KR20210026290A - Homogenous porous carbon-sulfur complex, lithium-sulfur battery including the same, and preparing method thereof - Google Patents

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Abstract

A porous carbon-sulfur complex has a hollow spherical shell, and includes porous carbon including a plurality of pores on the surface and inside of the shell, and sulfur positioned inside the plurality of pores. A method for preparing the porous carbon-sulfur complex includes the steps of: preparing porous carbon having a hollow spherical porous shell; and adding porous carbon and sulfur to a binary solution.

Description

균일한 다공성 탄소-황 복합체, 이를 포함하는 리튬-황 전지, 그리고 그 제조 방법{HOMOGENOUS POROUS CARBON-SULFUR COMPLEX, LITHIUM-SULFUR BATTERY INCLUDING THE SAME, AND PREPARING METHOD THEREOF}Uniform porous carbon-sulfur composite, lithium-sulfur battery including the same, and a manufacturing method thereof {HOMOGENOUS POROUS CARBON-SULFUR COMPLEX, LITHIUM-SULFUR BATTERY INCLUDING THE SAME, AND PREPARING METHOD THEREOF}

균일한 다공성 탄소-황 복합체, 이를 포함하는 리튬-황 전지, 그리고 그 제조 방법이 제공된다. A uniform porous carbon-sulfur composite, a lithium-sulfur battery including the same, and a method of manufacturing the same are provided.

최근 전자제품, 전자기기, 통신기기 등의 소형 경량화가 급속히 진행되고 있으며, 환경 문제와 관련하여 전기 자동차의 필요성이 크게 대두됨에 따라 이들 제품의 동력원으로 사용되는 이차전지의 성능 개선에 대한 요구도 증가하는 실정이다. 그 중 리튬 이차전지는 고 에너지밀도 및 높은 표준전극 전위 때문에 고성능 전지로서 상당한 각광을 받고 있다. Recently, small and light-weight reduction of electronic products, electronic devices, communication devices, etc. is rapidly progressing, and as the necessity of electric vehicles emerges greatly in relation to environmental issues, the demand for performance improvement of secondary batteries used as power sources of these products is also increasing. It is the actual situation. Among them, lithium secondary batteries are receiving considerable attention as high-performance batteries because of their high energy density and high standard electrode potential.

특히 리튬-황(Li-S) 전지는 S-S 결합(Sulfur-Sulfur bond)을 갖는 황 계열 물질을 양극 활물질로 사용하고, 리튬 금속을 음극 활물질로 사용하는 이차전지이다. 양극 활물질의 주재료인 황은 자원이 매우 풍부하고, 독성이 없으며, 낮은 원자당 무게를 가지고 있다. 또한 리튬-황 전지의 이론 방전용량은 약 1675 mAh/g이며, 이론 에너지밀도가 약 2,600 Wh/kg로서, 현재 연구되고 있는 다른 전지시스템의 이론 에너지밀도(Ni-MH 전지: 약 450 Wh/kg, Li-FeS 전지: 약 480 Wh/kg, Li-MnO2 전지: 약 1,000 Wh/kg, Na-S 전지: 약 800 Wh/kg)에 비하여 매우 높기 때문에, 리튬-황 전지는 현재까지 개발되고 있는 전지 중에서 가장 유망한 전지이다. In particular, a lithium-sulfur (Li-S) battery is a secondary battery that uses a sulfur-based material having an S-S bond (Sulfur-Sulfur bond) as a positive electrode active material and a lithium metal as a negative electrode active material. Sulfur, the main material of the positive electrode active material, is very rich in resources, non-toxic, and has a low weight per atom. In addition, the theoretical discharge capacity of the lithium-sulfur battery is about 1675 mAh/g, and the theoretical energy density is about 2,600 Wh/kg, and the theoretical energy density of other battery systems currently being studied (Ni-MH battery: about 450 Wh/kg , Li-FeS battery: about 480 Wh/kg, Li-MnO2 battery: about 1,000 Wh/kg, Na-S battery: about 800 Wh/kg). It is the most promising battery among batteries.

리튬-황 전지의 방전 반응 중 음극에서는 리튬의 산화 반응이 발생하고, 양극에서는 황의 환원 반응이 발생한다. 방전 전의 황은 환 형의 S8 구조를 가지고 있는데, 환원 반응(방전) 시 S-S 결합이 끊어지면서 S의 산화수가 감소하고, 산화 반응(충전) 시 S-S 결합이 다시 형성되면서 S의 산화수가 증가하는 산화-환원 반응을 이용하여 전기 에너지가 저장 및 생성된다. 이런 반응 중 황은 환형의 S8에서 환원 반응에 의해 선형 구조의 리튬 폴리설파이드(lithium polysulfide, Li2Sx, x = 8, 6, 4, 2)로 변환되며, 결국 이러한 리튬 폴리설파이드가 완전히 환원되면 최종적으로 리튬 설파이드(lithium sulfide, Li2S)가 생성된다. 각각의 리튬 폴리설파이드로 환원되는 과정에 의해 리튬-황 전지의 방전 거동은 리튬 이온전지와는 달리 단계적으로 방전 전압을 나타낸다. During the discharge reaction of a lithium-sulfur battery, an oxidation reaction of lithium occurs at the negative electrode and a reduction reaction of sulfur occurs at the positive electrode. Sulfur before discharge has a cyclic S8 structure, and the oxidation number of S decreases as the SS bond is broken during the reduction reaction (discharge), and the oxidation number of S increases as the SS bond is re-formed during the oxidation reaction (charging). Electrical energy is stored and generated using a reduction reaction. During this reaction, sulfur is converted from cyclic S8 to linear lithium polysulfide (Li 2 S x , x = 8, 6, 4, 2) by a reduction reaction. Eventually, when these lithium polysulfides are completely reduced, Finally, lithium sulfide (Li 2 S) is produced. The discharge behavior of a lithium-sulfur battery by the process of being reduced to each lithium polysulfide shows a discharge voltage in stages, unlike a lithium ion battery.

그러나 이러한 리튬-황 전지의 경우, 황의 낮은 전기 전도도, 충방전시 리튬 폴리설파이드의 용출 및 부피 팽창 문제, 이로 인한 낮은 쿨롱 효율 및 충방전에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결해야 한다.However, in the case of such a lithium-sulfur battery, problems such as low electrical conductivity of sulfur, elution and volume expansion of lithium polysulfide during charging and discharging, low coulomb efficiency and rapid capacity reduction due to charging and discharging must be solved.

이러한 문제를 해결하기 위해, 리튬-황 전지의 양극 활물질을 탄소나노튜브, 그래핀 등 다양한 다공성 탄소 소재에 적용하는 연구되고 있다. 이러한 다공성 탄소 소재는 높은 전기 전도도를 제공할 수 있고 물리적으로 리튬 폴리설파이드의 전해질로의 용출을 방지할 수 있고, 이에 따라 리튬-황 전지의 용량 및 수명이 향상될 수 있다.In order to solve this problem, research has been conducted to apply a cathode active material of a lithium-sulfur battery to various porous carbon materials such as carbon nanotubes and graphene. Such a porous carbon material can provide high electrical conductivity and physically prevent the elution of lithium polysulfide into the electrolyte, and thus the capacity and life of the lithium-sulfur battery can be improved.

예를 들어, 다공성 탄소 소재 내로 황을 복합화 하는 방법으로 용융 확산법(melt diffusion)이 연구되고 있고, 이황화탄소(carbon disulfide)의 건조를 통한 용액법 등이 연구되고 있다. 그러나, 이러한 방법에 의한 다공성 탄소-황 복합체는 다공성 탄소 내에 균일하게 황을 복합화하는 데 한계가 있다. 나아가, 최근에는 균일한 황 복합화를 위해 기상 복합화 방법, 초임계 유체를 활용한 황 복합화 방법 등이 연구되고 있다.For example, a melt diffusion method is being studied as a method of compounding sulfur into a porous carbon material, and a solution method through drying of carbon disulfide is being studied. However, the porous carbon-sulfur composite by this method has a limitation in uniformly compounding sulfur in the porous carbon. Furthermore, recently, a gas phase complexing method and a sulfur complexing method using a supercritical fluid have been studied for uniform sulfur complexation.

일 실시예는 다공성 탄소의 기공 내에 균일하게 황을 복합화한 다공성 탄소-황 복합체를 제공하여, 이를 포함하는 리튬-황 전지의 전기화학적 성능을 개선하고, 리튬-황 전지의 용량 및 수명을 확대하기 위한 것이다. One embodiment provides a porous carbon-sulfur composite in which sulfur is uniformly compounded in the pores of porous carbon, thereby improving the electrochemical performance of a lithium-sulfur battery including the same, and expanding the capacity and life of the lithium-sulfur battery. For.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다. In addition to the above problems, embodiments according to the present invention may be used to achieve other tasks not specifically mentioned.

일 실시예에 따른 다공성 탄소-황 복합체는, 속이 비어 있는 구형의 쉘을 가지며, 쉘의 표면 및 내부에 복수의 기공들을 포함하는 다공성 탄소, 그리고 복수의 기공들 내부에 위치하는 황을 포함한다.The porous carbon-sulfur composite according to an embodiment includes a hollow spherical shell, porous carbon including a plurality of pores on the surface and inside of the shell, and sulfur located inside the plurality of pores.

다공성 탄소 및 황에 대한 EDS 맵핑에 의해, 쉘의 내부에 위치하는 황이 균일하게 분포되어 있을 수 있다.By EDS mapping for porous carbon and sulfur, sulfur located inside the shell may be uniformly distributed.

쉘의 외부에 남아 있는 황이 쉘의 표면적을 기준으로 0% 초과 20% 이하일 수 있다. Sulfur remaining on the outside of the shell may be greater than 0% and less than 20% based on the surface area of the shell.

일 실시예에 따른 전극은, 기재, 그리고 기재 위에 위치하는 다공성 탄소-황 복합체를 포함하고, 여기서 다공성 탄소-황 복합체는, 속이 비어 있는 구형의 쉘을 가지며, 쉘의 표면 및 내부에 복수의 기공들을 포함하는 다공성 탄소, 그리고 복수의 기공들 내부에 위치하는 황을 포함한다.The electrode according to an embodiment includes a substrate, and a porous carbon-sulfur composite positioned on the substrate, wherein the porous carbon-sulfur composite has a hollow spherical shell, and a plurality of pores on the surface and inside of the shell Porous carbon containing the, and sulfur located inside the plurality of pores.

일 실시예에 따른 리튬-황 전지는, 다공성 탄소-황 복합체를 포함하고, 황의 환원 반응이 발생하는 양극, 양극과 마주보고, 리튬의 산화 반응이 발생하는 음극, 그리고 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 전해질을 포함하고, 여기서 다공성 탄소-황 복합체는, 속이 비어 있는 구형의 쉘을 가지며, 쉘의 표면 및 내부에 복수의 기공들을 포함하는 다공성 탄소, 그리고 복수의 기공들 내부에 위치하는 황을 포함한다.The lithium-sulfur battery according to an embodiment includes a porous carbon-sulfur composite, and is interposed between the positive electrode and the negative electrode, facing the positive electrode, the negative electrode where the oxidation reaction of lithium occurs, and the positive electrode in which a sulfur reduction reaction occurs, the positive electrode. And a porous carbon-sulfur composite, wherein the porous carbon-sulfur composite has a hollow spherical shell, porous carbon including a plurality of pores on the surface and inside of the shell, and sulfur located inside the plurality of pores do.

일 실시예에 따른 다공성 탄소-황 복합체의 제조 방법은, 속이 비어 있는 구형의 다공성 쉘을 갖는 다공성 탄소를 제조하는 단계, 그리고 다공성 탄소와 황을 이성분계 용액에 추가하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a porous carbon-sulfur composite according to an embodiment includes preparing porous carbon having a hollow spherical porous shell, and adding porous carbon and sulfur to a binary solution.

이성분계 용액은 이황화탄소와 극성 용매를 혼합하여 제조될 수 있다.The binary solution can be prepared by mixing carbon disulfide and a polar solvent.

극성 용매는 알코올계 용매일 수 있다.The polar solvent may be an alcohol-based solvent.

다공성 탄소를 제조하는 단계는, 유기 용매와 금속 산화물 전구체를 혼합하는 단계, 탄소 전구체를 추가하여 교반하는 단계, 불활성 기체 분위기 하에서 소결하는 단계, 그리고 에칭 용액으로 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.The step of preparing porous carbon may include mixing an organic solvent and a metal oxide precursor, adding and stirring the carbon precursor, sintering under an inert gas atmosphere, and etching with an etching solution.

여기서, 금속 산화물 전구체는 실리카 전구체일 수 있다.Here, the metal oxide precursor may be a silica precursor.

여기서, 탄소 전구체는 페놀계 화합물을 포함할 수 있다.Here, the carbon precursor may include a phenolic compound.

또한, 탄소 전구체는 알데히드계 화합물을 포함할 수 있다.In addition, the carbon precursor may include an aldehyde-based compound.

일 실시예에 따른 다공성 탄소-황 복합체의 제조 방법은, 속이 비어 있는 구형의 다공성 쉘을 갖는 다공성 탄소를 제조하는 단계, 그리고 다공성 탄소와 황을 이황화탄소와 이소프로필알코올이 혼합된 용액에 추가하는 단계를 포함한다.The method of manufacturing a porous carbon-sulfur composite according to an embodiment includes the steps of preparing porous carbon having a hollow spherical porous shell, and adding porous carbon and sulfur to a solution in which carbon disulfide and isopropyl alcohol are mixed. Includes steps.

여기서, 유기 용매는 에탄올, 증류수, 그리고 암모니아를 포함할 수 있다.Here, the organic solvent may include ethanol, distilled water, and ammonia.

여기서, 에칭 용액은 수산화나트륨 용액일 수 있다.Here, the etching solution may be a sodium hydroxide solution.

낮은 표면 장력 또는 낮은 계면(탄소표면/용매) 에너지를 갖는 용매를 포함하는 이성분계 용액을 사용하여, 다공성 탄소 안으로 황의 침투를 용이하게 만들어, 균일한 다공성 탄소-황 복합체가 제조될 수 있다. 이에 따라, 리튬-황 전지의 전기화학적 특성이 개선될 수 있으며, 리튬-황 전지의 용량 및 수명이 확대될 수 있다.By using a binary solution containing a solvent having a low surface tension or low interface (carbon surface/solvent) energy, the penetration of sulfur into the porous carbon is facilitated, so that a uniform porous carbon-sulfur composite can be prepared. Accordingly, the electrochemical properties of the lithium-sulfur battery can be improved, and the capacity and life of the lithium-sulfur battery can be extended.

도 1은 이성분계 용액을 이용한 황복합화(이하 실시예)에 따라 제조된 균일한 다공성 탄소-황 복합체의 개략도이다.
도 2는 단일 용액을 이용한 황복합화(이하 비교예)에 따라 제조된 종래의 다공성 탄소-황 복합체의 개략도이다.
도 3은 비교예 및 실시예의 고배율 투과전자현미경(TEM) 이미지 및 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 맵핑 분석 수행 결과이다.
도 4는 비교예 및 실시예의 저배율 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 5는 비교예 및 실시예의 열중량 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 비교예 및 실시예의 전류 밀도별 정전류 조건 충방전(Galvanostatic Charge/Discharge) 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 비교예 및 실시예의 1 C-rate 조건에서의 정전류 조건 충방전 결과를 나타내는 그래프이다.
1 is a schematic diagram of a homogeneous porous carbon-sulfur composite prepared according to sulfur complexation using a binary solution (hereinafter, Example).
2 is a schematic diagram of a conventional porous carbon-sulfur composite prepared according to sulfur complexation using a single solution (hereinafter, Comparative Example).
3 is a high magnification transmission electron microscope (TEM) image and EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) mapping analysis results of Comparative Examples and Examples.
4 is a low magnification scanning electron microscope (SEM) image of Comparative Examples and Examples.
5 is a graph showing thermogravimetric analysis results of Comparative Examples and Examples.
6 is a graph showing galvanostatic charge/discharge results for each current density in Comparative Examples and Examples.
7 is a graph showing charging and discharging results under a constant current condition in 1 C-rate condition of Comparative Examples and Examples.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다. With reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily implement the present invention. The present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and the same reference numerals are used for the same or similar components throughout the specification. In addition, in the case of a well-known technology, a detailed description thereof will be omitted.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

그러면 일 실시예에 따른 균일한 다공성 탄소-황 복합체, 이를 포함하는 리튬-황 전지, 그리고 그 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.Then, a uniform porous carbon-sulfur composite according to an embodiment, a lithium-sulfur battery including the same, and a method of manufacturing the same will be described in detail.

도 1은 이성분계 용매를 이용한 황복합화에 따라 제조된 균일한 다공성 탄소-황 복합체의 개략도이며, 도 2는 단일 용매를 이용한 황복합화에 따라 제조된 종래의 다공성 탄소-황 복합체의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a uniform porous carbon-sulfur composite prepared by sulfur complexation using a binary solvent, and FIG. 2 is a schematic diagram of a conventional porous carbon-sulfur composite prepared by sulfur complexation using a single solvent.

다공성 탄소(10)는 속이 비어 있는 구형의 쉘 구조를 가지며, 구형의 쉘은 복수의 기공들을 포함하는 다공성을 갖는다. 예를 들어, 금속 산화물 전구체와 탄소 전구체를 이용하여 구형의 다공성 쉘 구조를 갖는 다공성 탄소(10)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속 산화물 전구체는 실리카 전구체, 알루미나 전구체 등이 있다. 예를 들어, 탄소 전구체는 당류, 알코올계 화합물, 페놀계 화합물, 올레핀계 화합물, 알데히드계 화합물 등이 있다. 금속 산화물 전구체로부터 형성된 금속 산화물 코어 위에 탄소 전구체를 성장시킨다. 예를 들어, 유기 용매와 금속 산화물 전구체를 혼합하여 교반하고, 탄소 전구체를 추가하여 다시 교반한다. 이어서 세척 및 건조 공정을 통해 분말을 수득한다. 이어서, 수득한 분말을 불활성 기체 분위기 하에 소결시켜, 다공성 구조를 갖는 탄소가 제조된다. 이어서, 다공성 구조를 갖는 탄소를 에칭 용액으로 에칭하며, 이에 따라 금속 산화물 코어가 제거되어 속이 비어 있는 구형의 다공성 쉘 구조의 탄소가 제조된다. The porous carbon 10 has a hollow spherical shell structure, and the spherical shell has a porosity including a plurality of pores. For example, porous carbon 10 having a spherical porous shell structure may be formed using a metal oxide precursor and a carbon precursor. For example, the metal oxide precursor includes a silica precursor, an alumina precursor, and the like. For example, carbon precursors include sugars, alcohol compounds, phenol compounds, olefin compounds, and aldehyde compounds. A carbon precursor is grown on a metal oxide core formed from the metal oxide precursor. For example, an organic solvent and a metal oxide precursor are mixed and stirred, and a carbon precursor is added and stirred again. Subsequently, a powder is obtained through a washing and drying process. Subsequently, the obtained powder is sintered under an inert gas atmosphere to produce carbon having a porous structure. Subsequently, carbon having a porous structure is etched with an etching solution, whereby the metal oxide core is removed to produce carbon having a hollow spherical porous shell structure.

실리카 전구체를 사용하고, 페놀계 화합물 및 알데히드계 화합물을 혼합하여 사용하는 경우, 구형의 다공성 쉘 구조를 갖는 탄소의 전기 전도도가 우수하며, 이에 따라 리튬-황 전지의 전기화학적 성능이 개선될 수 있다.When a silica precursor is used and a phenol-based compound and an aldehyde-based compound are mixed and used, the electrical conductivity of carbon having a spherical porous shell structure is excellent, and accordingly, the electrochemical performance of a lithium-sulfur battery can be improved. .

나아가, 테트라프로필오르소실리케이트(tetrapropylorthosilicate), 레조르시놀(resorcinol), 포름알데히드를 사용하는 경우, 구형의 다공성 쉘 구조를 갖는 탄소의 전기 전도도가 더욱 우수하며, 이에 따라 리튬-황 전지의 전기화학적 성능이 더욱 개선될 수 있다.Furthermore, in the case of using tetrapropylorthosilicate, resorcinol, or formaldehyde, the electrical conductivity of carbon having a spherical porous shell structure is more excellent. The performance can be further improved.

도 1을 참고하면, 황(20)은 이성분계 용액(30) 에 분산되어 있다. 예를 들어, 이성분계 용액은 이황화탄소(carbon disulfide)와 극성 용매를 혼합한 용액이다. 이황화탄소 용액에 극성 용매를 추가하는 경우, 낮은 표면 장력 또는 낮은 계면(탄소표면/용매) 에너지를 갖는 극성 용매로 인하여, 탄소 표면의 젖음성이 좋아진다. 따라서 다공성 탄소(10)의 내부로 용액을 주입하기가 용이하다. 이후 건조 공정을 통해 용매가 증발한 후에 대부분의 황이 다공성 탄소(10)의 쉘의 표면 및 내부에 위치한 복수의 기공들에 균일하게 위치한다. 이에 따라 쉘의 표면에 남아 있는 황의 단면적이 쉘 전체 표면적을 기준으로 0% 초과 20 %이하이다. 이러한 수치 범위의 균일한 다공성 탄소-황 복합체의 구조적인 특성으로 인하여, 다공성 탄소-황 복합체가 리튬-황 전지의 전극으로 사용되는 경우, 리튬 이온(Li+)의 전달도와 전자(e-) 전달도가 모두 높으며, 이에 따라 리튬 폴리설파이드(LiPS)의 용출이 적다. 따라서, 리튬-황 전지의 전기화학적 성능이 개선될 수 있고, 리튬-황 전지의 용량 및 수명이 확대될 수 있다.Referring to FIG. 1, sulfur 20 is dispersed in a binary solution 30. For example, the binary solution is a mixture of carbon disulfide and a polar solvent. When a polar solvent is added to the carbon disulfide solution, the wettability of the carbon surface is improved due to the polar solvent having a low surface tension or low interfacial (carbon surface/solvent) energy. Therefore, it is easy to inject a solution into the porous carbon 10. After the solvent evaporates through the drying process, most of the sulfur is uniformly located in the plurality of pores located inside and on the surface of the shell of the porous carbon 10. Accordingly, the cross-sectional area of sulfur remaining on the surface of the shell is more than 0% and less than 20% based on the total surface area of the shell. Due to structural properties of sulfur composites, porous carbon-uniform porous carbon of this numerical value range the sulfur composite is lithium when used as an electrode of sulfur batteries, lithium ion (Li +) transfer assist electron (e -) of the transfer Both degrees are high, and accordingly, the elution of lithium polysulfide (LiPS) is small. Accordingly, the electrochemical performance of the lithium-sulfur battery can be improved, and the capacity and life of the lithium-sulfur battery can be extended.

극성 용매 중 알코올계 용매를 사용하는 경우, 더 낮은 표면 장력 또는 더 낮은 계면(탄소표면/용매) 에너지를 갖는 극성 용매로 인하여, 탄소 표면의 젖음성이 더욱 좋아지며, 황이 다공성 탄소(10)의 쉘의 쉘의 표면 및 내부에 위치한 복수의 기공들에 더욱 균일하게 위치할 수 있으며, 리튬-황 전지의 전기화학적 성능이 더욱 개선될 수 있고, 리튬-황 전지의 용량 및 수명이 더욱 확대될 수 있다.In the case of using an alcohol-based solvent among the polar solvents, due to the polar solvent having a lower surface tension or lower interfacial (carbon surface/solvent) energy, the wettability of the carbon surface is better, and sulfur is the shell of the porous carbon (10). It can be more evenly located in a plurality of pores located on the surface and inside of the shell of the, the electrochemical performance of the lithium-sulfur battery can be further improved, and the capacity and life of the lithium-sulfur battery can be further extended. .

나아가, 알코올계 용매 중 이소프로필알코올을 사용하는 경우, 더욱 더 낮은 표면 장력 또는 더욱 더 낮은 계면(탄소표면/용매) 에너지를 갖는 극성 용매로 인하여, 탄소 표면의 젖음성이 더욱 더 좋아지며, 황이 다공성 탄소(10)의 쉘의 표면 및 내부에 위치한 복수의 기공들에 더욱 더 균일하게 위치할 수 있으며, 리튬-황 전지의 전기화학적 성능이 더욱 더 개선될 수 있고, 리튬-황 전지의 용량 및 수명이 더욱 더 확대될 수 있다.Furthermore, when isopropyl alcohol is used among alcohol-based solvents, the wettability of the carbon surface is further improved and the sulfur is porous due to the polar solvent having a lower surface tension or even lower interfacial (carbon surface/solvent) energy. The carbon 10 can be positioned more evenly in a plurality of pores located on the surface and inside of the shell, and the electrochemical performance of the lithium-sulfur battery can be further improved, and the capacity and lifespan of the lithium-sulfur battery This can be further magnified.

한편, 도 2를 참고하면, 황(20)은 단일 용액(40)에 분산되어 있다. 예를 들어, 단일 용액(40)은 이황화탄소만 포함하는 용액이다. 기존의 단일 용액(40)에 황을 용해하여 다공성 탄소(10)에 주입하는 경우, 용액이 탄소 표면에 잘 젖지 않아 다공성 탄소(10)의 내부로 용액을 주입하기가 어렵다. 이에 따라, 건조 공정을 통해 용매가 증발한 후에 황이 다공성 탄소(10)의 쉘 바깥에 불균일하게 위치한다. 이러한 불균일한 다공성 탄소-황 복합체의 구조로 인하여, 다공성 탄소-황 복합체가 리튬-황 전지의 전극으로 사용되는 경우, 리튬 이온(Li+)의 전달도와 전자(e-) 전달도가 모두 낮으며, 이에 따라 리튬 폴리설파이드(LiPS)의 용출이 많다. 따라서, 리튬-황 전지의 용량 및 수명이 감소될 수 있다.Meanwhile, referring to FIG. 2, sulfur 20 is dispersed in a single solution 40. For example, the single solution 40 is a solution containing only carbon disulfide. When sulfur is dissolved in the existing single solution 40 and injected into the porous carbon 10, it is difficult to inject the solution into the porous carbon 10 because the solution is not well wetted on the carbon surface. Accordingly, after the solvent evaporates through the drying process, sulfur is unevenly located outside the shell of the porous carbon 10. Due to the structure of the sulfur composite, the porous carbon - such a non-uniform porous carbon sulfur composite is a lithium-were all passed, as is low - when used as an electrode of the sulfur battery, transfer assist electron (e) of the lithium ion (Li +) Accordingly, the elution of lithium polysulfide (LiPS) is large. Thus, the capacity and life of the lithium-sulfur battery can be reduced.

다공성 탄소-황 복합체는 기재(substrate) 위에 위치하여, 전극을 구성할 수 있다. 예를 들어, 리튬-황 전지의 양극으로 사용될 수 있다.The porous carbon-sulfur composite may be positioned on a substrate to constitute an electrode. For example, it can be used as a positive electrode for a lithium-sulfur battery.

리튬-황 전지는 다공성 탄소-황 복합체를 포함하고 황의 환원 반응이 발생하는 양극, 양극과 마주보고 리튬의 산화 반응이 발생하는 음극, 그리고 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 전해질을 포함한다. 이러한 리튬-황 전지는 전기화학적 성능이 우수하여, 전지의 용량과 수명이 확대될 수 있다.The lithium-sulfur battery includes a porous carbon-sulfur composite and includes a positive electrode in which a sulfur reduction reaction occurs, a negative electrode in which an oxidation reaction of lithium occurs facing the positive electrode, and an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode. Such a lithium-sulfur battery has excellent electrochemical performance, and thus the capacity and life of the battery can be extended.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the following examples are only examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example

구형의 다공성 쉘 구조를 갖는 탄소의 제조Preparation of carbon having a spherical porous shell structure

실리카 전구체로 테트라프로필오르소실리케이트를 사용한다. 에탄올 70 mL, 증류수 10 mL, 암모니아 3 mL(25-28%)가 혼합된 용액에 12 mM의 테트라프로필오르소실리케이트3.5 mL를 넣고 교반한다. 교반한지 15 분 후에 레조르시놀 0.4 g와 포름알데히드(37 wt%) 0.56 mL를 넣고, 24 시간동안 교반한다. 증류수로 여러 번 세척 후, 섭씨 60 도에서 12시간 이상 건조하여 분말을 수득한다. 수득한 분말을 섭씨 700 도로 승온시간 2시간 및 유지시간 5시간의 조건으로 아르곤 분위기하에서 소결한다. 소결 후, 수산화나트륨 용액에 5시간 동안 에칭한다. 증류수로 여러 번 세척 후, 섭씨 60도에서 12시간 이상 건조하여, 구형의 다공성 쉘 구조를 갖는 탄소 분말을 수득한다.Tetrapropyl orthosilicate is used as a silica precursor. To a solution in which 70 mL of ethanol, 10 mL of distilled water, and 3 mL (25-28%) of ammonia are mixed, 3.5 mL of 12 mM tetrapropyl orthosilicate was added and stirred. After 15 minutes of stirring, 0.4 g of resorcinol and 0.56 mL of formaldehyde (37 wt%) were added, followed by stirring for 24 hours. After washing several times with distilled water, it is dried at 60 degrees Celsius for 12 hours or more to obtain a powder. The obtained powder was sintered in an argon atmosphere under conditions of a heating time of 2 hours and a holding time of 5 hours at 700 degrees Celsius. After sintering, it is etched in sodium hydroxide solution for 5 hours. After washing several times with distilled water, it was dried at 60 degrees Celsius for 12 hours or more to obtain a carbon powder having a spherical porous shell structure.

다공성 탄소-황 복합체의 제조Preparation of porous carbon-sulfur composite

이황화탄소와 이소프로필알코올이 7:3 mol%로 혼합된 용액을 준비한다. 구형의 다공성 쉘 구조를 갖는 탄소 분말과 황을 1:3 wt%가 되도록 혼합 용액에 추가한다. 이어서, 섭씨 45도에서 12시간 이상 건조하여 다공성 탄소-황 복합체를 수득한다.A solution of 7:3 mol% of carbon disulfide and isopropyl alcohol is prepared. Carbon powder and sulfur having a spherical porous shell structure are added to the mixed solution in a ratio of 1:3 wt%. Subsequently, it is dried at 45 degrees Celsius for 12 hours or more to obtain a porous carbon-sulfur composite.

비교예Comparative example

상기 실시예에서 이황화탄소와 이소프로필알코올의 혼합 용액 대신 이황화탄소 100% 용액을 사용하는 것을 제외하고, 상기 실시예와 동일하게 수행하여 다공성 탄소-황 복합체를 수득한다.In the above Example, a porous carbon-sulfur composite was obtained in the same manner as in Example, except that a 100% carbon disulfide solution was used instead of a mixed solution of carbon disulfide and isopropyl alcohol.

다공성 탄소-황 복합체의 물성 분석Analysis of properties of porous carbon-sulfur composites

TEMTEM 및 EDS 분석 And EDS analysis

실시예 및 비교예에서 제조한 다공성 탄소-황 복합체의 구조를 확인하기 위해 TEM(Transmission Electron Microscopy) 분석을 실시한다. TEM 분석 중 TEM 이미지를 촬영하고 해당 위치에서 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 분석 기능을 통해 탄소 및 황 원소에 대한 EDS 맵핑 분석을 실시한다. TEM 및 EDS 분석 결과를 도 3에 나타낸다. Transmission Electron Microscopy (TEM) analysis was performed to confirm the structure of the porous carbon-sulfur composite prepared in Examples and Comparative Examples. During TEM analysis, a TEM image is taken, and EDS mapping analysis for carbon and sulfur elements is performed through the EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) analysis function at the corresponding location. The results of TEM and EDS analysis are shown in FIG. 3.

구형의 쉘 구조를 갖는 다공성 탄소-황 복합체 구조가 형성된 것을 알 수 있다. 실시예가 비교예보다 탄소의 쉘 내부에 더 균일하게 황이 위치하는 것을 알 수 있다. It can be seen that a porous carbon-sulfur composite structure having a spherical shell structure was formed. It can be seen that the examples are more uniformly located inside the shell of carbon than the comparative examples.

SEMSEM 분석 analysis

실시예 및 비교예에서 제조한 다공성 탄소-황 복합체의 구조를 확인하기 위해 SEM(Scanning Electron Microscopy) 분석을 실시하여, 그 결과를 도 4에 나타낸다.In order to confirm the structure of the porous carbon-sulfur composite prepared in Examples and Comparative Examples, SEM (Scanning Electron Microscopy) analysis was performed, and the results are shown in FIG. 4.

실시예의 경우, 기공 내 용액 침투 특성이 높기 때문에, 황이 다공성 탄소 쉘 내부의 기공에 균일하게 복합화되어 쉘 외부에 남은 황이 거의 없는 것을 알 수 있다.In the case of the embodiment, since the solution penetration property in the pores is high, it can be seen that sulfur is uniformly compounded with the pores inside the porous carbon shell, and there is little sulfur remaining outside the shell.

반면, 비교예의 경우, 황과 탄소의 친화도가 낮아 침투 특성도 낮기 때문에, 황이 다공성 탄소 쉘 내부의 기공으로 복합화되지 못하고, 건조시 다공성 탄소 쉘 외부에 남은 것을 알 수 있다. On the other hand, in the case of the comparative example, since the affinity between sulfur and carbon is low and the penetration characteristics are low, it can be seen that the sulfur cannot be complexed into the pores inside the porous carbon shell, and remains outside the porous carbon shell upon drying.

열중량 분석 (Thermogravimetric analysis) TGA (Thermogravimetric analysis)

실시예 및 비교예에서 제조한 다공성 탄소-황 복합체에 대해 열중량 분석(ThermoGravimetric Analysis)을 실시하며, 그 결과를 도 5에 나타낸다. 실시예와 비교예 모두 75 중량%의 높은 질량비로 황을 복합화한 것을 알 수 있다. 그러나, 실시예에서 75 중량%의 중량 감소가 일어나는 온도가 비교예보다 높으며, 이에 따라, 실시예의 복합체의 기공 내에 황이 더 균일하게 복합화되어 있다는 것을 알 수 있다.The porous carbon-sulfur composites prepared in Examples and Comparative Examples were subjected to thermogravimetric analysis, and the results are shown in FIG. 5. It can be seen that both Examples and Comparative Examples are complexed with sulfur at a high mass ratio of 75% by weight. However, it can be seen that the temperature at which the weight reduction of 75% by weight occurs in the Example is higher than that of the Comparative Example, and thus, sulfur is more uniformly compounded in the pores of the composite of the Example.

리튬-황 전지의 양극의 Of the positive electrode of a lithium-sulfur battery 율속Rate 및 수명 특성 평가 And life characteristics evaluation

실시예 및 비교예에 따라 제조된 다공성 탄소-황 복합체를 리튬-황 전지의 양극에 적용한다. 1M LiTFSI(Lithium bis(trifluoromethanesulphonyl)imide), 0.2M LiNO3, Dioxolane:dimethyl ether(5:5v/v%)로 혼합된 전해질 조건에서 배터리 테스터를 사용한다. 여기서 전극의 면적당 황의 무게는 1 mg/cm2이다. The porous carbon-sulfur composite prepared according to Examples and Comparative Examples was applied to a positive electrode of a lithium-sulfur battery. 1M LiTFSI (Lithium bis(trifluoromethanesulphonyl)imide), 0.2M LiNO 3 , Dioxolane: dimethyl ether (5:5v/v%) was mixed with an electrolyte condition using a battery tester. Here, the weight of sulfur per electrode area is 1 mg/cm 2 .

도 6은 실시예와 비교예에서 제조된 다공성 탄소-황 복합체로 제조된 양극을 사용하여 0.2C-2C 비율 사이의 다양한 C-rate 전류 밀도 조건의 정전류 충방전 평가를 실시한 그래프이다. 도 6을 참고하면, 실시예는 비교예 대비 모든 전류 밀도 조건에서 향상된 비용량을 나타낸다. 이는 다공성 탄소-황 복합체 내부로 황이 균일하게 복합화되었기 때문이며, 실시예의 율속 특성, 즉 전자 전달도 및 이온 전달도가 비교예보다 높은 것을 알 수 있다.6 is a graph showing constant current charging and discharging evaluation under various C-rate current density conditions between 0.2C-2C ratio using the positive electrode made of the porous carbon-sulfur composite prepared in Examples and Comparative Examples. Referring to FIG. 6, the Example shows an improved specific capacity in all current density conditions compared to the Comparative Example. This is because sulfur is uniformly compounded into the porous carbon-sulfur composite, and it can be seen that the rate-limiting characteristics of the Example, that is, the electron transport and the ion transport, are higher than that of the Comparative Example.

도7은 실시예와 비교예에서 제조된 다공성 탄소-황 복합체로 제조된 양극을 사용하여 1 C-rate 전류밀도 조건에서의 100회 충방전 내에서의 수명 특성을 분석한 그래프이다. 도 7을 참고하면, 실시예는 비교예 대비 수명 특성이 더 높은 것을 알 수 있다. 이는 실시예의 경우 다공성 탄소-황 복합체 내부로 황이 균일하게 복합화되어, 다공성 탄소 쉘의 외부에 LiPS의 용출이 감소하여 수명이 증가하였기 때문이다.7 is a graph showing the analysis of lifespan characteristics in 100 charge/discharge conditions under a 1 C-rate current density condition using a positive electrode made of a porous carbon-sulfur composite prepared in Examples and Comparative Examples. Referring to FIG. 7, it can be seen that the embodiment has higher lifespan characteristics than the comparative example. This is because, in the case of the embodiment, sulfur is uniformly compounded into the porous carbon-sulfur composite, and the elution of LiPS to the outside of the porous carbon shell decreases, thereby increasing the lifetime.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다. Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also present. It belongs to the scope of rights of

1: 다공성 탄소-황 복합체
10: 다공성 탄소
20: 황
30: 이성분계 용액
40: 단일 용액
1: porous carbon-sulfur composite
10: porous carbon
20: sulfur
30: binary solution
40: single solution

Claims (16)

속이 비어 있는 구형의 쉘을 가지며, 상기 쉘의 표면 및 내부에 복수의 기공들을 포함하는 다공성 탄소, 그리고
상기 복수의 기공들 내부에 위치하는 황
을 포함하는 다공성 탄소-황 복합체.
Porous carbon having a hollow spherical shell and including a plurality of pores on the surface and inside of the shell, and
Sulfur located inside the plurality of pores
Porous carbon-sulfur composite comprising a.
제1항에서,
상기 다공성 탄소 및 상기 황에 대한 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 맵핑에 의해, 상기 쉘의 내부에 위치하는 상기 황이 균일하게 분포되어 있는 것인 다공성 탄소-황 복합체.
In claim 1,
By EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) mapping of the porous carbon and the sulfur, the sulfur located inside the shell is uniformly distributed.
제2항에서,
상기 쉘의 외부에 남아 있는 상기 황이 상기 쉘의 표면적을 기준으로 0% 초과 20% 이하인 것인 다공성 탄소-황 복합체.
In paragraph 2,
The porous carbon-sulfur composite in which the sulfur remaining on the outside of the shell is more than 0% and 20% or less based on the surface area of the shell.
기재(substrate), 그리고
상기 기재 위에 위치하는 다공성 탄소-황 복합체
를 포함하고,
상기 다공성 탄소-황 복합체는,
속이 비어 있는 구형의 쉘을 가지며, 상기 쉘의 표면 및 내부에 복수의 기공들을 포함하는 다공성 탄소, 그리고
상기 복수의 기공들 내부에 위치하는 황
을 포함하는 전극.
Substrate, and
Porous carbon-sulfur composite positioned on the substrate
Including,
The porous carbon-sulfur composite,
Porous carbon having a hollow spherical shell and including a plurality of pores on the surface and inside of the shell, and
Sulfur located inside the plurality of pores
Electrode comprising a.
다공성 탄소-황 복합체를 포함하고, 황의 환원 반응이 발생하는 양극,
상기 양극과 마주보고, 리튬의 산화 반응이 발생하는 음극, 그리고
상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되어 있는 전해질
을 포함하고,
상기 다공성 탄소-황 복합체는,
속이 비어 있는 구형의 쉘을 가지며, 상기 쉘의 표면 및 내부에 복수의 기공들을 포함하는 다공성 탄소, 그리고
상기 복수의 기공들 내부에 위치하는 황
을 포함하는 리튬-황 전지.
An anode comprising a porous carbon-sulfur composite, and in which a sulfur reduction reaction occurs,
Facing the positive electrode, a negative electrode in which an oxidation reaction of lithium occurs, and
Electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode
Including,
The porous carbon-sulfur composite,
Porous carbon having a hollow spherical shell and including a plurality of pores on the surface and inside of the shell, and
Sulfur located inside the plurality of pores
Lithium-sulfur battery comprising a.
속이 비어 있는 구형의 다공성 쉘을 갖는 다공성 탄소를 제조하는 단계, 그리고
상기 다공성 탄소와 황을 이성분계 용액에 추가하는 단계
를 포함하는 다공성 탄소-황 복합체의 제조 방법.
Producing porous carbon having a hollow spherical porous shell, and
Adding the porous carbon and sulfur to the binary solution
A method for producing a porous carbon-sulfur composite comprising a.
제6항에서,
상기 이성분계 용액은 이황화탄소와 극성 용매를 혼합하여 제조되는 다공성 탄소-황 복합체의 제조 방법.
In paragraph 6,
The binary solution is a method for producing a porous carbon-sulfur composite prepared by mixing carbon disulfide and a polar solvent.
제7항에서,
상기 극성 용매는 알코올계 용매인 다공성 탄소-황 복합체의 제조 방법.
In clause 7,
The polar solvent is an alcohol-based solvent, a method for producing a porous carbon-sulfur composite.
제6항에서,
상기 다공성 탄소를 제조하는 단계는,
유기 용매와 금속 산화물 전구체를 혼합하는 단계,
탄소 전구체를 추가하여 교반하는 단계,
불활성 기체 분위기 하에서 소결하는 단계, 그리고
에칭 용액으로 에칭하는 단계
를 포함하는 다공성 탄소-황 복합체의 제조 방법.
In paragraph 6,
The step of preparing the porous carbon,
Mixing an organic solvent and a metal oxide precursor,
Stirring by adding a carbon precursor,
Sintering under an inert gas atmosphere, and
Etching with an etching solution
A method for producing a porous carbon-sulfur composite comprising a.
제9항에서,
상기 금속 산화물 전구체는 실리카 전구체인 다공성 탄소-황 복합체의 제조 방법.
In claim 9,
The metal oxide precursor is a silica precursor, a method of manufacturing a porous carbon-sulfur composite.
제10항에서,
상기 탄소 전구체는 페놀계 화합물을 포함하는 다공성 탄소-황 복합체의 제조 방법.
In claim 10,
The carbon precursor is a method of manufacturing a porous carbon-sulfur composite containing a phenolic compound.
제11항에서,
상기 탄소 전구체는 알데히드계 화합물을 포함하는 다공성 탄소-황 복합체의 제조 방법.
In clause 11,
The carbon precursor is a method of producing a porous carbon-sulfur composite containing an aldehyde-based compound.
속이 비어 있는 구형의 다공성 쉘을 갖는 다공성 탄소를 제조하는 단계, 그리고
상기 다공성 탄소와 황을 이황화탄소와 이소프로필알코올이 혼합된 용액에 추가하는 단계
를 포함하는 다공성 탄소-황 복합체의 제조 방법.
Producing porous carbon having a hollow spherical porous shell, and
Adding the porous carbon and sulfur to a mixed solution of carbon disulfide and isopropyl alcohol
A method for producing a porous carbon-sulfur composite comprising a.
제13항에서,
상기 다공성 탄소를 제조하는 단계는,
유기 용매와 테트라프로필오르소실리케이트를 혼합하는 단계,
레조르시놀 및 포름알데히드를 추가하여 교반하는 단계,
불활성 기체 분위기 하에서 소결하는 단계, 그리고
에칭 용액으로 에칭하는 단계
를 포함하는 다공성 탄소-황 복합체의 제조 방법.
In claim 13,
The step of preparing the porous carbon,
Mixing an organic solvent and tetrapropyl orthosilicate,
Adding and stirring resorcinol and formaldehyde,
Sintering under an inert gas atmosphere, and
Etching with an etching solution
A method for producing a porous carbon-sulfur composite comprising a.
제14항에서,
상기 유기 용매는 에탄올, 증류수, 그리고 암모니아를 포함하는 다공성 탄소-황 복합체의 제조 방법.
In clause 14,
The organic solvent is ethanol, distilled water, and a method for producing a porous carbon-sulfur composite containing ammonia.
제15항에서,
상기 에칭 용액은 수산화나트륨 용액인 다공성 탄소-황 복합체의 제조 방법.
In paragraph 15,
The etching solution is a sodium hydroxide solution, a method for producing a porous carbon-sulfur composite.
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