KR20210055215A - 리튬-황 전지용 전극 및 그 제조방법 - Google Patents

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도칠훈
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최해영
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Abstract

본 발명은, 리튬-황 전지용 전극 및 그 제조방법에 있어서, 탄소나노튜브와 카르복실기(-COOH)를 포함하는 폴리머를 혼합하여 1차 슬러리를 제조하는 단계와; 상기 1차 슬러리와 하이드록시기(-OH)를 포함하는 폴리머를 혼합하여 2차 슬러리를 제조하는 단계와; 상기 2차 슬러리를 다공성 메탈폼에 도포하는 단계와; 상기 카르복실기를 포함하는 폴리머 및 상기 하이드록시기를 포함하는 폴리머를 가교결합하여 가교바인더(crosslinking binder)를 형성하고, 상기 탄소나노튜브에 황을 담지시키는 단계를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 분산제와 바인더 역할을 동시에 수행가능한 가교결합 바인더를 적용하여 전극의 도전재인 탄소나노튜브의 분산성을 증가시킬 수 있다. 또한 전극을 제조함에 있어 다공성 메탈폼을 적용하여 두꺼우면서도 유연성이 우수한 리튬-황 전지용 전극을 얻을 수 있다.

Description

리튬-황 전지용 전극 및 그 제조방법{Lithium-sulfur battery electrode and method for manufacturing same}
본 발명은 리튬-황 전지용 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분산제와 바인더 역할을 동시에 수행가능한 가교결합 바인더를 적용하여 탄소나노튜브의 분산성을 증가시킬 수 있는 리튬-황 전지용 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.
산업발전 및 생활수준 향상에 맞춰 휴대 전자기기의 소형화와 장시간 연속 사용을 목표로 부품의 경량화와 저소비 전력화에 대한 연구와 더불어 소형이면서 고용량을 실현할 수 있는 고성능 에너지 저장소자가 요구되고 있다. 이에 최근에는 리튬 이온 전지(Lithium ion battery, LIB)가 전기자동차, 전지전력 저장시스템 등 대용량 전력저장전지와 휴대전화, 캠코더, 노트북 등의 휴대전자기기 등과 같은 소형의 고성능 에너지원으로 사용되고 있다.
특히, 리튬 이온 전지는 높은 에너지 밀도, 면적당 큰 용량, 낮은 자기방전율이 및 긴 수명의 장점을 가지고 있다. 또한, 메모리 효과가 없기 때문에 사용자가 사용하는 데 편리하며, 수명이 길다는 특성을 지니고 있다. 리튬 이온 전지의 구조는 리튬 이온을 삽입, 탈리 가능한 음극(Anode)과 양극(Cathode), 리튬염(Lithium salt) 및 비수계 전해액(Electrolyte)으로 구성되어 있다. 비수계 전해액을 사용하는 이유는 리튬(Li)이 물에 대해 반응성이 높아서 수계 전해액을 사용할 경우 안정하게 존재할 수 없기 때문이다.
리튬-황 전지는 황(3,830mAh/g)을 양극활물질로 사용하고 리튬(1,675mAh/g)을 음극활물질로 사용하는 이차 전지로서 기존 리튬 이온 전지의 에너지밀도 한계를 뛰어넘는 차세대 전지로 주목받고 있다. 하지만 황(S)은 그 자체로는 전기전도도가 낮아서 이를 해결하기 위해 탄소와 같은 도전재를 함께 사용하는 경우가 많다. 탄소로 이루어진 도전재 중에서도 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT)는 우수한 전기전도도, 넓은 비표면적 및 높은 강도 등의 특성을 가지고 있어서 리튬-황 전지의 도전재로 많은 연구가 진행 중이다.
탄소나노튜브를 리튬-황 전지에 사용할 때 단순히 혼합하여 사용하면 황(S) 또는 리튬폴리설파이드(Lithium polysulfide)가 전해질로 유출되기 쉬워 전지 성능이 저하될 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해 탄소나노튜브의 내부 및 표면에 황(S)을 담지시켜 사용되는 경우가 많다. 따라서 리튬-황 전지의 에너지밀도 향상을 위해서 황(S)의 로딩을 높이고 도전재의 비율을 낮추기 위해서는 탄소나노튜브를 균일하게 분산시켜 효과적인 전기전도 네트워크를 구성해야 한다. 그러나 탄소나노튜브를 도전재로 사용시 분산 문제가 발생하며, 특히 전극의 로딩이 높을 때 탄소나노튜브의 분산 문제로 인한 전지 열화 현상이 두드러지게 발생하는 문제점이 있다.
일반적으로 탄소나노튜브는 수용액이나 고분자 내에서 분산이 어려우며, 넓은 표면적에 대한 반데르발스(van der Waals) 힘이 작용하여 고분자 내에서 쉽게 응집된다. 따라서 탄소나노튜브를 도전재로 사용하기 위해서는 탄소나노튜브의 응집을 막을 수 있는 방안이 필요하다.
종래에는 '대한민국특허청 등록특허 제10-1575439호 이종바인더가 적용된 리튬황 전지의 유황 양극'과 같이 수계와 비수계 이종의 바인더를 사용하여 접착력 향상, 전지 특성 개선 및 제조 공정상 연속성을 얻는 기술이 공개되어 있다.
하지만 이러한 종래기술로는 도전재 및 황의 담지체로 탄소나노튜브를 사용하여 리튬-황 전지용 전극의 탄소나노튜브 분산성을 확보할 수 없다. 수계 바인더는 비수계 바인더에 비해 경제적, 친환경적이고, 작업자의 건강에도 무해하며, 비수계 바인더에 비하여 결착 효과가 우수한 것으로 알려져 있어 전지 제조 공정상 장점이 크다. 하지만 탄소나노튜브는 수용액 내에서 분산이 어려우며, 응집되어 탄소나노튜브 고유의 물성을 나타내지 못하는 문제점이 있다.
대한민국특허청 등록특허 제10-1575439호
따라서 본 발명의 목적은 분산제와 바인더 역할을 동시에 수행가능한 가교결합 바인더를 적용하여 탄소나노튜브의 분산성을 증가시킬 수 있는 리튬-황 전지용 전극 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한 다공성 메탈폼을 적용하여 두꺼우면서도 유연성이 우수한 리튬-황 전지용 전극 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 탄소나노튜브와 카르복실기(-COOH)를 포함하는 폴리머를 혼합하여 1차 슬러리를 제조하는 단계와; 상기 1차 슬러리와 하이드록시기(-OH)를 포함하는 폴리머를 혼합하여 2차 슬러리를 제조하는 단계와; 상기 2차 슬러리를 다공성 메탈폼에 도포하는 단계와; 상기 카르복실기를 포함하는 폴리머 및 상기 하이드록시기를 포함하는 폴리머를 가교결합하여 가교바인더(crosslinking binder)를 형성하고, 상기 탄소나노튜브에 황을 담지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 전극 제조방법에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 1차 슬러리는 수계 용매인 물, 증류수 또는 n-메틸 피롤리돈(n-methyl-2-pyrrolidone, NMP) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 용매가 혼합되며, 상기 카르복실기를 포함하는 폴리머와 상기 하이드록시기를 포함하는 폴리머는 1:1 내지 1:4중량비로 혼합되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가교바인더를 형성하는 단계는, 가열 온도를 155 내지 175℃로 하며 진공 분위기 하에서 가교결합이 이루어지며, 상기 가교바인더는 상기 탄소나노튜브의 함량 대비 1 내지 20중량% 포함되는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브에 황을 담지시키는 단계는, 탄소나노튜브를 포함하는 전극을 용기 내에 배치한 후, 황의 액화온도 이상으로 승온시켜 멜트디퓨전(melt-diffusion)되도록 하거나 기화온도 이상으로 승온시켜 황의 증기가 탄소나노튜브에 침투되도록 하며, 가해지는 온도는 155 내지 175℃인 것이 바람직하다.
상기한 목적은 또한, 다공성 메탈폼과; 상기 다공성 메탈폼에 결합된 황이 담지된 탄소나노튜브와; 상기 메탈폼과 상기 탄소나노튜브가 결합되도록 존재하며, 카르복실기(-COOH)를 포함하는 폴리머와 하이드록시기(-OH)를 포함하는 폴리머를 가교결합하여 형성된 가교바인더(crosslinking binder)를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 전극에 의해서도 달성된다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 분산제와 바인더 역할을 동시에 수행가능한 가교결합 바인더를 적용하여 전극의 도전재인 탄소나노튜브의 분산성을 증가시킬 수 있다.
또한 전극을 제조함에 있어 다공성 메탈폼을 적용하여 두꺼우면서도 유연성이 우수한 리튬-황 전지용 전극을 얻을 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 리튬-황 전지용 전극 제조방법의 순서도이고,
도 3(a) 및 도 3(b)는 실시예를 통해 제조된 리튬-황 전지용 전극의 SEM 사진이다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 리튬-황 전지용 전극 및 그 제조방법을 도면을 통해 상세히 설명한다.
리튬-황 전지용 전극은, 다공성 메탈폼과; 상기 다공성 메탈폼에 결합된 황이 담지된 탄소나노튜브와; 상기 메탈폼과 상기 탄소나노튜브가 결합되도록 존재하며, 카르복실기(-COOH)를 포함하는 폴리머와 하이드록시기(-OH)를 포함하는 폴리머를 가교결합하여 형성된 가교바인더(crosslinking binder)를 포함한다.
이와 같은 리튬-황 전지용 전극을 제조하는 방법으로는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브와 폴리머를 혼합하여 1차 슬러리를 제조한다(S1).
리튬-황 전지용 전극을 형성하기 위해 제조되는 슬러리는 도전재인 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT)와 폴리머를 용매와 혼합하고, 이를 균일하게 혼합되도록 교반을 수행하여 제조된다. 여기서 용매는 바인더를 용해시킬 수 있어야 하고, 또한 탄소나노튜브가 원활하게 혼합되어 분산될 수 있는 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 가장 바람직한 용매는 물, 증류수 또는 n-메틸 피롤리돈(n-methyl-2-pyrrolidone, NMP)이 될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
도전재는 전극을 구성하는 기본 물질 중 하나로서 전극활물질 입자간 또는 금속 집전체와의 전기전도도 향상을 위해 소량 첨가되는 미세분말 탄소이다. 본 발명에서는 탄소 중에서도 전기전도도가 우수한 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT)를 사용하나, 필요에 따라 탄소나노섬유(carbon nano fiber, CNF)를 사용하여도 무방하다.
폴리머는 탄소나노튜브를 분산시키는 분산제 역할과, 이후에 바인더 역할이 가능한 소재를 사용한다. 탄소나노튜브의 경우 직경에 비해 매우 긴 길이를 가지고 있기 때문에 슬러리 제조시 서로 뭉치는 문제가 발생하게 된다. 탄소나노튜브가 서로 뭉치 경우 균일한 전기전도도를 나타나지 않으며 전지 열화 현상이 두드러지게 나타난다. 따라서 탄소나노튜브가 뭉치지 않고 균일하게 분산되면서 전극에 필요한 바인더 역할을 하는 카르복실기(-COOH)를 포함하는 폴리머를 사용한다.
아직 바인더 상태가 되지 않은 폴리머는 카르복실기를 포함하고 있기 때문에 물 또는 증류수와 같은 수계 용매에 용해성이 뛰어나며, 여기에 탄소나노튜브를 함께 혼합할 경우 탄소나노튜브 또한 수계 용매에 잘 분산되기 때문에 탄소나노튜브를 바로 바인더와 혼합할 때보다 분산성이 우수하다.
여기서 카르복실기를 포함하는 폴리머는 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리말레산(polymaleic acid), 폴리메타크릴산(polymethacrylic acid), 폴리프로필아크릴산(polypropylacrylic acid), 폴리아크릴산-폴리말레산코폴리머(poly(acrylic acid-co-maleic acid)) 또는 이들의 모노머(monomer) 및 이의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
경우에 따라서 탄소나노튜브의 분산성을 증가시키기 위해 계면활성제를 추가로 혼합할 수도 있다.
1차 슬러리와 폴리머를 혼합하여 2차 슬러리를 제조한다(S2).
카르복실기를 포함하는 폴리머, 탄소나노튜브 및 수계 용매가 혼합된 1차 슬러리에 하이드록시기(-OH)를 포함하는 폴리머를 혼합하여 2차 슬러리를 제조한다. 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 상태의 1차 슬러리에 하이드록시기를 포함하는 폴리머를 혼합하게 되면, 1차 슬러리에 포함된 폴리머의 카르복실기와 하이드록시기가 이후의 전극 건조 과정을 통해 가교결합(crosslinking)을 형성할 수 있다. 폴리머가 가교결합하게 되면 분산제 역할만 하던 폴리머가 바인더 역할까지 가능해지고, 이로 인해 별도의 바인더를 첨가하지 않아도 전극을 제조 가능하다.
이와 같이 가교결합이 가능한 하이드록시기를 포함하는 폴리머는 카르복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose, CMC), 구아검(Guar Gum), 잔탄검(Xanthan Gum), 알지네이트(Alginate) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 이러한 하이드록시기를 포함하는 폴리머는 카르복실기를 포함하는 폴리머보다 분자량이 크기 때문에 탄소나노튜브와 혼합을 위한 1차 슬러리에는 카르복시기를 포함하는 폴리머를 혼합하는 것이 바람직하다.
2차 슬러리의 경우 하이드록시기와 카르복실기를 포함하는 폴리머의 각각 혼합비가 1:1 내지 1:4 중량비인 것을 사용하는데, 혼합비가 1:1로부터 하이드록시기의 양이 늘어날 경우 카르복실기의 양이 부족하여 잔존하는 하이드록시기가 생길 수 있으며 이는 전해액과 반응하여 전지 수명에 좋지 않은 영향을 끼친다. 또한 혼합비가 1:4로부터 카르복실기를 포함하는 폴리머가 늘어날 경우 그만큼 하이드록시기의 함유량이 줄어 치밀한 그물구조를 형성하기에 충분하지 못하다는 문제가 있다. 따라서 하이드록시기과 카르복실기를 포함하는 폴리머의 혼합비는 1:1 내지 1:4 중량비가 가장 바람직하다.
2차 슬러리를 다공성 메탈폼에 도포한다(S3).
균일하게 분산된 탄소나노튜브와 바인더를 포함하는 2차 슬러리를 다공성 메탈폼에 도포하여 메탈폼 사이에 2차 슬러리가 존재하도록 한다. 다공성 메탈폼에 2차 슬러리를 도포하는 방법으로는 메탈폼에 2차 슬러리를 부어서 도포하는 방법 또는 메탈폼을 2차 슬러리에 딥코팅시키는 방법 등 제한없이 적용 가능하다.
메탈폼은 니켈 메탈폼(Ni metal form)이 가장 바람직하며, 그 외에도 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 티타늄(Ti), 철(Fe), 몰리브덴(Mo) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
전극의 경우 두께가 두꺼울수록 그만큼 충방전 용량이 커지게 되는데, 슬러리만을 이용하여 전극의 두께를 증가시키는 데는 한계가 있다. 따라서 다공성 메탈폼을 사용하여 여기에 2차 슬러리를 도포하게 되면 슬러리 만을 도포할 때보다 두꺼운 두께의 전극을 얻을 수 있게 된다. 또한 전극의 경우 두께가 두꺼울수록 유연성이 감소하게 되는데, 본 발명에서는 다공성 메탈폼을 적용하여 두꺼우면서도 유연성이 우수한 전극을 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 도전재가 탄소나노튜브이기 때문에 벤딩에 의해서도 부서지지 않고 유연성있는 플렉시블 전극을 형성 가능하다.
하이드록시기 및 카르복시기 폴리머를 가교결합하여 가교바인더를 형성한다(S4).
2차 슬러리가 도포된 메탈폼을 건조 오븐을 이용해 가열하여 먼저 슬러리 내에 존재하는 용매를 건조시킨다. 이때 가열 온도는 80 내지 110℃인 것이 바람직한데, 80℃ 미만일 경우 용매가 건조되지 않으며, 이후 단계에서 승온시켜 가교결합 형성 및 황의 담지 반응이 일어나기 때문에 전극 건조 온도는 110℃ 이하인 것이 바람직하다.
그 후 가열 온도를 증가시켜 슬러리 내의 하이드록시기와 카르복실기를 가교결합하여 가교바인더(crosslinking binder)를 형성하도록 한다. 이때 가열 온도는 155 내지 175℃로 이루어지는 것이 바람직하다. 155℃ 미만에서는 완벽한 가교결합이 이루어지지 않고 일부 가교결합되지 않는 폴리머가 잔존하게 되며, 175℃ 이상일 경우 높은 온도로 인해 부 반응이 일어날 우려가 있다.
이와 같이 탄소나노튜브가 분산된 상태에서 폴리머를 가교결합하게 되면 가교결합된 바인더 사이에 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 상태로 유지가 되고, 이후에 전극을 형성하는 과정에서도 탄소나노튜브가 뭉치는 문제가 발생하지 않는다.
열처리를 통해 형성된 가교바인더는 탄소나노튜브의 함량 대비 1 내지 20중량% 포함된다. 만약 바인더가 1중량% 미만일 경우 메탈폼에 제대로 접착되지 못하고 탄소나노튜브와 메탈폼이 분리될 수 있으며, 20중량%를 초과할 경우 그 만큼 탄소나노튜브의 함량이 줄어들어 에너지밀도가 감소한다는 단점이 있다.
탄소나노튜브에 황을 담지시킨다(S5).
탄소나노튜브에 황을 담지시켜 리튬-황 전지용 전극을 형성한다. 탄소나노튜브에 황을 담지하는 방법으로는 탄소나노튜브를 포함하는 전극을 용기 내에 배치한 후, 황의 액화온도 이상으로 승온시켜 황이 멜트디퓨전(melt-diffusion) 되도록 하거나, 기화온도 이상으로 승온시켜 황의 증기가 탄소나노튜브에 침투되도록 한다. 용기 내에서 황이 액화 또는 기화되면 탄소나노튜브의 내부 및 외부 벽면에 담지되어 최종적으로 리튬-황 전지용 전극이 형성된다.
황의 담지를 위해 가해지는 온도는 155 내지 175℃가 바람직하며, 155℃ 미만에서는 황이 완전히 액화되지 않으며, 175℃를 초과할 경우 바인더의 변형이 발생할 수 있다. 또한, 탄소나노튜브에 황을 담지시키는 단계와 S4 단계인 가교바인더를 형성하는 단계는 동시에 진행되는 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 좀 더 명확하게 설명한다.
<실시예>
분산제로서 폴리아크릴산(PAA, MW 2,000)를 녹인 수용액에 탄소나노튜브(CNT)를 혼합하여 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 1차 슬러리를 제조한다. 여기에 구아검을 폴리아크릴산의 2/3 중량비가 되도록 첨가하며 2차 슬러리를 제조한다. 이때 탄소나노튜브와 바인더(폴리아크릴산 + 구아검)의 중량비는 90:10이 되도록 한다. 이 슬러리를 집전체로 사용되는 다공구조의 니켈폼(Ni form)에 코팅하고 용매를 건조시켜 Ni-CNT 구조체를 만든다. Ni-CNT 구조체와 황(S)을 밀폐된 반응기에 서로 접촉되지 않도록 함께 넣고 175℃에서 3시간 동안 반응시켜 기화된 황이 탄소나노튜브에 담지되고, 바인더가 가교결합되도록 하여 12mgS/㎠의 고 로딩 리튬-황 전지용 양극을 제조한다.
도 3(a) 및 도 3(b)는 실시예를 통해 제조된 리튬-황 전지용 전극의 SEM 사진으로, 다공성 메탈폼에 전극이 형성되어 유연성을 가질 수 있다.
<비교예 1>
바인더로서 폴리아크릴산(PAA, MW 2,000)를 녹인 수용액에 탄소나노튜브(CNT)를 혼합하여 슬러리를 제조한다. 이때 탄소나노튜브와 폴리아크릴산의 중량비는 90:10이 되도록 한다. 이 슬러리를 집전체로 사용되는 다공구조의 니켈폼(Ni form)에 코팅하고 용매를 건조시켜 Ni-CNT 구조체를 만든다. Ni-CNT 구조체와 황(S)을 밀폐된 반응기에 서로 접촉되지 않도록 함께 넣고 175℃에서 3시간 동안 반응시켜 기화된 황이 탄소나노튜브에 담지되도록 하여 리튬-황 전지용 양극을 제조한다.
<비교예 2>
바인더로서 구아검을 녹인 수용액에 탄소나노튜브(CNT)를 혼합하여 슬러리를 제조한다. 이때 탄소나노튜브와 구아검의 중량비는 90:10이 되도록 한다. 이 슬러리를 집전체로 사용되는 다공구조의 니켈폼(Ni form)에 코팅하고 용매를 건조시켜 Ni-CNT 구조체를 만든다. Ni-CNT 구조체와 황(S)을 밀폐된 반응기에 서로 접촉되지 않도록 함께 넣고 175℃에서 3시간 동안 반응시켜 기화된 황이 탄소나노튜브에 담지되도록 하여 리튬-황 전지용 양극을 제조한다.
초기용량(mAh/g) 1000회 벤딩 후
용량(mAh/g)		 용량 유지율(%)
실시예 867 793 91.5
비교예 1 543 412 75.9
비교예 2 607 496 81.7
표 1은 실시예 및 비교예를 통해 제조된 리튬-황 전지용 양극을 이용해 제조된 전지의 초기 용량 및 1000회 벤딩 시험 후 용량유지율을 나타낸 것이다. 실시예는 비교예 1 및 2에 비해 높은 초기용량을 나타내었으며, 벤딩 시험 후에도 높은 용량 유지율을 나타내었다. 이를 통해 본 발명과 같이 분산제와 바인더 역할을 동시에 수행가능한 가교결합 바인더를 적용할 경우, 플렉시블 리튬-황 전지의 특성이 향상되는 것을 알 수 있다.
종래의 경우에는 탄소나노튜브의 뭉침 때문에 탄소나노튜브를 전지에 적용함에 있어 별도의 분산제를 사용해야 했으나, 본 발명에서는 분산제와 바인더 역할을 동시에 수행가능한 가교결합 바인더를 적용하여 탄소나노튜브의 분산성을 증가시킬 수 있다. 또한 바인더를 형성함에 있어 수계 용매를 사용하기 때문에 작업자의 안정성이 보장되고 친환경적이라는 이점이 있다.
전극의 충방전 용량을 증가시키기 위해 전극의 두께를 증가시켜야 하는데, 슬러리를 도포하여 제조하는 방법만으로는 전극의 두께를 증가시키는 데 한계가 있다. 특히 플렉시블 전극을 제조할 경우 슬러리 도포로 전극을 두껍게 제조하게 되면 유연성이 감소하게 되어 벤딩 중 전극이 부서지는 문제가 발생하게 된다. 하지만 본 발명의 경우 다공성 메탈폼을 적용하여 두꺼우면서도 유연성이 우수한 전극을 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 도전재가 탄소나노튜브이기 때문에 벤딩에 대해 내구성이 우수하고 유연성있는 플렉시블 전극을 형성 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다.
본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 리튬-황 전지용 전극 제조방법에 있어서,
    탄소나노튜브와 카르복실기(-COOH)를 포함하는 폴리머를 혼합하여 1차 슬러리를 제조하는 단계와;
    상기 1차 슬러리와 하이드록시기(-OH)를 포함하는 폴리머를 혼합하여 2차 슬러리를 제조하는 단계와;
    상기 2차 슬러리를 다공성 메탈폼에 도포하는 단계와;
    상기 카르복실기를 포함하는 폴리머 및 상기 하이드록시기를 포함하는 폴리머를 가교결합하여 가교바인더(crosslinking binder)를 형성하고, 상기 탄소나노튜브에 황을 담지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 전극 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1차 슬러리는 수계 용매인 물, 증류수 또는 n-메틸 피롤리돈(n-methyl-2-pyrrolidone, NMP) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 용매가 혼합되는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 전극 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 카르복실기를 포함하는 폴리머와 상기 하이드록시기를 포함하는 폴리머는 1:1 내지 1:4중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 전극 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가교바인더를 형성하는 단계는, 가열 온도를 155 내지 175℃로 하며 진공 분위기 하에서 가교결합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 전극 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가교바인더는 상기 탄소나노튜브의 함량 대비 1 내지 20중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 전극 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브에 황을 담지시키는 단계는, 탄소나노튜브를 포함하는 전극을 용기 내에 배치한 후, 황의 액화온도 이상으로 승온시켜 멜트디퓨전(melt-diffusion)되도록 하거나 기화온도 이상으로 승온시켜 황의 증기가 탄소나노튜브에 침투되도록 하며, 가해지는 온도는 155 내지 175℃인 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 전극 제조방법.
  7. 리튬-황 전지용 전극에 있어서,
    다공성 메탈폼과;
    상기 다공성 메탈폼에 결합된 황이 담지된 탄소나노튜브와;
    상기 메탈폼과 상기 탄소나노튜브가 결합되도록 존재하며, 카르복실기(-COOH)를 포함하는 폴리머와 하이드록시기(-OH)를 포함하는 폴리머를 가교결합하여 형성된 가교바인더(crosslinking binder)를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 전극.
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