KR20200076076A - Negative electrode comprising magnesium protective layer, method for manufacturing and lithium secondary battery comprising thereof - Google Patents

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KR20200076076A KR1020180164768A KR20180164768A KR20200076076A KR 20200076076 A KR20200076076 A KR 20200076076A KR 1020180164768 A KR1020180164768 A KR 1020180164768A KR 20180164768 A KR20180164768 A KR 20180164768A KR 20200076076 A KR20200076076 A KR 20200076076A
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Abstract

The present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary battery including a magnesium protective layer formed on at least one surface of a lithium metal layer, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery including the same.

Description

마그네슘 보호층을 포함하는 음극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지{NEGATIVE ELECTRODE COMPRISING MAGNESIUM PROTECTIVE LAYER, METHOD FOR MANUFACTURING AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THEREOF}A negative electrode comprising a magnesium protective layer, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery comprising the same

본 발명은 마그네슘 보호층을 포함하는 리튬 이차전지용 음극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary battery comprising a magnesium protective layer, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery comprising the same.

최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학 소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다.Recently, interest in energy storage technology has been increasing. Mobile phones, camcorders and notebook PCs, and furthermore, the field of application to the energy of electric vehicles is expanding, and efforts for research and development of electrochemical devices are gradually becoming concrete.

전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받고 있는 분야이고 그 중에서도 충·방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 에너지 효율을 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구 개발로 진행되고 있다.Electrochemical devices are the areas that are receiving the most attention in this aspect, and among them, the development of secondary batteries that can be charged and discharged has become a focus of attention, and recently, in order to improve capacity density and energy efficiency in developing such batteries. Research and development on the design of new electrodes and batteries is in progress.

현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다.Among the currently applied secondary batteries, lithium secondary batteries developed in the early 1990s have the advantage of higher operating voltage and higher energy density than conventional batteries such as Ni-MH, Ni-Cd, and sulfuric acid-lead batteries using aqueous electrolyte solutions. Is in the limelight.

리튬 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체가 적층 또는 권취된 구조를 가지며, 이 전극 조립체가 전지케이스에 내장되고 그 내부에 비수 전해액이 주입됨으로써 구성된다. 상기 리튬 이차전지는 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입/탈리될 때의 산화, 환원 반응에 의해 전기 에너지를 생산한다.The lithium secondary battery has a structure in which an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode is stacked or wound, and this electrode assembly is built into a battery case and a non-aqueous electrolyte is injected therein. do. The lithium secondary battery produces electrical energy by oxidation and reduction reactions when lithium ions are inserted/detached from the positive electrode and the negative electrode.

통상 리튬 이차전지의 음극은 리튬 금속, 탄소 등이 활물질로 사용되며, 양극은 리튬 산화물, 전이금속 산화물, 금속 칼코겐 화합물, 전도성 고분자 등이 활물질로 사용된다. 이중 리튬 금속을 음극으로 사용한 리튬 이차전지는 대부분 구리 집전체 상에 리튬 호일을 부착하거나 리튬 금속 시트 자체를 전극으로 사용한다. 리튬 금속은 전위가 낮고 용량이 커서 고용량의 음극 소재로 큰 관심을 받고 있다.Usually, lithium metal, carbon, and the like are used as the negative electrode of a lithium secondary battery, and lithium oxide, a transition metal oxide, a metal chalcogen compound, and a conductive polymer are used as the active material. Lithium secondary batteries using lithium metal as a negative electrode mostly attach lithium foil to a copper current collector or use the lithium metal sheet itself as an electrode. Lithium metal has received great attention as a high-capacity negative electrode material because of its low potential and large capacity.

리튬 금속을 음극으로 사용할 경우 전지 구동시 여러 가지 요인으로 인하여 리튬 금속 표면에 전자 밀도 불균일화가 일어날 수 있다. 이에 전극 표면에 나뭇가지 형태의 리튬 덴드라이트가 생성되어 전극 표면에 돌기가 형성 또는 성장하여 전극 표면이 매우 거칠어진다. 이러한 리튬 덴드라이트는 전지의 성능 저하와 함께 심각한 경우 분리막의 손상 및 전지의 단락(short circuit)을 유발한다. 그 결과, 전지 내 온도가 상승하여 전지의 폭발 및 화재의 위험성이 있다.When lithium metal is used as the negative electrode, electron density non-uniformity may occur on the surface of the lithium metal due to various factors when driving the battery. Accordingly, a lithium dendrite in the form of a tree branch is formed on the surface of the electrode, and a protrusion is formed or grown on the surface of the electrode, resulting in a very rough electrode surface. Such lithium dendrites cause damage to the separator and short circuit of the battery in severe cases along with deterioration of the performance of the battery. As a result, the temperature in the battery rises, and there is a risk of battery explosion and fire.

이를 해결하기 위해 현재 리튬 금속층에 폴리머 보호층 또는 무기 고체 보호층을 도입하거나, 전해액의 염의 농도를 높이거나 적절한 첨가제를 적용하는 연구가 진행되었다. 하지만 이러한 연구들의 리튬 덴드라이트 억제 효과는 미미한 실정이다. 따라서 리튬 금속 음극의 보호물질을 적용하여 문제를 해결하는 것이 효과적인 대안이 될 수 있다.In order to solve this, studies have been conducted to introduce a polymer protective layer or an inorganic solid protective layer to the lithium metal layer, to increase the salt concentration of the electrolyte, or to apply an appropriate additive. However, the effect of suppressing lithium dendrites in these studies is insignificant. Therefore, it may be an effective alternative to solve the problem by applying a protective material of the lithium metal anode.

KR 2018-0053481KR 2018-0053481

상술한 바와 같이, 리튬 이차전지의 리튬 덴드라이트는 음극 표면에서 석출되고, 이로 인해 셀의 부피 팽창을 초래하기도 한다. 이에 본 발명자는 다각적으로 연구를 수행한 결과, 리튬 금속층에 마그네슘 보호층을 적용함으로써 리튬 덴드라이트로 인한 문제를 해결할 수 있음을 알아내어 본 발명을 완성하였다.As described above, lithium dendrites of lithium secondary batteries are precipitated on the surface of the negative electrode, thereby causing the cell to expand in volume. As a result, the present inventor has conducted various studies and found out that the problem caused by lithium dendrites can be solved by applying a magnesium protective layer to the lithium metal layer, thereby completing the present invention.

따라서, 본 발명은 마그네슘 보호층을 포함하는 리튬 이차전지용 음극을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a negative electrode for a lithium secondary battery comprising a magnesium protective layer.

또한, 본 발명은 상기 음극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a lithium secondary battery including the negative electrode.

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

본 발명은 리튬 금속층; 및The present invention is a lithium metal layer; And

상기 리튬 금속층의 적어도 일면에 형성되는 마그네슘 보호층을 포함하는 리튬 이차전지용 음극을 제공한다.It provides a negative electrode for a lithium secondary battery including a magnesium protective layer formed on at least one surface of the lithium metal layer.

또한, 본 발명은 리튬 금속층의 적어도 일면에 마그네슘 보호층을 형성시키는 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 음극 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a negative electrode manufacturing method for a lithium secondary battery comprising the step of forming a magnesium protective layer on at least one side of the lithium metal layer.

또한, 본 발명은 양극; 상기 본 발명의 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해액을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.In addition, the present invention is an anode; The negative electrode of the present invention; And a separator interposed between the anode and the cathode. And it provides a lithium secondary battery comprising an electrolyte.

본 발명의 리튬 이차전지용 음극은 리튬 덴드라이트의 성장을 억제할 수 있어 균일한 형상의 음극 표면을 얻을 수 있다. 따라서, 리튬 덴드라이트의 불균일한 성장으로 야기되는 전극 부피 증가 및 음극 기공도 증가로 인한 전해액 부족 현상을 방지할 수 있으며, 전지의 단락(short) 발생을 방지할 수 있어 안정성 및 수명 특성이 향상된 전지를 제공할 수 있다.The negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention can suppress the growth of lithium dendrites, thereby obtaining a negative electrode surface having a uniform shape. Therefore, it is possible to prevent an electrolyte shortage due to an increase in electrode volume and an increase in cathode porosity caused by uneven growth of lithium dendrites, and to prevent short circuits of the battery, thereby improving stability and lifespan characteristics. Can provide.

도 1은 실시예 1에서 제조한 리튬 이차전지용 음극의 표면을 형상 측정 레이져 마이크로스코프(KEYENCE)로 촬영한 이미지이다.
도 2는 실시예 1의 리튬-황 전지의 초기 방전 후 음극의 표면을 관찰한 사진이다.
도 3은 비교예 의 리튬-황 전지의 초기 방전 후 음극의 표면을 관찰한 사진이다.
도 4는 실시예 1의 리튬-황 전지의 초기 방전 후 음극의 표면을 형상 측정 레이져 마이크로스코프(KEYENCE)로 촬영한 이미지이다.
도 5는 비교예 1의 리튬-황 전지의 초기 방전 후 음극의 표면을 형상 측정 레이져 마이크로스코프(KEYENCE)로 촬영한 이미지이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1의 리튬-황 전지의 초기 방전 용량 그래프이다.
도 7은 실시예 2 및 비교예 2의 리튬-황 전지의 초기 방전 용량 그래프이다.
도 8은 실시예 3 및 비교예 2의 리튬-황 전지의 초기 방전 용량 그래프이다.
도 9는 비교예 2 내지 5의 리튬-황 전지의 초기 방전 용량 그래프이다.
도 10은 실시예 1 및 비교예 1의 리튬-황 전지의 수명 특성 그래프이다.
도 11은 실시예 2 및 비교예 2의 리튬-황 전지의 수명 특성 그래프이다.
도 12는 실시예 3 및 비교예 2의 리튬-황 전지의 수명 특성 그래프이다.
도 13은 비교예 2 내지 5의 리튬-황 전지의 수명 특성 그래프이다.
1 is an image taken with a shape measurement laser microscope (KEYENCE) on the surface of the negative electrode for a lithium secondary battery prepared in Example 1.
2 is a photograph observing the surface of the negative electrode after the initial discharge of the lithium-sulfur battery of Example 1.
3 is a photograph observing the surface of the negative electrode after the initial discharge of the lithium-sulfur battery of Comparative Example.
FIG. 4 is an image taken by a shape measurement laser microscope (KEYENCE) on the surface of the negative electrode after the initial discharge of the lithium-sulfur battery of Example 1.
5 is an image taken by a shape measurement laser microscope (KEYENCE) on the surface of the negative electrode after the initial discharge of the lithium-sulfur battery of Comparative Example 1.
6 is an initial discharge capacity graph of the lithium-sulfur batteries of Example 1 and Comparative Example 1.
7 is an initial discharge capacity graph of the lithium-sulfur batteries of Example 2 and Comparative Example 2.
8 is an initial discharge capacity graph of the lithium-sulfur batteries of Example 3 and Comparative Example 2.
9 is a graph of initial discharge capacity of the lithium-sulfur batteries of Comparative Examples 2 to 5.
10 is a graph of the life characteristics of the lithium-sulfur batteries of Example 1 and Comparative Example 1.
11 is a graph of the life characteristics of the lithium-sulfur batteries of Example 2 and Comparative Example 2.
12 is a graph of the life characteristics of the lithium-sulfur batteries of Example 3 and Comparative Example 2.
13 is a graph of the life characteristics of the lithium-sulfur batteries of Comparative Examples 2 to 5.

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

리튬 이차전지의 조기 퇴화의 주요 원인으로는 리튬 음극의 효율 저하를 들 수 있다. 음극으로 리튬 금속을 사용하는 경우, 불균일한 표면 산화막(native oxide layer)으로 인하여 반응이 불균일할 뿐만 아니라, 충전(Li plating)시 리튬 덴드라이트가 성장하여 데드 리튬(dead Li)이 쉽게 발생하고, 반응에 참여할 수 있는 리튬이 소모되어 리튬 음극의 효율이 저하된다. 또한, 상기 리튬 덴드라이트가 지속적으로 성장함에 따라 음극의 부피가 증가하고, 음극 기공도 증가로 인한 전해액이 부족한 현상이 발생하며, 상기 리튬 덴드라이트가 분리막을 뚫고 성장할 경우 전지의 단락(short)이 발생하는 문제가 있다.The main cause of the early deterioration of the lithium secondary battery is a decrease in efficiency of the lithium anode. When lithium metal is used as the negative electrode, not only the reaction is not uniform due to the non-uniform surface oxide layer, and lithium dendrites grow during charging (Li plating), so that dead lithium is easily generated, Lithium, which can participate in the reaction, is consumed and the efficiency of the lithium anode is reduced. In addition, as the lithium dendrite continues to grow, the volume of the negative electrode increases, a phenomenon in which an electrolyte is insufficient due to an increase in the negative electrode porosity occurs, and when the lithium dendrite grows through a separator, a short circuit of the battery may occur. There is a problem that arises.

따라서, 본 발명에서는 리튬 덴드라이트의 성장을 방지하여 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차전지용 음극을 제공하고자 하였다.Accordingly, the present invention was to provide a negative electrode for a lithium secondary battery that can prevent the growth of lithium dendrites and improve the life characteristics of the battery.

리튬 이차전지용 음극Cathode for lithium secondary battery

본 발명은 리튬 금속층; 및The present invention is a lithium metal layer; And

상기 리튬 금속층의 적어도 일면에 형성되는 마그네슘 보호층을 포함하는 리튬 이차전지용 음극에 관한 것이다.It relates to a negative electrode for a lithium secondary battery comprising a magnesium protective layer formed on at least one surface of the lithium metal layer.

상기 리튬 금속층은 리튬 금속 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 metal layer may be a lithium metal 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 리튬 금속층은 시트 또는 호일의 형태일 수 있으며, 경우에 따라 집전체 상에 리튬 금속 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 metal layer may be in the form of a sheet or foil, and in some cases, a lithium metal 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

이 때 리튬 금속층의 형성방법은 특별히 제한되지 않으며, 공지의 금속 박막 형성방법인 라미네이션법, 스퍼터링법 등이 이용될 수 있다. 또한, 집전체에 리튬 박막이 없는 상태로 전지를 조립한 후 초기 충전에 의해 금속판 상에 금속 리튬 박막이 형성되는 경우도 본 발명의 리튬 금속층에 포함된다.At this time, the method of forming the lithium metal layer is not particularly limited, and a known method of forming a metal thin film, a lamination method, a sputtering method, or the like can be used. In addition, the case where the metal lithium thin film is formed on the metal plate by initial charging after assembling the battery without the lithium thin film in the current collector is also included in the lithium metal layer of the present invention.

상기 리튬 금속층은 전극 제조에 용이하도록 전극 형태에 따라 폭이 조절될 수 있다. 리튬 금속층의 두께는 1 내지 500μm, 바람직하게는 10 내지 350μm, 더욱 구체적으로는 50 내지 200μm일 수 있다.The lithium metal layer may be adjusted in width according to the shape of the electrode to facilitate electrode manufacturing. The thickness of the lithium metal layer may be 1 to 500 μm, preferably 10 to 350 μm, and more specifically 50 to 200 μm.

또한, 상기 리튬 금속층은 마그네슘 보호층과 접하지 않은 일면에 집전체를 더욱 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 리튬 금속층은 음극일 수 있으며, 이때 집전체는 음극 집전체가 사용될 수 있다.In addition, the lithium metal layer may further include a current collector on one surface not in contact with the magnesium protective layer. Specifically, the lithium metal layer may be a negative electrode, and 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 a film/sheet, foil, net, porous body, foam, non-woven fabric with fine irregularities formed on the surface may be used.

또한, 상기 음극 집전체는 3 내지 500μm의 두께 범위인 것을 적용한다. 상기 음극 집전체의 두께가 3μm 미만이면 집전 효과가 떨어지며, 반면 두께가 500μm를 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 in that workability is deteriorated.

일반적으로 리튬 금속을 음극으로 이용하는 경우 다음과 같은 문제가 존재한다. In general, the following problems exist when lithium metal is used as a negative electrode.

첫째, 리튬을 음극으로 사용할 경우 전해질이나 물, 전지 내의 불순물, 리튬염 등과 반응하여 부동태층을 만들게 되고, 이 층은 국부적인 전류밀도 차이를 초래하여 수지상의 리튬 덴드라이트를 형성시킨다. 또한, 이렇게 형성된 리튬 덴드라이트는 성장하여 분리막의 공극 사이를 넘어 양극과 직접적인 내부 단락을 일으킬 수 있으므로 전지가 폭발하는 현상을 초래하게 된다. First, when lithium is used as a negative electrode, it reacts with electrolyte, water, impurities in the battery, and lithium salt to form a passivation layer, and this layer causes a local current density difference to form dendritic lithium dendrites. In addition, the lithium dendrites thus formed may grow and cause a direct internal short circuit between the anode and the pores of the separator, resulting in a battery explosion.

둘째, 리튬은 부드러운 금속이며 기계적 강도가 약해서 추가적인 표면 처리 없이 사용하기엔 취급성이 매우 떨어진다.Second, lithium is a soft metal and has poor mechanical strength, which makes handling very poor for use without additional surface treatment.

따라서, 본 발명에서는 리튬 금속층 표면에 마그네슘 보호층을 형성함으로써 기계적 강도를 보강할 수 있으며, 특히 리튬 덴드라이트 형성을 효과적으로 방지할 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 리튬 이차전지용 음극을 포함하는 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.Therefore, in the present invention, the mechanical strength can be reinforced by forming the magnesium protective layer on the surface of the lithium metal layer, and particularly, the formation of lithium dendrites can be effectively prevented. Accordingly, life characteristics of a battery including the negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention can be improved.

본 발명의 마그네슘 보호층은 전술한 리튬 금속층의 적어도 일면에 형성되는 것으로, 상기 리튬 금속층의 적어도 일면에 마그네슘 보호층이 형성됨으로써 리튬의 표면 확산 에너지 장벽(surface diffusion energy barrier)이 낮아져 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하여 균일한 표면을 가지는 음극을 얻을 수 있다.The magnesium protective layer of the present invention is formed on at least one surface of the lithium metal layer described above, and thus a magnesium protective layer is formed on at least one surface of the lithium metal layer, thereby lowering the surface diffusion energy barrier of lithium and reducing lithium dendrites. By suppressing growth, it is possible to obtain a cathode having a uniform surface.

또한, 상기 마그네슘 보호층은 아연, 니켈 및 망간 등의 보호층에 비하여 리튬 덴드라이트의 성장을 효율적으로 억제하여 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.In addition, the magnesium protective layer can effectively suppress the growth of lithium dendrites compared to protective layers such as zinc, nickel, and manganese, thereby improving the life characteristics of the battery.

상기 마그네슘 보호층은 리튬 금속층에 마그네슘 입자가 증착된 형태 또는 마그네슘 염이 리튬 표면과 합금을 이루는 형태일 수 있다.The magnesium protective layer may be a form in which magnesium particles are deposited on a lithium metal layer or a form in which a magnesium salt forms an alloy with a lithium surface.

상기 마그네슘 보호층은 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하여 형성된 것일 수 있다. 이 때 상기 마그네슘 합금은 마그네슘과 합금화가 가능한 원소를 포함하고, 구체적으로 마그네슘과 Si, Sn, C, Pt, Ir, Cu, Ti, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Sb, Pb, In, Ba, Ra, Ge 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상과의 합금일 수 있다.The magnesium protective layer may be formed of magnesium or a magnesium alloy. At this time, the magnesium alloy contains elements capable of alloying with magnesium, specifically magnesium and Si, Sn, C, Pt, Ir, 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, Ba, Ra, Ge and Al.

또한, 상기 마그네슘 보호층의 두께는 2nm 내지 5μm일 수 있으며, 바람직하게는 10nm 내지 1μm일 수 있다. 상기 마그네슘 보호층의 두께가 2nm 미만이면 보호층으로서의 기능을 수행할 수 없어 리튬 덴드라이트의 성장을 억제할 수 없으며, 5μm을 초과하면 계면 저항이 높아져 전지 특성이 저하될 수 있다.In addition, the thickness of the magnesium protective layer may be 2nm to 5μm, preferably 10nm to 1μm. If the thickness of the magnesium protective layer is less than 2 nm, it cannot function as a protective layer, and thus the growth of lithium dendrites cannot be suppressed. If it exceeds 5 μm, the interfacial resistance increases, and battery characteristics may deteriorate.

즉, 본 발명의 리튬 이차전지용 음극은 리튬 금속층의 적어도 일면에 형성된 마그네슘 보호층으로 인하여 리튬 덴드라이트의 형성을 억제할 수 있어 리튬 덴드라이트로 인한 문제점을 해결할 수 있으며, 이를 포함하는 리튬 이차전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.That is, the negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention can suppress the formation of lithium dendrites due to the magnesium protective layer formed on at least one surface of the lithium metal layer, thereby solving the problems caused by lithium dendrites, and The life characteristics can be improved.

리튬 이차전지용 음극 제조방법Method for manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery

또한, 본 발명은 리튬 금속층의 적어도 일면에 마그네슘 보호층을 형성시키는 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 음극 제조방법에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to a method of manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery comprising the step of forming a magnesium protective layer on at least one surface of the lithium metal layer.

상기 마그네슘 보호층을 형성하는 방법은 당 업계에서 통상적으로 사용되는 방법들이 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 기화 증착법(Evaporation), 화학 기상 증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition), 물리 기상 증착법(PVD: Physical Vapor Deposition), 원자층 증착법(ALD: Atomic Layer Deposition), 아크로 방전(acro discharge) 및 딥 코팅법(dip coating)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 방법으로 마그네슘 보호층을 형성할 수 있으며, 바람직하게는 물리 기상 증착법 및 딥 코팅법으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 방법으로 마그네슘 보호층을 형성할 수 있다.The method of forming the magnesium protective layer can be used without limitation the methods commonly used in the art. Specifically, for example, evaporation (Evaporation), chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD: Physical Vapor Deposition), atomic layer deposition (ALD: Atomic Layer Deposition), arc discharge (acro discharge) ) And dip coating (dip coating) may be formed of a magnesium protective layer by at least one method selected from the group consisting of, preferably by at least one method selected from the group consisting of physical vapor deposition and dip coating method A magnesium protective layer can be formed.

상기 물리 기상 증착법은 스퍼터링(sputtering) 방법일 수 있으며, 상기 스퍼터링 방법은 구체적으로 DC 스퍼터링(DC sputtering), RF 스퍼터링(RF sputtering), 이온빔 스퍼터링(Ion beam sputtering), 바이어스 스퍼터링(Bias sputtering) 및 마그네트론 스퍼터링(Magnetron Sputtering)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 스퍼터링 방법일 수 있다.The physical vapor deposition method may be a sputtering method, and the sputtering method may be specifically DC sputtering, RF sputtering, ion beam sputtering, bias sputtering, and magnetron. It may be one or more sputtering methods selected from the group consisting of sputtering (Magnetron Sputtering).

상기 스퍼터링 방법으로 마그네슘 보호층을 형성하게 되면, 리튬 금속층 상에 어떠한 변화도 야기하지 않으면서 균일한 두께의 마그네슘 보호층을 형성할 수 있다. 또한, 이를 이용하여 제조된 마그네슘 보호층은 상기 리튬 금속층과 기공 및 균열과 같은 결함 없이 우수한 밀착력으로 증착되므로, 접착재와 같은 추가 박막이나, 열처리와 같은 추가 공정이 요구되지 않는다.When the magnesium protective layer is formed by the sputtering method, a magnesium protective layer having a uniform thickness can be formed without causing any change on the lithium metal layer. In addition, the magnesium protective layer prepared by using this is deposited with excellent adhesion without defects such as pores and cracks with the lithium metal layer, so no additional thin film such as an adhesive or additional process such as heat treatment is required.

또한, 본 발명의 마그네슘 보호층은 상기 물리 기상 증착법 뿐만 아니라, 화학적인 방법으로도 형성될 수 있으며, 본 발명에서는 화학적인 방법 중에서 딥 코팅법이 가장 바람직하다.In addition, the magnesium protective layer of the present invention can be formed not only by the physical vapor deposition method, but also by a chemical method. In the present invention, a dip coating method is most preferable among the chemical methods.

상기 딥 코팅법의 코팅 용액은 마그네슘 염을 포함하며, 바람직하게는 Mg(TFSI)2, MgCl2, MgF2, MgI2, MgBr2, MgO, MgCO3, Mg(OH)2, MgSO4, Mg3N2, Mg(ClO4), C6H6MgO7, Mg(NO3)2, Mg3(PO4)2, [CH3(CH2)16CO2]2Mg, (CH3COO)2Mg, (CF3SO3)2Mg, MgB2, Mg(OCH3)2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The coating solution of the dip coating method includes a magnesium salt, preferably Mg(TFSI) 2 , MgCl 2 , MgF 2 , MgI 2 , MgBr 2 , MgO, MgCO 3 , Mg(OH) 2 , MgSO 4 , Mg 3 N 2 , Mg(ClO 4 ), C 6 H 6 MgO 7 , Mg(NO3) 2 , Mg 3 (PO 4 ) 2 , [CH 3 (CH 2 ) 16 CO 2 ] 2 Mg, (CH 3 COO) It may include one or more selected from the group consisting of 2 Mg, (CF 3 SO 3 ) 2 Mg, MgB 2 , Mg(OCH 3 ) 2 .

상기 코팅 용액에서 마그네슘 염의 농도는 5mM 내지 1M일 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 50mM일 수 있다. 상기 마그네슘 염의 농도가 5mM 미만이면 리튬 표면에서 마그네슘 보호층을 형성하는 반응이 충분히 일어나지 않을 수 있으며, 1M을 초과하면 반응이 급격하게 일어나 표면이 균일한 보호층을 형성하기 어려울 수 있다.The concentration of the magnesium salt in the coating solution may be 5mM to 1M, and preferably 5 to 50mM. If the concentration of the magnesium salt is less than 5mM, the reaction of forming the magnesium protective layer on the lithium surface may not occur sufficiently, and if it exceeds 1M, the reaction may occur suddenly, and the surface may be difficult to form a uniform protective layer.

또한, 상기 코팅 용액의 용매는 리튬에 대하여 안정정을 가지면서 상기 마그네슘 염을 용해할 수 있는 것이라면 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 에테르계 용매가 바람직하며, 예를 들어 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르, 에틸프로필 에테르, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 메톡시에톡시에탄, 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 메틸에틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 메틸에틸 에테르, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 테트라에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 테트라에틸렌 글리콜 메틸에틸 에테르, 1,3-디옥솔란, 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 폴리에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 폴리에틸렌 글리콜 메틸에틸 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Further, the solvent of the coating solution is not particularly limited as long as it has a stable tablet for lithium and can dissolve the magnesium salt, but an ether-based solvent is preferred, for example, dimethyl ether, diethyl ether, di Propyl ether, methylethyl ether, methylpropyl ether, ethylpropyl ether, dimethoxyethane, diethoxyethane, methoxyethoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol methylethyl ether, tri Ethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol methylethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol diethyl ether, tetraethylene glycol methylethyl ether, 1,3-dioxolane, polyethylene glycol dimethyl ether , Polyethylene glycol diethyl ether, polyethylene glycol methyl ethyl ether, one or more selected from the group may be used, but is not limited thereto.

상기 딥 코팅법은 상기 코팅 용액에 리튬 금속층을 담지하여 마그네슘 보호층을 형성하는 것으로, 담지 후 상기 코팅 용액 내에서 리튬 금속층을 브러쉬 폴리싱(brush polishing)하여 리튬 금속층의 표면 산화막(native layer)을 제거하면서 동시에 마그네슘 보호층이 형성시키는 것일 수 있다.The dip coating method is to form a magnesium protective layer by supporting a lithium metal layer on the coating solution, and then brush polishing a lithium metal layer in the coating solution after loading to remove a surface native layer of the lithium metal layer. At the same time, the magnesium protective layer may be formed.

상기 방법으로 형성된 마그네슘 보호층의 두께는 2nm 내지 5μm 일 수 있으며, 바람직하게는 10nm 내지 1μm일 수 있다. 상기 마그네슘 보호층의 두께가 2nm 미만이면 보호층으로서의 기능을 수행할 수 없어 리튬 덴드라이트의 성장을 억제할 수 없으며, 5μm을 초과하면 계면 저항이 높아져 전지 특성이 저하될 수 있다.The thickness of the magnesium protective layer formed by the above method may be 2 nm to 5 μm, and preferably 10 nm to 1 μm. If the thickness of the magnesium protective layer is less than 2 nm, it cannot function as a protective layer, and thus the growth of lithium dendrites cannot be suppressed. If it exceeds 5 μm, the interfacial resistance increases, and battery characteristics may deteriorate.

리튬 이차전지Lithium secondary battery

또한, 본 발명은 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해액을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.In addition, the present invention is an anode; cathode; And a separator interposed between the anode and the cathode. And it relates to a lithium secondary battery comprising an electrolyte.

상기 음극은 상술한 본 발명의 리튬 이차전지용 음극일 수 있으며, 상기 음극은 양극과 대향하는 면에 마그네슘 보호층이 형성된 것일 수 있다.The negative electrode may be the negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention described above, and the negative electrode may be a magnesium protective layer formed on a surface facing the positive electrode.

상술한 바와 같이, 본 발명의 리튬 이차전지용 음극은 리튬 금속층의 적어도 일면에 마그네슘 보호층을 포함함에 따라 리튬 덴드라이트의 형성을 억제하여 균일한 형상의 음극 표면을 얻을 수 있으며, 그로 인하여 리튬 이차전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 리튬 이차전지는 향상된 수명 특성을 나타낼 수 있다.As described above, the negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention includes a magnesium protective layer on at least one surface of the lithium metal layer, thereby suppressing the formation of lithium dendrites to obtain a negative electrode surface having a uniform shape, thereby causing the lithium secondary battery It can improve the life characteristics of. Therefore, the lithium secondary battery of the present invention can exhibit improved life characteristics.

본 발명에 따른 양극은 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 조성물을 양극 집전체에 제막하여 양극의 형태로 제조할 수 있다.The positive electrode according to the present invention can be prepared in the form of a positive electrode by forming a positive electrode current collector on a positive electrode active material, a composition comprising a conductive material and a binder.

상기 양극 활물질은 리튬 이차전지의 용도에 따라 달라질 수 있으며, 구체적인 조성은 공지된 물질을 사용한다. 일례로, 리튬 코발트계 산화물, 리튬 망간계 산화물, 리튬 구리 산화물, 리튬 니켈계 산화물 및 리튬 망간 복합 산화물, 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 리튬 전이 금속 산화물을 들 수 있고, 보다 구체적으로는 Li1 + xMn2 - xO4(여기서, x는 0 내지 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 구리산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; LiNi1 - xMxO2 (여기서, M=Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x=0.01 내지 0.3임)으로 표현되는 리튬 니켈 산화물; LiMn2 - xMxO2(여기서, M=Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x=0.01 내지 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M=Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합산화물, Li(NiaCobMnc)O2(여기에서, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1)으로 표현되는 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물, Fe2(MoO4)3; 황 원소, 디설파이드 화합물, 유기황 보호층(Organosulfur compound) 및 탄소-황 폴리머((C2Sx)n: x= 2.5 내지 50, n≥2 ); 흑연계 물질; 슈퍼-P(Super-P), 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 카본 블랙과 같은 카본 블랙계 물질; 플러렌 등의 탄소 유도체; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 및 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 등의 전도성 고분자; 다공성 탄소 지지체에 Pt 또는 Ru 등 촉매가 담지된 형태 등이 가능하며 이들만으로 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 탄소-황 폴리머가 사용될 수 있다.The positive electrode active material may vary depending on the use of the lithium secondary battery, and a specific composition uses a known material. For example, any one lithium transition metal oxide selected from the group consisting of lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide, lithium copper oxide, lithium nickel oxide and lithium manganese composite oxide, lithium-nickel-manganese-cobalt oxide. And, more specifically, lithium manganese oxides such as Li 1 + x Mn 2 - x O 4 (where x is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , and LiMnO 2 ; Lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 and Cu 2 V 2 O 7 ; Lithium nickel oxide represented by LiNi 1 - x M x O 2 (where M=Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, and x=0.01 to 0.3); LiMn 2 - x M x O 2 (where M=Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta, x=0.01 to 0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 (where M=Fe, Co, Ni , Cu or Zn), Li(Ni a Co b Mn c )O 2 (here, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+ lithium-nickel-manganese-cobalt oxide represented by c=1), Fe 2 (MoO 4 ) 3 ; Elemental sulfur, disulfide compounds, organosulfur compounds and carbon-sulfur polymers ((C 2 S x ) n : x= 2.5 to 50, n≧2 ); Graphite-based materials; Carbon black-based materials such as Super-P, Denka Black, Acetylene Black, Ketjen Black, Channel Black, Furnace Black, Lamp Black, Summer Black, Carbon Black; Carbon derivatives such as fullerene; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder, and nickel powder; And conductive polymers such as polyaniline, polythiophene, polyacetylene, and polypyrrole; A catalyst such as Pt or Ru is supported on the porous carbon support, and the like is not limited thereto. Preferably, a carbon-sulfur polymer may be used.

따라서, 본 발명의 리튬 이차전지는 바람직하게는 리튬-황 전지일 수 있다.Therefore, the lithium secondary battery of the present invention may preferably be a lithium-sulfur battery.

상기 도전재는 양극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 비제한적인 예로, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive material is a component for further improving the conductivity of the positive electrode active material, non-limiting examples, graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder, and nickel powder; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.

상기 양극은 양극 활물질과 도전재의 결합과 집전체에 대한 결합을 위하여 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 스티렌-부타디엔 고무, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체, 불화비닐리덴-헥사 플루오로프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 불화비니리덴-펜타프루오로 프로필렌 공중합체, 프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌-테트라 플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-퍼플루오로메틸비닐에테르-테트라플루오로 에틸렌 공중합체, 에틸렌-아크릴산 공중합제 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 바인더로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.The positive electrode may further include a binder for bonding the positive electrode active material and the conductive material and bonding to the current collector. The binder may include a thermoplastic resin or a thermosetting resin. For example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoro ethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene-butadiene rubber, tetrafluoroethylene-perfluoro alkylvinyl ether copolymer, vinylidene fluoride-hexa Fluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride-pentafluorofluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoro Roethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetra fluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoro ethylene copolymer, ethylene -Acrylic acid copolymers and the like can be used alone or in combination, but are not necessarily limited to these and can be used as long as it can be used as a binder in the art.

상기 양극 집전체는 상기 음극 집전체에서 전술한 바와 같으며, 일반적으로 양극 집전체는 알루미늄 박판이 이용될 수 있다.The positive electrode current collector is the same as described above in the negative electrode current collector, and in general, an aluminum thin plate may be used as the positive electrode current collector.

상기와 같은 양극은 통상의 방법에 따라 제조될 수 있으며, 구체적으로는 양극 활물질과 도전재 및 바인더를 유기 용매 상에서 혼합하여 제조한 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 may be manufactured according to a conventional method, specifically, a positive electrode active material layer-forming composition prepared by mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder on an organic solvent is coated and dried on a current collector, and optionally In order to improve the electrode density, compression molding may be performed on the current collector. 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 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 positive electrode composition may be coated on a positive electrode current collector using a conventional method known in the art, for example, dipping, spray, roll court, or gravure printing. Various methods such as a bar court method, a die coating method, a comma coating method, or a mixing method thereof can be used.

이와 같은 코팅 과정을 거친 양극 및 양극 조성물은 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 and the positive electrode composition that have undergone such a coating process are 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.

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 it has low resistance to ion movement of the electrolyte and has excellent electrolyte 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 separator 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) , Polybutyleneterephthalate, polyphenylenesulfide, polyacetal, polyethersulfone, polyetheretherketone, polyester, etc. individually 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 a spunbond or meltblown form composed of long fibers.

상기 분리막의 두께는 특별히 제한되지는 않으나, 1 내지 100μm 범위가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5 내지 50μm 범위이다. 상기 분리막의 두께가 1μm 미만인 경우에는 기계적 물성을 유지할 수 없으며, 100μm를 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. When the thickness of the separator exceeds 100 μm, the separator acts as a resistance layer, thereby deteriorating the performance of the battery.

상기 분리막의 기공 크기 및 기공도는 특별히 제한되지는 않으나, 기공 크기는 0.1 내지 50μm이고, 기공도는 10 내지 95%인 것이 바람직하다. 상기 분리막의 기공 크기가 0.1μm 미만이거나 기공도가 10% 미만이면 분리막이 저항층으로 작용하게 되며, 기공 크기가 50μm를 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 preferably 0.1 to 50 μm, and the porosity is preferably 10 to 95%. When 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 리튬 이차전지의 전해액은 리튬염 함유 전해액으로 수계 또는 비수계 전해액일 수 있으며, 구체적으로 유기 용매 전해액과 리튬염으로 이루어진 비수계 전해질이다. 이외에 유기 고체 전해질 또는 무기 고체 전해질 등이 포함될 수 있지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The electrolyte of the lithium secondary battery is a lithium salt-containing electrolyte, which may be an aqueous or non-aqueous electrolyte, and is specifically a non-aqueous electrolyte composed of an organic solvent electrolyte and a lithium salt. In addition, an organic solid electrolyte or an inorganic solid electrolyte may be included, but is not limited thereto.

상기 리튬염은 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상을 포함할 수 있다.The lithium salt may be used without limitation those commonly used in lithium secondary battery electrolyte. For example is the above lithium salt anion F -, Cl -, Br - , I -, NO 3 -, N (CN) 2 -, BF 4 -, ClO 4 -, PF 6 -, (CF 3) 2 PF 4 -, (CF 3) 3 PF 3 -, (CF 3) 4 PF 2 -, (CF 3) 5 PF -, (CF 3) 6 P -, CF 3 SO 3 -, CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2) 2 N -, (FSO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, (SF 5) 3 C -, ( CF 3 SO 2) 3 C - from the group consisting of -, CF 3 (CF 2) 7 SO 3 -, CF 3 CO 2 -, CH 3 CO 2 -, SCN - , and (CF 3 CF 2 SO 2) 2 N It can include any one selected or two or more of them.

상기 비수계 전해액에 포함되는 유기 용매로는 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들을 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들면 에테르, 에스테르, 아미드, 선형 카보네이트, 환형 카보네이트 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 그 중에서 대표적으로는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 또는 이들의 혼합물인 카보네이트 화합물을 포함할 수 있다.As the organic solvent included in the non-aqueous electrolyte, those commonly used in the electrolyte for lithium secondary batteries can be used without limitation, for example, ether, ester, amide, linear carbonate, cyclic carbonate, etc., alone or in combination of two or more. It can be used by mixing. Among them, a carbonate compound which is representatively a cyclic carbonate, a linear carbonate, or a mixture thereof may be included.

상기 환형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 및 이들의 할로겐화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 있다. 이들의 할로겐화물로는 예를 들면, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylenecarbonate, FEC) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.Specific examples of the cyclic carbonate compound are ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, 2,3-pentylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, and any one selected from the group consisting of halides, or mixtures of two or more of them. Examples of these halides include, but are not limited to, fluoroethylene carbonate (FEC).

또한 상기 선형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이 트(EMC), 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, specific examples of the linear carbonate compound is any one selected from the group consisting of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethylmethyl carbonate (EMC), methylpropyl carbonate and ethylpropyl carbonate Or a mixture of two or more of them may be used, but is not limited thereto.

특히, 상기 카보네이트계 유기 용매 중 환형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기 용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 보다 더 잘 해리시킬 수 있으며, 이러한 환형 카보네이트에 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 보다 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있다.In particular, among the carbonate-based organic solvents, ethylene carbonate and propylene carbonate, which are cyclic carbonates, are high-viscosity organic solvents and have higher dielectric constants, so that lithium salts in the electrolyte can be better dissociated, such as dimethyl carbonate and diethyl carbonate. When a low-viscosity, low-permittivity linear carbonate is mixed and used in an appropriate ratio, an electrolyte having a higher electrical conductivity can be produced.

또한, 상기 유기 용매 중 에테르로는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르 및 에틸프로필 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, as the ether of the organic solvent, any one selected from the group consisting of dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methylethyl ether, methylpropyl ether and ethylpropyl ether, or a mixture of two or more of them may be used. , But is not limited thereto.

그리고 상기 유기 용매 중 에스테르로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오 네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.And among the organic solvents, esters include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-caprolactone, σ -Any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of valerolactone and ε-caprolactone may be used, but is not limited thereto.

상기 비수계 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전기화학소자의 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전기화학소자 조립 전 또는 전기화학소자 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.The injection of the non-aqueous electrolyte may be performed at an appropriate stage during the manufacturing process of the electrochemical device, depending on the manufacturing process of the final product and the required physical properties. That is, it can be applied before the assembly of the electrochemical device or at the final stage of the assembly of the electrochemical device.

본 발명에 따른 리튬 이차전지는 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 분리막과 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 공정이 가능하다. 그리고, 상기 전지케이스는 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.The lithium secondary battery according to the present invention is capable of lamination, stacking, and folding processes of a separator and an electrode in addition to the general process of winding. In addition, the battery case may be cylindrical, prismatic, pouch-type, or coin-type.

이때 리튬 이차전지는 사용하는 양극 재질 및 분리막의 종류에 따라 리튬-황 전지, 리튬-공기 전지, 리튬-산화물 전지, 리튬 전고체 전지 등 다양한 전지로 분류가 가능하고, 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다. 이들 전지의 구조와 제조 방법은 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.At this time, the lithium secondary battery can be classified into various batteries such as lithium-sulfur batteries, lithium-air batteries, lithium-oxide batteries, and lithium solid-state batteries, depending on the type of anode material and separator used. It can be classified into coin type, pouch type, etc. and can be divided into bulk type and thin film type according to size. The structure and manufacturing method of these batteries are well known in the art, so detailed descriptions thereof are omitted.

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 merely 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.

<리튬-황 전지의 제조><Production of lithium-sulfur batteries>

실시예 1.Example 1.

40μm 두께의 리튬 금속을 준비하였다. 상기 리튬 금속 상에, 공정압력 10mTorr, Sputter power 200W, Sample rotation speed 5 rpm의 조건의 DC sputter(LG화학 제작)를 사용하여 5분간 마그네슘 금속을 증착하여 음극을 제조하였다.A lithium metal having a thickness of 40 μm was prepared. A negative electrode was prepared by depositing magnesium metal on the lithium metal for 5 minutes using a DC sputter (manufactured by LG Chemical) under the conditions of 10 mTorr, Sputter power 200 W, and Sample rotation speed 5 rpm.

상기 제조된 음극의 표면을 형상 측정 레이저 마이크로스코프 (KEYENCE)로 촬영하여 관찰한 결과, 리튬 호일 표면에 마그네슘 입자가 증착된 모습을 확인할 수 있었다(도 1).As a result of observation by photographing and observing the surface of the prepared negative electrode with a shape measurement laser microscope (KEYENCE), it was confirmed that magnesium particles were deposited on the surface of the lithium foil (FIG. 1).

전도성을 지니고 있는 도전성 탄소와 황을 30:70의 중량비로 혼합하여 볼밀 공정을 통해 황-탄소 복합체를 제조하였다. 상기 황-탄소 복합체는 양극 활물질로 사용되었다. A conductive carbon and sulfur were mixed in a weight ratio of 30:70 to prepare a sulfur-carbon composite through a ball mill process. The sulfur-carbon composite was used as a positive electrode active material.

황-탄소 복합체: 도전재: 바인더=90:5:5의 중량비로 슬러리를 제조한 후 20 μm 두께의 알루미늄 호일의 집전체에 도포한 후, 80℃ 오븐에서 30분간 건조한 후, 압연하여 양극을 제조하였다. 이때 도전재는 카본블랙을, 바인더로는 스티렌부타디엔 고무, 카르복시메틸 셀룰로오스를 사용하였다. Sulfur-carbon composite: Conductive material: Binder = After preparing a slurry in a weight ratio of 90:5:5 and applying it to a current collector of 20 μm thick aluminum foil, dried in an oven at 80° C. for 30 minutes, and then rolled to roll the anode. It was prepared. At this time, carbon black was used as the conductive material, and styrene-butadiene rubber and carboxymethyl cellulose were used as the binder.

상기 양극 및 음극 사이에 폴리에틸렌 분리막을 개재시킨 후, 1M 농도의 LiFSI가 용해된 디메톡시에탄:디옥솔란(1:1의 부피비)의 혼합액을 전해액으로 사용하여 실시예 1의 리튬-황 전지를 제조하였다.After interposing a polyethylene separator between the positive electrode and the negative electrode, a lithium-sulfur battery of Example 1 was prepared using a mixed solution of dimethoxyethane:dioxolane (1:1 volume ratio) in which LiFSI at a concentration of 1M was dissolved as an electrolyte. Did.

실시예 2.Example 2.

1,2-디메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane, DME) 용액에 Mg(TFSI)2 10mM을 용해하여 코팅 용액을 제조하였다. 상기 코팅 용액에 두께가 40μm인 리튬 호일을 담지한 후, 코팅 용액 내에서 리튬 호일을 브러쉬 폴리싱(brush polishing)하여 표면 산화막을 제거하면서 동시에 마그네슘 보호층을 형성시켜 음극을 제조하였다.A coating solution was prepared by dissolving 10 mM Mg(TFSI) 2 in a 1,2-dimethoxyethane (DME) solution. After supporting a lithium foil having a thickness of 40 μm in the coating solution, a lithium foil was brush-polished in the coating solution to remove the surface oxide film, and at the same time, a magnesium protective layer was formed to prepare a negative electrode.

그 후, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 실시예 2의 리튬-황 전지를 제조하였다.Thereafter, the lithium-sulfur battery of Example 2 was manufactured in the same manner as in Example 1.

실시예 3.Example 3.

Mg(TFSI)2 대신에 MgI2를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 실시예 3의 리튬-황 전지를 제조하였다.Mg(TFSI) 2 The lithium-sulfur battery of Example 3 was manufactured in the same manner as in Example 2, except that MgI 2 was used instead.

비교예 1.Comparative Example 1.

두께가 40μm인 리튬 호일을 음극으로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 비교예 1의 리튬-황 전지를 제조하였다.A lithium-sulfur battery of Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1, except that a lithium foil having a thickness of 40 μm was used as a negative electrode.

비교예 2.Comparative Example 2.

두께가 40μm인 리튬 호일을 드라이 룸에서 표면 산화막을 제거하여 음극을 제조하였다. 그 후, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 비교예 2의 리튬-황 전지를 제조하였다.A lithium foil having a thickness of 40 μm was removed from the surface oxide film in a dry room to prepare a negative electrode. Then, the lithium-sulfur battery of Comparative Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1.

비교예 3.Comparative Example 3.

Mg(TFSI)2 대신에 Zn(TFSI)2를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 비교예 3의 리튬-황 전지를 제조하였다.Mg(TFSI) 2 The lithium-sulfur battery of Comparative Example 3 was manufactured in the same manner as in Example 2, except that Zn(TFSI) 2 was used instead.

비교예 4.Comparative Example 4.

Mg(TFSI)2 대신에 Ni(TFSI)2를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 비교예 3의 리튬-황 전지를 제조하였다.Mg(TFSI) 2 The lithium-sulfur battery of Comparative Example 3 was manufactured in the same manner as in Example 2, except that Ni(TFSI) 2 was used instead.

비교예 5.Comparative Example 5.

Mg(TFSI)2 대신에 Mn(TFSI)2를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 비교예 3의 리튬-황 전지를 제조하였다.Mg(TFSI) 2 The lithium-sulfur battery of Comparative Example 3 was prepared in the same manner as in Example 2, except that Mn(TFSI) 2 was used instead.

실험예 1. 리튬-황 전지의 특성 측정Experimental Example 1. Measurement of characteristics of lithium-sulfur battery

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 5에서 제조한 리튬-황 전지의 초기 방전 프로파일 및 수명 특성을 측정하였다.The initial discharge profile and life characteristics of the lithium-sulfur batteries prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 were measured.

1-1. 초기 방전 후 음극의 표면 형상 관찰1-1. Observation of surface shape of cathode after initial discharge

초기 방전 프로파일은 0.1C/0.1C 충전/방전 조건에서 초기 용량을 측정하였다.The initial discharge profile was measured for the initial capacity under 0.1C/0.1C charge/discharge conditions.

실시예 1 및 비교예 1의 리튬-황 전지의 초기 방전 후 음극 표면을 관찰한 결과, 마그네슘 보호층이 형성된 실시예 1의 리튬-황 전지의 음극 표면은 균일한 형상을 나타내었다(도 2). 그러나, 마그네슘 보호층을 포함하지 않는 비교예 1의 리튬-황 전지의 음극 표면은 불균일하게 관찰되었다(도 3).As a result of observing the negative electrode surface after the initial discharge of the lithium-sulfur batteries of Example 1 and Comparative Example 1, the negative electrode surface of the lithium-sulfur battery of Example 1 with a magnesium protective layer exhibited a uniform shape (FIG. 2). . However, the negative electrode surface of the lithium-sulfur battery of Comparative Example 1 without the magnesium protective layer was observed unevenly (Fig. 3).

또한, 실시예 1 및 비교예 1의 리튬-황 전지의 초기 방전 후 음극 표면 이미지의 조도를 측정한 결과, 실시예 1의 리튬-황 전지의 음극의 방전 형상은 비교예 1의 리튬-황 전지의 음극의 방전 형상 보다 고르게 형성된 것을 확인할 수 있었다(도 4 및 도 5).In addition, as a result of measuring the roughness of the surface image of the negative electrode after the initial discharge of the lithium-sulfur batteries of Example 1 and Comparative Example 1, the discharge shape of the negative electrode of the lithium-sulfur battery of Example 1 is the lithium-sulfur battery of Comparative Example 1 It was confirmed that it was formed evenly than the discharge shape of the negative electrode of FIGS. 4 and 5.

1-2. 초기 방전 프로파일 측정1-2. Initial discharge profile measurement

초기 방전 프로파일은 0.1C/0.1C 충전/방전 조건에서 초기 용량을 측정하였다.The initial discharge profile was measured for the initial capacity under 0.1C/0.1C charge/discharge conditions.

실시예 1 내지 3 및 비교예 1 및 2의 리튬-황 전지의 초기 방전 프로파일 결과에서, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 및 2의 리튬-황 전지는 과전압이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다(도 6 내지 8). 특히, 실시예 1 내지 3의 음극은 리튬 금속층에 마그네슘 보호층이 형성되었을지라도, 이로 인한 과전압이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다.From the initial discharge profile results of the lithium-sulfur batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, it was confirmed that the lithium-sulfur batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 did not generate overvoltage ( 6 to 8). Particularly, although the negative electrode of Examples 1 to 3 was formed with a magnesium protective layer on the lithium metal layer, it was confirmed that the overvoltage caused by this did not occur.

반면, 리튬 금속층 표면에 아연, 니켈 및 망간 보호층이 각각 형성된 음극을 포함하는 비교예 3 내지 5의 리튬-황 전지는 초기 방전시 말단부에서 과전압이 발생한 것을 확인할 수 있었다(도 9).On the other hand, the lithium-sulfur batteries of Comparative Examples 3 to 5 including the negative electrode each having a zinc, nickel, and manganese protective layer formed on the surface of the lithium metal layer, it was confirmed that overvoltage occurred at the distal end during the initial discharge (FIG. 9).

이로부터, 리튬 금속층 표면에 마그네슘 보호층이 형성된 음극을 포함하는 리튬-황 전지는 초기 방전시 과전압을 발생시키지 않는 것을 알 수 있다. From this, it can be seen that the lithium-sulfur battery including the negative electrode having the magnesium protective layer formed on the surface of the lithium metal layer does not generate an overvoltage during initial discharge.

1-3. 수명 특성 측정1-3. Life characteristics measurement

수명 특성은 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 100 cycle의 충·방전을 반복하여 수명특성을 측정하였다.Life characteristics are 0.1C/0.1C charging/discharging during the initial 3 cycles, then 0.2C/0.2C charging/discharging during the 3 cycles, and then charging/discharging at 0.3C/0.5C to repeat 100 cycles of charging/discharging. The life characteristics were measured.

실시예 1의 리튬-황 전지는 비교예 1의 리튬-황 전지에 비하여 수명 특성이 100% 향상된 것을 확인할 수 있었다(도 10).The lithium-sulfur battery of Example 1 was found to have improved life characteristics by 100% compared to the lithium-sulfur battery of Comparative Example 1 (FIG. 10).

또한, 실시예 2 및 실시예 3의 리튬-황 전지는 비교예 2의 리튬-황 전지에 비하여 수명 특성이 80% 향상된 것을 확인할 수 있었다(도 11 및 도 12).In addition, it was confirmed that the lithium-sulfur batteries of Examples 2 and 3 had 80% improved life characteristics compared to the lithium-sulfur batteries of Comparative Example 2 (FIGS. 11 and 12 ).

즉, 리튬 금속층 표면에 마그네슘 보호층이 형성된 음극을 포함하는 실시예 1 내지 3의 리튬-황 전지는 마그네슘 보호층을 포함하지 않는 비교예 1 및 2의 리튬-황 전지 보다 우수한 수명 특성을 나타내었다.That is, the lithium-sulfur batteries of Examples 1 to 3 including the negative electrode on which the magnesium protective layer was formed on the surface of the lithium metal layer showed better life characteristics than the lithium-sulfur batteries of Comparative Examples 1 and 2 not containing the magnesium protective layer. .

비교예 3 내지 5의 리튬-황 전지는 각각 리튬 금속층 표면에 아연, 니켈 및 망간 보호층이 형성된 음극을 포함하는 것으로, 보호층을 포함하지 않는 비교예 2의 리튬-황 전지 보다도 수명 특성이 불량한 결과를 보였다(도 13). 따라서, 보호층을 포함하더라도 마그네슘이 아닌 다른 금속으로 이루어진 보호층을 포함할 경우, 리튬-황 전지의 수명 특성을 향상시키지 못하며, 오히려 수명 특성이 불량해진다는 것을 알 수 있었다.The lithium-sulfur batteries of Comparative Examples 3 to 5 each include a negative electrode having a zinc, nickel, and manganese protective layer formed on the surface of the lithium metal layer, and have poorer life characteristics than the lithium-sulfur batteries of Comparative Example 2 without a protective layer. The results were shown (FIG. 13). Accordingly, it was found that even if the protective layer was included, when the protective layer made of a metal other than magnesium was included, the lifespan characteristics of the lithium-sulfur battery could not be improved, but the lifespan characteristics were poor.

본 발명의 음극은 리튬 금속층 표면에 마그네슘 보호층을 포함하는 것으로, 마그네슘 보호층을 포함하더라도 전지의 과전압이 발생하지 않으며, 마그네슘 보호층을 포함함에 따라 리튬 덴드라이트의 형성을 억제할 수 있어 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.The negative electrode of the present invention includes a magnesium protective layer on the surface of the lithium metal layer, and even if the magnesium protective layer is included, overvoltage of the battery does not occur, and the formation of lithium dendrites can be suppressed by including the magnesium protective layer. The life characteristics can be improved.

또한, 리튬 금속층 표면에 마그네슘 보호층을 물리적 또는 화학적 방법으로 형성시킬 수 있으며, 마그네슘 보호층의 형성 방법에 관계없이 전지의 과전압을 발생시키지 않고, 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다. 특히, 화학적 방법인 딥 코팅 방법으로 마그네슘 보호층을 형성할 경우, 마그네슘 염의 종류와 관계없이 마그네슘 보호층을 형성할 수 있으며, 상기의 효과를 나타낼 수 있다.In addition, the magnesium protective layer may be formed on the surface of the lithium metal layer by a physical or chemical method, without generating an overvoltage of the battery regardless of the method of forming the magnesium protective layer, and the life characteristics of the battery may be improved. In particular, when the magnesium protective layer is formed by a dip coating method, which is a chemical method, the magnesium protective layer can be formed regardless of the type of the magnesium salt, and the above effects can be exhibited.

Claims (12)

리튬 금속층; 및
상기 리튬 금속층의 적어도 일면에 형성되는 마그네슘 보호층을 포함하는 리튬 이차전지용 음극.
Lithium metal layer; And
A negative electrode for a lithium secondary battery including a magnesium protective layer formed on at least one surface of the lithium metal layer.
제1항에 있어서, 상기 마그네슘 보호층은 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극.The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the magnesium protective layer is formed of magnesium or a magnesium alloy. 제1항에 있어서, 상기 마그네슘 보호층의 두께는 2nm 내지 5μm인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극.The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the magnesium protective layer has a thickness of 2 nm to 5 μm. 제1항에 있어서, 상기 리튬 금속층의 두께는 1 내지 500μm인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극.The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the lithium metal layer has a thickness of 1 to 500 μm. 제1항에 있어서, 상기 리튬 금속층은 상기 마그네슘 보호층과 접하지 않은 일면에 집전체를 더 포함하는 것인 리튬 이차전지용 음극.The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the lithium metal layer further includes a current collector on one surface not in contact with the magnesium protective layer. 리튬 금속층의 적어도 일면에 마그네슘 보호층을 형성시키는 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 음극 제조방법.A method of manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery, comprising forming a magnesium protective layer on at least one surface of the lithium metal layer. 제6항에 있어서, 상기 마그네슘 보호층은 기화 증착법, 화학 기상 증착법, 물리 기상 증착법, 원자층 증착법, 아크로 방전 및 딥 코팅법으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 제조방법.The lithium of claim 6, wherein the magnesium protective layer is formed by at least one method selected from the group consisting of vapor deposition, chemical vapor deposition, physical vapor deposition, atomic layer deposition, arc discharge and dip coating. Method for manufacturing a negative electrode for a secondary battery. 제7항에 있어서, 상기 마그네슘 보호층은 물리 기상 증착법 및 딥 코팅법으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 제조방법.The method of claim 7, wherein the magnesium protective layer is formed by at least one method selected from the group consisting of a physical vapor deposition method and a dip coating method. 제8항에 있어서, 상기 딥 코팅법의 코팅 용액은 마그네슘 염을 포함하며, 상기 마그네슘 염은 Mg(TFSI)2, MgCl2, MgF2, MgI2, MgBr2, MgO, MgCO3, Mg(OH)2, MgSO4, Mg3N2, Mg(ClO4), C6H6MgO7, Mg(NO3)2, Mg3(PO4)2, [CH3(CH2)16CO2]2Mg, (CH3COO)2Mg, (CF3SO3)2Mg, MgB2, Mg(OCH3)2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 제조방법.The method of claim 8, wherein the coating solution of the dip coating method includes a magnesium salt, and the magnesium salt is Mg(TFSI) 2 , MgCl 2 , MgF 2 , MgI 2 , MgBr 2 , MgO, MgCO 3 , Mg(OH ) 2 , MgSO 4 , Mg 3 N 2 , Mg(ClO 4 ), C 6 H 6 MgO 7 , Mg(NO3) 2 , Mg 3 (PO 4 ) 2 , [CH 3 (CH 2 ) 16 CO 2 ] 2 Mg, (CH 3 COO) 2 Mg, (CF 3 SO 3 ) 2 Mg, MgB 2 , Mg(OCH 3 ) 2 One or more selected from the group consisting of a cathode for a lithium secondary battery characterized in that it comprises at least one . 제9항에 있어서, 상기 마그네슘 염은 5mM 내지 1M의 농도로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 제조방법.The method of claim 9, wherein the magnesium salt is contained in a concentration of 5mM to 1M. 양극; 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해액을 포함하는 리튬 이차전지.anode; The negative electrode of any one of claims 1 to 5; And a separator interposed between the anode and the cathode. And an electrolyte solution. 제11항에 있어서, 상기 음극은 양극과 대향하는 면에 마그네슘 보호층이 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery of claim 11, wherein the negative electrode has a magnesium protective layer formed on a surface facing the positive electrode.
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