KR20220099660A - 리튬-황 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬-황 전지 - Google Patents

리튬-황 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬-황 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 이중결합을 포함하는 동시에 산소 원자 및 황 원자 중 어느 하나를 포함하는 헤테로 고리 화합물을 포함하는 제1 용매; 에테르계 화합물, 에스테르계 화합물, 아미드계 화합물 및 카보네이트계 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는 제2 용매; 리튬염; 질산리튬; 및 보레이트계 리튬염;을 포함하는 리튬-황 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬-황 전지에 관한 것이다.

Description

리튬-황 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬-황 전지{ELECTROLYTE FOR LITHIUM-SULFUR BATTERY AND LITHIUM-SULFUR BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 리튬-황 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬-황 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 리튬-황 전지의 전해액에 포함되는 용매, 리튬염 및 첨가제를 적절하게 조합함으로써 리튬-황 전지의 수명 특성 및 리튬 사이클 효율을 향상시킬 수 있는, 리튬-황 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬-황 전지에 관한 것이다.
이차전지의 응용 영역이 전기 자동차(EV)나 에너지 저장 장치(ESS) 등으로 확대됨에 따라, 상대적으로 낮은 무게 대비 에너지 저장 밀도(~250 Wh/kg)를 갖는 리튬-이온 이차전지는 이러한 제품에 대한 적용의 한계가 있다. 이와 달리, 리튬-황 이차전지는 이론상으로 높은 무게 대비 에너지 저장 밀도(~2,600 Wh/kg)를 구현할 수 있기 때문에, 차세대 이차전지 기술로 각광을 받고 있다.
리튬-황 전지는 S-S 결합(Sulfur-Sulfur Bond)을 갖는 황 계열 물질을 양극 활물질로 사용하고, 리튬 금속을 음극 활물질로 사용한 전지 시스템을 의미한다. 상기 양극 활물질의 주재료인 황은 전 세계적으로 자원량이 풍부하고, 독성이 없으며, 낮은 원자당 무게를 가지고 있는 장점이 있다.
리튬-황 전지는 방전 시에 음극 활물질인 리튬이 전자를 내어놓고 이온화되면서 산화되며, 양극 활물질인 황 계열 물질이 전자를 받아들여 환원된다. 여기서, 리튬의 산화반응은 리튬 금속이 전자를 내어놓고 리튬 양이온 형태로 변환되는 과정이다. 또한, 황의 환원반응은 S-S 결합이 2개의 전자를 받아들여 황 음이온 형태로 변환되는 과정이다. 리튬의 산화반응에 의해 생성된 리튬 양이온은 전해질을 통해 양극으로 전달되고, 황의 환원반응에 의해 생성된 황 음이온과 결합하여 염을 형성한다. 구체적으로, 방전 전의 황은 환형의 S8 구조를 가지고 있는데, 이는 환원반응에 의해 리튬 폴리설파이드(Lithium polysulfide, LiSx)로 변환된다. 리튬 폴리설파이드가 완전히 환원되는 경우에는 리튬 설파이드(Li2S)가 생성되게 된다.
양극 활물질인 황은 낮은 전기전도도의 특성으로 인해, 고상 형태에서는 전자 및 리튬 이온과의 반응성을 확보하기가 어렵다. 기존 리튬-황 전지는 이러한 황의 반응성을 개선하기 위해 Li2Sx 형태의 중간 폴리설파이드(intermediate polysulfide)를 생성하여 액상 반응을 유도하고 반응성을 개선한다. 이 경우, 전해액의 용매로 리튬 폴리설파이드에 대해 용해성이 높은 디옥솔란(dioxolane), 디메톡시에탄(dimethoxyethane) 등의 에테르계 용매가 사용된다.
그러나, 이러한 에테르계 용매를 사용하는 경우, 다양한 원인에 의해 리튬-황 전지의 수명 특성이 저하되는 문제점이 존재한다. 예를 들면, 양극으로부터의 리튬 폴리설파이드의 용출, 리튬 음극 상에 덴드라이트의 성장으로 인한 쇼트(short) 발생, 전해액의 분해에 따른 부산물의 퇴적 등에 의해 리튬-황 전지의 수명 특성이 저하될 수 있다.
특히, 이러한 에테르계 용매를 사용하는 경우, 리튬 폴리설파이드를 다량 용해시킬 수 있어 반응성이 높으나, 전해액 내에 녹는 리튬 폴리설파이드의 특성으로 인해 전해액의 함량에 따라 황의 반응성 및 수명 특성이 영향을 받게 된다.
최근 항공기 및 차세대 전기 자동차 등에 요구되는 500Wh/kg 이상의 고에너지 밀도 리튬-황 전지를 개발하기 위해서 전극 중 황의 로딩량이 크고, 전해액의 함량이 최소화될 것이 요구된다.
그러나, 상기 에테르계 용매의 특성상 전해액의 함량이 낮아질수록 충방전 중에 빠르게 점도가 증가하고, 그로 인하여 과전압이 발생하여 퇴화될 수 있는 문제가 있다.
이에, 전해액의 분해를 방지하고, 우수한 수명 특성을 확보하기 위하여 전해액에 별도의 첨가제를 첨가하는 연구가 지속적으로 수행되고 있다. 그럼에도 불구하고, 수명 특성 및 리튬 사이클 효율을 향상시킬 수 있는, 전해액의 성분 및 조성에 대하여는 명확하게 밝혀진 바가 없다.
한국 공개특허공보 제10-2007-0027512(2007.03.09.), “리튬-황 전기화학 전지용 전해질”
이에, 본 발명에서는 리튬-황 전지의 수명 특성 및 리튬 사이클 효율을 향상시키기 위하여, 하나 이상의 이중결합을 포함하는 동시에 산소 원자 및 황 원자 중 어느 하나를 포함하는 헤테로 고리 화합물을 포함하는 제1 용매, 에테르계 화합물, 에스테르계 화합물, 아미드계 화합물 및 카보네이트계 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는 제2 용매, 리튬염, 질산리튬 및 보레이트계 리튬염을 포함함으로써, 상기 문제를 해결하여 리튬-황 전지의 성능을 향상시킬 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은, 리튬-황 전지의 수명 특성 및 리튬 사이클 효율을 향상시킬 수 있는 리튬-황 전지용 전해액을 제공하는데 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 전해액을 구비하여 전지의 성능이 향상된 리튬-황 전지를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 하나 이상의 이중결합을 포함하는 동시에 산소 원자 및 황 원자 중 어느 하나를 포함하는 헤테로 고리 화합물을 포함하는 제1 용매; 에테르계 화합물, 에스테르계 화합물, 아미드계 화합물 및 카보네이트계 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는 제2 용매; 리튬염; 질산리튬; 및 보레이트계 리튬염;을 포함하는 리튬-황 전지용 전해액을 제공한다.
또한, 본 발명은, 양극; 음극; 상기 양극과 음극의 사이에 개재되는 분리막; 및 상기 리튬-황 전지용 전해액;을 포함하는 리튬-황 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 리튬-황 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬-황 전지에 의하면, 리튬-황 전지의 전해액에 하나 이상의 이중결합을 포함하는 동시에 산소 원자 및 황 원자 중 어느 하나를 포함하는 헤테로 고리 화합물을 포함하는 제1 용매, 에테르계 화합물, 에스테르계 화합물, 아미드계 화합물 및 카보네이트계 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는 제2 용매, 리튬염, 질산리튬 및 보레이트계 리튬염을 포함함으로써, 상기 전해액을 구비하는 리튬-황 전지의 수명 특성 및 리튬 사이클 효율을 향상시키는 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2의 리튬-황 전지용 전해액을 적용한 리튬-황 전지의 수명 특성을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1, 4 내지 8 및 비교예 1의 리튬-황 전지용 전해액을 적용한 리튬-황 전지의 수명 특성을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따라 제공되는 구체예는 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아님을 이해해야 한다.
본 발명은, A) 하나 이상의 이중결합을 포함하는 동시에 산소 원자 및 황 원자 중 어느 하나를 포함하는 헤테로 고리 화합물을 포함하는 제1 용매; B) 에테르계 화합물, 에스테르계 화합물, 아미드계 화합물 및 카보네이트계 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는 제2 용매; C) 리튬염; D) 질산리튬; 및 E) 보레이트계 리튬염;을 포함하는 리튬-황 전지용 전해액을 제공한다.
이하, 본 발명의 리튬-황 전지용 전해액에 포함되는 A) 제1 용매, B) 제2 용매, C) 리튬염, D) 질산리튬 및 E) 보레이트계 리튬염 각각에 대해 구체적으로 설명한다.
A) 제1 용매
본 발명에 따른 리튬-황 전지용 전해액은 하나 이상의 이중결합을 포함하는 동시에 산소 원자 및 황 원자 중 어느 하나를 포함하는 헤테로 고리 화합물을 포함하는 제1 용매를 포함할 수 있다.
상기 제1 용매는, 하나 이상의 이중결합을 포함하는 동시에 산소 원자 및 황 원자 중 어느 하나를 포함하는 헤테로 고리 화합물을 포함할 수 있다. 상기 헤테로 고리 화합물은 헤테로 원자(산소 원자 또는 황 원자)의 고립 전자쌍(lone pair electrons)의 비편재화(delocalization)로 인하여 염(salt)을 용해시키기 어려운 특성을 갖는다.
리튬계 금속을 음극으로 사용하는 리튬-황 전지에 있어서, 전지의 초기 방전 단계에서 상기 헤테로 고리 화합물의 고리 열림 중합반응(ring opening reaction)에 의해 리튬계 금속(음극)의 표면에 고분자 보호막(solid electrolyte interface, SEI층)을 형성할 수 있고, 이로 인하여, 리튬 덴드라이트의 생성을 억제시킬 수 있으며, 더 나아가 리튬계 금속 표면에서의 전해액 분해 및 그에 따른 부반응을 감소시킴으로써 리튬-황 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 헤테로 고리 화합물은, 리튬계 금속의 표면에 고분자 보호막을 형성하기 위하여, 하나 이상의 이중결합이 존재할 것이 필수적으로 요구된다. 또한, 본 발명의 헤테로 고리 화합물은 산소 또는 황을 포함하여 극성을 띄게 함으로써, 전해액의 다른 유기 용매와도 친화도를 높여 전해액의 성분으로서의 활용을 용이하게 하므로, 상기 헤테로 원자(산소 원자 또는 황 원자) 또한 반드시 포함하여야 한다.
상기 헤테로 고리 화합물은 3 내지 15원, 바람직하게는 3 내지 7원, 더욱 바람직하게는 5 내지 6원의 헤테로 고리 화합물일 수 있다. 또한, 이와 같은 상기 헤테로 고리 화합물은 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 3 내지 8의 고리형 알킬기, 탄소수 6 내지 10의 아릴기, 할로젠기, 니트로기(-NO2), 아민기(-NH2) 및 설포닐기(-SO2)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 치환 또는 비치환된 헤테로 고리 화합물일 수 있다. 또한, 상기 헤테로 고리 화합물은 탄소수 3 내지 8의 고리형 알킬기 및 탄소수 6 내지 10의 아릴기 중 1종 이상과 헤테로 고리 화합물의 다중 고리 화합물일 수 있다.
상기 헤테로 고리 화합물이 탄소수 1 내지 4의 알킬기로 치환된 경우, 라디칼이 안정화되어 전해액간의 부반응을 억제시킬 수 있어 바람직하다. 또한, 할로젠기 또는 니트로기로 치환된 경우, 리튬계 금속 표면에 기능성 보호막을 형성할 수 있어 바람직하고, 이때, 상기 형성된 기능성 보호막은 압축(compact)된 형태의 보호막으로서 안정하며, 리튬계 금속의 균일한 증착(deposition)이 가능하도록 하고, 폴리설파이드와 리튬계 금속 간의 부반응을 억제시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 헤테로 고리 화합물의 구체적인 예로는, 퓨란(furan), 2-메틸퓨란(2-methylfuran), 3-메틸퓨란(3-methylfuran), 2-에틸퓨란(2-ethylfuran), 2-프로필퓨란(2-propylfuran), 2-뷰틸퓨란(2-butylfuran), 2,3-디메틸퓨란(2,3-dimethylfuran), 2,4-디메틸퓨란(2,4-dimethylfuran), 2,5-디메틸퓨란(2,5-dimethylfuran), 피란(pyran), 2-메틸피란(2-methylpyran), 3-메틸피란(3-methylpyran), 4-메틸피란(4-methylpyran), 벤조퓨란(benzofuran), 2-(2-니트로비닐)퓨란(2-(2-Nitrovinyl)furan), 싸이오펜(thiophene), 2-메틸싸이오펜(2-methylthiophene), 2-에틸싸이오펜(2-ethylthiphene), 2-프로필싸이오펜(2-propylthiophene), 2-뷰틸싸이오펜(2-butylthiophene), 2,3-디메틸싸이오펜(2,3-dimethylthiophene), 2,4-디메틸싸이오펜(2,4-dimethylthiophene) 및 2,5-디메틸싸이오펜(2,5-dimethylthiophene) 등을 들 수 있으며, 바람직하게는 2-메틸퓨란일 수 있다.
이와 같은 헤테로 고리 화합물을 포함하는 제1 용매의 함량은, 본 발명의 리튬-황 전지용 전해액에 포함되는 유기용매(즉, 제1 용매 + 제2 용매) 전체 부피에 대하여 5부피% 내지 50부피%일 수 있고, 바람직하게는 10부피% 내지 30부피%일 수 있고, 보다 바람직하게는 15부피% 내지 20부피%일 수 있다(나머지는 상기 제2 용매에 해당함). 상기 제1 용매의 함량이 상기 범위 미만인 경우, 폴리설파이드의 용출량을 감소시키는 능력이 저하되어 전해액의 저항 증가를 억제할 수 없게 되거나, 리튬계 금속 표면에 보호막이 완벽하게 형성되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 제1 용매의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우에는, 전해액 및 리튬계 금속의 표면 저항 증가로 인하여 전지의 용량 및 수명이 감소하는 문제가 발생할 우려가 있다. 따라서, 상기 제1 용매의 함량은 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
B) 제2 용매
본 발명에 따른 리튬-황 전지용 전해액은 에테르계 화합물, 에스테르계 화합물, 아미드계 화합물 및 카보네이트계 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는 제2 용매를 포함할 수 있다.
상기 제2 용매는, 에테르계 화합물, 에스테르계 화합물, 아미드계 화합물 및 카보네이트계 화합물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 제2 용매는 리튬 염을 용해하여 전해액이 리튬 이온 전도도를 갖게 할뿐만 아니라, 양극 활물질인 황을 용출시켜 리튬과 전기화학적 반응을 원활하게 진행할 수 있도록 하는 역할을 한다. 상기 카보네이트계 화합물의 경우 선형 카보네이트계 화합물 또는 환형 카보네이트계 화합물일 수 있다.
상기 에테르계 화합물의 구체적인 예로는, 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필에테르, 메틸에틸에테르, 메틸프로필에테르, 에틸프로필에테르, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 메톡시에톡시에탄, 디에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디에틸에테르, 디에틸렌글리콜 메틸에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 메틸에틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디에틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 메틸에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 폴리에틸렌글리콜 디에틸에테르 및 폴리에틸렌글리콜 메틸에틸에테르로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 예로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 디메톡시에탄일 수 있다.
또한, 상기 에스테르계 화합물로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 예로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 아미드계 화합물은 당업계에서 사용 중인 통상의 아미드계 화합물일 수 있다.
또한, 상기 선형 카보네이트계 화합물로는 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디프로필 카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 에틸메틸 카보네이트(ethylmethyl carbonate, EMC), 메틸프로필 카보네이트(methylpropyl carbonate, MPC) 및 에틸프로필 카보네이트(ethylpropyl carbonate, EPC)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 예로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 환형 카보네이트계 화합물로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 및 이들의 할로젠화물(플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 등)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 예로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 제2 용매가 적정량 미만으로 포함되면, 리튬염을 충분히 용해시키지 못해서 리튬 이온 전도도가 저하되는 문제 및 활물질인 황이 용해될 수 있는 농도를 초과하여 석출되는 문제가 발생할 우려가 있고, 과량으로 포함되는 경우에는, 양극 활물질인 황이 과다하게 용출되어 리튬 폴리설파이드와 리튬 음극의 셔틀 현상이 심해지고 수명이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 상기 제1 용매 및 제2 용매를 포함하는 유기용매는, 본 발명의 리튬-황 전지용 전해액 총 중량에 대해 70 내지 97 중량%, 바람직하게는 75 내지 96 중량%, 더욱 바람직하게는 90 내지 96 중량%로 포함될 수 있다. 만약, 상기 유기용매가 리튬-황 전지용 전해액 총 중량에 대해 70 중량% 미만으로 포함되면, 전해액 점도가 높아지고, 이온전도도가 감소하는 문제, 또는 리튬염이나 첨가제가 전해액에 완전히 용해되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 97 중량%를 초과하는 함량으로 포함되는 경우에는, 전해액 내의 리튬염 농도가 낮아져 이온전도도가 감소하는 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 제1 용매 및 제2 용매의 함량은 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 용매와 상기 제2 용매의 부피비는 1:2.5 내지 1:6일 수 있고, 바람직하게는 1:4 내지 1:6일 수 있으며, 보다 바람직하게는 1:4 내지 1:5.5일 수 있다. 상기 제1 용매와 상기 제2 용매의 부피비가 상기 범위 미만인 경우, 리튬염을 충분히 용해시키지 못해서 리튬 이온 전도도가 저하되는 문제 및 활물질인 황이 용해될 수 있는 농도를 초과하여 석출되는 문제가 발생할 우려가 있고, 상기 제1 용매와 상기 제2 용매의 부피비가 상기 범위를 초과하는 경우에는, 양극 활물질인 황이 과다하게 용출되어 리튬 폴리설파이드와 리튬 음극의 셔틀 현상이 심해지고 수명이 감소하는 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 제1 용매와 상기 제2 용매의 부피비는 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
C) 리튬염
본 발명에 따른 리튬-황 전지용 전해액은 이온 전도성을 증가시키기 위하여 사용되는 전해질염으로서 리튬염을 포함할 수 있다.
상기 리튬염의 예로는 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiC4BO8, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (C2F5SO2)2NLi, (SO2F)2NLi, (CF3SO2)3CLi, 클로로보란 리튬, 탄소수 4 이하의 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬 및 리튬 이미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 예로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 LiFSI((SO2F)2NLi)를 필수 성분으로 포함할 수 있다.
상기 리튬염의 농도는 이온 전도도 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 예를 들어 0.2M 내지 2 M, 바람직하게는 0.5M 내지 1 M일 수 있다. 상기 리튬염의 농도가 상기 범위 미만인 경우, 전지 구동에 적합한 이온 전도도의 확보가 어려울 수 있고, 상기 범위를 초과하는 경우에는, 전해액의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 저하되거나, 리튬염 자체의 분해 반응이 증가하여 전지의 성능이 저하될 수 있으므로, 상기 리튬염의 농도는 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
D) 질산리튬
또한, 본 발명에 따른 리튬-황 전지용 전해액은 질산리튬(LiNO3)을 포함할 수 있다. 다만, 필요에 따라 질산란타늄(La(NO3)3), 질산칼륨(KNO3), 질산세슘(CsNO3), 질산마그네슘(MgNO3), 질산바륨(BaNO3), 아질산리튬(LiNO2), 아질산칼륨(KNO2) 및 아질산세슘(CsNO2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 질산리튬은 리튬-황 전지용 전해액의 총 중량에 대하여 1 내지 7 중량%, 바람직하게는 2 내지 6 중량%, 더욱 바람직하게는 3 내지 5 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 질산리튬의 함량이 리튬-황 전지용 전해액의 총 중량에 대해 1 중량% 미만인 경우, 쿨롱 효율이 급격히 낮아질 수 있고, 7 중량%를 초과하는 경우에는 전해액의 점도가 높아져서 구동이 어려울 수 있다. 따라서, 상기 질산리튬의 함량은 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
E) 보레이트계 리튬염
본 발명에 따른 리튬-황 전지용 전해액은 보레이트계 리튬염을 첨가제로서 포함할 수 있다. 상기 보레이트계 리튬염은 리튬 테트라플루오로 보레이트(LiBF4, lithium tetrafluoroborate), 리튬 비스(옥살레이트) 보레이트(LiBOB, lithium bis(oxalate)borate), 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트(LiFOB, lithium difluoro(oxlato)borate) 및 리튬 비스(2-메틸-2-플루오로-말로네이토)보레이트 (Lithium bis(2-methyl-2-fluoro-malonato)borate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트(LiFOB, lithium difluoro(oxlato)borate, LiDFOB)일 수 있다.
상기 보레이트계 리튬염의 함량은 리튬-황 전지용 전해액의 총 중량에 대하여 0.01중량% 내지 5.0중량%일 수 있고, 바람직하게는 0.05중량% 내지 4.0중량%일 수 있고, 보다 바람직하게는 0.1중량% 내지 3.0중량%일 수 있다. 상기 보레이트계 리튬염의 함량이 상기 범위 미만인 경우, 리튬계 금속 표면에 보호막을 충분히 형성할 수 없는 문제가 발생할 수 있고, 상기 보레이트계 리튬염의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우, 리튬계 금속의 표면 저항 증가로 인하여 전지의 용량 및 수명이 감소하는 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 보레이트계 리튬염의 함량은 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 보레이트계 리튬염과 상기 질산리튬의 중량비는 1:1 내지 1:30일 수 있고, 바람직하게는 1:2 내지 1:30일 수 있으며, 보다 바람직하게는 1:3 내지 1:30일 수 있다. 상기 보레이트계 리튬염과 상기 질산리튬의 중량비가 상기 범위 미만인 경우, 쿨롱 효율이 급격히 낮아질 수 있고, 상기 보레이트계 리튬염과 상기 질산리튬의 중량비가 상기 범위를 초과하는 경우에는 리튬계 금속 표면에 보호막을 충분히 형성할 수 없는 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 보레이트계 리튬염과 상기 질산리튬의 중량비는 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 보레이트계 리튬염과 상기 질산리튬의 총 함량은 리튬-황 전지용 전해액의 총 중량에 대하여 2중량% 내지 8중량%일 수 있고, 바람직하게는 3중량% 내지 7중량%일 수 있으며, 보다 바람직하게는 3중량% 내지 5중량%일 수 있다. 상기 보레이트계 리튬염과 상기 질산리튬의 총 함량이 상기 범위 미만인 경우, 리튬계 금속 표면에 보호막을 충분히 형성할 수 없고, 전지의 쿨롱 효율이 급격히 낮아지는 문제가 발생할 수 있으며, 상기 보레이트계 리튬염과 상기 질산리튬의 총 함량이 상기 범위를 초과하는 경우에는 전해핵의 점도가 높아져 구동에 어려움이 있을 수 있다. 따라서, 상기 보레이트계 리튬염과 상기 질산리튬의 총 함량은 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명에 따른 리튬-황 전지에 대하여 설명한다. 상기 리튬-황 전지는, 양극, 음극, 상기 양극과 음극의 사이에 개재되는 분리막 및 상기 리튬-황 전지용 전해액을 포함한다.
상기 리튬-황 전지용 전해액은, 이상에서 설명한 바와 같이 A) 제1 용매, B) 제2 용매, C) 리튬염 및 D) 질산리튬 및 E) 보레이트계 리튬염을 포함하는 것으로서, 구체적인 내용은 전술한 바를 준용한다. 또한, 상기 리튬-황 전지는 당업계에서 통용되는 모든 리튬-황 전지일 수 있으며, 그 중 리튬-황 전지가 가장 바람직할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 리튬-황 전지에 있어서, 양극, 음극 및 분리막에 대하여 보다 구체적인 설명을 하도록 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 리튬-황 전지에 포함되는 양극은, 양극 활물질, 바인더 및 도전재 등을 포함한다. 상기 양극 활물질로는 통상적인 리튬-황 전지에 적용되는 것일 수 있고, 예를 들어, 황 원소(Elemental sulfur, S8), 황 계열 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 상기 황 계열 화합물은 구체적으로, Li2Sn(n≥1), 유기황 화합물 또는 탄소-황 복합체((C2Sx)n: x=2.5 ~ 50, n≥2) 등일 수 있다. 또한, 상기 양극 활물질은 황-탄소 복합체를 포함할 수 있으며, 황 물질은 단독으로는 전기 전도성이 없기 때문에 도전재와 복합하여 사용할 수 있다. 상기 황-탄소 복합체를 구성하는 탄소재(또는, 탄소원)는 다공성 구조이거나 비표면적이 높은 것으로 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이든 무방하다. 예를 들어, 상기 다공성 탄소재로는 그래파이트(graphite); 그래핀(graphene); 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본 블랙; 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 등의 탄소나노튜브(CNT); 그라파이트 나노파이버(GNF), 카본 나노파이버(CNF), 활성화 탄소 파이버(ACF) 등의 탄소 섬유; 및 활성탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나 이에 제한되지 않으며, 그 형태는 구형, 봉형, 침상형, 판상형, 튜브형 또는 벌크형으로 리튬-황 전지에 적용 가능한 것이라면 특별한 제한이 없다.
또한, 상기 탄소재에는 기공이 형성되어 있으며, 상기 기공의 공극률은 40 내지 90 %, 바람직하게는 60 내지 80 %로서, 상기 기공의 공극률이 40 % 미만이면 리튬 이온 전달이 정상적으로 이루어지지 않아 저항성분으로 작용하여 문제가 발생할 수 있고, 90 %를 초과하는 경우에는 기계적 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 탄소재의 기공 크기는 10 ㎚ 내지 5 ㎛, 바람직하게는 50 ㎚ 내지 5 ㎛로서, 상기 기공의 크기가 10 ㎚ 미만이면 리튬 이온 투과가 불가능한 문제가 발생할 수 있고, 5 ㎛를 초과하는 경우에는 전극 간 접촉에 의한 전지 단락 및 안전성 문제가 발생할 수 있다.
상기 바인더는 양극 활물질과 도전재 등의 결합 및 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 예컨대, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드-폴리헥사플루오로프로필렌 공중합체(PVdF/HFP), 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알코올, 폴리비닐에테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌옥사이드, 알킬화 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌, 폴리메틸(메트)아크릴레이트, 폴리에틸(메트)아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리비닐피롤리돈, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM) 고무, 술폰화 EPDM 고무, 스틸렌-부틸렌 고무, 불소 고무, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 바인더는 통상적으로 양극 총 중량 100 중량부를 기준으로 1 내지 50 중량부, 바람직하게는 3 내지 15 중량부 첨가된다. 상기 바인더의 함량이 1 중량부 미만이면 양극 활물질과 집전체와의 접착력이 불충분해질 수 있고, 50 중량부를 초과하면 접착력은 향상되지만 그만큼 양극 활물질의 함량이 감소하여 전지 용량이 낮아질 수 있다.
상기 양극에 포함되는 도전재는 리튬-황 전지의 내부 환경에서 부반응을 유발하지 않고 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 우수한 전기전도성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 대표적으로는 흑연 또는 도전성 탄소를 사용할 수 있으며, 예컨대, 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 뎅카 블랙, 써멀 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 결정구조가 그라펜이나 그라파이트인 탄소계 물질; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄 분말, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화 아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 및 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 고분자;를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 전체 중량 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 50 중량부, 바람직하게는 1 내지 30 중량부로 첨가된다. 도전재의 함량이 0.5 중량부 미만으로 너무 적으면 전기전도성 향상 효과를 기대하기 어렵거나 전지의 전기화학적 특성이 저하될 수 있으며, 도전재의 함량이 50 중량부를 초과하여 너무 많으면 상대적으로 양극 활물질의 양이 적어져 용량 및 에너지 밀도가 저하될 수 있다. 양극에 도전재를 포함시키는 방법은 크게 제한되지 않으며, 양극 활물질에의 코팅 등 당분야에 공지된 통상적인 방법을 사용할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 양극 활물질에 도전성의 제2 피복층이 부가됨으로 인해 상기와 같은 도전재의 첨가를 대신할 수도 있다.
또한, 본 발명의 양극에는 그 팽창을 억제하는 성분으로서 충진제가 선택적으로 첨가될 수 있다. 이러한 충진제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전극의 팽창을 억제할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소 섬유 등의 섬유상 물질; 등을 사용할 수 있다.
상기 양극은 양극 활물질, 바인더 및 도전재 등을 분산매(용매)에 분산, 혼합시켜 슬러리를 만들고, 이를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연함으로써 제조될 수 있다. 상기 분산매로는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone), DMF(Dimethyl formamide), DMSO(Dimethyl sulfoxide), 에탄올, 이소프로판올, 물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 집전체로는 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 알루미늄(Al), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 카본(C), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), ITO(In doped SnO2), FTO(F doped SnO2), 및 이들의 합금과, 알루미늄(Al) 또는 스테인리스스틸의 표면에 카본(C), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 또는 은(Ag)을 표면 처리한 것 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 양극 집전체의 형태는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포체 등의 형태일 수 있다.
상기 음극은 리튬계 금속이며, 리튬계 금속의 일 측에 집전체를 더욱 포함할 수 있다. 상기 집전체는 음극 집전체가 사용될 수 있다. 상기 음극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특히 제한하지 않으며, 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 아연, 티타늄, 은, 팔라듐, 니켈, 철, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 스테인리스 스틸은 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면 처리될 수 있으며, 상기 합금으로는 알루미늄-카드뮴 합금을 사용할 수 있고, 그 외에도 소성 탄소, 도전재로 표면 처리된 비전도성 고분자 또는 전도성 고분자 등을 사용할 수도 있다. 일반적으로 음극 집전체로는 구리 박판을 적용한다.
또한, 그 형태는 표면에 미세한 요철이 형성된/미형성된 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 집전체는 3 내지 500 ㎛의 두께 범위인 것을 적용한다. 상기 음극 집전체의 두께가 3 ㎛ 미만이면 집전 효과가 떨어지며, 반면 두께가 500 ㎛를 초과하면 셀을 폴딩(folding)하여 조립하는 경우 가공성이 저하되는 문제점이 있다.
상기 리튬계 금속은 리튬 또는 리튬 합금일 수 있다. 이때 리튬 합금은 리튬과 합금화가 가능한 원소를 포함하고, 구체적으로 리튬과 Si, Sn, C, Pt, Ir, Ni, Cu, Ti, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상과의 합금일 수 있다.
상기 리튬계 금속은 시트 또는 호일의 형태일 수 있으며, 경우에 따라 집전체 상에 리튬 또는 리튬 합금이 건식 공정에 의해 증착 또는 코팅된 형태이거나, 입자 상의 금속 및 합금이 습식 공정 등에 의해 증착 또는 코팅된 형태일 수 있다.
상기 양극과 음극 사이는 통상적인 분리막이 개재될 수 있다. 상기 분리막은 전극을 물리적으로 분리하는 기능을 갖는 물리적인 분리막으로서, 통상의 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하며, 특히 전해액의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다.
또한, 상기 분리막은 양극과 음극을 서로 분리 또는 절연시키면서 양극과 음극 사이에 리튬 이온의 수송을 가능하게 한다. 이러한 분리막은 다공성이고 비전도성 또는 절연성인 물질로 이루어질 수 있다. 상기 분리막은 필름과 같은 독립적인 부재이거나, 또는 양극 및/또는 음극에 부가된 코팅층일 수 있다.
상기 분리막으로 사용될 수 있는 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막을 들 수 있다. 상기 분리막으로 사용될 수 있는 부직포의 예로는, 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리이미드(polyimide), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에스테르(polyester) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포가 가능하며, 이러한 부직포는 다공성 웹(web)을 형성하는 섬유 형태로서, 장섬유로 구성된 스펀본드(spunbond) 또는 멜트블로운(meltblown) 형태를 포함한다.
상기 분리막의 두께는 특별히 제한되지는 않으나, 1 내지 100 ㎛ 범위가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5 내지 50 ㎛ 범위이다. 상기 분리막의 두께가 1 ㎛ 미만인 경우에는 기계적 물성을 유지할 수 없으며, 100 ㎛를 초과하는 경우에는 상기 분리막이 저항층으로 작용하게 되어 전지의 성능이 저하된다. 상기 분리막의 기공 크기 및 기공도는 특별히 제한되지는 않으나, 기공 크기는 0.1 내지 50 ㎛이고, 기공도는 10 내지 95 %인 것이 바람직하다. 상기 분리막의 기공 크기가 0.1 ㎛ 미만이거나 기공도가 10 % 미만이면 분리막이 저항층으로 작용하게 되며, 기공 크기가 50 ㎛를 초과하거나 기공도가 95 %를 초과하는 경우에는 기계적 물성을 유지할 수 없다.
이상과 같은 양극, 음극, 분리막 및 전해액을 포함하는 본 발명의 리튬-황 전지는, 양극을 음극과 대면시키고 그 사이에 분리막을 개재한 후, 본 발명에 따른 리튬-황 전지용 전해액을 주입하는 공정을 통하여 제조될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 리튬-황 전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지 셀에 적용됨은 물론, 중대형 디바이스의 전원인 전지모듈의 단위전지로 특히 적합하게 사용될 수 있다. 이러한 측면에서, 본 발명은 또한 2개 이상이 리튬-황 전지가 전기적으로 연결(직렬 또는 병렬)되어 포함된 전지모듈을 제공한다. 상기 전지모듈에 포함되는 리튬-황 전지의 수량은, 전지모듈의 용도 및 용량 등을 고려하여 다양하게 조절될 수 있음은 물론이다. 나아가, 본 발명은 당 분야의 통상적인 기술에 따라 상기 전지모듈을 전기적으로 연결한 전지팩을 제공한다. 상기 전지모듈 및 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용 가능하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예
리튬-황 이차전지용 전해액의 제조
실시예 1
2-메틸퓨란(제1 용매)과 1,2-디메톡시에탄(제2 용매)을 1 : 4의 부피비(v/v)로 혼합한 유기용매에, 전해액 총 중량 기준 3.0 중량%의 질산리튬(LiNO3)과 0.1 중량%의 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트(LiDFOB)를 넣고, 리튬 비스(플루오르설포닐)이미드(LiFSI)의 농도가 0.75M(mol/L)이 되도록 용해시켜 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.
실시예 2
0.5중량%의 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트(LiDFOB)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.
실시예 3
1.0중량%의 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트(LiDFOB)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.
실시예 4
유기 용매로서 2-메틸퓨란(제1 용매)과 1,2-디메톡시에탄(제2 용매)을 1 : 4.5의 부피비(v/v)로 혼합한 유기용매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.
실시예 5
유기 용매로서 2-메틸퓨란(제1 용매)과 1,2-디메톡시에탄(제2 용매)을 1 : 5의 부피비(v/v)로 혼합한 유기용매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.
실시예 6
유기용매로서 2-메틸퓨란(제1 용매)과 1,2-디메톡시에탄(제2 용매)을 1 : 5.5의 부피비(v/v)로 혼합한 유기용매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.
실시예 7
유기용매로서 2-메틸퓨란(제1 용매)과 1,2-디메톡시에탄(제2 용매)을 1 : 6의 부피비(v/v)로 혼합한 유기용매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.
실시예 8
2-메틸퓨란(제1 용매)과 1,2-디메톡시에탄(제2 용매)을 1 : 2.5의 부피비(v/v)로 혼합한 유기용매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.
비교예 1
리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트(LiDFOB)를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.
비교예 2
유기용매로서 디옥솔란(제1 용매)과 1,2-디메톡시에탄(제2 용매)을 1 : 2의 부피비(v/v)로 혼합한 유기용매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 2의 리튬-황 전지용 전해액 중 제1 용매, 제2 용매 및 보레이트계 리튬염의 함량은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
제1 용매 제2 용매 보레이트계 리튬염
디옥솔란 2-메틸퓨란 1,2-디메톡시에탄 LiDFOB
실시예 1 - 1 4 0.1
실시예 2 - 1 4 0.5
실시예 3 - 1 4 1.0
실시예 4 - 1 4.5 0.1
실시예 5 - 1 5 0.1
실시예 6 - 1 5.5 0.1
실시예 7 - 1 6 0.1
실시예 8 - 1 2.5 0.1
비교예 1 - 1 4 -
비교예 2 1 - 2 0.1
실험예 1 : 리튬-황 전지의 수명 특성
황을 아세토니트릴 중에서 도전재 및 바인더와 함께 볼밀을 사용하여 믹싱하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이 때 도전재로는 카본블랙을, 바인더로는 SBR과 CMC의 혼합형태의 바인더를 각각 사용하였으며, 혼합 비율은 중량비로 황:도전재:바인더가 72:24:4가 되도록 하였다. 상기 양극 활물질 슬러리를 알루미늄 집전체에 로딩량이 4.1mAh/cm2이 되도록 도포한 후, 건조하여 공극률이 70%인 양극을 제조하였다. 또한, 두께 45㎛의 리튬 금속을 음극으로 하였다.
상술한 방법으로 제조한 양극과 음극을 대면하도록 위치시킨 후, 두께 20㎛ 기공도 45%의 폴리에틸렌 분리막을 상기 양극과 음극 사이에 개재하였다.
그 후, 케이스 내부로 상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 2에 따른 전해액을 주입하여 리튬-황 전지를 제조하였다.
상기 방법으로 제조된 리튬-황 전지를 25 ℃에서 CC 모드로 OCV(open circuit voltage)에서 1.8 V가 될 때까지 0.1C로 방전하고, 다시 2.5 V가 될 때까지 0.1C로 충전하는 프로토콜로 2.5 사이클(cycle) 진행하였으며, 전지 안정화 사이클 이후에 0.3C 충전/0.5C 방전 사이클을 1.8 V ~ 2.5 V 사이의 전압 구간에서 실시하여, 고율 초기 용량 80 % 유지 기준 사이클 수명을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 2 및 도 1 내지 도 2에 나타내었다.
사이클 수 (80% 용량 유지율 기준)
실시예 1 160
실시예 2 127
실시예 3 133
실시예 4 283
실시예 5 219
실시예 6 208
실시예 7 166
실시예 8 110
비교예 1 97
비교예 2 40
도 1 내지 도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전해액을 포함하는 리튬-황 전지의 수명 특성을 나타내는 그래프로서, 도 1 내지 도 2 및 상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 하나 이상의 이중결합을 포함하는 동시에 산소 원자 및 황 원자 중 어느 하나를 포함하는 헤테로 고리 화합물을 포함하는 제1 용매(2-메틸퓨란) 및 보레이트계 리튬염(LiDFOB)을 포함하는 리튬-황 전지용 전해액을 사용한 리튬-황 전지는, 보레이트계 리튬염을 포함하지 않은 전해액을 사용한 경우(비교예 1) 및 제1 용매로서, 이중결합을 포함하지 않는 헤테로 고리 화합물을 사용한 경우(비교예 2)에 비하여, 전지의 80% 용량 유지율 기준 사이클 수가 현저하게 높아, 수명 특성이 우수함을 확인할 수 있었다.
실험예 2 : 리튬-황 전지의 리튬 사이클 효율 평가
20 ㎛ 두께의 리튬 금속 전극(작업 전극 및 대전극), 두께 20㎛ 기공도 45%의 폴리에틸렌 분리막 및 상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 2에 따른 전해액을 이용하여, 2032 코인셀(CR 2032)으로 대칭셀을 제작하였다.
상기 방법으로 제조된 대칭셀 형태의 리튬-황 전지에 대하여, 1C DOD(Depth of Discharge) 83%로 리튬 사이클 효율(cyclic efficiency)를 측정하여, 하기 표 3에 기재하였다.
상기 1C DOD 83%는 Li 20 ㎛ 중 83%에 해당하는 16.6 ㎛의 양을 충방전 시키는 것을 의미하며, 이 용량을 1시간 동안 충전 혹은 방전시킬 수 있는 rate인 3.7 mA/㎠ 의 전류밀도를 의미한다.
리튬 사이클 효율(%)
실시예 1 99.2
실시예 2 98.9
실시예 3 98.6
실시예 4 99.2
실시예 5 98.9
실시예 6 98.6
실시예 7 96.7
실시예 8 96.1
비교예 1 95.4
비교예 2 97.5
상기 표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 하나 이상의 이중결합을 포함하는 동시에 산소 원자 및 황 원자 중 어느 하나를 포함하는 헤테로 고리 화합물을 포함하는 제1 용매(2-메틸퓨란) 및 보레이트계 리튬염(LiDFOB)을 포함하는 리튬-황 전지용 전해액을 사용한 리튬-황 전지는, 보레이트계 리튬염을 포함하지 않은 전해액을 사용한 경우(비교예 1) 및 제1 용매로서, 이중결합을 포함하지 않는 헤테로 고리 화합물을 사용한 경우(비교예 2)에 비하여, 리튬-황 전지 전해액과 리튬 음극 간에 안정성이 개선되어, 리튬 사이클 효율이 우수함을 확인할 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것이며, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims (13)

  1. 하나 이상의 이중결합을 포함하는 동시에 산소 원자 및 황 원자 중 어느 하나를 포함하는 헤테로 고리 화합물을 포함하는 제1 용매;
    에테르계 화합물, 에스테르계 화합물, 아미드계 화합물 및 카보네이트계 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는 제2 용매;
    리튬염;
    질산리튬; 및
    보레이트계 리튬염;을 포함하는 리튬-황 전지용 전해액.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보레이트계 리튬염이 리튬 테트라플루오로 보레이트(LiBF4, lithium tetrafluoroborate), 리튬 비스(옥살레이트) 보레이트(LiBOB, lithium bis(oxalate)borate), 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트(LiFOB, lithium difluoro(oxlato)borate) 및 리튬 비스(2-메틸-2-플루오로-말로네이토)보레이트 (Lithium bis(2-methyl-2-fluoro-malonato)borate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인, 리튬-황 전지용 전해액.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보레이트계 리튬염의 함량이 상기 리튬-황 전지용 전해액의 총 중량에 대하여 0.01중량% 내지 5.0중량%인, 리튬-황 전지용 전해액.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 용매와 상기 제2 용매의 부피비가 1:2.5 내지 1:6인, 리튬-황 전지용 전해액.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보레이트계 리튬염과 상기 질산리튬의 중량비가 1:1 내지 1:30인, 리튬-황 전지용 전해액.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 리튬염이 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiC4BO8, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (C2F5SO2)2NLi, LiFSI((SO2F)2NLi), (CF3SO2)3CLi, 클로로보란 리튬, 탄소수 4 이하의 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬 및 리튬 이미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 리튬-황 전지용 전해액.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 리튬염의 농도가 0.2 내지 2.0 M인 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지용 전해액.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 헤테로 고리 화합물이, 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 3 내지 8의 고리형 알킬기, 탄소수 6 내지 10의 아릴기, 할로젠기, 니트로기, 아민기 및 설포닐기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 치환 또는 비치환된 3 내지 15원의 헤테로 고리 화합물이거나, 탄소수 3 내지 8의 고리형 알킬기 및 탄소수 6 내지 10의 아릴기 중 1종 이상과 헤테로 고리 화합물의 다중 고리 화합물인, 리튬-황 전지용 전해액.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 헤테로 고리 화합물이 퓨란, 2-메틸퓨란, 3-메틸퓨란, 2-에틸퓨란, 2-프로필퓨란, 2-뷰틸퓨란, 2,3-디메틸퓨란, 2,4-디메틸퓨란, 2,5-디메틸퓨란, 피란, 2-메틸피란, 3-메틸피란, 4-메틸피란, 벤조퓨란, 2-(2-니트로비닐)퓨란, 싸이오펜, 2-메틸싸이오펜, 2-에틸싸이오펜, 2-프로필싸이오펜, 2-뷰틸싸이오펜, 2,3-디메틸싸이오펜, 2,4-디메틸싸이오펜 및 2,5-디메틸싸이오펜으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 리튬-황 전지용 전해액.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 용매의 에테르계 화합물이 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필에테르, 메틸에틸에테르, 메틸프로필에테르, 에틸프로필에테르, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 메톡시에톡시에탄, 디에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디에틸에테르, 디에틸렌글리콜 메틸에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 메틸에틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디에틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 메틸에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 폴리에틸렌글리콜 디에틸에테르 및 폴리에틸렌글리콜 메틸에틸에테르로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인, 리튬-황 전지용 전해액.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 리튬-황 전지용 전해액이 질산란타늄, 질산칼륨, 질산세슘, 질산마그네슘, 질산바륨, 아질산리튬, 아질산칼륨 및 아질산세슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 것인, 리튬-황 전지용 전해액.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 리튬-황 전지용 전해액이 제1 용매인 2-메틸퓨란, 제2 용매인 디메톡시에탄, 리튬염인 LiFSI((SO2F)2NLi), 보레이트계 리튬염인 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트(LiFOB, lithium difluoro(oxlato)borate) 및 질산리튬을 포함하는 것인, 리튬-황 전지용 전해액.
  13. 양극;
    음극;
    상기 양극과 음극의 사이에 개재되는 분리막; 및
    제1항에 따른 리튬-황 전지용 전해액;을 포함하는 리튬-황 전지.
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