KR20240005312A - Lithium sulfur battery - Google Patents

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KR20240005312A
KR20240005312A KR1020220082240A KR20220082240A KR20240005312A KR 20240005312 A KR20240005312 A KR 20240005312A KR 1020220082240 A KR1020220082240 A KR 1020220082240A KR 20220082240 A KR20220082240 A KR 20220082240A KR 20240005312 A KR20240005312 A KR 20240005312A
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문준혁
김기원
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서강대학교산학협력단
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Abstract

본원은 전해질 공여도 및 캐소드 흡착 용량을 최적화하여 고성능을 갖는 리튬 황 전지에 관한 것이다.The present application relates to a lithium sulfur battery with high performance by optimizing electrolyte donation degree and cathode adsorption capacity.

Description

리튬 황 전지 {LITHIUM SULFUR BATTERY}Lithium sulfur battery {LITHIUM SULFUR BATTERY}

본원은 전해질 공여도 및 캐소드 흡착 용량을 최적화하여 고성능을 갖는 리튬 황 전지에 관한 것이다.The present application relates to a lithium sulfur battery with high performance by optimizing electrolyte donation degree and cathode adsorption capacity.

이론적으로 1675 mAh/g의 고용량을 갖는 리튬-황 (Lithium-sulfur; Li-S) 배터리는 차세대 에너지 저장 장치로서 주목 받고 있다. 그러나, Li-S 배터리는 황 전환 반응에서 발생하는 본질적인 문제로 인하여 이론적 용량을 완전히 활용하지 못해 실적용이 지연되고 있다. 구체적으로, 충전/방전 과정에서 액상의 리튬 폴리설파이드(lithium polysulfide; LiPS) 중간체를 통해 황 또는 리튬 설파이드 (lithium sulfide; Li2S)의 고체 생성물이 생성될 때, LiPS 의 높은 용해도로 인해 전환 반응이 제한되는 문제점이 있다. 또한, 황 및 Li2S의 전기적/이온성 비전도 특성은 전환에 대한 높은 에너지 장벽을 유발한다.Lithium-sulfur (Li-S) batteries, which theoretically have a high capacity of 1675 mAh/g, are attracting attention as next-generation energy storage devices. However, Li-S batteries are unable to fully utilize their theoretical capacity due to inherent problems occurring in the sulfur conversion reaction, delaying their commercial use. Specifically, when a solid product of sulfur or lithium sulfide (Li 2 S) is generated through a liquid lithium polysulfide (LiPS) intermediate during the charge/discharge process, the conversion reaction occurs due to the high solubility of LiPS. There is a problem with this limitation. Additionally, the electrically/ionically non-conductive properties of sulfur and Li 2 S result in high energy barriers to conversion.

종래의 연구는 캐소드에 첨단 재료(특히, LiPS의 흡착 및/또는 촉매 전환에 효과적인 재료)를 도입하는 데 많은 관심을 기울여왔다. Co3O4, NiO, WO3, TiO2, MoO3, 및 V2O5와 같은 다양한 산화물이 합성 및 형태 (morphology) 제어가 용이하므로 조사되어왔다. 산화물의 극성 표면은 LiPS를 강력하게 흡착하여 소위 '셔틀 (shuttle)' 효과를 완화한다. 또한, 산화물 표면에서, LiPS는 티오설페이트(thiosulfate) 기의 형성과 티오설페이트-폴리티오네이트(thiosulfate-polythionate)의 전환에 의해 화학적 결합이 가능하다. 산화물과 비교하여 극성 전도성인 CoS2, MoS2, ZnS2, TiN, 및 ZrB2와 같은 전이금속 화합물도 입증되어 왔다. 루이스 산-염기 상호작용에 의해 LiPS와 강하게 결합할 수 있는, MIL-100(Cr), Co3S4, 및 Zn-MOF와 같은 MOF 역시 적용되어 왔다.Previous research has paid much attention to introducing advanced materials (in particular, materials effective for adsorption and/or catalytic conversion of LiPS) into the cathode. Various oxides such as Co 3 O 4 , NiO, WO 3 , TiO 2 , MoO 3 , and V 2 O 5 have been investigated due to their ease of synthesis and morphology control. The polar surface of the oxide strongly adsorbs LiPS, mitigating the so-called ‘shuttle’ effect. Additionally, on the oxide surface, LiPS is capable of chemical bonding through the formation of thiosulfate groups and thiosulfate-polythionate conversion. Transition metal compounds such as CoS 2 , MoS 2 , ZnS 2 , TiN, and ZrB 2 have also been demonstrated to be polar conductive compared to oxides. MOFs such as MIL-100(Cr), Co 3 S 4 , and Zn-MOF, which can bind strongly to LiPS by Lewis acid-base interactions, have also been applied.

또한, 황 활용을 개선하기 위한 대안적인 접근 방식으로서 전해질 공여도의 증가(즉, Li 양이온의 강력한 상호작용)가 조사되어 왔다. 방전 과정에서 전해질에 용해된 LiPS는 캐소드 표면에서 Li2S로 무작위로 증착되어 종종 캐소드를 전기적으로 패시베이션(passivation) 한다. 높은 공여도 전해질 환경 하에서 Li2S의 성장은 미립자 형태를 형성하도록 제어되고, 또한, 높은 황 활용도를 수반한다는 것이 입증되었다. 상기 성장은 설파이드(sulfide)의 용매화 또는 설파이드 라디칼에 기반한 용액-상 전환을 기반으로 하는 용액 확산-지배적 성장으로 설명되었다. 특히, Liu 연구진은 다이메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide; DMSO)와 같은 용매를 포함하는 높은 공여수 (donor number; DN) 전해질을 이용하여 미립자 Li2S의 증착을 수득함으로써 거의 완전한 황 활용을 입증하였다. 미립자 Li2S의 성장은 또한 리튬 브로마이드 (lithium bromide) 또는 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 (lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)와 같은 리튬 염을 포함하거나; 또는 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논 (1,3-dimethyl-2-imidazolidinone; DMI) 용매를 이용하는 높은 공여수 전해질에서 관찰되었다.Additionally, increasing electrolyte donation (i.e., strong interaction of Li cations) has been investigated as an alternative approach to improve sulfur utilization. During the discharge process, LiPS dissolved in the electrolyte is randomly deposited as Li 2 S on the cathode surface, often electrically passivating the cathode. It has been demonstrated that the growth of Li 2 S under a high donor electrolyte environment is controlled to form particulate morphologies and is also accompanied by high sulfur availability. The growth was described as solution diffusion-dominated growth based on solvation of sulfide or solution-phase transition based on sulfide radicals. In particular, Liu's group demonstrated almost complete sulfur utilization by obtaining deposition of particulate Li 2 S using high donor number (DN) electrolytes containing solvents such as dimethyl sulfoxide (DMSO). . The growth of particulate Li 2 S may also include lithium salts such as lithium bromide or lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide; Alternatively, it was observed in high donor electrolytes using 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (DMI) solvent.

이러한 노력은 각각 중간체 (LiPS) 또는 최종 생성물 (Li2S)과 관련된 한계를 극복하는 접근 방식이지만, 이러한 접근 방식을 동시에 적용하는 방법은 개발되지 않았다.Although these efforts each approach overcome limitations associated with the intermediate (LiPS) or the final product (Li 2 S), no method has been developed to apply these approaches simultaneously.

Huilin Pan, Kee Sung Han, Mark H. Engelhard, Ruiguo Cao, Junzheng Chen, Ji-Guang Zhang, Karl T. Mueller, Yuyan Shao, Jun Liu, "Addressing Passivation in Lithium-Sulfur Battery Under Lean Electrolyte Condition", Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1707234.Huilin Pan, Kee Sung Han, Mark H. Engelhard, Ruiguo Cao, Junzheng Chen, Ji-Guang Zhang, Karl T. Mueller, Yuyan Shao, Jun Liu, "Addressing Passivation in Lithium-Sulfur Battery Under Lean Electrolyte Condition", Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1707234.

본원은 전해질 공여도 및 캐소드 흡착 용량을 최적화하여 고성능을 갖는 리튬 황 전지에 관한 것이다.The present application relates to a lithium sulfur battery with high performance by optimizing electrolyte donation degree and cathode adsorption capacity.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present application is not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본원의 일 측면은, 탄소질 기재, 황 및 금속 산화물을 포함하는 캐소드; 애노드; 및 용매, 제 1 리튬염 및 제 2 리튬염을 포함하는 전해질을 포함하는, 리튬 황 전지로서, 상기 금속 산화물은 리튬폴리설파이드에 대한 흡착 에너지가 3.5 eV 미만인 것이고, 상기 제 1 리튬염의 음이온은 공여수가 15 kcal/mol 이상인 것인, 리튬 황 전지를 제공한다.One aspect of the present application is a cathode including a carbonaceous substrate, sulfur, and metal oxide; anode; A lithium sulfur battery comprising an electrolyte containing a solvent, a first lithium salt and a second lithium salt, wherein the metal oxide has an adsorption energy for lithium polysulfide of less than 3.5 eV, and the anion of the first lithium salt is donated. A lithium sulfur battery is provided, wherein the number is 15 kcal/mol or more.

본원의 구현예들에 따른 리튬 황 전지는, 전해질 공여도 및 산화물 기판의 흡착성을 최적화함으로써 셀의 방전 용량이 향상되는 특징이 있다. 구체적으로, 높은 공여수의 전해질에서 약한 흡착제인 NiO 및 MgO를 포함하는 캐소드 셀을 구성함으로써, 흡착제가 리튬 폴리설파이드(lithium polysulfide; LiPS)를 흡착하여 LiPS의 Li2S로의 전환 효율이 향상되고, Li2S가 삼차원 (3D) 미립자 형태로 셀에 흡착되어 전류 전달 효율이 향상되는 특징이 있다.The lithium sulfur battery according to the embodiments of the present application has the feature of improving the discharge capacity of the cell by optimizing the degree of electrolyte donation and the adsorption of the oxide substrate. Specifically, by constructing a cathode cell containing weak adsorbents NiO and MgO in an electrolyte with a high donor number, the adsorbent adsorbs lithium polysulfide (LiPS), improving the conversion efficiency of LiPS to Li 2 S, Li 2 S is adsorbed to the cell in the form of three-dimensional (3D) particles, improving current transfer efficiency.

본원의 구현예들에 따른 리튬 황 전지는, 0.2 C-속도에서, 약 1200 mAh/g 이상, 약 1250 mAh/g 이상, 약 1300 mAh/g 이상, 약 1350 mAh/g 이상, 또는 약 1400 mAh/g 이상의 높은 방전 용량을 제공할 수 있다.Lithium sulfur batteries according to embodiments herein may have a battery capacity of at least about 1200 mAh/g, at least about 1250 mAh/g, at least about 1300 mAh/g, at least about 1350 mAh/g, or about 1400 mAh at 0.2 C-rate. It can provide high discharge capacity of /g or more.

도 1은, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 MgO, NiO, Fe2O3, Co3O4, 및 V2O5로 코팅된 탄소나노튜브 (carbon nano tube; CNT) 복합체의 주사전자현미경 (scanning electron microscopy; SEM) 이미지 (a)와 투과전자현미경 (transmission electron microscopy; TEM) 이미지 (b), 및 MgO, NiO, Fe2O3, Co3O4, 및 V2O5의 X-선 회절 (X-ray diffraction; XRD) 분석 스펙트럼 (c)이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, 여러 종류의 산화물을 함유하는 낮은 공여수 전해질 (a) 및 높은 공여수 전해질 (b)의 Li2S6 3 시간 흡착 후 디지털 카메라 이미지, 낮은 공여수 전해질과 높은 공여수 전해질에서 여러 종류의 산화물에 대한 Li2S6 흡착량 및 밀도 기능 이론 (density functional theory; DFT) 계산에 따른 Li2S6 결합 에너지 (c), 및 Li2S6의 각 산화물 표면에서 최적화된 원자 구성을 나타낸 모식도 (d)이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, MgO/CNT, NiO/CNT, Fe2O3/CNT, Co3O4/CNT, 및 V2O5/CNT 캐소드 셀의 낮은 공여수 전해질 (a) 및 높은 공여수 전해질 (b)에서의 정전류 방전/충전 프로파일, 낮은 공여수 전해질 및 높은 공여수 전해질에서의 각 산화물 셀의 방전 용량 비교 (c), 및 MgO/CNT, NiO/CNT, Fe2O3/CNT, Co3O4/CNT, 및 V2O5/CNT 캐소드 셀의 낮은 공여수 전해질 (d) 및 높은 공여수 전해질 (e)에서 0.2 C 내지 3 C의 다양한 C-속도 조건에 대한 속도 용량 (rate capability)이다.
도 4은, 본원의 일 실시예에 있어서, LiNO3의 농도에 따른 MgO/CNT 셀의 정전류 방전/충전 프로파일 (a) 및 방전 용량 (b)이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, 낮은 공여수 전해질에서 MgO/CNT, NiO/CNT, Fe2O3/CNT, Co3O4/CNT, 및 V2O5/CNT 캐소드 셀의 Li2S 핵형성-성장의 완전한 방전 후, 크로노암페로그램 (chronoamperogram) (a), 무차원 i-t(전류-시간) 곡선 (b), 및 SEM 이미지 (c)이다 ((b)에서 점선은 각각 2D 및 3D 모델에서 수득한 i-t 곡선임).
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 높은 공여수 전해질에서 MgO/CNT, NiO/CNT, Fe2O3/CNT, Co3O4/CNT, 및 V2O5/CNT 캐소드 셀의 Li2S 핵형성-성장의 완전한 방전 후, 크로노암페로그램 (chronoamperogram) (a), 무차원 i-t(전류-시간) 곡선 (b), 및 SEM 이미지 (c)이다 ((b)에서 점선은 각각 2D 및 3D 모델에서 수득한 i-t 곡선임).
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, 약한 흡착제 촉매 (MgO 및 NiO) 및 강한 흡착제 촉매 (Co3O4 및 V2O5) 캐소드 셀의 충전 과정 후 SEM 이미지이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, 높은 공여수 전해질 환경에서 약한 흡착 용량 (a) 및 강한 흡착 용량 (b)을 갖는 산화물에서 LiPS가 Li2S로 전환되는 메커니즘을 나타내는 모식도이다.
1 is a scanning electron microscope of a carbon nanotube (CNT) composite coated with MgO, NiO, Fe 2 O 3 , Co 3 O 4 , and V 2 O 5 , respectively, in an example of the present application. (scanning electron microscopy; SEM) image (a) and transmission electron microscopy (TEM) image (b), and X- of MgO, NiO, Fe 2 O 3 , Co 3 O 4 , and V 2 O 5 X-ray diffraction (XRD) analysis spectrum (c).
Figure 2 is a digital camera image of a low donor number electrolyte (a) and a high donor number electrolyte (b) containing various types of oxides after adsorption of Li 2 S 6 for 3 hours, a low donor number electrolyte in an embodiment of the present application. Li 2 S 6 adsorption amount and Li 2 S 6 binding energy (c), and Li 2 S 6 angle according to density functional theory (DFT) calculations for different types of oxides in electrolyte and high donor electrolyte. This is a schematic diagram (d) showing the optimized atomic configuration on the oxide surface.
Figure 3 shows the low donor electrolyte (a) of MgO/CNT, NiO/CNT, Fe 2 O 3 /CNT, Co 3 O 4 /CNT, and V 2 O 5 /CNT cathode cell in one embodiment of the present disclosure. ) and galvanostatic discharge/charge profiles in high donor number electrolytes (b), comparison of discharge capacity of each oxide cell in low and high donor number electrolytes (c), and MgO/CNT, NiO/CNT, Fe 2 O 3 /CNT, Co 3 O 4 /CNT, and V 2 O 5 /CNT cathode cells at various C-rate conditions from 0.2 C to 3 C in low-donor electrolyte (d) and high-donor electrolyte (e). This is the rate capability.
Figure 4 shows the constant current discharge/charge profile (a) and discharge capacity (b) of the MgO/CNT cell depending on the concentration of LiNO 3 in one embodiment of the present application.
Figure 5 shows the Li of MgO/CNT, NiO/CNT, Fe 2 O 3 /CNT, Co 3 O 4 /CNT, and V 2 O 5 /CNT cathode cells in low donor number electrolytes, in one embodiment of the present disclosure. After complete discharge of 2 S nucleation-growth, chronoamperogram (a), dimensionless it (current-time) curve (b), and SEM image (c) are shown (dotted lines in (b), respectively). It curves obtained from 2D and 3D models).
Figure 6 shows the Li of MgO/CNT, NiO/CNT, Fe 2 O 3 /CNT, Co 3 O 4 /CNT, and V 2 O 5 /CNT cathode cells in a high donor number electrolyte in one embodiment of the present application. After complete discharge of 2 S nucleation-growth, chronoamperogram (a), dimensionless it (current-time) curve (b), and SEM image (c) are shown (dotted lines in (b), respectively). It curves obtained from 2D and 3D models).
Figure 7 is an SEM image of a weak adsorbent catalyst (MgO and NiO) and a strong adsorbent catalyst (Co 3 O 4 and V 2 O 5 ) cathode cell after the charging process, according to an example of the present application.
Figure 8 is a schematic diagram showing the mechanism by which LiPS is converted to Li 2 S in an oxide with weak adsorption capacity (a) and strong adsorption capacity (b) in a high donor electrolyte environment, according to an embodiment of the present application.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, with reference to the attached drawings, implementation examples and embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present application may be implemented in various different forms and is not limited to the implementation examples and examples described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is said to be “connected” to another part, this includes not only the case where it is “directly connected,” but also the case where it is “electrically connected” with another element in between. do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only the case where the member is in contact with the other member, but also the case where another member exists between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification of the present application, when a part “includes” a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. As used herein, the terms “about,” “substantially,” and the like are used to mean at or close to a numerical value when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented, and to aid understanding of the present application. It is used to prevent unscrupulous infringers from unfairly exploiting disclosures in which precise or absolute figures are mentioned.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~ 하는 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.The terms “step of” or “step of” as used throughout the specification herein do not mean “step for.”

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination(s) thereof" included in the Markushi format expression means a mixture or combination of one or more selected from the group consisting of the components described in the Markushi format expression, It means containing one or more selected from the group consisting of the above components.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.Throughout this specification, description of “A and/or B” means “A or B, or A and B.”

이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present application have been described in detail, but the present application may not be limited thereto.

본원의 일 측면은, 탄소질 기재, 황 및 금속 산화물을 포함하는 캐소드; 애노드; 및 용매, 제 1 리튬염 및 제 2 리튬염을 포함하는 전해질을 포함하는, 리튬 황 전지로서, 상기 금속 산화물은 리튬폴리설파이드에 대한 흡착 에너지가 3.5 eV 미만인 것이고, 상기 제 1 리튬염의 음이온은 공여수가 15 kcal/mol 이상인 것인, 리튬 황 전지를 제공한다.One aspect of the present application is a cathode including a carbonaceous substrate, sulfur, and metal oxide; anode; A lithium sulfur battery comprising an electrolyte containing a solvent, a first lithium salt and a second lithium salt, wherein the metal oxide has an adsorption energy for lithium polysulfide of less than 3.5 eV, and the anion of the first lithium salt is donated. A lithium sulfur battery is provided, wherein the number is 15 kcal/mol or more.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소질 기재는 전지의 기재로서 통상적으로 사용되는 것일 수 있으며, 비제한적인 예로서, 탄소나노튜브 (carbon nanotube; CNT), 그라파이트 (graphite), 그래핀(graphene), 탄소 섬유, 흑연, 및 활성 탄소에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the carbonaceous substrate may be one commonly used as a battery substrate, and non-limiting examples include carbon nanotube (CNT), graphite, and graphene. ), carbon fiber, graphite, and activated carbon, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 황은 S8 및 황 화합물에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the sulfur may include one or more selected from S 8 and sulfur compounds, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 캐소드에서 상기 황의 로딩량은 약 1 mg/cm2 내지 약 8 mg/cm2일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the loading amount of sulfur in the cathode may be about 1 mg/cm 2 to about 8 mg/cm 2 , but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 산화물은 리튬폴리설파이드 (lithium polysulfide; LiPS)에 대한 흡착 에너지가 3.5 eV 미만인 것일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 리튬폴리설파이드는 Li2Sn (n≥2)로서, Li2S2, Li2S4, Li2S6, 및 Li2S8에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원 명세서 전체에서, 리튬폴리설파이드 (lithium polysulfide; LiPS)에 대한 흡착 에너지가 3.5 eV 미만인 금속 산화물을 약한 흡착제로 지칭한다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 산화물은 상기 탄소질 기재보다 LiPS을 더 강하게 흡착하여 LiPS에서 Li2S로의 전환을 촉진하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the metal oxide may have an adsorption energy for lithium polysulfide (LiPS) of less than 3.5 eV. In one embodiment of the present application, the lithium polysulfide is Li 2 S n (n≥2), and may be one or more selected from Li 2 S 2 , Li 2 S 4 , Li 2 S 6 , and Li 2 S 8 . However, it may not be limited thereto. Throughout this specification, metal oxides with an adsorption energy of less than 3.5 eV for lithium polysulfide (LiPS) are referred to as weak adsorbents. In one embodiment of the present application, the metal oxide may adsorb LiPS more strongly than the carbonaceous substrate and promote the conversion of LiPS to Li 2 S.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 산화물은 NiO 및 MgO에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the metal oxide may include one or more selected from NiO and MgO, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 산화물의 중량은 상기 캐소드의 중량의 20 wt% 내지 50 wt%인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the weight of the metal oxide may be 20 wt% to 50 wt% of the weight of the cathode, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 산화물의 직경은 약 30 nm 내지 약 50 nm인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the diameter of the metal oxide may be about 30 nm to about 50 nm, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 산화물의 바렛-에메트-텔러 (Barrett-Emmett-Teller; BET) 법을 이용하여 계산한 비표면적은 약 85 m2/g 내지 약 110 m2/g인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the specific surface area of the metal oxide calculated using the Barrett-Emmett-Teller (BET) method is about 85 m 2 /g to about 110 m 2 /g. It may be, but may not be limited to this.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 애노드는 Li을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the anode may contain Li.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 리튬염의 음이온은 공여수가 약 15 kcal/mol 이상인 것일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 리튬염의 음이온은 공여수가 약 15 kcal/mol 이상, 약 16 kcal/mol 이상, 약 17 kcal/mol 이상, 또는 약 18 kcal/mol 이상인 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the anion of the first lithium salt may have a donation number of about 15 kcal/mol or more. In one embodiment of the present application, the anion of the first lithium salt may have a donation number of about 15 kcal/mol or more, about 16 kcal/mol or more, about 17 kcal/mol or more, or about 18 kcal/mol or more.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 리튬염의 상기 전해질 내에서의 농도는 약 0.5 M 내지 약 1.8 M인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 리튬염의 상기 전해질 내에서의 농도는 약 0.5 M 내지 약 1.8 M, 또는 약 0.5 M 내지 약 0.9 M인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the concentration of the first lithium salt in the electrolyte may be about 0.5 M to about 1.8 M, but may not be limited thereto. In one embodiment of the present application, the concentration of the first lithium salt in the electrolyte may be about 0.5 M to about 1.8 M, or about 0.5 M to about 0.9 M, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 리튬염의 농도를 조절함으로써 상기 전해질의 공여수를 조절하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the donation number of the electrolyte may be adjusted by adjusting the concentration of the first lithium salt.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 리튬염은 LiNO3, LiBr, LiCl, LiI, LiCN, LiOAc (lithium acetate), 및 LiOTf(lithium triflate)에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the present application, the first lithium salt may include one or more selected from LiNO 3 , LiBr, LiCl, LiI, LiCN, LiOAc (lithium acetate), and LiOTf (lithium triflate). It may not be limited.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 리튬염은 리튬 비스(트리플루오로메탄)설폰이미드 (lithium bis(trifluoromethane)sulfonimide; LiTFSI), LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiN(SO3C2F5)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiCl, LiI, 및 LiB(C2O4)2 (리튬 비스옥살레이트 보레이트(lithium bis(oxalato) borate: LiBOB)에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 리튬염은 상기 전해질의 공여수를 조절하는 것이고, 상기 제 2 리튬염은 리튬 이온의 공급원일 수 있다.In one embodiment of the present application, the second lithium salt is lithium bis(trifluoromethane)sulfonimide (LiTFSI), LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiN ( SO 2 C 2 F 5 ) 2 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiN(SO 3 C 2 F 5 ) 2 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiClO 4 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiCl, LiI, and LiB(C 2 O 4 ) 2 (lithium bis(oxalato) borate (LiBOB)), but may not be limited thereto. In one embodiment of the present application, In this case, the first lithium salt controls the donor water of the electrolyte, and the second lithium salt may be a source of lithium ions.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 리튬염의 농도는 약 0.1 M 내지 약 1 M인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 리튬염의 농도는 약 0.1 M 내지 약 1 M, 또는 약 0.1 M 내지 약 0.5 M인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the concentration of the second lithium salt may be about 0.1 M to about 1 M, but may not be limited thereto. In one embodiment of the present application, the concentration of the second lithium salt may be about 0.1 M to about 1 M, or about 0.1 M to about 0.5 M, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 리튬염 및 상기 제 2 리튬염의 농도의 합은 약 0.5 M 내지 약 2 M일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 리튬염 및 상기 제 2 리튬염의 농도의 합은, 바람직하게는 약 1 M일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 리튬염 및 상기 제 2 리튬염의 농도의 비는 약 5:5 내지 약 9:1일 수 있다.In one embodiment of the present application, the sum of the concentrations of the first lithium salt and the second lithium salt may be about 0.5 M to about 2 M. In one embodiment of the present application, the sum of the concentrations of the first lithium salt and the second lithium salt may be preferably about 1 M. In one embodiment of the present application, the concentration ratio of the first lithium salt and the second lithium salt may be about 5:5 to about 9:1.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 용매는 유기 용매일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기 용매는 리튬 황 전지에 통상적으로 사용되는 것으로서, 비제한적인 예로서 카보네이트계 용매, 에스테르계 용매, 케톤계 용매, 알코올계 용매, 및 비양성자성 용매에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기 용매는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC), 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, 데카놀라이드(decanolide), 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone), 디메틸 에테르, 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란, 시클로헥사논, 에틸알코올, 이소프로필 알코올, 니트릴류, 디메틸포름아미드, 및 1,3-디옥솔란에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the solvent may be an organic solvent, but may not be limited thereto. In one embodiment of the present application, the organic solvent is commonly used in lithium sulfur batteries, and is selected from carbonate-based solvents, ester-based solvents, ketone-based solvents, alcohol-based solvents, and aprotic solvents as non-limiting examples. It may include one or more things. In one embodiment of the present application, the organic solvent is dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methylpropyl carbonate (MPC), ethylpropyl carbonate (EPC), methyl ethyl carbonate ( MEC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), methyl acetate, ethyl acetate, n-propyl acetate, dimethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, decanolide ( decanolide), mevalonolactone, caprolactone, dimethyl ether, dibutyl ether, tetraglyme, diglyme, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran, cyclohexanone, It may include one or more selected from ethyl alcohol, isopropyl alcohol, nitriles, dimethylformamide, and 1,3-dioxolane, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 리튬 황 전지는 0.2 C 속도에서 방전 용량은 약 1200 mAh/g 이상인 것일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 리튬 황 전지는 0.2 C 속도에서 방전 용량은 약 1200 mAh/g 이상, 약 1250 mAh/g 이상, 약 1300 mAh/g 이상, 약 1350 mAh/g 이상, 또는 약 1400 mAh/g 이상인 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the lithium sulfur battery may have a discharge capacity of about 1200 mAh/g or more at a rate of 0.2 C. In one embodiment of the present application, the lithium sulfur battery has a discharge capacity of about 1200 mAh/g or more, about 1250 mAh/g or more, about 1300 mAh/g or more, about 1350 mAh/g or more at a rate of 0.2 C, or about It may be more than 1400 mAh/g.

이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present application will be described in more detail using examples. However, the following examples are merely illustrative to aid understanding of the present application, and the content of the present application is not limited to the following examples.

[실시예][Example]

금속 산화물 나노입자/CNT의 제조Preparation of metal oxide nanoparticles/CNTs

CNT 수용액(5 wt% JENO Inc.)을 여과하여 CNT 필름을 제조하였다. CNT 필름을 0.01% HCl(Merck) 수용액에 침지하여 잔류 금속을 제거하였다. 이 과정은 불순물로 인한 기생 용량(약 10%)을 배제하기 위하여 필요하다. V2O5, Co3O4, Fe2O3, MgO, 및 NiO 나노입자는 각각의 금속 클로라이드 전구체의 열적 환원에 의해 제조되었다. 구체적으로, 바나듐(Ⅲ) 클로라이드 (vanadium (Ⅲ) chloride) (97%, Merck), 코발트(Ⅱ) 클로라이드 6수화물 (cobalt (Ⅱ) chloride hexahydrate) (98%, Merck), 아이론(Ⅱ) 클로라이드 (iron (Ⅱ) chloride) (97%, Merck), 마그네슘 클로라이드 6수화물 (magnesium chloride hexahydrate) (98%, Merck), 및 니켈(Ⅱ) 클로라이드 6수화물 (nickel(Ⅱ) chloride hexahydrate) (98%, Merck)을 각각 V2O5, Co3O4, Fe2O3, MgO, 및 NiO의 전구체로 사용하였다. 전구체를 포함하는 에탄올 용액을 CNT 필름에 분산하였다. 전구체가 코팅된 CNT 필름을 80℃에서 6시간 동안 건조하고, 혼합가스(O2:N2 = 18%:82%) 환경에서 400℃에서 2시간 동안 어닐링하였다.CNT films were prepared by filtering the CNT aqueous solution (5 wt% JENO Inc.). The CNT film was immersed in 0.01% HCl (Merck) aqueous solution to remove residual metal. This process is necessary to exclude parasitic capacity (about 10%) due to impurities. V 2 O 5 , Co 3 O 4 , Fe 2 O 3 , MgO, and NiO nanoparticles were prepared by thermal reduction of the respective metal chloride precursors. Specifically, vanadium (Ⅲ) chloride (97%, Merck), cobalt (Ⅱ) chloride hexahydrate (98%, Merck), iron (Ⅱ) chloride ( iron (Ⅱ) chloride) (97%, Merck), magnesium chloride hexahydrate (98%, Merck), and nickel (Ⅱ) chloride hexahydrate (98%, Merck) ) were used as precursors for V 2 O 5 , Co 3 O 4 , Fe 2 O 3 , MgO, and NiO, respectively. The ethanol solution containing the precursor was dispersed in the CNT film. The precursor-coated CNT film was dried at 80°C for 6 hours and annealed at 400°C for 2 hours in a mixed gas (O 2 :N 2 = 18%:82%) environment.

낮은 공여수 및 높은 공여수 전해질의 제조Preparation of low and high donor number electrolytes

0.9 M 리튬 비스(트리플루오로메탄) 설폰이미드 (lithium bis(trifluoromethane) sulfonimide; LiTFSI) (Sigma-Aldrich), 및 0.1 M 리튬 나이트레이트 (LiNO3, Alfa Aesar)을 1:1 v/v%의 1,3-디옥솔란 (1,3-dioxolane; DOL) (Sigma-Aldrich)/1,2-디메톡시에탄 (1,2-dimethoxyethane; DME) (Sigma-Aldrich)에 용해하여 낮은 공여수 전해질을 제조하였다. 높은 공여수 전해질은 LiTFSI 및 LiNO3의 농도를 각각 0.3 M 및 0.7 M으로 함으로써 더 높은 농도의 LiTFSI 및 LiNO3를 용해하여 제조하였다.0.9 M lithium bis(trifluoromethane) sulfonimide (LiTFSI) (Sigma-Aldrich), and 0.1 M lithium nitrate (LiNO 3 , Alfa Aesar) at 1:1 v/v% Low donor electrolyte by dissolving in 1,3-dioxolane (DOL) (Sigma-Aldrich)/1,2-dimethoxyethane (DME) (Sigma-Aldrich) was manufactured. The high donor electrolyte was prepared by dissolving higher concentrations of LiTFSI and LiNO 3 by setting the concentrations of LiTFSI and LiNO 3 to 0.3 M and 0.7 M, respectively.

흡착 분석Adsorption analysis

DOL/DME(5:5 v/v) 용매에서 8:5의 몰비로 리튬 설파이드 (Li2S, Alfa Aesar)과 황 원소 (S8, Alfa Aesar)을 반응시켜 Li2S6을 제조하였다. 상기 Li2S6 용액은 낮은 공여수와 높은 공여수로 0.2 mM 농도로 희석하였다. 흡착 용량을 측정하기 위하여, 40 mg 산화물 샘플을 0.2 mM Li2S6 용액에 담그고 용액의 UV-Vis 스펙트럼을 시간에 따라 측정하였다.Li 2 S 6 was prepared by reacting lithium sulfide (Li 2 S, Alfa Aesar) and elemental sulfur (S 8 , Alfa Aesar) at a molar ratio of 8:5 in DOL/DME (5:5 v/v) solvent. The Li 2 S 6 solution was diluted to a concentration of 0.2 mM using low and high donor water. To measure the adsorption capacity, a 40 mg oxide sample was immersed in a 0.2 mM Li 2 S 6 solution and the UV-Vis spectrum of the solution was measured over time.

전기화학적 측정Electrochemical measurements

활성 물질의 로딩은 황이 용해된 카본 다이설파이드 (carbon disulfide) 용액(0.0226 g/mL)에 oxide/CNT 호스트 전극을 건조함으로써 준비하였다. Li-S 배터리 셀은 황-로딩된 산화물/CNT 캐소드, 리튬 호일 애노드 (1 mm, Honzo) 및 분리막 (Celgard 2400)으로 조립되었다. 셀의 조립은 Ar 환경의 글로브박스에서 수행하였다. 캐소드에서의 황 면적 로딩은 2 mg/cm2이다. 황에 대한 전해질의 비율은 15 μL/mg이다. 모든 전기화학적 측정은 Maccor 4300 시스템을 사용하여 수행하였다. 정전류 (galvanostatic) 실험은 1.9 V(vs. Li/Li+) 내지 2.8 V(vs. Li/Li+)의 전압 범위로 제어하였으며, 전류 밀도는 0.2 C 내지 3 C으로 하였다. 순환 전압전류법(cyclic voltammetry)은 0.2 mV/s 내지 0.5 mV/s의 다양한 스캔 속도에서 1.9 V(vs. Li/Li+) 내지 2.8 V(vs. Li/Li+)의 전압 범위에서 순환하여 수득하였다. 크로노암페로메트리(chronoamperometry)는 Li2S6를 포함하는 전해질이 있는 셀에 2.05 V를 인가하여 측정하였다. 증착된 Li2S의 형태를 관찰하기 위하여 셀을 분해하고 아세토니트릴을 사용하여 가용성 잔류물을 제거하였다.Loading of the active material was prepared by drying the oxide/CNT host electrode in a sulfur-dissolved carbon disulfide solution (0.0226 g/mL). Li-S battery cells were assembled with a sulfur-loaded oxide/CNT cathode, lithium foil anode (1 mm, Honzo), and separator (Celgard 2400). Assembly of the cell was performed in a glove box in an Ar environment. The sulfur area loading at the cathode is 2 mg/cm 2 . The ratio of electrolyte to sulfur is 15 μL/mg. All electrochemical measurements were performed using a Maccor 4300 system. The galvanostatic experiment was controlled in a voltage range of 1.9 V (vs. Li/Li + ) to 2.8 V (vs. Li/Li + ), and the current density was 0.2 C to 3 C. Cyclic voltammetry is performed by cycling over a voltage range of 1.9 V (vs. Li/Li + ) to 2.8 V (vs. Li/Li + ) at various scan rates from 0.2 mV/s to 0.5 mV/s. Obtained. Chronoamperometry was measured by applying 2.05 V to a cell containing an electrolyte containing Li 2 S 6 . To observe the morphology of the deposited Li 2 S, the cell was disassembled and soluble residues were removed using acetonitrile.

재료 특성화Material Characterization

형태 및 미세 구조는 전계-방출 주사 전자 현미경(field-emission scanning electron microscopy; FE-SEM) (JSM-7100F) 및 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy; TEM, JEM-3010, JEOL)으로 특성평가 하였다. 금속 산화물의 결정 구조는 10° 내지 80°의 스캔 범위에서 스캔 속도 0.05°/s로 X-선 회절 (X-ray diffraction; XRD) (Davinci D8 Advance 회절계)을 이용하여 연구하였다. X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)은 Al Kα 단색 빔(1486.6 eV)(150 W 입력 전력, ESCALAB250 XPS 시스템, Theta Probe XPS 시스템)이 있는 Leybold 분광계를 이용하여 수집하였다. 금속 산화물의 비표면적은 바렛-에메트-텔러 (Barrett-Emmett-Teller; BET) 방법(ASAP 2020, Micrometrics Inc.)으로 수득하였다. 열중량 분석(TGA-50H, SHIMADZU)을 수행하여 금속 산화물/CNT 필름의 금속 산화물 함량을 확인하였다.Morphology and microstructure were characterized by field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM) (JSM-7100F) and transmission electron microscopy (TEM, JEM-3010, JEOL). The crystal structure of the metal oxide was studied using X-ray diffraction (XRD) (Davinci D8 Advance diffractometer) at a scan speed of 0.05°/s in a scan range of 10° to 80°. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was collected using a Leybold spectrometer with an Al Kα monochromatic beam (1486.6 eV) (150 W input power, ESCALAB250 XPS system, Theta Probe XPS system). The specific surface area of the metal oxide was obtained by the Barrett-Emmett-Teller (BET) method (ASAP 2020, Micrometrics Inc.). Thermogravimetric analysis (TGA-50H, SHIMADZU) was performed to confirm the metal oxide content of the metal oxide/CNT film.

1. 산화물/CNT 호스트 캐소드의 제조1. Fabrication of oxide/CNT host cathode

각각 MgO, NiO, Fe2O3, Co3O4, 및 V2O5의 나노 입자로 장식된 CNT 필름의 황 호스트 캐소드를 준비하였다. 상기 산화물은 LiPS 및 셀의 방전 용량에 대한 다양한 결합 에너지를 나타낸다. CNT의 산화물 나노입자 코팅은 CNT의 존재 하에서 금속 클로라이드 전구체의 졸-겔 반응에 의해 수득된다. 복합체(composite) 필름의 산화물 함량은 각 샘플에 대해 약 30 wt%로 서로 유사하게 제어하였다. 각 산화물 나노입자-CNT 복합체의 SEM 및 TEM 이미지는 각각 도 1의 a 및 b에 나타냈다. 각 산화물 샘플이 유사한 BET 표면적을 갖도록 각 산화물 나노입자의 크기를 엄격하게 제어하였다. 각각의 산화물 나노입자의 크기는 30 nm 내지 50 nm 범위이고, 각각의 산화물 복합체의 BET 표면적은 85 m2/g 내지 110 m2/g이다.Sulfur host cathodes of CNT films decorated with nanoparticles of MgO, NiO, Fe 2 O 3 , Co 3 O 4 , and V 2 O 5 were prepared, respectively. The oxides exhibit various binding energies for LiPS and the discharge capacity of the cell. Oxide nanoparticle coatings of CNTs are obtained by sol-gel reaction of metal chloride precursors in the presence of CNTs. The oxide content of the composite film was controlled to be similar to each other at approximately 30 wt% for each sample. SEM and TEM images of each oxide nanoparticle-CNT composite are shown in Figure 1 a and b, respectively. The size of each oxide nanoparticle was strictly controlled to ensure that each oxide sample had a similar BET surface area. The size of each oxide nanoparticle ranges from 30 nm to 50 nm, and the BET surface area of each oxide complex ranges from 85 m 2 /g to 110 m 2 /g.

각각의 산화물 나노입자에 대한 XRD 피크를 도 1의 c에 나타냈으며, 여기서 입방체 상 (cubic phase) Co3O4, 삼방정계 상 (trigonal phase) Fe2O3, 입방체 상 MgO, 입방체 상 NiO, 및 사방정계 상 (orthorhombic phase) V2O5가 식별되었다. HR-TEM 이미지는 각 산화물의 격자 간격을 확인하며 (도 1의 b의 삽입도), d-간격 (d-spacing)은, Co3O4의 경우, 0.2290 nm; Fe2O3의 경우, 0.2524 nm; MgO의 경우, 0.2040 nm; NiO의 경우, 0.2078 nm; 및 V2O5의 경우, 0.4021 nm이며, Co3O4의 입방체 (311), Fe2O3의 삼방정계 (110), MgO의 입방체 (200), NiO의 입방체 (200), 및 V2O5의 사방정계 (110)의 결정상 각각에 해당한다.The XRD peak for each oxide nanoparticle is shown in Figure 1c, where cubic phase Co 3 O 4 , trigonal phase Fe 2 O 3 , cubic phase MgO, cubic phase NiO, and orthorhombic phase V 2 O 5 were identified. HR-TEM images confirm the lattice spacing of each oxide (inset of Figure 1b), with d-spacing being 0.2290 nm for Co 3 O 4 ; for Fe 2 O 3 , 0.2524 nm; for MgO, 0.2040 nm; for NiO, 0.2078 nm; and for V 2 O 5 , 0.4021 nm, cubic (311) of Co 3 O 4 , cubic (110) of Fe 2 O 3 , cubic (200) of MgO, cubic (200) of NiO, and V 2 It corresponds to each of the orthorhombic (110) crystal phases of O 5 .

2. 산화물의 흡착 성질에 대한 탐구2. Exploration of the adsorption properties of oxides

DOL:DME 전해질에 높은 공여수 (donor number; DN) (22.2 kcal/mol)를 갖는 높은 전자-공여 LiNO3 염을 추가하여 전해질의 공여도 (donicity)를 제어하였다. DOL 및 DME에 대한 공여수 값은 각각 18 kcal/mol 및 20 kcal/mol이다. 충분히 높은 농도의 NO3 -는 설파이드 종 음이온을 안정화하고 Li+에 대한 공통 이온 효과에 의해 용해도를 증가시키는 것으로 입증되었다. 구체적으로, DOL:DME 기반 전해질에 각각 0.1 M LiNO3 및 0.7 M LiNO3를 포함하는 전해질을 준비하였으며, 각각을 낮은 공여수 전해질 및 높은 공여수 전해질로 지정하였다. 높은 공여수 전해질 환경에서 LiPS의 안정화에 의한 라디칼 형성이 관찰되었으며, 또한 실험에서도 확인되었다. The donacy of the electrolyte was controlled by adding a highly electron-donating LiNO 3 salt with a high donor number (DN) (22.2 kcal/mol) to the DOL:DME electrolyte. Donation values for DOL and DME are 18 kcal/mol and 20 kcal/mol, respectively. It has been demonstrated that sufficiently high concentrations of NO 3 stabilize the sulfide species anion and increase its solubility by the common ion effect on Li + . Specifically, electrolytes containing 0.1 M LiNO 3 and 0.7 M LiNO 3 were prepared in the DOL:DME-based electrolyte, respectively, and were designated as low-donor electrolyte and high-donor electrolyte, respectively. Radical formation due to stabilization of LiPS was observed in a high donor electrolyte environment and was also confirmed in experiments.

MgO, NiO, Fe2O3, Co3O4, 및 V2O5의 각 나노입자에 대한 LiPS의 흡착 용량을 비교하였다. 구체적으로, 각각의 산화물 나노입자를 2 mM의 Li2S6가 용해된 낮은 공여수 전해질 및 높은 공여수 전해질에 분산시키고, UV-Vis 스펙트럼으로 시간 경과에 따른 Li2S6의 흡착을 분석하였다. 3 시간 흡착 후 낮은 공여수 및 높은 공여수 전해질 샘플의 디지털 카메라 이미지를 각각 도 2의 a 및 b에 나타냈다. 낮은 공여수 전해질에서, V2O5, Co3O4, Fe2O3, MgO, 및 NiO 샘플의 순서로 주황색이 퇴색되었다. 정량적 흡착량(μmol/m2)은 UV-Vis 스펙트럼에서 Li2S6의 흡수에 해당하는 420 nm 영역에서의 피크 세기로 분석된다. 각 산화물의 Li2S6 상대 흡착은 도 2의 c에 나타냈으며, 이는 색상으로 식별된 흡착제 특성과 일치한다. 구체적으로, 가장 강한 흡착을 보인 V2O5의 흡착 용량(adsorption capacity)은 가장 약한 흡착을 보인 NiO 보다 4.6 배 높았다. V2O5, Co3O4, 및 Fe2O3는 비교적 강한 흡착 용량을 나타내는 반면 MgO 및 NiO는 약한 흡착 용량을 나타낸다.The adsorption capacity of LiPS for each nanoparticle of MgO, NiO, Fe 2 O 3 , Co 3 O 4 , and V 2 O 5 was compared. Specifically, each oxide nanoparticle was dispersed in a low-donor electrolyte and a high-donor electrolyte in which 2 mM Li 2 S 6 was dissolved, and the adsorption of Li 2 S 6 over time was analyzed using UV-Vis spectra. . Digital camera images of low-donor and high-donor electrolyte samples after 3 hours of adsorption are shown in Figure 2a and b, respectively. In the low donor electrolyte, the orange color faded in the following order: V 2 O 5 , Co 3 O 4 , Fe 2 O 3 , MgO, and NiO samples. Quantitative adsorption amount (μmol/m 2 ) is analyzed as the peak intensity in the 420 nm region corresponding to the absorption of Li 2 S 6 in the UV-Vis spectrum. The relative Li 2 S 6 adsorption of each oxide is shown in Figure 2c, consistent with the adsorbent properties identified by color. Specifically, the adsorption capacity of V 2 O 5 , which showed the strongest adsorption, was 4.6 times higher than that of NiO, which showed the weakest adsorption. V 2 O 5 , Co 3 O 4 , and Fe 2 O 3 show relatively strong adsorption capacity, while MgO and NiO show weak adsorption capacity.

높은 공여수 전해질에서, 각 산화물의 흡착 용량 순서는 낮은 공여수 전해질에서와 다르지 않지만 흡착량은 감소한다. 특히, 강한 흡착 용량을 갖는 산화물은 상대적으로 덜 감소된 흡착 용량을 나타내며, 높은 공여수 전해질에서 V2O5의 흡착량은 낮은 공여수 전해질에서와 유사하다. 그러나, NiO는 높은 공여수 전해질에서 흡착 용량이 약 35% 감소하였다. 이것은 높은 공여수 염에 의한 LiPS의 안정화 및 산화물에 의한 LiPS의 흡착 사이의 트레이드-오프 (trade-off)를 나타내는 것이다.In high donor number electrolytes, the order of adsorption capacity of each oxide does not differ from that in low donor number electrolytes, but the adsorption capacity decreases. In particular, oxides with strong adsorption capacity show relatively less reduced adsorption capacity, and the adsorption amount of V 2 O 5 in the high-donor electrolyte is similar to that in the low-donor electrolyte. However, the adsorption capacity of NiO decreased by approximately 35% in high donor electrolyte. This represents a trade-off between stabilization of LiPS by high donor salts and adsorption of LiPS by oxides.

상기 산화물 및 Li2S6 사이의 원자 상호작용을 밀도 기능 이론 (density functional theory; DFT)에 기반한 첫 번째 원리 계산을 이용하여 분석하였다. Co3O4 (400), Fe2O3 (110), MgO (200), NiO (200), 및 V2O5 (001)의 표면에서 Li2S6의 최적 결합 구성; 및 계산된 결합 에너지 (binding energy; BE)를 도 2의 d; 및 c에 각각 나타냈다. 많은 S-S 선형 체인(chain)의 구성으로 인하여 각 산화물의 결합은 서로 상당한 차이를 나타낸다 (도 2의 d). 그럼에도 불구하고, 유리한 결합은 Li와 O의 상호 작용에 의해 결정되며, S 원자 중 소수만이 표면의 산소와 결합한다. 가장 강한 BE는 V2O5에서 계산되었으며, 여기서 Li는 표면에서 두 개의 산소와 다리를 형성하고, 안정적인 V-S 및 O-Li 결합을 보여준다. V2O5에 흡착된 Li2S6의 Li-S 결합 길이는 2.4 Å이며, 이는 다른 산화물보다 더 큰 변형률을 나타낸다. 반면, 낮은 BE를 갖는 NiO 표면에서 Li는 하나의 산소와 결합된다. NiO에 흡착된 Li2S6의 Li-S 결합 길이는 2.2 Å의 작은 값을 나타낸다. Li2S6에 대한 BE는 V2O5(001), Co3O4(400), Fe2O3(110), MgO(200), 및 NiO(200)의 순서로 감소하며, 그 값을 도 2의 c에서 비교하였다. 본 발명에서, Li2S6에 대한 금속 산화물의 결합 에너지 (흡착 에너지)를 상대적으로 비교하였을 때, 3.5 eV 미만의 흡착 에너지를 갖는 금속 산화물은 약학 흡착제, 3.5 eV 내지 4.5 eV의 흡착 에너지를 갖는 금속 산화물은 중간 흡착제, 및 4.5 eV 초과하는 흡착 에너지를 갖는 금속 산화물은 강한 흡착제로서 정의하였다. 밀도 기능 이론을 이용하여 계산한 LiPS (Li2S6)에 대한 금속 산화물의 상대 결합 에너지 경향은, UV-Vis 스펙트럼을 통하여 수득한 LiPS (Li2S6)에 대한 금속 산화물의 정량적 흡착량(μmol/m2)의 경향과 일치한다.The atomic interactions between the oxide and Li 2 S 6 were analyzed using first principles calculations based on density functional theory (DFT). Optimal binding configuration of Li 2 S 6 on the surfaces of Co 3 O 4 (400), Fe 2 O 3 (110), MgO (200), NiO (200), and V 2 O 5 (001); And the calculated binding energy (BE) is shown in d in Figure 2; and c, respectively. Due to the composition of many SS linear chains, the bonds of each oxide show significant differences from each other (Figure 2d). Nevertheless, the favorable binding is determined by the interaction of Li and O, and only a few of the S atoms bind with the oxygen on the surface. The strongest BE was calculated for V 2 O 5 , where Li forms bridges with two oxygens at the surface, showing stable VS and O-Li bonds. The Li-S bond length of Li 2 S 6 adsorbed on V 2 O 5 is 2.4 Å, which indicates a greater strain rate than other oxides. On the other hand, on the NiO surface with low BE, Li is combined with one oxygen. The Li-S bond length of Li 2 S 6 adsorbed on NiO shows a small value of 2.2 Å. BE for Li 2 S 6 decreases in the following order: V 2 O 5 (001), Co 3 O 4 (400), Fe 2 O 3 (110), MgO (200), and NiO (200), and the values were compared in Figure 2c. In the present invention, when the binding energy (adsorption energy) of the metal oxide to Li 2 S 6 is relatively compared, the metal oxide with an adsorption energy of less than 3.5 eV is a pharmaceutical adsorbent, and has an adsorption energy of 3.5 eV to 4.5 eV. Metal oxides were defined as intermediate adsorbents, and metal oxides with adsorption energies exceeding 4.5 eV were defined as strong adsorbents. The relative binding energy trend of the metal oxide to LiPS (Li 2 S 6 ) calculated using density functional theory is the quantitative adsorption amount of the metal oxide to LiPS (Li 2 S 6 ) obtained through UV-Vis spectrum ( μmol/m 2 ) is consistent with the trend.

3. 낮은 공여수 전해질 또는 높은 공여수 전해질에서 산화물/CNT 캐소드 셀의 전기화학적 성능3. Electrochemical performance of oxide/CNT cathode cells in low or high donor electrolytes.

각각 MgO, NiO, Fe2O3, Co3O4, 또는 V2O5의 나노입자로 코팅된 CNT 복합체 캐소드를 사용하여 Li-S 배터리 셀을 제작하였다. 여기서, 각 셀은 낮은 공여수 전해질 또는 높은 공여수 전해질과 함께 제작하였다. 황 질량 로딩은 약 2 mg/cm2이다.A Li-S battery cell was fabricated using a CNT composite cathode coated with nanoparticles of MgO, NiO, Fe 2 O 3 , Co 3 O 4 , or V 2 O 5 , respectively. Here, each cell was fabricated with either a low-donor electrolyte or a high-donor electrolyte. The sulfur mass loading is approximately 2 mg/cm 2 .

낮은 공여수 전해질을 사용하는 다양한 산화물/CNT 셀의 충전/방전 곡선을 도 3의 a에 나타냈다. MgO/CNT, NiO/CNT, Fe2O3/CNT, Co3O4/CNT, 및 V2O5/CNT 셀의 방전 용량은 각각 0.5 C에서 895 mAh/g, 815 mAh/g, 920 mAh/g, 983 mAh/g, 및 994 mAh/g이다. 베어 (bare) CNT 셀의 방전 용량은 750 mAh/g로, 이는 산화물 나노 입자를 포함하는 셀보다 현저히 낮다. 산화물/CNT 셀의 방전 용량은 V2O5, Co3O4, Fe2O3, MgO, 및 NiO의 순서로 감소하며, 이는 산화물의 흡착 용량의 순서와 일치한다. 상기 결과는 산화물 표면에 대한 LiPS의 강력한 흡착이 셔틀 효과를 억제하여 높은 황 활용률(utilization)을 초래하는, 일반적인 메커니즘으로 설명된다. 상기 셀의 경우, 속도 용량 (rate capability)은 0.2 C에서 3 C로 C-속도의 증가에서 평가된다. 상기 속도 용량 (rate capability)은, 각각, MgO/CNT 셀의 경우, 85.85%; NiO/CNT 셀의 경우, 84.69%; Fe2O3/CNT 셀의 경우, 75.98%; Co3O4/CNT 셀의 경우, 77.93%; 및 V2O5/CNT 셀의 경우, 87.53%이다.The charge/discharge curves of various oxide/CNT cells using low donor electrolytes are shown in Figure 3a. The discharge capacities of MgO/CNT, NiO/CNT, Fe 2 O 3 /CNT, Co 3 O 4 /CNT, and V 2 O 5 /CNT cells were 895 mAh/g, 815 mAh/g, and 920 mAh at 0.5 C, respectively. /g, 983 mAh/g, and 994 mAh/g. The discharge capacity of the bare CNT cell is 750 mAh/g, which is significantly lower than that of the cell containing oxide nanoparticles. The discharge capacity of the oxide/CNT cell decreases in the order of V 2 O 5 , Co 3 O 4 , Fe 2 O 3 , MgO, and NiO, which is consistent with the order of adsorption capacity of oxides. The above results are explained by a general mechanism in which the strong adsorption of LiPS on the oxide surface suppresses the shuttle effect, resulting in high sulfur utilization. For the above cells, the rate capability is evaluated at an increase in C-rate from 0.2 C to 3 C. The rate capabilities are 85.85% for MgO/CNT cells, respectively; for NiO/CNT cells, 84.69%; for Fe 2 O 3 /CNT cells, 75.98%; for Co 3 O 4 /CNT cells, 77.93%; and for V 2 O 5 /CNT cells, 87.53%.

높은 공여수 전해질을 포함하는 산화물/CNT 셀 각각의 충전/방전 프로파일을 도 3의 c에 나타냈다. MgO/CNT, NiO/CNT, Fe2O3/CNT, Co3O4/CNT, 및 V2O5/CNT 셀에 대한 0.5 C에서의 방전 용량은 각각 1238 mAh/g, 1112 mAh/g, 975 mAh/g, 882 mAh/g, 및 686 mAh/g이다. 산화물의 흡착 용량은 더 이상 전지의 방전 용량을 결정하지 않는다. 강한 흡착제인 Co3O4와 V2O5를 포함하는 셀은 약한 흡착제인 MgO와 NiO를 포함하는 셀과 비교하여 다소 낮은 용량을 나타낸다. 낮은 공여수 전해질과 비교하였을 때, 산화물/CNT 셀의 방전 용량은 높은 공여수 전해질 환경에서 더 넓은 변화를 나타낸다. 낮은 공여수 전해질에서 용량 범위는 815 mAh/g 내지 994 mAh/g인 반면, 높은 공여수 전해질에서 용량 범위는 686 mAh/g 내지 1238 mAh/g이다. 이는 높은 공여수 전해질 환경에서 산화물/CNT 기판에서 Li2S의 성장 모드의 차이에 의한 것이다.The charge/discharge profile of each oxide/CNT cell containing high donor electrolyte is shown in Figure 3c. The discharge capacities at 0.5 C for MgO/CNT, NiO/CNT, Fe 2 O 3 /CNT, Co 3 O 4 /CNT, and V 2 O 5 /CNT cells were 1238 mAh/g, 1112 mAh/g, respectively. 975 mAh/g, 882 mAh/g, and 686 mAh/g. The adsorption capacity of the oxide no longer determines the discharge capacity of the cell. Cells containing strong adsorbents, Co 3 O 4 and V 2 O 5 , show somewhat lower capacity compared to cells containing weak adsorbents, MgO and NiO. Compared to low donor water electrolytes, the discharge capacity of oxide/CNT cells shows wider variation in high donor water electrolyte environments. In the low donor water electrolyte the capacity ranges from 815 mAh/g to 994 mAh/g, while in the high donor water electrolyte the capacity ranges from 686 mAh/g to 1238 mAh/g. This is due to differences in the growth mode of Li 2 S on the oxide/CNT substrate in a high-donor electrolyte environment.

전해질 공여도의 증가는 강력한 흡착제인 Co3O4와 V2O5를 포함하는 셀의 용량을 감소시키지만, 약한 흡착제인 MgO와 NiO를 포함하는 셀의 용량을 증가시킨다. V2O5/CNT 셀은 높은 공여수 전해질에서 상당히 낮은 용량을 나타내며, 상기 용량은 낮은 공여수 전해질로 달성된 용량의 69%에 불과하다. 종래의 연구로부터 전해질에 LiNO3 염이 존재하면 애노드를 안정화시킴으로써 용량이 향상되는 것을 확인하였다. 고농도 LiNO3 염-전해질에서 V2O5/CNT 셀의 열악한 용량은 이러한 안정화 효과가 지배적이지 않다는 것을 나타낸다.An increase in electrolyte donation decreases the capacity of cells containing strong adsorbents, Co 3 O 4 and V 2 O 5 , but increases the capacity of cells containing weak adsorbents, MgO and NiO. The V 2 O 5 /CNT cell exhibits significantly lower capacity in high donor electrolyte, which is only 69% of the capacity achieved with low donor electrolyte. From previous studies, it has been confirmed that the presence of LiNO 3 salt in the electrolyte improves capacity by stabilizing the anode. The poor capacity of V 2 O 5 /CNT cells in high concentration LiNO 3 salt-electrolyte indicates that this stabilizing effect is not dominant.

MgO/CNT 셀은 가장 높은 용량을 나타내며, 이 용량은 낮은 공여수 전해질에서 가장 높은 용량을 보인 V2O5 셀보다 25% 더 높다. 이는 산화물의 흡착 용량과 전해질의 용매화 용량(solvating capacity) 사이의 시너지 효과를 의미한다.The MgO/CNT cell shows the highest capacity, which is 25% higher than the highest capacity V 2 O 5 cell at low donor electrolyte. This means a synergy effect between the adsorption capacity of the oxide and the solvating capacity of the electrolyte.

증가하는 C-속도 (C-rate)에서 속도 용량 (rate capability)은 도 3의 d 및 e에 나타냈다. 높은 공여수 전해질에서 속도 용량은 또한 방전 용량에 따라 달라지므로 낮은 공여수 전해질에서 수득한 결과와는 상이하다.Rate capability at increasing C-rate is shown in Figure 3d and e. The rate capacity in high donor water electrolytes also depends on the discharge capacity and thus differs from the results obtained in low donor water electrolytes.

또한, LiO3의 농도를 0.1 M 내지 1 M로 하여 전해질의 공여수를 제어하고, 이때 MgO/CNT 셀의 방전 용량을 측정하였다 (도 4의 a 및 b). 이때, 0.1 M LiNO3 전해질과 비교하여, 0.5 M은 20%, 0.7 M은 54%, 및 0.9 M은 30% 향상된 방전용량을 나타내는 것을 확인하였다.In addition, the concentration of LiO 3 was set to 0.1 M to 1 M to control the number of electrolyte donors, and the discharge capacity of the MgO/CNT cell was measured (FIG. 4 a and b). At this time, compared to the 0.1 M LiNO 3 electrolyte, it was confirmed that the discharge capacity was improved by 20% for 0.5 M, 54% for 0.7 M, and 30% for 0.9 M.

4. 산화물/CNT 호스트 전극에서의 Li4. Li in oxide/CNT host electrode 22 S 성장 분석S growth analysis

본 발명자들은 시간대전류법(chronoamperometry)를 사용하여 산화물/CNT 셀에서 Li2S의 형성을 분석하였다. 액체 LiPS에서 고체-상태 Li2S로의 전환, 이른바 침전 (precipitation)은 속도-제한 단계로 알려져 있으며, 상기 과정은 엔트로피의 현저한 감소로 인하여 높은 에너지 장벽을 갖는다. 정전위 방전 (potentiostatic discharge) 하에서의 i-t 과도 프로파일은 고-차(higher-order) LiPS를 불용성 Li2S로 변환하기에 충분한, 일정한 전압 (2.05 V)을 인가함으로써 수득하였다. 각 산화물 기판에서 Li2S의 성장 모드를 결정하기 위하여, 과도 프로파일을 고전적인 전기화학 증착 모델의 것과 비교하였다.We analyzed the formation of Li 2 S in an oxide/CNT cell using chronoamperometry. The conversion of liquid LiPS to solid-state Li 2 S, so-called precipitation, is known to be the rate-limiting step, and the process has a high energy barrier due to the significant reduction in entropy. The IT transient profile under potentiostatic discharge was obtained by applying a constant voltage (2.05 V), sufficient to convert higher-order LiPS to insoluble Li 2 S. To determine the growth mode of Li 2 S on each oxide substrate, the transient profiles were compared to those of a classical electrochemical deposition model.

특히, 2D 핵생성-성장을 설명하는 뷰익, 플라이시먼, 및 서스크 (Bewick, Fleischman, 및 Thirsk; BFT) 모델 또는 3D 확산-지배적 성장을 설명하는 샤리프케르-힐스 (Scharifker-Hills; SH) 모델을 활용하였다. 각 모델에서, 즉각적 또는 점진적 핵형성이 고려되었다. 낮은 공여수 전해질에서 모든 산화물/CNT 셀의 i-t 곡선은 즉각적인 핵형성의 2D 성장에 해당한다. 완전 방전 후 각 산화물/CNT의 SEM 이미지는 모든 샘플에 대해 CNT 위에 놓인 2D-성장 Li2S의 전형적인 형태가 관찰된다 (도 5의 a 내지 c).In particular, the Bewick, Fleischman, and Thirsk (BFT) model, which describes 2D nucleation-growth, or the Scharifker-Hills (SH) model, which describes 3D diffusion-dominated growth. was used. In each model, immediate or gradual nucleation was considered. The it curves of all oxide/CNT cells in low donor electrolytes correspond to 2D growth with immediate nucleation. SEM images of each oxide/CNT after full discharge show the typical morphology of 2D-grown Li 2 S overlying the CNT for all samples (Figure 5 a to c).

높은 공여수 전해질의 적용에서 MgO/CNT 및 NiO/CNT 셀의 i-t 곡선은 도 6의 a 내지 c에서 관찰된 3D 성장 모드와 일치한다. 특징적으로 i-t 곡선(tm)에서 극대값(local maximum)에 도달하는 시간은 상기 샘플에서 상당히 지연될 수 있다. 이는 높은 공여수 염에서 Li2S의 용매화에 의한 Li2S 핵 사이의 지연된 유착(coalescence)을 나타내는 것이다. 종래 연구에서 Li2S의 3D 성장은 부분적으로 용매화된 Li2S 침전물; 또는 황 음이온 라디칼에 의한 용액-상 환원에 의해 생성된 Li2S의 벌크 확산에 의해 수득되는 것이 입증되었다. 완전한 방전 후 증착된 Li2S를 보여주는 SEM 이미지는 상기 샘플에서 미립자 Li2S를 나타낸다. Fe2O3/CNT, Co3O4/CNT, 및 V2O5/CNT에 대한 각 곡선은 낮은 공여수 전해질에서와 같이 2D 성장에 해당한다. 도 6의 c의 SEM 이미지는 Fe2O3/CNT, Co3O4/CNT, 및 V2O5/CNT의 표면에서 2D-성장한 Li2S를 명확하게 나타낸다. 도 7에서 MgO, NiO, Co3O4, 및 V2O5를 포함하는 셀을 충전한 후 형태를 비교하였다. 미립자 Li2S 성장이 있는 MgO 및 NiO 셀은 2D Li2S 성장이 있는 Co3O4 및 V2O5 셀에 비하여 더 작은 황 잔류물을 보여준다.The it curves of MgO/CNT and NiO/CNT cells upon application of high donor electrolyte are consistent with the 3D growth mode observed in Figure 6 a to c. Characteristically, the time to reach the local maximum in the it curve (t m ) may be significantly delayed in the sample. This indicates delayed coalescence between Li 2 S nuclei due to solvation of Li 2 S in the high donor salt. In previous studies, 3D growth of Li 2 S resulted in partially solvated Li 2 S precipitates; Alternatively, it has been demonstrated that it is obtained by bulk diffusion of Li 2 S produced by solution-phase reduction by sulfur anion radicals. SEM image showing Li 2 S deposited after complete discharge showing particulate Li 2 S in the sample. Each curve for Fe 2 O 3 /CNT, Co 3 O 4 /CNT, and V 2 O 5 /CNT corresponds to 2D growth as in low donor electrolyte. The SEM image in Figure 6c clearly shows 2D-grown Li 2 S on the surfaces of Fe 2 O 3 /CNT, Co 3 O 4 /CNT, and V 2 O 5 /CNT. In Figure 7, the shapes of cells containing MgO, NiO, Co 3 O 4 , and V 2 O 5 were compared after being charged. MgO and NiO cells with particulate Li 2 S growth show smaller sulfur residues compared to Co 3 O 4 and V 2 O 5 cells with 2D Li 2 S growth.

i-t 곡선에서 Li2S 핵형성-성장 과정에 대한 침전 용량을 계산하였다. 상기 침전 용량은, MgO의 경우, 1.166 mAh/cm2; NiO의 경우, 1.054 mAh/cm2; Fe2O3의 경우, 0.782 mAh/cm2; Co3O4의 경우, 0.742 mAh/cm2; 및 V2O5의 경우, 0.708 mAh/cm2이다. 상기 결과는 3D Li2S 성장을 갖는 MgO/CNT 및 NiO/CNT 셀은 고용량을 제공하는 반면, 2D 성장을 갖는 Fe2O3/CNT, Co3O4/CNT, 및 V2O5/CNT 셀은 상대적으로 낮은 용량을 제공한다는 것을 나타낸다 (표 1). 또한, 각 산화물/CNT 셀에 대한 침전 용량 순서는 각 산화물/CNT 셀의 완전 방전 용량 순서와 일치한다. 높은 공여수 전해질에서 산화물/CNT 셀의 용량은 Li2S의 성장 유형에 따라 달라지는 침전 용량의 기여도에 의해 결정된다.The precipitation capacity for the Li 2 S nucleation-growth process was calculated from the it curve. The precipitation capacity is 1.166 mAh/cm 2 for MgO; for NiO, 1.054 mAh/cm 2 ; For Fe 2 O 3 , 0.782 mAh/cm 2 ; for Co 3 O 4 , 0.742 mAh/cm 2 ; and for V 2 O 5 , it is 0.708 mAh/cm 2 . The results show that MgO/CNT and NiO/CNT cells with 3D Li 2 S growth provide high capacity, whereas Fe 2 O 3 /CNT, Co 3 O 4 /CNT, and V 2 O 5 /CNT cells with 2D growth. The cells indicate that they provide relatively low capacity (Table 1). Additionally, the order of deposition capacity for each oxide/CNT cell is consistent with the order of full discharge capacity for each oxide/CNT cell. The capacity of the oxide/CNT cell in high donor electrolytes is determined by the contribution of the precipitation capacity, which depends on the growth type of Li 2 S.

산화물oxide 전해질electrolyte 성장 모드growth mode Li2S 침전 용량Li 2 S precipitation capacity tm (s) tm (s) im i m MgOMgO 높은 공여수high number of donations 3D3D 583583 640640 2.482.48 낮은 공여수low number of donations 2D2D 242242 260260 3.033.03 NiONiO 높은 공여수high number of donations 3D3D 527527 690690 1.661.66 낮은 공여수low number of donations 2D2D 319319 370370 2.762.76 Fe2O3 Fe2O3 _ 높은 공여수high number of donations 2D2D 391391 530530 1.811.81 낮은 공여수low number of donations 2D2D 446446 450450 2.472.47 Co3O4 Co 3 O 4 높은 공여수high number of donations 2D2D 371371 570570 2.262.26 낮은 공여수low number of donations 2D2D 452452 320320 3.643.64 V2O5 V 2 O 5 높은 공여수high number of donations 2D2D 354354 650650 1.351.35 낮은 공여수low number of donations 2D2D 511511 320320 3.193.19

본 발명자들은 전해질 공여도와 흡착 용량의 조합에 따른 방전 메커니즘 및 용량을 제시한다. 첫째, 높은 공여수 전해질과 함께 약한 흡착체 기판 (즉, MgO 및 NiO) 캐소드 셀은 가장 높은 방전 용량을 제공한다. 본 발명자들은 MgO/CNT 전지에서 0.2 C에서 1394 mAh/g의 높은 방전 용량을 수득하였다. 상기 용량은 낮은 공여수 전해질을 갖는 모든 산화물/CNT 셀보다 높다. 상기 결과는 산화물의 LiPS 흡착 용량과 전해질의 용매화력 사이에서 상승적인 (synergistic) 효과를 즉시 나타낸다. 상기 방전 용량은 종래의 복합체 산화물 캐소드로 수득한 결과보다 우수하다. MgO 또는 NiO의 흡착 용량은 CNT 기판보다 LiPS를 더 잘 흡착하여, LiPS에서 Li2S로의 전환을 촉진한다. 반면, MgO 또는 NiO의 흡착 용량은 높은 공여수 염에 의한 용매화력에 비해 약하므로, 도 6에 도시된 바와 같이 Li2S의 부분적 용매화 및 차후의 3D 성장을 허용한다. 상기 두 가지 작용은 상기 기판에서의 고용량을 초래한다. MgO/CNT 셀은 NiO/CNT 셀보다 더 높은 용량을 제공한다. 이것은 LiNO3 및 LiPS의 경쟁적인 흡착에서 LiPS에 대한 MgO의 우수한 흡착 용량으로 설명된다. LiNO3의 흡착은 Li2S의 용매화를 약화시켜 3D 성장 과정에서 불완전한 황 활용을 초래한다.The present inventors propose a discharge mechanism and capacity according to the combination of electrolyte donation degree and adsorption capacity. First, weak adsorbent substrate (i.e. MgO and NiO) cathode cells with high donor electrolytes provide the highest discharge capacity. We obtained a high discharge capacity of 1394 mAh/g at 0.2 C in the MgO/CNT cell. This capacity is higher than all oxide/CNT cells with low donor electrolyte. The results immediately indicate a synergistic effect between the LiPS adsorption capacity of the oxide and the solvation power of the electrolyte. This discharge capacity is superior to the results obtained with conventional composite oxide cathodes. The adsorption capacity of MgO or NiO adsorbs LiPS better than the CNT substrate, promoting the conversion of LiPS to Li 2 S. On the other hand, the adsorption capacity of MgO or NiO is weak compared to the solvation power by high donor salts, allowing partial solvation of Li 2 S and subsequent 3D growth, as shown in Figure 6. These two actions result in high capacitance in the substrate. MgO/CNT cells provide higher capacity than NiO/CNT cells. This is explained by the superior adsorption capacity of MgO for LiPS in the competitive adsorption of LiNO 3 and LiPS. The adsorption of LiNO 3 weakens the solvation of Li 2 S, resulting in incomplete sulfur utilization during the 3D growth process.

둘째, 높은 공여수 전해질과 함께 Fe2O3, Co3O4, 및 V2O5와 같은 강한 흡착성의 산화물을 적용하면 용량이 저하된다. Fe2O3/CNT, V2O5/CNT, 및 Co3O4/CNT는 높은 공여수 전해질 환경에서도 3D 성장이 억제된다. 설파이드 종에 대한 상기 기판의 강한 흡착은 Li2S의 용매화를 억제한다. 특히, V2O5/CNT 및 Co3O4/CNT 셀의 각각의 용량은 낮은 공여수 전해질을 사용하는 각각의 전지에서 달성된 것보다 낮다는 점은 주목할 만하다. 본 발명자들은 높은 공여수 염이 이러한 강한 흡착제 기판에 강하게 흡착되고, 도 8에 나타난 바와 같이 흡착된 NO3 - 음이온은 LiPS의 전환을 방지하는 피복(sheath)으로 작용할 수 있다고 가정한다. 약한 흡착체 기판과 비교하여, 강한 흡착제 기판 또한 강력하게 NO3 -를 흡착하므로 피복의 영향을 크게 받는다. 캐소드 기판에서 LiNO3의 결합은 LiPS의 결합보다 더 강한 것으로 보고되었다. 또한, 종래의 연구에서, Lu와 동료들은 폴리설파이드 음이온을 강하게 용매화하는 쉘이 환원 반응에 대한 장벽을 제공한다고 제안하였다. 이 효과는 또한 Co3O4 보다 더 강한 흡착 용량을 갖는 V2O5 셀에서 수득한 더 낮은 용량에 의해 뒷받침된다.Second, applying strongly adsorptive oxides such as Fe 2 O 3 , Co 3 O 4 , and V 2 O 5 together with high donor electrolyte results in reduced capacity. The 3D growth of Fe 2 O 3 /CNT, V 2 O 5 /CNT, and Co 3 O 4 /CNT is suppressed even in a high donor electrolyte environment. The strong adsorption of the substrate to sulfide species inhibits the solvation of Li 2 S. In particular, it is noteworthy that the respective capacities of the V 2 O 5 /CNT and Co 3 O 4 /CNT cells were lower than those achieved in the respective cells using low donor electrolytes. We hypothesize that high donor salts are strongly adsorbed to these strong adsorbent substrates, and that the adsorbed NO 3 - anions can act as a sheath to prevent conversion of LiPS, as shown in Figure 8. Compared to weak adsorbent substrates, strong adsorbent substrates also strongly adsorb NO 3 - and are therefore greatly affected by coating. It has been reported that the binding of LiNO 3 to the cathode substrate is stronger than that of LiPS. Additionally, in a previous study, Lu and co-workers suggested that the shell, which strongly solvates the polysulfide anion, provides a barrier to the reduction reaction. This effect is also supported by the lower capacity obtained in the V 2 O 5 cell, which has a stronger adsorption capacity than Co 3 O 4 .

셋째, 낮은 공여수 전해질을 갖는 산화물 복합체 캐소드는 오직 적당한 정도의 용량만을 제공한다. 이것은 대부분의 이전 복합체 캐소드의 전형이다. 더 강한 흡착제 기판은 더 많은 폴리설파이드 종을 흡착하며, 이 경우 낮은 폴리설파이드 분자 손실 및 높은 전환율은 높은 방전 용량을 초래한다. 셀의 방전 용량은 산화물의 흡착 용량에 따라 달라진다.Third, oxide composite cathodes with low donor electrolytes provide only moderate capacity. This is typical of most previous composite cathodes. Stronger adsorbent substrates adsorb more polysulfide species, in which case lower polysulfide molecule loss and higher conversion result in higher discharge capacity. The discharge capacity of the cell depends on the adsorption capacity of the oxide.

결론적으로, 전해질의 공여도(donicity) 및 산화물 기판의 흡착성 사이의 상호작용이 Li-S 배터리 성능에 미치는 영향을 밝힌다. 전해질의 공여도 및 산화물의 흡착은 방전 생성물인 Li2S의 부분적 용매화를 위해 서로 상쇄된다. 강한 흡착 용량을 갖는 산화물은 전해질에 의한 용매화를 약화시켜 Li2S의 표면-부동태화(surface-passivating)을 유발할 뿐만 아니라, 전해질 염을 흡착하여 Li2S의 전환에 대한 장벽을 형성한다. 이는 오히려 셀 용량 저하를 야기한다. 미립자 Li2S 형성을 유지할 수 있는 약한 흡착제 산화물 기판은 높은 셀 성능을 위한 선택 기준이다. 고농도의 LiNO3 염을 포함하는 전해질과 함께 MgO/CNT 캐소드는 최적의 조합을 나타낸다. 셀은 1394 mAh/g의 높은 방전 용량을 제공하며, 이는 강력한 흡착체 산화물 캐소드로만 달성되는 용량보다 약 25% 더 높다. 본 발명자들은 첨단 소재 및 전해질의 상호작용에 대한 이해가 Li-S 배터리의 실용화를 위한 초석이 될 것이라고 믿는다.In conclusion, we reveal the influence of the interaction between the donicity of the electrolyte and the adsorptivity of the oxide substrate on Li-S battery performance. Electrolyte donation and oxide adsorption cancel each other out for partial solvation of the discharge product Li 2 S. The oxide with strong adsorption capacity not only weakens solvation by the electrolyte, causing surface-passivating of Li 2 S, but also adsorbs the electrolyte salt, forming a barrier to the conversion of Li 2 S. This actually causes a decrease in cell capacity. A weak adsorbent oxide substrate that can sustain particulate Li 2 S formation is a selection criterion for high cell performance. The MgO/CNT cathode together with the electrolyte containing high concentration of LiNO 3 salt represents the optimal combination. The cell provides a high discharge capacity of 1394 mAh/g, which is approximately 25% higher than the capacity achieved with strong adsorbent oxide cathodes alone. The present inventors believe that understanding the interaction of advanced materials and electrolytes will become the cornerstone for the practical use of Li-S batteries.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.The description of the present application described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present application can be easily modified into other specific forms without changing its technical idea or essential features. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. For example, each component described as single may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the claims described below rather than the detailed description above, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present application. .

Claims (12)

탄소질 기재, 황 및 금속 산화물을 포함하는 캐소드;
애노드; 및
용매, 제 1 리튬염 및 제 2 리튬염을 포함하는 전해질
을 포함하는, 리튬 황 전지로서,
상기 금속 산화물은 리튬폴리설파이드에 대한 흡착 에너지가 3.5 eV 미만인 것이고,
상기 제 1 리튬염의 음이온은 공여수가 15 kcal/mol 이상인 것인,
리튬 황 전지.
a cathode comprising a carbonaceous substrate, sulfur, and metal oxide;
anode; and
An electrolyte comprising a solvent, a first lithium salt, and a second lithium salt.
A lithium sulfur battery comprising,
The metal oxide has an adsorption energy for lithium polysulfide of less than 3.5 eV,
The anion of the first lithium salt has a donation number of 15 kcal/mol or more,
Lithium sulfur battery.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소질 기재는 탄소나노튜브, 그라파이트, 그래핀, 탄소 섬유, 흑연, 및 활성 탄소에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 리튬 황 전지.
According to claim 1,
A lithium sulfur battery, wherein the carbonaceous substrate includes one or more selected from carbon nanotubes, graphite, graphene, carbon fiber, graphite, and activated carbon.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 산화물은 NiO 및 MgO에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 리튬 황 전지.
According to claim 1,
A lithium sulfur battery, wherein the metal oxide includes one or more selected from NiO and MgO.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 산화물의 중량은 상기 캐소드의 중량의 20 wt% 내지 50 wt%인 것인, 리튬 황 전지.
According to claim 1,
A lithium sulfur battery, wherein the weight of the metal oxide is 20 wt% to 50 wt% of the weight of the cathode.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 산화물의 직경은 30 nm 내지 50 nm인 것인, 리튬 황 전지.
According to claim 1,
A lithium sulfur battery, wherein the metal oxide has a diameter of 30 nm to 50 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 리튬염의 농도는 0.5 M 내지 1.8 M인 것인, 리튬 황 전지.
According to claim 1,
A lithium sulfur battery, wherein the concentration of the first lithium salt is 0.5 M to 1.8 M.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 리튬염은 LiNO3, LiBr, LiCl, LiI, LiCN, LiOAc, 및 LiOTf에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 리튬 황 전지.
According to claim 1,
The first lithium salt is LiNO 3 , LiBr, LiCl, LiI, LiCN, LiOAc, and LiOTf, and includes one or more selected from LiOTf.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 리튬염은 LiTFSI, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiN(SO3C2F5)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiCl, LiI, 및 LiB(C2O4)2에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 리튬 황 전지.
According to claim 1,
The second lithium salt is LiTFSI, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiN(SO 3 C 2 F 5 ) 2 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiClO 4 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiCl, LiI, and LiB(C 2 O 4 ) 2 , a lithium sulfur battery comprising one or more selected from the group consisting of.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 리튬염의 농도는 0.1 M 내지 1 M인 것인, 리튬 황 전지.
According to claim 1,
A lithium sulfur battery, wherein the concentration of the second lithium salt is 0.1 M to 1 M.
제 1 항에 있어서,
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 리튬염 및 상기 제 2 리튬염의 농도의 비는 5:5 내지 9:1인 것인, 리튬 황 전지.
According to claim 1,
In one embodiment of the present application, the concentration ratio of the first lithium salt and the second lithium salt is 5:5 to 9:1, a lithium sulfur battery.
제 1 항에 있어서,
상기 용매는 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, 데카놀라이드, 메발로노락톤, 카프로락톤, 디메틸 에테르, 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란, 시클로헥사논, 에틸알코올, 이소프로필 알코올, 니트릴류, 디메틸포름아미드, 및 1,3-디옥솔란에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 리튬 황 전지.
According to claim 1,
The solvent is dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate, methylpropyl carbonate, ethylpropyl carbonate, methylethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, methyl acetate, ethyl acetate, n-propyl acetate, dimethyl acetate, Methyl propionate, ethyl propionate, decanolide, mevalonolactone, caprolactone, dimethyl ether, dibutyl ether, tetraglyme, diglyme, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran A lithium sulfur battery comprising one or more selected from cyclohexanone, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, nitriles, dimethylformamide, and 1,3-dioxolane.
제 1 항에 있어서,
0.2 C 속도에서 방전 용량은 1200 mAh/g 이상인 것인, 리튬 황 전지.
According to claim 1,
A lithium sulfur battery having a discharge capacity of 1200 mAh/g or more at a rate of 0.2 C.
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Huilin Pan, Kee Sung Han, Mark H. Engelhard, Ruiguo Cao, Junzheng Chen, Ji-Guang Zhang, Karl T. Mueller, Yuyan Shao, Jun Liu, "Addressing Passivation in Lithium-Sulfur Battery Under Lean Electrolyte Condition", Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1707234.

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