KR20200137816A - Positive electrode for lithium secondary battery, method for preparing the same and lithium secondary battery including the positive electrode - Google Patents

Positive electrode for lithium secondary battery, method for preparing the same and lithium secondary battery including the positive electrode Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a positive electrode for a lithium secondary battery, which implements a double layer electrode of carbon/metal oxide by selectively depositing metal oxide only on a surface of carbon, to a production method thereof, and to a lithium secondary battery comprising the positive electrode. The positive electrode for a lithium secondary battery comprises: a carbon layer; a metal oxide layer formed by depositing on the surface of the carbon layer; and sulfur applied to the surface of the metal oxide layer.

Description

리튬 이차전지용 양극, 그 제조방법 및 상기 양극을 포함하는 리튬 이차전지{Positive electrode for lithium secondary battery, method for preparing the same and lithium secondary battery including the positive electrode}Positive electrode for lithium secondary battery, method for preparing the same and lithium secondary battery including the positive electrode}

본 발명은 리튬 이차전지용 양극, 그 제조방법 및 상기 양극을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 금속 산화물을 탄소재의 표면에만 선택적으로 증착시켜 탄소/금속 산화물의 이중층 전극을 구현한, 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, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the positive electrode, and more particularly, a double layer electrode of carbon/metal oxide is realized by selectively depositing a metal oxide only on the surface of a carbon material. One, it relates to a positive electrode for a lithium secondary battery, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the positive electrode.

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.

하지만, 리튬-황 전지의 경우, 황의 낮은 전기 전도도, 충방전 시 리튬 폴리설파이드(LiPSs)의 용출 및 ~ 80 %의 부피 팽창 문제와 이로 인한 낮은 쿨롱 효율 및 충방전에 따른 급격한 용량 감소 문제를 가지고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 대부분 화학적인 방법(ex: sol-gel법)으로 금속 산화물을 다공성 카본 기재에 코팅시킨 복합 소재를 적용하였고, 화학 흡착성 금속 산화물-다공성 카본 복합 소재의 도입은 리튬 폴리설파이드의 용출 방지와 전기 전도성 향상으로 전지의 용량 및 수명 특성을 어느 정도 향상시키는데 효과가 있었다.However, in the case of a lithium-sulfur battery, there is a problem of low electrical conductivity of sulfur, elution of lithium polysulfide (LiPSs) during charging and discharging, and problems of ~80% volume expansion, low coulomb efficiency and rapid capacity reduction due to charging and discharging. have. To solve this problem, conventionally, a composite material in which a metal oxide is coated on a porous carbon substrate by most chemical methods (ex: sol-gel method) was applied, and the introduction of a chemically adsorbable metal oxide-porous carbon composite material It was effective in improving the capacity and life characteristics of the battery to some extent by preventing the elution of lithium polysulfide and improving the electrical conductivity.

하지만, 상기와 같은 화학적 방식을 따르는 경우, 금속 산화물이 카본 기재 전체에 생성 또는 형성되기 때문에 저항을 높이고, 이는 전극 내 저항 및 계면 저항의 상승으로 이어져, 황 활용도와 전기 화학적 특성(율속 특성 및 수명 특성 등)을 향상시키는 데에 한계가 있다. 따라서, 전극 내 저항 및 계면 저항을 개선시켜, 기존 전극 대비 율속 특성 및 수명 특성 등의 전기 화학적 특성을 향상시킬 수 있는 방안이 요구된다.However, when the above chemical method is followed, since metal oxides are generated or formed on the entire carbon substrate, resistance is increased, which leads to an increase in resistance in the electrode and interfacial resistance, and sulfur utilization and electrochemical properties (rate characteristics and lifetime There is a limit to improving the characteristics). Accordingly, there is a need for a method capable of improving electrochemical properties such as rate-limiting characteristics and lifespan characteristics compared to conventional electrodes by improving the internal resistance and interfacial resistance.

대한민국 특허공개 제10-2016-0141615호Korean Patent Publication No. 10-2016-0141615

따라서, 본 발명의 목적은, 금속 산화물을 탄소재의 표면에만 선택적으로 증착시켜 탄소/금속 산화물의 이중층 전극을 구현함으로써 전지의 전기 화학적 특성을 향상시킬 수 있는, 리튬 이차전지용 양극, 그 제조방법 및 상기 양극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to selectively deposit a metal oxide only on the surface of a carbon material to realize a double layer electrode of carbon/metal oxide, thereby improving the electrochemical properties of a battery, a positive electrode for a lithium secondary battery, a method of manufacturing the same, and It is to provide a lithium secondary battery including the positive electrode.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 탄소 층; 상기 탄소 층의 표면에 증착되어 형성된 금속 산화물 층; 및 상기 금속 산화물 층의 표면에 도포된 황;을 포함하는 리튬 이차전지용 양극을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, a carbon layer; A metal oxide layer formed by depositing on the surface of the carbon layer; It provides a positive electrode for a lithium secondary battery comprising; and sulfur applied to the surface of the metal oxide layer.

또한, 본 발명은, (a) 탄소재를 포함하는 탄소 필름을 제조하는 단계; (b) 상기 제조된 탄소 필름의 표면에 금속 산화물을 증착시켜 탄소 층/금속 산화물 층의 이중층 전극을 제조하는 단계; (c) 상기 제조된 전극을 열처리하는 단계; 및 (d) 상기 열처리된 전극에 황을 도포한 후 열처리하는 단계;를 포함하는 리튬 이차전지용 양극의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention, (a) preparing a carbon film containing a carbon material; (b) depositing a metal oxide on the surface of the prepared carbon film to prepare a carbon layer/metal oxide layer bilayer electrode; (c) heat-treating the prepared electrode; And (d) applying sulfur to the heat-treated electrode and then heat-treating the heat-treated electrode. It provides a method of manufacturing a positive electrode for a lithium secondary battery comprising a.

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

본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극, 그 제조방법 및 상기 양극을 포함하는 리튬 이차전지에 의하면, 금속 산화물을 탄소재의 표면에만 선택적으로 증착시켜 탄소/금속 산화물의 이중층 전극을 구현함으로써 전지의 전기 화학적 특성을 향상시킬 수 있다.According to the positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the positive electrode, a double layer electrode of carbon/metal oxide is realized by selectively depositing a metal oxide only on the surface of a carbon material. The properties can be improved.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 탄소 필름 상에 금속 산화물을 증착시키는 공정 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 층/금속 산화물 층의 이중층 전극을 육안 관찰한 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 층/금속 산화물 층의 이중층 전극을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 열처리된 이중층 전극의 XRD 피크 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 열처리된 이중층 전극의 리튬 폴리설파이드 흡착능을 평가한 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 C-rate별 방전용량을 비교 대조한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 수명특성을 비교 대조한 그래프이다.
1 is a schematic diagram of a process of depositing a metal oxide on a carbon film according to an embodiment of the present invention.
2 is a visual observation image of a double-layer electrode of a carbon layer/metal oxide layer according to an embodiment of the present invention.
3 is an image obtained by observing a double-layer electrode of a carbon layer/metal oxide layer according to an embodiment of the present invention with a scanning electron microscope.
4 is an XRD peak image of a double layer electrode subjected to heat treatment according to an embodiment of the present invention.
5 is an image evaluating the lithium polysulfide adsorption capacity of a heat-treated double-layer electrode according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph comparing discharge capacity by C-rate of a lithium secondary battery manufactured according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
7 is a graph comparing and comparing life characteristics of lithium secondary batteries manufactured according to an embodiment and a comparative example of the present invention.

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

본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극은, 탄소 층, 상기 탄소 층의 표면에 증착되어 형성된 금속 산화물 층 및 상기 금속 산화물 층의 표면에 도포된 황을 포함한다.The cathode for a lithium secondary battery according to the present invention includes a carbon layer, a metal oxide layer formed by depositing on the surface of the carbon layer, and sulfur applied to the surface of the metal oxide layer.

리튬 이차전지, 그 중에서도 리튬-황 전지는, 전술한 바와 같이 황의 낮은 전기 전도도, 충방전 시 리튬 폴리설파이드(LiPSs)의 용출 및 ~ 80 %의 부피 팽창 문제와 이로 인한 낮은 쿨롱 효율 및 충방전에 따른 급격한 용량 감소 문제를 가지고 있고, 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 졸-겔법 등의 화학적인 방법으로 금속 산화물을 다공성 카본 기재에 코팅시켰다. 하지만, 상기와 같은 화학적 방식을 따르는 경우, 금속 산화물이 카본 기재 전체에 형성되기 때문에 저항을 높이고, 이는 전극 내 저항 및 계면 저항의 상승으로 이어져, 황 활용도와 전기 화학적 특성(율속 특성 및 수명 특성 등)을 향상시키는 데에 한계가 있다. 이에 본원 출원인은, 증착법을 도입하여 금속 산화물을 카본 기재의 표면에만 선택적으로 형성시켰으며, 이를 통하여 전극 내 저항 및 계면 저항이 개선되어, 기존 전극 대비 율속 특성 및 수명 특성 등의 전기 화학적 특성을 향상시킬 수 있게 된 것이다.Lithium secondary batteries, especially lithium-sulfur batteries, have low electrical conductivity of sulfur, elution of lithium polysulfide (LiPSs) during charging and discharging, and volume expansion of ~80% as described above, and low coulomb efficiency and charge/discharge. Accordingly, there is a problem of rapid capacity reduction, and in order to solve this problem, a metal oxide was coated on a porous carbon substrate by a chemical method such as a sol-gel method. However, when the above chemical method is followed, the resistance is increased because the metal oxide is formed on the entire carbon substrate, which leads to an increase in the resistance of the electrode and the interfacial resistance, and the utilization of sulfur and the electrochemical characteristics (rate characteristics and life characteristics, etc. There is a limit to improving ). Accordingly, the applicant of the present application introduced a vapor deposition method to selectively form metal oxides only on the surface of the carbon substrate, and through this, internal resistance and interfacial resistance are improved, thereby improving electrochemical properties such as rate-limiting characteristics and lifetime characteristics compared to conventional electrodes. It was possible to make it.

먼저, 탄소 층에 대하여 설명하면, 상기 금속 산화물 층을 이루는 금속 산화물의 증착 대상인 탄소 층은, 양극 내 황의 낮은 전기 전도도를 보완할 수 있는 탄소재(또는, 탄소원)를 포함하는 층이다. 상기 탄소재는 원기둥 형태의 것일 수 있고, 여기서, 원기둥형 탄소재란 구형의 입자나 플레이크 형태가 아닌 일 방향으로 성장한 로드형(rod type) 또는 내부가 비어있는 원통형 구조를 갖는 탄소 재질을 의미한다. 구형의 입자가 아닌 이러한 원기둥형 구조를 통해 일 방향으로 정렬되는 기공을 용이하게 형성할 수 있고, 원기둥형 탄소재가 아닌 구형의 탄소재(ex: 카본블랙 등)를 적용하는 경우에는 3차원적으로 서로 연결되어 정렬된 기공의 형성이 용이하지 않을 수 있다. First, referring to the carbon layer, the carbon layer as a deposition target of the metal oxide constituting the metal oxide layer is a layer containing a carbon material (or carbon source) capable of supplementing the low electrical conductivity of sulfur in the anode. The carbon material may be in the form of a cylinder. Here, the cylindrical carbon material refers to a carbon material having a rod type grown in one direction or a cylindrical structure with an empty inside, not in the form of spherical particles or flakes. Through this cylindrical structure, not spherical particles, pores aligned in one direction can be easily formed, and when a spherical carbon material (ex: carbon black, etc.) is applied instead of a cylindrical carbon material, it is three-dimensionally It may not be easy to form the pores that are interconnected and aligned.

상기 원기둥형 탄소재는 수많은 원기둥형 탄소재들이 서로 가교되거나 얽혀서 그물 구조로 이루어진 구형 또는 타원형의 입자로서 나노 구조를 갖는 것이 바람직하며, 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노튜브 페이퍼(CNT paper), 그라파이트 나노파이버(GNF), 카본 나노파이버(CNF), 활성화 탄소 파이버(ACF) 및 이들 중 둘 이상의 혼합물 등을 예시할 수 있다. 또한, 상기 탄소재 중 탄소나노튜브(또는, 탄소나노튜브 페이퍼)는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, 또는 SWCNT paper) 또는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, 또는 MWCNT paper)로 분류될 수 있고, 제조 방식에 따라서는 구형 타입, 얼기설기 얽힌(entangled) 타입 및 번들(bundle) 타입으로 분류될 수 있으며, 어느 하나 또는 둘 이상의 형태가 혼합된 것일 수 있다.The cylindrical carbon material is preferably a spherical or elliptical particle consisting of a net structure by crosslinking or entangled with a number of cylindrical carbon materials, and preferably has a nano structure, carbon nanotube (CNT), carbon nanotube paper (CNT paper), graphite Nanofibers (GNF), carbon nanofibers (CNF), activated carbon fibers (ACF), and mixtures of two or more of them may be exemplified. In addition, among the carbon materials, carbon nanotubes (or carbon nanotube paper) may be classified as single-walled carbon nanotubes (SWCNT, or SWCNT paper) or multi-walled carbon nanotubes (MWCNT, or MWCNT paper), and manufactured Depending on the method, it may be classified into a spherical type, an entangled type, and a bundle type, and any one or a mixture of two or more types may be used.

본 발명에 있어, 이와 같은 탄소재들 가운데, 직경이 상대적으로 큰 탄소로 구조를 형성하고 직경이 상대적으로 작은 탄소로 구조를 채워 넣는 경우 공간을 효과적으로 활용할 수 있다는 점을 고려하여, 카본 나노파이버(CNF, 직경이 상대적으로 큰 탄소원)와 단일벽 탄소나노튜브 페이퍼(SWCNT paper, 직경이 상대적으로 작은 탄소원)를 혼합한 카본 나노파이버-단일벽 탄소나노튜브 페이퍼(CNF-SWCNT paper)를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 그밖에, 본 발명에 사용되는 탄소재는 전도성을 가지는 통상의 것이라면 특별한 제한이 없으며, 그래핀(graphene), 환원 그래핀 옥사이드(rGO) 및 열적 박리 환원 그래핀 옥사이드(thermally exfoliated reduced graphene oxide; TErGO) 등도 예시할 수 있다. 한편, 상기 원기둥형 탄소재 각각의 단면 직경은 1 내지 100 nm, 바람직하게는 1 내지 50 nm, 더욱 바람직하게는 1 내지 10 nm일 수 있다.In the present invention, among such carbon materials, in consideration of the fact that space can be effectively utilized when a structure is formed from carbon having a relatively large diameter and a structure is filled with carbon having a relatively small diameter, carbon nanofibers ( It is recommended to use carbon nanofiber-single-walled carbon nanotube paper (CNF-SWCNT paper) that is a mixture of CNF, a carbon source with a relatively large diameter) and a single-walled carbon nanotube paper (SWCNT paper, a carbon source with a relatively small diameter). It may be desirable. In addition, the carbon material used in the present invention is not particularly limited if it is a conventional one having conductivity, and graphene, reduced graphene oxide (rGO), and thermally exfoliated reduced graphene oxide (TErGO), etc. are also available. Can be illustrated. Meanwhile, the cross-sectional diameter of each of the cylindrical carbon materials may be 1 to 100 nm, preferably 1 to 50 nm, more preferably 1 to 10 nm.

그밖에, 상기 탄소 층을 구성하는 탄소재에는 기공이 형성되어 있으며, 상기 기공의 공극률은 40 내지 90 %, 바람직하게는 60 내지 80 %로서, 상기 기공의 공극률이 40 % 미만이면 리튬 이온 전달이 정상적으로 이루어지지 않아 저항 성분으로 작용하여 문제가 발생할 수 있고, 90 %를 초과하는 경우에는 기계적 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 탄소재의 기공 크기는 10 ㎚ 내지 5 ㎛, 바람직하게는 50 ㎚ 내지 5 ㎛로서, 상기 기공의 크기가 10 ㎚ 미만이면 리튬 이온 투과가 불가능한 문제가 발생할 수 있고, 5 ㎛를 초과하는 경우에는 전극 간 접촉에 의한 전지 단락 및 안전성 문제가 발생할 수 있다.In addition, pores are formed in the carbon material constituting the carbon layer, and the porosity of the pores is 40 to 90%, preferably 60 to 80%, and if the porosity of the pores is less than 40%, lithium ion transfer is normally Since it is not made, it may act as a resistance component and cause a problem, and if it exceeds 90%, a problem of lowering the mechanical strength may occur. In addition, the pore size of the carbon material is 10 nm to 5 μm, preferably 50 nm to 5 μm, and if the pore size is less than 10 nm, there may be a problem in which lithium ion penetration is impossible, and the pore size exceeding 5 μm In this case, a battery short circuit and safety problems may occur due to contact between electrodes.

계속해서, 상기 탄소 층의 표면에 증착 형성되는 금속 산화물 층에 대하여 설명한다. 상기 금속 산화물 층을 구성하는 금속 산화물(Metal Oxide)은 탄소 층의 표면에 증착되어, 리튬 폴리설파이드의 용출을 억제하고, 또한, 용출된 리튬 폴리설파이드의 환원을 촉진시키는 산화환원 중계물질(redox mediator)의 역할을 하며, 황의 낮은 전기 전도성을 보완하여 주는 역할까지도 한다. 상기 금속 산화물은 무기금속 입자(또는, 무기입자)를 포함하는 것으로서, 무기금속과 산소가 결합하고 있으며, 상기 무기금속 입자는 나노미터 크기 내지 마이크로미터 크기일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 무기금속 입자의 입경은 10 ㎚ 내지 1 ㎛, 바람직하게는 10 내지 40 ㎚, 더욱 바람직하게는 10 내지 20 ㎚로서, 상기 무기금속 입자의 입경이 10 ㎚ 미만인 경우, 자가 응집(self-aggregation)되어 리튬 폴리설파이드에 대한 활성도가 떨어지는 문제가 발생할 우려가 있고, 1 ㎛를 초과하는 경우에는, 비표면적이 줄어들어 활성도가 감소하는 문제가 발생할 수 있다.Subsequently, a metal oxide layer formed by vapor deposition on the surface of the carbon layer will be described. Metal oxide constituting the metal oxide layer is deposited on the surface of the carbon layer, suppressing the elution of lithium polysulfide, and promoting the reduction of the eluted lithium polysulfide (redox mediator). ) And supplements the low electrical conductivity of sulfur. The metal oxide includes inorganic metal particles (or inorganic particles), inorganic metal and oxygen are combined, and the inorganic metal particles may have a nanometer size to a micrometer size. More specifically, the particle diameter of the inorganic metal particles is 10 nm to 1 μm, preferably 10 to 40 nm, more preferably 10 to 20 nm, and when the particle diameter of the inorganic metal particles is less than 10 nm, self-aggregation ( Self-aggregation) may cause a problem in that the activity for lithium polysulfide decreases, and when it exceeds 1 μm, the specific surface area decreases and thus the activity decreases.

상기 금속 산화물(또는, 금속 산화물 층)에 포함되는 무기금속으로는 티타늄, 망간, 주석, 니켈, 코발트, 마그네슘, 알루미늄, 세륨, 철, 바나듐 및 이들의 혼합물 등을 예시할 수 있고, 티타늄을 무기금속으로 적용하는 것이 화학적 안정성을 확보하는 측면에서 바람직할 수 있다. 따라서, 본 발명의 금속 산화물 또한 티타늄 산화물일 때 그 효과가 가장 우수할 수 있다. 이와 같은 티타늄 산화물로는 이산화티타늄(TiO2), TiO, Ti2O3, 및 Ti4O7 등의 산화 티타늄을 예로 들 수 있고, 이중 이산화티타늄을 금속 산화물 층으로 적용하는 것이 바람직할 수 있다. 그밖에, 망간 산화물로는 이산화망간(MnO2), 삼산화망간(MnO3), 삼산화이망간(Mn2O3) 및 사산화삼망간(Mn3O4) 등을 예시할 수 있고(이중 이산화망간을 금속 산화물로 적용하는 것이 바람직하다), 주석 산화물로는 이산화주석(SnO2) 등을 예시할 수 있으며, 니켈-코발트 산화물로는 NiCo2O4 등을 예시할 수 있다. 즉, 상기 금속 산화물 층은 금속 이산화물, 금속 삼산화물 및 금속 사산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함한다.As the inorganic metal included in the metal oxide (or metal oxide layer), titanium, manganese, tin, nickel, cobalt, magnesium, aluminum, cerium, iron, vanadium, and mixtures thereof may be exemplified. It may be preferable to apply it as a metal in terms of securing chemical stability. Therefore, when the metal oxide of the present invention is also titanium oxide, the effect may be the most excellent. As such titanium oxide, titanium oxide such as titanium dioxide (TiO 2 ), TiO, Ti 2 O 3 , and Ti 4 O 7 may be exemplified, and it may be preferable to apply titanium dioxide as a metal oxide layer. . In addition, as manganese oxides, manganese dioxide (MnO 2 ), manganese trioxide (MnO 3 ), dimanganese trioxide (Mn 2 O 3 ), and trimanganese tetraoxide (Mn 3 O 4 ) can be exemplified (manganese dioxide is applied as a metal oxide. It is preferable to do), tin dioxide (SnO 2 ), etc. may be exemplified as the tin oxide, and NiCo 2 O 4 may be exemplified as the nickel-cobalt oxide. That is, the metal oxide layer includes a metal oxide selected from the group consisting of metal dioxide, metal trioxide, and metal tetraoxide.

상기 금속 산화물 층의 두께는 10 내지 500 nm, 바람직하게는 50 내지 200 nm로서, 상기 금속 산화물 층이 이와 같이 수십 나노미터 내지 수백 나노미터의 얇은 두께로 형성됨으로써, 이를 양극으로 적용한 전지의 전기 화학적 특성을 비약적으로 향상시킬 수 있다. 만일, 상기 금속 산화물 층의 두께가 10 nm 미만이면 금속 산화물을 양극에 적용함으로써 얻을 수 있는 효과가 미미할 수 있고, 500 nm를 초과하는 경우에는 오히려 금속 산화물이 저항으로 작용하여 전지의 성능을 저하시킬 우려가 있다.The thickness of the metal oxide layer is 10 to 500 nm, preferably 50 to 200 nm, and the metal oxide layer is formed to have a thin thickness of tens nanometers to hundreds of nanometers as described above. Characteristics can be dramatically improved. If the thickness of the metal oxide layer is less than 10 nm, the effect obtained by applying the metal oxide to the positive electrode may be insignificant, and if it exceeds 500 nm, the metal oxide acts as a resistance and degrades the performance of the battery. There is concern.

또한, 상기 금속 산화물 층은 상기 탄소 층의 표면 일부 또는 전체에 선택적으로 형성시킬 수 있기 때문에 금속 산화물의 형성으로 인한 저항을 낮출 수 있고, 이에 따라, 전극 내 저항 및 계면 저항까지도 낮출 수 있어, 전지의 율속 특성 및 수명 특성 등의 전기 화학적 특성을 개선 또는 향상시킬 수 있는 것이다.In addition, since the metal oxide layer can be selectively formed on a part or all of the surface of the carbon layer, the resistance due to the formation of the metal oxide can be lowered, and accordingly, the resistance in the electrode and the interface resistance can be lowered. It is possible to improve or improve the electrochemical properties such as the rate-limiting properties and the life properties of the.

한편, 상기와 같이 금속 산화물 층은 상기 탄소 층의 표면 일부 또는 전체에 선택적으로 형성될 수 있으나(여기서, '일부'란 탄소 층 전체 표면적의 100 %가 아닌 경우를 의미한다), 전지의 전기 화학적 특성을 극대화시키기 위하여 가급적 탄소 층의 넓은 면적에 증착 형성되는 것이 바람직하고, 탄소 층의 표면 전체에 형성되는 것이 가장 바람직할 수 있다.Meanwhile, as described above, the metal oxide layer may be selectively formed on a part or all of the surface of the carbon layer (here,'part' means not 100% of the total surface area of the carbon layer), but the electrochemical of the battery In order to maximize the properties, it is preferable that the carbon layer is deposited on a large area as much as possible, and it may be most preferable to be formed on the entire surface of the carbon layer.

상기 금속 산화물 층의 함량은, 상기 금속 산화물의 증착 대상인 탄소 층의 표면적 등에 따라 상이해질 수 있으나, 상기 금속 산화물이 탄소 층의 표면 전체에 증착 형성될 경우에는, 상기 탄소 층의 전체 중량 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부, 바람직하게는 0.1 내지 5 중량부, 더욱 바람직하게는 1 내지 3 중량부일 수 있다. 이 때, 상기 금속 산화물 층의 함량이 탄소 층의 전체 중량 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 미만일 경우에는 리튬 폴리설파이드의 용출 억제 효과가 미미할 수 있고, 10 중량부를 초과할 경우에는, 오히려 전지의 반응에 방해되어 전체적인 효율이 감소될 수 있다.The content of the metal oxide layer may vary depending on the surface area of the carbon layer to which the metal oxide is deposited, but when the metal oxide is deposited on the entire surface of the carbon layer, the total weight of the carbon layer is 100 parts by weight. Based on 0.1 to 10 parts by weight, preferably 0.1 to 5 parts by weight, more preferably 1 to 3 parts by weight may be. At this time, when the content of the metal oxide layer is less than 0.1 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the carbon layer, the effect of inhibiting the dissolution of lithium polysulfide may be insignificant, and when it exceeds 10 parts by weight, the reaction of the battery Can reduce the overall efficiency.

그밖에, 상기 금속 산화물(또는, 금속 산화물 층)에는 기공이 형성되어 있을 수 있으며, 상기 기공의 공극률은 40 내지 90 %, 바람직하게는 60 내지 80 %일 수 있다. 상기 금속 산화물에 기공이 형성된 경우, 황(sulfur)은 금속 산화물 층의 기공이나 탄소재의 기공 중 어느 하나 이상에 흡착될 수 있다. 한편, 본 발명의 리튬 이차전지가 리튬-황 전지인 경우에는 상기 양극에 황이 포함되며, 상기 황은 리튬-황 전지에 적용되는 통상의 황 또는 황 화합물일 수 있다.In addition, pores may be formed in the metal oxide (or metal oxide layer), and the porosity of the pores may be 40 to 90%, preferably 60 to 80%. When pores are formed in the metal oxide, sulfur may be adsorbed to at least one of pores of the metal oxide layer or pores of the carbon material. Meanwhile, when the lithium secondary battery of the present invention is a lithium-sulfur battery, sulfur is included in the positive electrode, and the sulfur may be a conventional sulfur or sulfur compound applied to a lithium-sulfur battery.

한편, 통상의 금속 산화물을 적용한 리튬 이차전지용 양극은, 화학적인 방법을 통하여 금속 산화물을 도입하기 때문에 바인더를 사용하여야 하고, 바인더를 사용함에 따라 바인더가 금속 산화물의 표면을 덮게 되어 리튬 폴리설파이드의 산화환원 반응을 촉진시키지 못하는 문제가 발생하는 단점을 가지고 있다. 하지만, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극은, 증착 방식을 이용하여 금속 산화물을 도입하기 때문에, 바인더가 배제된 형태의 전극을 구현할 수 있다.On the other hand, in the anode for lithium secondary batteries to which a conventional metal oxide is applied, a binder must be used because the metal oxide is introduced through a chemical method, and as the binder is used, the binder covers the surface of the metal oxide, thereby oxidizing lithium polysulfide. It has a drawback that a problem that does not promote the reduction reaction occurs. However, since the anode for a lithium secondary battery according to the present invention introduces a metal oxide using a deposition method, it is possible to implement an electrode without a binder.

다음으로, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극의 제조방법에 대하여 설명한다. 상기 리튬 이차전지용 양극의 제조방법은, (a) 탄소재를 포함하는 탄소 필름을 제조하는 단계, (b) 상기 제조된 탄소 필름의 표면에 금속 산화물을 증착시켜 탄소 층/금속 산화물 층의 이중층 전극을 제조하는 단계, (c) 상기 제조된 전극을 열처리하는 단계 및 (d) 상기 열처리된 전극에 황을 도포한 후 열처리하는 단계를 포함한다.Next, a method of manufacturing a positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention will be described. The method of manufacturing a positive electrode for a lithium secondary battery includes (a) preparing a carbon film containing a carbon material, (b) depositing a metal oxide on the surface of the prepared carbon film to form a carbon layer/metal oxide layer bilayer electrode And (c) heat-treating the prepared electrode, and (d) applying sulfur to the heat-treated electrode and then heat-treating.

상기 본 발명의 양극 제조방법 중 가장 큰 특징은, 금속 산화물을 탄소재(또는, 탄소 층) 표면에 증착 방식으로 도입하였다는 것이다. 즉, 기존에도 금속 산화물을 탄소재에 도입한 경우가 있으나, 모두 화학적 방법에 의하기 때문에 카본 기재 전체에 금속 산화물이 생성되고, 이에 따라, 전극 내 저항 및 계면 저항이 상승되어 전기 화학적 특성과 황 활용도가 낮은 문제점을 나타내었다. 하지만, 본 출원인은, 상기와 같이 증착 방식을 도입함으로써 기존의 문제점을 개선한 것이다.The biggest feature of the anode manufacturing method of the present invention is that a metal oxide is introduced on the surface of a carbon material (or carbon layer) by a deposition method. In other words, there are cases in which metal oxides have been introduced into carbon materials in the past, but since all of them are chemically used, metal oxides are generated on the entire carbon substrate, and accordingly, resistance and interfacial resistance in the electrode are increased, resulting in electrochemical properties and sulfur utilization. Showed low problem. However, the applicant has improved the existing problem by introducing the deposition method as described above.

뿐만 아니라, 금속 산화물의 도입에 증착 방식을 적용함으로써, 금속 산화물을 단일 공정으로 탄소 층 표면에 증착시킬 수 있으며, 또한, 손쉬운 두께의 제어가 가능해 금속 산화물을 균일하고도 얇은 두께로 탄소 층 표면에 형성시킬 수 있다. 따라서, 금속 산화물을 박막 형태로 형성시키면서도 전지의 전기 화학적 특성을 비약적으로 향상시킬 수 있는 장점을 가지게 된다. 그밖에, 기존의 금속 산화물을 도입한 양극은, 다공성 탄소/금속 산화물의 입자형 복합 소재를 이용한 것인 반면, 본 발명의 양극은, 다공성 탄소 층/금속 산화물 층의 이중층 전극 소재를 적용한 것에도 큰 차이점이 있다고 할 수 있다.In addition, by applying a deposition method to the introduction of metal oxides, metal oxides can be deposited on the surface of the carbon layer in a single process. Also, it is possible to easily control the thickness so that the metal oxides are deposited on the surface of the carbon layer in a uniform and thin thickness. Can be formed. Therefore, it has the advantage of dramatically improving the electrochemical properties of the battery while forming the metal oxide in the form of a thin film. In addition, the conventional anode incorporating a metal oxide is one using a particulate composite material of porous carbon/metal oxide, whereas the anode of the present invention is also large in applying a double-layer electrode material of a porous carbon layer/metal oxide layer. There is a difference.

상기 (a) 단계는 탄소재를 이용하여 탄소 필름(또는, 탄소 층)을 제조하는 공정으로서, 예를 들어, 계면활성제를 물(DI water 등) 등의 용매에 용해시킨 용액에 탄소재를 적정 비율로 혼합하여 분산액을 제조한 후, PVDF Membrane 등의 분리막을 이용하여 상기 분산액을 진공 여과(Vacuum Filtration, 또는 감압 여과)시켜 탄소 필름을 제작할 수 있다(이때, 제작된 탄소 필름을 분리하여 일정 온도 하에서 건조시키는 과정이 수반될 수 있다).Step (a) is a process of manufacturing a carbon film (or carbon layer) using a carbon material, for example, a carbon material is titrated in a solution in which a surfactant is dissolved in a solvent such as water (DI water, etc.) After preparing the dispersion by mixing in a ratio, the dispersion may be vacuum filtered (Vacuum Filtration, or reduced pressure filtration) using a separator such as PVDF Membrane to prepare a carbon film (at this time, the prepared carbon film is separated to Drying process may be involved).

상기 (b) 단계는 상기 (a) 단계에서 제조된 탄소 필름의 표면에 금속 산화물(또는, 금속 산화물 전구체)을 증착시켜 탄소 층/금속 산화물 층의 이중층 전극을 제조하는 공정으로서, 상기 증착은 열 증착(Thermal Evaporation), 레이저 펄스 증착(Pulsed Laser Deposition) 또는 화학기상 증착(Chemical Vapor Deposition) 등의 방식을 이용할 수 있다. 여기서, 상기 증착되는 금속 산화물은 TiO, MnO, SnO와 같은 금속 일산화물 또는 금속 일산화물을 제공할 수 있는 소스(금속 산화물 전구체)의 형태이다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 탄소 필름 상에 금속 산화물을 증착시키는 공정 모식도로서, 상기 (b) 단계는 도 1에 도시된 바와 같은 공정을 통하여 수행될 수 있다.The step (b) is a process of depositing a metal oxide (or metal oxide precursor) on the surface of the carbon film prepared in step (a) to prepare a double layer electrode of the carbon layer/metal oxide layer, wherein the deposition is performed by heat A method such as Thermal Evaporation, Pulsed Laser Deposition, or Chemical Vapor Deposition may be used. Here, the deposited metal oxide is in the form of a metal monoxide such as TiO, MnO, or SnO, or a source (metal oxide precursor) capable of providing a metal monoxide. 1 is a schematic diagram of a process of depositing a metal oxide on a carbon film according to an embodiment of the present invention, and the step (b) may be performed through a process as illustrated in FIG. 1.

또한, 상기 (c) 단계의 전극 열처리는 불활성 기체 분위기 및 150 내지 900 ℃ 하에서 10 분 내지 5 시간 동안 수행될 수 있으며, 이를 통하여 (증착 및) 열처리를 거친 금속 산화물은 TiO2, MnO2, SnO2와 같은 금속 이산화물, 금속 삼산화물 또는 금속 사산화물의 형태를 취하게 된다. 즉, 다시 말해, 상기 (b) 단계의 금속 산화물은 금속 일산화물이며, 상기 (c) 단계의 열처리를 통하여 금속 이산화물, 금속 삼산화물 및 금속 사산화물 중 어느 하나로 전환되는 것이다.In addition, the electrode heat treatment in step (c) may be performed for 10 minutes to 5 hours in an inert gas atmosphere and 150 to 900° C., through which the metal oxides subjected to (deposition and) heat treatment are TiO 2 , MnO 2 , SnO 2 will take the form of metal dioxide, metal trioxide or metal tetraoxide. In other words, the metal oxide in step (b) is a metal monoxide, and is converted into one of metal dioxide, metal trioxide, and metal tetraoxide through the heat treatment in step (c).

상기 (d) 단계는 상기 열처리된 전극에 황을 도포한 후 열처리하는 공정으로서, 예를 들어, 황을 이황화탄소(CS2)에 용해시키고, 이를 상기 열처리된 전극에 도포하여 건조시킨 후, 100 내지 200 ℃의 온도에서 약 30 분 내지 5 시간 동안 열처리 할 수 있으며, 이를 통하여 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극이 제조된다.The step (d) is a process of heat treatment after applying sulfur to the heat-treated electrode.For example, sulfur is dissolved in carbon disulfide (CS 2 ), applied to the heat-treated electrode, dried, and then 100 Heat treatment may be performed at a temperature of from to 200° C. for about 30 minutes to 5 hours, through which the positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention is manufactured.

마지막으로, 상기 리튬 이차전지용 양극을 포함하는 리튬 이차전지에 대하여 설명하면, 상기 리튬 이차전지는, 상기 리튬 이차전지용 양극, 리튬계 음극, 상기 양극과 음극의 사이에 개재되는 전해질 및 분리막을 포함한다. 상기 리튬 이차전지는, 리튬-황 전지, 리튬 메탈 전지 및 리튬 공기 전지 등의 리튬계 이차전지일 수 있으나, 리튬-황 전지가 본 발명의 취지에 가장 부합할 수 있다.Finally, when describing a lithium secondary battery including a positive electrode for a lithium secondary battery, the lithium secondary battery includes a positive electrode for a lithium secondary battery, a lithium-based negative electrode, an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a separator. . The lithium secondary battery may be a lithium-based secondary battery such as a lithium-sulfur battery, a lithium metal battery, and a lithium air battery, but a lithium-sulfur battery may best meet the spirit of the present invention.

한편, 상기 양극에 포함되는 제반 구성, 그리고, 음극, 전해질 및 분리막은 당업계에서 사용하는 통상의 것일 수 있으며, 이하, 이들에 대한 구체적인 설명을 하도록 한다.Meanwhile, all configurations included in the positive electrode, and the negative electrode, the electrolyte, and the separator may be conventional ones used in the art, and a detailed description thereof will be given below.

본 발명의 리튬 이차전지에 포함되는 양극은, 바인더 및 도전재 등을 더 포함한다. 상기 바인더는 양극 활물질과 도전재 등의 결합 및 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 예컨대, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드-폴리헥사플루오로프로필렌 공중합체(PVdF/HFP), 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알코올, 폴리비닐에테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌옥사이드, 알킬화 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌, 폴리메틸(메트)아크릴레이트, 폴리에틸(메트)아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리비닐피롤리돈, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM) 고무, 술폰화 EPDM 고무, 스틸렌-부틸렌 고무, 불소 고무, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The positive electrode included in the lithium secondary battery of the present invention further includes a binder and a conductive material. The binder is a component that aids in bonding of a positive electrode active material and a conductive material and bonding to a current collector, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-polyhexafluoropropylene copolymer (PVdF/ HFP), polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyvinyl ether, polyethylene, polyethylene oxide, alkylated polyethylene oxide, polypropylene, polymethyl (meth) acrylate, polyethyl (meth) acrylate, polytetrafluoroethylene (PTFE) ), polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polyvinylpyridine, polyvinylpyrrolidone, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber, sulfonated EPDM rubber, styrene -One or more selected from the group consisting of butylene rubber, fluorine rubber, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, and mixtures thereof may be used, but must be It is not limited thereto.

상기 바인더는 통상적으로 양극 총 중량 100 중량부를 기준으로 1 내지 50 중량부, 바람직하게는 3 내지 15 중량부 첨가된다. 상기 바인더의 함량이 1 중량부 미만이면 양극 활물질과 집전체와의 접착력이 불충분해질 수 있고, 50 중량부를 초과하면 접착력은 향상되지만 그만큼 양극 활물질의 함량이 감소하여 전지 용량이 낮아질 수 있다.The binder is typically added in an amount of 1 to 50 parts by weight, preferably 3 to 15 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode. If the content of the binder is less than 1 part by weight, adhesion between the positive electrode active material and the current collector may be insufficient, and if it exceeds 50 parts by weight, the adhesion is improved, but the amount of the positive electrode active material decreases so that the battery capacity may be lowered.

상기 양극에 포함되는 도전재는 리튬 이차전지의 내부 환경에서 부반응을 유발하지 않고 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 우수한 전기전도성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 대표적으로는 흑연 또는 도전성 탄소를 사용할 수 있으며, 예컨대, 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 뎅카 블랙, 써멀 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 결정구조가 그라펜이나 그라파이트인 탄소계 물질; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화 아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 및 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 고분자;를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The conductive material included in the positive electrode is not particularly limited as long as it does not induce side reactions in the internal environment of the lithium secondary battery, does not cause chemical changes in the battery, and has excellent electrical conductivity. Typically, graphite or conductive carbon may be used. Examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, ketjen black, denka black, thermal black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; A carbon-based material having a crystal structure of graphene or graphite; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Carbon fluoride; Metal powders such as aluminum and nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive oxides such as titanium oxide; And a conductive polymer such as a polyphenylene derivative, but may be used alone or in combination of two or more, but is not limited thereto.

상기 도전재는 통상적으로 양극 전체 중량 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 50 중량부, 바람직하게는 1 내지 30 중량부로 첨가된다. 도전재의 함량이 0.5 중량부 미만으로 너무 적으면 전기전도성 향상 효과를 기대하기 어렵거나 전지의 전기화학적 특성이 저하될 수 있으며, 도전재의 함량이 50 중량부를 초과하여 너무 많으면 상대적으로 양극 활물질의 양이 적어져 용량 및 에너지 밀도가 저하될 수 있다. 양극에 도전재를 포함시키는 방법은 크게 제한되지 않으며, 양극 활물질에의 코팅 등 당분야에 공지된 통상적인 방법을 사용할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 양극 활물질에 도전성의 제2 피복층이 부가됨으로 인해 상기와 같은 도전재의 첨가를 대신할 수도 있다.The conductive material is typically added in an amount of 0.5 to 50 parts by weight, preferably 1 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode. If the content of the conductive material is too small, such as less than 0.5 parts by weight, it is difficult to expect an effect of improving the electrical conductivity or the electrochemical properties of the battery may be deteriorated.If the content of the conductive material exceeds 50 parts by weight and is too large, the amount of the positive electrode active material is relatively high. It becomes less, and the capacity and energy density may be lowered. The method of including the conductive material in the positive electrode is not particularly limited, and a conventional method known in the art such as coating on a positive electrode active material may be used. In addition, if necessary, since the second conductive coating layer is added to the positive electrode active material, the addition of the conductive material as described above may be substituted.

또한, 본 발명의 양극에는 그 팽창을 억제하는 성분으로서 충진제가 선택적으로 첨가될 수 있다. 이러한 충진제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전극의 팽창을 억제할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소 섬유 등의 섬유상 물질; 등을 사용할 수 있다.In addition, a filler may be optionally added to the positive electrode of the present invention as a component that suppresses its expansion. Such a filler is not particularly limited as long as it can suppress the expansion of the electrode without causing a chemical change in the battery, and examples thereof include olivine polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous substances such as glass fibers and carbon fibers; Etc. can be used.

양극 활물질, 바인더 및 도전재 등을 분산매(용매)에 분산, 혼합시켜 슬러리를 만들고, 이를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연함으로써, 본 발명의 양극을 온전히 제조할 수 있다. 상기 분산매로는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone), DMF(Dimethyl formamide), DMSO(Dimethyl sulfoxide), 에탄올, 이소프로판올, 물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.A positive electrode active material, a binder, a conductive material, and the like are dispersed and mixed in a dispersion medium (solvent) to form a slurry, and the positive electrode of the present invention can be completely manufactured by applying it on a positive electrode current collector and then drying and rolling. As the dispersion medium, NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), DMF (dimethyl formamide), DMSO (dimethyl sulfoxide), ethanol, isopropanol, water, and mixtures thereof may be used, but are not limited thereto.

상기 양극 집전체로는 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 알루미늄(Al), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 카본(C), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), ITO(In doped SnO2), FTO(F doped SnO2), 및 이들의 합금과, 알루미늄(Al) 또는 스테인리스스틸의 표면에 카본(C), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 또는 은(Ag)을 표면 처리한 것 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 양극 집전체의 형태는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포체 등의 형태일 수 있다.The positive electrode current collector includes platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), iridium (Ir), silver (Ag), ruthenium (Ru), nickel (Ni), stainless steel (STS), aluminum (Al ), molybdenum (Mo), chromium (Cr), carbon (C), titanium (Ti), tungsten (W), ITO (In doped SnO 2 ), FTO (F doped SnO 2 ), and alloys thereof , Carbon (C), nickel (Ni), titanium (Ti), or silver (Ag) surface-treated on the surface of aluminum (Al) or stainless steel may be used, but the present invention is not limited thereto. The shape of the positive electrode current collector may be in the form of a foil, film, sheet, punched, porous body, foam, or the like.

상기 음극은 해당 기술 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 예를 들어, 음극 활물질, 도전재, 바인더, 필요에 따라 충진제 등을 분산매(용매)에 분산, 혼합시켜 슬러리를 만들고, 이를 음극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 음극을 제조할 수 있다. 상기 음극 활물질로는 리튬 금속이나 리튬 합금(예컨대, 리튬과 알루미늄, 아연, 비스무스, 카드뮴, 안티몬, 실리콘, 납, 주석, 갈륨 또는 인듐 등과 같은 금속과의 합금)를 사용할 수 있다. 상기 음극 집전체로는 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 구리(Cu), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 카본(C), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), ITO(In doped SnO2), FTO(F doped SnO2), 및 이들의 합금과, 구리(Cu) 또는 스테인리스 스틸의 표면에 카본(C), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 또는 은(Ag)을 표면 처리한 것 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 음극 집전체의 형태는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포체 등의 형태일 수 있다.The negative electrode may be manufactured according to a conventional method known in the art. For example, a negative electrode active material, a conductive material, a binder, and if necessary, a filler, etc., are dispersed and mixed in a dispersion medium (solvent) to make a slurry, which is coated on the negative electrode current collector, and then dried and rolled to prepare a negative electrode. . As the negative active material, lithium metal or a lithium alloy (eg, an alloy of lithium and a metal such as aluminum, zinc, bismuth, cadmium, antimony, silicon, lead, tin, gallium, or indium) may be used. The anode current collector includes platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), iridium (Ir), silver (Ag), ruthenium (Ru), nickel (Ni), stainless steel (STS), copper (Cu). ), molybdenum (Mo), chromium (Cr), carbon (C), titanium (Ti), tungsten (W), ITO (In doped SnO 2 ), FTO (F doped SnO 2 ), and alloys thereof , Copper (Cu) or stainless steel may be surface-treated with carbon (C), nickel (Ni), titanium (Ti), or silver (Ag), but is not limited thereto. The negative electrode current collector may be in the form of a foil, a film, a sheet, a punched one, a porous body, or a foam.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되어 이들 사이의 단락을 방지하고 리튬이온의 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 분리막을 겸할 수도 있다. 구체적으로는, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막을 사용한다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 내지 10 ㎛, 두께는 일반적으로 5 내지 300 ㎛ 범위일 수 있다.The separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode 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. On the other hand, 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. The separator may have a pore diameter of generally 0.01 to 10 μm, and a thickness of 5 to 300 μm.

상기 전해질 또는 전해액으로는 비수계 전해액(비수계 유기 용매)으로서 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤을 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, γ-부틸로락톤, n-메틸 아세테이트, n-에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 인산 트리에스테르, 디부틸 에테르, N-메틸-2-피롤리디논, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(Franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란과 같은 테트라하이드로푸란 유도체, 디메틸설폭시드, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런 및 그 유도체, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산 메틸, 트리메톡시 메탄, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기 용매가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.As the electrolyte or electrolyte, carbonate, ester, ether, or ketone may be used alone or in combination of two or more as a non-aqueous electrolyte (non-aqueous organic solvent), but is not limited thereto. For example, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate, methylpropyl carbonate, ethylpropyl carbonate, methylethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, γ-butyrolactone, n-methyl acetate, n- Such as ethyl acetate, n-propyl acetate, phosphoric acid tryster, dibutyl ether, N-methyl-2-pyrrolidinone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc (Franc), 2-methyl tetrahydrofuran Tetrahydrofuran derivatives, dimethylsulfoxide, formamide, dimethylformamide, dioxolone and derivatives thereof, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, trimethoxy methane, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3 -An aprotic organic solvent such as dimethyl-2-imidazolidinone, methyl propionate, and ethyl propionate may be used, but is not limited thereto.

상기 전해액에는 리튬염을 더 첨가하여 사용할 수 있으며(이른바, 리튬염 함유 비수계 전해액), 상기 리튬염으로는 비수계 전해액에 용해되기 좋은 공지의 것, 예를 들어 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiPF3(CF2CF3)3, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 (비수계) 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 필요에 따라서는, 불연성을 부여하기 위해 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온보존 특성을 향상시키기 위해 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.A lithium salt may be further added to the electrolyte solution (so-called lithium salt-containing non-aqueous electrolyte solution), and the lithium salt is a well-known one that is soluble in a non-aqueous electrolyte solution, such as LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiPF 3 (CF 2 CF 3 ) 3 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, lithium chloroborane, lithium lower aliphatic carboxylic acid, lithium 4 phenyl borate, and imide, but are not limited thereto. In the (non-aqueous) electrolyte solution, for the purpose of improving charge/discharge properties and flame retardancy, for example, pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide , Nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N,N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride, etc. May be. If necessary, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further included in order to impart non-flammability, and carbon dioxide gas may be further included in order to improve high-temperature storage characteristics.

한편, 본 발명의 리튬 이차전지는 당 분야의 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 예를 들어, 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막을 넣고, 비수 전해액을 투입함으로써 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지 셀에 적용됨은 물론, 중대형 디바이스의 전원인 전지모듈의 단위전지로 특히 적합하게 사용될 수 있다. 이러한 측면에서, 본 발명은 또한 2개 이상이 리튬 이차전지가 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.On the other hand, the lithium secondary battery of the present invention can be manufactured according to a conventional method in the art. For example, it can be prepared by putting a porous separator between the positive electrode and the negative electrode, and adding a non-aqueous electrolyte. The lithium secondary battery according to the present invention can be particularly suitably used as a unit cell of a battery module, which is a power source for medium and large devices, as well as applied to a battery cell used as a power source for a small device. In this respect, 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 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이는 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 this is 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 the modifications belong to the appended claims.

[제조예 1] 탄소 층/금속 산화물 층의 이중층 전극 제조 [Production Example 1] Fabrication of double-layer electrode of carbon layer/metal oxide layer

먼저, 계면활성제인 CTAB(Cetyltrimethylammonium bromide, Alfa Aesar사)를 DI water에 1~5 wt%로 용해시킨 용액에, 외경이 100~200 nm이고 내경이 50~100 nm이며 비표면적은 10~100 m2/g인 카본 나노파이버(CNF, Sigma Aldrich사)와 CNT 하나의 길이가 0.1~5 nm이고 전체 길이는 1~100 nm인 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, Xiamen Tob New Energy Technology사)를 10 : 1 내지 10 : 5의 중량비로 혼합한 탄소재를 분산시켰다(Sonication). 이어서, 상기 탄소재 분산액을 PVDF Membrane(Durapore, Sigma-Aldrich사)으로 진공 여과시켜 탄소 필름을 제조하고, 이를 분리하여 60 ℃의 온도에서 2 시간 동안 건조시켰으며, 마지막으로, 상기 제조된 탄소 필름의 표면에 열 증착 방식(Thermal evaporator system, 대동 하이텍, Solar-Bridge)으로 TiO(1~3 mm Granule Type, Tiffaine사)를 증착시켜, TiO가 70 nm의 두께로 형성된 탄소 층/금속 산화물 층의 이중층 전극을 제조하였다.First, in a solution obtained by dissolving CTAB (Cetyltrimethylammonium bromide, Alfa Aesar) as a surfactant in DI water at 1 to 5 wt%, the outer diameter is 100 to 200 nm, the inner diameter is 50 to 100 nm, and the specific surface area is 10 to 100 m. 2 /g carbon nanofibers (CNF, Sigma Aldrich) and single-walled carbon nanotubes (SWCNT, Xiamen Tob New Energy Technology) with a length of 0.1 to 5 nm and a total length of 1 to 100 nm were 10 : 1 to 10: The mixed carbon material was dispersed in a weight ratio of 5 (Sonication). Subsequently, the carbon material dispersion was vacuum-filtered with PVDF Membrane (Durapore, Sigma-Aldrich) to prepare a carbon film, which was separated and dried at a temperature of 60° C. for 2 hours, and finally, the prepared carbon film TiO (1~3 mm Granule Type, Tiffaine) was deposited on the surface of the surface by a thermal evaporator system (Thermal evaporator system, Daedong Hitech, Solar-Bridge), and TiO was formed with a thickness of 70 nm. A double layer electrode was prepared.

[제조예 2] 탄소 층/금속 산화물 층의 이중층 전극 제조 [Production Example 2] Fabrication of double-layer electrode of carbon layer/metal oxide layer

TiO의 두께가 250 nm 로 형성되도록 변경한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일하게 수행하여 탄소 층/금속 산화물 층의 이중층 전극을 제조하였다.Except for changing the thickness of TiO to be formed to be 250 nm, the same procedure as in Preparation Example 1 was carried out to prepare a carbon layer/metal oxide layer bilayer electrode.

[제조예 3] 열처리된 탄소 층/금속 산화물 층의 이중층 전극 제조 [Production Example 3] Manufacture of heat-treated carbon layer/metal oxide layer double-layer electrode

상기 제조예 1에서 제조된 탄소 층/금속 산화물 층의 이중층 전극을, 아르곤 분위기 및 500 ℃ 하에서 2 시간 동안 승온시키며 열처리하였다.The bilayer electrode of the carbon layer/metal oxide layer prepared in Preparation Example 1 was heat-treated while heating in an argon atmosphere and 500° C. for 2 hours.

[실험예 1] 이중층 전극의 표면 평가 [Experimental Example 1] Surface evaluation of a double layer electrode

상기 제조예 1 및 2에서 제조된 이중층 전극의 표면(전면/후면)을 육안 및 주사전자현미경(SEM)으로 관찰 평가하였다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 층/금속 산화물 층의 이중층 전극을 육안 관찰한 이미지이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 층/금속 산화물 층의 이중층 전극을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다(도 3의 좌도: TiO가 70 nm의 두께로 형성, 도 3의 우도: TiO가 250 nm의 두께로 형성).The surfaces (front/rear) of the bilayer electrodes prepared in Preparation Examples 1 and 2 were observed and evaluated with the naked eye and a scanning electron microscope (SEM). 2 is a visual observation image of a double-layer electrode of a carbon layer/metal oxide layer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a scanning electron diagram of a double-layer electrode of a carbon layer/metal oxide layer according to an embodiment of the present invention. It is an image observed with a microscope (left view of FIG. 3: TiO formed to a thickness of 70 nm, right view of FIG. 3: TiO formed to a thickness of 250 nm).

도 2에 도시된 바와 같이, 전극의 전면은 흑색으로서 탄소재가 위치함을 알 수 있었고, 전극의 후면은 갈색을 띄어 금속 산화물이 위치함을 알 수 있었으며, 이를 통하여, 제조예 1 및 2에서 제조된 전극은 탄소 층과 금속 산화물 층의 이중층으로 제작되었음을 알 수 있었다. 또한, 도 3의 SEM 이미지를 통해서는, 탄소 표면에 입자 형태로 금속 산화물이 코팅되어 Layer를 형성했음을 확인할 수 있었다.As shown in Fig. 2, the front surface of the electrode was black and it could be seen that the carbon material was located, and the back side of the electrode was brown, indicating that the metal oxide was located.Through this, it was prepared in Preparation Examples 1 and 2 It was found that the electrode was made of a double layer of a carbon layer and a metal oxide layer. In addition, through the SEM image of FIG. 3, it was confirmed that a layer was formed by coating a metal oxide in the form of particles on the carbon surface.

[실험예 2] 열처리된 이중층 전극의 XRD 분석 평가 [Experimental Example 2] XRD analysis evaluation of heat-treated double-layer electrode

열처리 공정까지 수행한 상기 제조예 3의 이중층 전극을 XRD 분석하였다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 열처리된 이중층 전극의 XRD 피크 이미지로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 열처리를 통하여 생성되는 이중층 전극 내 TiO2의 결정성과, 26도에서의 넓은 피크를 통하여 비정질 카본이 복합화 되었음을 확인할 수 있었다.The double-layer electrode of Preparation Example 3, which was performed up to the heat treatment process, was subjected to XRD analysis. 4 is an XRD peak image of a double-layer electrode heat-treated according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the crystallinity of TiO 2 in the double-layer electrode generated through heat treatment, and a wide peak at 26 degrees are shown. It was confirmed that the amorphous carbon was composited.

[실험예 3] 열처리된 이중층 전극의 리튬 폴리설파이드 흡착 평가 [Experimental Example 3] Evaluation of lithium polysulfide adsorption of heat-treated double-layer electrode

상기 제조예 3의 열처리된 이중층 전극의 리튬 폴리설파이드 흡착능을 평가하였다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 열처리된 이중층 전극의 리튬 폴리설파이드 흡착능을 평가한 이미지로서, 도 5의 좌도는 노란색의 리튬 폴리설파이드 용액만을 넣은 이미지이고, 도 5의 우도는 리튬 폴리설파이드 용액에 상기 제조예 3의 열처리된 이중층 전극을 첨가하여 12 시간 방치한 후의 이미지이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 열처리된 탄소 층/금속 산화물 층의 이중층 전극은, 리튬 폴리설파이드를 흡착 능력을 가지고 있어 색이 옅어진 것을 확인할 수 있었다.The lithium polysulfide adsorption ability of the heat-treated double layer electrode of Preparation Example 3 was evaluated. 5 is an image evaluating the lithium polysulfide adsorption ability of a heat-treated double-layer electrode according to an embodiment of the present invention. The left view of FIG. 5 is an image containing only a yellow lithium polysulfide solution, and the right view of FIG. 5 is an image of lithium polysulfide. This is an image after adding the heat-treated double-layer electrode of Preparation Example 3 to the sulfide solution and leaving it for 12 hours. As shown in FIG. 5, it was confirmed that the heat-treated carbon layer/metal oxide layer double-layer electrode of the present invention had a lithium polysulfide adsorption ability, so that the color was pale.

[실시예 1] 리튬 이차전지용 양극의 제조 [Example 1] Preparation of positive electrode for lithium secondary battery

상기 제조예 3에서 제조된 (열처리된) 이중층 전극에, 황을 이황화탄소(CS2)에 5~30 wt%로 용해시킨 용액을 적가(Drop)한 후 건조시켜, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극을 제조하였다(양극 내 황 함량: 5~20 중량%).To the (heat-treated) double-layer electrode prepared in Preparation Example 3, a solution in which sulfur was dissolved in carbon disulfide (CS 2 ) in 5 to 30 wt% was added dropwise (Drop) and then dried, for lithium secondary battery according to the present invention. A positive electrode was prepared (sulfur content in the positive electrode: 5-20% by weight).

[비교예 1] 리튬 이차전지용 양극의 제조 [Comparative Example 1] Preparation of positive electrode for lithium secondary battery

먼저, 계면활성제인 CTAB(Cetyltrimethylammonium bromide)를 DI water에 1~5 wt%로 용해시킨 용액에, 외경이 100~200 nm이고 내경이 50~100 nm이며 비표면적은 10~100 m2/g인 카본 나노파이버(CNF, Sigma Aldrich사)와 CNT 하나의 길이가 0.1~5 nm이고 전체 길이는 1~100 nm인 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, Xiamen Tob New Energy Technology사)를 10 : 1 내지 10 : 5의 중량비로 혼합한 탄소재를 분산시켰다(Sonication). 이어서, 상기 탄소재 분산액을 PVDF Membrane(Durapore, Sigma-Aldrich사)으로 진공 여과시켜 탄소 필름을 제조하고, 이를 분리하여 60 ℃의 온도에서 2 시간 동안 건조시켰으며, 마지막으로, 상기 제조된 탄소 필름의 표면에 황을 이황화탄소에 5~30 wt%로 용해시킨 용액을 적가한 후 건조시켜, 리튬 이차전지용 양극을 제조하였다(즉, 금속 산화물의 증착 공정 배제).First, in a solution in which the surfactant CTAB (Cetyltrimethylammonium bromide) is dissolved in DI water at 1-5 wt%, the outer diameter is 100 to 200 nm, the inner diameter is 50 to 100 nm, and the specific surface area is 10 to 100 m 2 /g. Carbon nanofibers (CNF, Sigma Aldrich) and CNT single-walled carbon nanotubes (SWCNT, Xiamen Tob New Energy Technology) with a length of 0.1 to 5 nm and a total length of 1 to 100 nm were 10:1 to 10 : The mixed carbon material was dispersed in a weight ratio of 5 (Sonication). Subsequently, the carbon material dispersion was vacuum-filtered with PVDF Membrane (Durapore, Sigma-Aldrich) to prepare a carbon film, which was separated and dried at a temperature of 60° C. for 2 hours, and finally, the prepared carbon film A solution in which sulfur was dissolved in carbon disulfide at 5-30 wt% was added dropwise to the surface of and dried to prepare a positive electrode for a lithium secondary battery (ie, excluding the deposition process of metal oxide).

[실시예 2, 비교예 2] 리튬 이차전지의 제조 [Example 2, Comparative Example 2] Preparation of lithium secondary battery

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 각각의 양극과 리튬 메탈 음극을 준비한 후, 다공성 폴리에틸렌의 분리막을 양극과 음극의 사이에 개재하여 전극 조립체를 제조하고, 전극 조립체를 케이스 내부에 위치시킨 후 전해액(DOL:DME=1:1(v/v%), 1M LiTFSi, 0.2M LiNO3)을 황 무게 대비 약 2.2 배로 주입하여, 0.45 Ah(450 Wh/kg)의 파우치형 리튬-황 전지를 제조하였다.After preparing each positive electrode and lithium metal negative electrode prepared in Example 1 and Comparative Example 1, an electrode assembly was manufactured by interposing a separator of porous polyethylene between the positive electrode and the negative electrode, and the electrode assembly was placed inside the case. An electrolyte solution (DOL:DME=1:1 (v/v%), 1M LiTFSi, 0.2M LiNO 3 ) was injected at about 2.2 times the weight of sulfur, and a pouch-type lithium-sulfur battery of 0.45 Ah (450 Wh/kg) was prepared. Was prepared.

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

상기 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 리튬 이차전지(정확하게는, 리튬-황 전지)를 0.2/0.5/1/2/4C(각 5 사이클씩 진행)로 방전시켜 전지의 방전용량을 평가하였다(충방전 전위 범위(potential window): 1.7 - 2.8 V). 도 6은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 C-rate별 방전용량을 비교 대조한 그래프이다.The lithium secondary battery (precisely, a lithium-sulfur battery) prepared in Example 2 and Comparative Example 2 was discharged at 0.2/0.5/1/2/4C (5 cycles each) to evaluate the discharge capacity of the battery. (Charge-discharge potential range (potential window): 1.7-2.8 V). 6 is a graph comparing discharge capacity by C-rate of a lithium secondary battery manufactured according to an embodiment and a comparative example of the present invention.

상기 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 리튬 이차전지의 C-rate별 방전용량을 평가한 결과, 도 6에 도시된 바와 같이, 금속 산화물의 증착이 배제된 양극을 적용한 비교예 2의 전지는 C-rate별 비용량이 894/702/634/591/555 mAh/g이었고, 금속 산화물을 증착시킨 양극을 적용한 실시예 2의 전지는 C-rate별 비용량이 995/759/682/633/594 mAh/g이었으며, 이와 같은 결과를 통하여, 금속 산화물 증착에 따른 리튬 폴리설파이드 흡착 특성에 의한 전극 표면에서의 전기 화학 반응의 향상에 기인한 것을 알 수 있었다.As a result of evaluating the discharge capacity by C-rate of the lithium secondary batteries prepared in Example 2 and Comparative Example 2, as shown in FIG. 6, the battery of Comparative Example 2 to which the positive electrode from which the metal oxide was deposited was applied was The specific specific capacity per C-rate was 894/702/634/591/555 mAh/g, and the battery of Example 2 to which a positive electrode deposited with a metal oxide was applied has a specific specific capacity per C-rate of 995/759/682/633/594 mAh /g, and through this result, it was found that it was due to the improvement of the electrochemical reaction on the electrode surface due to the lithium polysulfide adsorption characteristics due to metal oxide deposition.

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

상기 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 리튬 이차전지(정확하게는, 리튬-황 전지)의 수명특성을 1C-rate 조건에서 평가하였다(충방전 전위 범위: 1.7 - 2.8 V). 도 7은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 수명특성을 비교 대조한 그래프이다.Life characteristics of the lithium secondary batteries (precisely, lithium-sulfur batteries) prepared in Example 2 and Comparative Example 2 were evaluated under 1 C-rate conditions (charge and discharge potential range: 1.7-2.8 V). 7 is a graph comparing and comparing life characteristics of lithium secondary batteries manufactured according to an embodiment and a comparative example of the present invention.

상기 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 리튬 이차전지의 수명특성을 평가한 결과, 도 7에 도시된 바와 같이, 금속 산화물의 증착이 배제된 양극을 적용한 비교예 2의 전지는 초기 용량이 661 mAh/g, 100회 충방전 이후에는 360 mAh/g을 나타내었고, 금속 산화물을 증착시킨 양극을 적용한 실시예 2의 전지는 초기 용량이 876 mAh/g, 100회 충방전 이후에는 803 mAh/g을 나타내었으며, 이와 같은 결과를 통하여, 금속 산화물 증착에 따른 리튬 폴리설파이드 흡착 특성에 의해 안정적인 수명 특성의 구현이 가능함을 확인할 수 있었다.As a result of evaluating the life characteristics of the lithium secondary batteries prepared in Example 2 and Comparative Example 2, as shown in FIG. 7, the battery of Comparative Example 2 to which the anode from which the metal oxide was deposited was applied has an initial capacity of 661. mAh/g, after 100 charging and discharging, showed 360 mAh/g, and the battery of Example 2 to which a positive electrode deposited with metal oxide was applied had an initial capacity of 876 mAh/g, and 803 mAh/g after 100 charging and discharging. Through these results, it was confirmed that stable lifespan characteristics can be realized by the lithium polysulfide adsorption characteristics according to metal oxide deposition.

Claims (15)

탄소 층;
상기 탄소 층의 표면에 증착되어 형성된 금속 산화물 층; 및
상기 금속 산화물 층의 표면에 도포된 황;을 포함하는 리튬 이차전지용 양극.
Carbon layer;
A metal oxide layer formed by depositing on the surface of the carbon layer; And
A positive electrode for a lithium secondary battery comprising; sulfur applied to the surface of the metal oxide layer.
청구항 1에 있어서, 상기 금속 산화물 층은 무기금속을 포함하고, 상기 무기금속은 티타늄, 망간, 주석, 니켈, 코발트, 마그네슘, 알루미늄, 세륨, 철, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지용 양극.The method of claim 1, wherein the metal oxide layer includes an inorganic metal, and the inorganic metal is selected from the group consisting of titanium, manganese, tin, nickel, cobalt, magnesium, aluminum, cerium, iron, vanadium, and mixtures thereof. Characterized in that, a positive electrode for a lithium secondary battery. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 산화물 층은 금속 이산화물, 금속 삼산화물 및 금속 사산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지용 양극.The cathode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the metal oxide layer comprises a metal oxide selected from the group consisting of metal dioxide, metal trioxide, and metal tetraoxide. 청구항 3에 있어서, 상기 금속 산화물은 이산화티타늄(TiO2), 이산화망간(MnO2) 및 이산화주석(SnO2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지용 양극.The cathode for a lithium secondary battery according to claim 3, wherein the metal oxide is selected from the group consisting of titanium dioxide (TiO 2 ), manganese dioxide (MnO 2 ), and tin dioxide (SnO 2 ). 청구항 1에 있어서, 상기 금속 산화물 층의 두께는 10 내지 500 nm인 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지용 양극.The cathode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the metal oxide layer has a thickness of 10 to 500 nm. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 산화물 층은 상기 탄소 층의 표면 일부 또는 전체에 선택적으로 증착 형성되는 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지용 양극.The cathode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the metal oxide layer is selectively deposited on a part or the entire surface of the carbon layer. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 산화물 층의 함량은 상기 탄소 층의 전체 중량 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부인 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지용 양극.The cathode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the content of the metal oxide layer is 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the carbon layer. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 산화물 층에는 기공이 형성되어 있고, 상기 기공의 공극률은 40 내지 90 %이며, 상기 황은 상기 금속 산화물 층의 기공이나 탄소재의 기공 중 어느 하나 이상에 흡착된 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지용 양극.The method according to claim 1, wherein pores are formed in the metal oxide layer, the porosity of the pores is 40 to 90%, and the sulfur is adsorbed to at least one of pores of the metal oxide layer or pores of the carbon material. A positive electrode for a lithium secondary battery. 청구항 1에 있어서, 상기 탄소 층은 탄소재를 포함하고, 상기 탄소재는 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노튜브 페이퍼(CNT paper), 그라파이트 나노파이버(GNF), 카본 나노파이버(CNF), 활성화 탄소 파이버(ACF) 및 이들 중 둘 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지용 양극.The method according to claim 1, wherein the carbon layer includes a carbon material, and the carbon material is carbon nanotubes (CNT), carbon nanotubes paper (CNT paper), graphite nanofibers (GNF), carbon nanofibers (CNF), activated carbon A positive electrode for a lithium secondary battery, characterized in that selected from the group consisting of fibers (ACF) and a mixture of two or more of them. 청구항 9에 있어서, 상기 탄소재는 카본 나노파이버-단일벽 탄소나노튜브 페이퍼(CNF-SWCNT paper)인 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지용 양극.The cathode for a lithium secondary battery according to claim 9, wherein the carbon material is a carbon nanofiber-single-walled carbon nanotube paper (CNF-SWCNT paper). (a) 탄소재를 포함하는 탄소 필름을 제조하는 단계;
(b) 상기 제조된 탄소 필름의 표면에 금속 산화물을 증착시켜 탄소 층/금속 산화물 층의 이중층 전극을 제조하는 단계;
(c) 상기 제조된 전극을 열처리하는 단계; 및
(d) 상기 열처리된 전극에 황을 도포한 후 열처리하는 단계;를 포함하는 리튬 이차전지용 양극의 제조방법.
(a) preparing a carbon film containing a carbon material;
(b) depositing a metal oxide on the surface of the prepared carbon film to prepare a carbon layer/metal oxide layer bilayer electrode;
(c) heat-treating the prepared electrode; And
(d) applying sulfur to the heat-treated electrode and then performing heat treatment.
청구항 11에 있어서, 상기 (b) 단계의 증착은 열 증착, 레이저 펄스 증착 및 화학기상 증착으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방식에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지용 양극의 제조방법.The method of claim 11, wherein the deposition in step (b) is performed by a method selected from the group consisting of thermal deposition, laser pulse deposition, and chemical vapor deposition. 청구항 11에 있어서, 상기 (b) 단계의 금속 산화물은 금속 일산화물이며, 상기 (c) 단계의 열처리를 통하여 금속 이산화물, 금속 삼산화물 및 금속 사산화물 중 어느 하나로 전환되는 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지용 양극의 제조방법.The lithium secondary of claim 11, wherein the metal oxide in step (b) is a metal monoxide, and is converted to one of metal dioxide, metal trioxide, and metal tetraoxide through the heat treatment in step (c). Method of manufacturing a battery positive electrode. 청구항 11에 있어서, 상기 (c) 단계의 열처리는 불활성 기체 분위기 및 150 내지 900 ℃ 하에서 10 분 내지 5 시간 동안 수행되며, 상기 (d) 단계의 열처리는 100 내지 200 ℃의 온도에서 약 30 분 내지 5 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지용 양극의 제조방법.The method of claim 11, wherein the heat treatment in step (c) is performed for 10 minutes to 5 hours under an inert gas atmosphere and 150 to 900 °C, and the heat treatment in step (d) is performed at a temperature of 100 to 200 °C for about 30 minutes to A method of manufacturing a positive electrode for a lithium secondary battery, characterized in that performed for 5 hours. 청구항 1의 리튬 이차전지용 양극; 리튬계 음극; 상기 양극과 음극의 사이에 개재되는 전해질; 및 분리막;을 포함하는 리튬 이차전지.The positive electrode for a lithium secondary battery of claim 1; Lithium-based negative electrode; An electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode; And a separator; lithium secondary battery comprising a.
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