KR20230027580A - Method for sulfur-carbon composite and sodium-sulfur battery including the composite - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 나트륨-황 전지에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 나트륨-황 전지용 양극에 관한 것이다.The present invention relates to a sodium-sulfur battery, and more particularly to a cathode for a sodium-sulfur battery.
최근 전자 기기 분야와 전기 자동차 분야의 급속한 발전에 따라 이차 전지의 수요가 증가하고 있다. 특히, 휴대용 전자 기기의 소형화 및 경량화 추세에 따라, 그에 부응할 수 있는 고 에너지 밀도를 갖는 이차 전지에 대한 요구가 커지고 있다. Recently, with the rapid development of electronic devices and electric vehicles, the demand for secondary batteries is increasing. In particular, with the trend of miniaturization and weight reduction of portable electronic devices, there is a growing demand for secondary batteries having high energy densities that can meet the trend.
이차 전지 중 리튬-황 전지는 황-황 결합(sulfur-sulfur combination)을 가지는 황 계열 화합물을 양극 활물질로 사용하고, 리튬 이온의 삽입 및 탈삽입이 일어나는 카본계 물질을 음극 활물질로 사용하는 이차전지이다. 이러한 리튬-황 전지의 양극에서는, 환원 반응시(방전시) 황과 황 사이의 결합이 끊어지면서 황의 산화수가 감소하고, 산화 반응시(충전시) 황의 산화수가 증가하면서 황과 황 결합이 다시 형성되는 산화-환원 반응을 이용하여 전기적 에너지를 저장하고 생성한다. A lithium-sulfur battery among secondary batteries uses a sulfur-based compound having a sulfur-sulfur combination as a cathode active material and a carbon-based material in which lithium ions are intercalated and deintercalated as a cathode active material. am. In the anode of such a lithium-sulfur battery, the oxidation number of sulfur decreases as the bond between sulfur is broken during the reduction reaction (during discharge), and the oxidation number of sulfur increases during the oxidation reaction (during charging) to form a bond between sulfur and sulfur again. Oxidation-reduction reactions are used to store and generate electrical energy.
이러한, 리튬-황 전지는 높은 중량당 고 에너지 밀도의 발현이 가능한 장점을 가지며, 양극 활물질에 사용되는 원소 황(Sulfur)은 그의 질량에 비해 에너지 밀도가 높고 값이 저렴하며 인체에 무해하다는 장점 등을 가진다. 따라서, 향후 리튬 이차전지 시장을 대체할 차세대 이차전지로써, 리튬-황 전지가 크게 각광받고 있으며, 예를 들어, 대용량 전력 저장 장치(ESS) 및 드론 시장에서 큰 영향력을 행사할 것으로 기대되고 있다.These lithium-sulfur batteries have the advantage of being able to express high energy density per weight, and the element sulfur used in the cathode active material has high energy density compared to its mass, is inexpensive, and is harmless to the human body. have Therefore, as a next-generation secondary battery that will replace the lithium secondary battery market in the future, lithium-sulfur batteries are in the limelight, and are expected to exert great influence in, for example, large-capacity power storage devices (ESS) and drone markets.
그러나, 리튬-황 전지는 전지의 구동 시 황(리튬 폴리설파이드)이 전해질로 용출되고, 경우에 따라 리튬 설파이드의 석출로 인해 전지의 수명이 짧아지는 한계가 있으며, 리튬 자원의 한계로 인해 가격 경쟁력이 낮은 문제가 있다.However, lithium-sulfur batteries have limitations in that sulfur (lithium polysulfide) is eluted into the electrolyte during battery operation, and in some cases, the life span of the battery is shortened due to precipitation of lithium sulfide, and price competitiveness due to limited lithium resources. I have this lower problem.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 높은 용량 및 안정적인 수명 특성을 갖는 나트륨-황 전지용 양극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 나트륨-황 전지를 제공함에 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide a cathode for a sodium-sulfur battery having high capacity and stable life characteristics, a manufacturing method thereof, and a sodium-sulfur battery including the same.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 황-탄소 복합체 제조방법을 제공한다. 먼저, 고체 황(S8)과 프탈산 또는 프탈레이트를 혼합하여 혼합물을 형성한다. 상기 혼합물을 환원 분위기에서 열처리하여, 상기 프탈산 또는 프탈레이트를 탄화하여 탄소로 변화시키고 황을 탄소에 함침시켜, 황-탄소 복합체를 형성한다.In order to achieve the above object, one aspect of the present invention provides a method for preparing a sulfur-carbon composite. First, a mixture is formed by mixing solid sulfur (S 8 ) and phthalic acid or phthalate. The mixture is heat treated in a reducing atmosphere to carbonize the phthalic acid or phthalate to carbon and impregnate sulfur into the carbon to form a sulfur-carbon complex.
상기 프탈산은 테레프탈산일 수 있다. 상기 프탈산 또는 프탈레이트가 탄화하여 얻어지는 탄소는 결정질 탄소일 수 있다. 상기 결정질 탄소는 풀러라이트 C60의 결정구조를 가질 수 있다. 상기 상기 프탈산 또는 프탈레이트는 폐플라스틱인 PET를 분해하여 얻을 수 있다.The phthalic acid may be terephthalic acid. Carbon obtained by carbonizing the phthalic acid or phthalate may be crystalline carbon. The crystalline carbon may have a crystal structure of fullerite C60. The phthalic acid or phthalate can be obtained by decomposing waste plastic, PET.
상기 혼합물은 PAN(Polyacrylonitrile)를 더 포함할 수 있다.The mixture may further include PAN (Polyacrylonitrile).
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 나트륨-황 전지 제조방법을 제공한다. 먼저, 상기 황-탄소 복합체 제조방법을 통해 얻어진 황-탄소 복합체를 사용하여 양극 활물질층을 제조한다. 상기 양극 활물질층, 방전시 나트륨의 산화반응이 발생하는 음극 활물질층, 및 상기 양극 활물질층 및 상기 음극 활물질층 사이에 배치된 전해질을 포함하는 전지를 조립한다. In order to achieve the above object, another aspect of the present invention provides a sodium-sulfur battery manufacturing method. First, a positive electrode active material layer is prepared using the sulfur-carbon composite obtained through the sulfur-carbon composite manufacturing method. Assemble a battery including the positive active material layer, a negative active material layer in which an oxidation reaction of sodium occurs during discharge, and an electrolyte disposed between the positive active material layer and the negative active material layer.
상기 양극 활물질층은 도전재와 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 전해질은 유기 용매 내에 나트륨염이 용해된 것일 수 있다.The positive electrode active material layer may further include a conductive material and a binder. The electrolyte may be a sodium salt dissolved in an organic solvent.
본 발명에 따르면, 양극 활물질로서 사용되는 황-탄소 복합체를 제조함에 있어, 탄소 전구체의 탄화와 동시에 탄소에 황을 함침시켜 폴리설파이드의 용출을 억제하여 전지 수명을 향상시킬 수 있는 한편, 탄소 전구체로서 프탈산 또는 프탈레이트를 사용하여 결정질 탄소를 얻음에 따라 황-탄소 복합체의 전기적 활성을 향상시킬 수 있다. 이에 더하여, 탄소 전구체로서 PAN을 더 사용함에 따라 다공성 비정질 탄소 영역을 형성하여 또한 황-탄소 복합체의 전기적 활성을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, in preparing the sulfur-carbon composite used as a positive electrode active material, the carbon precursor is carbonized and sulfur is impregnated into the carbon at the same time to suppress the elution of polysulfide, thereby improving battery life. As crystalline carbon is obtained using phthalic acid or phthalate, the electrical activity of the sulfur-carbon composite can be improved. In addition, by further using PAN as a carbon precursor, it is possible to form a porous amorphous carbon region and also improve the electrical activity of the sulfur-carbon composite.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨-황전지의 단위 셀을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2a는 제조예 A2 및 제조예 A3에 따른 황-탄소 복합체와 비교예 A1에 따른 탄소 복합체의 XRD (X-ray Diffraction) 그래프이고, 도 2b는 제조예 A1 및 제조예 A2에 따른 황-탄소 복합체의 XRD 그래프이고, 도 2c는 제조예 A4에 따른 황-탄소 복합체의 XRD 그래프이다.
도 3a는 제조예 A1 및 제조예 A2에 따른 황-탄소 복합체의 라만 그래프이고, 도 3b는 제조예 A4에 따른 황-탄소 복합체의 라만 그래프이고, 도 3c는 비교예 A2에 따른 황-탄소 복합체의 라만 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 제조예 A4에 따른 황-탄소 복합체 분말을 촬영한 SEM (Scanning Electron Microscope) 이미지이다.
도 5는 제조예 A2에 따른 황-탄소 복합체 분말을 촬영한 SEM (Scanning Electron Microscope) 이미지이다.
도 6은 제조예 A2에 따른 황-탄소 복합체 분말을 촬영한 TEM (Transmission Electron Microscopy)-원소 매핑 이미지이다.
도 7a 및 7b는 각각 제조예 A2 및 제조예 A1에 따른 황-탄소 복합체 분말들에 대한 CV(cyclic voltammetry) 커브들을 보여준다.
도 8은 제조예 B1 및 제조예 B2에 따른 반전지의 다수의 사이클에서의 충방전 곡선(a), 다수의 사이클에서의 방전용량 그래프(b), 및 율속특성(c)을 나타낸 그래프이다.
도 9는 제조예 B1 및 제조예 B2에 따른 반전지의 첫 충방전 특성(a), 율속특성(b), 다수의 사이클에서의 충방전 곡선(c), 및 다수의 사이클에서의 방전용량 그래프(d)을 나타낸 그래프이다. 1 is a schematic cross-sectional view of a unit cell of a sodium-sulfur battery according to an embodiment of the present invention.
Figure 2a is an XRD (X-ray Diffraction) graph of a sulfur-carbon composite according to Preparation Examples A2 and A3 and a carbon composite according to Comparative Example A1, Figure 2b is a sulfur-carbon according to Preparation Examples A1 and Preparation Example A2 It is an XRD graph of the composite, and FIG. 2c is an XRD graph of the sulfur-carbon composite according to Preparation Example A4.
Figure 3a is a Raman graph of sulfur-carbon composites according to Preparation Examples A1 and A2, Figure 3b is a Raman graph of sulfur-carbon composites according to Preparation Example A4, Figure 3c is a sulfur-carbon composite according to Comparative Example A2 is the Raman graph of
4a and 4b are SEM (Scanning Electron Microscope) images of the sulfur-carbon composite powder according to Preparation Example A4.
5 is a SEM (Scanning Electron Microscope) image of a sulfur-carbon composite powder according to Preparation Example A2.
6 is a TEM (Transmission Electron Microscopy)-elemental mapping image of a sulfur-carbon composite powder according to Preparation Example A2.
7a and 7b show cyclic voltammetry (CV) curves for sulfur-carbon composite powders according to Preparation Example A2 and Preparation Example A1, respectively.
8 is a graph showing charge/discharge curves (a), a discharge capacity graph (b), and rate characteristics (c) in multiple cycles of half-cells according to Preparation Examples B1 and B2.
9 is a graph of first charge and discharge characteristics (a), rate characteristics (b), charge and discharge curves in multiple cycles (c), and discharge capacity in multiple cycles of half cells according to Preparation Examples B1 and B2 ( It is a graph showing d).
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. While the present invention is susceptible to various modifications and variations, specific embodiments thereof are shown by way of illustration in the drawings and will be described in detail below. However, it is not intended to limit the present invention to the particular form disclosed, but rather the present invention includes all modifications, equivalents and substitutions consistent with the spirit of the present invention as defined by the claims.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨-황전지의 단위 셀을 개략적으로 나타낸 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a unit cell of a sodium-sulfur battery according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 나트륨-황전지는 음극 활물질층(40), 양극 활물질층(10), 및 이들 사이에 개재된 분리막(20)을 포함한다. 음극 활물질층(40)과 양극 활물질층(10) 사이에 전해액(미도시)이 배치될 수 있다. 또한, 상기 음극 활물질층 (40)은 음극 집전체(60) 상에 배치될 수 있고, 상기 양극 활물질층(10)은 양극 집전체(50) 상에 배치될 수 있다.Referring to FIG. 1 , a sodium-sulfur battery includes an anode
상기 양극 집전체(50)는 카본 페이퍼(gas diffusion layer), 니켈메시 (Ni mesh), 스테인레스 메시 (Stainless mesh), 니켈 폼 (Ni foam), 글래스 파이버 (glass filter), 알루미늄 호일, 카본나노튜브층 또는 그래핀층일 수 있다. The cathode
상기 양극 활물질층(10)은 전지의 방전시 황의 환원 반응이 발생하는 층으로, 양극활물질인 황-탄소 복합체를 함유할 수 있다. The cathode
상기 황-탄소 복합체는 탄소 전구체와 고체 황(S8)을 혼합한 후, 탄소 전구체를 탄화하는 열처리를 통해 얻어진 것일 수 있다. 이러한 방법을 통해 얻어진 황-탄소 복합체는 황의 환원 반응시 생성되는 폴리설파이드를 흡착하여 폴리설파이드가 전해질 내에 용출되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 전지의 수명 특성이 크게 향상될 수 있다.The sulfur-carbon composite may be obtained by mixing a carbon precursor and solid sulfur (S 8 ) and then performing heat treatment of carbonizing the carbon precursor. The sulfur-carbon complex obtained through this method can adsorb polysulfide generated during the sulfur reduction reaction and suppress the elution of polysulfide into the electrolyte. As a result, life characteristics of the battery can be greatly improved.
상기 탄소 전구체는 프탈산 또는 프탈레이트를 포함할 수 있다. 상기 프탈산은 테레프탈산 (terephtalic acid, TPA)일 수 있고, 상기 프탈레이트는 테레프탈레이트일 수 있다. 또한, 상기 탄소 전구체는 PAN(Polyacrylonitrile)를 더 포함할 수 있다. 프탈산 또는 TPA (terephtalic acid)는 폐플라스틱인 PET를 분해하여 얻을 수 있다. 이 경우, 폐플라스틱의 재활용을 도모하여 자원절감 또한 수행할 수 있다. 프탈산 또는 프탈레이트와 PAN은 2:1 내지 1:2의 중량비로 포함될 수 있다. 일 예에서, 프탈산 또는 프탈레이트와 PAN은 1:1의 중량비로 포함될 수 있다.The carbon precursor may include phthalic acid or phthalate. The phthalic acid may be terephthalic acid (TPA), and the phthalate may be terephthalate. In addition, the carbon precursor may further include polyacrylonitrile (PAN). Phthalic acid or TPA (terephtalic acid) can be obtained by decomposing PET, a waste plastic. In this case, it is also possible to reduce resources by promoting recycling of waste plastics. Phthalic acid or phthalate and PAN may be included in a weight ratio of 2:1 to 1:2. In one example, phthalic acid or phthalate and PAN may be included in a weight ratio of 1:1.
상기 황-탄소 복합체 제조방법에서 상기 고체 황(S8)을 100 중량부로 했을 때, 상기 탄소 전구체는 20 내지 40 구체적으로 22 내지 30 중량부로 사용될 수 있다.In the sulfur-carbon composite manufacturing method, when the solid sulfur (S 8 ) is 100 parts by weight, the carbon precursor may be used in an amount of 20 to 40, specifically 22 to 30 parts by weight.
상기 탄소 전구체를 탄화하는 열처리는 200℃를 초과할 수 있다. 일 예로서, 250 내지 500℃, 구체적으로는 300℃ 이상일 수 있다. 이러한 열처리 온도에서 탄소 전구체는 충분히 탄화됨과 동시에 탄소는 황을 흡착하여 탄소와 황이 서로 충분히 분산된 황-탄소 복합체를 형성할 수 있다. 상기 황-탄소 복합체 내에는 탄소 전구체로부터 유래된 산소 또한 분산되어 있을 수 있다. A heat treatment for carbonizing the carbon precursor may exceed 200°C. As an example, it may be 250 to 500 ° C, specifically 300 ° C or higher. At this heat treatment temperature, the carbon precursor is sufficiently carbonized and at the same time the carbon adsorbs sulfur to form a sulfur-carbon complex in which carbon and sulfur are sufficiently dispersed. Oxygen derived from the carbon precursor may also be dispersed in the sulfur-carbon composite.
상기 황-탄소 복합체 내에서, 상기 프탈산 또는 프탈레이트가 탄화하여 얻어지는 탄소는 결정질 탄소일 수 있다. 상기 결정질 탄소는 풀러라이트 C60의 결정구조를 가질 수 있다. 이 결정질 탄소는 또한, 라만 스펙트럼에서 IG/ID가 1 이상일 수 있다. 한편, PAN이 탄화하여 얻어지는 탄소는 비정질 탄소일 수 있다. 이 경우, 비정질 탄소 매트릭스 내에 결정질 탄소가 분산되어 있을 수 있다. 또한, 상기 황-탄소 복합체 내에서, 탄소는 다공성 탄소일 수 있다.In the sulfur-carbon composite, carbon obtained by carbonizing the phthalic acid or phthalate may be crystalline carbon. The crystalline carbon may have a crystal structure of fullerite C60. This crystalline carbon may also have an I G / ID of 1 or more in a Raman spectrum. Meanwhile, carbon obtained by carbonizing PAN may be amorphous carbon. In this case, crystalline carbon may be dispersed in the amorphous carbon matrix. Also, in the sulfur-carbon composite, carbon may be porous carbon.
또한, 상기 탄소 전구체를 탄화하는 열처리는 불활성 기체 분위기 구체적으로, 아르곤 분위기에서 진행할 수 있다.In addition, heat treatment for carbonizing the carbon precursor may be performed in an inert gas atmosphere, specifically, an argon atmosphere.
프탈산 또는 프탈레이트만 열처리 하는 경우, 분산되기 쉬운 가벼운 소재가 되나, 황과 혼합한 상태에서 열처리할 경우, 황이 액화되며 프탈산 또는 프탈레이트가 분산되지 않고 액화된 황 안에서 프탈산 또는 프탈레이트간 강한 결합을 형성하고 프탈산 또는 프탈레이트가 탄화됨과 동시에 황이 함침될 수 있다. 이 때, 프탈산 또는 프탈레이트는 판상의 탄소 결정을 형성하고 황은 이 탄소 결정 내부에 함침될 수 있다. 이는 탄소 전구체로서 프탈산 또는 프탈레이트와 더불어 PAN을 추가하는 경우에도 유사하게 나타날 수 있다.When only phthalic acid or phthalate is heat-treated, it becomes a light material that is easily dispersed, but when heat-treated in a state mixed with sulfur, sulfur is liquefied and phthalic acid or phthalate is not dispersed, and a strong bond is formed between phthalic acid or phthalate in liquefied sulfur and Alternatively, sulfur may be impregnated at the same time as the phthalate is carbonized. At this time, phthalic acid or phthalate forms platy carbon crystals, and sulfur may be impregnated into the carbon crystals. This may appear similarly when PAN is added along with phthalic acid or phthalate as a carbon precursor.
이와 같이, 양극 활물질로서 사용되는 황-탄소 복합체를 제조함에 있어, 탄소 전구체의 탄화와 동시에 탄소에 황을 함침시켜 폴리설파이드의 용출을 억제하여 전지 수명을 향상시킬 수 있는 한편, 탄소 전구체로서 프탈산 또는 프탈레이트를 사용하여 결정질 탄소를 얻음에 따라 황-탄소 복합체의 전기적 활성을 향상시킬 수 있다. 이에 더하여, 탄소 전구체로서 PAN을 더 사용함에 따라 다공성 비정질 탄소 영역을 형성하여 또한 황-탄소 복합체의 전기적 활성을 향상시킬 수 있다.In this way, in preparing the sulfur-carbon composite used as a positive electrode active material, the battery life can be improved by suppressing the elution of polysulfide by impregnating sulfur into carbon simultaneously with carbonization of the carbon precursor, while phthalic acid or phthalic acid or As crystalline carbon is obtained using phthalate, the electrical activity of the sulfur-carbon composite can be improved. In addition, by further using PAN as a carbon precursor, it is possible to form a porous amorphous carbon region and also improve the electrical activity of the sulfur-carbon composite.
상기 양극 활물질층(10)은 도전재 및 바인더를 더 함유할 수 있다. 상기 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연, 코크스류, 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 그래핀 등의 탄소 재료일 수 있다. 상기 바인더는 열가소성 수지 예를 들어, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 사불화에틸렌, 불화비닐리덴계 공중합체, 육불화프로필렌 등의 불소 수지, 및/또는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지를 포함할 수 있다.The positive electrode
상기 음극 활물질층(40)은 전지의 방전시 나트륨의 산화반응이 발생하는 전극으로 나트륨 금속 또는 나트륨 합금을 사용할 수 있다. 일 예에서, 상기 음극 활물질층(40)은 나트륨 호일이거나, 나트륨 이온 또는 나트륨 금속이 침지된(impregnated) 도전성 탄소를 포함하는 층일 수 있다. 일 예로서, 나트륨 이온 또는 나트륨 금속이 침지된(impregnated) 다공성 탄소층일 수 있다. 이 때, 다공성 탄소는 하드 카본, 소프트 카본, 그래핀, 또는 탄소나노튜브일 수 있다. The anode
상기 음극 집전체(60)는 카본 페이퍼(gas diffusion layer), 니켈메시 (Ni mesh), 스테인레스 메시 (Stainless mesh), 니켈 폼 (Ni foam), 글래스 파이버 (glass filter), 카본나노튜브층 또는 그래핀층일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 상기 음극 활물질층(40)이 음극 집전체(60)의 역할을 수행할 수도 있다.The anode
상기 분리막(20)는 상기 양극 활물질층(10)과 음극 활물질층(40)을 서로 분리 또는 절연시키면서 상기 양극 활물질층(10)과 음극 활물질층(40) 사이에 나트륨 이온의 수송을 가능하게 할 수 있다. 이러한 상기 분리막(20)는 다공성이고, 비전도성 또는 절연성인 물질로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 분리막(20)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지, 불소 수지, 질소 함유 방향족 중합체 등의 재질로 이루어지는 다공질 필름, 부직포, 직포 등의 형태를 가지는 재료일 수 있다.The
상기 전해질은 액상(liquid) 혹은 용액상(solution-phase) 전해질로서, 비수 전해액, 즉, 유기 용매 내에 나트륨염이 용해된 것일 수 있다.The electrolyte is a liquid or solution-phase electrolyte, and may be a non-aqueous electrolyte, that is, a sodium salt dissolved in an organic solvent.
상기 유기 용매는, 비양성자성 용매, 구체적으로, 에테르계 용매일 수 있다. 상기 에테르계 용매는 알킬렌 글리콜 다이알킬 에테르계 용매 구체적으로는 메틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(methylene glycol dimehtyl ether 또는 dimethoxymethane), 프로필렌 글리콜 다이메틸 에테르(propylene glycol methyl ether 또는 1,2-dimethoxypropane), EGDE (Ethylene glycol diethyl ether), DEGDME (diethylene glycol dimethyl ether), DEGDEE (diethylene glycol diethyl ether), 트라이에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether), 테트라에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether), 또는 이들의 조합일 수 있다. 이러한 용매들은 인화성이 낮아 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.The organic solvent may be an aprotic solvent, specifically, an ether-based solvent. The ether-based solvent is an alkylene glycol dialkyl ether-based solvent, specifically, methylene glycol dimethyl ether (methylene glycol dimehtyl ether or dimethoxymethane), propylene glycol dimethyl ether (propylene glycol methyl ether or 1,2-dimethoxypropane), EGDE ( Ethylene glycol diethyl ether), DEGDME (diethylene glycol dimethyl ether), DEGDEE (diethylene glycol diethyl ether), triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, or these may be a combination of These solvents are less flammable and can improve battery safety.
상기 나트륨염은 나트륨 이온을 함유하는 이온으로 구체적으로, 이미드계 나트륨염, 더 구체적으로는 나트륨 비스설포닐 이미드염, 예를 들어 NaN(CF3SO2)2 (NaTFSI), NaN(C2F5SO2)2, NaN(CF3SO2)(C2F5SO2) 또는 NaN(SO2F)2 (NaFSI)일 수 있다. 상기 나트륨염은 0.3 내지 2M, 구제척으로는 0.5 내지 1.5M, 더 구체적으로는 0.8 내지 1.2M의 농도로 함유될 수 있다.The sodium salt is an ion containing a sodium ion, specifically, an imide-based sodium salt, more specifically, a sodium bissulfonyl imide salt, such as NaN(CF 3 SO 2 ) 2 (NaTFSI), NaN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , NaN(CF 3 SO 2 ) (C 2 F 5 SO 2 ) or NaN(SO 2 F) 2 (NaFSI). The sodium salt may be contained in a concentration of 0.3 to 2M, 0.5 to 1.5M as a rescue, and more specifically, 0.8 to 1.2M.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실험예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.Hereinafter, in order to explain the present invention in more detail, preferred experimental examples according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms.
황-탄소 복합체 제조예들Sulfur-carbon composite preparation examples
<제조예 A1: S+PAN으로부터 황-탄소 복합체 제조><Preparation Example A1: Preparation of sulfur-carbon composite from S+PAN>
황 분말(S8 분말)과 DPAN(Dehydrogenated Polyacrylonitrile)을 무게비로 4:1 정량하여 교반 후, 300 ℃의 불활성 기체 분위기에서 3시간동안 열처리하여 황-탄소 복합체를 제조하였다.Sulfur powder (S 8 powder) and DPAN (Dehydrogenated Polyacrylonitrile) were quantified at a weight ratio of 4:1, stirred, and heat-treated for 3 hours in an inert gas atmosphere at 300 ° C. to prepare a sulfur-carbon composite.
<제조예 A2: S+PAN+TPA으로부터 황-탄소 복합체 제조><Preparation Example A2: Preparation of sulfur-carbon composite from S+PAN+TPA>
TPA (terephtalic acid)와 DPAN(Dehydrogenated Polyacrylonitrile)을 무게비로 1:1 정량하여 교반하여 혼합분말을 얻었다. 이 후, 황 분말(S8 분말)과 상기 혼합분말을 무게비로 4:1 정량(황:TPA:DPAN=4:0.5:0.5)하여 교반 후, 300℃의 불활성 기체 분위기에서 3시간동안 열처리하여 황-탄소 복합체를 제조하였다.TPA (terephtalic acid) and DPAN (dehydrogenated polyacrylonitrile) were quantified in a weight ratio of 1:1 and stirred to obtain a mixed powder. Thereafter, the sulfur powder (S 8 powder) and the mixed powder were mixed in a weight ratio of 4: 1 (sulfur: TPA: DPAN = 4: 0.5: 0.5), stirred, and then heat-treated for 3 hours in an inert gas atmosphere at 300 ° C. A sulfur-carbon composite was prepared.
<제조예 A3: S/PAN/TPA으로부터 황-탄소 복합체 제조><Preparation Example A3: Preparation of sulfur-carbon composite from S/PAN/TPA>
200℃의 불활성 기체 분위기에서 열처리한 것을 제외하고는 제조예 A2와 동일하게 진행하여 황-탄소 복합체를 제조하였다.A sulfur-carbon composite was prepared in the same manner as in Preparation Example A2, except for heat treatment in an inert gas atmosphere at 200 °C.
<제조예 A4: S+TPA으로부터 황-탄소 복합체 제조><Preparation Example A4: Preparation of sulfur-carbon composite from S+TPA>
TPA (terephtalic acid)와 황 분말(S8 분말) 을 무게비로 1:1 정량하여 교반하여 혼합분말을 얻은 후, 상기 혼합분말을 300의 불활성 기체 분위기에서 3시간동안 열처리하여 황-탄소 복합체를 제조하였다.TPA (terephtalic acid) and sulfur powder (S8 powder) were quantified in a weight ratio of 1: 1 and stirred to obtain a mixed powder, and then the mixed powder was 300 A sulfur-carbon composite was prepared by heat treatment in an inert gas atmosphere for 3 hours.
<제조예 A5: S+PAN으로부터 황-탄소 복합체 제조 후 TPA 추가><Preparation Example A5: Addition of TPA after Preparation of Sulfur-Carbon Composite from S+PAN>
제조예 A1에서 얻어진 황-탄소 복합체에 TPA (terephtalic acid)를 4:1의 무게비로 혼합하여 황-탄소 복합체를 제조하였다.A sulfur-carbon composite was prepared by mixing TPA (terephtalic acid) with the sulfur-carbon composite obtained in Preparation Example A1 at a weight ratio of 4:1.
<비교예 A1: PAN+TPA으로부터 탄소 복합체 제조><Comparative Example A1: Preparation of carbon composite from PAN+TPA>
TPA (terephtalic acid)와 DPAN(Dehydrogenated Polyacrylonitrile)을 무게비로 1:1 정량하여 교반하여 혼합분말을 얻은 후, 300 ℃의 불활성 기체 분위기에서 3시간동안 열처리하여 탄소 복합체를 얻었다.TPA (terephtalic acid) and DPAN (dehydrogenated polyacrylonitrile) were quantified and stirred at a weight ratio of 1:1 to obtain a mixed powder, and then heat-treated in an inert gas atmosphere at 300 °C for 3 hours to obtain a carbon composite.
<비교예 A2: S+프탈이미드산으로부터 황-탄소 복합체 제조><Comparative Example A2: Preparation of sulfur-carbon composite from S + phthalimide acid>
TPA (terephtalic acid) 대신 프탈이미드산을 사용한 것을 제외하고는 제조예 A4와 동일한 방법을 사용하여 황-탄소 복합체를 제조하였다.A sulfur-carbon composite was prepared in the same manner as in Preparation Example A4, except that phthalimide acid was used instead of terephtalic acid (TPA).
반전지 제조예들Half cell manufacturing examples
<제조예 B1><Production Example B1>
제조예 A1에서 얻어진 황-탄소 복합체, 도전제로서 super p 카본, 바인더로서 PVdF (polyvinylidene difluoride)를 70:20:10의 중량비로 NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone)내에서 혼합한 후, 알루미늄 호일에 캐스팅하여 80 ℃ 에서 건조하여 상기 알루미늄 호일 상에 양극 활물질층을 제조하였다. 이 때, 양극 활물질층의 로딩량은 4-5 mg/cm3이었다. 양극 집전체인 상기 알루미늄 호일 상에 형성된 양극 활물질층, 나트륨 포일의 음극 및 전해질 (0.5M NaPF6 in propylene carbonate (PC) + 2 % fluorinated ethylene carbonate (FEC))을 포함하는 R2032 형태의 코인 셀을 제조하였다.After mixing the sulfur-carbon composite obtained in Preparation Example A1, super p carbon as a conductive agent, and PVdF (polyvinylidene difluoride) as a binder in a weight ratio of 70:20:10 in NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone), aluminum It was cast on a foil and dried at 80° C. to prepare a positive electrode active material layer on the aluminum foil. At this time, the loading amount of the positive electrode active material layer was 4-5 mg/cm 3 . A coin cell of R2032 type including a cathode active material layer formed on the aluminum foil as a cathode current collector, a cathode of sodium foil, and an electrolyte (0.5M NaPF 6 in propylene carbonate (PC) + 2% fluorinated ethylene carbonate (FEC)) manufactured.
<제조예 B2><Production Example B2>
제조예 A1에서 얻어진 황-탄소 복합체 대신 제조예 A2에서 얻어진 황-탄소 복합체를 사용한 것을 제외하고는 제조예 B1과 동일한 방법을 사용하여 코인 셀을 제조하였다.A coin cell was manufactured in the same manner as in Preparation Example B1, except that the sulfur-carbon composite obtained in Preparation Example A2 was used instead of the sulfur-carbon composite obtained in Preparation Example A1.
<제조예 B3><Production Example B3>
제조예 A1에서 얻어진 황-탄소 복합체 대신 제조예 A5에서 얻어진 황-탄소 복합체, 도전제로서 super p 카본, 바인더로서 PVdF (polyvinylidene difluoride)를 70:20:10의 중량비로 사용한 것을 제외하고는 제조예 B1과 동일한 방법을 사용하여 코인 셀을 제조하였다.Preparation Example except for using the sulfur-carbon composite obtained in Preparation Example A5 instead of the sulfur-carbon composite obtained in Preparation Example A1, super p carbon as a conductive agent, and polyvinylidene difluoride (PVdF) as a binder in a weight ratio of 70:20:10 A coin cell was manufactured using the same method as in B1.
상기 제조예들 A1, A2, A3, A5, 및 A5, 비교예들 A1 및 A2에 기재된 내용 및 상기 제조예들 B1, B2, 및 B3에 기재된 내용을 하기 표 1에 정리하였다.The contents described in Preparation Examples A1, A2, A3, A5, and A5, Comparative Examples A1 and A2, and the contents described in Preparation Examples B1, B2, and B3 are summarized in Table 1 below.
(중량비)ingredient
(weight ratio)
열처리 온도for carbonization
heat treatment temperature
도 2a는 제조예 A2 및 제조예 A3에 따른 황-탄소 복합체와 비교예 A1에 따른 탄소 복합체의 XRD (X-ray Diffraction) 그래프이고, 도 2b는 제조예 A1 및 제조예 A2에 따른 황-탄소 복합체의 XRD 그래프이고, 도 2c는 제조예 A4에 따른 황-탄소 복합체의 XRD 그래프이다.Figure 2a is an XRD (X-ray Diffraction) graph of a sulfur-carbon composite according to Preparation Examples A2 and A3 and a carbon composite according to Comparative Example A1, Figure 2b is a sulfur-carbon according to Preparation Examples A1 and Preparation Example A2 It is an XRD graph of the composite, and FIG. 2c is an XRD graph of the sulfur-carbon composite according to Preparation Example A4.
도 2a를 참조하면, 황과 탄소 전구체인 PAN 및 TPA를 혼합후 열처리를 200도에서 진행한 경우(제조예 A3) 황에 해당하는 피크들이 그대로 보이는 것으로 보아 황이 그대로 남아 있는 것을 알 수 있다. 그러나, 열처리 온도가 300도일 때는 황이 확인되지 않는 것으로 보아, 탄소 전구체의 탄소화가 완료되면서 황이 탄소 내에 함침되는 것으로 추정할 수 있다. 한편, 황을 추가하지 않고 탄소 전구체인 PAN 및 TPA를 혼합후 열처리를 300도에서 진행한 경우(비교예 A1)에는 탄소화가 진행된 것으로는 보이나, 황이 탄소 내에 함침된 것으로 추정되는 제조예 A2와는 다른 위치에서 피크를 나타낸다. 이로부터 황이 탄소 내에 함침되는 경우, XRD에서 2θ가 25도 근처에서 피크를 나타내는 것으로 보인다.Referring to FIG. 2a, when heat treatment is performed at 200 degrees after mixing sulfur and carbon precursors PAN and TPA (Production Example A3), peaks corresponding to sulfur are seen as they are, indicating that sulfur remains as it is. However, since sulfur is not confirmed when the heat treatment temperature is 300 degrees, it can be assumed that sulfur is impregnated into carbon as carbonization of the carbon precursor is completed. On the other hand, when heat treatment was performed at 300 degrees after mixing PAN and TPA, which are carbon precursors, without adding sulfur (Comparative Example A1), carbonization was seen to have progressed, but sulfur was impregnated into carbon. Unlike Preparation Example A2, shows a peak at the position From this, when sulfur is impregnated into carbon, it seems that 2θ shows a peak near 25 degrees in XRD.
도 2b를 참조하면, 황과 탄소 전구체인 PAN 및 TPA를 혼합후 열처리를 300도에서 진행한 경우(제조예 A2)와 황과 PAN을 혼합후 열처리를 300도에서 진행한 경우(제조예 A1) 모두 XRD에서 2θ가 25도 근처에서 피크를 나타내는 등 유사한 위치에서 피크를 나타내었다. 이에 따라, 이 두 제조예들 모두 황이 탄소 내에 함침된 것으로 추정되었다.Referring to FIG. 2B, when heat treatment is performed at 300 degrees after mixing sulfur and carbon precursors PAN and TPA (Preparation Example A2) and when heat treatment is performed at 300 degrees after mixing sulfur and PAN (Preparation Example A1) All of them showed peaks at similar positions, such as showing a peak at 2θ near 25 degrees in XRD. Accordingly, it was assumed that sulfur was impregnated into the carbon in both preparations.
도 2c를 참조하면, 황과 탄소 전구체인 TPA를 1:1의 중량비로 혼합후 열처리를 300도에서 진행한 경우(제조예 A4)에는 풀러라이트 C60 (fullerite C60)과 유사한 XRD 피크를 보여주었다. Referring to FIG. 2c, when sulfur and TPA, a carbon precursor, were mixed at a weight ratio of 1:1 and then heat treated at 300 degrees (Preparation Example A4), XRD peaks similar to those of fullerite C60 were shown.
도 3a는 제조예 A1 및 제조예 A2에 따른 황-탄소 복합체의 라만 그래프이고, 도 3b는 제조예 A4에 따른 황-탄소 복합체의 라만 그래프이고, 도 3c는 비교예 A2에 따른 황-탄소 복합체의 라만 그래프이다.Figure 3a is a Raman graph of sulfur-carbon composites according to Preparation Examples A1 and A2, Figure 3b is a Raman graph of sulfur-carbon composites according to Preparation Example A4, Figure 3c is a sulfur-carbon composite according to Comparative Example A2 is the Raman graph of
도 3a를 참조하면, 제조예 A1 및 제조예 A2에 따른 황-탄소 복합체는 탄소와 함께 황의 피크들이 나타나는 것으로 보아 탄소와 황이 공존함을 확인할 수 있다. 이 때, 제조예 A1에 따른 황-탄소 복합체는 D-밴드에 대한 G-밴드의 세기 비율인 IG/ID가 약 0.5 정도이고, 제조예 A2에 따른 황-탄소 복합체는 IG/ID가 약 0.9 정도로 나타나, 제조예 A2에 따른 황-탄소 복합체는 탄소 전구체로서 TPA를 더 포함함에 따라 더 우수한 탄소 결정성을 갖는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 3A, the sulfur-carbon composites according to Preparation Examples A1 and A2 show peaks of sulfur along with carbon, indicating that carbon and sulfur coexist. At this time, the sulfur-carbon composite according to Preparation Example A1 has an intensity ratio of I G /I D of the G-band to the D-band of about 0.5, and the sulfur-carbon composite according to Preparation Example A2 has I G /I Since D is about 0.9, it can be seen that the sulfur-carbon composite according to Preparation Example A2 has better carbon crystallinity as it further includes TPA as a carbon precursor.
도 3b를 참조하면, 제조예 A4에 따른 황-탄소 복합체 즉, 황과 TPA를 혼합한 후 열처리한 경우의 황-탄소 복합체는 D-밴드에 대한 G-밴드의 세기 비율인 IG/ID가 약 3.5 - 4 정도이어서 탄소 결정성이 매우 우수한 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 3B, the sulfur-carbon composite according to Preparation Example A4, that is, when sulfur and TPA are mixed and then heat-treated, is the intensity ratio of the G-band to the D-band, I G /I D is about 3.5 - 4, so it can be seen that the carbon crystallinity is very excellent.
도 3c를 참조하면, 비교예 A2에 따른 황-탄소 복합체 즉, 황과 프탈이미드산를 혼합한 후 열처리한 경우의 황-탄소 복합체는 D-밴드에 대한 G-밴드의 세기 비율인 IG/ID가 약 0.4 정도로 매우 낮은 탄소 결정성을 나타내는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 3c, the sulfur-carbon composite according to Comparative Example A2, that is, the sulfur-carbon composite obtained by mixing sulfur and phthalimide acid and then heat-treating, is the intensity ratio of the G-band to the D-band, I G / It can be seen that I D indicates very low carbon crystallinity of about 0.4.
도 3b 및 도 3c를 동시 참조할 때, 프탈이미드산을 사용한 경우대비 TPA를 사용한 경우 매우 우수한 탄소 결정성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.When simultaneously referring to FIGS. 3b and 3c , it can be seen that very good carbon crystallinity can be obtained when TPA is used compared to when phthalimide acid is used.
도 4a 및 도 4b는 제조예 A4에 따른 황-탄소 복합체 분말을 촬영한 SEM (Scanning Electron Microscope) 이미지이다.4a and 4b are SEM (Scanning Electron Microscope) images of the sulfur-carbon composite powder according to Preparation Example A4.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제조예 A4에 따른 황-탄소 복합체 즉, 황과 TPA를 혼합한 후 열처리한 경우의 황-탄소 복합체의 입자 형태는 판상인 것으로 나타났다. 이는 TPA를 열처리하여 탄화하면 판상의 입자가 생성되고, 이 판상의 입자 내에 황이 함침된 것으로 추정되었다. Referring to Figures 4a and 4b, the sulfur-carbon composite according to Preparation Example A4, that is, when sulfur and TPA were mixed and then heat-treated, the particle shape of the sulfur-carbon composite was found to be plate-like. It was assumed that when TPA was carbonized by heat treatment, plate-shaped particles were generated, and sulfur was impregnated into the plate-shaped particles.
도 5는 제조예 A2에 따른 황-탄소 복합체 분말을 촬영한 SEM (Scanning Electron Microscope) 이미지이다.5 is a SEM (Scanning Electron Microscope) image of a sulfur-carbon composite powder according to Preparation Example A2.
도 5를 참조하면, 황-탄소 복합체 분말의 입자의 형태는 다각형의 형태를 갖고 있으며, 표면에 구형의 소립자들이 뭉쳐 복합화되어 있는 형태를 갖는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 5, it can be seen that the shape of the particles of the sulfur-carbon composite powder has a polygonal shape, and has a shape in which spherical small particles are aggregated and compounded on the surface.
도 6은 제조예 A2에 따른 황-탄소 복합체 분말을 촬영한 TEM (Transmission Electron Microscopy)-원소 매핑 이미지이다.6 is a TEM (Transmission Electron Microscopy)-elemental mapping image of a sulfur-carbon composite powder according to Preparation Example A2.
도 6을 참조하면, 황과 탄소가 균일하게 분산되어 복합화가 거의 완전하게 진행된 것을 확인할 수 있다. 이에 더해, 상기 황-탄소 복합체 입자 내에 탄소 전구체에서 기인하는 산소 또한 분산되어 있는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6 , it can be seen that sulfur and carbon are uniformly dispersed and the complexation is almost completely performed. In addition, it can be seen that oxygen originating from the carbon precursor is also dispersed in the sulfur-carbon composite particles.
제조예 A1및 제조예 A5에 따른 황-탄소 복합체의 특성은 하기 표 2에 나타내었다.The properties of the sulfur-carbon composites according to Preparation Example A1 and Preparation Example A5 are shown in Table 2 below.
TPA 추가)Preparation Example A5 (S+PAN after mixing and heat treatment
add TPA)
도 7a 및 7b는 각각 제조예 A2 및 제조예 A1에 따른 황-탄소 복합체 분말들에 대한 CV(cyclic voltammetry) 커브들을 보여준다.7a and 7b show cyclic voltammetry (CV) curves for sulfur-carbon composite powders according to Preparation Example A2 and Preparation Example A1, respectively.
도 7a 및 7b를 참조하면, 황과 PAN을 혼합후 열처리를 300도에서 진행한 경우(제조예 A1) 대비 황과 탄소 전구체인 PAN 및 TPA를 혼합후 열처리를 300도에서 진행한 경우(제조예 A2)의 황-탄소 복합체는 더 우수한 전기화학적 반응성을 나타내는 것을 알 수 있다.7a and 7b, when heat treatment is performed at 300 degrees after mixing sulfur and PAN (Production Example A1), compared to when heat treatment is performed at 300 degrees after mixing sulfur and carbon precursors PAN and TPA (Production Example It can be seen that the sulfur-carbon composite of A2) exhibits better electrochemical reactivity.
도 8은 제조예 B1 및 제조예 B2에 따른 반전지의 다수의 사이클에서의 충방전 곡선(a), 다수의 사이클에서의 방전용량 그래프(b), 및 율속특성(c)을 나타낸 그래프이다. 도 9는 제조예 B1 및 제조예 B2에 따른 반전지의 첫 충방전 특성(a), 율속특성(b), 다수의 사이클에서의 충방전 곡선(c), 및 다수의 사이클에서의 방전용량 그래프(d)을 나타낸 그래프이다. 8 is a graph showing charge/discharge curves (a), a discharge capacity graph (b), and rate characteristics (c) in multiple cycles of half-cells according to Preparation Examples B1 and B2. 9 is a graph of first charge and discharge characteristics (a), rate characteristics (b), charge and discharge curves in multiple cycles (c), and discharge capacity in multiple cycles of half cells according to Preparation Examples B1 and B2 ( It is a graph showing d).
본 평가에서 1C는 1200 mAhg-1 이었고, 0.6 - 2.8 V의 전압범위에서, 0.05C-5C 범위의 율속으로 전지의 충전과 방전을 반복하였다. 또한, 도 8(a)와 도 8(b)에서 다수의 사이클은 0.1C의 전류밀도로 50사이클을 진행하였다. 도 8(c)에서 0.05C의 전류밀도부터 5C까지 단계적으로 각 전류밀도 당 3사이클씩 진행하였다. In this evaluation, 1C was 1200 mAhg -1 , and charging and discharging of the battery was repeated at a rate in the range of 0.05C-5C in a voltage range of 0.6 - 2.8 V. In addition, in FIGS. 8(a) and 8(b), 50 cycles were performed at a current density of 0.1C for a plurality of cycles. In FIG. 8(c), 3 cycles were performed for each current density in stages from a current density of 0.05C to 5C.
도 8을 참조하면, 황과 PAN을 혼합후 열처리를 300도에서 진행하여 얻은 황-탄소 복합체를 양극 활물질로 사용한 경우(제조예 B1)에는 초기용량이 424.67 mAhg-1에 불과하나, 대비 황과 탄소 전구체인 PAN 및 TPA를 혼합후 열처리를 300도에서 진행하여 얻은 얻은 황-탄소 복합체를 양극 활물질로 사용한 경우(제조예 B2)에는 초기용량이 1306.99 mAhg-1으로 크게 향상된 것을 알 수 있으며, 더 우수한 율속특성(각 전류밀도에서 용량이 훨씬 높았음) 수명특성(용량 유지율 : 제조예 B1의 경우 69.4 %이고 제조예 B2의 경우 79.81 %임)을 나타냄을 알 수 있다.Referring to FIG. 8, when the sulfur-carbon composite obtained by mixing sulfur and PAN and heat treatment at 300 degrees was used as a cathode active material (Preparation Example B1), the initial capacity was only 424.67 mAhg -1 , but compared to sulfur and When the sulfur-carbon composite obtained by mixing PAN and TPA, which are carbon precursors, and heat treatment at 300 degrees was used as a cathode active material (Preparation Example B2), it can be seen that the initial capacity is greatly improved to 1306.99 mAhg -1 , and further It can be seen that excellent rate performance (capacity was much higher at each current density) and life characteristics (capacity retention rate: 69.4% in the case of Preparation Example B1 and 79.81% in the case of Preparation Example B2).
도 9를 참조하면, 황과 PAN을 혼합후 열처리를 300도에서 진행하여 얻은 황-탄소 복합체를 양극 활물질로 사용한 경우(제조예 B1) 대비, 황과 PAN을 혼합후 열처리를 300도에서 진행하여 얻은 황-탄소 복합체와 열처리되지 않은 TPA를 사용한 경우(제조예 B3)에는 더 우수한 충방전 특성, 율속특성, 및 수명특성을 갖는 것으로 나타났다. Referring to FIG. 9, compared to the case where the sulfur-carbon composite obtained by mixing sulfur and PAN and heat treatment at 300 degrees was used as a cathode active material (Production Example B1), heat treatment was performed at 300 degrees after mixing sulfur and PAN. In the case of using the obtained sulfur-carbon composite and non-heat treated TPA (Preparation Example B3), it was found to have better charge and discharge characteristics, rate performance, and lifespan characteristics.
도 8 및 도 9를 동시에 참고하면, 황과 PAN을 혼합후 열처리를 300도에서 진행하여 얻은 황-탄소 복합체와 열처리되지 않은 TPA를 사용한 경우(제조예 B3)에 비해, 황과 탄소 전구체인 PAN 및 TPA를 혼합후 열처리를 300도에서 진행하여 얻은 얻은 황-탄소 복합체를 양극 활물질로 사용한 경우(제조예 B2)에 초기 용량이 더 우수한 것을 알 수 있으며, 율속특성 그리고 수명특성이 더 우수한 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 8 and 9 at the same time, compared to the case of using the sulfur-carbon composite obtained by mixing sulfur and PAN and then heat-treating at 300 degrees and non-heat-treated TPA (Preparation Example B3), the sulfur and carbon precursor PAN When the sulfur-carbon composite obtained by mixing and TPA and heat treatment at 300 degrees was used as a cathode active material (Preparation Example B2), it can be seen that the initial capacity is better, and the rate performance and lifespan characteristics are better. can
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.In the above, the present invention has been described in detail with preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes are made by those skilled in the art within the technical spirit and scope of the present invention. this is possible
Claims (9)
상기 혼합물을 환원 분위기에서 열처리하여, 상기 프탈산 또는 프탈레이트를 탄화하여 탄소로 변화시키고 황을 탄소에 함침시켜, 황-탄소 복합체를 형성하는,
황-탄소 복합체 제조방법.After forming a mixture by mixing solid sulfur (S 8 ) and phthalic acid or phthalate,
Heat-treating the mixture in a reducing atmosphere to carbonize the phthalic acid or phthalate to carbon and impregnate sulfur into carbon to form a sulfur-carbon complex,
Sulfur-carbon composite manufacturing method.
상기 프탈산은 테레프탈산인, 황-탄소 복합체 제조방법.According to claim 1,
The phthalic acid is terephthalic acid, sulfur-carbon composite manufacturing method.
상기 프탈산 또는 프탈레이트가 탄화하여 얻어지는 탄소는 결정질 탄소인, 황-탄소 복합체 제조방법.According to claim 1,
The carbon obtained by carbonizing the phthalic acid or phthalate is crystalline carbon, sulfur-carbon composite manufacturing method.
상기 결정질 탄소는 풀러라이트 C60의 결정구조를 갖는, 황-탄소 복합체 제조방법.According to claim 3,
The crystalline carbon has a crystal structure of fullerite C60, sulfur-carbon composite manufacturing method.
상기 상기 프탈산 또는 프탈레이트는 폐플라스틱인 PET를 분해하여 얻는, 황-탄소 복합체 제조방법.According to claim 1,
The phthalic acid or phthalate is obtained by decomposing waste plastic PET, sulfur-carbon composite manufacturing method.
상기 혼합물은 PAN(Polyacrylonitrile)를 더 포함하는, 황-탄소 복합체 제조방법.According to claim 1,
The mixture further comprises PAN (Polyacrylonitrile), sulfur-carbon composite manufacturing method.
상기 양극 활물질층, 방전시 나트륨의 산화반응이 발생하는 음극 활물질층, 및 상기 양극 활물질층 및 상기 음극 활물질층 사이에 배치된 전해질을 포함하는 전지를 조립하는 단계를 포함하는, 나트륨-황 전지 제조방법.Preparing a positive electrode active material layer using the sulfur-carbon composite obtained through the method of preparing a sulfur-carbon composite according to any one of claims 1 to 6; and
Assembling a battery including the positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer in which an oxidation reaction of sodium occurs during discharge, and an electrolyte disposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer, manufacturing a sodium-sulfur battery method.
상기 양극 활물질층은 도전재와 바인더를 더 포함하는, 나트륨-황 전지 제조방법.According to claim 7,
The cathode active material layer further comprises a conductive material and a binder, sodium-sulfur battery manufacturing method.
상기 전해질은 유기 용매 내에 나트륨염이 용해된 것인, 나트륨-황 전지 제조방법.According to claim 7,
The electrolyte is a method of manufacturing a sodium-sulfur battery in which a sodium salt is dissolved in an organic solvent.
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E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |