Lithium having a relatively low weight-to-weight energy storage density (~250 Wh/kg) as the application area of the secondary battery expands to electric vehicles (EVs) or energy storage systems (ESSs), etc. Ion secondary batteries have limitations in application to these products. On the other hand, lithium-sulfur secondary batteries are in the spotlight as the next generation secondary battery technology because they can theoretically realize a high weight-to-weight energy storage density (~2,600 Wh/kg).

리튬-황 이차전지는 황-황 결합(sulfur-sulfur bond)을 갖는 황 계열 물질을 양극 활물질로 사용하고, 리튬 금속을 음극 활물질로 사용한 전지 시스템이다. 이러한 리튬-황 이차전지는 양극 활물질의 주재료인 황이 전 세계적으로 자원량이 풍부하고, 독성이 없으며, 낮은 원자당 무게를 가지고 있는 장점이 있다.The lithium-sulfur secondary battery is a battery system using a sulfur-based material having a sulfur-sulfur bond as a positive electrode active material and lithium metal as a negative electrode active material. The lithium-sulfur secondary battery has an advantage that sulfur, which is a main material of the positive electrode active material, has abundant resources worldwide, has no toxicity, and has a low weight per atom.

리튬-황 이차전지는 방전 시에 음극 활물질인 리튬이 전자를 내어놓고 이온화되면서 산화되며, 양극 활물질인 황 계열 물질이 전자를 받아들여 환원된다. 이때, 리튬의 산화반응은 리튬 금속이 전자를 내어놓고 리튬 양이온 형태로 변환되는 과정이다. 또한, 황의 환원반응은 황-황 결합이 2개의 전자를 받아들여 황 음이온 형태로 변환되는 과정이다. 리튬의 산화반응에 의해 생성된 리튬 양이온은 전해질을 통해 양극으로 전달되고, 황의 환원반응에 의해 생성된 황 음이온과 결합하여 염을 형성한다. 구체적으로, 방전 전의 황은 환형의 S8 구조를 가지고 있는데, 이는 환원반응에 의해 리튬 폴리설파이드(lithium polysulfide, Li2Sx, x = 8, 6, 4, 2)로 변환되며, 이러한 리튬 폴리설파이드가 완전히 환원되는 경우에는 리튬 설파이드(Li2S)가 최종적으로 생성되게 된다.In the lithium-sulfur secondary battery, lithium, which is a negative electrode active material, is released and ionized during discharge, and is oxidized, and a sulfur-based material, which is a positive electrode active material, is absorbed and reduced. At this time, the oxidation reaction of lithium is a process in which lithium metal releases electrons and is converted into lithium cation form. In addition, the reduction reaction of sulfur is a process in which the sulfur-sulfur bond is converted into a sulfur anion form by accepting two electrons. The lithium cation generated by the oxidation reaction of lithium is transferred to the positive electrode through the electrolyte, and combines with the sulfur anion generated by the reduction reaction of sulfur to form a salt. Specifically, sulfur before discharge has a cyclic S 8 structure, which is converted to lithium polysulfide (lithium polysulfide, Li 2 S x , x = 8, 6, 4, 2) by a reduction reaction, and this lithium polysulfide When is completely reduced, lithium sulfide (Li 2 S) is finally produced.

양극 활물질인 황은 낮은 전기 전도성으로 인해, 고상(solid-state) 형태에서는 전자 및 리튬 이온과의 반응성을 확보하기가 어렵다. 기존 리튬-황 이차전지는 이러한 황의 반응성을 개선하기 위해 Li2Sx 형태의 중간 폴리설파이드(intermediate polysulfide)를 생성하여 액상(liquid-state) 반응을 유도하고 반응성을 개선한다. 이 경우, 전해액의 용매로 리튬 폴리설파이드에 대해 용해성이 높은 디옥솔란(dioxolane), 디메톡시에탄(dimethoxyethane) 등의 에테르계 용매가 사용된다. 또한, 기존 리튬-황 이차전지는 반응성을 개선하기 위해 캐솔라이트(catholyte) 타입의 리튬-황 이차전지 시스템을 구축하는데, 이 경우 전해액에 쉽게 녹는 리튬 폴리설파이드의 특성으로 인해 전해액의 함량에 따라 황의 반응성 및 수명 특성이 영향을 받게 된다. 또한, 높은 에너지 밀도를 구축하기 위해서는 낮은 함량의 전해액을 주액해야 하나, 전해액 함량이 감소함에 따라 전해액 내 리튬 폴리설파이드의 농도가 증가하게 되어, 활물질의 유동성 감소 및 부반응 증가로 인해 정상적인 전지의 구동이 어렵다.As a positive electrode active material, sulfur has low electrical conductivity, and thus it is difficult to secure reactivity with electrons and lithium ions in a solid-state form. In order to improve the reactivity of the sulfur, the existing lithium-sulfur secondary battery generates an intermediate polysulfide in the form of Li 2 S x to induce a liquid-state reaction and improve reactivity. In this case, an ether-based solvent such as dioxolane and dimethoxyethane, which is highly soluble in lithium polysulfide, is used as a solvent for the electrolyte. In addition, the existing lithium-sulfur secondary battery constructs a catholyte type lithium-sulfur secondary battery system in order to improve reactivity. In this case, due to the characteristics of lithium polysulfide that easily dissolves in the electrolyte, the sulfur content depends on the content of the electrolyte. Reactivity and life characteristics will be affected. In addition, in order to build a high energy density, a low content of electrolyte must be injected, but as the content of the electrolyte decreases, the concentration of lithium polysulfide in the electrolyte increases, leading to a decrease in fluidity of the active material and an increase in side reactions. It is difficult.

이러한 리튬 폴리설파이드의 용출은 전지의 용량 및 수명 특성에 악영향을 미치는 바, 리튬 폴리설파이드의 용출을 억제하기 위한 다양한 기술이 제안되었다.Since the elution of lithium polysulfide adversely affects the capacity and life characteristics of the battery, various techniques for suppressing the elution of lithium polysulfide have been proposed.

일례로, 대한민국 공개특허 제2016-0037084호는 탄소재로 그래핀으로 코팅한 3차원 구조의 탄소나노튜브 응집체를 사용함으로써 리튬 폴리설파이드가 녹아나오는 것을 차단하고, 황-탄소나노튜브 복합체의 도전성을 향상시킬 수 있음을 개시하고 있다.As an example, Republic of Korea Patent Publication No. 2016-0037084 is to prevent the dissolution of lithium polysulfide by using a carbon nanotube aggregate of a three-dimensional structure coated with graphene with a carbon material, the conductivity of the sulfur-carbon nanotube composite It is disclosed that it can be improved.

또한, 대한민국 등록특허 제1379716호는 그래핀에 불산을 처리하여 그래핀 표면에 기공을 형성하고, 상기 기공에 유황 입자를 성장시키는 방법을 통해 제조된 유황을 포함하는 그래핀 복합체를 양극 활물질로 사용함을 통해 리튬 폴리 설파이드 용출을 억제하여 전지의 용량 감소를 최소화할 수 있음을 개시하고 있다.In addition, Korean Patent Registration No. 1379716 treats hydrofluoric acid on graphene to form pores on the graphene surface, and uses a graphene composite containing sulfur produced through a method of growing sulfur 유particles in the pores as a positive electrode active material. It is disclosed that it is possible to minimize the capacity decrease of the battery by suppressing the dissolution of lithium polysulfide through.

이들 특허들은 양극 활물질로 사용되는 황-탄소 복합체의 구조 또는 소재를 달리함으로써 리튬 폴리설파이드의 용출을 방지하여 리튬-황 이차전지의 성능 저하 문제를 어느 정도 개선하였으나 그 효과가 충분치 않다. 따라서, 고에너지 밀도의 리튬-황 이차전지를 구축하기 위해서는 고로딩, 저기공도의 전극을 구동할 수 있는 전지 시스템을 필요로 하고, 해당 기술 분야에서는 이러한 전지 시스템에 대한 연구가 지속적으로 수행되고 있다.These patents prevented the elution of lithium polysulfide by varying the structure or material of the sulfur-carbon composite used as the positive electrode active material, thereby improving the performance degradation problem of the lithium-sulfur secondary battery to some extent, but the effect is not sufficient. Therefore, in order to build a high-energy density lithium-sulfur secondary battery, a battery system capable of driving a high-loading, low-porosity electrode is required, and research on such a battery system has been continuously conducted in the technical field. .

대한민국 공개특허 제2016-0037084호(2016.04.05), 황-탄소나노튜브 복합체, 이의 제조방법, 이를 포함하는 리튬-황 전지용 캐소드 활물질 및 이를 포함한 리튬-황 전지Republic of Korea Patent Publication No. 2016-0037084 (2016.04.05), sulfur-carbon nanotube composite, a manufacturing method thereof, a cathode active material for a lithium-sulfur battery containing the same, and a lithium-sulfur battery including the same 대한민국 등록특허 제1379716호(2014.03.25), 유황을 포함하는 그래핀 복합체 양극을 포함하는 리튬-유황 이차전지 및 그의 제조 방법Republic of Korea Registered Patent No. 1379716 (2014.03.25), a lithium-sulfur secondary battery comprising a graphene composite anode containing sulfur and a manufacturing method thereof

Abbas Fotouhi et al., Lithium-Sulfur Battery Technology Readiness and Applications―A Review, Energies 2017, 10, 1937.Abbas Fotouhi et al., Lithium-Sulfur Battery Technology Readiness and Applications―A Review, Energies 2017, 10, 1937.

이에 본 발명자들은 상기 문제를 해결하고자 다각적으로 연구를 수행한 결과, 양극 및 전해액을 특정 조건으로 조절함으로써 고에너지 밀도의 리튬-황 이차전지를 구현할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors completed the present invention by confirming that a lithium-sulfur secondary battery having a high energy density can be implemented by adjusting the positive electrode and the electrolyte to specific conditions as a result of various studies to solve the above problems.

따라서, 본 발명의 목적은 에너지 밀도가 우수한 리튬-황 이차전지를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a lithium-sulfur secondary battery having excellent energy density.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 양극, 음극, 분리막 및 전해액을 포함하는 리튬-황 이차전지로서, 상기 양극은 고비표면적 탄소재를 포함하는 도전재를 포함하며, 상기 양극은 하기 수학식 1로 표시되는 SC factor 값이 0.45 이상인 리튬-황 이차전지를 제공한다:In order to achieve the above object, the present invention is a lithium-sulfur secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte, wherein the positive electrode includes a conductive material comprising a high specific surface area carbon material, and the positive electrode is represented by Equation 1 below. Provided is a lithium-sulfur secondary battery having an SC factor value of 0.45 or more, represented by:

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

(상기 수학식 1에 있어서, P, L 및 α는 명세서 내 설명한 바를 따른다.).(In Equation 1 above, P, L, and α follow what is described in the specification.).

상기 고비표면적 탄소재는 비표면적이 100 내지 500 ㎡/g인 것일 수 있다.The high specific surface area carbon material may have a specific surface area of 100 to 500 m 2 /g.

상기 고비표면적 탄소재는 탄소 나노튜브, 그래핀, 카본 블랙 및 탄소섬유로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The high specific surface area carbon material may include one or more selected from the group consisting of carbon nanotubes, graphene, carbon black, and carbon fibers.

상기 고비표면적 탄소재는 양극 활물질층 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 30 중량%로 포함될 수 있다.The high specific surface area carbon material may be included in an amount of 0.01 to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer.

상기 전해액은 용매 및 리튬염을 포함하며, 상기 용매는 하기 수학식 2로 표시되는 DV2 factor 값이 1.75 이하인 제1용매 및 불소화된 에테르계 용매인 제2용매를 포함할 수 있다:The electrolyte solution includes a solvent and a lithium salt, and the solvent may include a first solvent having a DV 2 factor value of 1.75 or less represented by Equation 2 below and a second solvent being a fluorinated ether-based solvent:

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

(상기 수학식 2에 있어서, DV, μ 및 γ는 명세서 내 설명한 바를 따른다.).(In Equation 2 above, DV, μ, and γ follow what is described in the specification.).

상기 제1용매는 DV2 factor 값이 1.5 이하인 것일 수 있다. The first solvent may have a DV 2 factor value of 1.5 or less.

상기 리튬-황 이차전지는 하기 수학식 3으로 표시되는 NS factor 값이 3.5 이하인 것일 수 있다:The lithium-sulfur secondary battery may have an NS factor value of 3.5 or less represented by Equation 3 below:

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00003
Figure pat00003

(상기 수학식 3에 있어서, SC factor 및 DV2 factor는 명세서 내 설명한 바를 따른다.).(In Equation 3 above, the SC factor and the DV 2 factor follow what is described in the specification.).

상기 리튬-황 이차전지는 하기 수학식 4로 표시되는 ED factor 값이 850 이상인 것일 수 있다:The lithium-sulfur secondary battery may have an ED factor value of 850 or more represented by Equation 4 below:

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00004
Figure pat00004

(상기 수학식 4에 있어서, V, SC factor, C 및 D는 명세서 내 설명한 바를 따른다.).(In Equation 4 above, V, SC factor, C and D follow the description in the specification.).

상기 제1용매는 프로피오니트릴, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아미드, 감마-부티로락톤, 트리에틸아민 및 1-아이오도프로판으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The first solvent may include one or more selected from the group consisting of propionitrile, dimethylacetamide, dimethylformamide, gamma-butyrolactone, triethylamine and 1-iodopropane.

상기 제2용매는 1H,1H,2′H,3H-데카플루오로디프로필 에테르, 디플루오로메틸 2,2,2-트리플루오로에틸 에테르, 1,2,2,2-테트라플루오로에틸 트리플루오로메틸 에테르, 1,1,2,3,3,3-헥사플루오로프로필 디플루오로메틸 에테르, 펜타플루오로에틸 2,2,2-트리플루오로에틸 에테르 및 1H,1H,2′H-퍼플루오로디프로필 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The second solvent is 1H,1H,2'H,3H-decafluorodipropyl ether, difluoromethyl 2,2,2-trifluoroethyl ether, 1,2,2,2-tetrafluoroethyl tri Fluoromethyl ether, 1,1,2,3,3,3-hexafluoropropyl difluoromethyl ether, pentafluoroethyl 2,2,2-trifluoroethyl ether and 1H,1H,2′H -Perfluorodipropyl ether may include one or more selected from the group consisting of.

상기 용매는 상기 용매 전체 중량을 기준으로 제1용매를 1 내지 50 중량%로 포함할 수 있다.The solvent may include 1 to 50% by weight of the first solvent based on the total weight of the solvent.

상기 용매는 상기 용매 전체 중량을 기준으로 제2용매를 50 내지 99 중량%로 포함할 수 있다.The solvent may include a second solvent in an amount of 50 to 99% by weight based on the total weight of the solvent.

상기 용매는 제1용매와 제2용매를 3:7 내지 1:9의 중량비로 포함할 수 있다.The solvent may include a first solvent and a second solvent in a weight ratio of 3:7 to 1:9.

본 발명에 따른 리튬-황 이차전지는 양극 및 전해액을 특정 조건으로 조절함으로써, 기존의 리튬-황 이차전지로는 구현하기 어려웠던 고에너지 밀도를 나타낸다.The lithium-sulfur secondary battery according to the present invention exhibits high energy density that was difficult to implement with a conventional lithium-sulfur secondary battery by controlling the positive electrode and the electrolyte to specific conditions.

도 1은 본 발명의 실험예 1에 따른 실시예 1의 주사 전자 현미경 이미지이다.
도 2는 본 발명의 실험예 1에 따른 비교예 1의 주사 전자 현미경 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실험예 2에 따른 실시예 1의 용량 특성을 나타내는 그래프이다
도 4는 본 발명의 실험예 2에 따른 실시예 1의 사이클 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예 2에 따른 비교예 1의 용량 특성을 나타내는 그래프이다
도 6은 본 발명의 실험예 2에 따른 비교예 1의 사이클 특성을 나타내는 그래프이다.
1 is a scanning electron microscope image of Example 1 according to Experimental Example 1 of the present invention.
2 is a scanning electron microscope image of Comparative Example 1 according to Experimental Example 1 of the present invention.
3 is a graph showing the capacity characteristics of Example 1 according to Experimental Example 2 of the present invention
4 is a graph showing cycle characteristics of Example 1 according to Experimental Example 2 of the present invention.
5 is a graph showing the capacity characteristics of Comparative Example 1 according to Experimental Example 2 of the present invention
6 is a graph showing cycle characteristics of Comparative Example 1 according to Experimental Example 2 of the present invention.

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

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the present specification and claims should not be interpreted as being limited to ordinary or lexical meanings, and the inventor can appropriately define the concept of terms in order to best describe his or her invention. Based on the principle that it should be interpreted as meanings and concepts consistent with the technical spirit of the present invention.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, ‘포함하다’ 또는 ‘가지다’등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present invention, terms such as'include' or'have' are intended to designate the existence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, and one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

본 명세서에서 사용되고 있는 용어 “폴리설파이드”는 “폴리설파이드 이온(Sx 2-, x = 8, 6, 4, 2))” 및 “리튬 폴리설파이드(Li2Sx 또는 LiSx - x = 8, 6, 4, 2)”를 모두 포함하는 개념이다.As used herein, the terms “polysulfide” are “polysulfide ions (S x 2- , x = 8, 6, 4, 2))” and “lithium polysulfide (Li 2 S x. Or LiS x - x = 8, 6, 4, 2)”.

본 명세서에 기재된 물성에 대하여, 측정 조건 및 방법이 구체적으로 기재되어 있지 않은 경우, 상기 물성은 해당 기술 분야에서 통상의 기술자에 의해 일반적으로 사용되는 측정 조건 및 방법에 따라 측정된다.For the properties described in the present specification, unless the measurement conditions and methods are specifically described, the properties are measured according to measurement conditions and methods generally used by those skilled in the art.

리튬-황 이차전지는 환원 반응인 방전시에는 황 계열 화합물의 황-황 결합이 끊어지면 황의 산화수가 감소하고, 산화 반응인 충전시에는 황-황 결합이 다시 생성되며 황의 산화수가 증가하는 산화-환원 반응을 이용하여 전기적 에너지를 생성한다.In a lithium-sulfur secondary battery, the oxidation number of sulfur decreases when the sulfur-sulfur bond of the sulfur-based compound is cut off during the reduction reaction discharge, and the sulfur-sulfur bond is regenerated during the oxidation reaction charge and the oxidation number of sulfur increases. Electric energy is generated using a reduction reaction.

리튬-황 이차전지는 여러 이차전지 중에서 높은 방전용량 및 에너지 밀도를 가지며, 양극 활물질로 사용되는 황은 매장량이 풍부하여 가격이 저렴하므로 전지의 제조단가를 낮출 수 있고, 환경친화적이라는 이점으로 인해 차세대 이차전지로 각광받고 있다.Lithium-sulfur secondary batteries have a high discharge capacity and energy density among various secondary batteries, and sulfur used as a positive electrode active material has a large amount of reserves and is inexpensive, so the manufacturing cost of the battery can be lowered, and the next generation secondary due to its environmentally friendly advantages It is spotlighted as a battery.

이러한 이점에도 불구하고 양극 활물질인 황은 부도체이므로 이를 보완하기 위해 전도성 물질인 탄소재와 복합화한 황-탄소 복합체가 일반적으로 사용되고 있다.Despite these advantages, since the positive electrode active material sulfur is a non-conductor, a sulfur-carbon composite compounded with a conductive carbon material is generally used to compensate for this.

그러나, 기존 리튬-황 이차전지 시스템의 경우 전술한 바의 리튬 폴리설파이드 용출을 억제하지 못해 황의 손실이 발생하며, 이로 인해 전기화학 반응에 참여하는 황의 양이 급격히 감소하여 실제 구동에 있어서는 이론 방전용량 및 이론 에너지 밀도 전부를 구현하지 못한다. 또한, 이렇게 용출된 리튬 폴리설파이드는 전해액 중에 부유 또는 침전되는 것 이외에도, 리튬과 직접 반응하여 음극 표면에 Li2S 형태로 고착되므로 리튬 금속 음극을 부식시키는 문제를 발생시킨다.However, in the case of the existing lithium-sulfur secondary battery system, the loss of sulfur occurs because it cannot suppress the elution of lithium polysulfide as described above, and as a result, the amount of sulfur participating in the electrochemical reaction is rapidly reduced, and the theoretical discharge capacity in actual driving And not all of the theoretical energy densities. In addition, in addition to being suspended or precipitated in the electrolyte, the eluted lithium polysulfide reacts directly with lithium and adheres to the surface of the anode in the form of Li 2 S, thereby causing a problem of corrosion of the lithium metal anode.

종래 기술에서는 리튬 폴리설파이드의 용출 억제를 위해 탄소재에 코팅층을 도입하거나 기공을 형성하는 등의 다양한 구조 또는 소재의 탄소재가 제안되었으나, 전지의 성능이 효과적으로 개선되지 못하였다.In the prior art, carbon materials of various structures or materials, such as introducing a coating layer or forming pores in a carbon material to suppress the dissolution of lithium polysulfide, have not been effectively improved.

이에 본 발명은 양극, 음극, 분리막 및 전해액을 포함하는 리튬-황 이차전지에 있어서, 도전재로 고비표면적 탄소재를 포함하며, 기공도가 낮고, 양극 활물질인 황의 로딩양이 높은 양극을 포함하는 리튬-황 이차전지를 제공한다. 일반적인 이차전지의 경우 양극에서 기공도를 낮추고, 양극 활물질의 함량을 높이면, 양극을 포함하는 이차전지의 에너지 밀도가 증가한다. 그러나, 리튬-황 이차전지에서 양극의 기공도를 최소한으로 낮추고, 황의 함량을 최대한으로 높이는 경우, 단위 황 함량당 전해액의 비율이 감소하게 되므로 전술한 양극을 리튬-황 이차전지에 적용시 목표로 한 성능을 구현하기 어렵다. 따라서, 본 발명에서는 기존에 사용되는 카본 블랙, 탄소섬유 계열의 도전재보다 비표면적이 높은 탄소재를 양극에 도전재로 도입하고, 양극에서 황과 관련한 조건을 한정하고, 이에 적절한 전해액 조건을 특정함으로써, 실제 구동시 기존의 리튬-황 이차전지에 비해 고에너지 밀도를 갖는 리튬-황 이차전지를 제공한다.Accordingly, the present invention is a lithium-sulfur secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte, and includes a high specific surface area carbon material as a conductive material, a low porosity, and a positive electrode having a high loading amount of sulfur as a positive electrode active material. It provides a lithium-sulfur secondary battery. In the case of a general secondary battery, when the porosity is decreased at the positive electrode and the content of the positive electrode active material is increased, the energy density of the secondary battery including the positive electrode increases. However, when the porosity of the anode is minimized and the sulfur content is maximized in the lithium-sulfur secondary battery, the ratio of the electrolyte solution per unit sulfur content decreases, so that the above-mentioned anode is a target when applied to the lithium-sulfur secondary battery. It is difficult to achieve one performance. Therefore, in the present invention, a carbon material having a higher specific surface area than the conductive material of the carbon black and carbon fiber series used in the present invention is introduced as a conductive material in the positive electrode, and the sulfur-related conditions are defined in the positive electrode, and appropriate electrolyte conditions are specified. By doing so, it provides a lithium-sulfur secondary battery having a higher energy density than an existing lithium-sulfur secondary battery in actual driving.

본 발명에 따른 양극은 양극 집전체와 상기 양극 집전체의 일면 또는 양면에 도포된 양극 활물질층을 포함할 수 있다.The positive electrode according to the present invention 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 can form a fine unevenness on its surface to enhance the bonding force with the positive electrode active material, and various forms such as a film, sheet, foil, mesh, net, porous body, foam, and nonwoven fabric can be used.

상기 양극 집전체의 두께는 특별히 제한하는 것은 아니나, 예를 들어 3 내지 500 ㎛일 수 있다.The thickness of the positive electrode current collector is not particularly limited, but may be, for example, 3 to 500 μm.

상기 양극 활물질층은 양극 활물질 및 도전재를 포함하며, 선택적으로 바인더를 더 포함할 수 있다.The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material and a conductive material, and may optionally further include a binder.

상기 양극 활물질은 황 계열 화합물을 포함한다. 상기 황 계열 화합물은 무기 황(S8), Li2Sn(n=1), 2,5-디머캅토-1,3,4-티아디아졸(2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole), 1,3,5-트리티오시아누익산(1,3,5-trithiocyanuic acid) 등과 같은 디설파이드 화합물, 유기황 화합물 및 탄소-황 폴리머((C2Sx)n, x=2.5 내지 50, n=2)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 무기 황(S8)을 사용할 수 있다.The positive electrode active material includes a sulfur-based compound. The sulfur-based compound is inorganic sulfur (S 8 ), Li 2 S n (n=1), 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole (2,5-dimercapto-1,3,4 disulfide compounds such as -thiadiazole), 1,3,5-trithiocyanuic acid, organosulfur compounds, and carbon-sulfur polymers ((C 2 S x ) n , x=2.5 To 50, n=2). Preferably, inorganic sulfur (S 8 ) can be used.

상기 황 계열 화합물은 단독으로는 전기 전도성이 없기 때문에 전도성 물질인 탄소재와 복합화하여 사용된다. 바람직하기로, 상기 양극 활물질은 황-탄소 복합체일 수 있다. 이때 용어 “복합체(composite)”란 두 가지 이상의 재료가 조합되어 물리적·화학적으로 서로 다른 상(phase)를 형성하면서 보다 유효한 기능을 발현하는 물질을 의미한다.Since the sulfur-based compound is not electrically conductive alone, it is used in combination with a carbon material that is a conductive material. Preferably, the positive electrode active material may be a sulfur-carbon composite. At this time, the term “composite” refers to a substance that combines two or more materials to form physically and chemically different phases and express more effective functions.

상기 황-탄소 복합체에서 탄소재는 양극 활물질인 황이 균일하고 안정적으로 고정될 수 있는 골격을 제공하며, 황의 낮은 전기 전도도를 보완하여 전기화학 반응이 원활하게 진행될 수 있도록 한다.In the sulfur-carbon composite, the carbon material provides a skeleton in which the positive electrode active material sulfur can be fixed uniformly and stably, and compensates for the low electrical conductivity of sulfur so that the electrochemical reaction can proceed smoothly.

상기 탄소재는 다양한 탄소 재질의 전구체를 탄화시킴으로써 제조될 수 있다. 상기 탄소재는 표면 및 내부에 일정하지 않은 다수의 기공을 포함하며, 상기 기공의 평균 직경은 1 내지 500 ㎚ 범위이며, 공극률(또는 기공도)는 탄소재 전체 체적의 10 내지 90 % 범위일 수 있다. 만일 상기 기공의 평균 직경이 상기 범위 미만인 경우 기공 크기가 분자 수준에 불과하여 황의 함침이 불가능하며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 탄소재의 기계적 강도가 약화되어 전극의 제조공정에 적용하기에 바람직하지 않다.The carbon material can be produced by carbonizing precursors of various carbon materials. The carbon material includes a plurality of pores that are not constant on the surface and inside, and the average diameter of the pores is in the range of 1 to 500 nm, and the porosity (or porosity) may range from 10 to 90% of the total volume of the carbon material. . If the average diameter of the pores is less than the above range, impregnation of sulfur is impossible because the pore size is only at the molecular level. On the contrary, when it exceeds the above range, the mechanical strength of the carbon material is weakened, which is preferable for application in the electrode manufacturing process. Do not.

상기 탄소재의 형태는 구형, 봉형, 침상형, 판상형, 튜브형 또는 벌크형으로 리튬-황 전지에 통상적으로 사용되는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다.The shape of the carbon material may be spherical, rod-shaped, needle-shaped, plate-shaped, tube-shaped, or bulk-type if used in a lithium-sulfur battery without limitation.

상기 탄소재는 다공성 구조로 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이든 무방하다. 예를 들어, 상기 탄소재로는 그래파이트(graphite); 그래핀(graphene); 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본 블랙; 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 등의 탄소나노튜브(CNT); 그라파이트 나노파이버(GNF), 카본 나노파이버(CNF), 활성화 탄소 파이버(ACF) 등의 탄소 섬유; 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연 및 활성탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.The carbon material has a porous structure and may be any of those commonly used in the art. For example, the carbon material may include graphite; Graphene; Carbon blacks such as denka black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Carbon nanotubes (CNT) such as single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT); Carbon fibers such as graphite nanofiber (GNF), carbon nanofiber (CNF), and activated carbon fiber (ACF); It may be at least one selected from the group consisting of natural graphite, artificial graphite, expanded graphite and activated carbon, but is not limited thereto.

본 발명의 황-탄소 복합체에서 상기 황은 상기 황-탄소 복합체 전체 중량을 기준으로 50 내지 90 중량%, 바람직하기로 60 내지 80 중량%로 포함될 수 있다.In the sulfur-carbon composite of the present invention, the sulfur may be included in an amount of 50 to 90% by weight, preferably 60 to 80% by weight based on the total weight of the sulfur-carbon composite.

본 발명의 황-탄소 복합체에서 상기 탄소재는 상기 황-탄소 복합체 전체 중량을 기준으로 10 내지 50 중량%, 바람직하기로 20 내지 40 중량%로 포함될 수 있다.In the sulfur-carbon composite of the present invention, the carbon material may be included in an amount of 10 to 50% by weight, preferably 20 to 40% by weight, based on the total weight of the sulfur-carbon composite.

이에 따라 상기 황-탄소 복합체에서 탄소재와 황의 중량비는 1:1 내지 1:9, 바람직하게는 1:1.5 내지 1:4일 수 있다. 만약 상기 중량비 범위 미만인 경우 탄소재의 함량이 증가함에 따라 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질 슬러리 제조시에 필요한 바인더 첨가량이 늘어난다. 이러한 바인더 첨가량의 증가는 결국 전극의 면저항을 증가시키기게 되고 전자 이동(electron pass)을 막는 절연체 역할을 하게 되어 셀 성능을 저하시킬 수 있다. 반대로 상기 중량비 범위를 초과하는 경우 황이 그들끼리 뭉치게 되고, 전자를 받기 어려워서 전극 반응에 직접적으로 참여하기 어렵게 될 수 있다.Accordingly, the weight ratio of the carbon material and sulfur in the sulfur-carbon composite may be 1:1 to 1:9, preferably 1:1.5 to 1:4. If it is less than the above weight ratio range, as the content of the carbon material increases, the amount of binder addition required in preparing the positive electrode active material slurry containing the positive electrode active material increases. The increase in the amount of the binder added eventually increases the sheet resistance of the electrode and acts as an insulator preventing an electron pass, thereby degrading cell performance. Conversely, when the weight ratio range is exceeded, sulfur may be aggregated between them, and it may be difficult to directly participate in the electrode reaction due to difficulty receiving electrons.

상기 황-탄소 복합체는 전술한 황과 탄소재가 단순 혼합되어 복합화되거나 코어-쉘 구조의 코팅 형태 또는 담지 형태를 가질 수 있다. 상기 코어-쉘 구조의 코팅 형태는 황 또는 탄소재 중 어느 하나가 다른 물질을 코팅한 것으로, 일례로 탄소재 표면을 황으로 감싸거나 이의 반대가 될 수 있다. 또한, 담지 형태는 탄소재의 내부에 황이 담지된 형태일 수 있다. 상기 황-탄소 복합체의 형태는 상기 제시한 황과 탄소재의 함량비를 만족하는 것이면 어떠한 형태라도 사용 가능하며 본 발명에서 한정하지 않는다.The sulfur-carbon composite may be compounded by simply mixing the aforementioned sulfur and carbon materials, or may have a core-shell structured coating form or a supported form. The core-shell structure may be formed by coating one of sulfur or carbon materials with another material, for example, the surface of the carbon material may be wrapped with sulfur or vice versa. In addition, the supported form may be a form in which sulfur is supported inside the carbon material. The form of the sulfur-carbon composite may be any form as long as it satisfies the content ratios of the sulfur and carbon materials, and is not limited in the present invention.

본 발명에 따른 황-탄소 복합체의 평균 직경은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며 다양할 수 있으나, 0.5 내지 100 ㎛, 바람직하기로 1 내지 50 ㎛이다. 상기 범위를 만족할 때 고로딩 전극을 제조할 수 있는 장점이 있다.The average diameter of the sulfur-carbon composite according to the present invention is not particularly limited in the present invention and may vary, but is 0.5 to 100 μm, preferably 1 to 50 μm. When the above range is satisfied, there is an advantage that a high loading electrode can be manufactured.

상기 양극 활물질은 전술한 조성 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 active material 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 above-described composition.

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, and the like, and the group IIIA elements include Al, Ga, In, and Ti, and the group IVA elements include Ge, Sn, and Pb.

상기 양극 활물질의 함량은 양극 활물질 슬러리 전체 중량을 기준으로 5 내지 40 중량%로 포함될 수 있다.The content of the positive electrode active material may be included in 5 to 40% by weight based on the total weight of the positive electrode active material slurry.

본 발명에 있어서, 도전재는 통상의 카본 블랙, 탄소섬유 계열의 도전재보다 높은 비표면적을 갖는 것을 특징으로 한다. In the present invention, the conductive material is characterized by having a higher specific surface area than the conventional carbon black and carbon fiber-based conductive materials.

상기 도전재는 양극 활물질 성분들을 전기적으로 연결시켜 주어 집전체로부터 전자가 양극 활물질까지 이동하는 것을 도와주는 역할을 하는 물질로, 양극 활물질인 황의 원활한 전기화학 반응을 도모하는 역할을 한다. The conductive material is a material that electrically connects the positive electrode active material components to help electrons move from the current collector to the positive electrode active material, and serves to promote a smooth electrochemical reaction of the positive electrode active material, sulfur.

본 발명에서는 고비표면적의 탄소재를 도전재로 사용함으로써 후술하는 전해액을 포함하는 리튬-황 전지 이차전지 시스템에서 양극 활물질의 반응성을 개선하여 향상된 용량 특성을 나타낸다.In the present invention, a high specific surface area carbon material is used as a conductive material to improve the reactivity of a positive electrode active material in a lithium-sulfur battery secondary battery system including an electrolyte to be described later, thereby exhibiting improved capacity characteristics.

기존 리튬-황 이차전지에서 사용되는 도전재, 예를 들어 기상성장 탄소섬유(vapor grown carbon fiber: VGCF)의 경우 비표면적이 통상 10 내지 50 ㎡/g 범위인 반면, 본 발명의 탄소재는 비표면적이 높아 양극 활물질과 접촉면적이 높아지므로 전술한 바의 양극의 반응성 개선에 효과적이다.The conductive material used in the existing lithium-sulfur secondary battery, for example, vapor grown carbon fiber (VGCF), typically has a specific surface area in the range of 10 to 50 m 2 /g, whereas the carbon material of the present invention has a specific surface area Since this is high, the contact area with the positive electrode active material is high, it is effective in improving the reactivity of the positive electrode as described above.

상기 고비표면적 탄소재는 비표면적이 100 내지 500 ㎡/g, 바람직하기로 150 내지 400 ㎡/g일 수 있다. 이때 상기 비표면적은 통상의 BET(Brunauer & Emmett & Teller)법을 통해 측정할 수 있다. 상기 탄소재의 비표면적이 상기 범위 미만인 경우 전극 내 도전 구조의 형성이 어려워 전극 전도성이 저하되며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 고상 물질의 비표면적 증가로 인해 양극 활물질 슬러리 제조시에 필요한 바인더 첨가량이 늘어나는 문제가 있을 수 있다.The high specific surface area carbon material may have a specific surface area of 100 to 500 m 2 /g, preferably 150 to 400 m 2 /g. At this time, the specific surface area can be measured by a conventional method of BET (Brunauer & Emmett & Teller). When the specific surface area of the carbon material is less than the above range, it is difficult to form a conductive structure in the electrode, and thus the electrode conductivity decreases. On the contrary, when the specific surface area is exceeded, the amount of binder added during the preparation of the positive electrode active material slurry due to the increase in the specific surface area of the solid material There may be a growing problem.

상기 고비표면적 탄소재는 도전성을 갖는 것이라면 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 고비표면적 탄소재는 전술한 비표면적 범위를 가지는 것으로, 탄소 나노튜브, 그래핀, 카본 블랙 및 탄소섬유로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 고비표면적 탄소재는 탄소 나노튜브 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.The high specific surface area carbon material can be used without limitation as long as it has conductivity. For example, the high specific surface area carbon material has the above specific surface area range, and may include one or more selected from the group consisting of carbon nanotubes, graphene, carbon black, and carbon fibers. Preferably, the high specific surface area carbon material may be at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes and graphene.

본 발명에 있어서, 상기 도전재로 고비표면적 탄소재 중 탄소 나노튜브 및 그래핀를 포함하는 경우, 상기 탄소 나노튜브와 그래핀의 중량비는 0:10 내지 10:0, 바람직하게는 1:9 내지 9:1일 수 있다. 그래핀은 양극 활물질 간의 접착력을 높이며, 탄소 나노튜브는 직경이 작아 작은 공간 내 도전 구조 형성에 유리하므로 전술한 중량비 범위 내로 혼합되는 것이 유리하다.In the present invention, when the conductive material includes carbon nanotubes and graphene among high specific surface area carbon materials, the weight ratio of the carbon nanotubes and graphene is 0:10 to 10:0, preferably 1:9 to 9 It can be :1. Graphene increases the adhesion between the positive electrode active material, the carbon nanotubes are small in diameter, so it is advantageous to form a conductive structure in a small space, so it is advantageous to mix within the above-mentioned weight ratio range.

상기 도전재의 함량은 양극 활물질 슬러리 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 30 중량%로 포함될 수 있다.The content of the conductive material may be included in 0.01 to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode active material slurry.

상기 바인더는 양극 활물질을 양극 집전체에 유지시키고, 양극 활물질 사이를 유기적으로 연결시켜 이들 간의 결착력을 보다 높이는 것으로, 당해 업계에서 공지된 모든 바인더를 사용할 수 있다.The binder maintains the positive electrode active material in the positive electrode current collector, and organically connects the positive electrode active materials to increase the binding force therebetween, and any binder known in the art may be used.

예를 들어 상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVdF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는 불소 수지계 바인더; 스티렌-부타디엔 고무(styrene butadiene rubber, SBR), 아크릴로니트릴-부티디엔 고무, 스티렌-이소프렌 고무를 포함하는 고무계 바인더; 카르복시메틸셀룰로우즈(carboxyl methyl cellulose, CMC), 전분, 히드록시 프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로오스를 포함하는 셀룰로오스계 바인더; 폴 리 알코올계 바인더; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌를 포함하는 폴리 올레핀계 바인더; 폴리 이미드계 바인더; 폴리 에스테르계 바인더; 및 실란계 바인더;로 이루어진 군으로부터 선택된 1종, 2종 이상의 혼합물 또는 공중합체를 사용할 수 있다.For example, the binder may include a fluorine resin-based binder including polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE); Rubber-based binders including styrene-butadiene rubber (SBR), acrylonitrile-butadiene rubber, and styrene-isoprene rubber; Cellulose-based binders including carboxyl methyl cellulose (CMC), starch, hydroxy propyl cellulose, and regenerated cellulose; Poly alcohol-based binders; Polyolefin-based binders including polyethylene and polypropylene; Polyimide-based binders; Polyester-based binders; And silane-based binder; may be used one or two or more mixtures or copolymers selected from the group consisting of.

상기 바인더의 함량은 상기 양극 활물질 슬러리 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 30 중량%로 첨가될 수 있다. 바인더의 함량이 0.5 중량% 미만이면, 양극의 물리적 성질이 저하되어 양극 내 활물질과 도전재가 탈락할 수 있고, 30 중량%를 초과하면 양극에서 활물질과 도전재의 비율이 상대적으로 감소되어 전지 용량이 감소할 수 있다.The content of the binder may be added in 0.5 to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode active material slurry. If the content of the binder is less than 0.5% by weight, the physical properties of the positive electrode may deteriorate, and the active material and the conductive material in the positive electrode may drop off, and when it exceeds 30% by weight, the ratio of the active material and the conductive material in the positive electrode is relatively reduced, thereby reducing battery capacity. can do.

상기 양극은 당 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 양극 활물질에 용매, 도전재, 필요에 따라 바인더, 충진제와 같은 첨가제를 혼합 및 교반하여 양극 활물질 슬러리를 제조한 후 이를 금속 재료의 집전체에 도포(코팅)하고 압축한 뒤 건조하여 양극을 제조할 수 있다.The positive electrode can be produced by a conventional method known in the art. For example, a positive electrode active material is prepared by mixing and stirring additives such as a solvent, a conductive material, and a binder, a filler, if necessary, to prepare a positive electrode active material slurry, and then applying (coating) it to a current collector of a metal material, compressing it, and drying it. An anode can be produced.

구체적으로, 먼저, 양극 활물질 슬러리를 제조하기 위한 용매에 상기 바인더를 용해시킨 다음, 도전재를 분산시킨다. 양극 활물질 슬러리를 제조하기 위한 용매로는 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 균일하게 분산시킬 수 있으며, 쉽게 증발되는 것을 사용하는 것이 바람직하고, 대표적으로는 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란, 물, 이소프로필알콜 등을 사용할 수 있다. 다음으로 양극 활물질을, 또는 선택적으로 첨가제와 함께, 상기 도전재가 분산된 용매에 다시 균일하게 분산시켜 양극 활물질 슬러리를 제조한다. 양극 활물질 슬러리에 포함되는 용매, 양극 활물질, 도전재 또는 첨가제의 양은 본 출원에 있어서 특별히 중요한 의미를 가지지 않으며, 단지 양극 활물질 슬러리의 도포가 용이하도록 적절한 점도를 가지면 충분하다. 이와 같이 제조된 양극 활물질 슬러리를 집전체에 도포하고, 건조하여 양극을 형성한다. 상기 양극 활물질 슬러리는 양극 활물질 슬러리의 점도 및 형성하고자 하는 양극의 두께에 따라 적절한 두께로 집전체에 도포할 수 있다.Specifically, first, the binder is dissolved in a solvent for preparing the positive electrode active material slurry, and then the conductive material is dispersed. As a solvent for preparing the positive electrode active material slurry, 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. Representatively, acetonitrile, methanol, ethanol, tetrahydrofuran, water , Isopropyl alcohol, and the like. Next, the positive electrode active material or, optionally with additives, is uniformly dispersed again in a solvent in which the conductive material is dispersed to prepare a positive electrode active material slurry. The amount of the solvent, the positive electrode active material, the conductive material, or the additives contained in the positive electrode active material slurry does not have a particularly important meaning in the present application, and it is sufficient only to have an appropriate viscosity to facilitate application of the positive electrode active material slurry. The positive electrode active material slurry thus prepared is applied to a current collector and dried to form a positive electrode. The positive electrode active material slurry may be applied to the current collector at an appropriate thickness according to the viscosity of the positive electrode active material slurry and the thickness of the positive electrode to be formed.

상기 도포는 당업계에 통상적으로 공지된 방법에 의하여 수행할 수 있으나, 예컨대 상기 양극 활물질 슬러리를 상기 양극 집전체 일측 상면에 분배시킨 후 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 사용하여 균일하게 분산시켜 수행할 수 있다. 이외에도, 다이 캐스팅(die casting), 콤마 코팅(comma coating), 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법을 통하여 수행할 수 있다.The coating may be performed by a method commonly known in the art, but for example, the positive electrode active material slurry is distributed on one side of the positive electrode current collector and then uniformly dispersed using a doctor blade or the like. Can. In addition, it may be performed through a method such as die casting, comma coating, or screen printing.

상기 건조는 특별히 제한하는 것은 아니나, 50 내지 200 ℃의 진공오븐에서 1일 이내로 수행하는 것일 수 있다.The drying is not particularly limited, but may be performed within 1 day in a vacuum oven at 50 to 200°C.

상술한 소재 및 방법으로 제조된 본 발명의 양극은 하기 수학식 1로 표시되는 SC factor 값에 의해 구분된다.The positive electrode of the present invention manufactured by the above-described material and method is divided by the SC factor value represented by the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00005
Figure pat00005

(상기 수학식 1에 있어서,(In Equation 1 above,

P는 양극 내 양극 활물질층의 공극률(%)이고, P is the porosity (%) of the positive electrode active material layer in the positive electrode,

L은 양극 내 양극 활물질층의 단위 면적당 황의 질량(㎎/㎠)이며,L is the mass of sulfur per unit area of the positive electrode active material layer in the positive electrode (mg/cm 2 ),

α는 10(상수)이다.).α is 10 (constant).

본 발명에 따른 리튬-황 이차전지는 상술한 양극뿐만 아니라 음극, 분리막 및 전해질 등의 유기적인 결합에 의해 고에너지 밀도를 구현하며, 본 발명에 따르면, 리튬-황 이차전지가 고에너지 밀도를 구현하기 위해, 상기 SC factor 값은 0.45 이상, 바람직하게는 0.5 이상일 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 SC factor 값의 상한은 특별하게 제한되지 않지만, 실제 리튬-황 이차전지의 구동을 고려해 볼 때, 상기 SC factor 값은 4.5 이하일 수 있다. 상기 SC factor 값이 0.45 이상인 경우, 기존의 리튬-황 이차전지는 실제 구동시 전지의 에너지 밀도 등의 성능이 저하되지만, 본 발명에 따른 리튬-황 이차전지의 경우에는 실제 구동시에도 전지의 성능이 저하되지 않고 유지된다.The lithium-sulfur secondary battery according to the present invention realizes high energy density by organic bonding of the cathode, separator and electrolyte as well as the above-described positive electrode, and according to the present invention, the lithium-sulfur secondary battery realizes high energy density. In order to do this, the SC factor value may be 0.45 or more, preferably 0.5 or more. In the present invention, the upper limit of the SC factor value is not particularly limited, but considering the driving of an actual lithium-sulfur secondary battery, the SC factor value may be 4.5 or less. When the SC factor value is 0.45 or more, the performance of the existing lithium-sulfur secondary battery, such as the energy density of the battery, decreases during actual driving, but in the case of the lithium-sulfur secondary battery according to the present invention, the battery performance even during actual driving It is maintained without deterioration.

본 발명에 따른 음극은 음극 집전체와 그의 일면 또는 양면에 형성된 음극 활물질층으로 구성될 수 있다. 또는 상기 음극은 리튬 금속판일 수 있다.The negative electrode according to the present invention may be composed of a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on one or both sides thereof. Alternatively, the negative electrode may be a lithium metal plate.

상기 음극 활물질층은 음극 활물질과 선택적으로 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다.The negative active material layer may include a negative active material and optionally a conductive material and a binder.

상기 음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션(Intercalation) 또는 디인터칼레이션(Deintercalation)할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 사용할 수 있다.The negative active material is a material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions, a material capable of reacting with lithium ions to reversibly form a lithium-containing compound, lithium metal or lithium alloy Can be used.

상기 리튬이온을 가역적으로 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션할 수 있는 물질은 예를 들어, 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다.The material capable of reversibly intercalating or deintercalating the lithium ion may be, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof.

상기 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질은 예를 들어, 산화주석, 티타늄나이트레이트, 또는 실리콘일 수 있다.A material capable of reversibly forming a lithium-containing compound by reacting with the lithium ion may be, for example, tin oxide, titanium nitrate, or silicon.

상기 리튬 합금은 예를 들어, 리튬(Li)과 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 알루미늄(Al) 및 주석(Sn)으로 이루어지는 군에서 선택되는 금속의 합금일 수 있다.The lithium alloy is, for example, lithium (Li) and sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), francium (Fr), beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium ( Ca), strontium (Sr), barium (Ba), radium (Ra), aluminum (Al), and tin (Sn).

상기 도전재는 전해액과 음극 활물질을 전기적으로 연결하는 물질로서, 도전성을 갖는 것이라면 제한없이 사용할 수 있다.The conductive material is a material that electrically connects the electrolytic solution and the negative electrode active material, and any conductive material may be used without limitation.

예를 들어 상기 도전재로는 슈퍼 P(Super-P), 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 카본 블랙 등의 카본 블랙; 탄소 나노튜브, 그래핀, 플러렌 등의 탄소 유도체; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 또는 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 등의 전도성 고분자를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.For example, the conductive material includes carbon black such as super P (Super-P), denka black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, carbon black; Carbon derivatives such as carbon nanotubes, graphene, and fullerene; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powders; Alternatively, conductive polymers such as polyaniline, polythiophene, polyacetylene, and polypyrrole may be used alone or in combination.

상기 음극 활물질 및 도전재를 집전체, 바인더 등의 구성 및 음극의 제조방법은 상술한 양극에서 사용된 물질 및 방법 등이 사용될 수 있다.The negative electrode active material and the conductive material, such as a current collector, a binder, and a method of manufacturing the negative electrode may be the materials and methods used in the positive electrode.

본 발명에 따른 분리막은 양극과 음극을 물리적으로 분리하는 기능을 갖는 것으로서, 통상의 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하며, 특히 전해액의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다.The separation membrane according to the present invention has a function of physically separating the positive electrode and the negative electrode, and can be used without particular limitation as long as it is used as a normal separation membrane. Particularly, it is preferable that it has low resistance to ion movement of the electrolyte and has excellent electrolyte moisture absorption ability. Do.

또한, 상기 분리막은 양극과 음극을 서로 분리 또는 절연시키면서 양극과 음극 사이에 리튬 이온의 수송을 가능하게 한다. 이러한 분리막은 기공도 30 내지 50 %의 다공성이고, 비전도성 또는 절연성인 물질로 이루어질 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 material having a porosity of 30 to 50% and a non-conductive or insulating material.

구체적으로는 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 사용할 수 있고, 고융점의 유리 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다. 이 중 바람직하기로 다공성 고분자 필름을 사용한다.Specifically, a porous polymer film such as an ethylene homopolymer, a propylene homopolymer, an ethylene/butene copolymer, an ethylene/hexene copolymer and an ethylene/methacrylate copolymer may be used. It is possible to use a non-woven fabric made of high melting point glass fiber or the like. Among them, a porous polymer film is preferably used.

만일 버퍼층 및 분리막으로 모두 고분자 필름을 사용하게 되면, 전해액 함침량 및 이온 전도 특성이 감소하고, 과전압 감소 및 용량 특성 개선 효과가 미미하게 된다. 반대로, 모두 부직포 소재를 사용할 경우는 기계적 강성이 확보되지 못하여 전지 단락의 문제가 발생한다. 그러나, 필름형의 분리막과 고분자 부직포 버퍼층을 함께 사용하면, 버퍼층의 채용으로 인한 전지 성능 개선 효과와 함께 기계적 강도 또한 확보할 수 있다.If a polymer film is used as both the buffer layer and the separator, the amount of electrolyte impregnation and ion conduction properties decrease, and the effect of reducing overvoltage and improving capacity characteristics is negligible. Conversely, when all non-woven materials are used, mechanical stiffness is not secured, resulting in a short circuit of the battery. However, when the film-type separation membrane and the polymer nonwoven fabric buffer layer are used together, mechanical strength can be secured together with an effect of improving battery performance due to the adoption of the buffer layer.

바람직하기로, 본 발명에 있어서, 에틸렌 단독중합체(폴리에틸렌) 고분자 필름을 분리막으로, 폴리이미드 부직포를 버퍼층으로 사용한다. 이때, 상기 폴리에틸렌 고분자 필름은 두께가 10 내지 25μm, 기공도가 40 내지 50%인 것이 바람직하다.Preferably, in the present invention, an ethylene homopolymer (polyethylene) polymer film is used as a separator, and a polyimide nonwoven fabric is used as a buffer layer. At this time, the polyethylene polymer film preferably has a thickness of 10 to 25 μm and a porosity of 40 to 50%.

본 발명에 따른 전해액은 리튬염을 함유하는 비수계 전해액으로서 리튬염과 용매로 구성된다. 상기 전해액은 1.5 g/㎤ 미만의 밀도를 가진다. 상기 전해액이 1.5 g/㎤ 이상의 밀도를 가지는 경우, 전해액의 무게 증가로 인해 리튬-황 이차전지의 고에너지 밀도를 구현하기 어렵다.The electrolytic solution according to the present invention is a non-aqueous electrolytic solution containing a lithium salt and is composed of a lithium salt and a solvent. The electrolyte has a density of less than 1.5 g/cm 3. When the electrolyte has a density of 1.5 g/cm 3 or more, it is difficult to realize a high energy density of the lithium-sulfur secondary battery due to an increase in the weight of the electrolyte.

상기 리튬염은 비수계 유기 용매에 쉽게 용해될 수 있는 물질로서, 예컨대, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiB(Ph)4, LiC4BO8, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, LiSO3CH3, LiSO3CF3, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(SO2F)2, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 테트라 페닐 붕산 리튬 및 리튬 이미드로 이루어진 군으로부터 하나 이상일 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 리튬염은 LiTFSI 등과 같은 리튬 이미드가 바람직할 수 있다.The lithium salt is a material that can be easily dissolved in a non-aqueous organic solvent, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiB(Ph) 4 , LiC 4 BO 8 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, LiSO 3 CH 3, LiSO 3 CF 3, LiSCN, LiC (CF 3 SO 2) 3, LiN (CF 3 SO 2) 2, LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(SO 2 F) 2 , chloro borane lithium, lower aliphatic lithium carboxylate, lithium tetraphenyl borate, and lithium imide. In one embodiment of the present invention, the lithium salt may be preferably a lithium imide such as LiTFSI.

상기 리튬염의 농도는, 전해액 혼합물의 정확한 조성, 염의 용해도, 용해된 염의 전도성, 전지의 충전 및 방전 조건, 작업 온도 및 리튬 이차전지 분야에 공지된 다른 요인과 같은 여러 요인에 따라, 0.1 내지 8.0 M, 바람직하게는 0.5 내지 5.0 M, 보다 바람직하게는 1.0 내지 3.0 M일 수 있다. 만약, 리튬염의 농도가 상기 범위 미만이면 전해액의 전도도가 낮아져서 전지 성능이 저하될 수 있고, 상기 범위 초과이면 전해액의 점도가 증가하여 리튬 이온(Li+)의 이동성이 감소될 수 있으므로 상기 범위 내에서 적정 농도를 선택하는 것이 바람직하다.The concentration of the lithium salt is 0.1 to 8.0 M, depending on several factors such as the exact composition of the electrolyte mixture, the solubility of the salt, the conductivity of the dissolved salt, the conditions for charging and discharging the battery, the working temperature and other factors known in the field of lithium secondary batteries. , Preferably 0.5 to 5.0 M, more preferably 1.0 to 3.0 M. If the concentration of the lithium salt is less than the above range, the conductivity of the electrolyte solution may be lowered to deteriorate the battery performance, and if it exceeds the above range, the viscosity of the electrolyte solution may increase and mobility of lithium ions (Li + ) may decrease, so that It is desirable to select an appropriate concentration.

상기 용매는 제1용매 및 제2용매를 포함한다. 상기 제1용매는 용매에서 1 중량% 이상 포함된 구성성분 중 가장 높은 단위 부피당 쌍극자 모멘트(dipole moment)를 갖는 것이며, 따라서 높은 쌍극자 모멘트(dipole moment) 및 낮은 점도를 갖는 것을 특징으로 한다. 쌍극자 모멘트가 높은 용매를 사용하는 경우, 황의 고상 반응성을 개선하는 효과를 가지는데, 이러한 효과는 용매 자체가 낮은 점도를 가질 때에 우수하게 발현될 수 있다. 본 발명에서 제1용매는 하기 수학식 2로 표시되는 DV2 factor에 의해 구분된다.The solvent includes a first solvent and a second solvent. The first solvent has the highest dipole moment per unit volume among the components contained in the solvent by 1% by weight or more, and thus is characterized by having a high dipole moment and a low viscosity. When a solvent having a high dipole moment is used, it has an effect of improving the solid phase reactivity of sulfur, and this effect can be excellently expressed when the solvent itself has a low viscosity. In the present invention, the first solvent is divided by the DV 2 factor represented by Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00006
Figure pat00006

(상기 수학식 2에 있어서,(In Equation 2 above,

DV는 단위 부피당 쌍극자 모멘트(D·㏖/L)이고,DV is the dipole moment per unit volume (D·mol/L),

μ는 용매의 점도(cP, 25℃)이며,μ is the viscosity of the solvent (cP, 25℃),

γ는 100(상수)이다.).γ is 100 (constant).

본 발명에 따르면, 상기 DV2 factor 값은 1.75 이하, 바람직하게는 1.5 이하일 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 DV2 factor 값의 하한은 특별하게 제한되지 않지만, 실제 리튬-황 이차전지의 구동을 고려해 볼 때, 상기 DV2 factor 값은 0.1 이상일 수 있다. 상기 제1용매와 같이 DV2 factor 값이 1.75 이하인 용매를 혼합하는 경우, 기공도가 낮고, 양극 활물질인 황의 로딩양이 높은 양극이 리튬-황 전지에 적용되었을 때도 전해액의 기능성이 그대로 유지될 수 있어, 전지의 성능이 저하되지 않는다.According to the present invention, the DV 2 factor value may be 1.75 or less, preferably 1.5 or less. In the present invention, the lower limit of the DV 2 factor value is not particularly limited, but considering the driving of an actual lithium-sulfur secondary battery, the DV 2 factor value may be 0.1 or more. When mixing a solvent having a DV 2 factor value of 1.75 or less as in the first solvent, even when a positive electrode having a low porosity and a high loading amount of sulfur as a positive electrode active material is applied to a lithium-sulfur battery, the functionality of the electrolyte can be maintained. There is, the performance of the battery is not lowered.

본 발명에서 제1용매는 상술한 DV2 factor 값의 범위에 포함되면, 그 종류는 특별히 한정되지 않으나, 프로피오니트릴(Propionitrile), 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide), 디메틸포름아미드(Dimethylformamide), 감마-부티로락톤(Gamma-Butyrolactone), 트리에틸아민(Triethylamine) 및 1-아이오도프로판(1-iodopropane)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. In the present invention, if the first solvent is included in the range of the above-mentioned DV 2 factor value, the type is not particularly limited, but propionitrile, dimethylacetamide, dimethylformamide, gamma- Butyrolactone (Gamma-Butyrolactone), triethylamine (Triethylamine) and may include one or more selected from the group consisting of 1-iodopropane (1-iodopropane).

상기 제1용매는 전해액을 구성하는 용매 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%, 바람직하게는 5 내지 40 중량%, 보다 바람직하게는 10 내지 30 중량%로 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 용매가 상술한 중량% 범위 내에서 제1용매를 포함하는 경우, 기공도가 낮고, 양극 활물질인 황의 로딩양이 높은 양극과 함께 사용했을 때에도 전지의 성능 개선 효과를 가질 수 있다.The first solvent may include 1 to 50% by weight, preferably 5 to 40% by weight, more preferably 10 to 30% by weight based on the total weight of the solvent constituting the electrolyte solution. When the solvent according to the present invention includes the first solvent within the above-mentioned weight percent range, the performance of the battery may be improved even when used with a positive electrode having a low porosity and a high loading amount of sulfur as a positive electrode active material.

본 발명의 리튬-황 이차전지는 상기 SC factor와 상기 DV2 factor를 조합한 NS factor에 의해 추가적으로 구분될 수 있다. 상기 NS factor는 하기 수학식 3으로 표시된다.The lithium-sulfur secondary battery of the present invention can be further classified by an NS factor combining the SC factor and the DV 2 factor. The NS factor is represented by Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00007
Figure pat00007

(상기 수학식 3에 있어서,(In Equation 3 above,

SC factor는 상기 수학식 1에 의해 정의된 값과 동일하고,SC factor is the same as the value defined by Equation 1 above,

DV2 factor는 상기 수학식 2에 의해 정의된 값과 동일하다.).The DV 2 factor is the same as the value defined by Equation 2 above.).

본 발명에 있어서, 상기 NS factor 값은 3.5 이하, 바람직하게는 3.0 이하, 보다 바람직하게는 2.7 이하일 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 NS factor 값의 하한은 특별하게 제한되지 않지만, 실제 리튬-황 이차전지의 구동을 고려해 볼 때, 상기 NS factor 값은 0.1 이상일 수 있다. 상기 NS factor 값을 상기 범위 내로 조절하는 경우, 리튬-황 이차전지의 성능 개선 효과가 보다 우수할 수 있다.In the present invention, the NS factor value may be 3.5 or less, preferably 3.0 or less, and more preferably 2.7 or less. In the present invention, the lower limit of the NS factor value is not particularly limited, but considering the driving of an actual lithium-sulfur secondary battery, the NS factor value may be 0.1 or more. When the NS factor value is adjusted within the above range, the performance improvement effect of the lithium-sulfur secondary battery may be more excellent.

본 발명에서 제2용매는 불소화된 에테르계 용매이다. 기존에는 전해액의 점도를 조절하기 위하여, 희석제(diluent)로 디메톡시에탄(dimethoxyethane), 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate) 등의 용매가 사용되었는데, 이와 같은 용매를 희석제로 사용하는 경우, 본 발명과 같은 고로딩, 저기공도의 양극을 포함하는 전지를 구동할 수가 없다. 따라서, 본 발명에서 제2용매는 제1용매와 함께 본 발명에 따른 양극을 구동하기 위해 첨가된다. 상기 제2용매는 해당 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 불소화된 에테르계 용매이면, 그 종류는 특별히 한정되지 않으나, 1H,1H,2′H,3H-데카플루오로디프로필 에테르(1H,1H,2′H,3H-Decafluorodipropyl ether), 디플루오로메틸 2,2,2-트리플루오로에틸 에테르(Difluoromethyl 2,2,2-trifluoroethyl ether), 1,2,2,2-테트라플루오로에틸 트리플루오로메틸 에테르(1,2,2,2-Tetrafluoroethyl trifluoromethyl ether), 1,1,2,3,3,3-헥사플루오로프로필 디플루오로메틸 에테르(1,1,2,3,3,3-Hexafluoropropyl difluoromethyl ether), 펜타플루오로에틸 2,2,2-트리플루오로에틸 에테르(Pentafluoroethyl 2,2,2-trifluoroethyl ether) 및 1H,1H,2′H-퍼플루오로디프로필 에테르(1H,1H,2′H-Perfluorodipropyl ether)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. The second solvent in the present invention is a fluorinated ether-based solvent. Conventionally, in order to control the viscosity of the electrolyte solution, a solvent such as dimethoxyethane or dimethylcarbonate was used as a diluent, and when such a solvent is used as a diluent, high loading as in the present invention , It is not possible to drive a battery containing an anode having a low porosity. Therefore, in the present invention, a second solvent is added together with the first solvent to drive the positive electrode according to the present invention. If the second solvent is a fluorinated ether-based solvent generally used in the art, the type is not particularly limited, but 1H,1H,2'H,3H-decafluorodipropyl ether (1H,1H,2' H,3H-Decafluorodipropyl ether), Difluoromethyl 2,2,2-trifluoroethyl ether, 1,2,2,2-tetrafluoroethyl trifluoro Methyl ether (1,2,2,2-Tetrafluoroethyl trifluoromethyl ether), 1,1,2,3,3,3-hexafluoropropyl difluoromethyl ether (1,1,2,3,3,3- Hexafluoropropyl difluoromethyl ether), pentafluoroethyl 2,2,2-trifluoroethyl ether and 1H,1H,2′H-perfluorodipropyl ether (1H,1H, 2′H-Perfluorodipropyl ether).

상기 제2용매는 전해액을 구성하는 용매 전체 중량을 기준으로 50 내지 99 중량%, 바람직하게는 60 내지 95 중량%, 보다 바람직하게는 70 내지 90 중량%로 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 용매가 상술한 중량% 범위 내에서 제2용매를 포함하는 경우, 제1용매와 마찬가지로 기공도가 낮고, 양극 활물질인 황의 로딩양이 높은 양극과 함께 사용했을 때에도 전지의 성능 개선 효과를 가질 수 있다. 상기 제1용매와 제2용매를 혼합시, 전지의 성능 개선 효과를 고려하여 제2용매는 제1용매와 동일하거나 그 이상의 양이 전해액에 포함될 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 용매는 제1용매 및 제2용매를 1:1 내지 1:9, 바람직하게는 3:7 내지 1:9 중량비(제1용매:제2용매)로 포함할 수 있다.The second solvent may include 50 to 99% by weight, preferably 60 to 95% by weight, more preferably 70 to 90% by weight based on the total weight of the solvent constituting the electrolyte solution. When the solvent according to the present invention includes a second solvent within the above-mentioned weight percent range, the performance of the battery is improved even when used with a positive electrode having a low porosity and a positive loading amount of sulfur as a positive electrode active material, as in the first solvent. Can have When mixing the first solvent and the second solvent, considering the effect of improving the performance of the battery, the second solvent may be included in the electrolyte in an amount equal to or greater than the first solvent. According to the present invention, the solvent may include the first solvent and the second solvent in a weight ratio of 1:1 to 1:9, preferably 3:7 to 1:9 (first solvent:second solvent).

본 발명의 리튬-황 전지용 비수계 전해액은 첨가제로서 질산 또는 아질산계 화합물을 더 포함할 수 있다. 상기 질산 또는 아질산계 화합물은 리튬 전극에 안정적인 피막을 형성하고 충방전 효율을 향상시키는 효과가 있다. 이러한 질산 또는 아질산계 화합물로는 본 발명에서 특별히 한정하지는 않으나, 질산리튬(LiNO3), 질산칼륨(KNO3), 질산세슘(CsNO3), 질산바륨(Ba(NO3)2), 질산암모늄(NH4NO3), 아질산리튬(LiNO2), 아질산칼륨(KNO2), 아질산세슘(CsNO2), 아질산암모늄(NH4NO2) 등의 무기계 질산 또는 아질산 화합물; 메틸 니트레이트, 디알킬 이미다졸륨 니트레이트, 구아니딘 니트레이트, 이미다졸륨 니트레이트, 피리디늄 니트레이트, 에틸 니트라이트, 프로필 니트라이트, 부틸 니트라이트, 펜틸 니트라이트, 옥틸 니트라이트 등의 유기계 질산 또는 아질산 화합물; 니트로메탄, 니트로프로판, 니트로부탄, 니트로벤젠, 디니트로벤젠, 니트로 피리딘, 디니트로피리딘, 니트로톨루엔, 디니트로톨루엔 등의 유기 니트로 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하며, 바람직하게는 질산리튬을 사용한다.The non-aqueous electrolyte solution for a lithium-sulfur battery of the present invention may further include a nitric acid or nitrous acid compound as an additive. The nitric acid or nitrite-based compound has an effect of forming a stable film on the lithium electrode and improving charging and discharging efficiency. The nitric acid or nitrite-based compound is not particularly limited in the present invention, but lithium nitrate (LiNO 3 ), potassium nitrate (KNO 3 ), cesium nitrate (CsNO 3 ), barium nitrate (Ba(NO 3 ) 2 ), ammonium nitrate Inorganic nitric acid or nitrite compounds such as (NH 4 NO 3 ), lithium nitrite (LiNO 2 ), potassium nitrite (KNO 2 ), cesium nitrite (CsNO 2 ), and ammonium nitrite (NH 4 NO 2 ); Organic nitric acid such as methyl nitrate, dialkyl imidazolium nitrate, guanidine nitrate, imidazolium nitrate, pyridinium nitrate, ethyl nitrite, propyl nitrite, butyl nitrite, pentyl nitrite, octyl nitrite Or nitrite compounds; One type selected from the group consisting of organic nitro compounds such as nitromethane, nitropropane, nitrobutane, nitrobenzene, dinitrobenzene, nitropyridine, dinitropyridine, nitrotoluene, and dinitrotoluene, and combinations thereof. Uses lithium nitrate.

또한, 상기 전해액은 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제의 예시로는 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산트리 아마이드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시에탄올, 삼염화 알루미늄, 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 프로펜 설톤(PRS), 비닐렌 카보네이트(VC) 등을 들 수 있다.In addition, the electrolyte may further include other additives for the purpose of improving charge/discharge characteristics, flame retardancy, and the like. Examples of the additives include pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexatriphosphate amide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, and N-substituted oxazoli Dinon, N,N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxyethanol, aluminum trichloride, fluoroethylene carbonate (FEC), propene sulfone (PRS), vinylene carbonate ( VC) and the like.

본 발명에 따른 리튬-황 이차전지는 하기 수학식 4로 표시되는 ED factor 값에 의해 구분된다.The lithium-sulfur secondary battery according to the present invention is classified by the ED factor value represented by the following Equation 4.

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00008
Figure pat00008

(상기 수학식 4에 있어서,(In Equation 4 above,

V는 Li/Li+에 대한 방전 공칭 전압(V)이고,V is the discharge nominal voltage (V) for Li/Li + ,

SC factor는 상기 수학식 1에 의해 정의된 값과 동일하며,SC factor is the same as the value defined by Equation 1 above,

C는 0.1C rate로 방전 시 방전 용량(mAh/g)이고,C is the discharge capacity (mAh/g) when discharging at 0.1C rate,

D는 전해액의 밀도(g/㎤)이다.).D is the density of the electrolyte (g/cm 3 ).)

상기 ED factor는 그 값이 높을수록 실제 리튬-황 이차전지에서 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 ED factor 값은 850 이상, 바람직하게는 870 이상, 더욱 바람직하게는 891 이상 일 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 ED factor 값의 상한은 특별하게 제한되지 않지만, 실제 리튬-황 이차전지의 구동을 고려해 볼 때, 상기 ED factor 값은 10,000 이하일 수 있다. 상기 ED factor 값의 범위는 본 발명에 따른 리튬-황 이차전지가 기존의 리튬-황 이차전지보다 더 향상된 에너지 밀도를 구현할 수 있음을 의미한다.The higher the ED factor, the higher the energy density in a real lithium-sulfur secondary battery. According to the present invention, the ED factor value may be 850 or more, preferably 870 or more, and more preferably 891 or more. In the present invention, the upper limit of the ED factor value is not particularly limited, but considering the driving of the actual lithium-sulfur secondary battery, the ED factor value may be 10,000 or less. The range of the ED factor value means that the lithium-sulfur secondary battery according to the present invention can realize an improved energy density than the existing lithium-sulfur secondary battery.

본 발명의 리튬-황 이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막을 배치하여 전극 조립체를 형성하고, 상기 전극 조립체는 원통형 전지 케이스 또는 각형 전지 케이스에 넣은 다음 전해질을 주입하여 제조할 수 있다. 또는, 상기 전극 조립체를 적층한 후, 이를 전해질에 함침시키고 얻어진 결과물을 전지 케이스에 넣어 밀봉하여 제조할 수도 있다.The lithium-sulfur secondary battery of the present invention may be manufactured by placing a separator between an anode and a cathode to form an electrode assembly, and the electrode assembly is placed in a cylindrical battery case or a square battery case and then injected with electrolyte. Alternatively, after laminating the electrode assembly, it may be manufactured by impregnating it in an electrolyte and sealing the obtained result in a battery case.

또한, 본 발명은 상기 리튬-황 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공한다.In addition, the present invention provides a battery module including the lithium-sulfur secondary battery as a unit cell.

상기 전지모듈은 고온 안정성, 긴 사이클 특성 및 높은 용량 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다.The battery module can be used as a power source for medium and large devices that require high temperature stability, long cycle characteristics, and high capacity characteristics.

상기 중대형 디바이스의 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(electric vehicle; EV), 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle; HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(plug-in hybrid electric vehicle; PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the medium-to-large-sized device include a power tool that moves under power by an all-electric motor; Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), and the like; Electric two-wheeled vehicles including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (E-scooters); Electric golf carts; A power storage system, and the like, but is not limited thereto.

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 no wonder that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.

실시예 및 비교예Examples and comparative examples

[실시예 1][Example 1]

탄소 나노튜브와 황(S8)을 3:1의 중량비로 고르게 혼합하고 몰탈 혼합(mortar mixing)으로 분쇄한 후, 155 ℃의 오븐에 30 분 동안 두어 황-탄소 복합체를 제조하였다.Carbon nanotubes and sulfur (S 8 ) were evenly mixed in a weight ratio of 3:1, crushed by mortar mixing, and placed in an oven at 155° C. for 30 minutes to prepare a sulfur-carbon composite.

상기에서 제조된 황-탄소 복합체, 도전재 및 바인더를 혼합하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이때 도전재로는 비표면적이 150 ㎡/g 이상인 탄소 나노튜브와 그래핀을 9:1의 중량비로 혼합한 형태의 도전재를 사용하였으며, 혼합 비율은 중량비로 황-탄소 복합체:도전재:바인더가 90:5:5가 되도록 하였다.A cathode active material slurry was prepared by mixing the sulfur-carbon composite, conductive material, and binder prepared above. At this time, as the conductive material, a conductive material in the form of a mixture of carbon nanotubes and graphene having a specific surface area of 150 m 2 /g or more in a weight ratio of 9:1 was used, and the mixing ratio was sulfur-carbon composite: conductive material: binder in a weight ratio. Was set to 90:5:5.

이렇게 제조된 양극 활물질 슬러리를 20 ㎛ 두께의 알루미늄 호일의 집전체에 도포한 후 건조하여 양극을 제조하였다(양극의 에너지 밀도: 5.45 mAh/㎠). 제조된 양극에서 전극 무게와 전극 두께(TESA사 TESA-μHITE 장비 이용)를 측정하여 계산된 양극 활물질층의 공극률은 68 %이었고, 양극 활물질층의 단위 면적당 황의 질량은 4.54 ㎎/㎠이었다. 이를 기초로 계산된 SC factor 값은 0.668이었다.The positive electrode active material slurry thus prepared was coated on a current collector of 20 μm thick aluminum foil and dried to prepare a positive electrode (energy density of the positive electrode: 5.45 mAh/cm 2 ). The porosity of the positive electrode active material layer calculated by measuring the electrode weight and electrode thickness (using TESA-μHITE equipment manufactured by TESA) in the prepared positive electrode was 68%, and the mass of sulfur per unit area of the positive electrode active material layer was 4.54 mg/cm 2. The SC factor value calculated based on this was 0.668.

상술한 방법으로 제조한 양극과 음극을 대면하도록 위치시킨 후 이들 사이에 분리막을 개재하여 전극 조립체를 제조하였다. 이때 음극으로 60 ㎛ 두께의 리튬 호일을, 분리막으로 두께 20 ㎛, 기공도 45 %의 폴리에틸렌을 사용하였다.After the positive electrode and the negative electrode prepared by the above-described method were placed to face each other, an electrode assembly was manufactured by interposing a separator therebetween. At this time, a lithium foil having a thickness of 60 μm was used as a negative electrode, and a polyethylene having a thickness of 20 μm and a porosity of 45% was used as a separator.

이어서, 상기 전극 조립체를 케이스 내부에 위치시킨 후 전해액을 주입하여 리튬-황 이차전지를 제조하였다. 이때 상기 전해액은, 유기 용매에 3M 농도의 리튬 비스(트리플루오르메틸 설포닐)이미드(LiTFSI)를 용해시켜 제조하였고, 여기서 상기 유기 용매는 프로피오니트릴(제1용매)과 1H,1H,2′H,3H-데카플루오로디프로필 에테르(제2용매)를 3:7 중량비로 혼합한 용매를 사용하였다. 상기 제1용매에서 단위 부피당 쌍극자 모멘트는 97.1D·mol/L 이었고, BROOKFIELD AMETEK사 LVDV2T-CP점도계를 이용하여 측정한 용매의 점도(25℃)는 0.38 cP이었다. 이를 기초로 계산된 DV2 factor 값은 0.39이었다. 제조된 전지의 충방전은 45 ℃에서 진행하였다.Subsequently, after placing the electrode assembly inside the case, an electrolyte was injected to prepare a lithium-sulfur secondary battery. At this time, the electrolyte was prepared by dissolving 3M concentration of lithium bis(trifluoromethyl sulfonyl)imide (LiTFSI) in an organic solvent, wherein the organic solvent was propionitrile (first solvent) and 1H,1H,2 A solvent in which'H,3H-decafluorodipropyl ether (second solvent) was mixed in a 3:7 weight ratio was used. In the first solvent, the dipole moment per unit volume was 97.1 D·mol/L, and the viscosity (25° C.) of the solvent measured using a BROOKFIELD AMETEK LVDV2T-CP viscometer was 0.38 cP. The DV 2 factor value calculated based on this was 0.39. Charging and discharging of the produced battery was performed at 45°C.

[비교예 1][Comparative Example 1]

양극의 제조 조건을 변경하여, 도전재로 기상성장 탄소섬유(VGCF)를 사용하였고, 양극의 에너지 밀도가 5.67 mAh/㎠, 양극 활물질층의 공극률은 68 %, 양극 활물질층의 단위 면적당 황의 질량은 4.73 ㎎/㎠이며, 이를 기초로 계산된 SC factor 값이 0.700인 양극을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 이차전지를 제조하였다.By changing the manufacturing conditions of the positive electrode, vapor-grown carbon fibers (VGCF) were used as the conductive material, the energy density of the positive electrode was 5.67 mAh/cm 2, the porosity of the positive electrode active material layer was 68%, and the mass of sulfur per unit area of the positive electrode active material layer was A lithium-sulfur secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that a positive electrode having an SC factor value of 0.700 was calculated based on this value of 4.73 mg/cm 2.

실시예 및 비교예의 조건을 정리하여 하기 표 1에 나타내었다.The conditions of Examples and Comparative Examples are summarized in Table 1 below.

전해액 조성Electrolyte composition SC factorSC factor DV2 factorDV 2 factor NS factorNS factor ED factorED factor 실시예 1Example 1 제1전해액 조성1) Composition of the first electrolyte 1) 0.6680.668 0.390.39 0.580.58 11881188 비교예 1Comparative Example 1 0.7000.700 0.390.39 0.560.56 10721072 1)제1전해액 조성 = Propionitrile:1H,1H,2'H,3H-Decafluorodipropyl ether(3:7, w/w) solvent, 3.0M LiTFSI 1) First electrolyte composition = Propionitrile: 1H,1H,2'H,3H-Decafluorodipropyl ether(3:7, w/w) solvent, 3.0M LiTFSI

실험예 1. 주사 전자 현미경 분석Experimental Example 1. Scanning electron microscope analysis

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 양극의 표면 형상을 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용하여 관찰하였다. 이때 얻어진 결과를 하기 도 1 및 도 2에 나타내었다.The surface shape of the anode prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was observed using a scanning electron microscope (SEM). The results obtained at this time are shown in FIGS. 1 and 2 below.

도 1 및 도 2을 참조하면, 비교예 1의 양극은 실시예 1의 양극과 비교하여 도전재에 의한 도전 구조 형성이 치밀하게 되어 있지 않음을 확인할 수 있다.1 and 2, it can be confirmed that the positive electrode of Comparative Example 1 is not densely formed in a conductive structure by a conductive material compared to the positive electrode of Example 1.

실험예 2. 전지 성능 평가Experimental Example 2. Battery performance evaluation

실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전지를 충방전 측정 장치를 이용하여 1.0에서 3.6 V까지의 용량을 측정했다. 또한, 0.1C, 0.2C rate CC로 순차적으로 방전하는 사이클을 수행하여 방전 용량을 측정했다(CC: Constant Current). 이때 얻어진 결과는 도 3 내지 도 6에 나타내었다.The batteries prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were measured for capacity from 1.0 to 3.6 V using a charge/discharge measuring device. In addition, the discharge capacity was measured by performing a cycle of sequentially discharging at 0.1C and 0.2C rate CC (CC: Constant Current). The results obtained at this time are shown in FIGS. 3 to 6.

도 3 내지 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 양극을 포함하는 전지의 용량 특성이 비교예에 비해 우수함을 확인할 수 있다.3 to 6, it can be confirmed that the capacity characteristics of the battery including the positive electrode according to the present invention are superior to the comparative example.

도 3 및 도 5를 참조하면, 실시예 1에 따른 전지의 방전 용량과 비교하여 기존 도전재를 사용한 비교예 1의 경우 현저히 낮은 용량을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 3 and 5, it can be seen that Comparative Example 1 using an existing conductive material exhibits a significantly lower capacity compared to the discharge capacity of the battery according to Example 1.

또한, 도 4 및 도 6을 통해 실시예 1의 양극을 포함하는 전지의 방전 용량은 사이클 내내 비교예 1에 비해 높으므로 방전 용량 유지율이 우수함을 확인할 수 있다. 상기 결과로부터 본 발명의 리튬-황 이차전지가 기존의 리튬-황 이차전지에서는 구현할 수 없었던 보다 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen through FIG. 4 and FIG. 6 that the discharge capacity of the battery including the positive electrode of Example 1 is higher than that of Comparative Example 1 throughout the cycle, and thus the discharge capacity retention rate is excellent. From the above results, it can be confirmed that the lithium-sulfur secondary battery of the present invention can realize a higher energy density that could not be realized in the existing lithium-sulfur secondary battery.

Claims (14)

양극, 음극, 분리막 및 전해액을 포함하는 리튬-황 이차전지로서,
상기 양극은 고비표면적 탄소재를 포함하는 도전재를 포함하며,
상기 양극은 하기 수학식 1로 표시되는 SC factor 값이 0.45 이상인 리튬-황 이차전지:
[수학식 1]
Figure pat00009

(상기 수학식 1에 있어서,
P는 양극 내 양극 활물질층의 공극률(%)이고,
L은 양극 내 양극 활물질층의 단위 면적당 황의 질량(㎎/㎠)이며,
α는 10(상수)이다.).
A lithium-sulfur secondary battery comprising an anode, a cathode, a separator and an electrolyte,
The positive electrode includes a conductive material including a high specific surface area carbon material,
The positive electrode is a lithium-sulfur secondary battery having an SC factor value of 0.45 or more represented by Equation 1 below:
[Equation 1]
Figure pat00009

(In Equation 1 above,
P is the porosity (%) of the positive electrode active material layer in the positive electrode,
L is the mass of sulfur per unit area of the positive electrode active material layer in the positive electrode (mg/cm 2 ),
α is 10 (constant).
제1항에 있어서,
상기 고비표면적 탄소재는 비표면적이 100 내지 500 ㎡/g인 것인, 리튬-황 이차전지.
According to claim 1,
The high specific surface area carbon material has a specific surface area of 100 to 500 m 2 /g, a lithium-sulfur secondary battery.
제2항에 있어서,
상기 고비표면적 탄소재는 탄소 나노튜브, 그래핀, 카본 블랙 및 탄소섬유로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 리튬-황 전지.
According to claim 2,
The high specific surface area carbon material includes at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes, graphene, carbon black, and carbon fibers, a lithium-sulfur battery.
제3항에 있어서,
상기 고비표면적 탄소재는 탄소 나노튜브 및 그래핀을 0:10 내지 10:0의 중량비로 혼합한 것인, 리튬-황 전지.
According to claim 3,
The high specific surface area carbon material is a mixture of carbon nanotubes and graphene in a weight ratio of 0:10 to 10:0, lithium-sulfur battery.
제1항에 있어서,
상기 고비표면적 탄소재는 양극 활물질 슬러리 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 30 중량%로 포함되는, 리튬-황 전지.
According to claim 1,
The high specific surface area carbon material is contained in 0.01 to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode active material slurry, lithium-sulfur battery.
제1항에 있어서,
상기 전해액은 용매 및 리튬염을 포함하며,
상기 용매는 하기 수학식 2로 표시되는 DV2 factor 값이 1.75 이하인 제1용매 및 불소화된 에테르계 용매인 제2용매를 포함하는, 리튬-황 이차전지:
[수학식 2]
Figure pat00010

(상기 수학식 2에 있어서,
DV는 단위 부피당 쌍극자 모멘트(D·㏖/L)이고,
μ는 용매의 점도(cP, 25℃)이며,
γ는 100(상수)이다.).
According to claim 1,
The electrolyte solution includes a solvent and a lithium salt,
The solvent is a lithium-sulfur secondary battery comprising a first solvent having a DV 2 factor value of 1.75 or less and a second solvent being a fluorinated ether-based solvent represented by Equation 2 below:
[Equation 2]
Figure pat00010

(In Equation 2 above,
DV is the dipole moment per unit volume (D·mol/L),
μ is the viscosity of the solvent (cP, 25℃),
γ is 100 (constant).
제6항에 있어서,
상기 제1용매는 DV2 factor 값이 1.5 이하인 것인, 리튬-황 이차전지.
The method of claim 6,
The first solvent has a DV 2 factor value of 1.5 or less, lithium-sulfur secondary battery.
제6항에 있어서,
상기 리튬-황 이차전지는 하기 수학식 3으로 표시되는 NS factor 값이 3.5 이하인 것인, 리튬-황 이차전지:
[수학식 3]
Figure pat00011

(상기 수학식 3에 있어서,
SC factor는 상기 수학식 1에 의해 정의된 값과 동일하고,
DV2 factor는 상기 수학식 2에 의해 정의된 값과 동일하다.).
The method of claim 6,
The lithium-sulfur secondary battery, the NS factor value represented by Equation 3 below is 3.5 or less, lithium-sulfur secondary battery:
[Equation 3]
Figure pat00011

(In Equation 3 above,
SC factor is the same as the value defined by Equation 1 above,
The DV 2 factor is the same as the value defined by Equation 2 above.).
제1항에 있어서,
상기 리튬-황 이차전지는 하기 수학식 4로 표시되는 ED factor 값이 850 이상인 것인, 리튬-황 이차전지:
[수학식 4]
Figure pat00012

(상기 수학식 4에 있어서,
V는 Li/Li+에 대한 방전 공칭 전압(V)이고,
SC factor는 상기 수학식 1에 의해 정의된 값과 동일하며,
C는 0.1C rate로 방전 시 방전 용량(mAh/g)이고,
D는 전해액의 밀도(g/㎤)이다.).
According to claim 1,
The lithium-sulfur secondary battery is a lithium-sulfur secondary battery having an ED factor value of 850 or more represented by Equation 4 below:
[Equation 4]
Figure pat00012

(In Equation 4 above,
V is the discharge nominal voltage (V) for Li/Li + ,
SC factor is the same as the value defined by Equation 1 above,
C is the discharge capacity (mAh/g) when discharging at 0.1C rate,
D is the density of the electrolyte (g/cm 3 ).)
제6항에 있어서,
상기 제1용매는 프로피오니트릴, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아미드, 감마-부티로락톤, 트리에틸아민 및 1-아이오도프로판으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 리튬-황 이차전지.
The method of claim 6,
The first solvent is a lithium-sulfur secondary battery comprising at least one member selected from the group consisting of propionitrile, dimethylacetamide, dimethylformamide, gamma-butyrolactone, triethylamine and 1-iodopropane. .
제6항에 있어서,
상기 제2용매는 1H,1H,2′H,3H-데카플루오로디프로필 에테르, 디플루오로메틸 2,2,2-트리플루오로에틸 에테르, 1,2,2,2-테트라플루오로에틸 트리플루오로메틸 에테르, 1,1,2,3,3,3-헥사플루오로프로필 디플루오로메틸 에테르, 펜타플루오로에틸 2,2,2-트리플루오로에틸 에테르 및 1H,1H,2′H-퍼플루오로디프로필 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 리튬-황 이차전지.
The method of claim 6,
The second solvent is 1H,1H,2'H,3H-decafluorodipropyl ether, difluoromethyl 2,2,2-trifluoroethyl ether, 1,2,2,2-tetrafluoroethyl tri Fluoromethyl ether, 1,1,2,3,3,3-hexafluoropropyl difluoromethyl ether, pentafluoroethyl 2,2,2-trifluoroethyl ether and 1H,1H,2′H -A lithium-sulfur secondary battery comprising at least one member selected from the group consisting of perfluorodipropyl ether.
제6항에 있어서,
상기 용매는 상기 용매 전체 중량을 기준으로 제1용매를 1 내지 50 중량%로 포함하는, 리튬-황 전지.
The method of claim 6,
The solvent includes a first solvent in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the solvent, lithium-sulfur battery.
제6항에 있어서,
상기 용매는 상기 용매 전체 중량을 기준으로 제2용매를 50 내지 99 중량%로 포함하는, 리튬-황 전지.
The method of claim 6,
The solvent comprises a second solvent in an amount of 50 to 99% by weight based on the total weight of the solvent, lithium-sulfur battery.
제6항에 있어서,
상기 용매는 제1용매와 제2용매를 3:7 내지 1:9의 중량비로 포함하는, 리튬-황 전지.
The method of claim 6,
The solvent comprises a first solvent and a second solvent in a weight ratio of 3:7 to 1:9, lithium-sulfur battery.
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