KR20220160721A - Lithium-sulfur battery comprising sulfur-free based cathode - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 비황계 양극을 포함하는 리튬-설퍼 전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 음극 보호층 및 비황계 양극, 유리 섬유를 포함하는 다공성 분리막을 그비하며, 활성황을 포함하는 비수 전해액을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-설퍼 전지에 관한 것이다. The present invention relates to a lithium-sulfur battery including a non-sulfur-based positive electrode. More specifically, the present invention relates to a lithium-sulfur battery comprising a negative electrode protective layer, a non-sulfur-based positive electrode, and a porous separator including glass fibers, and a non-aqueous electrolyte solution containing active sulfur.
이차전지의 용량과 출력, 수명 등은 이차전지의 성능을 판단하는 중요한 요소가 되는데, 이는 기본적으로 양극과 음극의 소재 선택에서부터 크게 영향을 받는다. 리튬-설퍼 일차전지 또는 리튬-설퍼 이차전지는 기존의 리튬-이온 이차전지의 경우와 마찬가지로 양극과 음극 사이에 개재된 전해질 내에서 이동하는 리튬 이온에 의하여 동작된다. 하지만, 리튬 이온이 전극 활물질의 결정구조 내부로 삽입(intercalation)되어 전극 구조를 변형시키는 기존의 리튬-이온 이차전지의 경우와는 달리 리튬-설퍼 전지는 유황과 리튬 이온 간의 단순한 산화, 환원 반응만을 이용하므로, 기존의 리튬-이온 이차전지에 비해 전극 구조에 큰 제약이 없으며 이론적으로 같은 부피에서 더 큰 용량을 가질 수 있다. 이러한 특성으로 인하여 양극인 유황과 음극인 리튬 금속의 구성을 가지는 리튬-설퍼 전지는 고리구조를 가진 단량체 황(S8)이 황화리튬(Li2S)까지 완전히 반응한다고 가정할 경우, 이론 용량이 1,675mAh/g을 나타내게 되며, 이론 에너지 밀도가 2,600Wh/kg으로서 기존의 다른 전지 시스템 (Ni/MH전지: 450Wh/kg, Li/FeS: 480Wh/kg, Li/MnO2: 1,000Wh/kg, Na/S: 800Wh/kg)에 비하여 약 2.6배 내지 5.6배에 이를 만큼 높은 에너지 밀도를 가진다.The capacity, output, and lifespan of a secondary battery are important factors in determining the performance of a secondary battery, which is basically greatly influenced by the material selection of the anode and cathode. A lithium-sulfur primary battery or a lithium-sulfur secondary battery is operated by lithium ions moving in an electrolyte interposed between an anode and a cathode, similar to the case of a conventional lithium-ion secondary battery. However, unlike conventional lithium-ion secondary batteries in which lithium ions are intercalated into the crystal structure of the electrode active material to modify the electrode structure, lithium-sulfur batteries only perform simple oxidation and reduction reactions between sulfur and lithium ions. Therefore, compared to conventional lithium-ion secondary batteries, there is no significant restriction on the electrode structure, and theoretically, it can have a larger capacity in the same volume. Due to these characteristics, a lithium-sulfur battery having a composition of sulfur as a positive electrode and lithium metal as a negative electrode has a theoretical capacity when it is assumed that monomeric sulfur (S 8 ) having a ring structure reacts completely to lithium sulfide (Li 2 S). 1,675 mAh/g, and the theoretical energy density is 2,600 Wh/kg, compared to other existing battery systems (Ni/MH battery: 450 Wh/kg, Li/FeS: 480 Wh/kg, Li/MnO 2 : 1,000 Wh/kg, Na/S: 800 Wh/kg) has an energy density as high as about 2.6 to 5.6 times.
또한, 기존의 전이금속 산화물 리튬-이온 이차전지의 경우, 양극에서 5g/mL 이상의 중금속의 밀도보다 더 높은 밀도를 갖는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)의 산화물이 사용되기 때문에 중금속 오염의 문제가 제기될 수 있다. 하지만 리튬-설퍼 전지의 경우 이러한 오염원 물질이 배제되어 있으며 무독성의 재료이기 때문에 친환경 적이라고 할 수 있다. 또한, 양극 재료인 유황은 자원이 풍부하며 가격적인 면에서도 저렴하다는 장점을 갖고 있다.In addition, in the case of conventional transition metal oxide lithium-ion secondary batteries, oxides of nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn) having a density higher than that of heavy metals of 5 g/mL or more are used in the cathode. The problem of heavy metal contamination can be raised. However, in the case of lithium-sulfur batteries, these contaminants are excluded, and since they are non-toxic materials, they can be said to be eco-friendly. In addition, sulfur, which is a cathode material, has an advantage in that it is abundant in resources and inexpensive in terms of price.
그러나, 아직까지 리튬-설퍼 전지는 상업적으로 널리 사용되고 있지 못하고 있는데, 그 이유는 현재 상업적으로 시판되고 있는 리튬-이온 이차전지에 비하여 수명특성이 열악하고, 체적 에너지밀도가 낮기 때문이다. 리튬-설퍼 전지의 음극인 리튬 금속은 전기화학적으로 가역성이 떨어지고 안정성이 낮은 물질로 알려져 있다. 한편, 유황의 방전 생성물인 폴리설파이드가 음극으로 이동하여 리튬과 비가역적 반응을 통해 활물질이 소실되면서 전지 용량이 감소된다. 이러한 두 가지 이유로 인해 리튬-설퍼 전지의 수명특성이 좋지 않은 것으로 이해되고 있다. However, lithium-sulfur batteries have not yet been widely used commercially, because they have poor lifespan characteristics and low volume energy density compared to currently commercially available lithium-ion secondary batteries. Lithium metal, an anode of a lithium-sulfur battery, is known to be a material with low electrochemical reversibility and low stability. On the other hand, polysulfide, which is a discharge product of sulfur, moves to the negative electrode and the active material is lost through an irreversible reaction with lithium, reducing battery capacity. Due to these two reasons, it is understood that the lifespan characteristics of lithium-sulfur batteries are not good.
나아가, 리튬-설퍼 전지의 양극 단위 면적당 황의 로딩량을 증가시킬수록 전지의 성능이 떨어지며, 1,000mAh/g의 단위질량용량 및 2단계의 전위 평탄면(potential plateau)을 낼 수 있는 황의 로딩량은 약 3mg/㎠에 불과하다는 연구결과도 있다(Ke Sun et al., Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage, vol. 13, pp. 021002-1, 021002-5, May 2016.).Furthermore, as the sulfur loading per unit area of the cathode of a lithium-sulfur battery increases, the performance of the battery deteriorates, and the sulfur loading that can produce a unit mass capacity of 1,000 mAh/g and a potential plateau in the second stage is There is also a research result that is only about 3 mg / cm 2 (Ke Sun et al., Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage, vol. 13, pp. 021002-1, 021002-5, May 2016.).
종래에는 리튬-설퍼 전지의 용량을 높이기 위해서 알루미늄 집전체 위에 유황의 두께를 두껍게 제작하여 양극의 단위면적당 유황의 양을 최대한 많이 적층하는 방법을 사용하였는데, 이러한 방법은 충방전이 반복됨에 따라 집전체에서 멀리 떨어진 전극 표면에서 유황이 일부 떨어져 나가 수명이 단축되거나, 전도성 경로가 줄어들어 도전성이 떨어지고 전지의 출력이 저하되는 문제를 야기할 수 있었다. Conventionally, in order to increase the capacity of a lithium-sulfur battery, a method of stacking as much sulfur as possible per unit area of a positive electrode by making sulfur thick on an aluminum current collector was used. Some of the sulfur is separated from the surface of the electrode far away from the electrode, which can cause a problem in that the lifespan is shortened or the conductivity is reduced and the output of the battery is reduced because the conductive path is reduced.
또한, 기존의 리튬-설퍼 전지의 양극은 유황, 바인더 및 탄소 도전재를 용매와 혼합하여 슬러리를 만든 후 집전체에 코팅하여 제조하거나, 메조 기공 탄소에 유황을 복합시켜 제조하였다. 이는 제조공정이 복잡한 문제점, 유황의 휘발성으로 인하여 전극 제조 시 건조 온도를 충분히 올리지 못하여 제조 시간이 길어지는 문제점, 및 양극의 단위 면적당 로딩되는 유황의 양이 증가할수록 유황의 활용률이 급격히 감소하는 문제점이 있다.In addition, the cathode of a conventional lithium-sulfur battery is prepared by mixing sulfur, a binder, and a carbon conductive material with a solvent to form a slurry and then coating the current collector, or by combining mesoporous carbon with sulfur. This is a problem in which the manufacturing process is complicated, the manufacturing time is lengthened due to the inability to raise the drying temperature sufficiently during electrode manufacturing due to the volatility of sulfur, and the utilization rate of sulfur rapidly decreases as the amount of sulfur loaded per unit area of the anode increases. have.
본 발명은 리튬-설퍼 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로, 본 발명은 음극 보호층 및 비황계 양극, 유리 섬유를 포함하는 다공성 분리막을 그비하며, 활성황을 포함하는 비수 전해액을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-설퍼 전지를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a lithium-sulfur battery. Specifically, the present invention is to provide a lithium-sulfur battery characterized by comprising a negative electrode protective layer, a non-sulfur-based positive electrode, and a porous separator including glass fibers, and a non-aqueous electrolyte solution containing active sulfur.
본 발명의 일 실시상태는, 비황계 양극; 리튬염 및 리튬 산화물 중 적어도 1종을 포함하는 음극 보호층이 표면에 구비된 리튬 금속 음극; 및 활성황을 포함하는 비수 전해액에 함침된, 유리 섬유를 포함하는 다공성 분리막;을 포함하는, 활물질 분리형 리튬-설퍼 전지를 제공한다. One embodiment of the present invention, a non-sulfur-based anode; A lithium metal negative electrode having a negative electrode protective layer containing at least one of a lithium salt and a lithium oxide on a surface thereof; and a porous separator including glass fibers impregnated in a non-aqueous electrolyte containing active sulfur.
본 발명에 의하면, 상기 활성황은 상기 비수 전해액 내에서 고상, 및 액상 중 적어도 하나의 상으로 구비될 수 있다. According to the present invention, the active sulfur may be provided in at least one of a solid phase and a liquid phase in the non-aqueous electrolyte.
본 발명에 의하면, 상기 활성황의 함량은 상기 비수 전해액에 대하여 0.1M 이상 4M 이하일 수 있다. According to the present invention, the content of the active sulfur may be 0.1M or more and 4M or less with respect to the non-aqueous electrolyte.
본 발명에 의하면, 상기 비황계 양극의 겉보기 밀도는 0.01g/㎤ 이상 1.3g/㎤ 이하일 수 있다. According to the present invention, the apparent density of the non-sulfur-based positive electrode may be 0.01 g/cm 3 or more and 1.3 g/cm 3 or less.
본 발명에 의하면, 상기 비황계 양극은 금속 호일, 금속 폼, 금속 메쉬, 탄소 섬유 펠트, 또는 탄소 종이일 수 있다. According to the present invention, the non-sulfur-based anode may be metal foil, metal foam, metal mesh, carbon fiber felt, or carbon paper.
본 발명에 의하면, 상기 비황계 양극은 탄소계 물질로 코팅된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 비황계 양극은 탄소계 물질로 코팅된, 금속 호일, 금속 폼, 금속 메쉬, 탄소 섬유 펠트, 또는 탄소 종이일 수 있다. According to the present invention, the non-sulfur-based anode may be coated with a carbon-based material. Specifically, the non-sulfur-based anode may be metal foil, metal foam, metal mesh, carbon fiber felt, or carbon paper coated with a carbon-based material.
본 발명에 의하면, 상기 음극 보호층은 상기 리튬 금속 음극의 표면에 나노입자, 코팅층 또는 리간드 결합의 형태로 결합된 것일 수 있다. According to the present invention, the negative electrode protective layer may be bonded to the surface of the lithium metal negative electrode in the form of nanoparticles, a coating layer, or a ligand bond.
본 발명에 의하면, 상기 비수 전해액은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiN(SO2CF3)2, LiNO3, 및 LiBETI로 부터 선택되는 1 이상의 리튬염을 더 포함할 수 있다. According to the present invention, the non-aqueous electrolyte is LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiSbF 6 , LiN(SO 2 CF 3 ) 2 , LiNO 3 , and It may further include one or more lithium salts selected from LiBETI.
본 발명에 의하면, 상기 리튬염의 함량은 상기 비수 전해액에 대하여 0.1M 이상 3.0M 이하일 수 있다. According to the present invention, the content of the lithium salt may be 0.1M or more and 3.0M or less with respect to the non-aqueous electrolyte.
본 발명에 의하면, 상기 리튬-설퍼 전지는, 상기 비수 전해액에 함침된 상기 비황계 양극을 상기 리튬 금속 음극이 둘러싸는 보빈형(Bobbin type) 구조일 수 있다. According to the present invention, the lithium-sulfur battery may have a bobbin type structure in which the lithium metal negative electrode surrounds the non-sulfur positive electrode impregnated in the non-aqueous electrolyte solution.
본 발명에 의하면, 상기 리튬-설퍼 전지는, 상기 비황계 양극, 상기 다공성 분리막, 및 상기 리튬 금속 음극이 순차적으로 구비된 시트가 권취된 스피럴형(spiral type) 구조일 수 있다.According to the present invention, the lithium-sulfur battery may have a spiral type structure in which a sheet including the non-sulfur-based positive electrode, the porous separator, and the lithium metal negative electrode is sequentially wound.
본 발명의 일 실시상태에 따른 리튬-설퍼 전지는 활성황을 비수 전해액에 포함시키므로, 기존의 리튬-설퍼 전지에 비하여 충분한 양의 활성황을 로딩하여 향상된 단위 용량을 구현할 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시상태에 따른 리튬-설퍼 전지는, 기존 리튬-설퍼 전지에서 유황 로딩량 증가에 따른 유황의 이탈로 발생하는 전지 성능 저하를 해결할 수 있다. Since the lithium-sulfur battery according to an exemplary embodiment of the present invention includes active sulfur in the non-aqueous electrolyte, an improved unit capacity can be realized by loading a sufficient amount of active sulfur compared to a conventional lithium-sulfur battery. Furthermore, the lithium-sulfur battery according to an exemplary embodiment of the present invention can solve battery performance deterioration caused by separation of sulfur due to an increase in sulfur loading in a conventional lithium-sulfur battery.
본 발명의 일 실시상태에 따른 리튬-설퍼 전지는 전해액에 유황을 첨가하는 간단한 방법으로 활성황을 구비시킬 수 있으므로, 제조 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 리튬-설퍼 전지는 기존과 같이 유황을 양극에 구비하기 위하여 탄소-황 복합체를 제조하는 등의 제조 과정을 생략할 수 있으므로, 제조 비용을 절감할 수 있다.Since the lithium-sulfur battery according to an exemplary embodiment of the present invention can be equipped with active sulfur by a simple method of adding sulfur to the electrolyte, there is an advantage in that the manufacturing cost can be lowered. In addition, the lithium-sulfur battery according to an exemplary embodiment of the present invention can omit a manufacturing process such as manufacturing a carbon-sulfur composite in order to provide sulfur to a positive electrode, so manufacturing costs can be reduced.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 리튬-설퍼 전지는 음극 보호막으로 인하여 전지의 충방전에 따른 덴드라이트 형성을 억제하고, glass fiber 계열의 분리막을 통하여 덴드라이트에 따른 전지 단락을 방지할 수 있다. In addition, the lithium-sulfur battery according to an exemplary embodiment of the present invention can suppress the formation of dendrites due to charging and discharging of the battery due to the negative electrode protective film, and can prevent short circuit due to the dendrites through the glass fiber-based separator. .
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 리튬-설퍼 전지의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 보빈형(Bobbin type) 구조의 리튬-설퍼 전지의 모식도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 스피럴형(spiral type) 구조의 리튬-설퍼 전지의 모식도를 나타낸 것이다.1 is a schematic diagram of a lithium-sulfur battery according to an exemplary embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a lithium-sulfur battery having a bobbin type structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram of a lithium-sulfur battery having a spiral type structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
본 명세서에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.In the present specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only a case where a member is in contact with another member, but also a case where another member exists between the two members.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.
본 명세서에서, 별도의 언급이 없는 이상 "단위 용량"은 리튬-설퍼 전지에 로딩되는 활성황의 단위 질량 당 방전 용량을 의미할 수 있다. In this specification, unless otherwise stated, "unit capacity" may mean a discharge capacity per unit mass of active sulfur loaded in a lithium-sulfur battery.
이하, 본 발명에 따른 리튬-설퍼 전지에 대하여 상세히 설명한다. Hereinafter, a lithium-sulfur battery according to the present invention will be described in detail.
본 발명의 일 실시상태는, 비황계 양극; 리튬염 및 리튬 산화물 중 적어도 1종을 포함하는 음극 보호층이 표면에 구비된 리튬 금속 음극; 및 활성황을 포함하는 비수 전해액에 함침된, 유리 섬유를 포함하는 다공성 분리막;을 포함하는, 활물질 분리형 리튬-설퍼 전지를 제공한다. One embodiment of the present invention, a non-sulfur-based anode; A lithium metal negative electrode having a negative electrode protective layer containing at least one of a lithium salt and a lithium oxide on a surface thereof; and a porous separator including glass fibers impregnated in a non-aqueous electrolyte containing active sulfur.
본 발명의 일 실시상태에 따른 리튬-설퍼 전지는 일차전지 또는 이차전지로 사용될 수 있다. A lithium-sulfur battery according to an exemplary embodiment of the present invention may be used as a primary battery or a secondary battery.
본 발명에 따른 리튬-설퍼 전지는 기존의 리튬-설퍼 전지와 같이 양극에 유황을 구비하지 않고, 비황계 양극을 포함하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 리튬-설퍼 전지는 비황계 양극을 포함하고, 양극 활물질로서의 활성황이 비수 전해액에 포함된다. 즉, 본 발명에 따른 리튬-설퍼 전지는 양극 활물질 분리형 리튬-설퍼 전지일 수 있다. 본 발명에 따른 리튬-설퍼 전지는 기존과 같이 유황을 양극에 구비시키기 위하여 탄소-황 복합체를 제조하지 않고, 유황을 비수 전해액에 주입하는 간단한 방법으로 제조할 수 있으므로, 제조 단가를 크게 낮출 수 있는 장점이 있다. 나아가, 본 발명에 따른 리튬-설퍼 전지는 비수 전해액에 유황을 첨가하므로, 유황의 로딩량을 크게 증가시켜 전지 용량을 향상시킬 수 있으며, 나아가 유황의 단위 질량당 방전 용량도 향상시킬 수 있다. The lithium-sulfur battery according to the present invention is characterized in that it does not include sulfur in the positive electrode and includes a non-sulfur positive electrode like conventional lithium-sulfur batteries. Specifically, the lithium-sulfur battery according to the present invention includes a non-sulfur positive electrode, and active sulfur as a positive electrode active material is included in the non-aqueous electrolyte. That is, the lithium-sulfur battery according to the present invention may be a lithium-sulfur battery in which a positive electrode active material is separated. Since the lithium-sulfur battery according to the present invention can be manufactured by a simple method of injecting sulfur into a non-aqueous electrolyte without manufacturing a carbon-sulfur composite to provide sulfur to the positive electrode, the manufacturing cost can be greatly reduced. There are advantages. Furthermore, since the lithium-sulfur battery according to the present invention adds sulfur to the non-aqueous electrolyte, the loading amount of sulfur can be greatly increased to improve the battery capacity, and furthermore, the discharge capacity per unit mass of sulfur can be improved.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 활성황은 상기 비수 전해액 내에서 고상, 및 액상 중 적어도 하나의 상으로 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 활성황은 상기 비수 전해액에 분산 또는 용해되어 존재할 수 있다. 상기 활성황은 상기 비수 전해액에 고상 및/또는 액상으로 구비될 수 있다. 상기 활성황이 액상으로 구비되는 경우, 상기 활성황이 상기 비수 전해액에 용해 또는 졸-겔화 되어 존재하는 것을 의미할 수 있다. 또한, 상기 활성황이 고상으로 구비되는 경우, 상기 활성황이 상기 비수 전해액에 더이상 용해되지 않고 원소 황으로 존재하는 상태일 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, the active sulfur may be provided in at least one of a solid phase and a liquid phase in the non-aqueous electrolyte. Specifically, the active sulfur may be dispersed or dissolved in the non-aqueous electrolyte solution. The active sulfur may be provided in a solid and/or liquid state in the non-aqueous electrolyte. When the active sulfur is provided in a liquid state, it may mean that the active sulfur is dissolved or sol-gelated in the non-aqueous electrolyte solution. In addition, when the active sulfur is provided in a solid state, the active sulfur may be present as elemental sulfur without being dissolved in the non-aqueous electrolyte.
상기 활성황은 원소 황 및 이의 황화물일 수 있다. 구체적으로, 상기 활성황은 황-황 결합(S-S bonding)을 갖는 원소 황 및/또는 황 계열 화합물을 의미할 수 있다. 상기 활성황은 방전시에는 S-S 결합이 끊어지면서 S의 산화수가 감소하고, 충전시에는 S의 산화수가 증가하면서 S-S 결합이 다시 형성되는 산화-환원 반응을 이용하여 전기적 에너지를 저장 및 생성할 수 있다. 일 예로, 상기 활성황은 원소 황 및 리튬황화물 중 적어도 하나일 수 있다. 구체적으로, 상기 활성황은 고리구조를 가진 단량체 황(S8) 및/또는 상기 단량체 황(S8)이 상기 비수 전해액의 리튬염과 반응하여 형성된 리튬황화물일 수 있다. 상기 리튬황화물은 Li2S8, Li2S6, Li2S4 등의 형태로 존재할 수 있다. 상기 리튬-설퍼 전지의 방전 시, Li2S8로부터 황이 빠져나가며 반응할 수 있으며, 완전히 반응된 경우, Li2S의 형태로 존재하게 된다. 나아가, 방전된 상기 리튬-설퍼 전지의 충전 시, 상기 Li2S는 Li2S4, Li2S6 및 Li2S8 등으로 전환되어 재방전이 가능한 상태가 될 수 있다.The active sulfur may be elemental sulfur and its sulfides. Specifically, the active sulfur may mean elemental sulfur and/or a sulfur-based compound having a sulfur-sulfur bond (SS bonding). The active sulfur can store and generate electrical energy using an oxidation-reduction reaction in which the SS bond is broken during discharge and the oxidation number of S decreases, and the oxidation number of S increases while the SS bond is re-formed during charging. For example, the active sulfur may be at least one of elemental sulfur and lithium sulfide. Specifically, the active sulfur may be monomeric sulfur (S 8 ) having a ring structure and/or lithium sulfide formed by reacting the monomeric sulfur (S 8 ) with a lithium salt of the non-aqueous electrolyte. The lithium sulfide may exist in the form of Li 2 S 8 , Li 2 S 6 , Li 2 S 4 and the like. When the lithium-sulfur battery is discharged, sulfur may escape from Li 2 S 8 and react, and when completely reacted, it exists in the form of Li 2 S. Furthermore, when charging the discharged lithium-sulfur battery, the Li 2 S is converted into Li 2 S 4 , Li 2 S 6 , Li 2 S 8 , and the like, and can be re-discharged.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 활성황의 함량은 상기 비수 전해액에 대하여 0.1M 이상 4M 이하, 0.1M 이상 2M 이하, 또는 0.5M 이상 1.5M 이하, 약 1.0M일 수 있다. 상기 활성황은 상기 비수 전해액에 첨가되는 원소 황, 구체적으로 S8,의 함량일 수 있다. 즉, 상기 활성황의 함량은 상기 비수 전해액에 포함되는 고상 및 액상의 활성황의 함량을 의미할 수 있다. 상기 활성황의 함량이 상기 범위 내인 경우, 활성황의 단위 질량 당 방전 용량을 최대화할 수 있다. 상기 활성황의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우에는 상기 비수 전해액에서 상기 활성황이 충분히 이온화하지 못하고 고상으로 잔존하는 양이 많아져 단위 용량이 감소할 수 있다. 그러므로, 상기 활성황의 함량을 상기 범위 내로 적절하게 조절하여, 상기 비수 전해액에 포함된 활성황의 효율적인 반응을 유도할 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, the content of the active sulfur may be 0.1M or more and 4M or less, 0.1M or more and 2M or less, or 0.5M or more and 1.5M or less, about 1.0M with respect to the nonaqueous electrolyte. The active sulfur may be a content of elemental sulfur, specifically S 8 , added to the non-aqueous electrolyte. That is, the content of the active sulfur may mean the content of solid and liquid active sulfur included in the non-aqueous electrolyte. When the content of the active sulfur is within the above range, the discharge capacity per unit mass of the active sulfur can be maximized. When the content of the active sulfur exceeds the above range, the active sulfur is not sufficiently ionized in the non-aqueous electrolyte solution, and the amount remaining in the solid phase increases, and unit capacity may decrease. Therefore, by properly adjusting the content of the active sulfur within the above range, an efficient reaction of the active sulfur contained in the non-aqueous electrolyte may be induced.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 비황계 양극은 금속 호일, 금속 폼, 금속 메쉬, 탄소 섬유 펠트, 또는 탄소 종이일 수 있다. 구체적으로, 상기 비황계 양극은 황을 포함하지 않으며, 금속 호일, 금속 폼, 금속 메쉬, 탄소 섬유 펠트, 또는 탄소 종이와 같은 전극 집전체 자체를 사용할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the non-sulfur-based anode may be metal foil, metal foam, metal mesh, carbon fiber felt, or carbon paper. Specifically, the non-sulfur-based positive electrode does not contain sulfur, and an electrode current collector such as metal foil, metal foam, metal mesh, carbon fiber felt, or carbon paper may be used.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 비황계 양극은 집전체는 탄소계 물질로 코팅된, 금속 호일, 금속 폼, 금속 메쉬, 탄소 섬유 펠트, 또는 탄소 종이일 수 있다. 구체적으로, 상기 비황계 양극은 황을 포함하지 않으며, 금속 호일, 금속 폼, 금속 메쉬, 탄소 섬유 펠트, 또는 탄소 종이와 같은 전극 집전체의 적어도 일부를 탄소계 물질로 코팅하여 적용한 것일 수 있다. 상기 탄소계 물질은 하기의 탄소계 물질과 바인더를 포함하는 슬러리를 상기 전극 집전체의 적어도 일면 상에 도포한 후 건조하는 방법으로 코팅될 수 있다. In addition, according to one embodiment of the present invention, the current collector of the non-sulfur-based positive electrode may be a metal foil, metal foam, metal mesh, carbon fiber felt, or carbon paper coated with a carbon-based material. Specifically, the non-sulfur-based positive electrode does not contain sulfur, and may be applied by coating at least a portion of an electrode current collector such as metal foil, metal foam, metal mesh, carbon fiber felt, or carbon paper with a carbon-based material. The carbon-based material may be coated by applying a slurry including the following carbon-based material and a binder on at least one surface of the electrode current collector and then drying the slurry.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄소계 물질은 카본블랙, 케첸블랙, 아세틸렌블랙, 그라파이트 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 당 업계에서 도전재로 사용되는 탄소계 물질이라면 적용할 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, the carbon-based material may include at least one selected from the group consisting of carbon black, ketjen black, acetylene black, graphite, and graphene. However, it is not limited thereto, and any carbon-based material used as a conductive material in the art can be applied.
즉, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 비황계 양극은 양극 집전체일 수 있다. 또한, 상기 비황계 양극은 탄소계 물질로 코팅된 양극 집전체일 수 있다. That is, according to one embodiment of the present invention, the non-sulfur-based positive electrode may be a positive electrode current collector. In addition, the non-sulfur-based positive electrode may be a positive electrode current collector coated with a carbon-based material.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 비황계 양극의 겉보기 밀도는 0.01g/㎤ 이상 1.3g/㎤ 이하, 0.01g/㎤ 이상 1.0g/㎤ 이하, 0.1g/㎤ 이상 1.3g/㎤ 이하, 0.1g/㎤ 이상 1.0g/㎤ 이하, 또는 0.1g/㎤ 이상 0.7g/㎤ 이하 일 수 있다. 상기 비황계 양극의 겉보기 밀도가 상기 범위 이내인 경우, 전해액의 침투가 용이하여 높은 단위 용량을 구현할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the apparent density of the non-sulfur-based positive electrode is 0.01 g/cm 3 or more and 1.3 g/cm 3 or less, 0.01 g/cm 3 or more and 1.0 g/cm 3 or less, 0.1 g/cm 3 or more and 1.3 g/cm 3 or less, It may be 0.1 g/cm 3 or more and 1.0 g/cm 3 or less, or 0.1 g/cm 3 or more and 0.7 g/cm 3 or less. When the apparent density of the non-sulfur-based anode is within the above range, it is easy to permeate the electrolyte, so that a high unit capacity can be realized.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 음극 보호층은 상기 리튬 금속 음극의 표면에 나노입자, 코팅층 또는 리간드 결합의 형태로 결합된 것일 수 있다. 상기 음극 보호층의 리튬 산화물은 리튬 말단기를 가지는 금속 산화물 나노입자일 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, the negative electrode protective layer may be bonded to the surface of the lithium metal negative electrode in the form of nanoparticles, a coating layer, or a ligand bond. The lithium oxide of the negative electrode protective layer may be a metal oxide nanoparticle having a lithium end group.
상기 다공성 분리막은 유리 섬유를 주성분으로 하는 다공성 분리막일 수 있다. 구체적으로, 상기 다공성 분리막은 유리 섬유 및 이를 고정하기 위한 고분자 재료를 포함할 수 있다. 상기 다공성 분리막은 전지 전위 하에서 전해액 및 기타 전지 성분에 의한 공격에 내성이 있어야 한다. 또한, 상기 다공성 분리막은 비수 전해액을 가두기 위하여, 다공성 또는 미세다공성 망 구조를 갖는 폴리머 분리막에 유리 섬유가 포함된 것일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 당 업계에서 일반적으로 사용되는 것이라면 적용될 수 있다. The porous separator may be a porous separator containing glass fibers as a main component. Specifically, the porous separator may include glass fibers and a polymer material for fixing them. The porous separator must be resistant to attack by electrolyte and other cell components under cell potential. In addition, the porous separator may include glass fibers in a polymer separator having a porous or microporous network structure in order to confine the non-aqueous electrolyte. However, it is not limited thereto, and any one commonly used in the art may be applied.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 비수 전해액은 리튬염을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 비수 전해액은 리튬염 및 상기 활성황을 포함할 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, the non-aqueous electrolyte may further include a lithium salt. Specifically, the non-aqueous electrolyte may include a lithium salt and the active sulfur.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiN(SO2CF3)2, LiNO3, 및 LiBETI로 부터 선택되는 1 이상을 포함할 수 있다. 상기 리튬염은 상기 비수 전해액 내에서 상기 활성황과 반응하여 리튬황화물을 형성할 수 있다. 상기 리튬황화물은 보다 낮은 원자수의 황을 포함하는 리튬황화물로 전환되며, 상기 리튬-설퍼 전지의 방전을 가능하게 할 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, the lithium salt is LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiSbF 6 , LiN(SO 2 CF 3 ) 2 , LiNO 3 , and It may include one or more selected from LiBETI. The lithium salt may react with the active sulfur in the non-aqueous electrolyte to form lithium sulfide. The lithium sulfide is converted into lithium sulfide containing sulfur with a lower atomic number, and the lithium-sulfur battery can be discharged.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 리튬염의 함량은 상기 비수 전해액에 대하여 0.1M 이상 3.0M 이하, 0.1M 이상 2.0M 이하, 0.5M 이상 1.5M 이하, 또는 약 1.0M일 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, the content of the lithium salt may be 0.1M or more and 3.0M or less, 0.1M or more and 2.0M or less, 0.5M or more and 1.5M or less, or about 1.0M with respect to the non-aqueous electrolyte.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 리튬염과 상기 활성황의 몰비는 1.5:1 내지 1:1.5, 구체적으로 약 1:1일 수 있다. 상기 리튬염과 상기 활성황의 몰비가 상기 범위 내인 경우, 활성황이 비수 전해액 내에서 높은 비율로 활용될 수 있으며, 이를 통하여 활성황의 단위 질량 당 전지 용량을 최대화할 수 있다. Further, according to an exemplary embodiment of the present invention, the molar ratio of the lithium salt and the active sulfur may be 1.5:1 to 1:1.5, specifically about 1:1. When the molar ratio of the lithium salt and the active sulfur is within the above range, the active sulfur can be used in a high ratio in the non-aqueous electrolyte, and through this, the battery capacity per unit mass of the active sulfur can be maximized.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 비수 전해액은 비수성 유기 용매를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 비수성 유기 용매로서, 1,3-디옥솔란(1,3-dioxolane), 2-메틸테트라히드로퓨란, 폴리에틸렌 글라임디메틸 에테르, 테트라히드로퓨란, 및/또는 에테르계 용매를 사용할 수 있다. 상기 비수성 유기 용매로는 디부틸 에테르, 2-메틸테트라히드로퓨란, 폴리에틸렌 글라임디메틸 에테르, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 비수성 유기 용매는 디메톡시에탄(dimethoxyethane), 디글라임(diglyme), 트리글라임(triglyme), 테트라글라임(tetraglyme), 1,3-디옥솔란(1,3-dioxolane), 디메틸 에테르(dimethyl ether), 디에틸 에테르(diethyl ether), N-메틸피롤리돈, 3-메틸-2-옥사졸리돈, 디메틸포름아마이드, 설포란, 디메틸 아세트아마이드, 디메틸 설폭사이드, 디메틸 설페이트, 에틸렌 글리콜 디아 세테이트, 디메틸 설파이트, 에틸렌 글리콜 설파이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용되는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절될 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the non-aqueous electrolyte solution may include a non-aqueous organic solvent. Specifically, as the non-aqueous organic solvent, 1,3-dioxolane, 2-methyltetrahydrofuran, polyethylene glymedimethyl ether, tetrahydrofuran, and/or ether-based solvents may be used. have. Dibutyl ether, 2-methyltetrahydrofuran, polyethylene glymedimethyl ether, tetrahydrofuran and the like may be used as the non-aqueous organic solvent. Specifically, the non-aqueous organic solvent is dimethoxyethane, diglyme, triglyme, tetraglyme, 1,3-dioxolane, dimethyl ether, diethyl ether, N-methylpyrrolidone, 3-methyl-2-oxazolidone, dimethylformamide, sulfolane, dimethyl acetamide, dimethyl sulfoxide, dimethyl sulfate, It may include one or more selected from the group consisting of ethylene glycol diacetate, dimethyl sulfite, and ethylene glycol sulfite, and when one or more are mixed and used, the mixing ratio may be appropriately adjusted according to the desired battery performance. have.
본 발명의 일 실시상태에 따른 리튬-설퍼 전지의 모식도는 도 1에 나타내었다. 구체적으로, 도 1에 따르면, 다공성 분리막(30)을 사이에 두고 비황계 양극(10) 및 리튬 금속 음극(20)이 구비되며, 다공성 분리막(30)은 비수 전해액(40)에 함침되고, 비수 전해액(40)은 비황계 양극(10)과 리튬 금속 음극(20) 사이에 위치한다. 다만, 본 발명은 도 1의 구조에 한정되는 것은 아니며, 추가적인 부재를 더 포함할 수 있다. A schematic diagram of a lithium-sulfur battery according to an exemplary embodiment of the present invention is shown in FIG. 1 . Specifically, according to FIG. 1, a non-sulfur-based
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 리튬-설퍼 전지는, 상기 비수 전해액에 함침된 상기 비황계 양극을 상기 리튬 금속 음극이 둘러싸는 보빈형(Bobbin type) 구조일 수 있다. 도 2는 상기 보빈형(Bobbin type) 구조의 리튬-설퍼 전지의 모식도를 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 2는 중심부에 비황계 양극(10)이 비수 전해액(40)에 함침되어 있고, 전지 케이스(50)의 내벽면에 리튬 금속 음극(20)이 구비되고, 비황계 양극(10) 및 리튬 금속 음극(20) 사이에 다공성 분리막(30)을 구비한 보빈형 구조의 리튬-설퍼 전지의 측단면도 및 평단면도를 나타낸 것이다. According to an exemplary embodiment of the present invention, the lithium-sulfur battery may have a bobbin type structure in which the lithium metal negative electrode surrounds the non-sulfur-based positive electrode impregnated with the non-aqueous electrolyte. 2 is a schematic diagram of the lithium-sulfur battery having the bobbin type structure. Specifically, FIG. 2 shows that the non-sulfur-based
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 리튬-설퍼 전지는, 상기 비황계 양극, 상기 다공성 분리막, 및 상기 리튬 금속 음극이 순차적으로 구비된 시트가 권취된 스피럴형(spiral type) 구조일 수 있다. 도 3은 상기 스피럴형(spiral type) 구조의 리튬-설퍼 전지의 모식도를 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 3은 비황계 양극(10), 다공성 분리막(30) 및 리튬 금속 음극(20)이 순차적으로 적층된 적층 시트가 권취되고, 다공성 분리막이 비수 전해액(40)으로 함침된 스피럴형(spiral type) 구조의 리튬-설퍼 전지의 측단면도 및 평단면도를 나타낸 것이다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the lithium-sulfur battery may have a spiral type structure in which a sheet including the non-sulfur-based positive electrode, the porous separator, and the lithium metal negative electrode is sequentially wound. 3 is a schematic diagram of the lithium-sulfur battery having the spiral type structure. Specifically, FIG. 3 is a spiral type in which a non-sulfur-based
10: 비황계 양극
20: 리튬 금속 음극
30: 다공성 분리막
40: 비수 전해액
50: 전지 케이스
60: 전지 헤더
70: 리드
80: 인슐레이터 10: non-sulfur anode
20: lithium metal cathode
30: porous separator
40: non-aqueous electrolyte
50: battery case
60: battery header
70: lead
80: insulator
Claims (10)
리튬염 및 리튬 산화물 중 적어도 1종을 포함하는 음극 보호층이 표면에 구비된 리튬 금속 음극; 및
활성황을 포함하는 비수 전해액에 함침된, 유리 섬유를 포함하는 다공성 분리막;을 포함하는,
활물질 분리형 리튬-설퍼 전지. a non-sulfur anode;
A lithium metal negative electrode having a negative electrode protective layer containing at least one of a lithium salt and a lithium oxide on a surface thereof; and
Impregnated in a non-aqueous electrolyte solution containing active sulfur, a porous separator containing glass fibers;
Active material-separated lithium-sulfur battery.
상기 활성황은 상기 비수 전해액 내에서 고상, 및 액상 중 적어도 하나의 상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 리튬-설퍼 전지. The method of claim 1,
The lithium-sulfur battery, characterized in that the active sulfur is provided in at least one of a solid phase and a liquid phase in the non-aqueous electrolyte.
상기 활성황의 함량은 상기 비수 전해액에 대하여 0.1M 이상 4M 이하인 것을 특징으로 하는 리튬-설퍼 전지. The method of claim 1,
The lithium-sulfur battery, characterized in that the active sulfur content is 0.1M or more and 4M or less with respect to the non-aqueous electrolyte.
상기 비황계 양극의 겉보기 밀도는 0.01g/㎤ 이상 1.3g/㎤ 이하인 것을 특징으로 하는 리튬-설퍼 전지. The method of claim 1,
The lithium-sulfur battery, characterized in that the apparent density of the non-sulfur-based positive electrode is 0.01 g / cm 3 or more and 1.3 g / cm 3 or less.
상기 비황계 양극은 금속 호일, 금속 폼, 금속 메쉬, 탄소 섬유 펠트, 또는 탄소 종이인 것을 특징으로 하는 리튬-설퍼 전지.The method of claim 1,
The non-sulfur-based cathode is a lithium-sulfur battery, characterized in that metal foil, metal foam, metal mesh, carbon fiber felt, or carbon paper.
상기 음극 보호층은 상기 리튬 금속 음극의 표면에 나노입자, 코팅층 또는 리간드 결합의 형태로 결합된 것을 특징으로 하는 리튬-설퍼 전지. The method of claim 1,
The anode protective layer is a lithium-sulfur battery, characterized in that bonded to the surface of the lithium metal anode in the form of nanoparticles, coating layer or ligand bond.
상기 비수 전해액은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiN(SO2CF3)2, LiNO3, 및 LiBETI로 부터 선택되는 1 이상의 리튬염을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-설퍼 전지. The method of claim 1,
The non-aqueous electrolyte is LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiSbF 6 , LiN(SO 2 CF 3 ) 2 , LiNO 3 , and A lithium-sulfur battery, characterized in that it further comprises one or more lithium salts selected from LiBETI.
상기 리튬염의 함량은 상기 비수 전해액에 대하여 0.1M 이상 3.0M 이하인 것을 특징으로 하는 리튬-설퍼 전지. The method of claim 7,
The lithium-sulfur battery, characterized in that the content of the lithium salt is 0.1M or more and 3.0M or less with respect to the nonaqueous electrolyte.
상기 리튬-설퍼 전지는, 상기 비수 전해액에 함침된 상기 비황계 양극을 상기 리튬 금속 음극이 둘러싸는 보빈형(Bobbin type) 구조인 것을 특징으로 하는 리튬-설퍼 전지. The method of claim 1,
The lithium-sulfur battery has a bobbin type structure in which the lithium metal negative electrode surrounds the non-sulfur positive electrode impregnated in the non-aqueous electrolyte solution.
상기 리튬-설퍼 전지는, 상기 비황계 양극, 상기 다공성 분리막, 및 상기 리튬 금속 음극이 순차적으로 구비된 시트가 권취된 스피럴형(spiral type) 구조인 것을 특징으로 하는 리튬-설퍼 전지.The method of claim 1,
The lithium-sulfur battery is a lithium-sulfur battery, characterized in that the spiral type structure in which a sheet including the non-sulfur positive electrode, the porous separator, and the lithium metal negative electrode are sequentially wound.
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KR1020210068714A KR20220160721A (en) | 2021-05-28 | 2021-05-28 | Lithium-sulfur battery comprising sulfur-free based cathode |
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---|---|---|---|---|
KR20140122886A (en) | 2013-04-11 | 2014-10-21 | 한국과학기술원 | Electrode for lithum-sulphur secondary battery using composite of polymer nanofiber, aluminum thin film, carbon nanotube and sulphur, and fabricating method thereof |
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2021
- 2021-05-28 KR KR1020210068714A patent/KR20220160721A/en unknown
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KR20140122886A (en) | 2013-04-11 | 2014-10-21 | 한국과학기술원 | Electrode for lithum-sulphur secondary battery using composite of polymer nanofiber, aluminum thin film, carbon nanotube and sulphur, and fabricating method thereof |
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