KR20200137091A - A positive electrode for lithium secondary battery including a sulfur-kaolin complex, method for preparing the same and lithium secondary battery including the positive electrode - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a positive electrode for a lithium secondary battery including a sulfur-kaolin composite that can improve the capacity and energy of the battery by replacing a conventional sulfur-carbon composite being applied as a positive electrode active material with a sulfur-clay composite and increasing the sulfur content in the positive electrode, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the positive electrode. The positive electrode for a lithium secondary battery includes sulfur-kaolin composite which includes kaolin which is a kaolin-based clay; and sulfur immerged in the kaolin.

Description

황-카올린 복합체를 포함하는 리튬 이차전지용 양극, 그 제조방법 및 상기 양극을 포함하는 리튬 이차전지{A positive electrode for lithium secondary battery including a sulfur-kaolin complex, method for preparing the same and lithium secondary battery including the positive electrode}A positive electrode for lithium secondary battery including a sulfur-kaolin complex, method for preparing the same and lithium secondary battery including the positive electrode for lithium secondary battery including the sulfur-kaolin complex positive electrode}

본 발명은 황-카올린 복합체를 포함하는 리튬 이차전지용 양극, 그 제조방법 및 상기 양극을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 양극 활물질로 적용 중인 통상의 황-탄소 복합체를 황-점토 복합체로 대체하고, 양극 내 황의 함량을 높임으로써 전지의 용량 및 에너지량을 향상시킬 수 있는, 황-카올린 복합체를 포함하는 리튬 이차전지용 양극, 그 제조방법 및 상기 양극을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode for a lithium secondary battery including a sulfur-kaolin complex, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the positive electrode, and more particularly, a general sulfur-carbon composite that is applied as a positive electrode active material is sulfur- A positive electrode for a lithium secondary battery including a sulfur-kaolin complex, which can be replaced with a clay composite and improve the capacity and energy of the battery by increasing the content of sulfur in the positive electrode, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery including the positive electrode About.

최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 높아지고 있으며, 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 더 나아가 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서, 전기화학소자의 연구 개발에 대한 노력이 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받고 있는 분야이고, 그 중에서도 충방전이 가능한 리튬-황 전지와 같은 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여, 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 이어지고 있다.In recent years, interest in energy storage technology is increasing, and as the fields of application to mobile phones, camcorders and notebook PCs, and even electric vehicles are expanded, efforts for research and development of electrochemical devices are being materialized. Electrochemical devices are the field that is receiving the most attention in this respect, and among them, the development of secondary batteries such as lithium-sulfur batteries capable of charging and discharging has become the focus of interest, and in recent years, capacity density and In order to improve the specific energy, research and development on the design of new electrodes and batteries are being conducted.

이와 같은 전기화학소자 가운데 리튬-황(Li-S) 전지는 높은 에너지 밀도를 가져, 낮은 에너지 밀도를 가지는 리튬 이온전지를 대체할 수 있어, 전기 자동차 및 대용량 에너지 저장 시스템을 구현할 수 있는 차세대 이차전지 중 하나로 각광을 받고 있다. 이러한 리튬-황 전지 내에서는, 방전 시 황의 환원 반응과 리튬 메탈의 산화반응이 일어나며, 이 때, 황은 고리 구조의 S8로부터 선형 구조의 리튬 폴리설파이드(Li2S2, Li2S4, Li2S6, Li2S8)를 형성하게 되는데, 이러한 리튬-황 전지는 폴리설파이드(Polysulfide, PS)가 완전히 Li2S로 환원되기까지 단계적 방전 전압을 나타내는 것이 특징이다.Among these electrochemical devices, a lithium-sulfur (Li-S) battery has a high energy density and can replace a lithium ion battery having a low energy density, and thus a next-generation secondary battery that can implement an electric vehicle and a large-capacity energy storage system. It is in the limelight as one of them. The lithium-the sulfur battery, the discharge when occurs the oxidation reaction of the reducing reaction with the lithium metal of sulfur, at this time, the sulfur lithium poly linear structure from the S 8 of the ring structure sulfide (Li 2 S 2, Li 2 S 4, Li 2 S 6 and Li 2 S 8 ) are formed, and such a lithium-sulfur battery is characterized by a stepwise discharge voltage until polysulfide (PS) is completely reduced to Li 2 S.

이와 같은 리튬- 황 전지의 양극 활물질로 적용되는 황(sulfur)은 전기 전도도가 낮아 탄소 소재와 혼합하여 사용되는 것이 일반적이며(즉, 황-탄소 복합체), 많은 양의 활물질(황)을 담지하기 위해서는 탄소 소재가 고 비표면적을 가져야 한다. 하지만, 그래핀(graphene)이나 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)와 같은 탄소 소재는 단가가 높아 양극 제조 비용을 절감하기에 어려움이 있고, 탄소 소재 표면에서의 부반응은 전지 내에서 전해액 분해 등을 촉진하여 전지의 열화를 일으키는 등의 문제점이 있다. 따라서, 양극 제조 비용을 낮출 수 있고, 또한, 상기의 탄소 소재를 양극에 적용함으로써 발생하는 문제점을 해소할 수 있는 신규한 리튬 이차전지 전극용 황 함유 복합체의 개발이 요구된다.Sulfur, which is applied as a positive active material for lithium-sulfur batteries, has low electrical conductivity and is generally used in combination with a carbon material (ie, sulfur-carbon composite), and supports a large amount of active material (sulfur). To do this, the carbon material must have a high specific surface area. However, carbon materials such as graphene and carbon nanotubes (CNT) have a high unit cost, making it difficult to reduce the cost of manufacturing the positive electrode, and side reactions on the surface of the carbon material prevent electrolyte decomposition within the battery. There is a problem such as accelerating and causing deterioration of the battery. Accordingly, there is a need to develop a novel sulfur-containing composite for lithium secondary battery electrodes that can lower the manufacturing cost of the positive electrode and solve the problems arising from applying the above carbon material to the positive electrode.

따라서, 본 발명의 목적은, 양극 활물질로 적용 중인 통상의 황-탄소 복합체를 황-점토 복합체로 대체하고, 양극 내 황의 함량을 높임으로써 전지의 용량 및 에너지량을 향상시킬 수 있는, 황-카올린 복합체를 포함하는 리튬 이차전지용 양극, 그 제조방법 및 상기 양극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to replace a conventional sulfur-carbon composite being applied as a positive electrode active material with a sulfur-clay composite, and increase the amount of sulfur in the positive electrode, thereby improving the capacity and energy amount of the battery, sulfur-kaolin. It is to provide a positive electrode for a lithium secondary battery including a composite, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the positive electrode.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 고령토계 점토인 카올린; 및 상기 카올린에 담지된 황;을 포함하는 황-카올린 복합체를 포함하는 리튬 이차전지용 양극을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, kaolin-based clay kaolin; And it provides a positive electrode for a lithium secondary battery comprising a sulfur-kaolin complex containing; sulfur supported on the kaolin.

또한, 본 발명은, a) 카올린 분말 및 용매를 혼합한 후 분쇄하는 단계; b) 상기 분쇄된 혼합액에 황 분말을 첨가하여 혼합한 후 분쇄하는 단계; c) 상기 분쇄를 거친 황 함유 혼합액을 건조하는 단계; d) 상기 건조를 통하여 형성된 황-카올린 분말을 추가로 분쇄한 후 열처리하여 황-카올린 복합체를 제조하는 단계; 및 e) 상기 제조된 황-카올린 복합체를 용매에 분산시켜 슬러리를 제조한 후, 상기 슬러리를 집전체에 도포하는 단계;를 포함하는 리튬 이차전지용 양극의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of: a) mixing the kaolin powder and the solvent and then pulverizing; b) adding and mixing sulfur powder to the pulverized mixture, followed by pulverizing; c) drying the pulverized sulfur-containing mixed solution; d) further pulverizing the sulfur-kaolin powder formed through drying and then heat-treating to prepare a sulfur-kaolin complex; And e) dispersing the prepared sulfur-kaolin complex in a solvent to prepare a slurry, and then applying the slurry to a current collector; and a method of manufacturing a positive electrode for a lithium secondary battery is provided.

또한, 본 발명은, 상기 리튬 이차전지용 양극; 음극; 상기 양극과 음극의 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질;을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.In addition, the present invention, the positive electrode for the lithium secondary battery; cathode; A separator interposed between the anode and the cathode; It provides a lithium secondary battery comprising; and an electrolyte.

본 발명에 따른 황-카올린 복합체를 포함하는 리튬 이차전지용 양극, 그 제조방법 및 상기 양극을 포함하는 리튬 이차전지는, 양극 활물질로 적용 중인 통상의 황-탄소 복합체를 황-점토 복합체로 대체하고, 양극 내 황의 함량을 높임으로써 전지의 용량 및 에너지량을 향상시킬 수 있는 장점을 가진다.A positive electrode for a lithium secondary battery comprising a sulfur-kaolin composite according to the present invention, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the positive electrode, replace a conventional sulfur-carbon composite being applied as a positive electrode active material with a sulfur-clay composite, It has the advantage of improving the capacity and energy amount of the battery by increasing the sulfur content in the positive electrode.

도 1은 본 발명의 리튬 이차전지 양극에 적용되는 카올린의 기공을 평가한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 카올린과 황-카올린 복합체의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 리튬 이차전지의 개회로 전압(OCV) 변화를 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 방전용량을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 리튬 이차전지의 방전용량을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 수명특성을 보여주는 그래프이다.
1 is a graph evaluating the pores of kaolin applied to the positive electrode of a lithium secondary battery of the present invention.
2 is an image obtained by observing the surface of a kaolin and sulfur-kaolin complex according to an embodiment of the present invention with a scanning electron microscope.
3 is a graph measuring changes in open circuit voltage (OCV) of a lithium secondary battery according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
4 is a graph showing the discharge capacity of a lithium secondary battery according to the present invention.
5 is a graph showing the discharge capacity of a lithium secondary battery according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
6 is a graph showing life characteristics of a lithium secondary battery manufactured according to an embodiment and a comparative example of the present invention.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 한정되지 않는다.Hereinafter, it will be described in detail so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present invention. The present invention may be implemented in various different forms, and is not limited to this specification.

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 specification and claims should not be construed as being limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor shall appropriately define the concept of terms in order to explain his own invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be.

본 명세서에서 사용되는 용어 '복합체(composite)'란, 두 가지 이상의 재료가 조합되어 물리적, 화학적으로 서로 다른 상(phase)을 형성하면서 보다 유효한 기능을 발현하는 물질을 의미한다.The term'composite' as used herein refers to a material that exhibits a more effective function while forming a different phase physically and chemically by combining two or more materials.

본 발명은, 종래 리튬 이차전지용 양극의 단점을 보완하여, 전극에 적용되는 전체 탄소의 함량을 줄이면서도 전지의 안정적인 구동이 가능한 신규한 구조의 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지용 양극, 그 제조방법 및 상기 양극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. 보다 구체적으로, 본 발명이 제공하는 리튬 이차전지용 양극은, 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하며, 상기 양극 활물질은 황-카올린 복합체인 것을 특징으로 한다.The present invention provides a positive electrode for a lithium secondary battery including a positive electrode active material having a novel structure capable of stably driving the battery while reducing the total carbon content applied to the electrode by supplementing the disadvantages of the conventional positive electrode for a lithium secondary battery, a method of manufacturing the same, and It provides a lithium secondary battery including the positive electrode. More specifically, the positive electrode for a lithium secondary battery provided by the present invention includes a positive electrode active material, a conductive material, and a binder, and the positive electrode active material is a sulfur-kaolin composite.

리튬 이차전지용 양극Positive electrode for lithium secondary battery

리튬 이차전지의 일종인 리튬-황 전지의 경우, 양극 활물질인 황의 전기 전도도가 5.0 × 10-14 S/cm 가량으로 전극에서의 전기화학반응이 용이하지 않은 문제점으로 인하여, 전극의 전도도를 확보하고자 도전성 물질인 탄소재를 함께 적용한 '황-탄소 복합체'를 주로 사용하였다. 상기 황-탄소 복합체는 탄소계 물질과 황 입자의 결합체로서, 일반적으로 다공성의 탄소계 물질에 황 입자가 담지된 형상을 이룬다.In the case of a lithium-sulfur battery, which is a kind of lithium secondary battery, the electrical conductivity of sulfur, which is a positive electrode active material, is about 5.0 × 10 -14 S/cm. 'Sulfur-carbon composite' was mainly used, in which a conductive material, carbon material was applied together. The sulfur-carbon composite is a combination of a carbon-based material and sulfur particles, and generally forms a shape in which sulfur particles are supported on a porous carbon-based material.

이러한 리튬-황 전지의 양극은, 황의 담지를 위해 다공성의 탄소재를 담지체로서 사용하며, 전극의 도전성을 확보하고자 별도의 탄소 성분인 도전재를 포함하는 등 전극에 상당량의 탄소 성분이 포함된다. 그러나 탄소계 물질은 보통의 무기 소재에 비해 비표면적이 월등히 높아 전극 슬러리 공정에서 바인더를 흡착하여 전극 슬러리의 물성을 저해하는 문제를 야기하며, 이에, 전극 슬러리의 점도를 충분히 확보하기 위해 용매를 추가로 투입하면 슬러리의 고형분 함량이 감소하는 단점이 있다.The positive electrode of such a lithium-sulfur battery uses a porous carbon material as a carrier to support sulfur, and contains a significant amount of carbon in the electrode, such as including a conductive material, a separate carbon component, to secure the conductivity of the electrode. . However, carbon-based materials have a much higher specific surface area than ordinary inorganic materials, which causes a problem of impairing the physical properties of the electrode slurry by adsorbing a binder in the electrode slurry process. Accordingly, a solvent is added to sufficiently secure the viscosity of the electrode slurry. There is a disadvantage in that the solid content of the slurry is reduced when added to.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 양극 활물질인 황을 안정적으로 담지할 수 있으면서도 전극 내 탄소 함량을 감소시킬 수 있는 물질로, 자연계에서 얻을 수 있으며 또한 비교적 저렴한 고령토계 점토인 카올린(Kaolin)을 도입하여 상기와 같은 문제점을 해결하였다.The present invention has been devised to solve the above problems, and is a material capable of stably supporting sulfur, which is a positive electrode active material, and reducing the carbon content in the electrode, and can be obtained from nature and is a relatively inexpensive kaolin-based clay. Kaolin was introduced to solve the above problems.

즉, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극은, (황-카올린 복합체 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 리튬 이차전지용 양극으로서) 고령토계 점토인 카올린 및 상기 카올린에 담지된 황을 포함하는 황-카올린 복합체를 포함한다.That is, the positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention is (as a positive electrode for a lithium secondary battery including a sulfur-kaolin composite positive electrode active material, a conductive material, and a binder) kaolin, a kaolin-based clay, and sulfur-containing sulfur supported on the kaolin- It contains kaolin complex.

상기 카올린(Kaolin)은 다수 개의 판이 적층된 층상 구조를 가지고 있어 비표면적과 기공 부피가 여타 무기계 물질 또는 소재에 비하여 크고, 밀도는 낮아 많은 양의 황을 담지하기에 적합하다. 또한, 상기 카올린은 그 층상 구조 사이로의 양이온 삽입을 가능하게 하여 이온 전도도가 높기 때문에, 전해액-활물질 간 리튬 이온 전달이 용이하며, 또한, 흡수성이 우수하여 전해액 침투(wetting)가 빠르다는 장점도 가지고 있다. 이에 본 출원인은, 상기 카올린을 본 발명에 따른 리튬 이차전지(특히, 리튬-황 전지)의 양극에 적용하였으며, 보다 구체적으로는, 상기 카올린이 양극 내 황의 담지체로서의 역할을 하도록 한 것이다.Kaolin has a layered structure in which a plurality of plates are stacked, so that the specific surface area and pore volume are larger than those of other inorganic materials or materials, and the density is low, making it suitable for supporting a large amount of sulfur. In addition, the kaolin allows for insertion of cations into its layered structure, so that the ion conductivity is high, so it is easy to transfer lithium ions between the electrolyte and the active material, and also has the advantage of rapid wetting due to excellent absorption properties. have. Accordingly, the applicant applied the kaolin to a positive electrode of a lithium secondary battery (in particular, a lithium-sulfur battery) according to the present invention, and more specifically, the kaolin served as a support for sulfur in the positive electrode.

상기 카올린은 알루미늄과 규소의 비가 1:1인 규산염 점토 광물로서, Al2Si2O5(OH)4인 화학 조성을 가진다. 상기 카올린의 적층된 길이를 두께로 정의하고 하나의 층, 즉 단일면의 길이를 직경으로 정의할 때, 본 발명의 카올린은 두께 1 내지 10 nm, 평균 직경 100 내지 1,000 nm의 입자 크기를 가질 수 있다. 따라서, 상기 카올린의 두께 및 평균 직경이 상기 범위를 벗어나는 경우, 상기 카올린이 가진 기본적인 물성이 구현되지 않을 수 있다. 또한, 상기 카올린은 그 비표면적(specific surface area, SSA)이 100 m2/g 이상으로서, 밀도가 낮고 내부 기공이 발달하여 무기 소재임에도 높은 수준의 비표면적을 가진다.The kaolin is a silicate clay mineral in which the ratio of aluminum and silicon is 1:1, and has a chemical composition of Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 . When the stacked length of the kaolin is defined as the thickness and the length of one layer, that is, the single side is defined as the diameter, the kaolin of the present invention may have a particle size of 1 to 10 nm in thickness and 100 to 1,000 nm in average diameter. have. Therefore, when the thickness and average diameter of the kaolin are out of the above range, basic physical properties of the kaolin may not be implemented. In addition, the kaolin has a specific surface area (SSA) of 100 m 2 /g or more, has a low density and develops internal pores, and thus has a high level of specific surface area even though it is an inorganic material.

상기 황- 카올린 복합체에 있어서 상기 황의 함량은, 상기 황-카올린 복합체의 총 중량에 대하여 60 내지 80 중량%, 바람직하게는 70 내지 75 중량%일 수 있다. 만일 황의 함량이 상기 황-카올린 복합체의 총 중량에 대하여 60 중량% 미만이면 반응에 참여하는 황의 함량이 적어져 에너지 밀도가 낮아지는 문제점이 있으며, 80 중량%를 초과하는 경우에는, 카올린과 결합하지 못한 황 또는 황 화합물이 그들 간에 뭉치거나 표면으로 재용출되어 전자를 받기 용이하지 않을 수 있어, 전극 반응에 직접적으로 참여하기 어려울 수 있다.In the sulfur-kaolin complex, the sulfur content may be 60 to 80% by weight, preferably 70 to 75% by weight, based on the total weight of the sulfur-kaolin complex. If the content of sulfur is less than 60% by weight based on the total weight of the sulfur-kaolin complex, there is a problem that the content of sulfur participating in the reaction decreases and the energy density is lowered. If it exceeds 80% by weight, it is not combined with kaolin. The unstable sulfur or sulfur compound may clump between them or re-elute to the surface, making it difficult to receive electrons, and thus it may be difficult to directly participate in the electrode reaction.

한편, 양극 전체 중량을 기준으로 하였을 때의 황 함량은, 예를 들어, 황- 카올린 복합체, 도전재 및 바인더의 혼합 중량비가 85 : 10 : 5이고, 황-카올린 복합체 내 황 함량이 80 중량%일 경우, 양극 전체 중량에 대하여 최대 68 중량%(85 × 0.8 중량%)일 수 있는 등, 기존 황-탄소 복합체를 적용한 양극 대비 높은 황 함량을 가질 수 있고, 이에 따라, 용량 및 과전압 등의 전지 성능 개선을 이룰 수 있다.Meanwhile, the sulfur content based on the total weight of the positive electrode is, for example, the mixed weight ratio of the sulfur-kaolin composite, the conductive material, and the binder is 85:10:5, and the sulfur content in the sulfur-kaolin composite is 80% by weight. In this case, it may have a higher sulfur content compared to the positive electrode to which the existing sulfur-carbon composite is applied, such as which may be up to 68% by weight (85 × 0.8% by weight) based on the total weight of the positive electrode, and accordingly, a battery such as capacity and overvoltage Performance improvement can be achieved.

상기 황-카올린 복합체의 평균 입경은 1 내지 100 ㎛, 바람직하게는 5 내지 20 ㎛일 수 있다. 상기 황-카올린 복합체의 평균 입경이 1 ㎛ 미만일 경우 수분산성이 저하될 수 있고, 100 ㎛를 초과하는 경우에는, 전극 조도 편차가 커져 전극 표면의 균일성이 떨어지고, 활물질 내부로의 전해액 침투가 어려워 이온 전달 능력이 저하될 수 있다.The average particle diameter of the sulfur-kaolin composite may be 1 to 100 µm, preferably 5 to 20 µm. If the average particle diameter of the sulfur-kaolin composite is less than 1 μm, water dispersibility may be lowered, and if it exceeds 100 μm, the electrode roughness deviation increases, resulting in poor uniformity of the electrode surface, and penetration of the electrolyte into the active material is difficult. The ability to transfer ions may be reduced.

상기 카올린에 담지되는 활물질인 황은 황 원소(Elemental sulfur, S8), 황 계열 화합물 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 상기 황 계열 화합물은 구체적으로, Li2Sn(n=1), 유기 황 화합물 또는 황-탄소 복합체((C2Sx)n: x=2.5 ~ 50, n=2) 등일 수 있으며, 이와 같은 황이 카올린의 표면에 균일하게 함침되더라도 카올린은 자체 구조를 유지할 수 있다.Sulfur, which is an active material supported on the kaolin, may be elemental sulfur (S8), a sulfur-based compound, or a mixture thereof, and the sulfur-based compound is specifically, Li 2 S n (n=1), an organic sulfur compound, or It may be a sulfur-carbon complex ((C2Sx)n: x=2.5 ~ 50, n=2), and the like, and even if such sulfur is uniformly impregnated on the surface of kaolin, kaolin can maintain its own structure.

상기 황-카올린 복합체는 도전성을 더욱 확보하기 위하여 탄소재를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 탄소재의 첨가는 상기 황-카올린 복합체 구조의 유지에 영향을 주지 않는다. 상기 탄소재는 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 그래핀(Graphene), 슈퍼-피(Super-P), 슈퍼-씨(Super-C)와 같은 흑연(Graphite)계; 활성탄(Active carbon)계; 덴카 블랙(Denka black), 케첸 블랙(Ketjen black), 채널 블랙(Channel black), 퍼니스 블랙(Furnace black), 써말 블랙(Thermal black), 컨택트 블랙(Contact black), 램프 블랙(Lamp black), 아세틸렌 블랙(Acetylene black)과 같은 카본 블랙(Carbon black)계; 탄소 섬유(Carbon fiber)계, 탄소나노튜브(Carbon nanotube: CNT), 풀러렌(Fullerene)과 같은 탄소나노구조체; 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으며, 전극 내 분산성과 전도성을 고려하였을 때 탄소나노튜브가 가장 적절한 탄소재일 수 있다.The sulfur-kaolin composite may further include a carbon material to further secure conductivity. The addition of such a carbon material does not affect the maintenance of the sulfur-kaolin complex structure. The carbon material may be a graphite system such as natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, graphene, Super-P, and Super-C; Activated carbon (Active carbon) system; Denka black, Ketjen black, Channel black, Furnace black, Thermal black, Contact black, Lamp black, Acetylene Carbon black system such as black (Acetylene black); Carbon nanostructures such as carbon fiber, carbon nanotube (CNT), and fullerene; And it may be one or more selected from the group consisting of a combination thereof, and considering the dispersibility and conductivity in the electrode, carbon nanotubes may be the most appropriate carbon material.

이와 같은 탄소재가 상기 황-카올린 복합체에 추가로 포함되는 경우, 상기 탄소재의 함량은 상기 황-카올린 복합체에 포함된 카올린(분말)의 함량 100 중량부에 대하여 1 내지 13 중량부, 바람직하게는 5 내지 12 중량부, 더욱 바람직하게는 7 내지 12 중량부일 수 있다. 만일 상기 탄소재의 함량이 상기 황-카올린 복합체에 포함된 카올린(분말)의 함량 100 중량부에 대하여 1 중량부 미만이면 탄소재를 추가로 포함함으로써 얻을 수 있는 효과가 미미할 수 있고, 13 중량부를 초과하는 경우에는 황-카올린 복합체 또는 양극에 포함되는 탄소재의 비율이 상대적으로 높아져 본 발명의 취지가 저해될 우려가 있다.When such a carbon material is additionally included in the sulfur-kaolin composite, the content of the carbon material is 1 to 13 parts by weight, preferably based on 100 parts by weight of the content of kaolin (powder) included in the sulfur-kaolin composite. It may be 5 to 12 parts by weight, more preferably 7 to 12 parts by weight. If the content of the carbon material is less than 1 part by weight based on 100 parts by weight of the kaolin (powder) contained in the sulfur-kaolin composite, the effect obtained by additionally including the carbon material may be insignificant, and 13 parts by weight If it exceeds, the ratio of the carbon material contained in the sulfur-kaolin composite or the positive electrode is relatively high, and the spirit of the present invention may be impaired.

본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극은 양극 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면에 형성된 전극 활물질층을 포함하며, 상기 전극 활물질층은 상기 황-카올린 복합체를 포함하는 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 베이스 고형분을 포함할 수 있다. 상기 집전체로는 도전성이 우수한 알루미늄, 니켈 등을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 활물질의 함량은 상기 베이스 고형분 100 중량부에 대하여 50 내지 95 중량부, 바람직하게는 85 중량부 내외일 수 있다. 상기 활물질이 상기 베이스 고형분 100 중량부에 대하여 50 중량부 미만으로 포함되면 전지의 에너지량이 적어질 수 있고, 95 중량부를 초과하는 경우에는 기타 도전재 및 바인더의 함량이 상대적으로 부족하게 되어 충분한 전극 반응을 발휘하기 어려울 수 있다.The positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention includes a positive electrode current collector and an electrode active material layer formed on at least one surface of the current collector, and the electrode active material layer includes an active material including the sulfur-kaolin composite, a conductive material, and a binder. It may contain a base solid. As the current collector, it may be preferable to use aluminum or nickel having excellent conductivity. The content of the active material may be 50 to 95 parts by weight, preferably about 85 parts by weight, based on 100 parts by weight of the base solid content. If the active material is contained in an amount of less than 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the base solid content, the amount of energy of the battery may decrease, and if it exceeds 95 parts by weight, the content of other conductive materials and binders is relatively insufficient, and thus sufficient electrode reaction Can be difficult to exert.

본 발명의 양극을 구성하는 베이스 고형분 중 상기 도전재는, 전해질과 양극 활물질을 전기적으로 연결시켜 전자가 집전체(Current collector)로부터 황까지 이동하는 경로의 역할을 하는 물질로서, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 다공성 및 도전성을 갖는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 이와 같은 도전재의 예로는, KS6과 같은 흑연계 물질; 슈퍼 P(Super-P), 카본 블랙, 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙과 같은 카본 블랙; 플러렌 등의 탄소 유도체; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 등의 전도성 고분자; 및 이들의 혼합물일 수 있다.Among the base solids constituting the positive electrode of the present invention, the conductive material is a material that acts as a path for electrons to move from the current collector to sulfur by electrically connecting the electrolyte and the positive electrode active material, causing a chemical change in the battery. It is not particularly limited as long as it does not have porosity and conductivity. Examples of such a conductive material include graphite-based materials such as KS6; Carbon blacks such as Super-P, carbon black, denka black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Carbon derivatives such as fullerene; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive polymers such as polyaniline, polythiophene, polyacetylene, and polypyrrole; And mixtures thereof.

상기 도전재의 함량은 상기 베이스 고형분 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부, 바람직하게는 5 중량부 내외일 수 있다. 상기 도전재의 함량이 상기 베이스 고형분 100 중량부에 대하여 1 중량부 미만이면, 전극 내부 전자 전달 능력이 저하되어 황의 산화/환원 반응이 저하되어 전지의 용량이 감소하고 과전압이 증가할 우려가 있고, 10 중량부를 초과하는 경우에는, 고율 방전 특성은 개선되나 상대적으로 활물질 양이 감소하여 전극 에너지량이 적어질 수 있다.The content of the conductive material may be 1 to 10 parts by weight, preferably 5 parts by weight, based on 100 parts by weight of the base solid content. If the content of the conductive material is less than 1 part by weight based on 100 parts by weight of the base solid, the electron transfer capacity inside the electrode decreases, thereby reducing the oxidation/reduction reaction of sulfur, thereby reducing the capacity of the battery and increasing the overvoltage. When it exceeds a part by weight, the high rate discharge characteristic is improved, but the amount of the active material is relatively reduced, so that the amount of electrode energy may decrease.

본 발명의 양극을 구성하는 베이스 고형분 중 상기 바인더는, 양극을 형성하는 베이스 고형분의 슬러리 조성물을 집전체에 잘 부착하기 위하여 사용되는 물질로서, 용매에 잘 용해되고, 양극 활물질과 도전재와의 도전 네트워크를 잘 구성할 수 있는 물질이면 좋다. 특별한 제한이 없는 한, 당해 업계에 공지된 모든 바인더들을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 폴리(비닐)아세테이트, 폴리비닐 알코올, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 피롤리돈, 알킬레이티드 폴리에틸렌 옥사이드, 가교 결합된 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 에테르, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리비닐리덴플루오라이드의 코폴리머(상품명: Kynar), 폴리(에틸 아크릴레이트), 폴리테트라플루오로에틸렌폴리비닐클로라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리스티렌, 카르복시메틸 셀룰로오즈, 폴리디메틸실록세인과 같은 실록세인계, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부티디엔 고무, 스티렌-이소프렌 고무를 포함하는 고무계 바인더, 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트와 같은 에틸렌글리콜계 및 이들의 유도체, 이들의 블랜드, 이들의 공중합체 등을 예시할 수 있다.Among the base solids constituting the positive electrode of the present invention, the binder is a material used to adhere well the slurry composition of the base solids forming the positive electrode to the current collector, and is well soluble in a solvent, and conducts conduction between the positive electrode active material and the conductive material. Any material that can construct a network well is good. Unless otherwise specified, all binders known in the art can be used, for example, poly(vinyl)acetate, polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, alkylated polyethylene oxide, crosslinked Polyethylene oxide, polyvinyl ether, poly(methyl methacrylate), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, polyvinylidene fluoride copolymer (trade name: Kynar), poly(ethyl acrylate) , Polytetrafluoroethylene polyvinyl chloride, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, polyvinylpyridine, polystyrene, carboxymethyl cellulose, siloxanes such as polydimethylsiloxane, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile- Examples thereof include a rubber-based binder including butadiene rubber, styrene-isoprene rubber, ethylene glycol-based such as polyethylene glycol diacrylate, and derivatives thereof, blends thereof, and copolymers thereof.

상기 바인더의 함량은 상기 베이스 고형분 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부, 바람직하게는 5 중량부 내외일 수 있다. 상기 바인더의 함량이 상기 베이스 고형분 100 중량부에 대하여 1 중량부 미만이면 양극의 물리적 성질이 저하되어 양극 활물질과 도전재가 탈락할 수 있고, 10 중량부를 초과하는 경우에는 양극에서 활물질과 도전재의 비율이 상대적으로 감소되어 전지 용량이 감소될 수 있다.The content of the binder may be 1 to 10 parts by weight, preferably about 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the base solid content. If the content of the binder is less than 1 part by weight based on 100 parts by weight of the base solid content, the physical properties of the positive electrode may be deteriorated, so that the positive electrode active material and the conductive material may fall off. If it exceeds 10 parts by weight, the ratio of the active material and the conductive material in the positive electrode is It is relatively reduced so that the battery capacity can be reduced.

리튬 이차전지용 양극의 제조방법Method of manufacturing positive electrode for lithium secondary battery

다음으로, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극의 제조방법에 대하여 설명한다. 상기 리튬 이차전지용 양극의 제조방법은, a) 카올린 분말 및 용매를 혼합한 후 분쇄하는 단계, b) 상기 분쇄된 혼합액에 황 분말을 첨가하여 혼합한 후 분쇄하는 단계, c) 상기 분쇄를 거친 황 함유 혼합액을 건조하는 단계, d) 상기 건조를 통하여 형성된 황-카올린 분말을 추가로 분쇄한 후 열처리하여 황-카올린 복합체를 제조하는 단계 및 e) 상기 제조된 황-카올린 복합체를 용매에 분산시켜 슬러리를 제조한 후, 상기 슬러리를 집전체에 도포하는 단계를 포함하며, 상기 a) 단계의 혼합 시에는, 도전성을 더욱 확보하기 위한 탄소재가 추가로 첨가될 수 있다(탄소재에 대한 설명은 전술한 바를 준용한다).Next, a method of manufacturing a positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention will be described. The manufacturing method of the positive electrode for a lithium secondary battery includes: a) mixing and pulverizing kaolin powder and a solvent, b) adding sulfur powder to the pulverized mixture, mixing and pulverizing, c) the pulverized sulfur Drying the containing mixed solution, d) further pulverizing the sulfur-kaolin powder formed through the drying, followed by heat treatment to prepare a sulfur-kaolin complex, and e) dispersing the prepared sulfur-kaolin complex in a solvent to obtain a slurry After manufacturing, it includes the step of applying the slurry to the current collector, and at the time of mixing in step a), a carbon material to further secure conductivity may be additionally added (the description of the carbon material is described above. Bar mutatis mutandis).

상기 a) 단계의 용매는 에탄올 등의 알코올계 화합물이나 물 등 통상적인 용매일 수 있다. 상기 a), b) 및 d) 단계의 분쇄는 볼 밀링(ball millimg) 방식 등, 통상적인 분쇄 방식에 의하여 수행될 수 있으나, 상기 a) 단계의 분쇄는 30 분 내지 3 시간 동안 수행될 수 있고, 상기 b) 단계의 분쇄는 10 내지 36 시간 동안 수행될 수 있으며, 상기 d) 단계의 분쇄는 10 분 내지 5 시간 동안 수행될 수 있다. 또한, 상기 c) 단계의 건조는 60 내지 90 ℃의 온도 하에서 수행될 수 있고, 상기 d) 단계의 열처리는 100 내지 200 ℃의 온도 하에서 수행될 수 있다.The solvent in step a) may be an alcohol-based compound such as ethanol or a conventional solvent such as water. The grinding of steps a), b) and d) may be performed by a conventional grinding method such as a ball milling method, but the grinding of step a) may be performed for 30 minutes to 3 hours, and , The pulverization of step b) may be performed for 10 to 36 hours, and the pulverization of step d) may be performed for 10 minutes to 5 hours. In addition, the drying in step c) may be performed under a temperature of 60 to 90 °C, and the heat treatment in step d) may be performed under a temperature of 100 to 200 °C.

그밖에, 상기 e) 단계의 황-카올린 복합체(양극 활물질)를 용매에 분산시켜 슬러리(조성물)를 제조하고, 제조된 슬러리를 집전체에 도포하는 과정은 통상의 양극 제조방법에 의할 수 있으며, 필요에 따라, 황-카올린 복합체 이외에 바인더, 도전재 및 분산제 중 어느 하나 이상까지 용매에 분산시킬 수 있고, 슬러리를 집전체에 도포한 후에는 전극 밀도의 향상을 위하여 집전체를 압축 성형하는 공정, 그리고 건조 공정이 추가로 수행될 수 있다In addition, the sulfur-kaolin complex (positive electrode active material) of step e) is dispersed in a solvent to prepare a slurry (composition), and the process of applying the prepared slurry to a current collector may be performed by a conventional positive electrode manufacturing method, If necessary, in addition to the sulfur-kaolin composite, any one or more of a binder, a conductive material, and a dispersant can be dispersed in a solvent, and after applying the slurry to the current collector, the current collector is compression-molded to improve the electrode density, And the drying process may be additionally performed.

상기 e) 단계의 슬러리 도포(코팅) 방법에는 특별한 제한이 없으며, 예를 들어, 닥터 블레이드 코팅(Doctor blade coating), 딥 코팅(Dip coating), 그라비어 코팅(Gravure coating), 슬릿 다이 코팅(Slit die coating), 스핀 코팅(Spin coating), 콤마 코팅(Comma coating), 바 코팅(Bar coating), 리버스 롤 코팅(Reverse roll coating), 스크린 코팅(Screen coating) 또는 캡 코팅(Cap coating) 방법 등에 의할 수 있다.There is no particular limitation on the method of applying (coating) the slurry in step e), for example, Doctor blade coating, Dip coating, Gravure coating, Slit die coating coating), spin coating, comma coating, bar coating, reverse roll coating, screen coating or cap coating method, etc. I can.

상기 e) 단계의 용매로는 양극 활물질 등을 균일하게 분산시킬 수 있는 것을 사용한다. 이러한 용매로는 수계 용매로서 물이 가장 바람직하며, 이때 물은 2차 증류한 DW(Distilled Water) 또는 3차 증류한 DIW(Deionzied Water)일 수 있다. 다만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라, 물과 쉽게 혼합이 가능한 저급 알코올이 사용될 수 있다. 상기 저급 알코올로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올 및 부탄올 등을 예로 들 수 있으며, 물과 함께 혼합하여 사용될 수 있다.As the solvent in step e), one capable of uniformly dispersing a positive electrode active material or the like is used. As such a solvent, water is most preferable as an aqueous solvent, and in this case, the water may be secondary distilled DW (Distilled Water) or tertiary distilled DIW (Deionzied Water). However, it is not necessarily limited thereto, and if necessary, a lower alcohol that can be easily mixed with water may be used. Examples of the lower alcohol include methanol, ethanol, propanol, isopropanol and butanol, and may be used by mixing with water.

상기 황-카올린 복합체를 포함하는 양극 활물질 층의 기공도는 30 내지 90 %, 바람직하게는 40 내지 80 %, 더욱 바람직하게는 50 내지 70 %일 수 있다. 상기 양극 활물질층의 기공도가 30 %에 미치지 못하는 경우에는 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 베이스 고형분의 충진도가 지나치게 높아져서 활물질 사이에 이온 전도 및/또는 전기 전도를 나타낼 수 있는 충분한 전해액이 유지될 수 없게 되어 전지의 출력 특성이나 사이클 특성이 저하될 수 있으며, 전지의 과전압 및 방전 용량 감소 현상이 발생할 수 있다. 또한, 상기 양극 활물질층의 기공도가 90 %를 초과하여 지나치게 높은 기공도를 갖는 경우에는, 집전체와 물리적/전기적 연결이 낮아져 접착력이 저하되고 반응이 어려워지는 등, 전극 두께 증가로 인한 부피당 에너지 밀도가 감소하고 기공을 채우기 위한 필요 전해액이 증가하여 무게당 에너지 밀도가 감소할 수 있다. 한편, 상기 기공도는 핫프레스법, 롤프레스법, 판프레스법 또는 롤라미네이트법에 의해 수행될 수 있다.The porosity of the positive electrode active material layer including the sulfur-kaolin composite may be 30 to 90%, preferably 40 to 80%, and more preferably 50 to 70%. When the porosity of the positive electrode active material layer is less than 30%, the filling degree of the base solid content including the active material, the conductive material, and the binder becomes too high to maintain a sufficient electrolyte solution capable of showing ionic conduction and/or electrical conduction between the active materials. As a result, output characteristics or cycle characteristics of the battery may be deteriorated, and overvoltage and discharge capacity of the battery may decrease. In addition, when the porosity of the positive electrode active material layer exceeds 90% and has an excessively high porosity, the physical/electrical connection with the current collector is lowered, resulting in a decrease in adhesion and difficulty in reaction. The energy density per weight can decrease as the density decreases and the electrolyte required to fill the pores increases. Meanwhile, the porosity may be performed by a hot press method, a roll press method, a plate press method, or a roll lamination method.

또한, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극 내 탄소의 함량은, 양극 활물질층의 총 중량에 대하여 1 내지 15 중량%일 수 있다. 상기 탄소의 함량이 양극 활물질층의 총 중량에 대하여 1 중량% 미만일 경우, 전극의 도전성이 충분히 확보되지 않아 전지의 안정적인 구동이 어려울 수 있고, 상기 탄소의 함량이 15 중량%를 초과하는 경우에는, 전해액의 분해가 가속화되며, 전해액에 포함된 용매 또는 염(salt)이 분해되어 리튬 이차전지의 수명을 감축시키는 부산물이 생성될 수 있다. 한편, 상기 탄소 함량은, 리튬 이차전지 양극에 포함된 전체 탄소계 물질의 총량을 의미하는 것으로서, 예를 들어, 황-카올린 복합체에 추가로 포함 가능한 탄소재의 함량 및 도전재의 함량을 합한 것일 수 있다.In addition, the content of carbon in the positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention may be 1 to 15% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer. When the content of carbon is less than 1% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer, it may be difficult to stably drive the battery because the conductivity of the electrode is not sufficiently secured, and when the content of carbon exceeds 15% by weight, The decomposition of the electrolyte solution is accelerated, and the solvent or salt contained in the electrolyte is decomposed to generate by-products that reduce the life of the lithium secondary battery. Meanwhile, the carbon content refers to the total amount of the total carbon-based material contained in the lithium secondary battery positive electrode, and may be, for example, the sum of the content of the carbon material and the content of the conductive material that may be additionally included in the sulfur-kaolin composite. have.

한편, 전극에 탄소재의 함량이 늘어날수록 탄소재의 비표면적과 질량에 비례하여 반응 표면적이 증가하게 되고, 결국에는 전지의 수명이 감소하는 문제가 발생한다. 또한, 밀도가 낮은 탄소가 포함되면 그 함량이 늘어날수록 전극의 부피가 늘어나고 두께가 두꺼워지는데, 이는 전지의 부피당 에너지 밀도를 감소시키는 원인이 된다. 이를 해결하기 위하여, 롤-프레스(roll press) 등 압연 과정을 진행할 수 있으나, 과 포함된 탄소로 인해 전극의 탄성력이 증가하여 압연 후 스프링 백(spring-back) 현상이 일어나거나, 압연 과정 중에 전극 구조의 변형 및 이로 인한 도전 경로(path)의 단전과 같은 문제도 발생하게 된다.On the other hand, as the content of the carbon material in the electrode increases, the reaction surface area increases in proportion to the specific surface area and mass of the carbon material, and eventually the life of the battery decreases. In addition, when carbon with a low density is included, the volume of the electrode increases and the thickness of the electrode increases as the content increases, which causes a decrease in the energy density per volume of the battery. To solve this problem, a rolling process such as a roll press can be performed, but the elastic force of the electrode increases due to carbon contained in and a spring-back phenomenon occurs after rolling, or during the rolling process, the electrode Problems such as deformation of the structure and disconnection of a conductive path due to this also occur.

이에 본 출원인은, 상기와 같은 탄소재로 인한 문제점을 해결하기 위하여, 리튬 이차전지 양극의 황 담지체로서 탄소재 대신 고령토계 점토인 카올린을 적용하여 전극의 탄소 함량을 감소시킨 것이며, 이를 통하여, 황 담지체로 가장 흔하게 사용되고 별도의 합성이 필요한 고가의 탄소나노튜브를 배제할 수 있다.Accordingly, in order to solve the above problems caused by the carbon material, the applicant of the present invention reduced the carbon content of the electrode by applying kaolin, which is a kaolin-based clay, instead of a carbon material as a sulfur carrier of the positive electrode of a lithium secondary battery. It is the most commonly used sulfur carrier and can exclude expensive carbon nanotubes that require separate synthesis.

리튬 이차전지Lithium secondary battery

마지막으로, 본 발명에 따른 리튬 이차전지에 대하여 설명한다. 상기 리튬 이차전지는, 전술한 리튬 이차전지용 양극, 음극, 상기 양극과 음극의 사이에 개재되는 분리막 및 전해질을 포함하며, 리튬-황 전지, 리튬 공기 전지 및 리튬 메탈 전지 등, 당업계에 알려진 모든 리튬 기반의 이차전지를 예로 들 수 있고, 이 중 리튬-황 전지인 것이 바람직하다. 상기 양극 이외에, 리튬 이차전지에 적용되는 나머지 음극, 분리막 및 전해질은 당업계에서 사용하는 통상의 것일 수 있고, 이에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 한다.Finally, a lithium secondary battery according to the present invention will be described. The lithium secondary battery includes the above-described positive electrode for a lithium secondary battery, a negative electrode, a separator and an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode, and all known in the art, such as a lithium-sulfur battery, a lithium air battery, and a lithium metal battery. Lithium-based secondary batteries may be exemplified, and among them, lithium-sulfur batteries are preferred. In addition to the positive electrode, the remaining negative electrode, separator, and electrolyte applied to the lithium secondary battery may be conventional ones used in the art, and a detailed description thereof will be described later.

이러한 양극, 분리막 및 음극이 순차적으로 적층된 전극 조립체를 제조한 후, 이를 전지 케이스에 넣은 다음, 케이스의 상부에 전해액을 주입하고 캡 플레이트 및 가스켓으로 밀봉하여 조립하여 리튬 이차전지를 제조할 수 있다. 상기 리튬 이차전지의 형태는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 젤리-롤형, 스택형, 스택-폴딩형(스택-Z-폴딩형 포함) 또는 라미네이션-스택형일 수 있으며, 이 중 스택-폴딩형이 바람직할 수 있다. 상기 리튬 이차전지는 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.After manufacturing an electrode assembly in which such a positive electrode, a separator, and a negative electrode are sequentially stacked, it is put in a battery case, and then an electrolyte is injected into the upper part of the case, and then assembled by sealing with a cap plate and a gasket to manufacture a lithium secondary battery. . The shape of the lithium secondary battery is not particularly limited, and may be, for example, a jelly-roll type, a stack type, a stack-folding type (including a stack-Z-folding type) or a lamination-stack type, of which the stack-folding type is It may be desirable. The lithium secondary battery may be classified into a cylindrical type, a square type, a coin type, a pouch type, etc. according to the shape, and may be divided into a bulk type and a thin film type according to the size. The structure and manufacturing method of these batteries are well known in this field, and thus detailed descriptions are omitted.

또한, 본 발명의 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지 셀에 적용됨은 물론, 중대형 디바이스의 전원인 전지모듈의 단위전지로도 적합하게 사용될 수 있다. 이러한 측면에서, 본 발명은 또한 상기 리튬 이차전지 2개 이상이 전기적으로 연결(직렬 또는 병렬)되어 포함된 전지모듈을 제공한다. 상기 전지모듈에 포함되는 리튬 이차전지의 수량은, 전지모듈의 용도 및 용량 등을 고려하여 다양하게 조절될 수 있음은 물론이다.In addition, the lithium secondary battery of the present invention is not only applied to a battery cell used as a power source of a small device, but also can be suitably used as a unit cell of a battery module that is a power source of a medium-large device. In this aspect, the present invention also provides a battery module including two or more lithium secondary batteries electrically connected (series or parallel). It goes without saying that the number of lithium secondary batteries included in the battery module may be variously adjusted in consideration of the use and capacity of the battery module.

나아가, 본 발명은 당 분야의 통상적인 기술에 따라 상기 전지모듈을 전기적으로 연결한 전지팩을 제공한다. 상기 전지모듈 및 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용 가능하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Furthermore, the present invention provides a battery pack in which the battery modules are electrically connected according to conventional techniques in the art. The battery module and the battery pack may include a power tool; Electric vehicles including electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); Electric truck; Electric commercial vehicles; Alternatively, it can be used as a power supply for any one or more medium and large devices among the power storage systems, but is not limited thereto.

이하, 본 발명에 따른 리튬 이차전지에 적용되는 음극, 분리막 및 전해질에 대한 설명을 부가한다.Hereinafter, a description of the negative electrode, the separator, and the electrolyte applied to the lithium secondary battery according to the present invention will be added.

음극cathode

음극으로는 리튬이온을 흡장 및 방출할 수 있는 것을 모두 사용할 수 있으며, 예를 들어, 리튬 금속, 리튬 합금 등의 금속재와, 저결정 탄소, 고결정성 탄소 등의 탄소재를 예시할 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(Soft carbon) 및 경화탄소(Hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시 흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(Pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소섬유(Mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(Meso-carbon microbeads), 액정피치(Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스(Petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성 탄소가 대표적이다. 이 외에, 실리콘이 포함된 얼로이 계열이나 Li4Ti5O12 등의 산화물도 잘 알려진 음극이다. As the negative electrode, any one capable of occluding and releasing lithium ions can be used, and examples thereof include metal materials such as lithium metal and lithium alloys, and carbon materials such as low crystalline carbon and high crystalline carbon. Soft carbon and hard carbon are typical examples of low-crystalline carbon, and natural graphite, kish graphite, pyrolytic carbon, and liquid crystal pitch-based carbon fiber are high-crystalline carbon. (Mesophase pitch based carbon fiber), carbon microspheres (Meso-carbon microbeads), liquid crystal pitches (Mesophase pitches), and high-temperature calcined carbon such as Petroleum or coal tar pitch derived cokes are typical. In addition, silicon-containing alloys or oxides such as Li 4 Ti 5 O 12 are also well-known cathodes.

이때, 음극은 결착제를 포함할 수 있으며, 결착제로는 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate), 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 등, 다양한 종류의 바인더 고분자가 사용될 수 있다.At this time, the negative electrode may include a binder, and as the binder, polyvinylidenefluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), and polyacrylonitrile (Polyacrylonitrile), polymethylmethacrylate (Polymethylmethacrylate), styrene-butadiene rubber (SBR), and various kinds of binder polymers can be used.

상기 음극은 상기 음극 활물질 및 바인더를 포함하는 음극 활성층의 지지를 위한 음극 집전체를 선택적으로 더 포함할 수도 있다. 상기 음극 집전체는 구체적으로 구리, 스테인리스스틸, 티타늄, 은, 팔라듐, 니켈, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다. 상기 스테인리스스틸은 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면 처리될 수 있으며, 상기 합금으로는 알루미늄-카드뮴 합금이 사용될 수 있다. 그 외에도 소성 탄소, 도전제로 표면 처리된 비전도성 고분자, 또는 전도성 고분자 등이 사용될 수도 있다.The negative electrode may optionally further include a negative electrode current collector for supporting the negative electrode active layer including the negative electrode active material and the binder. The negative electrode current collector may be specifically selected from the group consisting of copper, stainless steel, titanium, silver, palladium, nickel, alloys thereof, and combinations thereof. 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 agent, or a conductive polymer may be used.

상기 바인더는 음극 활물질의 페이스트화, 활물질간 상호 접착, 활물질과 집전체와의 접착, 활물질 팽창 및 수축에 대한 완충 효과 등의 역할을 한다. 구체적으로 상기 바인더는 앞서 양극의 바인더에서 설명한 바와 동일하다. 또한 상기 음극은 리튬 금속 또는 리튬 합금일 수 있다. 비제한적인 예로, 음극은 리튬 금속의 박막일 수도 있으며, 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속과의 합금일 수 있다.The binder serves as a paste of the negative active material, mutual adhesion between the active materials, adhesion between the active material and the current collector, and a buffering effect on expansion and contraction of the active material. Specifically, the binder is the same as described above for the binder of the positive electrode. In addition, the negative electrode may be a lithium metal or a lithium alloy. As a non-limiting example, the negative electrode may be a thin film of lithium metal, and lithium and one selected from the group consisting of Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al, and Sn It may be an alloy with the above metals.

분리막Separator

분리막은 양극과 음극 사이에 개재되어 이들 사이의 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 역할을 한다. 상기 분리막으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 올레핀계 폴리머, 유리섬유 등을 시트, 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포 등의 형태로 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질(예컨대, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등)이 사용되는 경우에는 상기 고체 전해질이 분리막의 역할도 겸할 수도 있다. 구체적으로는, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막을 사용한다. 한편, 분리막에는 리튬 이온이 이동하는 기공이 형성되어 있으며, 이와 같은 기공의 직경은 0.01 내지 10 ㎛, 두께는 5 내지 300 ㎛일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The separator is interposed between the anode and the cathode to prevent a short circuit therebetween and serves to provide a passage for lithium ions to move. As the separator, olefin-based polymers such as polyethylene and polypropylene, glass fibers, etc. may be used in the form of sheets, multi-membrane, microporous films, woven fabrics and non-woven fabrics, but are not limited thereto. Meanwhile, when a solid electrolyte such as a polymer (eg, organic solid electrolyte, inorganic solid electrolyte, etc.) is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator. Specifically, an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. Meanwhile, pores through which lithium ions move are formed in the separator, and the pores may have a diameter of 0.01 to 10 μm and a thickness of 5 to 300 μm, but are not limited thereto.

전해질Electrolyte

전해질은 리튬염을 함유하는 비수계 전해질로서 리튬염과 전해액으로 구성되어 있으며, 전해액으로는 비수계 유기 용매, 유기 고체 전해질 및 무기 고체 전해질 등이 사용된다. 상기 리튬염은 비수계 유기 용매에 쉽게 용해될 수 있는 물질로서, 예컨대, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiB(Ph)4, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, LiSO3CH3, LiSO3CF3, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, LiN(CF3SO2)2, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬, 리튬 이미드로 이루어진 군으로부터 하나 이상일 수 있다.The electrolyte is a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, and is composed of a lithium salt and an electrolytic solution. As the electrolyte, a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used. 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 , 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, chloroborane lithium, lower aliphatic It may be one or more from the group consisting of lithium carboxylate, lithium 4-phenyl borate, and lithium imide.

상기 리튬염의 농도는, 전해질 혼합물의 정확한 조성, 염의 용해도, 용해된 염의 전도성, 전지의 충전 및 방전 조건, 작업 온도 및 리튬 배터리 분야에 공지된 다른 요인과 같은 여러 요인에 따라, 0.2 내지 2 M, 바람직하게는 0.6 내지 2 M, 더욱 바람직하게는 0.7 내지 1.7 M일 수 있다. 만약, 리튬염의 농도가 상기 범위 미만이면 전해질의 전도도가 낮아져서 전해질 성능이 저하될 수 있고, 상기 범위 초과이면 전해질의 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 0.2 to 2 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 charging and discharging conditions of the battery, the working temperature and other factors known in the lithium battery field, It may be preferably 0.6 to 2 M, more preferably 0.7 to 1.7 M. If the concentration of the lithium salt is less than the above range, the conductivity of the electrolyte may be lowered and the electrolyte performance may be deteriorated.If the concentration of the lithium salt is greater than the above range, the viscosity of the electrolyte may increase and the mobility of lithium ions (Li+) may decrease. It is desirable to choose the concentration.

상기 비수계 유기 용매는 리튬염을 잘 용해시킬 수 있는 물질로서, 바람직하기로 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 1,2-디부톡시에탄, 디옥솔란(Dioxolane, DOL), 1,4-디옥산, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸프로필카보네이트(MPC), 에틸프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 부틸에틸카보네이트, 에틸프로파노에이트(EP), 톨루엔, 자일렌, 디메틸에테르(dimethyl ether, DME), 디에틸에테르, 트리에틸렌글리콜모노메틸에테르(Triethylene glycol monomethyl ether, TEGME), 디글라임, 테트라글라임, 헥사메틸 포스포릭 트리아마이드(hexamethyl phosphoric triamide), 감마부티로락톤(GBL), 아세토니트릴, 프로피오니트릴, 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), N-메틸피롤리돈, 3-메틸-2-옥사졸리돈, 아세트산에스테르, 부티르산에스테르 및 프로피온산에스테르, 디메틸포름아마이드, 설포란(SL), 메틸설포란, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, 디메틸설페이트, 에틸렌글리콜 디아세테이트, 디메틸설파이트, 또는 에틸렌글리콜설파이트 등의 비양자성 유기 용매가 사용될 수 있으며, 이들 중 하나 또는 둘 이상의 혼합 용매 형태로 사용될 수 있다.The non-aqueous organic solvent is a material capable of dissolving a lithium salt well, preferably 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane, dioxolane (DOL ), 1,4-dioxane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate (MPC), ethyl propyl carbonate , Dipropyl carbonate, butyl ethyl carbonate, ethyl propanoate (EP), toluene, xylene, dimethyl ether (dimethyl ether, DME), diethyl ether, triethylene glycol monomethyl ether (Triethylene glycol monomethyl ether, TEGME), Diglyme, tetraglyme, hexamethyl phosphoric triamide, gamma butyrolactone (GBL), acetonitrile, propionitrile, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), N-methylpi Rolidone, 3-methyl-2-oxazolidone, acetic acid ester, butyric acid ester and propionic acid ester, dimethylformamide, sulfolane (SL), methylsulfolane, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, dimethyl sulfate, ethylene glycol di An aprotic organic solvent such as acetate, dimethyl sulfite, or ethylene glycol sulfite may be used, and one or two or more of them may be used in the form of a mixed solvent.

상기 유기 고체 전해질로는 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(Agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 무기 고체 전해질로는 Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물 및 황산염 등을 예시할 수 있다.The organic solid electrolyte includes a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, a poly etch lysine, a polyester sulfide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene fluoride, an ionic dissociation group. Polymers and the like can be used. The inorganic solid electrolyte of the present invention includes Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 SiO Nitrides, halides and sulfates of Li such as 4 -LiI-LiOH and Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 can be exemplified.

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 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments are presented to aid in the understanding of the present invention, but the following examples are only illustrative of the present invention, and it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention, It is natural that such changes and modifications fall within the scope of the appended claims.

[제조예 1] 황-카올린 복합체의 제조 [Preparation Example 1] Preparation of sulfur-kaolin complex

먼저, 에탄올(용매) 200 mL, 카올린 분말(Kaolin nanoclay, SIGMA-ALDRICH 社) 5.6 g 및 탄소나노튜브(CNT) 분말 0.4 g을 혼합한 후 지르코니아 볼을 이용하여 약 2 시간 동안 분쇄하였으며, 상기 분쇄된 혼합액에 황 분말 14 g을 첨가하여 혼합한 후 약 24 시간 동안 추가로 분쇄하였다. 이어서, 상기 2회의 분쇄를 거친 반죽 형태의 혼합액을 체로 걸러 지르코니아 볼을 제거한 후, 걸러진 혼합액을 80 ℃의 오븐에 넣어 수 시간 동안 건조하였다. 마지막으로, 건조되어 굳은 황-카올린 분말을 mortar로 분쇄한 후, 30 분간 155 ℃의 오븐 내 열처리를 통하여 황-카올린 복합체를 제조하였다(복합체 내 황 함량: 70 wt%).First, 200 mL of ethanol (solvent), 5.6 g of kaolin powder (Kaolin nanoclay, SIGMA-ALDRICH) and 0.4 g of carbon nanotube (CNT) powder were mixed, and then pulverized for about 2 hours using a zirconia ball, and the pulverization 14 g of sulfur powder was added to the resulting mixture, mixed, and further pulverized for about 24 hours. Subsequently, the mixture in the form of a dough that had been pulverized twice was sifted to remove zirconia balls, and the filtered mixture was put in an oven at 80° C. and dried for several hours. Finally, the dried and hardened sulfur-kaolin powder was pulverized with a mortar, and then a sulfur-kaolin composite was prepared through heat treatment in an oven at 155° C. for 30 minutes (sulfur content in the composite: 70 wt%).

[제조예 2] 황-카올린 복합체의 제조 [Production Example 2] Preparation of sulfur-kaolin complex

복합체 내 황의 함량이 75 중량%가 되도록, 카올린 분말과 CNT 분말의 첨가량 총합을 6 g에서 5 g으로(카올린: 4.6 g, CNT: 0.4 g), 황 분말 첨가량을 14 g에서 15 g으로 각각 변경한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일하게 수행하여 황-카올린 복합체를 제조하였다.The total amount of kaolin powder and CNT powder added was changed from 6 g to 5 g (kaolin: 4.6 g, CNT: 0.4 g) and sulfur powder added from 14 g to 15 g so that the sulfur content in the composite was 75% by weight. Except for the one, a sulfur-kaolin complex was prepared in the same manner as in Preparation Example 1.

[제조예 3] 황-카올린 복합체의 제조 [Preparation Example 3] Preparation of sulfur-kaolin complex

복합체 내 황의 함량이 80 중량%가 되도록, 카올린 분말과 CNT 분말의 첨가량 총합을 6 g에서 4 g으로(카올린: 3.6 g, CNT: 0.4 g), 황 분말 첨가량을 14 g에서 16 g으로 각각 변경한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일하게 수행하여 황-카올린 복합체를 제조하였다.Change the total amount of kaolin powder and CNT powder added from 6 g to 4 g (kaolin: 3.6 g, CNT: 0.4 g) and sulfur powder added from 14 g to 16 g so that the sulfur content in the composite is 80% by weight. Except for the one, a sulfur-kaolin complex was prepared in the same manner as in Preparation Example 1.

[비교 제조예 1] 황-탄소 복합체의 제조 [Comparative Preparation Example 1] Preparation of sulfur-carbon composite

탄소나노튜브(CNT) 20 g과 황 80 g을 혼합한 후 지르코니아 볼을 이용하여 약 2 시간 동안 분쇄하였으며, 이어서, 30 분간 155 ℃의 오븐 내 열처리를 통하여 황-탄소 복합체를 제조하였다(복합체 내 황 함량: 80 wt%).After mixing 20 g of carbon nanotubes (CNT) and 80 g of sulfur, they were pulverized for about 2 hours using a zirconia ball, and then a sulfur-carbon composite was prepared through heat treatment in an oven at 155° C. for 30 minutes (in the composite Sulfur content: 80 wt%).

[실험예 1] 카올린의 기공 평가 [Experimental Example 1] Pore evaluation of kaolin

상기 제조예 1 내지 3에 공통적으로 사용된 카올린의 기공을 평가하기 위하여 BET 분석을 진행하였다. 도 1은 본 발명의 리튬 이차전지 양극에 적용되는 카올린의 기공을 평가한 그래프로서, 도 1의 a는 흡착/탈착 곡선(curve)이고, 도 1의 b는 BJH plot이다.In order to evaluate the pores of kaolin commonly used in Preparation Examples 1 to 3, BET analysis was performed. FIG. 1 is a graph evaluating the pores of kaolin applied to the positive electrode of a lithium secondary battery of the present invention. FIG. 1A is an adsorption/desorption curve, and FIG. 1B is a BJH plot.

상기와 같이, 카올린의 기공을 평가하기 위하여 BET 분석을 진행한 결과, 도 1에 도시된 바와 같이, 카올린 내 기공 구조는 대부분 mesopore/macropore의 큰 기공으로 이루어져 있어 전해액의 출입이 용이할 것이란 걸 예측할 수 있었다.As described above, as a result of performing BET analysis to evaluate the pores of kaolin, as shown in FIG. 1, it is predicted that the pore structure in kaolin is mostly composed of large pores of mesopore/macropore, so that the access of the electrolyte solution will be easy. Could

또한, 상기의 카올린을 BET 분석하여 카올린의 비표면적, 기공 부피 및 기공 크기를 측정하였다. 측정 결과, 카올린의 비표면적(SSA)은 약 190 m2/g, 기공 부피(Pore V)는 약 1.48 cm3/g, 기공 크기(Mean pore diameter)는 31.3 nm였으며, 이로부터, 카올린은 밀도가 낮고 내부 기공이 발달하여, 무기 소재임에도 높은 수준의 비표면적 및 기공 부피를 나타내는 것을 알 수 있었다.In addition, the kaolin was subjected to BET analysis to measure the specific surface area, pore volume, and pore size of kaolin. As a result of the measurement, the specific surface area (SSA) of kaolin was about 190 m 2 /g, the pore volume (Pore V) was about 1.48 cm 3 /g, and the mean pore diameter was 31.3 nm, from which kaolin was in density. Is low and internal pores are developed, indicating a high level of specific surface area and pore volume even though it is an inorganic material.

[실험예 2] 카올린 및 황-카올린 복합체의 표면 평가 [Experimental Example 2] Surface evaluation of kaolin and sulfur-kaolin complex

상기 제조예 1 내지 3에 공통적으로 사용된 카올린 및 상기 제조예 1에서 제조된 황-카올린 복합체의 표면을 평가하기 위하여 각 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 카올린과 황-카올린 복합체의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지로서, 도 2의 a는 상기 제조예 1 내지 3에 공통적으로 사용된 카올린의 표면을 관찰한 SEM 이미지이고, 도 2의 b는 상기 제조예 1에서 제조된 황-카올린 복합체의 표면을 관찰한 SEM 이미지이다.In order to evaluate the surfaces of the kaolin commonly used in Preparation Examples 1 to 3 and the sulfur-kaolin complex prepared in Preparation Example 1, each surface was observed with a scanning electron microscope (SEM). FIG. 2 is an image obtained by observing the surface of the kaolin and sulfur-kaolin complex according to an embodiment of the present invention with a scanning electron microscope, and FIG. 2A is an observation of the surface of kaolin commonly used in Preparation Examples 1 to 3 It is an SEM image, and FIG. 2B is an SEM image observing the surface of the sulfur-kaolin composite prepared in Preparation Example 1.

상기의 카올린 및 황-카올린 복합체의 각 표면을 관찰한 결과, 도 2의 a를 통해서는 카올린이 판상 형태인 것을 확인할 수 있었고, 도 2의 b를 통해서는 카올린의 판상 형태가 비교적 잘 유지된 채로 황이 카올린의 표면에 담지된 것을 확인할 수 있었다.As a result of observing the respective surfaces of the kaolin and sulfur-kaolin complexes, it was confirmed that kaolin was in a plate shape through a of FIG. 2, and the plate shape of kaolin was relatively well maintained through b of FIG. It was confirmed that sulfur was supported on the surface of kaolin.

[실시예 1] 황-카올린 복합체를 양극으로 적용한 리튬 이차전지의 제조 [Example 1] Preparation of a lithium secondary battery using a sulfur-kaolin composite as a positive electrode

먼저, 용매인 물에 상기 제조예 1에서 제조된 황-카올린 복합체를 용매 100 중량부 대비 85 중량부로, 도전재인 덴카블랙을 10 중량부로, 바인더인 스티렌 부타디엔 고무/카르복시메틸 셀룰로오스(SBR/CMC 7:3)를 7 중량부로 투입하고 믹싱하여 양극 슬러리 조성물을 제조한 후, 상기 제조된 양극 슬러리 조성물을 집전체(Al Foil) 상에 코팅하고 50 ℃ 에서 12시간 동안 건조하여 양극을 제조하였다(이때, 로딩량은 4~5 mAh/cm2, 양극의 공극률은 70 %로 하였다).First, the sulfur-kaolin complex prepared in Preparation Example 1 in water as a solvent is 85 parts by weight based on 100 parts by weight of the solvent, Denka Black as a conductive material is 10 parts by weight, and styrene butadiene rubber/carboxymethyl cellulose (SBR/CMC 7) as a binder. :3) was added in 7 parts by weight and mixed to prepare a positive electrode slurry composition, and then the prepared positive electrode slurry composition was coated on a current collector (Al Foil) and dried at 50° C. for 12 hours to prepare a positive electrode (at this time , The loading amount was 4-5 mAh/cm 2 , and the porosity of the positive electrode was 70%).

이어서, 상기 제조된 양극(14 phi 원형 전극으로 타발하여 사용), 폴리에틸렌 분리막(19 phi로 타발하여 사용) 및 45 um 두께의 리튬 메탈 음극(16 phi로 타발하여 사용)이 순차적으로 적층된 전극 조립체를 제조한 후, 이를 전지 케이스에 넣은 다음, 케이스의 상부에 전해액을 주입하고 캡 플레이트 및 가스켓으로 밀봉하여 조립하여 코인 셀 타입의 리튬 이차전지를 제조하였다.Subsequently, an electrode assembly in which the prepared positive electrode (punched with a 14 phi circular electrode), a polyethylene separator (punched with 19 phi), and a lithium metal negative electrode having a thickness of 45 um (punched with 16 phi) are sequentially stacked After manufacturing, it was put into a battery case, and then an electrolyte was injected into the upper portion of the case, sealed with a cap plate and a gasket, and assembled to prepare a coin cell type lithium secondary battery.

[실시예 2] 황-카올린 복합체를 양극으로 적용한 리튬 이차전지의 제조 [Example 2] Preparation of a lithium secondary battery using a sulfur-kaolin composite as a positive electrode

상기 제조예 1에서 제조된 황-카올린 복합체 대신 상기 제조예 2에서 제조된 황-카올린 복합체로 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 코인 셀 타입의 리튬 이차전지를 제조하였다.A coin cell type lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the sulfur-kaolin complex prepared in Preparation Example 1 was changed to the sulfur-kaolin complex prepared in Preparation Example 2. .

[실시예 3] 황-카올린 복합체를 양극으로 적용한 리튬 이차전지의 제조 [Example 3] Preparation of a lithium secondary battery using a sulfur-kaolin composite as a positive electrode

상기 제조예 1에서 제조된 황-카올린 복합체 대신 상기 제조예 3에서 제조된 황-카올린 복합체를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 코인 셀 타입의 리튬 이차전지를 제조하였다.A coin cell type lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the sulfur-kaolin composite prepared in Preparation Example 3 was used instead of the sulfur-kaolin composite prepared in Preparation Example 1.

[비교예 1] 황-탄소 복합체를 양극으로 적용한 리튬 이차전지의 제조 [Comparative Example 1] Preparation of a lithium secondary battery using a sulfur-carbon composite as a positive electrode

상기 제조예 1에서 제조된 황-카올린 복합체 대신 상기 비교 제조예 1에서 제조된 황-탄소 복합체를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 코인 셀 타입의 리튬 이차전지를 제조하였다.A coin cell type lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the sulfur-carbon composite prepared in Comparative Preparation Example 1 was used instead of the sulfur-kaolin composite prepared in Preparation Example 1. .

[실험예 3] 리튬 이차전지의 OCV 평가 [Experimental Example 3] OCV evaluation of lithium secondary battery

상기 실시예 3 및 비교예 1에서 제조된 리튬 이차전지의 개회로 전압(open circuit voltage, OCV) 변화를 측정하였다. 도 3은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 리튬 이차전지의 개회로 전압(OCV) 변화를 측정한 그래프이다. 상기와 같이 실시예 3 및 비교예 1에서 제조된 리튬 이차전지의 개회로 전압을 측정한 결과, 도 3에 도시된 바와 같이, 황-카올린 복합체를 양극으로 적용한 실시예 3의 리튬 이차전지는, 황-탄소 복합체를 양극으로 적용한 비교예 1의 리튬 이차전지에 비하여 전극 내 전해액 침투가 빨라, 초기 OCV가 낮고 안정화 시간이 빠른 것을 확인할 수 있었다.Changes in open circuit voltage (OCV) of the lithium secondary batteries prepared in Example 3 and Comparative Example 1 were measured. 3 is a graph measuring changes in open circuit voltage (OCV) of a lithium secondary battery according to an embodiment and a comparative example of the present invention. As a result of measuring the open circuit voltage of the lithium secondary batteries prepared in Example 3 and Comparative Example 1 as described above, as shown in FIG. 3, the lithium secondary battery of Example 3 in which the sulfur-kaolin composite was applied as a positive electrode, Compared to the lithium secondary battery of Comparative Example 1 in which the sulfur-carbon composite was applied as a positive electrode, it was confirmed that the electrolyte solution penetrated into the electrode faster, so that the initial OCV was low and the stabilization time was fast.

[실험예 4] 리튬 이차전지의 방전용량 평가 [Experimental Example 4] Evaluation of discharge capacity of lithium secondary battery

먼저, 상기 실시예 1 내지 3에서 제조된 리튬 이차전지를 방전시켜(@0.1C) 전지의 초기 방전용량을 평가하였다. 도 4는 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 방전용량을 나타낸 그래프로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 양극 내 황 함량이 높아지더라도 방전용량은 크게 저하되지 않고 유사한 수준을 나타냄을 확인할 수 있었다.First, the lithium secondary batteries prepared in Examples 1 to 3 were discharged (@0.1C) to evaluate the initial discharge capacity of the battery. FIG. 4 is a graph showing the discharge capacity of the lithium secondary battery according to the present invention, and as shown in FIG. 4, even if the sulfur content in the positive electrode is increased, the discharge capacity is not significantly reduced and it can be confirmed that the discharge capacity is at a similar level.

다음으로, 황 함량이 동일한(복합체 내 황 함량: 80 wt%) 실시예 3 및 비교예 1에서 제조된 리튬 이차전지를 방전시켜(@0.1C) 전지의 초기 방전용량을 평가하였다. 도 5는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 리튬 이차전지의 방전용량을 나타낸 그래프로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 카올린을 복합체에 적용한 실시예 3의 전지는, 탄소나노튜브를 복합체에 적용한 비교예 1의 전지에 비해, 표면 이온 전달력 향상으로 인하여 높은 황 함량의 복합체 활물질 활용률이 높고 저항은 작은 것을 알 수 있었다.Next, the lithium secondary batteries prepared in Example 3 and Comparative Example 1 having the same sulfur content (sulfur content in the composite: 80 wt%) were discharged (@0.1C) to evaluate the initial discharge capacity of the battery. 5 is a graph showing the discharge capacity of a lithium secondary battery according to an embodiment and a comparative example of the present invention. As shown in FIG. 5, the battery of Example 3 in which kaolin is applied to the composite is a composite of carbon nanotubes. Compared to the battery of Comparative Example 1 applied to, it was found that the utilization rate of the composite active material with a high sulfur content was high and the resistance was small due to the improvement of the surface ion transfer ability.

마지막으로, 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 리튬 이차전지를 방전시켜(@0.1C) 각 전지의 초기 방전용량을 비교 대조하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.Finally, the lithium secondary batteries prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were discharged (@0.1C) to compare and contrast the initial discharge capacity of each battery, and the results are shown in Table 1 below.

양극 활물질 복합체 내
황 함량(wt%)
In the positive active material composite
Sulfur content (wt%)
양극 내
황 함량(wt%)
Within the anode
Sulfur content (wt%)
방전용량
(mAh/g)
Discharge capacity
(mAh/g)
실시예 1Example 1 70 (황/카올린 복합체)70 (sulfur/kaolin complex) 59.559.5 10141014 실시예 2Example 2 75 (황/카올린 복합체)75 (sulfur/kaolin complex) 63.863.8 10191019 실시예 3Example 3 80 (황/카올린 복합체)80 (sulfur/kaolin complex) 6868 10111011 비교예 1Comparative Example 1 80 (황/탄소 복합체)80 (sulfur/carbon complex) 6868 918918

이상에서 설명한 바와 같이, 양극 내 황 함량이 높아져도 방전용량에는 큰 영향을 미치지 않았으며, 동일한 황 함량을 가지더라도 양극 활물질 복합체에 카올린을 포함하는 경우에는 방전용량이 우수해지는 것을 확인할 수 있었다.As described above, it was confirmed that even if the sulfur content in the positive electrode increased, the discharge capacity was not significantly affected, and even if the positive electrode active material composite had the same sulfur content, the discharge capacity was excellent when kaolin was included in the positive electrode active material composite.

[실험예 5] 리튬 이차전지의 수명특성 평가 [Experimental Example 5] Evaluation of life characteristics of lithium secondary battery

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 리튬 이차전지의 수명특성을 평가하기 위하여, 사이클에 따른 방전 용량을 측정하였다. 이때, 측정은 0.1C/0.1C (충전/방전) 3 cycles, 0.2C/0.2C 3 cycles 이후 0.3C/0.5C 를 반복 실시하였다.In order to evaluate the life characteristics of the lithium secondary batteries prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, the discharge capacity according to the cycle was measured. At this time, the measurement was repeated at 0.1C/0.1C (charge/discharge) 3 cycles, 0.2C/0.2C 3 cycles and then 0.3C/0.5C.

도 6은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 수명특성을 보여주는 그래프로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 양극 내 황 함량이 높을수록 복합체의 전도도가 감소하여 고율 용량은 다소 낮아지나, 동일 황 함량을 가지는 황-탄소 복합체를 적용한 경우(비교예 1)에 비해서는 우위에 있음을 확인할 수 있었다.6 is a graph showing the life characteristics of a lithium secondary battery manufactured according to an embodiment and a comparative example of the present invention. As shown in FIG. 6, the conductivity of the composite decreases as the sulfur content in the positive electrode increases, resulting in a high rate capacity. Is somewhat lower, but it was confirmed that it was superior to the case of applying a sulfur-carbon composite having the same sulfur content (Comparative Example 1).

Claims (10)

고령토계 점토인 카올린; 및
상기 카올린에 담지된 황;을 포함하는 황-카올린 복합체를 포함하는 리튬 이차전지용 양극.
Kaolin, a kaolin based clay; And
A positive electrode for a lithium secondary battery comprising a sulfur-kaolin complex comprising; sulfur supported on the kaolin.
청구항 1에 있어서, 상기 황의 함량은 상기 황-카올린 복합체의 총 중량에 대하여 60 내지 80 중량%이고, 상기 양극 전체 중량에 대하여 68 중량% 이하인 것을 특징으로 하는, 황-카올린 복합체를 포함하는 리튬 이차전지용 양극.The method of claim 1, wherein the sulfur content is 60 to 80% by weight based on the total weight of the sulfur-kaolin complex, and 68% by weight or less based on the total weight of the positive electrode, the sulfur-kaolin complex containing lithium secondary Battery positive electrode. 청구항 1에 있어서, 상기 황-카올린 복합체의 평균 입경은 1 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는, 황-카올린 복합체를 포함하는 리튬 이차전지용 양극.The method according to claim 1, characterized in that the average particle diameter of the sulfur-kaolin composite is 1 to 100 ㎛, the positive electrode for a lithium secondary battery comprising a sulfur-kaolin composite. 청구항 1에 있어서, 상기 황-카올린 복합체는 탄소재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 황-카올린 복합체를 포함하는 리튬 이차전지용 양극.The cathode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the sulfur-kaolin composite further comprises a carbon material. a) 카올린 분말 및 용매를 혼합한 후 분쇄하는 단계;
b) 상기 분쇄된 혼합액에 황 분말을 첨가하여 혼합한 후 분쇄하는 단계;
c) 상기 분쇄를 거친 황 함유 혼합액을 건조하는 단계;
d) 상기 건조를 통하여 형성된 황-카올린 분말을 추가로 분쇄한 후 열처리하여 황-카올린 복합체를 제조하는 단계; 및
e) 상기 제조된 황-카올린 복합체를 용매에 분산시켜 슬러리를 제조한 후, 상기 슬러리를 집전체에 도포하는 단계;를 포함하는 리튬 이차전지용 양극의 제조방법.
a) mixing and pulverizing kaolin powder and a solvent;
b) adding and mixing sulfur powder to the pulverized mixture, followed by pulverizing;
c) drying the pulverized sulfur-containing mixed solution;
d) further pulverizing the sulfur-kaolin powder formed through drying and then heat-treating to prepare a sulfur-kaolin complex; And
e) dispersing the prepared sulfur-kaolin complex in a solvent to prepare a slurry, and then applying the slurry to a current collector; a method for producing a positive electrode for a lithium secondary battery comprising:
청구항 5에 있어서, 상기 a) 단계의 분쇄는 30 분 내지 3 시간 동안 수행되고, 상기 b) 단계의 분쇄는 10 내지 36 시간 동안 수행되며, 상기 d) 단계의 분쇄는 10 분 내지 5 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지용 양극의 제조방법.The method of claim 5, wherein the pulverization of step a) is performed for 30 minutes to 3 hours, the pulverization of step b) is performed for 10 to 36 hours, and the pulverization of step d) is performed for 10 minutes to 5 hours. It characterized in that the method of manufacturing a positive electrode for a lithium secondary battery. 청구항 5에 있어서, 상기 e) 단계의 용매에는 상기 황-카올린 복합체 이외에 바인더, 도전재 및 분산제 중 어느 하나 이상을 더 포함하며, 제조된 양극 내 탄소의 함량은 양극 활물질층의 총 중량에 대하여 1 내지 15 중량%인 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지용 양극의 제조방법.The method according to claim 5, wherein the solvent in step e) further comprises at least one of a binder, a conductive material, and a dispersant in addition to the sulfur-kaolin composite, and the content of carbon in the prepared positive electrode is 1 based on the total weight of the positive electrode active material layer. A method for producing a positive electrode for a lithium secondary battery, characterized in that to 15% by weight. 청구항 5에 있어서, 상기 a) 단계의 혼합 시에는 탄소재가 추가로 첨가되는 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지용 양극의 제조방법.The method of claim 5, wherein a carbon material is additionally added during mixing in step a). 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항의 리튬 이차전지용 양극; 음극; 상기 양극과 음극의 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질;을 포함하는 리튬 이차전지.The positive electrode for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 4; cathode; A separator interposed between the anode and the cathode; And an electrolyte; a lithium secondary battery containing. 청구항 9에 있어서, 상기 리튬 이차전지는 리튬-황 전지인 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지.The lithium secondary battery according to claim 9, wherein the lithium secondary battery is a lithium-sulfur battery.
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