KR20240031012A - An anode comprising Lithium-Lanthanum alloy and a lithium ion secondary battery comprising the same - Google Patents

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KR20240031012A
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Abstract

리튬-란타늄 합금을 포함하는 음극이며, 상기 음극은 리튬-황 전지용 음극에 적용될 수 있다. 상기와 같이 합금 음극이 적용된 리튬-황 전지는 수명 특성이 향상되며 전기화학적 효율이 개선된다. It is a negative electrode containing a lithium-lanthanum alloy, and the negative electrode can be applied to a negative electrode for lithium-sulfur batteries. As described above, lithium-sulfur batteries with alloy negative electrodes have improved lifespan characteristics and improved electrochemical efficiency.

Description

리튬-란타늄 합금을 포함하는 음극 및 이를 포함하는 리튬 이온 이차 전지{An anode comprising Lithium-Lanthanum alloy and a lithium ion secondary battery comprising the same}An anode comprising Lithium-Lanthanum alloy and a lithium ion secondary battery comprising the same}

본 발명은 출력 및 용량 등 전지 성능이 개선된 리튬-황 전지에 대한 것이다. The present invention relates to a lithium-sulfur battery with improved battery performance such as output and capacity.

리튬 이차 전지의 적용 범위가 휴대형 전자기기뿐만 아니라 전기 자동차(EV), 축전 시스템(ESS)까지 확대되면서 고용량, 고에너지 밀도, 장수명의 리튬 이차 전지에 대한 수요가 증가하고 있다. As the scope of application of lithium secondary batteries expands not only to portable electronic devices but also to electric vehicles (EVs) and energy storage systems (ESS), demand for lithium secondary batteries with high capacity, high energy density, and long life is increasing.

다양한 리튬 이차 전지 중 리튬-황 전지는 황-황(S-S) 결합을 포함하는 황 화합물을 양극 활물질로 사용하고, 리튬 금속, 리튬 이온을 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 탄소계 물질, 리튬 금속과 합금을 형성하는 실리콘 또는 주석 등을 음극 활물질로 사용하는 전지 시스템이다. Among various lithium secondary batteries, lithium-sulfur batteries use a sulfur compound containing a sulfur-sulfur (S-S) bond as a positive electrode active material, lithium metal, a carbon-based material capable of intercalating/deintercalating lithium ions, and lithium. It is a battery system that uses silicon or tin, which forms an alloy with metal, as a negative active material.

리튬-황 전지는 양극 활물질의 주재료인 황은 원자량이 낮고 자원이 매우 풍부하여 수급이 용이하고 값이 싸고 비독성이며 환경 친화적이라는 장점이 있다.Lithium-sulfur batteries have the advantage of being cheap, non-toxic, and environmentally friendly as sulfur, the main material of the positive electrode active material, has a low atomic weight and is a very abundant resource.

또한, 리튬-황 전지는 양극에서 리튬 이온과 황의 전환 반응(S 8 +16 Li + +16 e - 8 Li 2 S)에서 유래하는 이론적인 비용량이 1 ,675 mAh/g 인 것으로서, 리튬 금속을 음극으로 사용하는 경우 이론적인 에너지 밀도는 2,600Wh/kg을 나타낸다. 리튬-황 배터리의 이론적인 에너지 밀도는 다른 배터리 시스템의 이론적인 에너지 밀도보다 훨씬 높기 때문에(Ni-MH 배터리: 450Wh/kg, Li-FeS 배터리: 480Wh/kg, Li-MnO2 배터리: 1,000 Wh/kg, Na-S 전지: 800 Wh/kg, 리튬이온 전지: 250 Wh/kg), 리튬-황 전지는 고용량, 친환경, 저렴한 가격의 리튬이차전지인 관계로 지금까지 개발된 이차전지 중 주목받고 있다.In addition, lithium-sulfur batteries use a conversion reaction of lithium ions and sulfur at the anode (S 8 +16 Li + +16 e - 8 Li 2 S), the theoretical specific capacity is 1,675 mAh/g, and when lithium metal is used as the cathode, the theoretical energy density is 2,600 Wh/kg. Because the theoretical energy density of lithium-sulfur batteries is much higher than that of other battery systems (Ni-MH batteries: 450 Wh/kg, Li-FeS batteries: 480 Wh/kg, Li-MnO 2 batteries: 1,000 Wh/kg) kg, Na-S battery: 800 Wh/kg, lithium-ion battery: 250 Wh/kg), lithium-sulfur battery is attracting attention among secondary batteries developed so far because it is a high-capacity, eco-friendly, and inexpensive lithium secondary battery. .

또한, 리튬-황 전지의 경우 리튬 금속을 음극 활물질로 사용하는 경우 이론적인 비 용량(theoretical specific capacity)이 3,860mAh/g으로 매우 높기 때문에 표준 환원 전위(Standard Hydrogen Electrode; SHE) 또한 -3.045V로 매우 낮아 고용량, 고에너지 밀도의 배터리 구현이 가능하여 차세대 배터리 시스템으로 여러 연구가 진행되고 있다.In addition, in the case of lithium-sulfur batteries, when lithium metal is used as the negative electrode active material, the theoretical specific capacity is very high at 3,860 mAh/g, so the standard hydrogen electrode (SHE) is also -3.045 V. It is very low, making it possible to implement batteries with high capacity and high energy density, so many studies are being conducted on next-generation battery systems.

그러나 음극 활물질인 리튬 금속은 화학적/전기화학적 반응성이 높아 전해액과 반응하기 쉽기 때문에 보호막의 일종인 SEI층(Solid Electrolyte Interface Layer)이 음극의 표면에 형성된다. 이와 같이 형성된 고체 전해질 계면층은 전해질과 리튬 금속의 직접적인 반응을 억제하여 리튬 금속을 포함하는 음극 활물질에 대해 일정 수준의 안정성을 확보할 수 있으므로, 종래 이러한 SEI층을 리튬 금속 표면에 안정적이고 균일하게 형성하는 방안들이 시도되었다. However, lithium metal, which is a negative electrode active material, has high chemical/electrochemical reactivity and easily reacts with electrolyte solution, so a solid electrolyte interface layer (SEI layer), a type of protective film, is formed on the surface of the negative electrode. The solid electrolyte interfacial layer formed in this way can secure a certain level of stability for the negative electrode active material containing lithium metal by suppressing the direct reaction between the electrolyte and lithium metal, so conventionally, such an SEI layer can be applied stably and uniformly to the surface of lithium metal. Methods of forming have been attempted.

그러나, 리튬-황 전지의 경우 음극 활물질이 리튬 금속인 경우, 상술한 바와 같이 SEI층을 형성하더라도 리튬 금속 표면에서 전지의 전기화학 반응이 지속적으로 일어나기 때문에, SEI층을 일정하게 유지하는 것은 어렵다. 또한, 전해질과 리튬금속의 반응에 의해 형성되는 SEI층은 기계적 강도가 약하기 때문에 전지의 충방전이 진행됨에 따라 구조가 붕괴되어 국부적인 전류밀도 차이를 일으켜 리튬 금속 표면에 리튬 덴드라이드를 형성하게 된다. 또한, 이와 같이 형성된 리튬 덴드라이트는 전지의 내부 단락 및 불활성 리튬(dead 리튬)을 유발하여 리튬 이차 전지의 물리적, 화학적 불안정성을 증가시킬 뿐만 아니라 전지 용량 및 사이클 수명을 저하시킨다. 또한, 양극 활물질은 리튬폴리설파이드(LiPS) 형태로 용해되어 음극으로 이동하여 리튬 황화물 부산물을 형성하므로 양극 활물질 손실/음극 부동태화(패시베이션, passivation) 및 원치 않는 부반응이 발생할 수 있다.However, in the case of a lithium-sulfur battery, when the negative electrode active material is lithium metal, it is difficult to keep the SEI layer constant because the electrochemical reaction of the battery continues to occur on the surface of the lithium metal even if the SEI layer is formed as described above. In addition, because the SEI layer formed by the reaction of electrolyte and lithium metal has weak mechanical strength, the structure collapses as the battery charges and discharges, causing a local current density difference and forming lithium dendrites on the lithium metal surface. . In addition, the lithium dendrites formed in this way cause internal short circuits of the battery and inactive lithium (dead lithium), which not only increases the physical and chemical instability of the lithium secondary battery, but also reduces battery capacity and cycle life. In addition, the positive electrode active material is dissolved in the form of lithium polysulfide (LiPS) and moves to the negative electrode to form lithium sulfide by-products, which may cause loss of positive electrode active material/passivation of the negative electrode and unwanted side reactions.

이와 같은 리튬 금속의 높은 불안정성과 리튬 덴드라이트 생성 문제로 인해 이러한 문제를 해결하기 위한 많은 시도가 있어 왔다.Due to the high instability of lithium metal and the problem of lithium dendrite formation, many attempts have been made to solve these problems.

예를 들어, 한국공개특허 제2016-0034183호에서는 리튬 금속 및 리튬 합금을 포함하는 음극 활물질층 표면에 음극을 보호하면서 전해질을 축적할 수 있는 고분자 매트릭스로 보호층을 형성함으로써 전해질의 손실 및 덴드라이트의 생성을 방지할 수 있음을 개시하고 있다. For example, in Korean Patent Publication No. 2016-0034183, a protective layer is formed on the surface of the negative electrode active material layer containing lithium metal and lithium alloy with a polymer matrix that can accumulate electrolyte while protecting the negative electrode, thereby preventing loss of electrolyte and dendrites. It is disclosed that the creation of can be prevented.

한국공개특허 제2016-0052351호에서는 리튬 금속 표면에 형성된 고분자 보호막에 리튬 덴드라이트용 흡수 물질을 도입하여 리튬 덴드라이트의 성장을 억제함으로써 리튬 이차 전지의 안정성 및 수명 특성을 향상시킬 수 있음을 개시하고 있다. Korean Patent Publication No. 2016-0052351 discloses that the stability and lifespan characteristics of lithium secondary batteries can be improved by suppressing the growth of lithium dendrites by introducing an absorbing material for lithium dendrites into the polymer protective film formed on the surface of lithium metal. there is.

이들 선행기술은 전해질과 리튬금속의 반응 또는 리튬 덴드라이트의 형성을 어느 정도 억제하였지만 그 효과는 충분하지 않았다. 또한, 전지의 충방전이 진행됨에 따라 보호층이 경화되거나 팽창하는 등의 변질의 문제가 있다.These prior technologies suppressed the reaction between electrolyte and lithium metal or the formation of lithium dendrites to some extent, but the effect was not sufficient. In addition, there is a problem of deterioration, such as hardening or expansion of the protective layer as the charging and discharging of the battery progresses.

이에 본 발명에서는 리튬-란타늄 합금 음극을 리튬-황 전지용 음극으로 직접 사용해 음극 도금/용출을 안정화시켜 셀 효율 및 수명을 향상시키고자 하였다.Accordingly, in the present invention, a lithium-lanthanum alloy anode was used directly as an anode for a lithium-sulfur battery to stabilize anode plating/elution to improve cell efficiency and lifespan.

본 발명은 전지 구동 중 석출/용출이 방지된 음극을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 상기 음극을 포함하는 리튬 이온 이차 전지를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다. 본 발명의 또 다른 목적 및 장점들은 특허청구범위에 기재된 수단 또는 방법 및 이의 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The purpose of the present invention is to provide a negative electrode that prevents precipitation/elution during battery operation. Another object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery including the negative electrode. It will be readily apparent that other objects and advantages of the present invention can be realized by the means or methods described in the claims and combinations thereof.

본 발명의 제1 측면은 음극 활물질로 리튬과 란타늄족 금속을 포함하는 Li-M 합금을 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음그에 대한 것이다. The first aspect of the present invention relates to an anode for a lithium secondary battery comprising a Li-M alloy containing lithium and a lanthanum group metal as a negative electrode active material.

본 발명의 제2 측면은, 상기 제1 측면에 있어서, 상기 란타넘족 금속은 란타넘(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 어븀(Er), 툴륨(Tm), 이터븀(Yb) 및 루테튬(Lu) 로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것이다.A second aspect of the present invention is that in the first aspect, the lanthanide group metal is lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), and samarium (Sm). , europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu). It includes one or more selected types.

본 발명의 제3 측면은, 상기 제2 측면에 있어서, 상기 란타넘족 금속은 란타넘(La)을 포함하는 것이다. A third aspect of the present invention is that, in the second aspect, the lanthanum group metal includes lanthanum (La).

본 발명의 제4 측면은, 상기 제1 내지 제3 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 Li-M 합금 100wt% 대비 란타넘족 금속의 함량이 15wt% 미만인 것이다. A fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, is that the content of the lanthanide group metal is less than 15 wt% compared to 100 wt% of the Li-M alloy.

본 발명의 제5 측면은 상기 제1 내지 제4 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 Li-M 합금 100wt% 대비 란타넘족 금속의 함량이 1wt% 내지 10wt%인 것이다.A fifth aspect of the present invention is that in any one of the first to fourth aspects, the content of the lanthanide group metal is 1 wt% to 10 wt% relative to 100 wt% of the Li-M alloy.

본 발명의 제6 측면은, 상기 제1 내지 제5 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 음극은 음극 활물질 100wt% 중 상기 Li-M 합금이 95wt% 이상인 것이다.The sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects, is that the negative electrode contains 95 wt% or more of the Li-M alloy out of 100 wt% of the negative electrode active material.

본 발명의 제7 측면은, 상기 제1 내지 제6 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 음극은 금속 박막 형태의 Li-M 합금을 음극 활물질층으로 포함하는 것이다.A seventh aspect of the present invention, according to any one of the first to sixth aspects, is that the negative electrode includes Li-M alloy in the form of a metal thin film as a negative electrode active material layer.

본 발명의 제8 측면은, 상기 제7 측면에 있어서, 상기 음극은 집전체를 더 포함하는 것이다.An eighth aspect of the present invention is that, in the seventh aspect, the negative electrode further includes a current collector.

본 발명의 제9 측면은 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 및 전해질을 포함하는 리튬 이온 이차전지에 대한 것으로서, 상기 음극은 본 발명의 어느 일 측면에 따른 것이다. The ninth aspect of the present invention relates to a lithium ion secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte, and the negative electrode is according to one aspect of the present invention.

본 발명의 제10 측면은 상기 제9 측면에 있어서, 상기 리튬 이차 전지는 양극 활물질이 황(S) 또는 황(S) 화합물을 포함하는 리튬-황 전지인 것이다.A tenth aspect of the present invention is that according to the ninth aspect, the lithium secondary battery is a lithium-sulfur battery in which the positive electrode active material includes sulfur (S) or a sulfur (S) compound.

본 발명의 제11 측면은 상기 제1항 내지 제8 측면 중 어느 한 측면에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법에 있어서, An eleventh aspect of the present invention is a method for manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery according to any one of the first to eighth aspects,

금속 리튬을 용융시켜 제1 용융물을 얻는 단계;Obtaining a first melt by melting metallic lithium;

상기에서 수득된 리튬 용융물에 란타넘족 금속을 첨가하여 제2 용융물을 얻는 단계;Obtaining a second melt by adding a lanthanide metal to the lithium melt obtained above;

상기 제2 용융물을 200℃ 이상의 온도로 유지하여 합금화 하는 단계; 및 alloying the second melt by maintaining the temperature above 200°C; and

상기 합금화하는 단계에서 수득된 상기 제2 용융물을 냉각시켜 리튬-란타넘족 합금을 얻는 단계;를 포함하는 것이다.It includes the step of obtaining a lithium-lanthanide alloy by cooling the second melt obtained in the alloying step.

본 발명에 따른 리튬-란타늄 합금 음극은 리튬-황 전지 음극으로 적용될 수 있다. 상기 리튬-란타늄 합금을 음극으로 도입한 리튬-황 전지는 수명 특성 및 쿨롱 효율이 향상되는 효과가 있다. 리튬-란타늄 합금을 음극으로 사용할 경우, 균일한 리튬의 전기화학적 도금/용출이 유도되어 계면 부반응에 따른 LiPS와 리튬염 분해를 효과적으로 억제할 수 있다. The lithium-lanthanum alloy negative electrode according to the present invention can be applied as a lithium-sulfur battery negative electrode. The lithium-sulfur battery incorporating the lithium-lanthanum alloy as the negative electrode has the effect of improving lifespan characteristics and coulombic efficiency. When a lithium-lanthanum alloy is used as a negative electrode, uniform electrochemical plating/elution of lithium is induced, thereby effectively suppressing the decomposition of LiPS and lithium salt due to interfacial side reactions.

본 명세서에 첨부되는 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시한 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 잘 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되는 것은 아니다. 한편, 본 명세서에 수록된 도면에서의 요소의 형상, 크기, 축척 또는 비율 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장될 수 있다.
도 1은 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 전지의 사이클 특성을 확인한 것이다.
도 2 및 도 3은 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 전지의 쿨롱 효율을 확인하여 나타낸 것이다.
The drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to better understand the technical idea of the present invention together with the contents of the above-described invention, so the present invention is limited only to the matters described in such drawings. It is not interpreted as such. Meanwhile, the shape, size, scale, or ratio of elements in the drawings included in this specification may be exaggerated to emphasize a clearer description.
Figure 1 confirms the cycle characteristics of the batteries manufactured in the above examples and comparative examples.
Figures 2 and 3 show the coulombic efficiency of the batteries manufactured in the above examples and comparative examples.

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

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. Terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their common or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It should be interpreted with meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it is.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 「포함한다」 또는 「가진다」고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification of the present application, when a part is said to “include” or “have” a certain component, this does not exclude other components but may further include other components unless specifically stated to the contrary. it means.

또한, 본원 명세서 전체에서 사용되는 용어 「약」, 「실질적으로」 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용 오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로서 사용되고 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. In addition, the terms "about", "substantially", etc. used throughout the specification of the present application are used as meanings at or close to the numerical value when manufacturing and material tolerances inherent in the mentioned 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, 「A 및/또는 B」의 기재는 「A 또는 B 또는 이들 모두」를 의미한다.Throughout this specification, the description of “A and/or B” means “A or B or both.”

본 발명에서 "비표면적"은 BET법에 의해 측정한 것으로서, 구체적으로는 BEL Japan사의 BELSORP-mino II를 이용하여 액체 질소 온도 하(77K)에서의 질소 가스 흡착량으로부터 산출될 수 있다. In the present invention, “specific surface area” is measured by the BET method, and can be specifically calculated from the amount of nitrogen gas adsorption under liquid nitrogen temperature (77K) using BELSORP-mino II from BEL Japan.

본 명세서에서 사용되고 있는 용어 “폴리설파이드”는 “폴리설파이드 이온(Sx2-, x = 8, 6, 4, 2))” 및 “리튬 폴리설파이드(Li2Sx 또는 LiSx -, x = 8, 6, 4, 2)”를 모두 포함하는 개념이다. The term “polysulfide” used in this specification refers to “polysulfide ion (Sx 2- , x = 8, 6, 4, 2)” and “lithium polysulfide (Li 2 S x or LiS x - , x = 8). , 6, 4, 2)”.

본 명세서에서 사용되고 있는 용어 “복합체(composite)”란 두 가지 이상의 재료가 조합되어 물리적·화학적으로 서로 다른 상(phase)를 형성하면서 보다 유효한 기능을 발현하는 물질을 의미한다. The term “composite” as used herein refers to a material that combines two or more materials to form physically and chemically different phases while exhibiting more effective functions.

본 명세서에서 사용되고 있는 용어 “기공도(porosity)”은 어느 구조체에서 전체 부피에 대해 기공이 차지하는 부피의 비율을 의미하고, 그의 단위로서 vol%를 사용하며, 공극율, 다공도 등의 용어와 상호 교환하여 사용할 수 있다. The term “porosity” used in this specification refers to the ratio of the volume occupied by pores to the total volume in a structure, and vol% is used as its unit, and can be interchanged with terms such as porosity and porosity. You can use it.

본 발명에서 "입경 D50"은 입자의 체적누적 입도분포의 50% 기준에서의 입자 크기를 의미하는 것이다. 상기 입경 D50은 레이저 회절법(laser diffraction method)를 이용하여 측정될 수 있다. 예를 들면, 입자들을 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(예를 들면, Microtrac MT 3000)에 도입하여 약 28kHz의 초음파를 출력 60W로 조사한 후, 체적 누적 입도 분포 그래프를 얻은 후, 체적 누적량의 50%에 해당하는 입자 크기를 구함으로써 측정될 수 있다.In the present invention, “particle diameter D 50 ” refers to the particle size based on 50% of the cumulative volumetric particle size distribution of the particles. The particle size D 50 can be measured using a laser diffraction method. For example, after dispersing the particles in a dispersion medium, they are introduced into a commercially available laser diffraction particle size measurement device (e.g. Microtrac MT 3000), irradiated with ultrasonic waves at about 28 kHz with an output of 60 W, and then a volume cumulative particle size distribution graph is obtained. , can be measured by determining the particle size corresponding to 50% of the volume accumulation.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.In addition, the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of explanation, so the present invention is not necessarily limited to what is shown. In the drawing, the thickness is enlarged to clearly express various layers and areas. And in the drawings, for convenience of explanation, the thicknesses of some layers and regions are exaggerated.

음극cathode

본 발명의 제1 측면은 전기화학소자용 음극 활물질 및 이를 포함하는 음극에 대한 것이다. The first aspect of the present invention relates to a negative electrode active material for an electrochemical device and a negative electrode containing the same.

상기 음극은 음극 활물질로 란타넘족 금속과 리튬을 포함하는 합금(Li-M)을 포함한다. The negative electrode contains an alloy (Li-M) containing a lanthanide metal and lithium as a negative electrode active material.

본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 란타넘족 금속과 리튬을 포함하는 합금은 화학양론적으로 xLi-yM으로 표시할 수 있다. 여기서, x는 합금 중 Li의 몰비, M은 라타넘족 금속 중 선택된 1종 이상인 것이고, y는 합금 중 M의 몰비이다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 x 및 y는 각각 독립적으로 0을 초과할 수 있다. 예를 들어 상기 x+y는 0 이상일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the alloy containing the lanthanide group metal and lithium may be stoichiometrically expressed as xLi-yM. Here, x is the molar ratio of Li in the alloy, M is one or more selected from lathanum group metals, and y is the molar ratio of M in the alloy. In one embodiment of the present invention, x and y may each independently exceed 0. For example, x+y may be 0 or more.

상기 란타넘족 금속(M)은 란타넘(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 어븀(Er), 툴륨(Tm), 이터븀(Yb) 및 루테튬(Lu) 로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 금속(M)은 바람직하게는 란타넘을 포함하는 것이다. The lanthanide group metal (M) is lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), and terbium. (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu). The metal (M) preferably contains lanthanum.

본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 합금 Li-M은 전체 합금 100 wt%중 란타넘족 금속 M의 함량이 1wt% 이상의 범위로 포함될 수 있다. 한편, 상기 란타넘족 금속은 15wt% 미만의 범위로 포함될 수 있다. 한편, 수명 특성 및 쿨롱 효율 향상의 측면에서 상기 란타넘족 금속 M은 상기 합금 중 3wt% 이상, 5wt% 이상, 7wt% 이상 포함될 수 있다. 반면 과도하게 많은 양의 란타넘족 금속 M이 합금 중 포함되는 경우에는 쿨롱 효율이 불안정하게 나타나며 평균 효율 수치도 합금이 적용되지 않은 리튬 금속 음극에 비해서 저하될 수 있으므로 15wt% 미만, 14wt% 이하, 13wt% 이하, 12wt% 이하, 11wt% 이하, 10wt% 이하, 7wt% 이하, 5wt% 이하, 또는 3wt% 이하의 범위로 제어될 수 있다. 상기 금속 M의 상한 및/또는 하한은 음극이 최종적으로 적용되는 전지의 전기화학적인 특성을 고려하여 적절한 범위로 제어될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the alloy Li-M may contain lanthanide metal M in a range of 1 wt% or more based on 100 wt% of the total alloy. Meanwhile, the lanthanide group metal may be included in an amount of less than 15 wt%. Meanwhile, in terms of improving lifespan characteristics and coulombic efficiency, the lanthanide metal M may be included in more than 3 wt%, more than 5 wt%, and more than 7 wt% in the alloy. On the other hand, if an excessively large amount of lanthanide metal M is included in the alloy, the coulombic efficiency appears unstable and the average efficiency value may be lowered compared to a lithium metal anode to which no alloy is applied, so less than 15wt%, less than 14wt%, less than 13wt. % or less, 12wt% or less, 11wt% or less, 10wt% or less, 7wt% or less, 5wt% or less, or 3wt% or less. The upper and/or lower limit of the metal M may be controlled to an appropriate range in consideration of the electrochemical characteristics of the battery to which the negative electrode is ultimately applied.

또한, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 음극은 음극 활물질로 상기 Li-M 합금을 95wt% 이상 포함할 수 있으며, 예를 들어 상기 음극은 음극 활물질이 Li-M 합금으로 이루어질 수 있다. Additionally, in one embodiment of the present invention, the negative electrode may include 95 wt% or more of the Li-M alloy as the negative electrode active material. For example, the negative electrode may include the Li-M alloy as the negative electrode active material.

한편, 본 발명에 따른 음극은 상기 Li-M 합금을 박막 형태로 제조하여 전지에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 있어서, 음극 활물질층으로 Li-M 합금 박막이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 음극 활물질층의 두께는 전지 구동에 충분한 리튬 공급원을 제공하여 높은 에너지 밀도를 실현하는 측면에서 0.1㎛ 이상 200㎛ 이하로 할 수 있다. 예를 들어, 상기 Li-M 합금을 박막은 두께가 180㎛ 이하, 또는 160㎛이하, 150㎛이하, 140㎛이하, 130㎛이하, 120㎛이하, 110㎛이하 또는 100㎛이하일 수 있다. 한편, 상기 음극 활물질층의 두께는 0.1㎛이상, 0.5㎛이상, 2㎛이상, 5㎛이상, 10㎛이상, 20㎛이상, 30㎛이상, 50㎛이상, 70㎛이상 75㎛이상 90㎛이상일 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 음극은 집전체 없이 상기 Li-M 박막 단독으로 형성되거나, 또는 집전체와 Li-M 합금 박막을 접합하여 형성될 수 있다. Meanwhile, the negative electrode according to the present invention can be applied to a battery by manufacturing the Li-M alloy in the form of a thin film. That is, in the present invention, a Li-M alloy thin film can be used as the negative electrode active material layer. In one embodiment of the present invention, the thickness of the negative electrode active material layer may be 0.1 μm or more and 200 μm or less in terms of providing a sufficient lithium source for battery operation and realizing high energy density. For example, the thickness of the Li-M alloy thin film may be 180 μm or less, or 160 μm or less, 150 μm or less, 140 μm or less, 130 μm or less, 120 μm or less, 110 μm or less, or 100 μm or less. Meanwhile, the thickness of the negative electrode active material layer is 0.1 ㎛ or more, 0.5 ㎛ or more, 2 ㎛ or more, 5 ㎛ or more, 10 ㎛ or more, 20 ㎛ or more, 30 ㎛ or more, 50 ㎛ or more, 70 ㎛ or more, 75 ㎛ or more, 90 ㎛ or more. You can. In one embodiment of the present invention, the negative electrode may be formed solely from the Li-M thin film without a current collector, or may be formed by bonding a current collector and a Li-M alloy thin film.

본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 Li-M 합금은 모놀리식(moholithic)인 것일 수 있다. 상기 모놀리식(moholithic)은 본 발명에 따른 Li-M 합금에서 금속 M의 농도 구배가 없는 것을 의미한다. 더 나아가, 본 발명에 따른 Li-M 합금은 합금 전체에 걸쳐 실질적으로 균질할 수 있다. 본 발명에 따른 Li-M 합금은 합금 전체에 걸쳐 균질할 수 있다. 본 발명에 따른 Li-M 합금은 실질적으로 균질한 벌크 물질이며, 여기서 전체 벌크 물질은 연속상으로 균질한 것이다. 즉, 금속 M이 모두 용융되어 전체 벌크가 리튬과의 연속상으로 실질적으로 또는 완전히 균질한 상태인 것이다. In one embodiment of the present invention, the Li-M alloy may be monolithic. The monolithic (moholithic) means that there is no concentration gradient of metal M in the Li-M alloy according to the present invention. Furthermore, Li-M alloys according to the present invention can be substantially homogeneous throughout the alloy. Li-M alloys according to the invention can be homogeneous throughout the alloy. The Li-M alloy according to the invention is a substantially homogeneous bulk material, wherein the entire bulk material is homogeneous in a continuous phase. That is, all of the metal M is melted and the entire bulk is substantially or completely homogeneous in a continuous phase with lithium.

본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 음극 집전체로는, 당해 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 음극 집전체들이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 상기 음극 집전체는 통상적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 양극 집전체와 마찬가지로, 상기 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. 예를 들어 금속 박막 형태의 집전체가 사용되는 경우, 집전체의 두께는 1㎛ 내지 20㎛의 두께를 가질 수 있다. In one embodiment of the present invention, as the negative electrode current collector, negative electrode current collectors commonly used in the art may be used, for example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, Surface treatment of copper or stainless steel with carbon, nickel, titanium, silver, etc., aluminum-cadmium alloy, etc. can be used. The negative electrode current collector may typically have a thickness of 3㎛ to 500㎛, and like the positive electrode current collector, fine irregularities may be formed on the surface of the current collector to strengthen the bonding force of the negative electrode active material. For example, it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven materials. For example, when a current collector in the form of a metal thin film is used, the current collector may have a thickness of 1 μm to 20 μm.

한편, Li-M 박막의 형성 방법은 특별히 제한되지 않으며, 당업계에서 통상적으로 사용되는 층 또는 막을 형성하는 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어 압축법, 코팅법 등의 방법을 사용할 수 있다.Meanwhile, the method of forming the Li-M thin film is not particularly limited, and any method of forming a layer or film commonly used in the art can be used. For example, methods such as compression and coating methods can be used.

Li-M 박막은 a) 금속 리튬을 용융시켜 리튬 용융물(제1 용융물)을 얻는 단계; b) 단계 a)에서 얻어진 리튬 용융물에 금속 M을 첨가하여 리튬-금속 M 용융물(제2 용융물)을 얻는 단계; c) 단계 b)에서 얻은 리튬-금속 M 용융물을 200℃ 이상의 온도로 유지하는 단계; 및 d) 단계 c)에서 얻은 리튬-금속 M 용융물을 냉각시켜 리튬-금속 M 잉곳을 얻는 단계; 및 e) 리튬-금속 M 합금 잉곳으로부터 리튬-금속 M 합금 박막을 제조하는 단계를 포함한다. 상기 c) 단계는 리튬과 금속 M의 합금화가 이루어질 수 있다. The Li-M thin film includes the steps of a) melting metallic lithium to obtain a lithium melt (first melt); b) adding metal M to the lithium melt obtained in step a) to obtain a lithium-metal M melt (second melt); c) maintaining the lithium-metal M melt obtained in step b) at a temperature of 200° C. or higher; and d) cooling the lithium-metal M melt obtained in step c) to obtain a lithium-metal M ingot; and e) producing a lithium-metal M alloy thin film from a lithium-metal M alloy ingot. In step c), alloying of lithium and metal M may be achieved.

상기 제조 방법은 리튬 잉곳과 같은 리튬의 고체 조각을 금속 M 펠릿과 같은 고체 조각과 함께 적절한 가열 수단(예를 들어 베슬, vessel)에 배치하는 것을 포함할 수 있다. 가열 수단은 2가지 금속의 용융물을 교반할 수 있도록 하는 교반 수단 및 가열 수단에 불활성 기체 분위기를 제공하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다. 상기 a) 단계인 금속 리튬 및 금속 M을 제공하는 단계는 DC 스퍼터와 같은 스퍼터링 단계를 포함하지 않을 수 있다. 오히려, 단계 b)에서의 용융은 용융물을 교반하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방식은 금속 M의 분포가 훨씬 균질한 개선된 리튬-금속 M 합금박을 제공하기 위해 보다 비용 효율적인 법이다. The manufacturing method may include placing a solid piece of lithium, such as a lithium ingot, together with a solid piece, such as a metal M pellet, in a suitable heating means (eg, vessel). The heating means may further include a stirring means for stirring the melt of the two metals and a means for providing an inert gas atmosphere to the heating means. The step a) of providing metal lithium and metal M may not include a sputtering step such as DC sputtering. Rather, melting in step b) may involve stirring the melt. This method is a more cost-effective method to provide an improved lithium-metal M alloy foil with a much more homogeneous distribution of metal M.

상기 용융은 금속 리튬을 금속 M과 함께 200℃ 내지 500℃의 온도에서 가열하는 것을 포함할 수 있다.The melting may include heating metallic lithium together with metal M at a temperature of 200°C to 500°C.

상기 단계 d)에서의 냉각은 실온으로 냉각될 수 있다. Cooling in step d) may be to room temperature.

본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 리튬-금속 M 박막의 제조 방법은 리튬-리튬-금속 M 합금 잉곳을 롤 프레싱을 포함하여 리튬-금속 M 박막을 수득하는 방법을 포함할 수 있다. 상기 롤 프레스는 열과 압력이 동시에 가해지는 것을 포함할 수 있으며, 열간 롤 프레스 (hot roll press) 등을 이용하여 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the method for producing the lithium-metal M thin film may include a method of obtaining the lithium-metal M thin film including roll pressing a lithium-lithium-metal M alloy ingot. The roll press may include applying heat and pressure simultaneously, and may be performed using a hot roll press or the like.

한편, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은 상기에서 수득된 리튬-금속 M 박막을 집전체와 합지/접착하는 하기 단계 f)를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, in one embodiment of the present invention, the electrode manufacturing method according to the present invention may further include the following step f) of laminating/adhering the lithium-metal M thin film obtained above with a current collector.

이차전지secondary battery

본 발명의 제2 측면은 상기 음극을 포함하는 리튬 이온 이차 전지에 대한 것이다. A second aspect of the present invention relates to a lithium ion secondary battery including the negative electrode.

양극(리튬-황 전지)Anode (lithium-sulfur battery)

상기 리튬 이온 이차 전지는 리튬 -황 전지일 수 있다. The lithium ion secondary battery may be a lithium-sulfur battery.

본 발명에 따른 양극은 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일측 표면에 배치된 양극 활물질층을 포함한다.The positive electrode according to the present invention includes a current collector and a positive electrode active material layer disposed on at least one surface of the current collector.

상기 집전체는 당해 기술 분야에서 사용되는 것으로서 전기 전도성을 갖고 집전 성분으로 사용되는 것이면 어느 것이나 사용될 수 있다 예를 들어, 상기 양극 집전체로는, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 상기 양극 집전체는 통상적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 양극 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 상기 양극 집전체는 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The current collector may be any material used in the art that has electrical conductivity and is used as a current collecting component. For example, the positive electrode current collector may include stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, or aluminum. Alternatively, a stainless steel surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. can be used. The positive electrode current collector may typically have a thickness of 3㎛ to 500㎛, and fine irregularities may be formed on the surface of the positive electrode current collector to increase the adhesion of the positive electrode active material. The positive electrode current collector may be used in various forms, such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics.

본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 양극 활물질층은 양극 활물질, 도전재, 및 바인더 재료를 포함한다. 상기 양극 활물질층은 양극 활물질, 도전재 및 바인더 재료의 총 중량을 기준으로 양극 활물질은 80~97wt%, 도전재는 2~10wt%, 바인더는 2~10wt%의 비율로 포함될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the positive electrode active material layer includes a positive electrode active material, a conductive material, and a binder material. The positive electrode active material layer may contain 80 to 97 wt% of the positive electrode active material, 2 to 10 wt% of the conductive material, and 2 to 10 wt% of the binder based on the total weight of the positive electrode active material, conductive material, and binder material.

본원 발명에 있어서, 상기 양극 활물질은 황-탄소 복합체를 포함한다. 바람직하게는 상기 양극 활물질은 양극 활물질 100wt% 대비 황-탄소 복합체를 80wt% 이상, 바람직하게는 90wt% 이상 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 양극 활물질은 황-탄소 복합체만으로 만으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 황-탄소 복합체 100중량% 대비 황의 함량은 70중량% 이상인 것이 바람직하다.In the present invention, the positive electrode active material includes a sulfur-carbon complex. Preferably, the positive electrode active material may contain 80 wt% or more of a sulfur-carbon complex, preferably 90 wt% or more, based on 100 wt% of the positive electrode active material, and more preferably, the positive electrode active material may include only the sulfur-carbon composite. In addition, it is preferable that the sulfur content is 70% by weight or more compared to 100% by weight of the sulfur-carbon composite.

본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 황-탄소 복합체는 상기 황과 탄소재가 단순 혼합되어 복합화되거나 코어-쉘 구조의 코팅 형태 또는 담지 형태를 가질 수 있다. 상기 코어-쉘 구조의 코팅 형태는 황 또는 탄소재 중 어느 하나가 다른 물질을 코팅한 것으로, 일례로 탄소 재료 표면을 황으로 감싸거나 이의 반대가 될 수 있다. 상기 탄소 재료는 몸체의 내부 및 표면에 기공을 갖는 다공성 구조를 갖는 것으로서 특히 내부 기공에 황이 충진된 형태일 수 있다. 상기 황-탄소 복합체의 형태는 아래 설명하는 황 계열 화합물과 탄소 재료의 함량비를 만족하는 것이면 어떠한 형태라도 사용 가능하며 본 발명에서 한정하지 않는다. 한편, 본 발명에 있어서, 양극 활물질 총 중량에 대해서 황의 함량은 70중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다.In one embodiment of the present invention, the sulfur-carbon composite may be complexed by simply mixing the sulfur and the carbon material, or may have a coating or support form of a core-shell structure. The coating form of the core-shell structure is one in which either sulfur or a carbon material coats another material. For example, the surface of the carbon material may be covered with sulfur or vice versa. The carbon material has a porous structure with pores on the inside and surface of the body, and may have sulfur filled inside pores. The form of the sulfur-carbon composite can be used as long as it satisfies the content ratio of the sulfur-based compound and the carbon material described below, and is not limited in the present invention. Meanwhile, in the present invention, it is preferable that the sulfur content is 70% by weight or more based on the total weight of the positive electrode active material.

상기 황은 단독으로는 전기 전도성이 없기 때문에 탄소 재료와 복합화하여 사용된다. Since the sulfur alone has no electrical conductivity, it is used in combination with a carbon material.

본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 황은 무기 황(S8), Li2Sn(n≥1), 2,5-디머캅토-1,3,4-티아디아졸(2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole), 1,3,5-트리티오시아누익산(1,3,5-trithiocyanuic acid) 등과 같은 디설파이드 화합물, 유기황 화합물 및 탄소-황 폴리머((C2Sx)n, x=2.5 내지 50, n≥2)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 무기 황(S8)을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the sulfur is inorganic sulfur (S 8 ), Li 2 S n (n≥1), 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole (2,5-dimercapto -1,3,4-thiadiazole), 1,3,5-trithiocyanuic acid (1,3,5-trithiocyanuic acid), disulfide compounds, organosulfur compounds and carbon-sulfur polymers ((C 2 S x ) n , x=2.5 to 50, n≥2). Preferably, it may contain inorganic sulfur (S 8 ).

상기 탄소 재료는 표면 및 내부에 일정하지 않은 다수의 기공을 포함하는 다공성 구조를 갖는 것으로서, 황이 균일하고 안정적으로 고정화될 수 있는 골격을 제공하는 담지체 역할을 하고, 황의 낮은 전기 전도도를 보완하여 전기화학반응이 원활하게 진행될 수 있도록 하는 것이다. 특히, 황-탄소 복합체에 있어서, 황의 담지체 역할을 하는 탄소 재료가 BET 비표면적이 넓으며 적정한 입경(D50) 크기를 갖는 경우 황의 담지량이 높으면서도 비가역 용량이 낮고 에너지 밀도를 높여 전기화학적 반응시 황의 이용률을 높일 수 있다. The carbon material has a porous structure containing a large number of irregular pores on the surface and inside, and serves as a carrier to provide a framework on which sulfur can be uniformly and stably immobilized, and compensates for the low electrical conductivity of sulfur to provide electricity. This is to ensure that the chemical reaction proceeds smoothly. In particular, in sulfur-carbon composites, when the carbon material that acts as a support for sulfur has a large BET specific surface area and an appropriate particle size (D 50 ), the amount of sulfur supported is high, but the irreversible capacity is low and energy density is increased, leading to an electrochemical reaction. The market utilization rate can be increased.

본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 탄소 재료의 BET 비표면적은 최소 100 m2/g 이상일 수 있으며, 최대 3000m2/g일 수 있다. 이와 함께 또는 독립적으로 상기 탄소 재료는 1차 입자의 입경(D50)이 1㎛ 내지 50㎛ 일 수 있다In one embodiment of the present invention, the BET specific surface area of the carbon material may be at least 100 m 2 /g or more, and may be at most 3000 m 2 /g. Together or independently, the carbon material may have a primary particle diameter (D 50 ) of 1 μm to 50 μm.

상기 탄소 재료의 BET 비표면적과 입경(D50)이 상기 범위를 만족함으로써 탄소 재료의 내부 및 외부 표면에 황을 균일하게 분산시키는 한편 비가역 용량을 낮추어 황의 전기화학적 반응성을 증대시킬 수 있다. 또한, 탄소 재료가 사용됨으로써 황-탄소 복합체의 전기화학적 반응성, 안정성 및 전기 전도성이 개선되고, 이를 통해 리튬-황 전지의 용량 및 수명 특성이 향상될 뿐만 아니라 충·방전시 황의 손실 또는 체적 변화가 발생하더라도 최적의 충·방전 성능을 나타내게 된다. When the BET specific surface area and particle size (D 50 ) of the carbon material satisfies the above range, sulfur can be uniformly dispersed on the inner and outer surfaces of the carbon material and the electrochemical reactivity of sulfur can be increased by lowering the irreversible capacity. In addition, the use of carbon materials improves the electrochemical reactivity, stability, and electrical conductivity of the sulfur-carbon composite, which not only improves the capacity and lifespan characteristics of the lithium-sulfur battery, but also reduces the loss or volume change of sulfur during charging and discharging. Even if this occurs, optimal charging and discharging performance is achieved.

상기 1차 입자 입경(D50)이 50㎛를 초과하는 경우, 물질 이동에 대한 제한으로 입자 내부로의 리튬이온의 이동이 어려워 탄소 중심에 위치한 황을 효율적으로 사용하기 어렵다. 1차 입자 입경(D50) 1㎛ 미만인 경우 전극 슬러리 제작 과정에서 많은 용매를 필요로 해 고형분 증가가 어려우며, 충분한 입자 간 기공이 확보되지 않아 출력이 감소하는 문제가 있다.When the primary particle particle size (D 50 ) exceeds 50㎛, it is difficult to move lithium ions into the particle due to restrictions on material movement, making it difficult to efficiently use sulfur located at the carbon center. If the primary particle diameter (D 50 ) is less than 1㎛, it is difficult to increase the solid content because a large amount of solvent is required during the electrode slurry production process, and there is a problem of reduced output due to insufficient pores between particles.

본 발명의 황-탄소 복합체에 있어서, 황의 담지체로 이용되는 탄소 재료로는 일반적으로 다양한 탄소 재질의 전구체를 탄화시킴으로써 제조될 수 있다. In the sulfur-carbon composite of the present invention, the carbon material used as a support for sulfur can generally be manufactured by carbonizing precursors of various carbon materials.

한편, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 탄소 재료의 기공은 최장경을 기준으로 직경이 0.5nm 내지 200nm의 범위를 가질 수 있다. 상기 탄소 재료는 각각 구형, 봉형, 침상형, 판상형, 튜브형 또는 벌크형으로 리튬-황 이차전지에 통상적으로 사용되는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다. Meanwhile, in one embodiment of the present invention, the pores of the carbon material may have a diameter ranging from 0.5 nm to 200 nm based on the longest diameter. The carbon material may be used without limitation as long as it is spherical, rod-shaped, needle-shaped, plate-shaped, tubular, or bulk-shaped and is commonly used in lithium-sulfur secondary batteries.

상기 탄소 재료는 다공성 및 도전성을 갖는 탄소계 물질로 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이든 무방하다. 예를 들어, 그래파이트(graphite); 그래핀(graphene); 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본 블랙; 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 등의 탄소나노튜브(CNT); 그라파이트 나노파이버(GNF), 카본 나노파이버(CNF), 활성화 탄소 파이버(ACF) 등의 탄소 섬유; 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연 등의 흑연; 탄소나노리본; 탄소나노벨트, 탄소나노막대 및 활성 탄소(activated carbon)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The carbon material may be any carbon-based material that has porous and conductive properties and is commonly used in the art. For example, 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); Graphites such as natural graphite, artificial graphite, and expanded graphite; Carbon nanoribbon; It may include one or more types selected from the group consisting of carbon nanobelts, carbon nanorods, and activated carbon.

본 발명에 따른 황-탄소 복합체에 있어서, 상기 황은 상기 탄소 재료의 기공 내부 및 외부 표면 중 적어도 어느 한 표면에 위치하며 이때 상기 탄소재의 내부 및 외부 전체 표면의 100% 미만, 바람직하게는 1 내지 95 %, 더욱 바람직하게는 60 내지 90 % 영역에 존재할 수 있다. 상기 황이 탄소재의 표면에 상기 범위 내에 있을 때 전자 전달 면적 및 전해액의 젖음성 면에서 최대 효과를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 상기 범위 영역에서 황이 탄소재의 표면에 얇고 고르게 함침되므로 충·방전 과정에서 전자 전달 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 만약, 상기 황이 탄소 재료의 전체 표면의 100% 영역에 위치하는 경우, 상기 탄소재가 완전히 황으로 덮여 전해액의 젖음성이 떨어지고 전극 내 포함되는 도전재와 접촉성이 떨어져 전자 전달을 받지 못해 반응에 참여할 수 없게 된다. In the sulfur-carbon composite according to the present invention, the sulfur is located on at least one of the pore inner and outer surfaces of the carbon material, wherein the sulfur is less than 100% of the entire inner and outer surface of the carbon material, preferably 1 to 10%. It may be present in the range of 95%, more preferably 60 to 90%. When the sulfur is within the above range on the surface of the carbon material, the maximum effect can be achieved in terms of electron transfer area and electrolyte wettability. Specifically, since sulfur is thinly and evenly impregnated on the surface of the carbon material in the above range, the electron transfer contact area can be increased during the charging and discharging process. If the sulfur is located on 100% of the entire surface of the carbon material, the carbon material is completely covered with sulfur, which reduces the wettability of the electrolyte and reduces contact with the conductive material contained in the electrode, so it cannot receive electron transfer and participate in the reaction. There will be no more.

또한, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 황-탄소 복합체는 아래와 같은 제조 방법에 의해서 수득될 수 있다. Additionally, in one embodiment of the present invention, the sulfur-carbon composite can be obtained by the following manufacturing method.

본 발명에 따른 황-탄소 복합체의 제조방법은 특별히 한정되지 않고 당업계에서 통상적으로 알려진 것으로서, (S1) 탄소 재료와 황을 혼합한 후, (S2) 복합화하는 단계로 이루어진 복합화 방법의해 제조될 수 있다. The manufacturing method of the sulfur-carbon composite according to the present invention is not particularly limited and is commonly known in the art, and can be manufactured by a composite method consisting of the steps of (S1) mixing carbon material and sulfur, and then (S2) compounding. there is.

상기 (S1) 단계의 혼합은 황과 탄소 재료의 간의 혼합도를 높이기 위한 것으로 당업계에서 통상적으로 사용되는 교반 장치를 이용하여 수행할 수 있다. 이때 혼합 시간 및 속도 또한 원료의 함량 및 조건에 따라 선택적으로 조절될 수 있다. The mixing in step (S1) is to increase the degree of mixing between sulfur and carbon materials and can be performed using a stirring device commonly used in the art. At this time, mixing time and speed can also be selectively adjusted depending on the content and conditions of the raw materials.

상기 (S2) 단계의 복합화 방법은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법이 사용될 수 있다. 일례로, 건식 복합화 또는 스프레이 코팅 등과 같은 습식 복합화 등 당 업계에서 통상적으로 이용되는 방법을 이용할 수 있다. 일례로, 혼합 후 얻어진 황과 탄소 재료의 혼합물을 열처리하여 용융된 황이 탄소 재료의 내부 및 외부 표면에 고루 코팅될 수 있도록 하는 방법이 사용될 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 열처리하기 전에 상기 황과 탄소 재료의 혼합물을 볼 밀링 등의 방법으로 분쇄하는 공정이 수행될 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 열처리는 120 ℃ 내지 160℃의 온도 조건에서 약 20 분 내지 24시간 동안 수행되는 것일 수 있으며, 오븐 등의 가열 장치가 적용될 수 있다.The complexation method of step (S2) is not particularly limited in the present invention, and methods commonly used in the art may be used. For example, methods commonly used in the industry, such as dry compounding or wet compounding such as spray coating, can be used. For example, a method may be used in which the mixture of sulfur and carbon material obtained after mixing is heat treated so that the molten sulfur can be evenly coated on the inner and outer surfaces of the carbon material. Meanwhile, in one embodiment of the present invention, a process of pulverizing the mixture of sulfur and carbon material by a method such as ball milling may be performed before the heat treatment. In one embodiment of the present invention, the heat treatment may be performed for about 20 minutes to 24 hours at a temperature of 120°C to 160°C, and a heating device such as an oven may be applied.

전술한 제조방법을 통해 제조된 황-탄소 복합체는 비표면적이 높으면서 황의 담지량이 높고 황의 이용율이 개선되는 구조를 갖기 때문에 황의 전기화학적 반응성이 개선될 뿐만 아니라 전해액의 접근성 및 접촉성을 향상시킴에 따라 리튬-황 전지의 용량 및 수명 특성을 향상시킬 수 있다.The sulfur-carbon complex manufactured through the above-mentioned manufacturing method has a structure that has a high specific surface area, a high amount of sulfur supported, and improved sulfur utilization, so not only does the electrochemical reactivity of sulfur improve, but it also improves accessibility and contact with the electrolyte solution. The capacity and lifespan characteristics of lithium-sulfur batteries can be improved.

기타 양극재Other cathode materials

본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 양극 활물질은 상기 황-탄소 복합체만으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 황-탄소 복합체 이외에 전이금속 원소, ⅢA족 원소, ⅣA족 원소, 이들 원소들의 황 화합물, 및 이들 원소들과 황의 합금 중에서 선택되는 하나 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the positive electrode active material may be composed of only the sulfur-carbon composite. In addition, in addition to the sulfur-carbon composite, it may further include one or more additives selected from transition metal elements, group IIIA elements, group IVA elements, sulfur compounds of these elements, and alloys of these elements and sulfur.

본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 양극 활물질층은 하기 [화학식 1]로 표시되는 리튬전이금속 복합 산화물을 포함하는 것일 수 있다. In a specific embodiment of the present invention, the positive electrode active material layer may include a lithium transition metal complex oxide represented by the following [Chemical Formula 1].

[화학식 1] [Formula 1]

LiaNibCocM1 dM2 eO2 Li a Ni b Co c M 1 d M 2 e O 2

상기 화학식 1에서, M1은 Mn, Al 또는 이들의 조합일 수 있으며, 바람직하게는 Mn 또는 Mn 및 Al일 수 있다.In Formula 1, M 1 may be Mn, Al, or a combination thereof, preferably Mn or Mn and Al.

상기 M2는 Zr, W, Y, Ba, Ca, Ti, Mg, Ta 및 Nb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이며, 바람직하게는 Zr, Y, Mg, 및 Ti로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 더 바람직하게는 Zr, Y 또는 이들의 조합일 수 있다. M2 원소는 필수적으로 포함되는 것은 아니나, 적절한 양으로 포함될 경우, 소성 시의 입자 성장을 촉진하거나, 결정 구조 안정성을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다.The M 2 is at least one selected from the group consisting of Zr, W, Y, Ba, Ca, Ti, Mg, Ta and Nb, and preferably one selected from the group consisting of Zr, Y, Mg, and Ti. It may be more than one, more preferably Zr, Y, or a combination thereof. The M 2 element is not necessarily included, but when included in an appropriate amount, it can promote grain growth during firing or improve crystal structure stability.

도전재conductive material

상기 도전재는 음극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 통상적으로 음극 활물질층 총 중량에 대하여 1 내지 30 wt%, 바람직하게는 1 내지 20wt%, 더 바람직하게는 1 내지 10wt%로 포함될 수 있다.The conductive material is used to provide conductivity to the negative electrode, and can be used without particular restrictions in the battery being constructed as long as it does not cause chemical change and has electronic conductivity. Specific examples include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, carbon fiber, and carbon nanotube; Metal powders or metal fibers such as copper, nickel, aluminum, and silver; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Or conductive polymers such as polyphenylene derivatives, etc., of which one type alone or a mixture of two or more types may be used. The conductive material may typically be included in an amount of 1 to 30 wt%, preferably 1 to 20 wt%, and more preferably 1 to 10 wt%, based on the total weight of the negative electrode active material layer.

바인더 재료binder materials

상기 바인더 재료는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 양극 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 수행하는 것으로, 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무(EPDM rubber), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. The binder material serves to improve adhesion between positive electrode active material particles and adhesion between the positive electrode active material and the positive electrode current collector. Specific examples include polyvinylidene fluoride (PVDF) and vinylidene fluoride-hexafluoropropylene. Copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone , polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene monomer rubber (EPDM rubber), sulfonated-EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluorine rubber, or various copolymers thereof. , one type of these may be used alone or a mixture of two or more types may be used.

전극 조립체electrode assembly

본 발명의 또 다른 측면은 상기 음극을 포함하는 전극 조립체에 대한 것이다. 상기 음극은 전술한 내용에 따른 것일 수 있다. 상기 양극은 전술한 황-탄소 복합체를 양극 활물질로 포함하는 것일 수 있다. 상기 전극 조립체는 음극, 양극 및 음극과 양극 사이에 개재된 분리막을 포함한다. 예를 들어, 분리막이 음극과 양극 사이에 개재된 상태로 적층되어 스택형 또는 스택/폴딩의 구조체를 형성하거나 권취되어 젤리-롤 타입의 구조체를 형성할 수 있다. 아울러, 젤리-롤 구조체를 형성했을 때, 음극과 양극이 서로 접하는 것을 방지하기 위해 외측에 분리막이 추가 배치될 수 있다.Another aspect of the present invention relates to an electrode assembly including the cathode. The cathode may be according to the above description. The positive electrode may include the above-described sulfur-carbon complex as a positive electrode active material. The electrode assembly includes a cathode, an anode, and a separator interposed between the cathode and the anode. For example, the separator may be laminated between the cathode and the anode to form a stacked or stacked/folded structure, or may be wound to form a jelly-roll type structure. In addition, when forming the jelly-roll structure, a separator may be additionally disposed on the outside to prevent the cathode and anode from contacting each other.

분리막separator

상기 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되는 방식으로 전극 조립체 내에 배치된다. 상기 분리막은 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬 이차전지에서 세퍼레이터로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하다. 구체적으로는 상기 분리막으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함하는 코팅층이 코팅된 분리막이 사용될 수도 있다. The separator is disposed within the electrode assembly in such a way that it is interposed between the cathode and the anode. The separator separates the negative electrode from the positive electrode and provides a passage for lithium ions, and can be used without particular restrictions as long as it is normally used as a separator in lithium secondary batteries. Specifically, the separator is a porous polymer film, for example, a porous film made of polyolefin-based polymers such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer. A polymer film or a laminated structure of two or more layers thereof may be used. In addition, conventional porous non-woven fabrics, for example, non-woven fabrics made of high melting point glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, etc., may be used. Additionally, a separator coated with a coating layer containing a ceramic component or a polymer material may be used to ensure heat resistance or mechanical strength.

전지battery

본 발명의 또 다른 측면은 상기 전극 조립체를 포함하는 전기화학소자에 대한 것이다. 상기 전기화학소자는 전지 케이스에 전극 조립체와 전해액이 함께 수납되어 있는 것으로서 상기 전지 케이스로는 파우치 타입이나 금속 캔 타입 등 본 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별한 제한 없이 적절한 것이 선택될 수 있다. 상기 전지의 형상은 특별히 제한되지 않으며 원통형, 적층형, 코인형 등 다양한 형상으로 할 수 있다.Another aspect of the present invention relates to an electrochemical device including the electrode assembly. The electrochemical device is one in which an electrode assembly and an electrolyte are stored together in a battery case. The battery case may be an appropriate battery case, such as a pouch type or a metal can type, as long as it is commonly used in the field of technology, without any particular restrictions. The shape of the battery is not particularly limited and can be of various shapes such as cylindrical, stacked, and coin-shaped.

전해질electrolyte

본 발명에 있어서, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.In the present invention, the electrolyte may include an organic solvent and a lithium salt.

유기 용매organic solvent

상기 유기 용매는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 하는 것이다. 상기 유기용매로는 리튬 이차전지 전해액에 통상적으로 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 에테르, 에스테르, 아미드, 사슬형 카보네이트, 고리형 카보네이트 등을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 이 중 대표적으로 에테르계 화합물이 포함될 수 있다.The organic solvent serves as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move. The organic solvent may be any solvent commonly used in lithium secondary battery electrolytes without limitation. For example, ether, ester, amide, chain carbonate, cyclic carbonate, etc. may be used alone or in combination of two or more. there is. Among these, ether-based compounds may be representatively included.

상기 에테르계 화합물은 비고리형 에테르 및 고리형 에테르를 포함할 수 있다.The ether-based compound may include acyclic ether and cyclic ether.

예를 들어, 상기 비고리형 에테르는 디메틸에테르, 디에틸에테르, 디프로필에테르, 메틸에틸에테르, 메틸프로필에테르, 에틸프로필에테르, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 에틸렌글리콜에틸메틸에테르, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 디에틸렌글리콜디에틸에테르, 디에틸렌글리콜메틸에틸에테르, 트리에틸렌글리콜디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜디에틸에테르, 트리에틸렌글리콜메틸에틸에테르, 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜디에틸에테르, 테트라에틸렌글리콜메틸에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜디메틸에테르, 폴리에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 및 폴리에틸렌 글리콜 메틸에틸 에테르로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. For example, the acyclic ether is dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methyl ethyl ether, methyl propyl ether, ethyl propyl ether, dimethoxyethane, diethoxyethane, ethylene glycol ethylmethyl ether, diethylene glycol dimethyl. Ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol methyl ethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol methyl ethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol diethyl ether, tetra It may be one or more selected from the group consisting of ethylene glycol methyl ethyl ether, polyethylene glycol dimethyl ether, polyethylene glycol diethyl ether, and polyethylene glycol methyl ethyl ether.

예를 들어, 상기 고리형 에테르는 1,3-디옥솔란, 4,5-디메틸-디옥솔란, 4,5-디에틸-디옥솔란, 4-메틸 -1,3-디옥솔란, 4-에틸-1,3-디옥솔란, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 2,5-디메틸테트라히드로푸란, 2,5-디메톡시테트라히드로푸란, 2-에톡시테트라히드로푸란, 2-메틸-1,3-디옥솔란, 2 -비닐-1,3-디옥솔란, 2,2-디메틸-1,3-디옥솔란, 2-메톡시-1,3-디옥솔란, 2-에틸-2-메틸-1,3-디옥솔란, 테트라히드로피란, 1,4 -디옥산, 1,2-디메톡시 벤젠, 1,3-디메톡시 벤젠, 1,4-디메톡시 벤젠 및 이소소르비드 디메틸 에테르(isosorbid dimethyl ether), 퓨란, 2-메틸 퓨란, 3-메틸 퓨란, 2-에틸 퓨란, 2-부틸 퓨란, 2,3-디메틸퓨란, 2,4-디메틸퓨란, 2,5-디메틸 퓨란, 피란, 2-메틸피란, 3-메틸피란, 4-메틸피란, 벤조 뷰란, 2-(2-나이트로비닐)퓨란, 티오펜, 2-메틸티오펜, 2-에틸티오펜, 2-프로필티오펜, 2-부틸티오펜, 2,3- 디메틸티오펜, 2,4-디메틸티오펜, 2,5-디메틸티오펜으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the cyclic ether is 1,3-dioxolane, 4,5-dimethyl-dioxolane, 4,5-diethyl-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 4-ethyl- 1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 2,5-dimethyltetrahydrofuran, 2,5-dimethoxytetrahydrofuran, 2-ethoxytetrahydrofuran, 2-methyl-1 ,3-dioxolane, 2-vinyl-1,3-dioxolane, 2,2-dimethyl-1,3-dioxolane, 2-methoxy-1,3-dioxolane, 2-ethyl-2-methyl- 1,3-dioxolane, tetrahydropyran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxy benzene, 1,3-dimethoxy benzene, 1,4-dimethoxy benzene and isosorbide dimethyl ether. ether), furan, 2-methyl furan, 3-methyl furan, 2-ethyl furan, 2-butyl furan, 2,3-dimethylfuran, 2,4-dimethylfuran, 2,5-dimethyl furan, pyran, 2- Methylpyran, 3-methylpyran, 4-methylpyran, benzoburan, 2-(2-nitrovinyl)furan, thiophene, 2-methylthiophene, 2-ethylthiophene, 2-propylthiophene, 2- It may be one or more selected from the group consisting of butylthiophene, 2,3-dimethylthiophene, 2,4-dimethylthiophene, and 2,5-dimethylthiophene, but is not limited thereto.

상기 유기 용매의 에스테르의 예로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ- 부티로락톤, γ- 발레로 락톤, γ - 카프로락톤, σ -발레로락톤, 및 ε -카프로락톤 및 이 중 둘 이상의 혼합물으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 들 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. Examples of esters of the above organic solvents include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-caprolactone, σ -valerolactone, ε -caprolactone, and mixtures of two or more of them may be selected from the group, but are not limited thereto.

상기 선형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 대표적으로 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 디프로필카보네이트, 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸프로필카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트, 또는 이들의 둘 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 들 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.Specific examples of the linear carbonate compounds include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate, and ethyl propyl carbonate, or mixtures of two or more thereof. Any one selected from the group may be mentioned, but it is not limited thereto.

또한, 상기 고리형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 1,2-부틸렌카보네이트, 2,3-부틸렌카보네이트, 1,2- 펜틸렌 카르보네이트, 2,3-펜틸렌 카르보네이트, 비닐렌 카르보네이트, 비닐에틸렌 카르보네이트 및 이들의 할로겐화물, 또는 이들의 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 이러한 할로겐화물의 예는 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC) 등을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.In addition, specific examples of the cyclic carbonate compound include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, 2 , 3-pentylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate and their halides, or mixtures of two or more thereof. Examples of such halides include, but are not limited to, fluoroethylene carbonate (FEC) and the like.

리튬염lithium salt

상기 리튬염은 전해질 중 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이다. 이러한 리튬염으로는 LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3CO2, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiCH3SO3, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, LiC4BO8, LiCl, LiBr, LiB10Cl10, LiI 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다. 본 발명에 있어서, 황의 활용 가능성을 높이고 고용량 및 고전압 전지 구현의 측면에서, 상기 리튬염으로는 Li-TFSI를 포함하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 리튬염은 총 리튬염 100wt% 대비 80wt% 이상, 또는 90wt% 이상 또는 100% 의 함량으로 LiN(CF3SO2)2 (Li-TFSI)를 포함할 수 있다. The lithium salt is a compound that can provide lithium ions in the electrolyte. These lithium salts include LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAl0 4 , LiAlCl 4 , LiCF 3 CO 2 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN(C 2 F 5 SO 3 ) 2 , LiCH 3 SO 3 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , LiC 4 BO 8 , LiCl, LiBr, LiB 10 Cl 10 , LiI or LiB(C 2 O 4 ) 2 , etc. may be used. In the present invention, in terms of increasing the availability of sulfur and implementing a high-capacity and high-voltage battery, it is preferable to include Li-TFSI as the lithium salt. More preferably, the lithium salt may include LiN(CF 3 SO 2 ) 2 (Li-TFSI) in an amount of 80 wt% or more, or 90 wt% or more, or 100% based on 100 wt% of the total lithium salt.

상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0 M, 바람직하게는 0.5 내지 1M, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 0.75M의 범위인 것이다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다. 상기 리튬염의 농도가 상기 범위 미만인 경우 전지 구동에 적합한 이 온 전도도의 확보가 어려울 수 있고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 전해질의 점 도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 저하되거나, 리튬염 자체의 분해 반응이 증가하여 전지의 성능이 저하될 수 있다.The concentration of the lithium salt is in the range of 0.1 to 2.0 M, preferably 0.5 to 1 M, and more preferably 0.5 to 0.75 M. When the concentration of lithium salt is within the above range, the electrolyte has appropriate conductivity and viscosity, so excellent electrolyte performance can be achieved and lithium ions can move effectively. If the concentration of the lithium salt is less than the above range, it may be difficult to secure ionic conductivity suitable for battery operation, and if it exceeds the above range, the viscosity of the electrolyte increases, causing a decrease in the mobility of lithium ions, or a decomposition reaction of the lithium salt itself. As this increases, battery performance may deteriorate.

본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 제1 용매, 제2 용매 및 리튬염을 포함하는 전해질에 있어, 상기 리튬염, 제2 용매 및 제1 용매의 몰비는 1 : 0.5 ~ 3 : 4.1 ~ 15일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 형태로, 상기 리튬염, 제2 용매 및 제1 용매의 몰비는, 1 : 2 : 4 ~ 13 또는 1 : 3 : 3 ~ 10 또는 1 : 4 : 5 ~ 10일 수 있는 등, 본 발명의 리튬-황 전지에 포함되는 전해질에는, 불소계 에테르 화합물을 포함하는 제1 용매가, 글라임계 화합물을 포함하는 제2 용매에 비해 높은 함량비로 포함될 수 있다.In a specific embodiment of the present invention, in an electrolyte containing a first solvent, a second solvent, and a lithium salt, the molar ratio of the lithium salt, the second solvent, and the first solvent is 1:0.5 to 3:4.1 to 15. It can be. Additionally, in one embodiment of the present invention, the molar ratio of the lithium salt, the second solvent, and the first solvent may be 1:2:4 to 13 or 1:3:3 to 10 or 1:4:5 to 10. In the electrolyte included in the lithium-sulfur battery of the present invention, the first solvent containing a fluorine-based ether compound may be included in a higher content ratio than the second solvent containing a glyme-based compound.

기타 첨가제Other additives

상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명 특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 첨가제로는 질산 화합물, 아질산계 화합물, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사메틸인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1 내지 10wt%, 바람직하게는 0.1 내지 5 wt%로 포함될 수 있다. In addition to the electrolyte components, the electrolyte may further include additives for the purpose of improving battery life characteristics, suppressing battery capacity reduction, and improving battery discharge capacity. For example, the additives include nitric acid compounds, nitrous acid compounds, haloalkylene carbonate compounds such as difluoroethylene carbonate, pyridine, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme ( glyme), hexamethylphosphoric acid triamide, nitrobenzene derivatives, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N,N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy Ethanol or aluminum trichloride can be used alone or in combination. The additive may be included in an amount of 0.1 to 10 wt%, preferably 0.1 to 5 wt%, based on the total weight of the electrolyte.

본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 전해질은 첨가제로서 질산 화합물 및/또는 아질산계 화합물을 포함할 수 있다. 상기와 같은 질산 화합물/아질산계 화합물은 음극인 리튬 금속 전극에 안정적인 피막을 형성하고, 충ㆍ방전 효율을 향상시키는 효과가 있다. 이러한 질산 또는 아질산계 화합물로는 질산리튬(LiNO3), 질산칼륨(KNO3), 질산세슘(CsNO3), 질산바륨(Ba(NO3)2), 질산암모늄(NH4NO3), 아질산리튬(LiNO2), 아질산칼륨(KNO2), 아질산세슘(CsNO2), 아질산 암모늄(NH4NO2) 등의 무기계 질산 또는 아질산 화합물; 메틸 니트레이트, 디알킬 이미다졸륨 니트레이트, 구아니딘 니트레이트, 이미다졸륨 니트레이트, 피리디늄 니트레이트, 에틸 니트라이트, 프로필 니트라이트, 부틸 니트라이트, 펜틸 니트라이트, 옥틸 니트라이트 등의 유기계 질산 또는 아질산 화합물; 니트로메탄, 니트로프 로판, 니트로부탄, 니트로벤젠, 디니트로벤젠, 니트로 피리딘, 디니트로피리딘, 니트로톨루엔, 디니트로톨루엔 등의 유기 니트로 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 바람직한 일 실시양태에 있어서, 상기 첨가제는 질산리튬을 포함할 수 있다. In a specific embodiment of the present invention, the electrolyte may include a nitric acid compound and/or a nitrous acid-based compound as an additive. The nitric acid/nitrite-based compounds described above are effective in forming a stable film on the lithium metal electrode, which is the negative electrode, and improving charge/discharge efficiency. These nitric acid or nitrite-based compounds include lithium nitrate (LiNO 3 ), potassium nitrate (KNO 3 ), cesium nitrate (CsNO 3 ), barium nitrate (Ba(NO 3 ) 2 ), ammonium nitrate (NH 4 NO 3 ), and nitrous acid. Inorganic nitric acid or nitrite compounds such as lithium (LiNO 2 ), potassium nitrite (KNO 2 ), cesium nitrite (CsNO 2 ), and ammonium nitrite (NH 4 NO 2 ); Organic nitric acids such as methyl nitrate, dialkyl imidazolium nitrate, guanidine nitrate, imidazolium nitrate, pyridinium nitrate, ethyl nitrite, propyl nitrite, butyl nitrite, pentyl nitrite, and octyl nitrite. or nitrous acid compounds; It may contain at least one selected from the group consisting of organic nitro compounds such as nitromethane, nitropropane, nitrobutane, nitrobenzene, dinitrobenzene, nitropyridine, dinitropyridine, nitrotoluene, dinitrotoluene, and combinations thereof. However, it is not limited to this. In a preferred embodiment of the present invention, the additive may include lithium nitrate.

또한, 본 발명은 상기 리튬-황 전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공한다. 상기 전지모듈은 고온 안정성, 긴 사이클 특성 및 높은 용량 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다. Additionally, the present invention provides a battery module including the lithium-sulfur battery as a unit cell. The battery module can be used as a power source for medium to large-sized devices that require high temperature stability, long cycle characteristics, and high capacity characteristics.

상기 중대형 디바이스의 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차 (electric vehicle; EV), 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle; HEV), 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(plug-in hybrid electric vehicle; PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(Escooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the medium-to-large devices include power tools that are powered by an omni-electric motor; Electric vehicles, including electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), plug-in hybrid electric vehicles (PHEV), etc.; Electric two-wheeled vehicles including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (Escooters); electric golf cart; Examples include, but are not limited to, power storage systems.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments are presented to aid understanding of the present invention. However, the following examples are merely illustrative of the present invention, and it is clear to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention. It is natural that such variations and modifications fall within the scope of the attached patent claims.

실시예Example

음극의 제조Preparation of cathode

Li 금속을 가열로에 투입하고 200℃ 내지 500℃의 온도로 열을 가하여 용융시켰다. 여기에 하기 표 1의 비율로 금속 M의 펠렛을 투입하고 용융시켰다. 이후 가열로를 200℃ 내지 500℃ 로 유지하며 교반하였다. 상기 결과물을 냉각시켜 Li-M 합금 잉곳을 형성하였다. 상기 잉곳을 60㎛ 두께로 압출 및 압연하였다. Li metal was put into a heating furnace and melted by applying heat to a temperature of 200°C to 500°C. Pellets of metal M were added here at the ratio shown in Table 1 below and melted. Afterwards, the heating furnace was maintained at 200°C to 500°C and stirred. The result was cooled to form a Li-M alloy ingot. The ingot was extruded and rolled to a thickness of 60㎛.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 비교예 3Comparative Example 3 비교예 4Comparative Example 4 합금 중 금속 M의 함량(wt%)Content of metal M in alloy (wt%) 5wt%5wt% 10wt%10wt% 0wt%0wt% 0.5wt%0.5wt% 15wt%15wt% 5wt%5wt% 금속 M의 종류Types of Metal M LaLa LaLa -- LaLa LaLa AlAl

전지의 제조Manufacturing of batteries

탄소나노튜브와 황을 고르게 혼합하고, 155 ℃의 오븐에 30 분 동안 두어 황-탄소 복합체를 제조하였다. 상기 황-탄소 복합체 100wt%에서 황의 함량은 75wt%였다. 상기 제조된 황-탄소 복합체 96wt% 및 바인더로 스티렌 부타디엔 고무/카르복시메틸셀루로오스(SBR/CMC 7:3 중량비) 4wt%를 혼합하여 양극 제조용 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리 중 고형분의 농도는 25wt%였다. 상기 슬러리를 20㎛ 두께의 알루미늄 집전체 상에 양면에 도포하고 50℃에서 12 시간 동안 건조하고 롤프레스(roll press) 기기로 압착하여 양극을 제조하였다. 양극 활물질의 로딩량은 4.00mAh/cm2 이고, 기공도는 72vol% 였다. Carbon nanotubes and sulfur were evenly mixed and placed in an oven at 155°C for 30 minutes to prepare a sulfur-carbon composite. The sulfur content in 100 wt% of the sulfur-carbon composite was 75 wt%. A slurry for producing a positive electrode was prepared by mixing 96 wt% of the prepared sulfur-carbon composite and 4 wt% of styrene butadiene rubber/carboxymethyl cellulose (SBR/CMC 7:3 weight ratio) as a binder. The concentration of solid content in the slurry was 25 wt%. The slurry was applied on both sides of a 20㎛ thick aluminum current collector, dried at 50°C for 12 hours, and pressed using a roll press machine to prepare a positive electrode. The loading amount of the positive electrode active material was 4.00 mAh/cm 2 and the porosity was 72 vol%.

전해질로는 1, 3-디옥솔란과 디메틸에테르(DOL:DME=1:1(부피비))로 이루어진 유기 용매에 1M 농도의 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiTFSI)와 1wt%의 질산 리튬(LiNO3)를 용해시킨 혼합액을 사용하였다. The electrolyte was 1M concentration of lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) and 1wt% in an organic solvent consisting of 1,3-dioxolane and dimethyl ether (DOL:DME=1:1 (volume ratio)). A mixed solution in which lithium nitrate (LiNO 3 ) was dissolved was used.

상기 제조된 양극과 음극을 대면하도록 위치시키고 그 사이에 분리막으로 두께 16 ㎛, 기공도 68 %의 폴리에틸렌을 게재한 후, 파우치에 장입시키고 상기 제조된 전해질를 주입한 후 밀봉하여 리튬-황 전지를 제조하였다. 상기 전지에서 양극 총 7장 및 음극 총 8장이 상기 분리막을 개재하여 적층 및 폴딩되는 형태로 구성되었다. 제조된 상기 전지를 25℃에서 0.2C 충전/0.3C 방전으로 구동하여 사이클 특성 및 효율을 확인하였다. The prepared positive electrode and the negative electrode are positioned to face each other, and polyethylene with a thickness of 16 ㎛ and a porosity of 68% is placed between them as a separator, then charged into a pouch, injected with the prepared electrolyte, and then sealed to produce a lithium-sulfur battery. did. In the battery, a total of 7 positive electrodes and 8 negative electrodes were stacked and folded with the separator interposed. The manufactured battery was operated at 25°C at 0.2C charge/0.3C discharge to check cycle characteristics and efficiency.

평가결과Evaluation results

도 1은 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 전지의 사이클 특성을 확인한 것이다. 이에 따르면, 실시예 1 및 실시예 2의 전지는 비교예 1의 전지에 대해서 사이클 특성이 우수한 것으로 확인되었다. 특히, 음극 내 란타늄 포함 비율이 중량비로 10wt%인 실시예 2의 경우 실시예 1에 비해서 더욱 우수한 사이클 특성을 나타내었다. 한편, 비교예 2는 비교예 1과 유사하게 사이클 특성의 개선이 확인되지 않았다. 또한, 비교예 4의 경우에도 비교예 1과 유사하게 사이클 특성의 개선이 확인되지 않았다. Figure 1 confirms the cycle characteristics of the batteries manufactured in the above examples and comparative examples. According to this, it was confirmed that the batteries of Examples 1 and 2 had superior cycle characteristics to the battery of Comparative Example 1. In particular, Example 2, in which the lanthanum content in the cathode was 10 wt% by weight, showed better cycle characteristics than Example 1. Meanwhile, in Comparative Example 2, similar to Comparative Example 1, no improvement in cycle characteristics was confirmed. Additionally, in Comparative Example 4, similar to Comparative Example 1, no improvement in cycle characteristics was confirmed.

도 2 및 도 3은 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 전지의 쿨롱 효율을 확인하여 나타낸 것이다. 이를 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2의 전지는 비교예 1의 전지에 비해서 평균 쿨롱 효율 증가되는 것으로 확인되었다. 특히, 실시예 2(10wt% La) 전지가 실시예 1(5wt% La)의 전지에 비해 더 높은 평균 효율값 구현하는 것이 확인되었다. 한편, 비교예 3의 전지를 확인해 본 결과 란타늄이 15wt% 이상 적용되는 경우에는 쿨롱 효율이 크게 불안정하고, 평균 효율값도 비교예 1의 전지에 비해서 저하되는 것이 확인되었다. Figures 2 and 3 show the coulombic efficiency of the batteries manufactured in the above examples and comparative examples. Referring to this, it was confirmed that the average coulombic efficiency of the batteries of Examples 1 and 2 was increased compared to the battery of Comparative Example 1. In particular, it was confirmed that the battery of Example 2 (10 wt% La) achieved a higher average efficiency value than the battery of Example 1 (5 wt% La). Meanwhile, as a result of checking the battery of Comparative Example 3, it was confirmed that when 15 wt% or more of lanthanum was applied, the coulombic efficiency was greatly unstable and the average efficiency value was also lowered compared to the battery of Comparative Example 1.

Claims (12)

리튬(Li)과 란타늄족 금속(M)을 포함하는 Li-M 합금을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극.
A negative electrode for a lithium secondary battery containing a Li-M alloy containing lithium (Li) and a lanthanum group metal (M).
제1항에 있어서,
상기 란타넘족 금속은 란타넘(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 어븀(Er), 툴륨(Tm), 이터븀(Yb) 및 루테튬(Lu) 로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극.
According to paragraph 1,
The lanthanide group metals include lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), and terbium (Tb). , dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu).
제2항에 있어서,
상기 란타넘족 금속은 란타넘(La)을 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극.
According to paragraph 2,
A negative electrode for a lithium secondary battery, wherein the lanthanum group metal includes lanthanum (La).
제1항에 있어서,
상기 Li-M 합금 100wt% 대비 란타넘족 금속의 함량이 15wt% 미만인 것인 리튬 이차 전지용 음극.
According to paragraph 1,
A negative electrode for a lithium secondary battery, wherein the content of lanthanum group metal is less than 15 wt% compared to 100 wt% of the Li-M alloy.
제1항에 있어서,
상기 Li-M 합금 100wt% 대비 란타넘족 금속의 함량이 1wt% 내지 10wt%인 것인 리튬 이차 전지용 음극.
According to paragraph 1,
A negative electrode for a lithium secondary battery, wherein the content of lanthanide metal is 1 wt% to 10 wt% relative to 100 wt% of the Li-M alloy.
제1항에 있어서,
상기 음극은 음극 활물질 100wt% 중 상기 Li-M 합금이 95wt% 이상인 것인 리튬 이차 전지용 음극.
According to paragraph 1,
The negative electrode is a negative electrode for a lithium secondary battery in which the Li-M alloy is 95 wt% or more out of 100 wt% of negative electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 음극은 금속 박막 형태의 Li-M 합금을 음극 활물질층으로 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극.
According to paragraph 1,
The negative electrode is a negative electrode for a lithium secondary battery comprising a Li-M alloy in the form of a metal thin film as a negative electrode active material layer.
제7항에 있어서,
상기 음극은 집전체를 더 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극.
In clause 7,
The negative electrode for a lithium secondary battery further includes a current collector.
양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 및 전해질을 포함하며, 상기 음극은 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 것인 리튬 이차 전지.
A lithium secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte, wherein the negative electrode is according to any one of claims 1 to 8.
제9항에 있어서,
상기 리튬 이차 전지는 양극 활물질이 황(S) 또는 황(S) 화합물을 포함하는 리튬-황 전지인 것인 리튬 이차 전지.
According to clause 9,
The lithium secondary battery is a lithium-sulfur battery in which the positive electrode active material includes sulfur (S) or a sulfur (S) compound.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법에 있어서,
금속 리튬을 용융시켜 제1 용융물을 얻는 단계;
상기에서 수득된 리튬 용융물에 란타넘족 금속을 첨가하여 제2 용융물을 얻는 단계;
상기 제2 용융물을 200℃ 이상의 온도로 유지하여 합금화 하는 단계; 및
상기 합금화하는 단계에서 수득된 상기 제2 용융물을 냉각시켜 리튬-란타넘족 합금을 얻는 단계;를 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법.
In the method for manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 8,
Obtaining a first melt by melting metallic lithium;
Obtaining a second melt by adding a lanthanide metal to the lithium melt obtained above;
alloying the second melt by maintaining the temperature above 200°C; and
A method of manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery comprising: cooling the second melt obtained in the alloying step to obtain a lithium-lanthanide alloy.
제11항에 있어서,
상기 합금은 잉곳 형태로 수득되며, 이를 소정 두께를 갖는 판상 구조로 박막화하는 단계를 더 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법.
According to clause 11,
The alloy is obtained in the form of an ingot, and the method of manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery further includes the step of thinning it into a plate-like structure with a predetermined thickness.
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