KR20210067608A - An electrode for secondary battery having a high sulfur loading and the method for producing the same - Google Patents

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Abstract

According to the present specification, provided is an electrode material for a secondary battery which includes a carbon structure and sulfur supported on the carbon structure, and has a sulfur loading amount of 1.0 mg cm^2 or more per unit electrode area of the electrode material. The electrode material for a secondary battery can have a high sulfur loading amount.

Description

고용량의 황이 담지된 이차전지용 전극 소재 및 그 제조 방법{AN ELECTRODE FOR SECONDARY BATTERY HAVING A HIGH SULFUR LOADING AND THE METHOD FOR PRODUCING THE SAME}Electrode material for secondary battery carrying high-capacity sulfur and manufacturing method therefor {AN ELECTRODE FOR SECONDARY BATTERY HAVING A HIGH SULFUR LOADING AND THE METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 명세서에는 황을 활물질로 하는 이차전지용 전극 소재의 고에너지 밀도화를 통한 고효율 전극 소재에 관하여 개시된다.Disclosed herein is a high-efficiency electrode material through high energy density of an electrode material for a secondary battery using sulfur as an active material.

최근 들어 대용량 에너지 저장이나 전기자동차에 사용할 수 있는 고용량 고안정성 이차전지에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 고용량의 이차전지를 위한 전극 소재 중 황은 높은 이론용량 (1,687 mA h g- 1)을 가짐으로써 리튬-황 전지 및 마그네슘-황 전지와 같은 이차전지의 활물질로써 활용되고 있다. 그러나, 황은 전기 부도체 (1 x 10-16 S m- 1)이고 금속이온과 결합한 메탈폴리설파이드 형태에서는 유기용매에 용출되는 문제점들이 있으며, 이는 결국 전지의 용량감소로 이어지게 된다.Recently, research and development of high-capacity and high-stability secondary batteries that can be used for large-capacity energy storage or electric vehicles are being actively conducted. Among the electrode materials for such high-capacity secondary batteries, sulfur has a high theoretical capacity (1,687 mA hg - 1 ), and thus is being used as an active material for secondary batteries such as lithium-sulfur batteries and magnesium-sulfur batteries. However, sulfur is an electrical insulator (1 x 10 -16 S m - 1 ) and in the form of metal polysulfide combined with metal ions, there is a problem of eluting into an organic solvent, which in turn leads to a decrease in the capacity of the battery.

이를 해결하기 위해서, 전도성의 탄소 소재를 다공성 분말(porous powder), 중공구(hollow carbon sphere) 및 중공사(hollow carbon fiber)와 같은 형상으로 제작한 뒤, 이러한 구조체 내에 황을 담지시킴으로써, 황의 담지량을 증가시키고 폴리설파이드의 용출문제를 해결하고자 하는 연구들이 활발히 진행되고 있다. In order to solve this problem, a conductive carbon material is manufactured in a shape such as a porous powder, a hollow carbon sphere, and a hollow carbon fiber, and then sulfur is supported in such a structure, whereby the amount of sulfur supported Studies to increase the polysulfide and solve the dissolution problem of polysulfide are being actively conducted.

이러한 탄소나노 튜브 및 중공사형 탄소섬유 내에 황을 담지시킴으로써, 황의 낮은 전기전도성 문제 및 용출 문제에 대한 해결책을 제시하는 고용량 황 전극 소재 개발 기술이 개시되어 있다. By supporting sulfur in these carbon nanotubes and hollow fiber carbon fibers, a high-capacity sulfur electrode material development technology that provides a solution to the problem of low electrical conductivity and elution of sulfur is disclosed.

특허문헌 1은 황 원소, 황 계열 화합물 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 핵심부 및 상기 핵심부를 도포하는, 도전재 및 섬유형성용 고분자를 포함하는 쉘 부를 포함하는 나노 단섬유가 적층된 나노 섬유망 형태의 리튬-황 전지용 양극, 및 상기 양극의 제조방법, 및 상기 양극을 포함하는 리튬-황 전지를 제공하고 있다.Patent Document 1 is a stack of nano-short fibers including a core part containing at least one selected from elemental sulfur, a sulfur-based compound, and a mixture thereof, and a shell part including a conductive material and a polymer for fiber formation, coating the core part A positive electrode for a lithium-sulfur battery in the form of a nanofiber network, a method for manufacturing the positive electrode, and a lithium-sulfur battery including the positive electrode are provided.

또한 특허문헌 2는 탄소-주석산화물-황 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬-황 전지용 양극소재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강한 화학적 결합에 의한 사다리형 구조의 탄소-주석산화물-황 복합체를 제조하고, 이를 이용하여 충/방전 시 폴리설파이드의 용출 및 황의 부피팽창이 억제될 뿐만 아니라, 전자의 이동이 원활하여 우수한 수명 특성 및 전기화학적 성능을 갖는 리튬-황 전지 제조 기술을 제공하고 있다.In addition, Patent Document 2 relates to a carbon-tin oxide-sulfur composite, a manufacturing method thereof, and a cathode material for a lithium-sulfur battery comprising the same, and more particularly, a carbon-tin oxide-sulfur composite having a ladder-type structure by strong chemical bonding. provides a lithium-sulfur battery manufacturing technology with excellent lifespan characteristics and electrochemical performance due to smooth electron movement as well as suppression of polysulfide elution and volume expansion of sulfur during charging/discharging. .

또한 비특허문헌 1 는 탄소 원소, 탄소의 제조 방식 중 하나로 만들어진 그래핀을 사용하여 황의 담지량을 높이고, 휘어질 수 있는 형태의 전극을 제작하여, 전기적 특성을 강화하는 리튬-황 양극 제조 기술을 제공하고 있다. In addition, Non-Patent Document 1 provides a lithium-sulfur positive electrode manufacturing technology that enhances electrical properties by increasing the amount of sulfur supported and manufacturing a bendable electrode using graphene made by one of the carbon elements and carbon manufacturing methods are doing

또한 비특허문헌 2 는 탄소 나노튜브와 3차원 형태의 알루미늄 지지체를 사용하여 황의 담지량을 높이는 3차원 형태의 알루미늄 지지체를 포함하는 리튬-황 양극 제조 방법을 제공하고 있다.In addition, Non-Patent Document 2 provides a method for manufacturing a lithium-sulfur positive electrode including a three-dimensional aluminum support for increasing the amount of sulfur supported by using carbon nanotubes and a three-dimensional aluminum support.

그러나, 이러한 기술들의 경우, 황 또는 황화합물을 유기용매나 물과 같은 용매에 섞은 혼합물 상태로 전극을 제작함으로써 높은 함량의 활물질을 가지는 전극제조에는 적합하지 않다. 또한, 황을 단순히 용융함침하여 탄소나노튜브에 주입하는 기술의 경우, 탄소구조체 표면 부분에만 황이 흡착 담지되므로써 매우 낮은 황 담지량을 갖는 문제점이 있다.However, these techniques are not suitable for manufacturing an electrode having a high content of active material by manufacturing the electrode in a state of mixing sulfur or a sulfur compound in a solvent such as an organic solvent or water. In addition, in the case of the technique of simply melt-impregnating sulfur and injecting it into carbon nanotubes, there is a problem in that sulfur is adsorbed and supported only on the surface of the carbon structure, so that the sulfur loading amount is very low.

이에, 높은 함량의 황이 담지된 전극 제조 기술 및 상기 황 전극을 사용한 이차전지 제조 기술에 대한 필요성이 높아지고 있다.Accordingly, there is a growing need for a technology for manufacturing an electrode having a high content of sulfur supported thereon and a technology for manufacturing a secondary battery using the sulfur electrode.

KR 10-2016-0087511 AKR 10-2016-0087511 A KR 10-1794317 B1KR 10-1794317 B1 KR 10-2042108 B1KR 10-2042108 B1 KR 10-2039211 B1KR 10-2039211 B1 KR 10-2019-0118732 AKR 10-2019-0118732 A

G Zhou, L Li, C Ma, S Wang, Y Shi, N Koratkar, W ren 11 January 2015, Pages 356-365 G Zhou, L Li, C Ma, S Wang, Y Shi, N Koratkar, W ren 11 January 2015, Pages 356-365 XB Cheng, HJ Peng, JQ Huang, L Zhu, SH Yang J. Power Sources XB Cheng, HJ Peng, JQ Huang, L Zhu, SH Yang J. Power Sources

본 발명의 구현예들은 다공성 탄소 구조체 소재 내의 공간을 100% 활용하지 못하는 기존 황 주입기법들의 단점을 극복하는 새로운 황 주입 기법 개발에 관한 것으로, 단위면적당 높은 황 함량을 가지는 다공성 탄소 구조체 전극 소재를 제공하는데 목적이 있다.Embodiments of the present invention relate to the development of a new sulfur injection technique that overcomes the disadvantages of the existing sulfur injection techniques that do not utilize 100% of the space in the porous carbon structure material, and provides a porous carbon structure electrode material having a high sulfur content per unit area there is a purpose to

종래의 황 담지법인 기화방법, 수열합성 방법 및 용매함침 방법을 사용하게 되면 다공성 탄소구조체, 예컨대 중공사형 탄소구조체의 일부 기공 및 표면에만 황이 담지되게 된다. 또한 용융함침 방법을 사용하는 경우, 용융된 황은 고분자적 특성으로 인해 긴 사슬형태로 존재함으로써, 마이크로 및 나노 크기를 가지는 다공성 탄소 구조체의 기공 내로의 주입이 어렵게 된다. 이로 인해 탄소 구조체 내 공간을 제대로 활용하지 못하게 됨으로써 전극의 단위면적당 황의 담지량이 매우 적어지며, 따라서 전지 용량을 높이는 데 한계가 생기게 된다.When the conventional sulfur-supporting methods such as a vaporization method, a hydrothermal synthesis method, and a solvent impregnation method are used, sulfur is supported only in some pores and surfaces of a porous carbon structure, for example, a hollow fiber carbon structure. In addition, when the melt impregnation method is used, the molten sulfur exists in a long chain form due to its polymeric properties, making it difficult to inject into the pores of the micro- and nano-sized porous carbon structures. Due to this, the space in the carbon structure cannot be used properly, so that the amount of sulfur supported per unit area of the electrode is very small, and thus there is a limit in increasing the battery capacity.

따라서, 본 발명에서는 다공성 탄소 구조체 내부 공간을 100% 활용할 수 있는 황 담지기법을 개발하여, 높은 황 담지 함량을 가지는 탄소 전극 소재를 제조하고, 이를 사용하여 고용량 리튬-황 전지 또는 마그네슘-황 전지와 같은 이차전지의 양극을 제조하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.Therefore, in the present invention, a sulfur loading method that can utilize 100% of the internal space of a porous carbon structure is developed, a carbon electrode material having a high sulfur loading content is manufactured, and using this, a high-capacity lithium-sulfur battery or a magnesium-sulfur battery and An object of the present invention is to provide a technology for manufacturing a positive electrode of the same secondary battery.

본 발명의 일 구현예는 이차전지용 전극 소재로서, 탄소 구조체; 및 상기 탄소 구조체에 담지된 황;을 포함하며, 상기 전극 소재의 단위 전극 면적당1.0 mg cm-2이상의 황 담지량을 갖는, 이차전지용 전극 소재를 제공한다.One embodiment of the present invention provides an electrode material for a secondary battery, comprising: a carbon structure; and sulfur supported on the carbon structure, and having a sulfur loading amount of 1.0 mg cm -2 or more per unit electrode area of the electrode material, providing an electrode material for a secondary battery.

예시적인 구현예에서, 상기 이차전지용 전극 소재는 전극 소재의 단위 전극 면적당10 mg cm-2 이상의 황 담지량을 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the electrode material for a secondary battery may have a sulfur loading amount of 10 mg cm -2 or more per unit electrode area of the electrode material.

예시적인 구현예에서, 상기 탄소 구조체는 다공성 탄소 구조체일 수 있다.In an exemplary embodiment, the carbon structure may be a porous carbon structure.

예시적인 구현예에서, 상기 다공성 탄소 구조체는 다공성 탄소 분말, 탄소 중공사, 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 다공성 탄소 시트, 다공성 탄소 천, 및 다공성 탄소 펠트로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 탄소 소재를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the porous carbon structure is a group consisting of porous carbon powder, carbon hollow fibers, single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, porous carbon sheets, porous carbon cloth, and porous carbon felt. It may include one or more carbon materials selected from.

예시적인 구현예에서, 상기 탄소 구조체는 100 ㎛ 이하의 내경을 갖는 중공을 포함하는 탄소 중공사일 수 있다.In an exemplary embodiment, the carbon structure may be a carbon hollow fiber including a hollow having an inner diameter of 100 μm or less.

예시적인 구현예에서, 상기 탄소 중공사는 벽면에 위치하는 직경 10 ㎛ 이하의 복수의 기공을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the carbon hollow fiber may include a plurality of pores with a diameter of 10 μm or less located on the wall surface.

예시적인 구현예에서, 전술한 이차전지용 전극 소재를 포함하는, 이차 전지를 제공한다.In an exemplary embodiment, a secondary battery comprising the above-described electrode material for a secondary battery is provided.

예시적인 구현예에서, 상기 이차 전지는 0.1C-rate의 조건에서 1 mA h cm- 2이상의 단위 면적당 용량을 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the secondary battery may have a capacity per unit area of 1 mA h cm - 2 or more under a condition of 0.1 C-rate.

본 발명의 다른 구현예는 탄소 구조체 내에 황 활성점을 형성하는 단계; 및 황을 탄소 구조체 내로 주입하여 상기 황 활성점과 결합 및 성장시키는 단계; 를 포함하며, 전극 소재의 단위 전극 면적당 1.0 mg cm- 2이상의 황 담지량을 갖는, 이차전지용 전극 소재 제조 방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention comprises the steps of forming a sulfur active site in the carbon structure; and injecting sulfur into the carbon structure to bond and grow the sulfur active site; It includes, and provides a method of manufacturing an electrode material for a secondary battery, having a sulfur loading amount of 1.0 mg cm - 2 or more per unit electrode area of the electrode material.

예시적인 구현예에서, 상기 황 활성점 형성 단계는 상기 탄소 구조체 내에 황 입자를 분산시키는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the step of forming the sulfur active point may be to disperse sulfur particles in the carbon structure.

예시적인 구현예에서, 상기 황 활성점 형성 단계는 용매함침법, 기화함침법, 또는 수열합성 함침법에 의하여 수행될 수 있다.In an exemplary embodiment, the step of forming the sulfur active point may be performed by a solvent impregnation method, a vaporization impregnation method, or a hydrothermal impregnation method.

예시적인 구현예에서, 상기 황 주입은 용융된 황을 탄소 구조체 내로 주입하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the sulfur injection may be injection of molten sulfur into the carbon structure.

예시적인 구현예에서, 상기 황의 용융 온도는 120 내지 250 ℃ 범위를 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the melting temperature of the sulfur may range from 120 to 250 °C.

예시적인 구현예에서, 상기 황의 용융 온도는 150 내지 160 ℃ 범위를 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the melting temperature of the sulfur may range from 150 to 160 °C.

본 발명의 구현예들에 따른 이차전지용 전극 소재는 높은 황 함량을 가지는 중공사형 탄소 구조체를 사용하여 제작할 수 있으며, 이를 이차전지의 양극으로 사용할 경우, 단위 면적당 높은 전지용량을 구현할 수 있다. 또한 폴리설파이드의 용출을 효과적으로 억제함으로써, 고용량/고효율의 리튬-황 전지 또는 마그네슘-황 전지와 같은 이차전지의 제조가 가능하다.The electrode material for a secondary battery according to embodiments of the present invention can be manufactured using a hollow fiber type carbon structure having a high sulfur content, and when it is used as a positive electrode of a secondary battery, a high battery capacity per unit area can be realized. In addition, by effectively suppressing the dissolution of polysulfide, it is possible to manufacture a secondary battery such as a lithium-sulfur battery or a magnesium-sulfur battery having a high capacity/high efficiency.

본 발명의 구현예들에 따른 이차전지용 전극 소재는 전처리 과정을 통한 중공사(hollow carbon nanofiber, HCNF) 형태의 탄소 구조체 내부에 황이 안정적으로 성장할 수 있는 황 활성점을 생성시키고, 이후 황 담지 공정을 통해 상기 탄소 구조체 내부에 황이 담지되도록 하므로써, 효과적인 황 담지를 통한 단위면적당 높은 황 함량을 가질 수 있다.The electrode material for a secondary battery according to embodiments of the present invention creates a sulfur active site in which sulfur can stably grow inside a hollow carbon nanofiber (HCNF) type carbon structure through a pretreatment process, and then carries out a sulfur loading process By allowing sulfur to be supported inside the carbon structure through the effective sulfur loading, it can have a high sulfur content per unit area.

또한 본 발명의 구현예들에 따른 이차전지용 전극 소재는 황화합물이나 황혼합물이 아니 순수 황 물질 그대로를 중공사 형상의 다공성 탄소 구조체 내로 주입시키므로서, 높은 용량의 황이 담지된 전극 제조 기술 및 상기 황 전극을 사용한 이차전지 제조 기술을 제공한다.In addition, the electrode material for a secondary battery according to embodiments of the present invention injects a pure sulfur material, not a sulfur compound or a twilight compound, into the hollow fiber-shaped porous carbon structure, so that a high-capacity sulfur-supported electrode manufacturing technology and the sulfur electrode To provide a secondary battery manufacturing technology using

도 1은 본 발명의 구현예에 따른 이차전지용 전극 소재로서, 황이 주입된 나노 탄소 중공사의 제작과정을 도식적으로 나타낸다.
도 2는 온도에 따른 황의 분자 구조 및 점성을 나타낸다.
도 3은 실시예 1에 따른 탄소 구조체(탄소 중공사)의 주사전자현미경 이미지를 도시한다.
도 4a는 본 발명의 구현예에 따른 황 담지 공정으로서, 1차 전처리 공정을 통해 탄소 중공사 내에서 황이 안정적으로 성장할 수 있는 활성점이 생성된 주사전자현미경 사진을 도시한다.
도 4b는 본 발명의 구현예에 따른 황 담지 공정으로서, 2차 공정을 통해 탄소 중공사 내에서 황을 주입 및 성장시킴으로써 중공사 내부를 황으로 100% 완벽히 채운 것을 나타내는 주사전자현미경 사진을 도시한다.
도 5a는 종래의 기화 함침방법을 통해 제조한, 황이 담지된 중공사 탄소 구조체의 주사전자현미경 사진을 나타낸다.
도 5b는 종래의 용매 함침방법을 통해 제조한, 황이 담지된 중공사 탄소 구조체의 주사전자현미경 사진을 나타낸다.
도 5c는 1차 전처리 공정을 거치지 않고, 후처리 황 주입방법(기존의 용융함침법과 동일)을 통해서만 제조된 황이 담지된 중공사 탄소 구조체의 주사전자현미경 사진을 나타낸다.
1 is an electrode material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, schematically showing a manufacturing process of a sulfur-injected nano-carbon hollow fiber.
2 shows the molecular structure and viscosity of sulfur as a function of temperature.
3 shows a scanning electron microscope image of the carbon structure (carbon hollow fiber) according to Example 1.
Figure 4a shows a scanning electron micrograph in which an active site capable of stably growing sulfur in a carbon hollow fiber is generated through a primary pretreatment process as a sulfur loading process according to an embodiment of the present invention.
Figure 4b is a sulfur loading process according to an embodiment of the present invention, by injecting and growing sulfur in the carbon hollow fiber through the secondary process shows a scanning electron micrograph showing that the inside of the hollow fiber is completely filled with sulfur 100%. .
Figure 5a shows a scanning electron microscope photograph of a sulfur-supported hollow fiber carbon structure prepared through a conventional vaporization impregnation method.
Figure 5b shows a scanning electron microscope photograph of the sulfur-supported hollow fiber carbon structure prepared through the conventional solvent impregnation method.
Figure 5c shows a scanning electron micrograph of the sulfur-supported hollow fiber carbon structure prepared only through the post-treatment sulfur injection method (the same as the conventional melt impregnation method) without going through the first pre-treatment process.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. The embodiments of the present invention disclosed in the text are illustrated for the purpose of explanation only, and the embodiments of the present invention may be embodied in various forms and should not be construed as being limited to the embodiments described in the text. .

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The present invention can make various changes and can have various forms, and the embodiments are not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and all changes, equivalents or substitutes included in the spirit and scope of the present invention should be understood as including

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 명세서에서 용어, "다공성 탄소 구조체"는 황의 담지가 가능한 마이크로 및 나노 크기의 공간을 갖는 탄소 구조체를 의미한다.As used herein, the term “porous carbon structure” refers to a carbon structure having micro- and nano-sized spaces capable of supporting sulfur.

본 명세서에서 용어, "탄소 중공사"는 탄소 섬유의 내부에 섬유 길이 방향으로 형성된 기공을 갖는 중공 섬유를 의미한다.As used herein, the term “carbon hollow fiber” refers to a hollow fiber having pores formed in the interior of the carbon fiber in the fiber length direction.

이차전지용 전극 소재Electrode material for secondary battery

본 발명의 일 구현예는 이차전지용 전극 소재로서, 탄소 구조체; 및 상기 탄소 구조체에 담지된 황;을 포함하며, 상기 전극 소재의 단위면적당 1 mg cm- 2이상의 황 담지량을 갖는, 이차전지용 전극 소재를 제공한다. 상기 이차전지용 전극 소재는 높은 황 담지 함량을 가지는 탄소 전극 소재로서, 이차 전지의 양극으로 채용되는 경우 고용량의 전지를 구현할 수 있는 장점이 있다.One embodiment of the present invention provides an electrode material for a secondary battery, comprising: a carbon structure; and sulfur supported on the carbon structure; and including, 1 mg cm per unit area of the electrode material - having a sulfur loading amount of 2 or more, providing an electrode material for a secondary battery. The electrode material for a secondary battery is a carbon electrode material having a high sulfur loading content, and has the advantage of realizing a high-capacity battery when employed as a positive electrode of a secondary battery.

구체적으로, 상기 이차전지용 전극 소재는5 mg cm- 2이상, 10 mg cm- 2이상, 15 mg cm- 2이상, 20 mg cm- 2이상의 황 담지량을 가질 수 있으며, 예를 들어 1 내지 100 mg cm- 2범위 또는 10 내지 100 mg cm- 2범위의 황 담지량을 가질 수 있다. 황 담지량이 전술한 범위를 갖는 경우 탄소 구조체에 고함량의 황, 예컨대 전극 소재의 단위면적당 10 mg cm- 2이상의 황이 담지되며, 단위 면적당 높은 용량을 구현할 수 있고, 전지 반응 중에 생성되는 폴리설파이드의 용출을 효과적으로 억제함으로써, 고용량/고효율의 리튬-황 전지 또는 마그네슘-황 전지와 같은 이차전지로 적용될 수 있다.Specifically, the electrode material for the secondary battery may have a sulfur loading amount of 5 mg cm - 2 or more, 10 mg cm - 2 or more, 15 mg cm - 2 or more, 20 mg cm - 2 or more, for example, 1 to 100 mg cm - 2 range or 10 to 100 mg cm - can have a sulfur loading in the second range. When the sulfur loading has the above-mentioned range, a high content of sulfur, for example, 10 mg cm - 2 or more sulfur per unit area of the electrode material, is supported in the carbon structure, and a high capacity per unit area can be realized, and polysulfide generated during the battery reaction By effectively suppressing the elution, it can be applied to a secondary battery such as a lithium-sulfur battery or a magnesium-sulfur battery having a high capacity/high efficiency.

일 구현예에서, 상기 탄소 구조체는 다공성 탄소 구조체일 수 있다. 상기 다공성 탄소 구조체는 기공 및/또는 중공을 가질 수 있으며, 황은 상기 기공 및/또는 중공 내에 담지될 수 있다. 이 경우, 구조체 외부에 황들의 결정이 형성되지 않을 수 있으며, 전지 구동에 있어 폴리설파이드 용출 문제를 야기하지 않을 수 있다.In one embodiment, the carbon structure may be a porous carbon structure. The porous carbon structure may have pores and/or hollows, and sulfur may be supported in the pores and/or hollows. In this case, crystals of sulfur may not be formed outside the structure, and polysulfide elution problems may not occur in battery driving.

일 구현예에서, 상기 탄소 구조체는 다공성 탄소 분말, 탄소 중공사, 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 다공성 탄소 시트, 다공성 탄소 천, 및 다공성 탄소 펠트로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 탄소 소재를 포함할 수 있다.In one embodiment, the carbon structure is selected from the group consisting of porous carbon powder, carbon hollow fibers, single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, porous carbon sheets, porous carbon cloth, and porous carbon felt. It may include one or more carbon materials.

즉, 탄소 구조체는 황이 담지 될 수 있는 빈 공간, 예컨대 중공 또는 기공을 가지는 탄소 구조체일 수 있다. 이러한 탄소 구조체 내부 공간에 황을 효율적으로 담지할 경우, 전지의 가역용량 향상, 폴리설파이드의 용출방지 및 율 특성(rate capability)의 향상을 기대할 수 있다.That is, the carbon structure may be an empty space in which sulfur can be supported, for example, a carbon structure having hollows or pores. When sulfur is efficiently supported in the internal space of the carbon structure, it can be expected to improve the reversible capacity of the battery, prevent the dissolution of polysulfide, and improve the rate capability.

일 구현예에서, 상기 탄소 구조체는 100 ㎛ 이하의 내경을 갖는 중공을 포함하는 탄소 중공사일 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소 중공사의 내부에 섬유 길이 방향으로 형성된 기공을 가질 수 있으며, 상기 기공의 내경이 100 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 탄소 중공사의 단면 및/또는 기공은 원형 외에 다양한 모양을 가질 수 있다. In one embodiment, the carbon structure may be a carbon hollow fiber including a hollow having an inner diameter of 100 μm or less. Specifically, the carbon hollow fiber may have pores formed in the fiber length direction, and the inner diameter of the pores may be 100 μm or less. The cross section and/or pores of the carbon hollow fiber may have various shapes other than a circular shape.

일 구현예에서, 상기 탄소 중공사는 벽면에 위치하는 직경 10 ㎛ 이하의 복수의 기공을 포함할 수 있다. 상기 기공을 통하여 전지 반응 중 리튬이온 또는 황-리튬 결합물인 리튬-설파이드가 드나들 수 있으며, 바람직하게 리튬이온 만이 상기 기공을 통과할 수 있다. 또한, 상기 기공을 통하여 황 입자 및/또는 황 분자가 탄소 중공사의 내부로 들어갈 수 있다.In one embodiment, the carbon hollow fiber may include a plurality of pores with a diameter of 10 μm or less positioned on the wall surface. Lithium-sulfide, which is a lithium ion or sulfur-lithium combination, may pass through the pores during the battery reaction, and preferably only lithium ions may pass through the pores. In addition, sulfur particles and/or sulfur molecules may enter the inside of the carbon hollow fiber through the pores.

본 발명의 일 구현예에서, 전술한 이차전지용 전극 소재를 포함하는, 이차 전지를 제공한다.In one embodiment of the present invention, a secondary battery comprising the above-described electrode material for secondary batteries is provided.

일 구현예에서, 상기 이차 전지는 0.1C-rate의 조건에서 1 mA h cm- 2이상의 단위 면적당 용량을 가질 수 있다. 구체적으로, 5 mA h cm- 2이상, 7 mA h cm- 2이상, 9 mA h cm- 2이상, 10 mA h cm- 2이상, 11 mA h cm-2, 12 mA h cm-2, 13 mA h cm-2, 14 mA h cm-2, 15 mA h cm-2, 16 mA h cm-2, 17 mA h cm-2, 18 mA h cm-2, 19 mA h cm-2, 20 mA h cm-2, 21 mA h cm-2, 22 mA h cm-2, 또는 23 mA h cm-2 이상의 단위 면적당 용량을 가질 수 있다. 이러한 단위 면적당 용량 값은 본원 발명의 구현예에 따라 고함량으로 황이 담지된 탄소 구조체를 포함하는 구성으로 인한 것으로, 우수한 단위 면적당 용량을 갖는 것을 확인할 수 있다.In one embodiment, the secondary battery may have a capacity per unit area of 1 mA h cm - 2 or more under the condition of 0.1C-rate. Specifically, 5 mA h cm - 2 or more, 7 mA h cm - 2 or more, 9 mA h cm - 2 or more, 10 mA h cm - 2 or more, 11 mA h cm -2 , 12 mA h cm -2 , 13 mA h cm -2 , 14 mA h cm -2 , 15 mA h cm -2 , 16 mA h cm -2 , 17 mA h cm -2 , 18 mA h cm -2 , 19 mA h cm -2 , 20 mA h cm -2 , 21 mA h cm -2 , 22 mA h cm -2 , or 23 mA h cm -2 or more. This capacity value per unit area is due to the configuration including the carbon structure on which sulfur is supported in a high content according to the embodiment of the present invention, and it can be confirmed that it has an excellent capacity per unit area.

일 구현예에서, 상기 이차 전지는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 휴대전원, 또는 전력 저장 장치 등에 적용되는 것일 수 있다.In one embodiment, the secondary battery may be applied to an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, a portable power source, or a power storage device.

이차전지용 전극 소재 제조 방법Method of manufacturing electrode material for secondary battery

이하, 도 1을 참고하여 이차전지용 전극 소재 제조 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an electrode material for a secondary battery will be described with reference to FIG. 1 .

본 발명의 일 구현예는 탄소 구조체 내에 황 활성점을 형성하는 단계; 및 황을 탄소 구조체 내로 주입하여 상기 황 활성점과 결합 및 성장시키는 단계; 를 포함하며, 단위전극 면적당 10 mg cm- 2이상의 황 담지량을 갖는, 이차전지용 전극 소재 제조 방법을 제공한다.One embodiment of the present invention comprises the steps of forming a sulfur active point in the carbon structure; and injecting sulfur into the carbon structure to bond and grow the sulfur active site; It includes, and provides a method of manufacturing an electrode material for a secondary battery, having a sulfur loading amount of 10 mg cm - 2 or more per unit electrode area.

먼저, 탄소 구조체 내에 황 활성점을 형성할 수 있다. 예컨대 다공성 탄소 구조체 내에 황 담지를 유도하기 위해 황 입자를 탄소 구조체 내부에 고르게 분산시켜, 추가적인 황 성장을 위한 씨앗을 형성하는 것일 수 있다.First, a sulfur active site may be formed in the carbon structure. For example, by evenly dispersing sulfur particles in the carbon structure to induce sulfur loading in the porous carbon structure, it may be to form a seed for additional sulfur growth.

일반적으로, 황은 고체상태에서 고리왕관 모양의 S8로 존재하며, 약 120˚C 이상으로 올라갈 경우 녹기 시작하며, 150℃ 이상에서 이동성이 있는 작은 고리형 황으로 분리가 되며, 155℃ 이상이 될 경우 고리모양이 끊어지고 체인형태가 되기 시작한다. 이후 160℃ 이상 온도가 증가하면, 체인형태들이 서로 연결되기 시작함으로써 고분자 특성을 갖는 긴 체인형상의 거대분자로 존재하게 된다(도 2 참조). In general, sulfur exists as a ring-crown S 8 in the solid state, and when it rises above about 120˚C, it begins to melt, and at 150˚C or higher, it separates into small cyclic sulfur with mobility, and becomes 155˚C or higher. In this case, the ring shape is broken and it starts to become a chain shape. Thereafter, when the temperature is increased to 160° C. or higher, the chain forms start to be connected to each other, and thus exist as long-chain macromolecules having polymer properties (see FIG. 2).

이러한 황의 특성으로 인해 기존의 용융함침법을 사용해 용융상태에서 거대분자 형태의 황을 마이크로 및 나노사이즈의 기공을 갖는 다공성 구조체 내부로 주입하는 것은 매우 어렵다. 또 다른 방법으로 기화를 이용한 방법 및 수열합성 방법이 존재하나, 이들의 경우 황 입자가 탄소 구조체 벽면의 미세기공 등에 매우 작은 입자 형태로 삽입되며, 이후에는 더 이상의 황의 담지 및 성장이 일어나지 않게 된다. 결과적으로, 일정량의 황 입자가 담지된 후에는 공정시간을 증가시키더라도 추가적인 황의 주입이 어렵다는 문제점이 있다.Due to these characteristics of sulfur, it is very difficult to inject macromolecular sulfur into a porous structure having micro- and nano-sized pores in a molten state using the conventional melt impregnation method. As another method, there exist a method using vaporization and a hydrothermal synthesis method, but in these cases, the sulfur particles are inserted in the form of very small particles in the micropores of the wall surface of the carbon structure, and thereafter, no further loading and growth of sulfur occurs. As a result, there is a problem in that it is difficult to inject additional sulfur even if the process time is increased after a certain amount of sulfur particles are supported.

이러한, 황 담지량의 한계점을 극복하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는 황 활성점 형성 단계를 포함하며, 구체적으로 탄소 구조체 내부에 먼저 황 입자를 분산시킨 후, 상기 탄소구조체를 용융된 황과 접촉시키므로서 용융 상태의 황 분자들이 탄소구조체 내부로 유입되도록 유도할 수 있다.In order to overcome this limitation of the amount of sulfur supported, one embodiment of the present invention includes the step of forming a sulfur active point, and specifically, after dispersing the sulfur particles in the carbon structure first, the carbon structure is brought into contact with molten sulfur. As a result, sulfur molecules in a molten state can be induced to flow into the carbon structure.

즉, 본 발명의 구현예에 따른 이차전지용 전극 소재 제조 방법은 두 단계 이상의 활물질 담지 공정, 예컨대 1차 전처리 단계 및 2차 후처리 단계를 포함하는 공정을 포함할 수 있다.That is, the method for manufacturing an electrode material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention may include two or more active material loading steps, for example, a process including a first pre-treatment step and a second post-treatment step.

일 구현예에서, 상기 1차 전처리 단계 즉, 황 활성점 형성 단계는 상기 탄소 구조체 내에 황 입자를 분산시키므로서 황의 활성점을 형성시키는 것일 수 있다. 여기서, 탄소 구조체 내에 분산된 황 입자는 씨앗 또는 활성점 역할을 하여, 이어서 2차 후처리 단계에서 탄소 구조체 내로 유입된 황이 거대분자로 성장하도록 유도하게 된다. 이러한 과정을 통해 용융상태의 황 분자들이 탄소 구조체 내부로 계속 유입되므로서 빈 공극 전체를 채우게 되며, 고함량 황이 담지된 탄소구조체가 만들어 진다. 이러한 고함량 황 담지 탄소구조체를 전극 소재로 사용하는 경우, 단위면적당 높은 전지용량 발현이 가능함으로써 고용량 전지의 구현이 가능하다.In one embodiment, the first pretreatment step, that is, the sulfur active point formation step may be to form sulfur active points by dispersing sulfur particles in the carbon structure. Here, the sulfur particles dispersed in the carbon structure act as a seed or an active point, and then the sulfur introduced into the carbon structure in the second post-treatment step is induced to grow into macromolecules. Through this process, sulfur molecules in the molten state continue to flow into the carbon structure to fill the entire void, and a carbon structure with high sulfur content is formed. When such a high-content sulfur-supported carbon structure is used as an electrode material, a high-capacity battery can be realized by high battery capacity expression per unit area.

일 구현예에서, 상기 황 활성점 형성 단계는 용매함침법, 기화함침법, 또는 수열합성 함침법에 의하여 수행될 수 있다. 상기 황 활성점 형성 단계는 탄소 구조체 내 황 입자의 생성을 위한 1차 전처리 방법일 수 있다.In one embodiment, the step of forming the sulfur active point may be performed by a solvent impregnation method, a vaporization impregnation method, or a hydrothermal impregnation method. The step of forming the sulfur active point may be a primary pretreatment method for generating sulfur particles in the carbon structure.

상기 용매 함침법은 용매에 황을 용해시킨 용액에 탄소 구조체를 함침시키는 것일 수 있다. 구체적으로, 적당한 용매에 황을 녹여 탄소 구조체에 담지하는 방법으로서, 예를 들어, 10 g의 황 파우더를 100 ml의 톨루엔(Toluene) 용액에 넣은 후, 계속적으로 교반하며 95℃로 1 시간 동안 가열한다. 그런 뒤 만들어진 용액에 다공성 탄소구조체를 1시간 동안 담근 후 꺼내어 세척/건조하여 황 활성점을 형성할 수 있다. 사용 가능한 용매로는 황에 대한 용해도가 있는 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene), 플루오로벤젠(Fluorobenzene), 싸이클로헥산(cyclohexane), 또는 벤젠(Benzen) 등이 사용될 수 있다.The solvent impregnation method may be to impregnate the carbon structure in a solution in which sulfur is dissolved in a solvent. Specifically, as a method of dissolving sulfur in a suitable solvent and supporting it on a carbon structure, for example, 10 g of sulfur powder is put in 100 ml of toluene solution, and then heated to 95° C. for 1 hour with continuous stirring. do. Then, the porous carbon structure can be immersed in the prepared solution for 1 hour and then taken out and washed/dried to form a sulfur active site. As the usable solvent, toluene, xylene, fluorobenzene, cyclohexane, or benzene having solubility in sulfur may be used.

또한, 상기 기화 함침법은 황을 가열하여 기화시킨 뒤, 탄소 구조체에 이를 담지하는 것일 수 있다. 예를 들어, 황 파우더가 담겨있는 용기 상단에 다공성 탄소 구조체를 위치시킨 뒤 용기를 가열하여, 예컨대 약 200℃로 가열하여 황을 기화시킴으로써 탄소 구조체 내 황 입자 활성점을 형성할 수 있다.In addition, the vaporization impregnation method may be to heat sulfur to vaporize it, and then to support it on the carbon structure. For example, a sulfur particle active point in the carbon structure may be formed by placing the porous carbon structure on top of the container containing the sulfur powder and then heating the container, for example, heating to about 200° C. to vaporize the sulfur.

또한, 상기 수열 함침법은 황을 포함하는 화합물을 고온 고압의 조건에서 처리하므로써 탄소 구조체 내부로 황 입자 이동을 유도시키는 것일 수 있다. 예를 들어, 수열함침법에 사용되는 용액은, 수용액상에 용해시킬 수 있는 나트륨 치오설페이트 펜타하이드레이트 (Sodium Thiosulfate Pentahydrate, Na2S2O3·5H2O)를 무이온수에 녹인것으로써, 사용되는 시료는 황 또는 황이 포함된 모든 화합물일 수 있다. 추가적으로 5 wt%의 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드 (Hexadecyltrimethylammonium bromide, 이하 CTAB)를 넣고 2시간 동안 교반하여 균일하게 혼합된 수용액을 만든 뒤, 다공성 탄소구조체를 상기 수용액에 넣고 0.2 M의 염산 (HCl)을 1 mL min-1의 속도로 천천히 첨가하여 섞은 후, 수열합성기에서 150℃의 온도로 12시간 동안 열처리 한다. 열처리 된 샘플은 세척 및 건조하여 황 활성점을 형성할 수 있다.In addition, the hydrothermal impregnation method may be to induce the movement of sulfur particles into the carbon structure by treating a compound containing sulfur under a high temperature and high pressure condition. For example, the solution used for the hydrothermal impregnation method is used by dissolving sodium thiosulfate pentahydrate (Na 2 S 2 O 3 ·5H 2 O) in non-ionized water that can be dissolved in an aqueous solution. The sample to be used may be sulfur or any compound containing sulfur. Additionally, 5 wt% of hexadecyltrimethylammonium bromide (hereafter, CTAB) was added and stirred for 2 hours to make a uniformly mixed aqueous solution, and then the porous carbon structure was placed in the aqueous solution and 0.2 M hydrochloric acid (HCl) was added to 1 After slowly adding and mixing at a rate of mL min -1 , heat treatment at 150°C in a hydrothermal synthesizer for 12 hours. Heat treated samples can be washed and dried to form sulfur active sites.

다음으로, 2차 후처리 단계에서는, 황을 탄소 구조체 내로 추가 주입하여 상기 황 활성점과 결합 및 성장시킬 수 있다. 예컨대, 황 씨앗(활성점)이 고르게 분산된 탄소구조체를 용융된 황에 담가서 황이 탄소구조체 내부로 유입되고, 상기 황의 씨앗에서 성장하여, 최종적으로는 탄소구조체의 공극 내부를 황으로 채우는 것일 수 있다.Next, in the secondary post-treatment step, sulfur may be further injected into the carbon structure to bond and grow with the sulfur active point. For example, by immersing a carbon structure in which sulfur seeds (active points) are evenly dispersed in molten sulfur, sulfur flows into the carbon structure, grows from the sulfur seeds, and finally fills the pores of the carbon structure with sulfur. .

일 구현예에서, 상기 황 주입은 용융된 황을 탄소 구조체 내로 주입하는 것일 수 있다. 구체적으로 황 입자가 분산된 탄소 구조체를 용융 상태의 황 용액에 담그면 상기 용융된 황이 탄소 구조체 내부로 유입될 수 있으며, 유입된 황은 활성점(탄소 구조체 내에 분산된 황 입자)을 통하여 성장할 수 있고, 이로써 탄소 구조체의 내부를 황으로 가득 채울 수 있다.In one embodiment, the sulfur injection may be to inject molten sulfur into the carbon structure. Specifically, when the carbon structure in which the sulfur particles are dispersed is immersed in a sulfur solution in a molten state, the molten sulfur can be introduced into the carbon structure, and the introduced sulfur can grow through the active point (sulfur particles dispersed in the carbon structure), Accordingly, the inside of the carbon structure may be filled with sulfur.

한편, 황은 온도에 따라 물성이 매우 크게 변하기 때문에 황을 마이크로 및 나노사이즈의 기공을 갖는 다공성 구조체 내부로 주입하기 위해서는 용융온도를 적절히 조절해야 한다. On the other hand, since the physical properties of sulfur vary greatly depending on the temperature, the melting temperature must be appropriately controlled in order to inject sulfur into the porous structure having micro- and nano-sized pores.

따라서, 본 발명의 일 구현예에서, 황을 탄소 구조체 내로 주입할 때 특정 온도 범위로 황 용융온도를 제어하는 경우 높은 황 함량을 가지는 중공사형 탄소 구조체를 제조할 수 있다.Therefore, in one embodiment of the present invention, when the sulfur melting temperature is controlled in a specific temperature range when sulfur is injected into the carbon structure, a hollow fiber-type carbon structure having a high sulfur content can be manufactured.

구체적으로, 상기 황의 용융 온도는 120 내지 250 ℃ 범위를 가질 수 있다. 바람직하게 상기 황의 용융 온도는 150 내지 160 ℃ 범위를 가질 수 있다. 한편, 아래의 표 1은 황의 용융 온도에 따른 점도를 나타내고 있다. Specifically, the melting temperature of the sulfur may have a range of 120 to 250 ℃. Preferably, the melting temperature of the sulfur may have a range of 150 to 160 ℃. Meanwhile, Table 1 below shows the viscosity according to the melting temperature of sulfur.

용융 온도에 따른 황의 점도 (cp)Viscosity of sulfur as a function of melting temperature (cp) 120.0 ℃120.0 ℃ 1717 140.0 ℃140.0 ℃ 88 158.0 ℃158.0℃ 6.46.4 160.0 ℃160.0 ℃ 59525952

표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 황은 약 158℃용융 온도에서 가장 작은 분자량을 갖고 점도 또한 매우 낮아지게 되어 탄소나노튜브 내부로의 유입이 수월하게 된다. 한편, 황이 160˚C 이상으로 올라갈 경우, 황이 산소와 반응하게 되어 높은 점도를 보이게 되며, 따라서 황이 탄소 구조체 내부로 이동하기가 어렵게 된다. 이러한 결과는 후술하는 용융 온도에 따른 탄소 구조체 내의 황 담지량 결과와도 일치한다(실험예 1). 따라서, 전술한 황의 용융 온도 범위에서 높은 황 함량을 가지는 전극 소재를 제조할 수 있다.As can be seen in Table 1, sulfur has the smallest molecular weight at a melting temperature of about 158° C. and the viscosity is also very low, so that it is easily introduced into the carbon nanotube. On the other hand, when sulfur rises above 160 ˚C, sulfur reacts with oxygen to show a high viscosity, thus making it difficult for sulfur to move into the carbon structure. This result is also consistent with the result of the sulfur loading in the carbon structure according to the melting temperature to be described later (Experimental Example 1). Therefore, it is possible to manufacture an electrode material having a high sulfur content in the above-described melting temperature range of sulfur.

실시예Example

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예들에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.

실시예 1: 다공성 탄소 구조체(탄소 중공사) 제조Example 1: Preparation of porous carbon structure (carbon hollow fiber)

다공성 탄소 구조체인 탄소나노튜브를 제조하기 위하여 전기방사기술을 이용하였다. 튜브형태를 제조하기 위해서 이중노즐을 사용하였으며, 이때 쉘(shell) 및 코어(core) 용액이 각각 필요로 한다. 쉘 용액의 경우 결정성이 있는 고분자인 폴리아크릴로나이트릴(Poly-acrylonitrile, PAN) 1.3 wt%를 디메틸포름아마이드 (Dimethylformamide, DMF)에 녹여서 제조를 하였으며, 코어 용액의 경우 비정질 고분자인 폴리메틸메타아크릴레이트 (Poly-methyl methacrylate, PMMA) 2.5 wt%를 DMF 용매에 녹여 제조하였다.Electrospinning technology was used to prepare carbon nanotubes, which are porous carbon structures. A double nozzle was used to prepare a tube shape, and at this time, a shell and a core solution were required respectively. The shell solution was prepared by dissolving 1.3 wt% of poly-acrylonitrile (PAN), a crystalline polymer, in dimethylformamide (DMF). It was prepared by dissolving 2.5 wt% of acrylate (Poly-methyl methacrylate, PMMA) in a DMF solvent.

균일한 용매의 제조를 위해 제조된 두 용액을 60˚C에서 24시간 동안 교반한 후, 상온까지 냉각시켜 사용하였다.The two solutions prepared for the preparation of a uniform solvent were stirred at 60 °C for 24 hours, and then cooled to room temperature before use.

전기방사조건으로는 쉘 용매를 1.5 ml h-1로 하며 코아 용매는 1.0 ml h-1로 설정하였고, 전기방사 전위를 1.3 kV로 설정하며, 토출면적은 가로 200 mm 및 세로 300 mm로써 2시간 동안 전기방사를 실시하였다.For the electrospinning conditions, the shell solvent was set to 1.5 ml h -1 and the core solvent was set to 1.0 ml h -1 , the electrospinning potential was set to 1.3 kV, and the discharge area was 200 mm wide and 300 mm long for 2 hours. During the electrospinning was performed.

이후, 전기방사된 샘플을 60℃ 오븐에서 12시간 동안 건조 후, 가열로에서 2단계의 열처리 공정을 거치게 된다. 1차 열처리 조건은 산소분위기에서 진행되는 안정화 단계로써 250℃에서 1시간 동안의 열처리 공정을 거친다. 마지막으로 1차 열처리 공정 이후, 질소 및 아르곤 등과 같은 비활성 기체분위기 내에서 2차 열처리 공정이 진행되게 되며, 2차 열처리 공정은 10℃ min-1의 승온 조건으로 800℃에서 1시간 동안 열처리 함으로써, 도 3에서 보여지듯이 내경이 약 200 nm이며, 쉘 부분은 약 20 nm의 두께를 가지는 다공성 탄소 구조체인 탄소나노튜브 또는 나노탄소중공사 (HCNF)를 제조하였다.Thereafter, the electrospun sample is dried in an oven at 60° C. for 12 hours, and then subjected to a two-step heat treatment process in a heating furnace. The primary heat treatment condition is a stabilization step performed in an oxygen atmosphere, and a heat treatment process is performed at 250° C. for 1 hour. Finally, after the first heat treatment process, the second heat treatment process is carried out in an inert gas atmosphere such as nitrogen and argon, and the second heat treatment process is heat treated at 800 °C for 1 hour under the temperature increase condition of 10 °C min -1, As shown in FIG. 3 , carbon nanotubes or nano-carbon hollow fibers (HCNFs), which are porous carbon structures having an inner diameter of about 200 nm and a shell portion having a thickness of about 20 nm, were prepared.

비교예 1: 종래 황 담지법을 적용한 전극 소재 제조Comparative Example 1: Preparation of electrode material using conventional sulfur loading method

실시예 1에서 제조한 다공성 탄소 구조체(탄소 중공사)를 사용하였으며, 종래의 황 담지 방법인 기화함침법 및 용매함침법을 이용하여 황을 담지하였다.The porous carbon structure (carbon hollow fiber) prepared in Example 1 was used, and sulfur was supported by using the vaporization impregnation method and the solvent impregnation method, which are conventional sulfur loading methods.

도 5a는 기화 함침방법을 통해 제조한, 황이 담지된 중공사 탄소 구조체의 사진을 나타내며, 도 5b는 용매 함침방법을 통해 제조된 황이 담지된 중공사 탄소 구조체의 사진을 나타낸다.5a shows a photograph of the sulfur-supported hollow fiber carbon structure prepared through the vaporization impregnation method, and FIG. 5b shows a photograph of the sulfur-supported hollow fiber carbon structure prepared through the solvent impregnation method.

종래의 황 담지 기술을 통해 황을 담지하는 경우, 탄소구조체 내부로의 황 주입이 어렵기 때문에 구조체 외부에 황의 결정이 형성되거나, 매우 미량의 황 입자만이 탄소 구조체 벽면에 형성되는 것을 확인할 있다. 특히 탄소 구조체의 외부 벽면에 형성된 황의 경우, 전지 구동에 있어 폴리설파이드 용출의 문제를 야기시키며, 전체적으로 황 담지량이 낮아 고용량 전지 제작에 적합하지 않다.When sulfur is supported through the conventional sulfur loading technology, it can be confirmed that crystals of sulfur are formed outside the structure or only a very small amount of sulfur particles are formed on the wall surface of the carbon structure because it is difficult to inject sulfur into the carbon structure. In particular, in the case of sulfur formed on the outer wall of the carbon structure, it causes a problem of polysulfide elution in battery driving, and is not suitable for manufacturing a high-capacity battery due to a low sulfur loading as a whole.

실시예Example 2: 다공성 탄소 구조체 내부에 황 활성점 형성(황 분산 탄소 구조체 제조) 2: Formation of sulfur active sites inside the porous carbon structure (manufacture of sulfur dispersed carbon structure)

실시예 1에서 제조한 탄소구조체(탄소중공사)의 내부 공간에 황 입자를 보다 효율적으로 담지시키기 위하여, 먼저 100 mL의 무이온수에 0.1 M의 Na2S2O3·5H2O과 0.5 wt%의 Hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB)를 2시간 동안 교반하여 균일하게 혼합된 수용액을 제조하였다. 이후, 실시예 1을 통해 준비된 0.1 mg의 나노탄소중공사 (HCNF) 샘플 (10 mm x 10 mm)을 앞서 제조한 수용액에 넣고 0.2 M의 염산 (HCl)을 1 mL min-1의 속도로 천천히 첨가하여 섞는다. 이렇게 만든 탄소구조체 및 황화합물의 혼합물을 수열합성기에 넣은 다음, 150℃의 온도에서 12시간 동안 열처리 한다. 열처리된 HCNF 샘플은 세척 및 건조를 거치게 되며, 이를 통해 도 4a와 같이 탄소 구조체 내 황이 담지 될 수 있는 활성점을 형성하였다. In order to support the sulfur particles more efficiently in the inner space of the carbon structure (carbon hollow fiber) prepared in Example 1, first, 0.1 M Na 2 S 2 O 3 ·5H 2 O and 0.5 wt of 100 mL of non-ionized water. % of Hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) was stirred for 2 hours to prepare a uniformly mixed aqueous solution. Then, 0.1 mg of the nano-carbon hollow fiber (HCNF) sample (10 mm x 10 mm) prepared in Example 1 was placed in the aqueous solution prepared above, and 0.2 M hydrochloric acid (HCl) was slowly added at a rate of 1 mL min -1 Add and mix. The resulting mixture of carbon structure and sulfur compound is put into a hydrothermal synthesizer, and then heat-treated at 150°C for 12 hours. The heat-treated HCNF sample is washed and dried, thereby forming an active site in which sulfur can be supported in the carbon structure as shown in FIG. 4a.

실시예 3: 다공성 탄소 구조체 내부에 황 주입Example 3: Sulfur injection into the porous carbon structure

황 분말을 158℃로 가열하여 용융 상태로 준비하였다. 용융 상태의 황에 실시예 2의 황 분산 탄소 구조체를 담가서 용융된 황이 탄소구조체의 내부 공간으로 유입되도록 하므로써, 일정시간이 지나면 탄소 구조체 내부에 황이 성장하여 탄소 구조체의 공극에 황이 가득차게 되었다. The sulfur powder was heated to 158° C. to prepare a molten state. By immersing the sulfur-dispersed carbon structure of Example 2 in sulfur in a molten state so that the molten sulfur flows into the internal space of the carbon structure, sulfur grows inside the carbon structure after a certain period of time, and the pores of the carbon structure are filled with sulfur.

이에 대한 모식도는 도 1과 같으며, 도 4b는 본 실시예에서 제조한, 황이 담지된 중공사 탄소 구조체의 사진이다. A schematic diagram for this is shown in FIG. 1 , and FIG. 4b is a photograph of the sulfur-supported hollow fiber carbon structure prepared in this embodiment.

비교예 2: 황 활성점 형성 단계 없이 다공성 탄소 구조체 내부로 황 주입Comparative Example 2: Sulfur injection into the porous carbon structure without the step of forming a sulfur active point

실시예 2의 황 분산 탄소 구조체가 아닌 실시예 1의 다공성 탄소 구조체를 사용한 것을 제외하고 실시예 3의 방법으로 다공성 탄소 구조체 내부에 황을 주입하였다. 즉, 탄소 구조체 내부에 활성점을 형성하는 전처리 과정 없이 기존의 용융함침법을 사용하여 탄소구조체에 황을 담지시켰다. Sulfur was injected into the porous carbon structure in the same manner as in Example 3, except that the porous carbon structure of Example 1 was used instead of the sulfur-dispersed carbon structure of Example 2. That is, sulfur was supported on the carbon structure by using the conventional melt impregnation method without a pretreatment process of forming an active point inside the carbon structure.

도 5c는 후처리 황 주입법만을 사용한 즉, 기존의 용융함침을 통해서 제조된 황이 담지된 중공사 탄소 구조체 사진이다. 도 4b와 매우 다른데, 나노 크기의 탄소 중공사 구조체 내부에 황이 들어가지 못하고 외벽에만 황이 거대하게 형성된 것을 확인할 수 있다. 이러한 형태의 황 담지 탄소체를 사용하면 비전도성의 황이 외부를 둘러싸므로써 전극 내 전자이동을 어렵게 하여 전지의 효율을 크게 떨어뜨린다.FIG. 5c is a photograph of a hollow fiber carbon structure supported with sulfur prepared through the conventional melt impregnation using only the post-treatment sulfur injection method. It is very different from FIG. 4b, and it can be seen that sulfur does not enter the inside of the nano-sized carbon hollow fiber structure, and sulfur is formed only on the outer wall. When this type of sulfur-supported carbon body is used, non-conductive sulfur surrounds the outside, making it difficult to move electrons in the electrode, thereby greatly reducing the efficiency of the battery.

시험예 1: 황 용융온도에 따른 탄소 구조체 내 황 담지량 측정Test Example 1: Measurement of sulfur loading in carbon structure according to sulfur melting temperature

실시예 3에서 황 분말의 용융온도를 달리하여 탄소 구조체의 공극에 황을 담지하였으며, 황 용융온도에 따른 탄소 구조체 내 황 담지량 (mg cm- 2)은 아래의 표 2와 같다.In Example 3, sulfur was supported in the pores of the carbon structure by varying the melting temperature of the sulfur powder, and the amount of sulfur supported in the carbon structure according to the sulfur melting temperature (mg cm - 2 ) is shown in Table 2 below.

구분division 황 담지량 (mg cmSulfur loading (mg cm -2-2 )) 실시예 3 (120℃)Example 3 (120° C.) ~ 0~ 0 실시예 3 (140℃)Example 3 (140° C.) < 0.1< 0.1 실시예 3 (158℃)Example 3 (158° C.) 23.923.9 실시예 3 (160℃)Example 3 (160°C) < 0.1< 0.1 비교예 1Comparative Example 1 1.01.0 비교예 2Comparative Example 2 < 0.1< 0.1

표 2는 다양한 조건에서의 탄소 구조체 내 황 담지량을 비교한 것이다. 실시예 3에서 제시한 최적의 황 용융온도를 제시하기 위하여 용융온도에 따른 탄소 구조체 내의 황 담지량을 비교하였다. 140℃ 이하에서는 황이 고리상태로 존재함으로서 황 분자의 이동도가 매우 떨어지고 이에 따라 점도 또한 표 1에서 제시된 바와 같이 높기 때문에 탄소 구조체 내부로의 담지가 어렵다. 결과적으로 매우 미량의 황이 담지되었다. 하지만, 황 용융온도가 약158℃로 증가하면 고리형태의 황 분자들이 끊어지기 시작하면서 이동도가 증가하게 되고, 이에 따라 매우 낮은 점도를 가지게 되므로써 탄소 구조체 내부의 활성점으로 유도되어 성장하게 된다. 결과적으로 23.9 mg cm-2 의 매우 높은 담지량을 나타낸다. 이후, 160℃ 이상의 온도에서는 끊어져 있던 황 분자들이 서로 연결되어 폴리머 분자들과 같이 거대 체인형태를 이루므로써 매우 높은 점도를 가지게 된다. 따라서 기공이 작은 탄소 구조체 내부로의 황의 유입이 어렵기 때문에 매우 낮은 담지량을 보여준다.Table 2 compares the amount of sulfur supported in the carbon structure under various conditions. In order to present the optimum sulfur melting temperature presented in Example 3, the amount of sulfur supported in the carbon structure according to the melting temperature was compared. Below 140° C., since sulfur exists in a ring state, the mobility of sulfur molecules is very low and, accordingly, the viscosity is also high as shown in Table 1, so it is difficult to carry it into the carbon structure. As a result, very trace amounts of sulfur were supported. However, when the sulfur melting temperature is increased to about 158° C., the cyclic sulfur molecules start to break, and the mobility increases, and accordingly, it has a very low viscosity, so that it is induced to grow as an active point inside the carbon structure. As a result, it shows a very high loading of 23.9 mg cm- 2. Thereafter, at a temperature of 160° C. or higher, the broken sulfur molecules are connected to each other to form a large chain like polymer molecules, and thus have a very high viscosity. Therefore, since it is difficult to introduce sulfur into the carbon structure with small pores, it shows a very low loading amount.

시험예 2: 리튬-황 전지에 대한 단위면적당 용량 평가Test Example 2: Capacity per unit area evaluation for lithium-sulfur batteries

전술한 비교예 1, 2 및 실시예 3에 따라 제조된 황이 담지된 중공사 탄소 구조체를 황 양극으로 사용한 리튬-황 전지의 단위면적당 전지용량을 평가하였다.The battery capacity per unit area of a lithium-sulfur battery using the sulfur-supported hollow fiber carbon structure prepared according to Comparative Examples 1, 2 and 3 as a sulfur positive electrode was evaluated.

전지평가 전압 범위는 2.7 - 1.7V이며, 0.1C-rate 전류밀도 조건하에서 수행하였으며, 그 결과는 아래의 표 3과 같다.The battery evaluation voltage range was 2.7 - 1.7V, and it was performed under 0.1C-rate current density conditions, and the results are shown in Table 3 below.

비교예 1을 채용한 리튬-황 전지는 0.1C-rate의 조건에서 단위면적당 용량이 약 4 mA h cm-2이고, 비교예 2를 채용한 리튬-황 전지는 0.1C-rate의 조건에서 단위면적당 용량이 약 0.5 mA h cm-2이고, 실시예 3에 따른 리튬-황 전지는 0.1C-rate의 조건에서 단위면적당 용량이 약 17 mA h cm-2으로 측정 되었다.The lithium-sulfur battery employing Comparative Example 1 has a capacity per unit area of about 4 mA h cm -2 under the condition of 0.1 C-rate, and the lithium-sulfur battery employing Comparative Example 2 has a unit area under the condition of 0.1 C-rate. The capacity per area was about 0.5 mA h cm -2, and the lithium-sulfur battery according to Example 3 had a capacity per unit area of about 17 mA h cm -2 under the condition of 0.1 C-rate.

리튬-황 전지에 대한 단위면적당 용량 (mA h cmCapacity per unit area for lithium-sulfur batteries (mA h cm -2-2 )) 비교예 1Comparative Example 1 44 비교예 2Comparative Example 2 0.50.5 실시예 3Example 3 1717

표 3에 나타낸 바와 같이 비교예 1을 통해 제조한 황이 담지된 탄소 구조체 전극의 경우, 적은 황 담지량으로 인해 단위면적당 4 mA h cm-2의 성능을 보였으며, 비교예 2에 의해 황이 담지된 탄소 구조체의 경우는 담지된 황량이 매우 적어 매우 낮은 0.5 mA h cm-2의 성능을 보였다. 실시예 3을 통해 제조한 황 탄소 구조체 전극의 경우 높은 담지량을 가지므로써 단위면적당 용량이 17 mA h cm- 2 까지 증가하였다. As shown in Table 3, in the case of the sulfur-supported carbon structure electrode prepared in Comparative Example 1, the performance of 4 mA h cm -2 per unit area was exhibited due to the small amount of sulfur loaded, and the sulfur-supported carbon by Comparative Example 2 In the case of the structure, the amount of supported sulfur was very low, and the performance of 0.5 mA h cm -2 was very low. Exemplary case of a sulfur-carbon electrode structure prepared in the Example 3 meurosseo per unit area of the high loading capacity of 17 mA h cm - was increased by 2.

앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical spirit of the present invention. The protection scope of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art can improve and change the technical idea of the present invention in various forms. Accordingly, such improvements and modifications will fall within the protection scope of the present invention as long as they are apparent to those of ordinary skill in the art.

Claims (14)

이차전지용 전극 소재로서,
탄소 구조체; 및 상기 탄소 구조체에 담지된 황;을 포함하며, 상기 전극 소재의 단위 전극 면적당 1.0 mg cm-2 이상의 황 담지량을 갖는, 이차전지용 전극 소재.
As an electrode material for a secondary battery,
carbon structure; and sulfur supported on the carbon structure, wherein the electrode material has a sulfur loading amount of 1.0 mg cm -2 or more per unit electrode area of the electrode material.
제1항에 있어서,
상기 이차전지용 전극 소재는 상기 전극 소재의 단위 전극 면적당 10 mg cm- 2이상의 황 담지량을 갖는 것을 특징으로 하는, 이차전지용 전극 소재.
According to claim 1,
The electrode material for a secondary battery is an electrode material for a secondary battery, characterized in that it has a sulfur loading amount of 10 mg cm - 2 or more per unit electrode area of the electrode material.
제1항에 있어서,
상기 탄소 구조체는 다공성 탄소 구조체인 것을 특징으로 하는, 이차전지용 전극 소재.
According to claim 1,
The carbon structure is a porous carbon structure, characterized in that the secondary battery electrode material.
제3항에 있어서,
상기 다공성 탄소 구조체는 다공성 탄소 분말, 탄소 중공사, 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 다공성 탄소 시트, 다공성 탄소 천, 및 다공성 탄소 펠트로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 탄소 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이차전지용 전극 소재.
4. The method of claim 3,
The porous carbon structure is at least one carbon selected from the group consisting of porous carbon powder, carbon hollow fibers, single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, porous carbon sheets, porous carbon cloth, and porous carbon felt. An electrode material for a secondary battery, characterized in that it contains a material.
제1항에 있어서,
상기 탄소 구조체는 100 ㎛ 이하의 내경을 갖는 중공을 포함하는 탄소 중공사인 것을 특징으로 하는, 이차전지용 전극 소재.
According to claim 1,
The carbon structure is an electrode material for a secondary battery, characterized in that it is a carbon hollow fiber including a hollow having an inner diameter of 100 μm or less.
제5항에 있어서,
상기 탄소 중공사는 벽면에 위치하는 직경 10 ㎛ 이하의 복수의 기공을 포함하는 것을 특징으로 하는, 이차전지용 전극 소재.
6. The method of claim 5,
The carbon hollow fiber is an electrode material for a secondary battery, characterized in that it includes a plurality of pores with a diameter of 10 μm or less located on the wall surface.
제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 이차전지용 전극 소재를 포함하는, 이차 전지.A secondary battery comprising the electrode material for a secondary battery of any one of claims 1 to 6. 제7항에 있어서,
상기 이차 전지는 0.1C-rate의 조건에서 1 mA h cm- 2이상의 단위 면적당 용량을 갖는 것을 특징으로 하는, 이차 전지.
8. The method of claim 7,
The secondary battery, characterized in that it has a capacity per unit area of 1 mA h cm - 2 or more under the condition of 0.1C-rate, the secondary battery.
탄소 구조체 내에 황 활성점을 형성하는 단계; 및
황을 탄소 구조체 내로 주입하여 상기 황 활성점과 결합 및 성장시키는 단계; 를 포함하며, 전극 소재의 단위 전극 면적당 1.0 mg cm- 2이상의 황 담지량을 갖는, 이차전지용 전극 소재 제조 방법.
forming a sulfur active site in the carbon structure; and
injecting sulfur into the carbon structure to bond and grow the sulfur active site; Including, 1.0 mg cm - 2 or more sulfur loading per unit electrode area of the electrode material, the secondary battery electrode material manufacturing method.
제9항에 있어서,
상기 활성점 형성 단계는 상기 탄소 구조체 내에 황 입자를 분산시키는 것을 특징으로 하는, 이차전지용 전극 소재 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The active point forming step is characterized in that the sulfur particles are dispersed in the carbon structure, a method for manufacturing an electrode material for a secondary battery.
제9항에 있어서,
상기 활성점 형성 단계는 용매함침법, 기화함침법, 또는 수열합성 함침법에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는, 이차전지용 전극 소재 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The active point forming step is a method for manufacturing an electrode material for a secondary battery, characterized in that it is performed by a solvent impregnation method, a vaporization impregnation method, or a hydrothermal synthesis impregnation method.
제9항에 있어서,
상기 황 주입은 용융된 황을 탄소 구조체 내로 주입하는 것을 특징으로 하는, 이차전지용 전극 소재 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The sulfur injection is a method of manufacturing an electrode material for a secondary battery, characterized in that by injecting molten sulfur into the carbon structure.
제9항 또는 제12항에 있어서,
상기 황의 용융 온도는 120 내지 250 ℃ 범위를 갖는 것을 특징으로 하는, 이차전지용 전극 소재 제조 방법.
13. The method of claim 9 or 12,
The melting temperature of the sulfur is characterized in that it has a range of 120 to 250 ℃, secondary battery electrode material manufacturing method.
제9항 또는 제12항에 있어서,
상기 황의 용융 온도는 150 내지 160 ℃ 범위를 갖는 것을 특징으로 하는, 이차전지용 전극 소재 제조 방법.
13. The method of claim 9 or 12,
The melting temperature of the sulfur is characterized in that it has a range of 150 to 160 ℃, secondary battery electrode material manufacturing method.
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