KR20230089021A - Electrolyte for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an electrolyte for a lithium-sulfur battery and a lithium-sulfur battery including the same. The electrolyte for a lithium-sulfur battery includes: lithium salt; an organic solvent; and an additive. The organic solvent is a three-component solvent mixture including a cyclic ether compound, a linear ether compound, and a heterocyclic compound. The present invention increases the stability of an electrolyte to suppress the formation of a lithium dendrite and to improve the lifespan of a battery.

Description

리튬-황 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬-황 전지{ELECTROLYTE FOR LITHIUM-SULFUR BATTERY AND LITHIUM-SULFUR BATTERY COMPRISING THE SAME}Electrolyte for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery containing the same

본 발명은 리튬-황 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬-황 전지에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolyte solution for a lithium-sulfur battery and a lithium-sulfur battery including the same.

이차전지가 활용되는 범위가 소형의 휴대형 전자기기부터 중대형의 전기 자동차(Electric vehicle; EV), 에너지 저장 장치(Energy Storage System, ESS), 전기선박 등으로 확장되면서, 고 용량, 고 에너지 밀도 및 긴 수명을 갖는 리튬 이차전지에 대한 수요가 급증하고 있다.As the range of utilization of secondary batteries has expanded from small portable electronic devices to mid-to-large sized electric vehicles (EV), energy storage systems (ESS), and electric ships, high capacity, high energy density and long Demand for a lithium secondary battery having a lifespan is rapidly increasing.

리튬 금속은 이론적으로 3,860mAh/g의 매우 높은 비용량(Specific capacity)을 가지며, 음극재로써 전위가 낮고, 밀도가 매우 작다는 점에서, 전지의 음극으로 사용하려는 다양한 시도가 있어 왔다.Lithium metal has theoretically a very high specific capacity of 3,860 mAh/g, has a low potential as an anode material, and has a very low density, so various attempts have been made to use it as a negative electrode of a battery.

그 중에서도 리튬-황 이차전지는 'S-S 결합(Sulfur-Sulfur Bond)'을 갖는 황 계열 물질을 양극 활물질로, 리튬 금속을 음극 활물질로 사용하는 전지 시스템을 의미한다. 상기 양극 활물질의 주재료인 황은 낮은 원자당 무게를 가지면서도 자원이 풍부하여, 수급이 용이할 뿐 아니라 가격이 저렴하여 전지의 제조단가를 낮출 수 있고, 독성이 없어 환경 친화적이라는 점에서 특성을 가진다.Among them, the lithium-sulfur secondary battery refers to a battery system that uses a sulfur-based material having a 'S-S bond' as a positive electrode active material and lithium metal as a negative electrode active material. Sulfur, the main material of the positive electrode active material, has characteristics in that it has a low weight per atom, is abundant in resources, is easy to supply and demand is cheap, can lower the manufacturing cost of a battery, and is environmentally friendly because it is non-toxic.

특히, 리튬-황 이차전지는 이론 방전용량이 1,675mAh/g-sulfur이며, 이론상으로는 무게 대비 2,600Wh/kg의 높은 에너지 저장 밀도를 구현할 수 있기 때문에, 현재 연구되고 있는 다른 전지 시스템 (Ni-MH 전지: 450 Wh/kg, Li-FeS 전지: 480 Wh/kg, Li-MnO2 전지: 1,000 Wh/kg, Na-S 전지: 800 Wh/kg) 및 리튬 이온 전지(250 Wh/kg)의 이론 에너지 밀도에 비하여 매우 높은 수치를 가지기 때문에 현재까지 개발되고 있는 중대형의 이차전지 시장에서 큰 주목을 받고 있다.In particular, since the lithium-sulfur secondary battery has a theoretical discharge capacity of 1,675 mAh/g-sulfur and can theoretically realize a high energy storage density of 2,600 Wh/kg compared to its weight, other battery systems currently being researched (Ni-MH cell: 450 Wh/kg, Li-FeS cell: 480 Wh/kg, Li-MnO 2 cell: 1,000 Wh/kg, Na-S cell: 800 Wh/kg) and Li-ion cell (250 Wh/kg) theory Since it has a very high value compared to the energy density, it is receiving great attention in the medium and large-sized secondary battery market that is currently being developed.

상기 리튬-황 이차전지의 수명에 영향을 미치는 요인으로 리튬 음극의 퇴화를 들 수 있으며, 이는 양극 활물질과의 반응이나 전해액과의 반응 등이 원인이 되어 발생할 수 있다. 상기 음극의 퇴화는 결과적으로 덴드라이트를 형성시키고 쿨롱 효율(Coulombic Efficiency, C.E)을 저하시키는 문제점이 지적되어 왔다. 특히 덴드라이트가 1차원의 형태로 형성되면 기공을 포함하는 분리막을 통하여 Internal short circuit이 발생하여, 전해액의 연소에 따른 안전이나 수명 감소의 문제점이 발생할 수 있다.Deterioration of the lithium negative electrode may be mentioned as a factor affecting the lifespan of the lithium-sulfur secondary battery, which may occur due to a reaction with a positive electrode active material or a reaction with an electrolyte. It has been pointed out that the deterioration of the negative electrode results in the formation of dendrites and a decrease in Coulombic Efficiency (C.E). In particular, when dendrites are formed in a one-dimensional form, an internal short circuit may occur through a separator including pores, which may cause problems in safety or lifespan reduction due to combustion of the electrolyte.

따라서, 상기 덴드라이트 현상에 따른 리튬-황 전지의 문제점을 개선하기 위하여, 음극 표면에 균일하게 리튬을 증착(plating) 및 박리(stripping)시켜 덴드라이트의 형성을 억제하기 위한 연구가 필요한 실정이다.Therefore, in order to improve the problem of the lithium-sulfur battery due to the dendrite phenomenon, research is needed to suppress the formation of dendrites by uniformly depositing and stripping lithium on the surface of the negative electrode.

대한민국 공개특허공보 제10-2019-0119963호 "전해액 첨가제, 이를 포함한 전해질, 상기 전해질을 포함한 양극, 상기 양극을 포함하는 리튬공기전지"Korean Patent Publication No. 10-2019-0119963 "Electrolyte additive, electrolyte including the same, positive electrode including the electrolyte, lithium-air battery including the positive electrode"

리튬계 금속을 음극으로 사용하는 리튬-황 전지에 있어서, 음극 표면에서 리튬 덴드라이트가 형성되고, 전해액 분해가 지속적으로 발생하여 리튬-황 전지의 성능이 저하된다. 이에 본 발명자는 새로운 방식으로 리튬 전극에 보호층을 형성하는 연구를 다각적으로 수행한 결과, 3성분계 용매 혼합물을 포함하는 전해액의 사용을 통해 이를 해결할 수 있음을 알아내어 본 발명을 완성하였다.In a lithium-sulfur battery using a lithium-based metal as an anode, lithium dendrites are formed on the surface of the anode, and electrolyte decomposition continuously occurs, resulting in deterioration in performance of the lithium-sulfur battery. Accordingly, the inventors of the present invention completed the present invention by finding that it can be solved through the use of an electrolyte solution containing a three-component solvent mixture as a result of conducting research on forming a protective layer on a lithium electrode in a new way.

따라서, 본 발명은 리튬-황 전지용 전해액을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrolyte solution for a lithium-sulfur battery.

또한, 본 발명은 상기 전해액을 포함하는 리튬-황 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a lithium-sulfur battery including the electrolyte solution.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 리튬염, 유기용매 및 첨가제를 포함하는 리튬-황 전지용 전해액에 있어서, 상기 유기용매는 고리형 에테르 화합물, 선형 에테르 화합물 및 헤테로 고리 화합물을 포함하는 3성분계 용매 혼합물인, 리튬-황 전지용 전해액을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an electrolyte solution for a lithium-sulfur battery comprising a lithium salt, an organic solvent and an additive, wherein the organic solvent is a three-component solvent comprising a cyclic ether compound, a linear ether compound and a heterocyclic compound. An electrolyte solution for a lithium-sulfur battery, which is a mixture, is provided.

또한, 본 발명은 양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막; 및 전해액을 포함하는 리튬-황 전지로서, 상기 음극은 리튬계 금속이고, 상기 전해액은 상기 본 발명에 따른 전해액인 리튬-황 전지를 제공한다.In addition, the present invention is a positive electrode; cathode; a separator interposed between the anode and the cathode; and an electrolyte solution, wherein the negative electrode is a lithium-based metal, and the electrolyte solution is an electrolyte solution according to the present invention.

본 발명에 따른 리튬-황 전지는 전해액 내 3성분계 용매 혼합물을 포함하여 리튬계 금속인 음극 표면에서 고리 열림 중합반응 (ring opening polymerization)을 통해 보호막을 형성하고, 전해액의 안정성을 높여, 리튬 덴드라이트 생성을 억제하고, 전지의 수명을 향상시키는 효과를 가질 수 있다.The lithium-sulfur battery according to the present invention includes a three-component solvent mixture in the electrolyte to form a protective film through ring opening polymerization on the surface of a lithium-based metal anode, enhances the stability of the electrolyte, and It can have the effect of suppressing generation and improving the lifespan of a battery.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬-황 전지의 수명 특성을 측정한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬-황 전지의 수명 특성을 측정한 그래프이다.
1 is a graph measuring lifespan characteristics of a lithium-sulfur battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph measuring lifespan characteristics of a lithium-sulfur battery according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

리튬 이차전지의 조기 퇴화의 주요 원인으로는 리튬계 음극의 효율 저하를 들 수 있다. 음극으로 리튬계 금속을 사용하는 경우, 불균일한 산화층(native oxide layer)으로 인하여 반응이 불균일할 뿐만 아니라, 충전(Li plating)시 덴드라이트가 성장하여 데드 리튬(dead Li)이 쉽게 발생하고, 반응에 참여할 수 있는 리튬이 소모되어 리튬계 음극의 효율이 저하된다.A major cause of early deterioration of a lithium secondary battery is a decrease in efficiency of a lithium-based negative electrode. When a lithium-based metal is used as an anode, not only the reaction is non-uniform due to the non-uniform native oxide layer, but also dendrites grow during charging (Li plating) and dead Li is easily generated, and the reaction Lithium that can participate in is consumed, and the efficiency of the lithium-based negative electrode is lowered.

리튬계 금속 표면의 균일한 반응성을 확보하고, 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하기 위하여 리튬계 금속층 상에 보호막, 전도성 호스트 매트릭스(host matrix) 등을 형성하는 방법 등이 시도되고 있다. 상기 보호막의 경우, 리튬 덴드라이트를 억제하기 위한 높은 기계적 강도와 리튬 이온 전달을 위한 높은 이온 전도도가 동시에 필요하지만, 상기 기계적 강도 및 이온 전도도는 서로 상충 관계(trade-off)에 있어 기계적 강도 및 이온 전도도를 동시에 향상시키기에는 어려움이 따른다.Methods of forming a protective film, a conductive host matrix, and the like on a lithium-based metal layer have been attempted to ensure uniform reactivity of the surface of the lithium-based metal and suppress growth of lithium-based metal. In the case of the protective film, high mechanical strength for suppressing lithium dendrites and high ionic conductivity for lithium ion transfer are required at the same time, but the mechanical strength and ionic conductivity are in a trade-off relationship with each other, so mechanical strength and ion It is difficult to simultaneously improve the conductivity.

본 발명에서는 3성분계 용매 혼합물을 포함하는 리튬-황 전지용 전해액을 사용함으로써, 음극인 리튬계 금속 표면에 별도의 보호막을 형성하지 않아도 초기 방전 단계에서 상기 전해액에 포함된 고리형 에테르 화합물의 고리 열림 중합반응으로 인하여 리튬계 금속의 표면에 고분자 보호막을 형성하여 리튬계 금속의 반응 균일성 증대, 리튬 덴드라이트 생성의 억제 및 전지의 수명 특성을 개선할 수 있는 리튬-황 전지용 전해액을 제공하고자 한다.In the present invention, by using an electrolyte solution for a lithium-sulfur battery containing a three-component solvent mixture, ring-opening polymerization of a cyclic ether compound included in the electrolyte solution in the initial discharge step without forming a separate protective film on the surface of a lithium-based metal, which is an anode. It is intended to provide an electrolyte solution for a lithium-sulfur battery capable of forming a polymer protective film on the surface of the lithium-based metal due to the reaction to increase the reaction uniformity of the lithium-based metal, suppress the generation of lithium dendrites, and improve the lifespan characteristics of the battery.

리튬-황 전지용 전해액Electrolyte for lithium-sulfur batteries

본 발명은 리튬염; 유기용매 및 첨가제를 포함하는 리튬-황 전지용 전해액에 있어서, 상기 유기용매는 고리형 에테르 화합물, 선형 에테르 화합물 및 헤테로 고리 화합물을 포함하는 3성분계 용매 혼합물인, 리튬-황 전지용 전해액에 관한 것이다.The present invention is a lithium salt; An electrolyte solution for a lithium-sulfur battery including an organic solvent and an additive, wherein the organic solvent is a three-component solvent mixture including a cyclic ether compound, a linear ether compound, and a heterocyclic compound.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 고리형 에테르 화합물은 1,3-디옥솔란, 2-메틸-1,3-디옥솔란, 2,2-디메틸-1,3-디옥솔란, 2-에틸-2-메틸-1,3-디옥솔란, 4-메틸-1,3-디옥솔란, 4-에틸-1,3-디옥솔란, 4,5-디메틸-1,3-디옥솔란 및 4,5-디에틸-1,3-디옥솔란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cyclic ether compound is 1,3-dioxolane, 2-methyl-1,3-dioxolane, 2,2-dimethyl-1,3-dioxolane, 2-ethyl-2 -Methyl-1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 4-ethyl-1,3-dioxolane, 4,5-dimethyl-1,3-dioxolane and 4,5-di It may include at least one selected from the group consisting of ethyl-1,3-dioxolane.

본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 상기 고리형 에테르 화합물은 2-메틸-1,3-디옥솔란을 포함할 수 있다.In another embodiment of the present invention, the cyclic ether compound may include 2-methyl-1,3-dioxolane.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 선형 에테르 화합물은 디메톡시메탄, 트리메톡시메탄, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 디메톡시프로판, 디에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 에틸렌글리콜 디비닐에테르, 디에틸렌글리콜 디비닐에테르, 트리에틸렌글리콜 디비닐에테르, 디프로필렌 글리콜 디메틸렌 에테르, 부틸렌 글리콜 에테르, 디에틸렌글리콜 에틸메틸에테르, 디에틸렌글리콜 이소프로필메틸에테르, 디에틸렌글리콜 부틸메틸에테르, 디에틸렌글리콜 터트부틸에틸에테르 및 에틸렌글리콜 에틸메틸에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the linear ether compound is dimethoxymethane, trimethoxymethane, dimethoxyethane, diethoxyethane, dimethoxypropane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol Dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol divinyl ether, diethylene glycol divinyl ether, triethylene glycol divinyl ether, dipropylene glycol dimethyl ether, butylene glycol ether, diethylene glycol ethylmethyl ether, diethylene It may include at least one selected from the group consisting of glycol isopropyl methyl ether, diethylene glycol butyl methyl ether, diethylene glycol tert-butyl ethyl ether, and ethylene glycol ethyl methyl ether.

본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 상기 선형 에테르 화합물은 디메톡시메탄, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 디메톡시프로판, 디에틸렌글리콜 에틸메틸에테르 및 에틸렌글리콜 에틸메틸에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.In another embodiment of the present invention, the linear ether compound is one selected from the group consisting of dimethoxymethane, dimethoxyethane, diethoxyethane, dimethoxypropane, diethylene glycol ethylmethyl ether and ethylene glycol ethylmethyl ether may contain more than

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 헤테로 고리 화합물은 퓨란, 2-메틸퓨란, 3-메틸퓨란, 2-에틸퓨란, 3-에틸퓨란, 2-프로필퓨란, 3-프로필퓨란, 2-뷰틸퓨란, 3-뷰틸퓨란, 2,3-디메틸퓨란, 2,4-디메틸퓨란, 2,5-디메틸퓨란, 피란, 2-메틸피란, 3-메틸피란, 4-메틸피란 및 벤조퓨란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heterocyclic compound is furan, 2-methylfuran, 3-methylfuran, 2-ethylfuran, 3-ethylfuran, 2-propylfuran, 3-propylfuran, 2-butylfuran , 3-butylfuran, 2,3-dimethylfuran, 2,4-dimethylfuran, 2,5-dimethylfuran, pyran, 2-methylpyran, 3-methylpyran, 4-methylpyran and benzofuran One or more selected species may be included.

본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 상기 헤테로 고리 화합물은 2-메틸퓨란, 3-메틸퓨란, 2,3-디메틸퓨란, 2,4-디메틸퓨란 및 2,5-디메틸퓨란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.In another embodiment of the present invention, the heterocyclic compound is selected from the group consisting of 2-methylfuran, 3-methylfuran, 2,3-dimethylfuran, 2,4-dimethylfuran and 2,5-dimethylfuran One or more may be included.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 유기용매는 고리형 에테르 화합물, 선형 에테르 화합물 및 헤테로 고리 화합물을 포함하는 3성분계 용매 혼합물일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the organic solvent may be a three-component solvent mixture including a cyclic ether compound, a linear ether compound, and a heterocyclic compound.

본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 상기 용매 혼합물은 상기 유기용매 100 부피비에 대하여, 고리형 에테르 화합물 및 헤테로 고리 화합물이 10 내지 40 부피비로 포함할 수 있다.In another embodiment of the present invention, the solvent mixture may include a cyclic ether compound and a heterocyclic compound in an amount of 10 to 40% by volume based on 100% by volume of the organic solvent.

본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 상기 용매 혼합물은 상기 유기용매 100 부피비에 대하여, 고리형 에테르 화합물 및 헤테로 고리 화합물이 20 내지 30 부피비로 포함할 수 있다.In another embodiment of the present invention, the solvent mixture may include a cyclic ether compound and a heterocyclic compound in an amount of 20 to 30% by volume based on 100% by volume of the organic solvent.

상기 용매 혼합물이 고리형 에테르 화합물 및 헤테로 고리 화합물을 10 부피비 미만으로 포함하면, 선형 에테르 화합물의 함량이 상대적으로 높아지므로, 폴리설파이드의 용해도가 증가하여 부반응 증가 및 전지의 수명이 감소하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 용매 혼합물이 고리형 에테르 화합물 및 헤테로 고리 화합물을 40 부피비 초과하여 포함하면, 상기 유기용매의 점도가 증가하여 전지의 수명이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.When the solvent mixture contains a cyclic ether compound and a heterocyclic compound in a volume ratio of less than 10, the content of the linear ether compound is relatively high, so that the solubility of polysulfide increases, causing problems such as increased side reactions and reduced battery life. can In addition, when the solvent mixture includes the cyclic ether compound and the heterocyclic compound in a volume ratio of more than 40, the viscosity of the organic solvent increases, thereby reducing battery life.

본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 상기 용매 혼합물은 상기 유기용매 100 부피비에 대하여, 고리형 에테르 화합물이 10 내지 20 부피비 및 헤테로 고리 화합물이 20 내지 10 부피비로 포함할 수 있다.In another embodiment of the present invention, the solvent mixture may include a cyclic ether compound in an amount of 10 to 20 and a heterocyclic compound in an amount of 20 to 10 by volume, based on 100% by volume of the organic solvent.

상기 용매 혼합물이 고리형 에테르 화합물 또는 헤테로 고리 화합물을 10 부피비 미만으로 포함하면, 리튬계 금속 표면에 보호막의 형성이 이루어지지 않을 수 있고, 상기 용매 혼합물이 고리형 에테르 화합물 또는 헤테로 고리 화합물을 20 부피비 초과하여 포함하면, 상기 유기 용매의 점도가 증가하여 전지의 수명이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.If the solvent mixture contains the cyclic ether compound or the heterocyclic compound in an amount of less than 10% by volume, the protective film may not be formed on the surface of the lithium-based metal, and the solvent mixture contains the cyclic ether compound or the heterocyclic compound in an amount of 20% by volume. If it is included in excess, the viscosity of the organic solvent may increase, resulting in a decrease in the lifespan of the battery.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 용매 혼합물을 포함하는 리튬-황 전지용 전해액을 사용하면, 전지의 초기 방전 단계에서 고리형 에테르 화합물의 고리 열림 중합반응(ring opening polymerization)에 의해 리튬계 금속의 표면에 보호막(solid electrolyte interface, SEI층)이 형성됨으로써 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.In one embodiment of the present invention, when the electrolyte solution for a lithium-sulfur battery containing the solvent mixture is used, in the initial discharge stage of the battery, a ring opening polymerization of a cyclic ether compound is used to form a lithium-based metal. Formation of a solid electrolyte interface (SEI layer) on the surface can suppress the generation of lithium dendrites, and furthermore, by reducing electrolyte decomposition and subsequent side reactions on the surface of lithium-based metals, the lifespan of lithium-sulfur batteries is improved. can improve

본 발명의 리튬-황 전지용 전해액은 이온 전도성을 증가시키기 위해 전해질염으로 리튬염을 포함할 수 있다. 상기 리튬염은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 해당 기술분야에서 통상적으로 사용 가능한 것이라면 제한없이 사용될 수 있다. The electrolyte solution for a lithium-sulfur battery of the present invention may include a lithium salt as an electrolyte salt to increase ionic conductivity. The lithium salt is not particularly limited in the present invention, and can be used without limitation as long as it is commonly available in the art.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiB(Ph)4, LiC4BO8, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, LiSO3CH3, LiSO3CF3, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2 및 LiN(SO2F)2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the lithium salt is LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiB(Ph) 4 , LiC 4 BO 8 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , LiSO 3 CH 3 , LiSO 3 CF 3 , LiSCN, LiC(CF 3 SO 2 ) 3 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 and LiN(SO 2 F) 2 may include one or more selected from the group consisting of.

본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 상기 리튬염은 LiN(SO2F)2 (LiFSI)일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the lithium salt may be LiN(SO 2 F) 2 (LiFSI).

상기 리튬염의 농도는, 전해액에 포함된 혼합물의 정확한 조성, 염의 용해도, 용해된 염의 전도성, 전지의 충전 및 방전 조건, 작업 온도 및 리튬 배터리 분야에 공지된 다른 요인과 같은 여러 요인에 따라, 0.1 ~ 5.0 M, 바람직하게는 0.2 ~ 3.0 M, 더욱 구체적으로 0.5 ~ 2.5 M일 수 있다. 0.1 M 미만으로 사용하면 전해액의 전도도가 낮아져서 전해액 성능이 저하될 수 있고, 5.0 M을 초과하여 사용하면 전해액의 점도가 증가하여 리튬 이온(Li+)의 이동성이 감소될 수 있다.The concentration of the lithium salt depends on several factors, such as the precise composition of the mixture in the electrolyte, the solubility of the salt, the conductivity of the dissolved salt, the charging and discharging conditions of the battery, the operating temperature and other factors known in the lithium battery art, ranging from 0.1 to 0.1 5.0 M, preferably 0.2 to 3.0 M, more specifically 0.5 to 2.5 M. If less than 0.1 M is used, the conductivity of the electrolyte may be lowered, resulting in deterioration in electrolyte performance, and if more than 5.0 M is used, the viscosity of the electrolyte may increase and the mobility of lithium ions (Li+) may be reduced.

본 발명의 리튬-황 전지용 전해액은 전술한 조성 이외에 해당 기술분야에서 통상적으로 사용되는 첨가제를 포함할 수 있다. The electrolyte solution for a lithium-sulfur battery of the present invention may include additives commonly used in the art in addition to the above-described composition.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 첨가제는 질산리튬(LiNO3), 질산칼륨(KNO3), 질산세슘(CsNO3), 질산마그네슘(MgNO3), 질산바륨(BaNO3), 아질산리튬(LiNO2), 아질산칼륨(KNO2), 아질산세슘(CsNO2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the additive is lithium nitrate (LiNO 3 ), potassium nitrate (KNO 3 ), cesium nitrate (CsNO 3 ), magnesium nitrate (MgNO 3 ), barium nitrate (BaNO 3 ), lithium nitrite ( LiNO 2 ), potassium nitrite (KNO 2 ), cesium nitrite (CsNO 2 ), and may include one selected from the group consisting of combinations thereof.

본 발명에 따른 리튬-황 전지용 전해액의 제조방법은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 당업계에서 공지된 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있다.The method for preparing the electrolyte for a lithium-sulfur battery according to the present invention is not particularly limited in the present invention, and may be prepared by a conventional method known in the art.

리튬-황 전지lithium-sulfur battery

본 발명에 따른 리튬-황 전지는 양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막; 및 전해액;을 포함하고, 상기 음극은 리튬계 금속이며, 상기 전해액은 상술한 본 발명에 따른 리튬-황 전지용 전해액에 관한 것이다.A lithium-sulfur battery according to the present invention includes a positive electrode; cathode; a separator interposed between the anode and the cathode; and an electrolyte solution, wherein the negative electrode is a lithium-based metal, and the electrolyte solution relates to the above-described electrolyte solution for a lithium-sulfur battery according to the present invention.

본 발명의 리튬-황 전지용 전해액은 상술한 본 발명의 리튬-황 전지용 전해액이다.The electrolyte solution for a lithium-sulfur battery of the present invention is the above-described electrolyte solution for a lithium-sulfur battery of the present invention.

상기 고분자 보호막은 전지의 초기 방전 단계에서 상술한 전해액에 포함된 고리형 에테르 화합물의 고리 열림 중합반응(ring opening polymerization)에 의해 리튬계 금속 표면에 고분자 보호막이 형성되는 것이다.The polymer protective film is formed on the surface of the lithium-based metal by ring opening polymerization of the cyclic ether compound contained in the above-described electrolyte solution in the initial discharge stage of the battery.

상기 형성된 고분자 보호막으로 인하여 음극인 리튬계 금속 표면에서 리튬 덴드라이트 생성을 억제시킬 수 있으며, 전해액의 분해를 방지할 수 있어 리튬-황 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.Due to the formed polymer protective film, it is possible to suppress generation of lithium dendrites on the surface of a lithium-based metal, which is an anode, and to prevent decomposition of an electrolyte solution, thereby improving lifespan characteristics of a lithium-sulfur battery.

상기 양극은 양극 집전체와 상기 양극 집전체의 일면 또는 양면에 도포된 양극 활물질층을 포함할 수 있다.The positive electrode may include a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer coated on one or both surfaces of the positive electrode current collector.

상기 양극 집전체는 양극 활물질을 지지하며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 팔라듐, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸 표면에 카본, 니켈, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.The cathode current collector supports the cathode active material and is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery. For example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, palladium, calcined carbon, copper or stainless steel surface treated with carbon, nickel, silver, etc., aluminum-cadmium alloy, etc. may be used.

상기 양극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질과의 결합력을 강화시킬 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 메쉬, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태를 사용할 수 있다.The cathode current collector may form fine irregularities on its surface to enhance bonding strength with the cathode active material, and various forms such as films, sheets, foils, meshes, nets, porous materials, foams, and nonwoven fabrics may be used.

상기 양극 활물질층은 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함할 수 있다.The cathode active material layer may include a cathode active material, a binder, and a conductive material.

상기 양극 활물질은 황 원소(Elemental sulfur, S8), 유기황 화합물 Li2Sn(n

Figure pat00001
1) 및 탄소-황 폴리머((C2Sx)n: x=2.5 ~ 50, n
Figure pat00002
2) 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 무기 황(S8)을 사용할 수 있다.The cathode active material is elemental sulfur (S 8 ), an organosulfur compound Li 2 S n (n
Figure pat00001
1) and carbon-sulfur polymer ((C 2 S x ) n : x=2.5 to 50, n
Figure pat00002
2) may be one or more selected from the group consisting of Preferably, inorganic sulfur (S 8 ) may be used.

상기 양극 활물질에 포함되는 황의 경우 단독으로는 전기 전도성이 없기 때문에 탄소재와 같은 전도성 소재와 복합화하여 사용된다. 이에 따라, 상기 황은 황-탄소 복합체의 형태로 포함되며, 바람직하게는, 상기 양극 활물질은 황-탄소 복합체일 수 있다.Since sulfur included in the cathode active material does not have electrical conductivity alone, it is used in combination with a conductive material such as a carbon material. Accordingly, the sulfur is included in the form of a sulfur-carbon complex, and preferably, the cathode active material may be a sulfur-carbon complex.

상기 황-탄소 복합체에 포함되는 탄소는 다공성 탄소재로 상기 황이 균일하고 안정적으로 고정될 수 있는 골격을 제공하며, 황의 낮은 전기 전도도를 보완하여 전기화학적 반응이 원활하게 진행될 수 있도록 한다.The carbon included in the sulfur-carbon composite is a porous carbon material and provides a skeleton to which the sulfur can be uniformly and stably fixed, and complements the low electrical conductivity of sulfur so that the electrochemical reaction can proceed smoothly.

상기 다공성 탄소재는 일반적으로 다양한 탄소 재질의 전구체를 탄화시킴으로써 제조될 수 있다. 상기 다공성 탄소재는 내부에 일정하지 않은 기공을 포함하며, 상기 기공의 평균 직경은 1 내지 200 ㎚ 범위이며, 기공도 또는 공극률은 다공성 탄소재 전체 체적의 10 내지 90 % 범위일 수 있다. 만일 상기 기공의 평균 직경이 상기 범위 미만인 경우 기공 크기가 분자 수준에 불과하여 황의 함침이 불가능하며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 다공성 탄소재의 기계적 강도가 약화되어 전극의 제조공정에 적용하기에 바람직하지 않다.The porous carbon material may be generally prepared by carbonizing various carbon precursors. The porous carbon material includes irregular pores therein, the average diameter of the pores is in the range of 1 to 200 nm, and the porosity or porosity may be in the range of 10 to 90% of the total volume of the porous carbon material. If the average diameter of the pores is less than the above range, the pore size is only at the molecular level, and sulfur impregnation is impossible. Not desirable.

상기 다공성 탄소재의 형태는 구형, 봉형, 침상형, 판상형, 튜브형 또는 벌크형으로 리튬-황 전지에 통상적으로 사용되는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다.The shape of the porous carbon material is spherical, rod-shaped, needle-shaped, plate-shaped, tubular, or bulk, and may be used without limitation as long as it is commonly used in lithium-sulfur batteries.

상기 다공성 탄소재는 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, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본 블랙; 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT) 등의 탄소 나노튜브(CNT); 그라파이트 나노파이버(GNF), 카본 나노파이버(CNF), 활성화 탄소 파이버(ACF) 등의 탄소 섬유; 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연 등의 흑연 및 활성탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The porous carbon material may have a porous structure or a high specific surface area and may be any one commonly used in the art. For example, the porous carbon material includes graphite; graphene; Carbon black, such as Denka black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; carbon nanotubes (CNTs) such as single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs); carbon fibers such as graphite nanofibers (GNF), carbon nanofibers (CNF), and activated carbon fibers (ACF); It may be at least one selected from the group consisting of natural graphite, artificial graphite, graphite such as expanded graphite, and activated carbon, but is not limited thereto.

상기 황-탄소 복합체의 제조방법은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며 당 업계에서 통상적으로 사용되는 방법이 사용될 수 있다.The manufacturing method of the sulfur-carbon composite is not particularly limited in the present invention, and a method commonly used in the art may be used.

상기 양극은 상기 양극 활물질 이외에 전이금속 원소, ²A족 원소, ₃A족 원소, 이들 원소들의 황 화합물, 및 이들 원소들과 황의 합금 중에서 선택되는 하나 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.The positive electrode may further include one or more additives selected from a transition metal element, a group ²A element, a group ₃A element, a sulfur compound of these elements, and an alloy of these elements and sulfur, in addition to the positive electrode active material.

상기 전이금속 원소로는 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au 또는 Hg 등이 포함되고, 상기 ²A족 원소로는 Al, Ga, In, Ti 등이 포함되며, 상기 ₃A족 원소로는 Ge, Sn, Pb 등이 포함될 수 있다.The transition metal elements include Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au or Hg and the like are included, the ²A group elements include Al, Ga, In, Ti, and the like, and the ₃A group elements may include Ge, Sn, Pb, and the like.

상기 바인더는 양극 활물질을 양극 집전체에 유지시키고, 양극 활물질 사이를 유기적으로 연결시켜 이들 간의 결착력을 보다 높이는 것으로, 당해 업계에서 공지된 모든 바인더를 사용할 수 있다.The binder maintains the positive electrode active material in the positive electrode current collector and organically connects the positive electrode active materials to further increase the bonding strength between them, and all binders known in the art may be used.

예를 들어 상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVdF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는 불소 수지계 바인더; 스티렌-부타디엔 고무(styrene butadiene rubber, SBR), 아크릴로니트릴-부티디엔 고무, 스티렌-이소프렌 고무를 포함하는 고무계 바인더; 카르복시메틸셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose, CMC), 전분, 히드록시 프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로오스를 포함하는 셀룰로오스계 바인더; 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA)을 포함하는 폴리 알코올계 바인더; 폴리아크릴산(polyacrylic acid, PAA)을 포함하는 폴리아크릴계 바인더; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌를 포함하는 폴리 올레핀계 바인더; 폴리 이미드계 바인더; 폴리 에스테르계 바인더; 및 실란계 바인더;로 이루어진 군으로부터 선택된 1종, 2종 이상의 혼합물 또는 공중합체를 사용할 수 있다.For example, the binder may be a fluororesin-based binder including polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE); rubber-based binders including styrene-butadiene rubber (SBR), acrylonitrile-butadiene rubber, and styrene-isoprene rubber; cellulosic binders including carboxyl methyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, and regenerated cellulose; A polyalcohol-based binder including polyvinyl alcohol (PVA); A polyacrylic binder containing polyacrylic acid (PAA); polyolefin binders including polyethylene and polypropylene; polyimide-based binders; polyester-based binder; And a silane-based binder; one selected from the group consisting of, two or more mixtures or copolymers may be used.

상기 도전재는 전해액과 양극 활물질을 전기적으로 연결시켜 주어 집전체(current collector)로부터 전자가 양극 활물질까지 이동하는 경로의 역할을 하는 물질로서, 도전성을 갖는 것이라면 제한없이 사용할 수 있다.The conductive material serves as a path for electrons to move from a current collector to the positive electrode active material by electrically connecting the electrolyte and the positive electrode active material, and any conductive material may be used without limitation.

예를 들어, 상기 도전재로는 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 슈퍼 P(Super-P), 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본 블랙; 탄소 나노튜브, 플러렌 등의 탄소 유도체; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말 또는 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 등의 전도성 고분자를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.For example, the conductive material may include graphite such as natural graphite and artificial graphite; carbon blacks such as Super-P, Denka Black, Acetylene Black, Ketjen Black, Channel Black, Furnace Black, Lamp Black, and Summer Black; carbon derivatives such as carbon nanotubes and fullerenes; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; fluorinated carbon; A metal powder such as aluminum or nickel powder or a conductive polymer such as polyaniline, polythiophene, polyacetylene, or polypyrrole may be used alone or in combination.

상기 양극의 제조방법은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며 당 업계에서 통상적으로 사용되는 방법이 사용될 수 있다. 일례로, 상기 양극은 양극 슬러리 조성물을 제조한 후, 이를 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 도포함으로써 제조된 것일 수 있다.The manufacturing method of the positive electrode is not particularly limited in the present invention, and a method commonly used in the art may be used. For example, the positive electrode may be manufactured by preparing a positive electrode slurry composition and then applying the positive electrode slurry composition to at least one surface of the positive electrode current collector.

상기 양극 슬러리 조성물은 전술한 바의 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하며, 이외 용매를 더 포함할 수 있다.The positive electrode slurry composition includes the above-described positive electrode active material, conductive material, and binder, and may further include a solvent other than that.

상기 용매로는 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 균일하게 분산시킬 수 있는 것을 사용한다. 이러한 용매로는 수계 용매로서 물이 가장 바람직하며, 이때 물은 증류수(distilled water), 탈이온수(deionzied water)일 수 있다. 다만 반드시 이에 한정하는 것은 아니며, 필요한 경우 물과 쉽게 혼합이 가능한 저급 알코올이 사용될 수 있다. 상기 저급 알코올로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올 및 부탄올 등이 있으며, 바람직하기로 이들은 물과 함께 혼합하여 사용될 수 있다.As the solvent, one capable of uniformly dispersing the cathode active material, the conductive material, and the binder is used. As such a solvent, water is most preferable as an aqueous solvent, and in this case, the water may be distilled water or deionized water. However, it is not necessarily limited to this, and if necessary, a lower alcohol that can be easily mixed with water may be used. The lower alcohol includes methanol, ethanol, propanol, isopropanol, and butanol, and the like, preferably mixed with water.

상기 양극에서 황의 로딩량은 1 내지 10 mAh/cm2, 바람직하게는 1 내지 6 mAh/cm2 일 수 있다.The loading amount of sulfur in the positive electrode may be 1 to 10 mAh/cm 2 , preferably 1 to 6 mAh/cm 2 .

상기와 같은 양극은 통상의 방법에 따라 제조될 수 있으며, 구체적으로는 양극 활물질과 도전재 및 바인더를 유기 용매 상에서 혼합하여 제조한 슬러리 상태의 양극 활물질층 형성용 조성물을 집전체 위에 도포 및 건조하고, 선택적으로 전극 밀도의 향상을 위하여 집전체에 압축 성형하여 제조할 수 있다. 이때 상기 유기 용매로는 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 균일하게 분산시킬 수 있으며, 쉽게 증발되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란, 물, 이소프로필알코올 등을 들 수 있다.The positive electrode as described above may be prepared according to a conventional method, and specifically, a composition for forming a positive electrode active material layer in a slurry state prepared by mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder in an organic solvent is coated on a current collector and dried. , Optionally, it may be manufactured by compression molding the current collector to improve the electrode density. At this time, as the organic solvent, it is preferable to use an organic solvent capable of uniformly dispersing the cathode active material, the binder, and the conductive material and easily evaporating. Specifically, acetonitrile, methanol, ethanol, tetrahydrofuran, water, isopropyl alcohol, etc. are mentioned.

상기 양극 활물질층 형성용 조성물을 양극 집전체 상에 당업계에 알려진 통상의 방법을 이용하여 코팅할 수 있으며, 예를 들면 딥핑(dipping)법, 스프레이(spray)법, 롤 코트(roll court)법, 그라비아 인쇄법, 바코트(bar court)법, 다이(die) 코팅법, 콤마(comma) 코팅법 또는 이들의 혼합 방식 등 다양한 방식을 이용할 수 있다.The composition for forming the positive electrode active material layer may be coated on the positive electrode current collector using a conventional method known in the art, for example, a dipping method, a spray method, or a roll court method. , A gravure printing method, a bar coat method, a die coating method, a comma coating method, or a combination thereof may be used.

이와 같은 코팅 과정을 거친 양극 활물질층은 이후 건조 과정을 통해 용매나 분산매의 증발, 코팅막의 조밀성 및 코팅막과 집전체와의 밀착성 등이 이루어진다. 이때 건조는 통상적인 방법에 따라 실시되며, 이를 특별히 제한하지 않는다.The positive electrode active material layer that has undergone such a coating process is then evaporated through a drying process to improve the density of the coating film, the adhesion between the coating film and the current collector, and the like. At this time, drying is carried out according to a conventional method, and this is not particularly limited.

상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극집전체의 일면 또는 양면에 도포된 음극 활물질층을 포함할 수 있다.The negative electrode may include a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer coated on one or both surfaces of the negative electrode current collector.

상기 음극은 리튬계 금속이며, 리튬계 금속의 일 측에 집전체를 더욱 포함할 수 있다. 상기 집전체는 음극 집전체가 사용될 수 있다.The negative electrode is a lithium-based metal, and may further include a current collector on one side of the lithium-based metal. An anode current collector may be used as the current collector.

상기 음극 집전체는 음극 활물질층의 지지를 위한 것으로, 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. The anode current collector is for supporting the anode active material layer, and is not particularly limited as long as it does not cause chemical change in the battery and has high conductivity. Copper, aluminum, stainless steel, zinc, titanium, silver, palladium, nickel, It may be selected from the group consisting of iron, chromium, alloys thereof, and combinations thereof. The stainless steel may be surface-treated with carbon, nickel, titanium, or silver, and an aluminum-cadmium alloy may be used as the alloy, and in addition, calcined carbon, a non-conductive polymer surface-treated with a conductive material, or a conductive polymer can also be used.

상기 음극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철이 형성된/미형성된 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 사용될 수 있다.The negative electrode current collector may be formed in various forms such as a film, sheet, foil, net, porous material, foam, non-woven fabric, etc. having fine irregularities/unformed on its surface.

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.In addition, the anode current collector is applied that has a thickness range of 3 to 500 ㎛. If the thickness of the anode current collector is less than 3 μm, the current collecting effect is deteriorated, whereas if the thickness exceeds 500 μm, workability is deteriorated when the cell is assembled by folding.

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.The lithium-based metal may be lithium or a lithium alloy. At this time, the lithium alloy includes elements capable of alloying with lithium, and specifically, lithium and Si, Sn, C, Pt, Ir, Ni, Cu, Ti, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, It may be an alloy with at least one selected from the group consisting of Sr, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, and Al.

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.The lithium-based metal may be in the form of a sheet or foil, and in some cases, lithium or a lithium alloy is deposited or coated on a current collector by a dry process, or metal and alloy on particles are deposited or coated by a wet process. may be in the form of

상기 음극 활물질층은 음극 활물질 이외에 바인더, 도전재 등을 포함할 수 있다. 이때 상기 바인더 및 도전재는 전술한 바를 따른다.The anode active material layer may include a binder, a conductive material, and the like in addition to the anode active material. At this time, the binder and the conductive material are as described above.

상기 음극 활물질은 리튬 (Li+)을 가역적으로 삽입(intercalation) 또는 탈삽입(deintercalation)할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함할 수 있다. The anode active material includes a material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium (Li + ), a material capable of reacting with lithium ions to reversibly form a lithium-containing compound, lithium metal, or a lithium alloy. can include

상기 리튬 이온(Li+)을 가역적으로 삽입 또는 탈삽입할 수 있는 물질은 예컨대 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 리튬 이온(Li+)과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질은 예를 들어, 산화주석, 티타늄나이트레이트 또는 실리콘일 수 있다. 상기 리튬 합금은 예를 들어, 리튬(Li)과 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 알루미늄(Al) 및 주석(Sn)으로 이루어지는 군에서 선택되는 금속의 합금일 수 있다.The material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions (Li + ) may be, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof. A material capable of reversibly forming a lithium-containing compound by reacting with the lithium ion (Li + ) may be, for example, tin oxide, titanium nitrate, or silicon. The lithium alloy is, for example, lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), francium (Fr), beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium ( It may be an alloy of a metal selected from the group consisting of Ca), strontium (Sr), barium (Ba), radium (Ra), aluminum (Al), and tin (Sn).

바람직하게 상기 음극 활물질은 리튬 금속일 수 있으며, 구체적으로, 리튬 금속 박막 또는 리튬 금속 분말의 형태일 수 있다.Preferably, the negative electrode active material may be lithium metal, and specifically, may be in the form of a lithium metal thin film or lithium metal powder.

상기 음극 활물질의 형성방법은 특별히 제한되지 않으며, 당업계에서 통상적으로 사용되는 층 또는 막의 형성방법을 이용할 수 있다. 예컨대 압착, 코팅, 증착 등의 방법을 이용할 수 있다. 또한, 집전체에 리튬 박막이 없는 상태로 전지를 조립한 후 초기 충전에 의해 금속판 상에 금속 리튬 박막이 형성되는 경우도 본 발명의 음극에 포함된다.The method of forming the negative electrode active material is not particularly limited, and a method of forming a layer or film commonly used in the art may be used. For example, methods such as compression, coating, and deposition may be used. In addition, a case in which a metal lithium thin film is formed on a metal plate by initial charging after assembling a battery in a state in which the lithium thin film is not present on the current collector is also included in the negative electrode of the present invention.

상기 전해액은 이를 매개로 상기 양극과 음극에서 전기화학적 산화 또는 환원 반응을 일으키기 위한 것으로, 상기 전술한 바를 따른다.The electrolyte solution is used to cause an electrochemical oxidation or reduction reaction at the anode and the cathode through this, and follows the above description.

상기 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 리튬-황 전지의 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 리튬-황 전지의 조립 전 또는 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.Injection of the electrolyte solution may be performed at an appropriate stage during the manufacturing process of the lithium-sulfur battery according to the manufacturing process and required physical properties of the final product. That is, it may be applied before assembling a lithium-sulfur battery or at a final stage of assembly.

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 저 저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다.A conventional separator may be interposed between the anode and the cathode. The separator is a physical separator having a function of physically separating electrodes, and can be used without particular limitation as long as it is used as a normal separator, and in particular, it is preferable to have low resistance to ion movement of the electrolyte and excellent ability to wet the electrolyte.

또한 상기 분리막은 상기 양극과 음극을 서로 분리 또는 절연시키고, 양극과 음극 사이에 리튬 이온 수송을 가능하게 한다. 이러한 분리막은 다공성이고, 비전도성 또는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 상기 분리막은 통상 리튬-황 전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용 가능하다. 상기 분리막은 필름과 같은 독립적인 부재일 수도 있고, 양극 및/또는 음극에 부가된 코팅층일 수도 있다.In addition, the separator separates or insulates the positive electrode and the negative electrode from each other and enables lithium ion transport between the positive electrode and the negative electrode. This separator is porous and may be made of a non-conductive or insulating material. The separator may be used without particular limitation as long as it is commonly used as a separator in a lithium-sulfur battery. The separator may be an independent member such as a film or may be a coating layer added to an anode and/or a cathode.

상기 분리막은 다공성 기재로 이루어질 수 있는데 상기 다공성 기재는 통상적으로 리튬-황 전지에 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 예를 들어, 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포 또는 폴리올레핀계 다공성 막을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The separator may be made of a porous substrate. As for the porous substrate, any porous substrate commonly used in a lithium-sulfur battery may be used, and a porous polymer film may be used alone or in a laminated manner. Non-woven fabrics or polyolefin-based porous membranes made of melting glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, etc. may be used, but are not limited thereto.

상기 다공성 기재의 재질로는 본 발명에서 특별히 한정하지 않고, 통상적으로 리튬-황 전지에 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하다. 예를 들어, 상기 다공성 기재는 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 폴리올레핀(polyolefin), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate) 등의 폴리에스테르(polyester), 폴리아미드(polyamide), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalate), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 셀룰로오스(cellulose), 나일론(nylon), 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸(poly(p-phenylene benzobisoxazole) 및 폴리아릴레이트(polyarylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질을 포함할 수 있다.The material of the porous substrate is not particularly limited in the present invention, and any porous substrate commonly used in a lithium-sulfur battery can be used. For example, the porous substrate may be a polyolefin such as polyethylene or polypropylene, polyester such as polyethyleneterephthalate or polybutyleneterephthalate, or polyamide. (polyamide), polyacetal, polycarbonate, polyimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenyleneoxide, polyphenylene sulfide ( polyphenylenesulfide, polyethylenenaphthalate, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, cellulose, nylon (nylon), poly(p-phenylene benzobisoxazole), and polyarylate.

상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 1 내지 100 ㎛, 바람직하게는 5 내지 50 ㎛일 수 있다. 상기 다공성 기재의 두께 범위가 전술한 범위로 한정되는 것은 아니지만, 두께가 전술한 하한보다 지나치게 얇을 경우에는 기계적 물성이 저하되어 전지 사용 중 분리막이 쉽게 손상될 수 있다.The thickness of the porous substrate is not particularly limited, but may be 1 to 100 μm, preferably 5 to 50 μm. Although the thickness range of the porous substrate is not limited to the aforementioned range, if the thickness is too thin than the aforementioned lower limit, mechanical properties may deteriorate and the separator may be easily damaged during use of the battery.

상기 다공성 기재에 존재하는 기공의 평균 직경 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.1 내지 50 ㎛ 및 10 내지 95 %일 수 있다. 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.The average diameter and porosity of pores present in the porous substrate are also not particularly limited, but may be 0.1 to 50 μm and 10 to 95%, respectively. If the pore size of the separator is less than 0.1 μm or the porosity is less than 10%, the separator acts as a resistance layer, and if the pore size exceeds 50 μm or the porosity exceeds 95%, mechanical properties cannot be maintained. .

본 발명에 따른 리튬-황 전지는 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 분리막과 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 공정이 가능하다.In the lithium-sulfur battery according to the present invention, in addition to winding, which is a general process, lamination and stacking and folding processes of a separator and an electrode are possible.

상기 리튬-황 전지의 형상은 특별히 제한되지 않으며 원통형, 각형, 파우치(pouch)형, 적층형, 코인(coin)형 등 다양한 형상으로 할 수 있다.The shape of the lithium-sulfur battery is not particularly limited and may be of various shapes such as a cylindrical shape, a prismatic shape, a pouch shape, a stacked shape, and a coin shape.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments are presented to aid understanding of the present invention, but the following examples are provided to more easily understand the present invention, but the present invention is not limited thereto.

제조예: 리튬-황 전지용 전해액의 제조Preparation Example: Preparation of Electrolyte for Lithium-Sulfur Batteries

[제조예 1][Production Example 1]

유기용매인 2-메틸 퓨란 (2-methyl furan), 2-메틸-1,3-디옥솔란 (2-methyl-1,3-dioxolane) 및 디메톡시에탄 (dimethoxyethane)을 20:10:70의 부피비 (v/v)로 혼합하여 교반하고, 전해질 염 및 첨가제로 0.75M의 리튬비스(플루오로설포닐)이미드(lithium bis(fluorosulfonyl)imide, LiFSi)와 5 wt%의 LiNO3을 용해시켜 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.The organic solvents 2-methyl furan, 2-methyl-1,3-dioxolane and dimethoxyethane were mixed in a volume ratio of 20:10:70. (v/v) and stirred, and 0.75M of lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSi) and 5 wt% of LiNO 3 as electrolyte salts and additives were dissolved to obtain lithium -An electrolyte solution for a sulfur battery was prepared.

[제조예 2][Production Example 2]

유기용매인 2-메틸 퓨란 (2-methyl furan), 2-메틸-1,3-디옥솔란 (2-methyl-1,3-dioxolane) 및 디메톡시에탄 (dimethoxyethane)을 10:10:80의 부피비 (v/v)로 혼합하여 교반한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.The organic solvents 2-methyl furan, 2-methyl-1,3-dioxolane and dimethoxyethane were mixed in a volume ratio of 10:10:80. An electrolyte solution for a lithium-sulfur battery was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the mixture was mixed and stirred at (v/v).

[제조예 3][Production Example 3]

유기용매인 2-메틸 퓨란 (2-methyl furan), 2-메틸-1,3-디옥솔란 (2-methyl-1,3-dioxolane) 및 디메톡시에탄 (dimethoxyethane)을 10:20:70의 부피비 (v/v)로 혼합하여 교반한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.The organic solvents 2-methyl furan, 2-methyl-1,3-dioxolane and dimethoxyethane were mixed in a volume ratio of 10:20:70. An electrolyte solution for a lithium-sulfur battery was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the mixture was mixed and stirred at (v/v).

[제조예 4][Production Example 4]

유기용매인 2-메틸 퓨란 (2-methyl furan) 및 디메톡시에탄 (dimethoxyethane)을 20:80의 부피비 (v/v)로 혼합하여 교반한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.Lithium in the same manner as in Preparation Example 1, except that the organic solvents 2-methyl furan and dimethoxyethane were mixed at a volume ratio (v/v) of 20:80 and stirred. -An electrolyte solution for a sulfur battery was prepared.

[제조예 5][Production Example 5]

유기용매인 2-메틸 퓨란 (2-methyl furan), 2-메틸-1,3-디옥솔란 (2-methyl-1,3-dioxolane) 및 디메톡시에탄 (dimethoxyethane)을 20:20:60의 부피비 (v/v)로 혼합하여 교반한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.The organic solvents 2-methyl furan, 2-methyl-1,3-dioxolane and dimethoxyethane were mixed in a volume ratio of 20:20:60. An electrolyte solution for a lithium-sulfur battery was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the mixture was mixed and stirred at (v/v).

[제조예 6][Production Example 6]

유기용매인 2-메틸 퓨란 (2-methyl furan), 2-메틸-1,3-디옥솔란 (2-methyl-1,3-dioxolane) 및 디메톡시에탄 (dimethoxyethane)을 10:30:60의 부피비 (v/v)로 혼합하여 교반한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.The organic solvents 2-methyl furan, 2-methyl-1,3-dioxolane and dimethoxyethane were mixed in a volume ratio of 10:30:60. An electrolyte solution for a lithium-sulfur battery was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the mixture was mixed and stirred at (v/v).

[제조예 7][Production Example 7]

유기용매인 2-메틸 퓨란 (2-methyl furan), 2-메틸-1,3-디옥솔란 (2-methyl-1,3-dioxolane) 및 디메톡시에탄 (dimethoxyethane)을 20:5:75의 부피비 (v/v)로 혼합하여 교반한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.The organic solvents 2-methyl furan, 2-methyl-1,3-dioxolane and dimethoxyethane were mixed at a volume ratio of 20:5:75. An electrolyte solution for a lithium-sulfur battery was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the mixture was mixed and stirred at (v/v).

상기 제조예 1 내지 7에서의 전해액 조성을 하기 표 1에 기재하였다.The electrolyte composition in Preparation Examples 1 to 7 is shown in Table 1 below.

  전해액 조성electrolyte composition 제조예 1Preparation Example 1 2Me-furan: Me-DOL: DME = 20:10:70 (v/v)2Me-furan: Me-DOL: DME = 20:10:70 (v/v) 0.75M LiFSI0.75M LiFSI 5 wt% LiNO3 5wt% LiN03 제조예 2Preparation Example 2 2Me-furan: Me-DOL: DME = 10:10:80 (v/v)2Me-furan: Me-DOL: DME = 10:10:80 (v/v) 0.75M LiFSI0.75M LiFSI 5 wt% LiNO3 5wt% LiN03 제조예 3Preparation Example 3 2Me-furan: Me-DOL: DME = 10:20:70 (v/v)2Me-furan: Me-DOL: DME = 10:20:70 (v/v) 0.75M LiFSI0.75M LiFSI 5 wt% LiNO3 5wt% LiN03 제조예 4Production Example 4 2Me-furan: DME = 20:80 (v/v)2Me-furan: DME = 20:80 (v/v) 0.75M LiFSI0.75M LiFSI 5 wt% LiNO3 5wt% LiN03 제조예 5Preparation Example 5 2Me-furan: Me-DOL: DME = 20:20:60 (v/v)2Me-furan: Me-DOL: DME = 20:20:60 (v/v) 0.75M LiFSI0.75M LiFSI 5 wt% LiNO3 5wt% LiN03 제조예 6Preparation Example 6 2Me-furan: Me-DOL: DME = 10:30:60 (v/v)2Me-furan: Me-DOL: DME = 10:30:60 (v/v) 0.75M LiFSI0.75M LiFSI 5 wt% LiNO3 5wt% LiN03 제조예 7Preparation Example 7 2Me-furan: Me-DOL: DME = 20:5:75 (v/v)2Me-furan: Me-DOL: DME = 20:5:75 (v/v) 0.75M LiFSI0.75M LiFSI 5 wt% LiNO3 5wt% LiN03

실시예: 리튬-황 전지의 제조Example: Preparation of a lithium-sulfur battery

[실시예 1][Example 1]

양극 활물질로 황-탄소 복합체 및 바인더를 95:5의 비율로 혼합하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이때, 황-탄소 복합체는 황 및 탄소나노튜브(CNT)를 75:25의 중량비로 혼합하여 제조하였다. 또한, 바인더로는 리튬 폴리아크릴레이트 (Lithium Polyacrylate, LiPAA)를 혼합하여, 양극 활물질 슬러리 조성물을 제조하였다.A cathode active material slurry was prepared by mixing a sulfur-carbon composite and a binder in a ratio of 95:5 as a cathode active material. At this time, the sulfur-carbon composite was prepared by mixing sulfur and carbon nanotubes (CNT) at a weight ratio of 75:25. In addition, a positive electrode active material slurry composition was prepared by mixing lithium polyacrylate (LiPAA) as a binder.

상기 양극 활물질 슬러리를 알루미늄 집전체의 일면에 도포한 후, 100℃에서 건조 후 압연하여 기공도 68% 및 로딩량 4.5mAh/cm2의 양극을 제조하였다.The cathode active material slurry was applied to one surface of an aluminum current collector, dried at 100° C., and then rolled to prepare a cathode having a porosity of 68% and a loading amount of 4.5 mAh/cm 2 .

음극으로는 두께 45μm의 리튬 금속(Honjo사)을 사용하였다.Lithium metal (Honjo Co., Ltd.) having a thickness of 45 μm was used as the negative electrode.

상기 제조된 양극과 음극을 대면하도록 위치시킨 후에, 두께 16μm 및 기공도 46%의 폴리에틸렌 분리막을 양극과 음극 사이에 개재하여 전극 조립체를 제조하였다. 이후, 상기 전극 조립체를 케이스 내부에 위치시킨 후, 케이스 내부로 상기 제조예 1의 리튬-황 전지용 전해액을 주입하여 리튬-황 전지를 제조하였다.After placing the prepared positive electrode and negative electrode to face each other, a polyethylene separator having a thickness of 16 μm and a porosity of 46% was interposed between the positive electrode and the negative electrode to prepare an electrode assembly. Thereafter, after placing the electrode assembly inside the case, a lithium-sulfur battery was prepared by injecting the electrolyte solution for a lithium-sulfur battery of Preparation Example 1 into the case.

[실시예 2 및 3][Examples 2 and 3]

리튬-황 전지용 전해액으로 상기 제조예 2 및 3의 전해액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지를 제조하였다.A lithium-sulfur battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte solutions of Preparation Examples 2 and 3 were used as the electrolyte for a lithium-sulfur battery.

[비교예 1 내지 4][Comparative Examples 1 to 4]

리튬-황 전지용 전해액으로 상기 제조예 4 내지 7의 전해액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지를 제조하였다.A lithium-sulfur battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte solutions of Preparation Examples 4 to 7 were used as the electrolyte for a lithium-sulfur battery.

실험예 1: 리튬-황 전지의 수명특성 측정Experimental Example 1: Measurement of Life Characteristics of Lithium-Sulfur Batteries

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 리튬-황 전지에 대하여, 충/방전 사이클 반복을 통하여 전지의 수명 특성을 평가하였다. 평가 결과는 하기 표 2에 나타내었다.For the lithium-sulfur batteries prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, life characteristics of the batteries were evaluated through repeated charge/discharge cycles. The evaluation results are shown in Table 2 below.

구체적으로, 리튬-황 전지에 대하여 25℃의 전지 구동 온도조건에서 정전류 (constant current, CC)모드로 0.1C로 1.8V까지 방전 및 0.1C로 2.5V까지 충전을 2회 반복한 후, 0.2C로 충전 및 방전을 3회 반복하고, 0.3C 충전 / 0.5C 방전을 500사이클까지 반복하여 전지의 수명특성을 평가하였다. Specifically, for a lithium-sulfur battery, discharge to 1.8V at 0.1C and charge to 2.5V at 0.1C are repeated twice in constant current (CC) mode under the battery operating temperature condition of 25 ° C., then 0.2C Charging and discharging were repeated three times, and 0.3C charging / 0.5C discharging was repeated up to 500 cycles to evaluate the lifespan characteristics of the battery.

상기 전지 수명특성 평가에서는 0.3C 충전 / 0.5C 방전을 시작하는 사이클에서의 방전용량 대비 해당 사이클에서의 방전용량의 비율(%)을 용량유지율 (capacity retention)로 정의하고, 또한 수명을 평가하기 위하여 용량유지율이 80%가 되었을 때 사이클 수를 하기 표 2와 같이 나타내었다.In the evaluation of battery life characteristics, the ratio (%) of the discharge capacity in the corresponding cycle to the discharge capacity in the cycle starting 0.3C charge / 0.5C discharge is defined as capacity retention, and also to evaluate the lifespan The number of cycles when the capacity retention rate reached 80% was shown in Table 2 below.

  80 % 용량 유지율에 도달하는 사이클 수Number of cycles to reach 80% capacity retention 실시예 1Example 1 401401 실시예 2Example 2 407407 실시예 3Example 3 459459 비교예 1Comparative Example 1 328328 비교예 2Comparative Example 2 234234 비교예 3Comparative Example 3 225225 비교예 4Comparative Example 4 312312

상기 표 2의 결과에서, 고리형 에테르 화합물, 선형 에테르 화합물 및 헤테로 고리 화합물을 포함하는 3성분계 용매 혼합물을 포함하는 리튬-황 전지용 전해액을 사용한 리튬-황 전지가 사이클이 반복되더라도 용량 유지율이 높게 유지되어 우수한 전지 수명 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.From the results of Table 2, the lithium-sulfur battery using the electrolyte solution for a lithium-sulfur battery including a three-component solvent mixture including a cyclic ether compound, a linear ether compound, and a heterocyclic compound maintains a high capacity retention rate even when cycles are repeated. It was confirmed that it had excellent battery life characteristics.

구체적으로, 상기 용매 혼합물이 상기 유기용매 100 부피비에 대하여, 고리형 에테르 화합물인 2-메틸-1,3-디옥솔란 및 헤테로 고리 화합물인 2-메틸퓨란이 20 내지 30 부피비로 포함되고, 고리형 에테르 화합물인 2-메틸-1,3-디옥솔란의 부피비가 10 부피비 이상인 용매 화합물인 경우, 300 사이클 이상의 충전 및 방전이 진행되었음에도 80 % 이상의 용량 유지율을 나타내어, 우수한 수명 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.Specifically, the solvent mixture contains 20 to 30 volume ratio of 2-methyl-1,3-dioxolane as a cyclic ether compound and 2-methylfuran as a heterocyclic compound with respect to 100 volume ratio of the organic solvent, In the case of a solvent compound having a volume ratio of 2-methyl-1,3-dioxolane, which is an ether compound, at a volume ratio of 10 or more, a capacity retention rate of 80% or more was exhibited even after 300 cycles of charging and discharging, and it was confirmed that it had excellent lifespan characteristics. .

Claims (11)

리튬염; 유기용매 및 첨가제를 포함하는 리튬-황 전지용 전해액에 있어서,
상기 유기용매는 고리형 에테르 화합물, 선형 에테르 화합물 및 헤테로 고리 화합물을 포함하는 3성분계 용매 혼합물인 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지용 전해액.
lithium salt; In the electrolyte solution for a lithium-sulfur battery containing an organic solvent and an additive,
The organic solvent is a three-component solvent mixture containing a cyclic ether compound, a linear ether compound and a heterocyclic compound, characterized in that, the lithium-sulfur battery electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 고리형 에테르 화합물은 1,3-디옥솔란, 2-메틸-1,3-디옥솔란, 2,2-디메틸-1,3-디옥솔란, 2-에틸-2-메틸-1,3-디옥솔란, 4-메틸-1,3-디옥솔란, 4-에틸-1,3-디옥솔란, 4,5-디메틸-1,3-디옥솔란 및 4,5-디에틸-1,3-디옥솔란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지용 전해액.
According to claim 1,
The cyclic ether compound is 1,3-dioxolane, 2-methyl-1,3-dioxolane, 2,2-dimethyl-1,3-dioxolane, 2-ethyl-2-methyl-1,3-dioxolane Solan, 4-methyl-1,3-dioxolane, 4-ethyl-1,3-dioxolane, 4,5-dimethyl-1,3-dioxolane and 4,5-diethyl-1,3-dioxolane Characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of, lithium-sulfur battery electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 선형 에테르 화합물은 디메톡시메탄, 트리메톡시메탄, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 디메톡시프로판, 디에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 에틸렌글리콜 디비닐에테르, 디에틸렌글리콜 디비닐에테르, 트리에틸렌글리콜 디비닐에테르, 디프로필렌 글리콜 디메틸렌 에테르, 부틸렌 글리콜 에테르, 디에틸렌글리콜 에틸메틸에테르, 디에틸렌글리콜 이소프로필메틸에테르, 디에틸렌글리콜 부틸메틸에테르, 디에틸렌글리콜 터트부틸에틸에테르 및 에틸렌글리콜 에틸메틸에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지용 전해액.
According to claim 1,
The linear ether compound is dimethoxymethane, trimethoxymethane, dimethoxyethane, diethoxyethane, dimethoxypropane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether. , ethylene glycol divinyl ether, diethylene glycol divinyl ether, triethylene glycol divinyl ether, dipropylene glycol dimethylene ether, butylene glycol ether, diethylene glycol ethylmethyl ether, diethylene glycol isopropylmethyl ether, diethylene An electrolyte solution for a lithium-sulfur battery, characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of glycol butyl methyl ether, diethylene glycol tert-butyl ethyl ether and ethylene glycol ethyl methyl ether.
제1항에 있어서,
상기 헤테로 고리 화합물은 퓨란, 2-메틸퓨란, 3-메틸퓨란, 2-에틸퓨란, 3-에틸퓨란, 2-프로필퓨란, 3-프로필퓨란, 2-뷰틸퓨란, 3-뷰틸퓨란, 2,3-디메틸퓨란, 2,4-디메틸퓨란, 2,5-디메틸퓨란, 피란, 2-메틸피란, 3-메틸피란, 4-메틸피란 및 벤조퓨란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지용 전해액.
According to claim 1,
The heterocyclic compound is furan, 2-methylfuran, 3-methylfuran, 2-ethylfuran, 3-ethylfuran, 2-propylfuran, 3-propylfuran, 2-butylfuran, 3-butylfuran, 2,3 -Containing at least one selected from the group consisting of dimethylfuran, 2,4-dimethylfuran, 2,5-dimethylfuran, pyran, 2-methylpyran, 3-methylpyran, 4-methylpyran and benzofuran Characterized in, an electrolyte solution for a lithium-sulfur battery.
제1항에 있어서,
상기 용매 혼합물은 상기 유기용매 100 부피비에 대하여, 고리형 에테르 화합물 및 헤테로 고리 화합물이 10 내지 40 부피비로 포함되는 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지용 전해액.
According to claim 1,
The solvent mixture is an electrolyte solution for a lithium-sulfur battery, characterized in that the cyclic ether compound and the heterocyclic compound are included in a volume ratio of 10 to 40 with respect to 100 volume ratio of the organic solvent.
제1항에 있어서,
상기 용매 혼합물은 상기 유기용매 100 부피비에 대하여, 고리형 에테르 화합물이 10 내지 20 부피비 및 헤테로 고리 화합물이 20 내지 10 부피비로 포함되는 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지용 전해액.
According to claim 1,
The solvent mixture is an electrolyte solution for a lithium-sulfur battery, characterized in that the cyclic ether compound is included in 10 to 20 volume ratio and the heterocyclic compound is included in 20 to 10 volume ratio with respect to 100 volume ratio of the organic solvent.
제1항에 있어서,
상기 용매 혼합물은 고리 열림 중합반응에 의해 음극 표면에 고분자 보호막을 형성시키는 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지용 전해액.
According to claim 1,
The solvent mixture is an electrolyte solution for a lithium-sulfur battery, characterized in that to form a polymer protective film on the surface of the negative electrode by ring opening polymerization.
제1항에 있어서,
상기 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiB(Ph)4, LiC4BO8, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, LiSO3CH3, LiSO3CF3, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2 및 LiN(SO2F)2로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지용 전해액.
According to claim 1,
The lithium salt is LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiB(Ph) 4 , LiC 4 BO 8 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , LiSO 3 CH 3 , LiSO 3 CF 3 , LiSCN, LiC(CF 3 SO 2 ) 3 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 and LiN(SO 2 F ) 2 , an electrolyte solution for a lithium-sulfur battery, characterized in that selected from the group consisting of.
제1항에 있어서,
상기 첨가제는 질산리튬(LiNO3), 질산칼륨(KNO3), 질산세슘(CsNO3), 질산마그네슘(MgNO3), 질산바륨(BaNO3), 아질산리튬(LiNO2), 아질산칼륨(KNO2), 아질산세슘(CsNO2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지용 전해액.
According to claim 1,
The additives are lithium nitrate (LiNO 3 ), potassium nitrate (KNO 3 ), cesium nitrate (CsNO 3 ), magnesium nitrate (MgNO 3 ), barium nitrate (BaNO 3 ), lithium nitrite (LiNO 2 ), and potassium nitrite (KNO 2 ) . ), cesium nitrite (CsNO 2 ), characterized in that selected from the group consisting of combinations thereof, lithium-sulfur battery electrolyte.
양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막; 및 전해액을 포함하는 리튬-황 전지로서,
상기 음극은 리튬계 금속이고,
상기 전해액은 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 전해액인 리튬-황 전지.
anode; cathode; a separator interposed between the anode and the cathode; And a lithium-sulfur battery comprising an electrolyte solution,
The negative electrode is a lithium-based metal,
The electrolyte solution is the lithium-sulfur battery of any one of claims 1 to 9.
제10항에 있어서,
상기 리튬-황 전지의 초기 방전 단계에서 전해액에 포함된 용매 혼합물의 고리 열림 중합 반응에 의해 리튬계 금속 표면에 고분자 보호막이 형성되는 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지.
According to claim 10,
A lithium-sulfur battery, characterized in that a polymer protective film is formed on the surface of a lithium-based metal by a ring-opening polymerization reaction of a solvent mixture contained in an electrolyte in an initial discharge step of the lithium-sulfur battery.
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