KR20240103938A - A cathode active material comprising sulfur-carbon complex and a lithium-sulfur secondary battery comprising the same - Google Patents

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KR20240103938A
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Abstract

본 발명은 황-탄소 복합체를 포함하는 양극 활물질에 관한 것으로서, 상기 황-탄소 복합체는 다공성 탄소 재료 및 황계 재료를 포함하며, 상기 황계 재료는 황 및 황 화합물 중 1종 이상을 포함하며, 상기 황-탄소 복합체는 상기 다공성 탄소 재료의 기공 내부 및 표면의 전부 또는 적어도 일부에 상기 황계 재료가 담지되어 있는 것이며, 상기 다공성 탄소 재료는 입경 D10에 대한 입경 D90인 입도 분포의 비(Broadness Factor, BF)가 7 이하인 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a positive electrode active material comprising a sulfur-carbon composite, wherein the sulfur-carbon composite includes a porous carbon material and a sulfur-based material, wherein the sulfur-based material includes at least one type of sulfur and a sulfur compound, and the sulfur-based material includes -The carbon composite is one in which the sulfur-based material is supported on all or at least part of the inside and surface of the pores of the porous carbon material, and the porous carbon material has a particle size distribution ratio of particle size D 90 to particle size D 10 (Broadness Factor, BF) is characterized by being 7 or less.

Description

황-탄소 복합체를 포함하는 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬-황 이차전지{A cathode active material comprising sulfur-carbon complex and a lithium-sulfur secondary battery comprising the same}A cathode active material comprising sulfur-carbon complex and a lithium-sulfur secondary battery comprising the same}

본 발명은 황계 재료를 포함하는 양극 활물질 및 상기 양극 활물질을 포함하며 에너지 밀도가 높고 출력 특성이 개선된 리튬-황 이차전지에 대한 것이다.The present invention relates to a positive electrode active material containing a sulfur-based material and a lithium-sulfur secondary battery containing the positive electrode active material with high energy density and improved output characteristics.

리튬황 전지는 S-S 결합(sulfur-sulfur bond)을 갖는 황 계열 물질을 양극 활물질로 사용하고, 리튬 금속을 음극 활물질로 사용한 전지 시스템이다. 상기 양극 활물질의 주재료인 황은 전세계적으로 자원량이 풍부하고, 독성이 없으며, 낮은 원자 당 무게를 가지고 있는 장점이 있다.A lithium-sulfur battery is a battery system that uses a sulfur-based material with an S-S bond (sulfur-sulfur bond) as a positive electrode active material and lithium metal as a negative electrode active material. Sulfur, the main material of the positive electrode active material, has the advantage of being abundant in resources worldwide, non-toxic, and having a low weight per atom.

이차전지의 응용 영역이 전기 자동차(EV), 에너지 저장 장치(ESS) 등으로 확대됨에 따라서 상대적으로 낮은 무게 대비 에너지 저장 밀도(~250 Wh/kg)를 갖는 리튬-이온 이차전지에 비해 이론상으로 높은 무게 대비 에너지 저장 밀도(~2,600 Wh/kg)를 구현할 수 있는 리튬황 전지 기술이 각광 받고 있다.As the application area of secondary batteries expands to electric vehicles (EV), energy storage devices (ESS), etc., compared to lithium-ion secondary batteries, which have a relatively low energy storage density to weight (~250 Wh/kg), theoretically higher Lithium-sulfur battery technology that can achieve energy storage density-to-weight (~2,600 Wh/kg) is in the spotlight.

리튬황 전지는 방전 시에 음극 활물질인 리튬이 전자를 내어놓고 리튬 양이온으로 이온화되면서 산화되며, 양극 활물질인 황 계열 물질이 전자를 받아들이면서 환원된다. 여기서, 황 계열 물질의 환원반응을 통해 상기 S-S 결합이 2개의 전자를 받아들여 황 음이온 형태로 변환된다. 리튬의 산화반응에 의해 생성된 리튬 양이온은 전해질을 통해 양극으로 전달되고, 이는 황 계열 화합물의 환원반응에 의해 생성되는 황 음이온과 결합하여 염을 형성한다. 구체적으로, 방전 전의 황은 환형의 S8 구조를 가지고 있는데, 이는 환원반응에 의해 리튬 폴리설파이드(Lithium polysulfide, Li2Sx)로 변환되고, 완전히 환원되어서 리튬 설파이드(Li2S)가 생성된다.When a lithium-sulfur battery is discharged, lithium, the negative electrode active material, is oxidized as it gives up electrons and is ionized into lithium cations, and the sulfur-based material, which is the positive electrode active material, accepts electrons and is reduced. Here, through the reduction reaction of the sulfur-based material, the SS bond accepts two electrons and is converted to a sulfur anion form. Lithium cations generated by the oxidation reaction of lithium are transferred to the anode through the electrolyte, and combine with sulfur anions generated by the reduction reaction of sulfur-based compounds to form salts. Specifically, sulfur before discharge has a cyclic S 8 structure, which is converted to lithium polysulfide (Li 2 Sx) through a reduction reaction, and is completely reduced to generate lithium sulfide (Li 2 S).

이와 같이 양극 활물질에 사용되는 황은 부도체이므로 황의 반응성을 향상시키기 위해 황의 담지체로서 다공성 탄소재가 연구되고 있다. 리튬황 이차전지의 충방전시 전기화학 반응의 동역학적 활성을 향상시키기 위해 양극재로서 양극 활물질을 다공성 탄소재에 담지한 황-탄소 복합체에 대한 기술 개발이 지속적으로 요구되고 있다.Since sulfur used in positive electrode active materials is a nonconductor, porous carbon materials are being studied as sulfur carriers to improve the reactivity of sulfur. In order to improve the kinetic activity of electrochemical reactions during charging and discharging of lithium-sulfur secondary batteries, there is a continuous need for technology development for sulfur-carbon composites in which a positive electrode active material is supported on a porous carbon material as a positive electrode material.

특히, 이론적으로는 큰 비표면적을 갖는 다공성 탄소재에 황을 담지시키면 황의 함량이 높아지고 이에 따라 전지의 에너지 밀도 및 수명 특성이 개선되어야 한다. 그러나, 실험적으로 비표면적이 큰 다공성 탄소재를 이용하여 황을 담지시키더라도 전지의 용량 발현의 정도가 불균일하고, 전극 형성 시 탭 밀도(tap density)가 작아지고, 압연 시 압축율이 줄어들며, 전극의 스웰링 현상이 야기되어 전극의 제조 및 상용화가 어려운 실정이다.In particular, theoretically, if sulfur is supported on a porous carbon material with a large specific surface area, the sulfur content should increase and the energy density and lifespan characteristics of the battery should be improved accordingly. However, even if sulfur is supported experimentally using a porous carbon material with a large specific surface area, the degree of capacity development of the battery is uneven, the tap density during electrode formation becomes small, the compressibility during rolling decreases, and the electrode It is difficult to manufacture and commercialize electrodes due to the swelling phenomenon.

이에 따라, 리튬황 이차전지에 사용하기 위한 다양한 물성의 황-탄소 복합체에 대한 연구 개발이 계속되고 있다.Accordingly, research and development on sulfur-carbon composites with various physical properties for use in lithium-sulfur secondary batteries continues.

본 발명은 상술한 문제를 해결하고,The present invention solves the above-described problems,

황이 담지되는 다공성 탄소 재료의 입도 크기를 균일하게 구비하여 황의 전기화학적 반응성을 균일하게 나타낼 수 있는 활물질, 이를 이용한 전극, 및 전지를 제공하고자 한다.The object of the present invention is to provide an active material capable of uniformly exhibiting the electrochemical reactivity of sulfur by having a uniform particle size of a porous carbon material in which sulfur is supported, an electrode using the same, and a battery.

구체적으로, 황이 담지되는 다공성 탄소 재료의 입도를 소정 비율로 조절하여 전지의 에너지 밀도, 전지 용량 및 전기화학적 반응 균일성이 향상된 리튬-황 전지를 제공하는 것을 목적으로 할 수 있다.Specifically, the goal may be to provide a lithium-sulfur battery with improved energy density, battery capacity, and electrochemical reaction uniformity by adjusting the particle size of the porous carbon material in which sulfur is supported at a predetermined ratio.

상술한 문제를 해결하기 위해,In order to solve the above-mentioned problems,

일 측면에 따른 본 발명은 하기 구현예들의 양극 활물질을 제공한다.The present invention according to one aspect provides positive electrode active materials of the following embodiments.

제1 구현예에 따른 리튬-황 전지용 양극 활물질은,The positive electrode active material for lithium-sulfur batteries according to the first embodiment is:

황-탄소 복합체를 포함하는 양극 활물질이며, It is a positive electrode active material containing a sulfur-carbon complex,

상기 황-탄소 복합체는 다공성 탄소 재료 및 상기 다공성 탄소 재료의 기공 내부 및 외부 표면의 전부 또는 적어도 일부에 담지된 황계 재료를 포함하며,The sulfur-carbon composite includes a porous carbon material and a sulfur-based material supported on all or at least part of the inner and outer surfaces of the pores of the porous carbon material,

상기 황계 재료는 황(S8) 및 황 화합물 중 1종 이상을 포함하며,The sulfur-based material includes one or more of sulfur (S 8 ) and sulfur compounds,

상기 다공성 탄소 재료는 입경 D10에 대한 입경 D90의 입도 분포의 비(Broadness Factor, BF)가 7 이하인 것이다. The porous carbon material has a particle size distribution ratio (Broadness Factor, BF) of particle size D 90 to particle size D 10 of 7 or less.

제2 구현예에 따르면, 제1 구현예에 있어서,According to the second embodiment, in the first embodiment,

상기 황계 재료는 무기 황(S8), Li2Sn(n≥1), 2,5-디머캅토-1,3,4-티아디아졸(2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole) 및 1,3,5-트리티오시아누익산(1,3,5-trithiocyanuic acid) 중 1종 이상을 포함하는 디설파이드 화합물; 유기황 화합물; 및 탄소-황 폴리머((C2Sx)n, x=2.5 내지 50, n≥2);로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The sulfur-based material includes inorganic sulfur (S 8 ), Li 2 S n (n≥1), 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole (2,5-dimercapto-1,3,4- disulfide compounds including one or more of thiadiazole) and 1,3,5-trithiocyanuic acid; organosulfur compounds; and carbon-sulfur polymer ((C 2 S x ) n , x=2.5 to 50, n≥2);

제3 구현예에 따르면, 제1 구현예 또는 제2 구현예에 있어서,According to a third embodiment, in the first or second embodiment,

상기 다공성 탄소 재료는 BET 표면적이 1,500cm2/g 이상인 것일 수 있다.The porous carbon material may have a BET surface area of 1,500 cm 2 /g or more.

제4 구현예에 따르면, 제1 구현예 내지 제3 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,According to a fourth embodiment, in any one of the first to third embodiments,

상기 다공성 탄소 재료는 활성 탄소, 카본블랙, 탄소나노튜브 및 그래핀 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The porous carbon material may include one or more selected from activated carbon, carbon black, carbon nanotubes, and graphene.

제5 구현예에 따르면, 제1 구현예 내지 제4 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,According to a fifth embodiment, in any one of the first to fourth embodiments,

상기 다공성 탄소 재료는 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.The porous carbon material may include carbon nanotubes.

제6 구현예에 따르면, 제1 구현예 내지 제5 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,According to a sixth embodiment, in any one of the first to fifth embodiments,

상기 다공성 탄소 재료의 입경 D50은 100 ㎛ 이하일 수 있다.The particle size D 50 of the porous carbon material may be 100 ㎛ or less.

제7 구현예에 따르면, 제1 구현예 내지 제6 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,According to a seventh embodiment, in any one of the first to sixth embodiments,

상기 황-탄소 복합체 100wt% 대비 황 원소(S)의 함량이 60wt% 이상일 수 있다.The content of elemental sulfur (S) may be 60 wt% or more compared to 100 wt% of the sulfur-carbon composite.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 하기 구현예들의 리튬-황 전지용 양극이 제공된다.According to another aspect of the present invention, positive electrodes for lithium-sulfur batteries of the following embodiments are provided.

제8 구현예에 따른 리튬-황 전지용 양극은, The positive electrode for a lithium-sulfur battery according to the eighth embodiment is,

집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하고, 상기 양극 활물질층은 황-탄소 복합체를 포함하고, 상기 황-탄소 복합체는 다공성 탄소 재료 및 상기 다공성 탄소 재료의 기공 내부 및 외부 표면의 전부 또는 적어도 일부에 담지된 황계 재료를 포함하는 리튬-황 전지용 양극으로서,It includes a current collector and a positive electrode active material layer formed on at least one surface of the current collector, wherein the positive electrode active material layer includes a sulfur-carbon composite, and the sulfur-carbon composite includes a porous carbon material and pores of the porous carbon material and A positive electrode for a lithium-sulfur battery comprising a sulfur-based material supported on all or at least part of the external surface,

상기 양극 활물질층의 단면에 있어 50 ㎛ X 50 ㎛의 면적 당 임의의 10개의 상기 황-탄소 복합체의 면적의 표준오차가 100% 이하인 것으로 한다.In the cross section of the positive electrode active material layer, the standard error of the area of any 10 sulfur-carbon composites per area of 50 ㎛

제9 구현예에 따르면, 제8 구현예에 있어서,According to the ninth embodiment, in the eighth embodiment,

상기 다공성 탄소 재료는 입경 D10에 대한 입경 D90의 입도 분포의 비(Broadness Factor, BF)가 7 이하일 수 있다.The porous carbon material may have a particle size distribution ratio (Broadness Factor, BF) of particle size D 90 to particle size D 10 of 7 or less.

제10 구현예에 따르면, 제8 구현예 또는 제9 구현예에 있어서,According to the tenth embodiment, in the eighth or ninth embodiment,

상기 다공성 탄소 재료의 입경 D50은 100 ㎛ 이하일 수 있다.The particle size D 50 of the porous carbon material may be 100 ㎛ or less.

제11 구현예에 따르면, 제8 구현예 내지 제10 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서, According to the eleventh embodiment, in any one of the eighth to tenth embodiments,

상기 황계 재료는 황(S8) 및 황 화합물 중 1종 이상을 포함하며,The sulfur-based material includes one or more of sulfur (S 8 ) and sulfur compounds,

상기 양극 활물질층 100 wt% 대비 상기 황계 재료의 함량이 60wt% 이상일 수 있다.The content of the sulfur-based material may be 60 wt% or more compared to 100 wt% of the positive electrode active material layer.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 하기 구현예들의 리튬-황 전지가 제공된다.According to another aspect of the present invention, lithium-sulfur batteries of the following embodiments are provided.

제12 구현예에 따른 리튬-황 전지는,The lithium-sulfur battery according to the twelfth embodiment,

양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체; 및 전해질;을 포함하며, An electrode assembly including an anode, a cathode, and a separator interposed between the anode and the cathode; and electrolyte;

상기 양극은 제1 구현예 내지 제7 구현예 중 어느 한 구현예에 따른 양극 활물질을 포함한다.The positive electrode includes a positive electrode active material according to any one of the first to seventh embodiments.

제13 구현예에 따르면, 제12 구현예에 있어서,According to the thirteenth embodiment, in the twelfth embodiment,

상기 양극 내 황 원소(S)의 총 중량 대비 전해질의 총 중량의 비(El/S)가 3.5 g/g 이하일 수 있다.The ratio (El/S) of the total weight of the electrolyte to the total weight of sulfur element (S) in the positive electrode may be 3.5 g/g or less.

탄소 소재의 입도 분포가 넓을 경우, 불균일한 크기의 탄소 소재에 담지된 황계 재료의 반응 또한 불균일하게 이루어지기 때문에 셀 용량 발현이 낮다. When the particle size distribution of the carbon material is wide, the reaction of the sulfur-based material supported on the carbon material of non-uniform size also occurs non-uniformly, resulting in low cell capacity development.

본 발명은 반응의 균일성을 높이기 위해 균일한 입도 분포를 가지는 다공성 탄소 재료를 제조하였으며, 균일한 입도 분포를 갖는 탄소 재료를 황계 재료의 담지체로 사용하였을 때, 불균일한 입도 분포를 갖는 탄소 재료 대비 우위의 셀 용량이 발현되는 효과가 있다. The present invention manufactured a porous carbon material with a uniform particle size distribution to increase the uniformity of the reaction, and when a carbon material with a uniform particle size distribution was used as a support for a sulfur-based material, it was compared to a carbon material with a non-uniform particle size distribution. It has the effect of developing superior cell capacity.

도 1은 실시예 1의 황-탄소 복합체 제조에 이용한 다공성 탄소 소재에 대한 SEM 이미지이다.
도 2는 비교예 1의 황-탄소 복합체 제조에 이용한 다공성 탄소 소재에 대한 SEM 이미지이다.
도 3은 실시예 1의 황-탄소 복합체를 이용하여 제조한 양극의 수직 단면의 SEM 이미지이다. 좌측은 1,000 배율의 이미지이며, 우측은 5,000 배율의 이미지이다.
도 4는 비교예 1의 황-탄소 복합체를 이용하여 제조한 양극의 수직 단면의 SEM 이미지이다. 좌측은 1,000 배율의 이미지이며, 우측은 5,000 배율의 이미지이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1의 황-탄소 복합체를 이용한 전지에 대해 0.5C 방전 용량을 평가한 결과 그래프이다.
도 6은 실시예 2 및 비교예 2의 황-탄소 복합체를 이용한 전지에 대해 0.5C 방전 용량을 평가한 결과 그래프이다.
Figure 1 is an SEM image of the porous carbon material used to manufacture the sulfur-carbon composite of Example 1.
Figure 2 is an SEM image of the porous carbon material used to manufacture the sulfur-carbon composite of Comparative Example 1.
Figure 3 is an SEM image of a vertical cross section of the anode manufactured using the sulfur-carbon composite of Example 1. The left is an image at 1,000 magnification, and the right is an image at 5,000 magnification.
Figure 4 is an SEM image of a vertical cross-section of a positive electrode manufactured using the sulfur-carbon composite of Comparative Example 1. The left is an image at 1,000 magnification, and the right is an image at 5,000 magnification.
Figure 5 is a graph showing the results of evaluating the 0.5C discharge capacity for batteries using the sulfur-carbon composites of Example 1 and Comparative Example 1.
Figure 6 is a graph showing the results of evaluating the 0.5C discharge capacity for batteries using the sulfur-carbon composites of Example 2 and Comparative Example 2.

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 includes "polysulfide ion (Sx 2- , x 8, 6, 4, 2)" and "lithium polysulfide (Li 2 S x or LiS x - , x = 8, It is a concept that includes “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 %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 % is used as its unit, and can be used interchangeably with terms such as porosity and porosity. You can.

본 발명에서 "입경 D10"은 측정 대상 입자의 체적 누적 입도 분포 10% 기준에서의 입자 크기를 의미하며, "입경 D50"은 측정 대상 입자의 체적누적 입도분포의 50% 기준에서의 입자 크기를 의미하고, "입경 D90"은 측정 대상 입자의 체적누적 입도분포의 90% 기준에서의 입자 크기를 의미하는 것이다. In the present invention, “particle size D 10 ” refers to the particle size based on 10% of the volumetric cumulative particle size distribution of the particle to be measured, and “particle size D 50 ” refers to the particle size based on 50% of the cumulative volumetric particle size distribution of the particle to be measured. means, and “particle diameter D 90 ” means the particle size based on 90% of the volumetric cumulative particle size distribution of the particles to be measured.

상기 입경 D10, D50 및 D90은 각각 레이저 회절법(laser diffraction method)를 이용하여 측정될 수 있다. 예를 들면, 측정 대상 입자 분말을 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 누적 분포의 10%, 50%, 및 90% 각각에 해당하는 입자 크기를 구함으로써 측정될 수 있다.The particle sizes D 10 , D 50 and D 90 may each be measured using a laser diffraction method. For example, after dispersing the particle powder to be measured in a dispersion medium, introducing it into a commercially available laser diffraction particle size measuring device (e.g. Microtrac MT 3000), irradiating ultrasonic waves at about 28 kHz with an output of 60 W, and then measuring the volume cumulative particle size distribution graph. After obtaining, it can be measured by determining the particle sizes corresponding to 10%, 50%, and 90% of the volume cumulative distribution, respectively.

본 발명은 전기화학소자용 양극 활물질, 이를 포함하는 양극 및 상기 양극을 포함하는 이차전지에 대한 것이다. 상기 이차 전지는 리튬이온 이차전지일 수 있다. 특히 본 발명에 따른 양극 활물질은 황-탄소 복합체를 포함하는 것으로서, 상기 리튬 이온 이차 전지는 리튬-황 이차 전지인 것이다. The present invention relates to a positive electrode active material for an electrochemical device, a positive electrode containing the same, and a secondary battery containing the positive electrode. The secondary battery may be a lithium ion secondary battery. In particular, the positive electrode active material according to the present invention includes a sulfur-carbon composite, and the lithium ion secondary battery is a lithium-sulfur secondary battery.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 양극 활물질은 황-탄소 복합체를 포함하고, 상기 황-탄소 복합체는 다공성 탄소 재료; 및 상기 다공성 탄소 재료의 기공 내부 및 외부 표면의 전부 또는 적어도 일부에 담지된 황계 재료;를 포함하는 것이다. 본 발명은, 상기 다공성 탄소 재료가 특정 범위의 입도 분포를 갖는 것을 구성적 특징으로 한다. According to one aspect of the present invention, the positive electrode active material includes a sulfur-carbon composite, and the sulfur-carbon composite includes a porous carbon material; and a sulfur-based material supported on all or at least part of the inner and outer surfaces of pores of the porous carbon material. The present invention is characterized in that the porous carbon material has a particle size distribution in a specific range.

구체적으로, 본 발명에 따른 양극 활물질은 황-탄소 복합체를 포함하며, 상기 황-탄소 복합체는 다공성의 탄소 재료 및 황계 재료를 포함하며, 상기 다공성 탄소 재료의 기공 내부 및 외부 표면의 전부 또는 적어도 일부가 상기 황계 재료를 담지하거나, 및/또는 상기 황계 재료로 피복되어 있는 것이다. Specifically, the positive electrode active material according to the present invention includes a sulfur-carbon composite, and the sulfur-carbon composite includes a porous carbon material and a sulfur-based material, and all or at least part of the inner and outer surfaces of the pores of the porous carbon material. supports the sulfur-based material and/or is coated with the sulfur-based material.

본 발명에 있어서, 상기 다공성 탄소 재료는 입경 D10에 대한 입경 D90의 입도 분포의 비(Broadness Factor, BF)가 7 이하인 것을 구성적 특징으로 한다. 상기 BF는 상기 다공성 탄소 재료의 입경 D10에 대한 입경 D90인 입도 분포의 비(ratio)를 의미한다.In the present invention, the porous carbon material is characterized in that the ratio of the particle size distribution (Broadness Factor, BF) of the particle size D 90 to the particle size D 10 is 7 or less. The BF means the ratio of the particle size distribution of the particle size D 90 to the particle size D 10 of the porous carbon material.

상술한 바와 같이, 다공성 탄소 재료의 입도 분포가 넓을 경우, 즉 다공성 탄소 재료의 크기가 불균일한 경우에는 다공성 탄소 재료에 담지된 황계 재료의 반응 또한 불균일하게 이루어지는 현상이 나타난다. 이로 인해 셀 용량 발현이 저하되는 문제가 있다. 이에, 본 발명은 다공성 탄소 재료의 입도 분포가 작은 다공성 탄소 재료를 이용한다. 즉 본 발명은 균일한 입도 분포를 갖는 다공성 탄소 재료를 포함함으로써 셀 용량 발현을 향상시킨 것을 특징으로 한다.As described above, when the particle size distribution of the porous carbon material is wide, that is, when the size of the porous carbon material is non-uniform, the reaction of the sulfur-based material supported on the porous carbon material also occurs non-uniformly. This causes a problem in that cell capacity development decreases. Accordingly, the present invention uses a porous carbon material with a small particle size distribution. That is, the present invention is characterized by improved cell capacity development by including a porous carbon material with a uniform particle size distribution.

본 발명에 있어서, 상기 다공성 탄소 재료의 입경 D10은 입경 D90보다 작은 값을 갖는다. 이때, 상기 입경 D10에 대한 입경 D90의 입도 분포의 비율이 작을수록 입자 크기가 균일한 상태임을 나타낸다. 본 발명은 상기 다공성 탄소 재료를 BF가 7 이하가 되도록 구비함으로써 상기 활물질의 전기화학적 반응성을 균일하게 나타낸 효과를 가질 수 있으나, 본 발명의 기전이 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the particle size D 10 of the porous carbon material has a value smaller than the particle size D 90 . At this time, the smaller the ratio of the particle size distribution of the particle size D 90 to the particle size D 10 , the more uniform the particle size is. The present invention can have the effect of uniformly exhibiting the electrochemical reactivity of the active material by providing the porous carbon material with a BF of 7 or less, but the mechanism of the present invention is not limited to this.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소 재료의 BF는 7 이하이며, 구체적으로 6.5 이하, 6 이하 또는 5.5 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 다공성 탄소 재료의 BF는 1 내지 7, 1 내지 6.5, 1 내지 6, 1.5 내지 6, 2 내지 6, 3 내지 5.5 또는 4 내지 5.5일 수 있다. 상기 BF가 상술한 범위일 때 상기 다공성 탄소 재료의 크기의 균일성이 높아지고, 하나의 다공성 탄소 재료 당 담지하는 황계 재료의 함량이 균일하여 이를 이용하여 형성된 황-탄소 복합체를 이용한 리튬-황 전지의 반응성이 균일한 효과를 나타내는데 유리할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the BF of the porous carbon material is 7 or less, and may specifically be 6.5 or less, 6 or less, or 5.5 or less. For example, the BF of the porous carbon material may be 1 to 7, 1 to 6.5, 1 to 6, 1.5 to 6, 2 to 6, 3 to 5.5, or 4 to 5.5. When the BF is in the above-mentioned range, the uniformity of the size of the porous carbon material increases, and the content of the sulfur-based material supported per one porous carbon material is uniform, so that a lithium-sulfur battery using a sulfur-carbon composite formed using the same increases. Reactivity can be advantageous in producing a uniform effect.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소 재료의 입경 D50은 예를 들어 100 ㎛ 이하, 70㎛이하 또는 50㎛이하의 값을 갖는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 다공성 탄소 재료의 입경 D50은 1 내지 100 ㎛, 5 내지 90 ㎛, 10 내지 80 ㎛, 15 내지 70㎛, 20 내지 60㎛, 10 내지 50㎛, 15 내지 40㎛ 또는 20 내지 40㎛일 수 있다. 상기 다공성 탄소 재료의 입경 D50이 상술한 범위일 때 이를 이용한 양극의 탭 밀도를 향상시키고, 이를 통해 전지의 에너지 밀도를 높이는 측면에서 유리한 효과를 나타낼 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 상기 다공성 탄소 재료의 입도가 클 경우에는 입자형의 각 탄소 재료 사이에 기공의 크기가 커지기 때문에 전지 용량의 발현이 저하될 수 있다. 이에 본 발명은 다공성 탄소 재료의 입도를 적정 범위로 제어하여 작고 균일한 입도 분포를 갖도록 설계한 것을 또 하나의 구성적 특징으로 할 수 있다. 이와 같이 작은 입도를 균일한 분포로 갖는 다공성 탄소 재료를 황계 재료의 담지체로 사용하는 경우 입도가 크고 입도 분포가 불균일한 탄소 재료 대비 전기화학적 성능 발현이 균일하며, 더욱 향상된 전지 용량이 발현될 수 있다. 상기 입경 D50을 측정하는 방법은 상술한 바와 같다.In one embodiment of the present invention, the particle diameter D 50 of the porous carbon material may have a value of, for example, 100 ㎛ or less, 70 ㎛ or less, or 50 ㎛ or less. Specifically, the particle diameter D 50 of the porous carbon material is 1 to 100 ㎛, 5 to 90 ㎛, 10 to 80 ㎛, 15 to 70 ㎛, 20 to 60 ㎛, 10 to 50 ㎛, 15 to 40 ㎛, or 20 to 40 ㎛. It may be ㎛. When the particle size D 50 of the porous carbon material is within the above-mentioned range, the tap density of the positive electrode using the porous carbon material can be improved, which can have an advantageous effect in terms of increasing the energy density of the battery, but the present invention is not limited thereto. For example, when the particle size of the porous carbon material is large, the size of the pores between each particulate carbon material increases, which may reduce the development of battery capacity. Accordingly, another structural feature of the present invention is that it is designed to have a small and uniform particle size distribution by controlling the particle size of the porous carbon material to an appropriate range. In this way, when a porous carbon material with a uniform distribution of small particle sizes is used as a carrier for a sulfur-based material, electrochemical performance is more uniform compared to a carbon material with a large particle size and non-uniform particle size distribution, and further improved battery capacity can be achieved. . The method for measuring the particle size D 50 is as described above.

본 발명에 있어서, 상기 탄소 재료는 황이 균일하고 안정적으로 고정화될 수 있는 골격을 제공하는 담지체 역할을 하고, 황의 낮은 전기 전도도를 보완하여 전기화학반응이 원활하게 진행될 수 있도록 한다. 상기 탄소 재료는 표면 및 내부에 일정하지 않은 다수의 기공을 포함할 수 있다.In the present invention, the carbon material serves as a support that provides a framework on which sulfur can be uniformly and stably immobilized, and compensates for the low electrical conductivity of sulfur to allow electrochemical reactions to proceed smoothly. The carbon material may include a large number of irregular pores on the surface and inside.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소 재료의 BET 비표면적은 특별히 한정되는 것은 아니나 예를 들어 1,500 cm2/g 이상인 것일 수 있다. 상기 다공성 탄소 재료의 비표면적이 큰 것을 이용함으로써 황계 재료의 담지율을 높이고, 이에 따라 이를 이용한 양극 및 리튬-황 전지의 전기화학적 성능을 향상시키는 측면에서 유리한 효과를 나타낼 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 상기 황-탄소 복합체는 황의 담지체 역할을 하는 탄소 재료가 BET 비표면적이 넓으며 적정한 입도 범위를 갖기 때문에 황의 담지량이 높으면서도 비가역 용량이 낮고 에너지 밀도가 높다. 즉, 전기화학적 반응 시 황의 이용률이 향상될 수 있는 구조를 가질 수 있는 장점이 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the BET specific surface area of the porous carbon material is not particularly limited, but may be, for example, 1,500 cm 2 /g or more. By using the porous carbon material with a large specific surface area, it can have an advantageous effect in terms of increasing the support rate of the sulfur-based material and thereby improving the electrochemical performance of the positive electrode and lithium-sulfur battery using the same, but the present invention does not provide this. It is not limited. The sulfur-carbon composite according to the present invention has a high BET specific surface area and an appropriate particle size range because the carbon material serving as a sulfur carrier has a high sulfur loading amount, low irreversible capacity, and high energy density. In other words, there is an advantage in having a structure that can improve the utilization rate of sulfur during electrochemical reaction, but the present invention is not limited to this.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소 재료의 BET 비표면적은 예를 들어 100 내지 400 m2/g, 예를 들어 150 내지 350 m2/g, 구체적으로 200 m2/g일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the BET specific surface area of the porous carbon material may be, for example, 100 to 400 m 2 /g, for example 150 to 350 m 2 /g, specifically 200 m 2 /g. , but is not limited to this.

상기 BET 비표면적은 BET법에 의해 측정한 것으로서, BET 비표면적을 측정하기 위한 공지의 방법에 따라 측정된 값을 나타낼 수 있다. 예를 들어 상기 BET 비표면적은 BEL Japan사의 BELSORP-max를 이용하여 액체 질소 온도 하(77K)에서의 질소가스 흡착량으로부터 산출된 값일 수 있다.The BET specific surface area is measured by the BET method, and may represent a value measured according to a known method for measuring the BET specific surface area. For example, the BET specific surface area may be a value calculated from the nitrogen gas adsorption amount under liquid nitrogen temperature (77K) using BELSORP-max of BEL Japan.

본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 다공성 탄소 재료는 다공성 및 도전성을 갖는 탄소계 물질로 당업계에서 통상적으로 사용되는 것을 포함할 수 있다. 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.In one embodiment of the present invention, the porous carbon material may include a carbon-based material that has porosity and conductivity 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 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소 재료는 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 육각형으로 연결된 탄소들이 튜브모양을 이루고 있는 것이다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소나노튜브는 이를 구성하는 탄소 원자 층('탄소 벽'이라고도 함)의 개수에 따라서 단일벽 카본나노튜브(SWCNT), 다중벽 카본나노튜브(MWCNT) 또는 이들의 조합이 될 수 있다. 여기서 개별 탄소나노튜브의 길이는 특별하게 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the porous carbon material may include carbon nanotubes. The carbon nanotube is made up of hexagonally connected carbons forming a tube shape. According to one embodiment of the present invention, the carbon nanotubes are either single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), or It can be a combination of these. Here, the length of individual carbon nanotubes is not particularly limited.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소 재료는 황의 담지율을 개선하는 측면에서 탄소나노튜브를 포함할 수 있으며, 구체적으로 다중벽 탄소나노튜브를 포함하는 것일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the porous carbon material may include carbon nanotubes in terms of improving the sulfur carrying rate, and may specifically include multi-walled carbon nanotubes, but the present invention is limited thereto. It doesn't work.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 탄소나노튜브는 이들 간의 응집력에 의해서, 둘 이상의 카본나노튜브가 서로 밀착되고 엉켜있는 형태로 존재할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 분산매 등에 단일 가닥으로 존재하도록 분산시킨 카본나노튜브 분산액의 형태로서 제공될 수도 있으나, 1차 구조의 탄소나노튜브가 서로 응집되어 2차 구조체의 형태로서 제공될 수도 있다. In another embodiment of the present invention, the carbon nanotubes may exist in a form in which two or more carbon nanotubes are closely adhered to and entangled with each other due to the cohesive force between them. Specifically, in one embodiment of the present invention, the carbon nanotubes may be provided in the form of a carbon nanotube dispersion in which the carbon nanotubes are dispersed as single strands in a dispersion medium, etc.; however, the carbon nanotubes of the primary structure are aggregated with each other to form 2 It may also be provided in the form of a primary structure.

이러한 측면에서, 상기 다공성 탄소재가 탄소나노튜브를 포함하는 경우, 상기 탄소나노튜브는 번들 형태의 2차 구조체, 교락(entangled) 형태의 2차 구조체, 또는 이들 모두를 포함하는 것일 수 있다. In this respect, when the porous carbon material includes carbon nanotubes, the carbon nanotubes may include a bundle-type secondary structure, an entangled secondary structure, or all of these.

상기 탄소나노튜브의 번들 형태의 2차 구조체란, 단일 가닥의 탄소나노튜브를 1차 구조로 하여서, 상기 복수 개의 1차 구조가 탄소 간의 응집력 등에 의해 탄소나노튜브의 길이방향으로 배향이 되며 서로 뭉쳐져 있는 형태를 갖는 것으로서, 번들형 CNT(bundled CNT)라고도 할 수 있다.The secondary structure in the form of a bundle of carbon nanotubes uses a single-stranded carbon nanotube as the primary structure, and the plurality of primary structures are oriented in the longitudinal direction of the carbon nanotubes due to cohesive force between carbons, etc. and are clustered together. As it has a certain form, it can also be called a bundled CNT (bundled CNT).

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 예를 들어 교락 형태의 다중벽 탄소나노튜브(Entagled multiw walled carbon nanotube)를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon nanotubes may include, for example, entangled multi-walled carbon nanotubes.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소 재료는 BET 비표면적이 예를 들어 100 내지 400 m2/g, 예를 들어 150 내지 350 m2/g, 구체적으로 200 m2/g인 탄소나노튜브를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the porous carbon material is carbon nano having a BET specific surface area of, for example, 100 to 400 m 2 /g, for example, 150 to 350 m 2 /g, specifically 200 m 2 /g. It may include a tube, but is not limited thereto.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀은 탄소로만 구성된 탄소층일 수 있으며, 또는 이의 형태 따라서 산화그래핀, 환원된 산화그래핀, 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the graphene may be a carbon layer composed only of carbon, or may be graphene oxide, reduced graphene oxide, or a mixture thereof depending on its form, but the present invention is not limited thereto. no.

한편, 본 발명의 다른 일 실시양태에 있어서, 상기 탄소 재료로는 다양한 탄소 재질의 전구체를 탄화시킴으로써 제조될 수 있다. Meanwhile, in another embodiment of the present invention, the carbon material can be manufactured by carbonizing precursors of various carbon materials.

본 발명에 있어서, 상기 황계 재료는 리튬-황 전지의 활물질로서 황(S8)을 제공할 수 있는 물질이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 황계 재료는 황(S8) 및 황 화합물 중 1종 이상을 포함한다.In the present invention, the sulfur-based material can be used without particular limitation as long as it is a material that can provide sulfur (S 8 ) as an active material for a lithium-sulfur battery. For example, the sulfur-based material includes one or more of sulfur (S 8 ) and sulfur compounds.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 황계 재료는 무기 황(S8), Li2Sn(n≥1), 2,5-디머캅토-1,3,4-티아디아졸(2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole) 및 1,3,5-트리티오시아누익산(1,3,5-trithiocyanuic acid) 중 1종 이상을 포함하는 디설파이드 화합물; 유기황 화합물; 및 탄소-황 폴리머((C2Sx)n, x=2.5 내지 50, n≥2);로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the sulfur-based material 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) and 1,3,5-trithiocyanuic acid (1,3,5-trithiocyanuic acid); organosulfur compounds; and a carbon-sulfur polymer ((C 2 S x ) n , x=2.5 to 50, n≥2).

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 황-탄소 복합체 내에서 상기 황계 재료는 다공성 탄소 재료와의 물리적 흡착, 또는 황 원소(S)와 다공성 탄소 재료 내 탄소 간의 공유 결합, 반데르발스 결합 등의 화학적 결합에 의해 포함될 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the sulfur-carbon composite, the sulfur-based material is physically adsorbed with the porous carbon material, or a covalent bond, van der Waals bond, etc. between the sulfur element (S) and the carbon in the porous carbon material. May be included by chemical bonding.

본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 황-탄소 복합체는 황-탄소 복합체 100wt% 대비 상기 황계 재료의 함량이 60wt% 이상 또는 70 wt% 이상인 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 황-탄소 복합체는 황-탄소 복합체 100wt% 대비 상기 황계 재료의 함량이 60 wt% 내지 99 wt%, 70 wt% 내지 99 wt%, 75 wt% 내지 90 wt%, 70 wt% 내지 85 wt%, 70 wt% 내지 80 wt% 또는 70 wt% 내지 75 wt%인 것이 바람직할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the sulfur-carbon composite preferably has a content of the sulfur-based material of 60 wt% or more or 70 wt% or more relative to 100 wt% of the sulfur-carbon composite. For example, the sulfur-carbon composite has a content of the sulfur-based material of 60 wt% to 99 wt%, 70 wt% to 99 wt%, 75 wt% to 90 wt%, and 70 wt% compared to 100 wt% of the sulfur-carbon composite. to 85 wt%, 70 wt% to 80 wt%, or 70 wt% to 75 wt%.

본 발명에 따른 황-탄소 복합체에 있어서, 상기 황계 재료는 상기 탄소 재료의 기공 내부 및 외부 표면 중 적어도 어느 한 표면에 위치하며 이때 상기 탄소 재료의 내부 및 외부 전체 표면의 100% 미만, 바람직하게는 1 내지 95 %, 더욱 바람직하게는 60 내지 90 % 영역에 존재할 수 있다. 상기 황이 탄소 재료의 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-based material is located on at least one of the pore inner and outer surfaces of the carbon material, and at this time, less than 100% of the entire inner and outer surface of the carbon material, preferably It may be present in the range of 1 to 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 wettability of the electrolyte solution. 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.

상기 황-탄소 복합체는 상기 황계 재료와 탄소 재료가 단순 혼합되어 복합화되거나 코어-쉘 구조의 코팅 형태 또는 담지 형태를 가질 수 있다. 상기 코어-쉘 구조의 코팅 형태는 황계 재료 또는 탄소 재료 중 어느 하나가 다른 물질을 코팅한 것으로, 일례로 탄소 재료 표면을 황으로 감싸거나 이의 반대가 될 수 있다. 또한, 담지 형태는 탄소 재료의 내부, 특히 내부 기공에 황계 재료가 충진된 형태일 수 있다. 상기 황-탄소 복합체의 형태는 상기 제시한 황과 탄소 재료의 함량비를 만족하는 것이면 어떠한 형태라도 사용 가능하며 본 발명에서 한정하지 않는다.The sulfur-carbon composite may be complexed by simply mixing the sulfur-based material 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 a sulfur-based material or a carbon material is coated with another material. For example, the surface of the carbon material may be covered with sulfur, or vice versa. Additionally, the supported form may be a form in which the interior of the carbon material, especially the internal pores, is filled with a sulfur-based material. The form of the sulfur-carbon composite can be used as long as it satisfies the content ratio of sulfur and carbon materials presented above, and is not limited in the present invention.

다음으로 상기 황-탄소 복합체의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 황-탄소 복합체의 제조방법은 특별히 한정되지 않고 당업계에서 통상적으로 알려진 것으로서, (S1) 다공성 탄소 재료와 황계 재료를 혼합한 후, (S2) 복합화하는 단계로 이루어진 복합화 방법에 의해 제조될 수 있다. Next, a method for producing the sulfur-carbon composite is provided. The method for producing a sulfur-carbon composite according to the present invention is not particularly limited and is commonly known in the art, and is a composite method consisting of the steps of (S1) mixing a porous carbon material and a sulfur-based material, and then (S2) compounding. can be manufactured.

상기 (S1) 단계의 혼합은 황계 재료와 다공성 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 the sulfur-based material and the porous carbon material 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 볼 밀링하여 분쇄한 후 120 내지 160 ℃의 오븐에 20분 내지 1시간 동안 두어 용융된 황이 제1탄소재의 내부 및 외부 표면에 고루 코팅될 수 있도록 하는 방법이 사용될 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, the mixture of sulfur and carbon material obtained after mixing is ground by ball milling and placed in an oven at 120 to 160° C. for 20 minutes to 1 hour so that the molten sulfur can be evenly coated on the inner and outer surfaces of the first carbon material. A method may be used to enable this.

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.

본 발명의 다른 측면은 상기 황-탄소 복합체를 이용하여 형성되는 양극을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a positive electrode formed using the sulfur-carbon composite.

본 발명의 다른 측면에 따른 양극은, 집전체; 및 상기 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 양극 활물질층;을 포함하고, 상기 양극 활물질층은 황-탄소 복합체를 포함하고, 상기 황-탄소 복합체는 다공성 탄소 재료 및 상기 다공성 탄소 재료의 기공 내부 및 외부 표면의 전부 또는 적어도 일부에 담지된 황계 재료를 포함한다.A positive electrode according to another aspect of the present invention includes a current collector; and a positive electrode active material layer formed on at least one surface of the current collector, wherein the positive electrode active material layer includes a sulfur-carbon composite, and the sulfur-carbon composite includes a porous carbon material and pores inside and outside of the porous carbon material. It includes a sulfur-based material supported on all or at least part of the surface.

이때, 상기 양극 활물질층의 단면에 있어 50 ㎛ X 50 ㎛의 면적 당 임의의 10개의 상기 황-탄소 복합체의 면적의 표준오차가 100% 이하인 것을 구성적 특징으로 한다.At this time, a structural feature is that the standard error of the area of any 10 sulfur-carbon composites per area of 50 ㎛ x 50 ㎛ in the cross section of the positive active material layer is 100% or less.

본 명세서에서, 상기 양극 활물질층의 단면에서 '면적' 당 황-탄소 복합체의 '면적'을 나타냄에 있어서, 상기 '면적'은 표면적을 의미하는 것으로서, 예를 들어 단면의 평면 상에서의 면적을 측정하는 공지의 방법에 따라 측정될 수 있으며, 그 측정방법에 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양극 활물질층의 단면에 대한 SEM 이미지 상에서 단면적의 측정방법에 따라 측정될 수 있다.In this specification, when indicating the 'area' of the sulfur-carbon composite per 'area' in the cross section of the positive active material layer, the 'area' means the surface area, for example, measuring the area on the plane of the cross section. It can be measured according to a known method, and the measurement method is not particularly limited. For example, in one embodiment of the present invention, the cross-sectional area may be measured according to a method of measuring the cross-sectional area on an SEM image of the cross-section of the positive active material layer.

본 명세서에서, 상기 양극에 있어서 집전체 및 양극 활물질층의 적층 방향을 '상하 방향'이라고 할 때, 상기 양극 활물질층의 단면은 상기 양극의 상하 방향으로의 단면 또는 상기 양극의 상하 방향에 수직인 방향으로의 단면 모두를 지칭할 수 있으며, 상기 단면의 방향에 특별히 한정되는 것은 아니다.In this specification, when the stacking direction of the current collector and the positive electrode active material layer in the positive electrode is referred to as the 'up and down direction', the cross section of the positive electrode active material layer is a cross section in the vertical direction of the positive electrode or a cross section perpendicular to the vertical direction of the positive electrode. It can refer to any cross section in any direction, and is not particularly limited to the direction of the cross section.

도 3에는 본 발명의 일 구현예에 따른 양극의 상하 방향으로의 단면이 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 상기 양극의 상하 방향의 단면에는 하부의 집전체와 집전체의 일면 상에 복수 개의 황-탄소 복합체를 포함하는 양극 활물질층을 확인할 수 있다.Figure 3 shows a cross-section in the vertical direction of the anode according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, a vertical cross-section of the positive electrode shows a positive electrode active material layer including a lower current collector and a plurality of sulfur-carbon composites on one surface of the current collector.

본 발명의 일 측면에 따른 양극은 상기 양극의 단면을 통해 상기 양극 활물질층에 면적이 균일한 황-탄소 복합체가 복수 개 포함되는 것을 확인할 수 있다.In the positive electrode according to one aspect of the present invention, it can be confirmed through a cross section of the positive electrode that the positive electrode active material layer includes a plurality of sulfur-carbon complexes with a uniform area.

상술한 바와 같이, 상기 양극은 본 발명의 일 측면에 따른 양극 활물질을 포함한다. 즉, 상기 양극은 황-탄소 복합체로서 입경 D10에 대한 입경 D90의 입도 분포의 비(Broadness Factor, BF)가 7 이하인 다공성 탄소 재료를 포함하는 것을 이용한다. 이에 따라, 크기가 균일한 다공성 탄소 재료에 황계 재료가 담지돤 황-탄소 복합체를 이용하여 양극 활물질층을 형성하면, 상기 양극 활물질층의 수직 단면에서도 상기 황-탄소 복합체의 단면의 면적의 편차가 감소하는 효과를 나타낼 수 있다.As described above, the positive electrode includes a positive electrode active material according to one aspect of the present invention. That is, the anode is a sulfur-carbon composite and is used to include a porous carbon material with a particle size distribution ratio (Broadness Factor, BF) of particle size D 90 to particle size D 10 of 7 or less. Accordingly, when a positive electrode active material layer is formed using a sulfur-carbon composite in which a sulfur-based material is supported on a porous carbon material of uniform size, there is a deviation in the cross-sectional area of the sulfur-carbon composite even in the vertical cross section of the positive electrode active material layer. It may have a decreasing effect.

또한, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소 재료의 입경 D50은 예를 들어 100 ㎛ 이하인 것을 포함할 수 있다.Additionally, in one embodiment of the present invention, the particle size D 50 of the porous carbon material may be, for example, 100 ㎛ or less.

이에 따라서, 상기 양극 활물질층의 단면에 있어 50 ㎛ X 50 ㎛의 면적 당 임의의 10개의 상기 황-탄소 복합체의 면적의 표준오차가 100% 이하일 수 있다.Accordingly, the standard error of the area of any 10 sulfur-carbon composites per area of 50 ㎛ x 50 ㎛ in the cross section of the positive active material layer may be 100% or less.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양극 활물질층의 단면에 있어 50 ㎛ X 50 ㎛의 면적 당 임의의 10개의 상기 황-탄소 복합체의 면적의 표준오차는 예를 들어 1% 내지 100%, 10% 내지 100%, 30% 내지 100%, 50% 내지 90%, 50% 내지 80%, 50% 내지 70% 또는 60% 내지 70%일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the standard error of the area of any 10 sulfur-carbon composites per area of 50 ㎛ % to 100%, 30% to 100%, 50% to 90%, 50% to 80%, 50% to 70%, or 60% to 70%.

본 명세서에서, 상기 양극 활물질층의 단면에 있어 50 ㎛ X 50 ㎛의 면적 당 임의의 10개의 상기 황-탄소 복합체의 면적은 양극 활물질층의 단면에 대한 SEM 이미지 분석을 통해 측정될 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 활물질층의 단면에 대한 SEM 이미지 상에서 복수 개의 황-탄소 복합체 간의 계면을 중심으로 하나의 황-탄소 복합체의 면적을 측정하고, 임의의 10개의 면적에 대한 평균 및 표준편차를 측정함으로써 상기 양극 활물질층의 단면에 있어 50 ㎛ X 50 ㎛의 면적 당 임의의 10개의 상기 황-탄소 복합체의 면적의 표준오차를 측정할 수 있으나, 이의 측정방법이 이에 한정되는 것은 아니다.In this specification, the area of any 10 sulfur-carbon composites per area of 50 ㎛ For example, on the SEM image of the cross section of the positive electrode active material layer, the area of one sulfur-carbon composite is measured centered on the interface between a plurality of sulfur-carbon composites, and the average and standard deviation for any 10 areas are calculated. By measuring, the standard error of the area of any 10 sulfur-carbon composites per area of 50 ㎛

본 명세서에서, 상기 '표준오차'는 다음의 식에 따라 계산되는 값을 나타낸다.In this specification, the 'standard error' represents a value calculated according to the following equation.

[식][ceremony]

표준오차 (%) = (표준편차/평균) X 100 Standard error (%) = (standard deviation/mean)

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양극 활물질층은 상기 황-탄소 복합체와 함께 바인더 수지를 포함할 수 있다. 또한, 상기 양극 활물질층은 양극 활물질 및 바인더 수지 외에도 필요에 따라 도전재를 더 포함할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양극 활물질층은 상기 양극 활물질층 100wt% 대비 양극 활물질이 70wt% 이상, 85wt% 이상 또는 90wt% 이상 포함되는 것이 바람직할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the positive electrode active material layer may include a binder resin together with the sulfur-carbon composite. Additionally, the positive electrode active material layer may further include a conductive material as needed in addition to the positive electrode active material and binder resin. At this time, in one embodiment of the present invention, it may be preferable that the positive electrode active material layer contains 70 wt% or more, 85 wt% or more, or 90 wt% or more of the positive electrode active material relative to 100 wt% of the positive electrode active material layer.

상기 양극 활물질은 전술한 황-탄소 복합체를 포함한다. 본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 황-탄소 복합체 내 황 원소(S)는 양극 활물질층 100wt% 대비 60wt% 이상, 65wt% 이상, 또는 70wt% 이상의 함량으로 포함되는 것이 바람직할 수 있다. 상기 양극 내 황 원소(S)의 함량이 60wt%에 이르지 못하는 경우에는 전극 활성 물질의 부족으로 전지의 에너지 밀도를 향상시키기 어려울 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 양극 활물질층은 상기 양극 활물질 100wt% 대비 전술한 특징을 갖는 황-탄소 복합체가 50 wt% 이상, 70wt% 이상, 90wt% 이상 또는 95wt% 이상 포함될 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서 상기 양극 활물질은 상기 황-탄소 복합체만으로 이루어질 수 있다. The positive electrode active material includes the sulfur-carbon complex described above. In one embodiment of the present invention, the sulfur element (S) in the sulfur-carbon composite may preferably be included in an amount of 60 wt% or more, 65 wt% or more, or 70 wt% or more based on 100 wt% of the positive electrode active material layer. If the content of elemental sulfur (S) in the positive electrode does not reach 60 wt%, it may be difficult to improve the energy density of the battery due to a lack of electrode active material, but the present invention is not limited to this. In addition, in one embodiment of the present invention, the positive electrode active material layer may contain 50 wt% or more, 70 wt% or more, 90 wt% or more, or 95 wt% or more of a sulfur-carbon composite having the above-described characteristics relative to 100 wt% of the positive electrode active material. there is. In one embodiment of the present invention, the positive electrode active material may be composed of only the sulfur-carbon composite.

또한, 상기 양극 활물질층은 상술한 황-탄소 복합체 이외에도 리튬 이차전지에 사용할 수 있는 통상의 양극 활물질을 더 포함할 수 있다. 이러한 통상의 양극활물질로는, 예를 들어 리튬 전이금속 산화물; 리튬 금속 철인산화물; 리튬 니켈-망간-코발트 산화물; 리튬 니켈-망간-코발트 산화물에 일부가 다른 전이금속으로 치환된 산화물; 또는 이들 중 2 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 양극 활물질은 예를 들어 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 구리 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiV3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 리튬 금속 인산화물 LiMPO4 (여기서, M은 M = Fe, CO, Ni, 또는 Mn임); 리튬 니켈-망간-코발트 산화물 Li1+x(NiaCobMnc)1-xO2(x = 0 ~ 0.03, a = 0.3 ~ 0.95, b = 0.01 ~ 0.35, c = 0.01 ~ 0.5, a+b+c=1); 리튬 니켈-망간-코발트 산화물에 일부가 알루미늄으로 치환된 산화물 Lia[NibCocMndAle]1-fM1fO2 (M1은 Zr, B, W, Mg, Ce, Hf, Ta, La, Ti, Sr, Ba, F, P 및 S로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이고, 0.8≤a≤1.2, 0.5≤b≤0.99, 0<c<0.5, 0<d<0.5, 0.01≤e≤0.1, 0≤f≤0.1); 리튬 니켈-망간-코발트 산화물에 일부가 다른 전이금속으로 치환된 산화물 Li1+x(NiaCobMncMd)1-xO2(x = 0 ~ 0.03, a = 0.3 ~ 0.95, b = 0.01 ~ 0.35, c = 0.01 ~ 0.5, d = 0.001 ~ 0.03, a+b+c+d=1, M은 Fe, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나임), 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. In addition, the positive electrode active material layer may further include a common positive electrode active material that can be used in lithium secondary batteries in addition to the sulfur-carbon composite described above. Such common positive electrode active materials include, for example, lithium transition metal oxide; lithium metal iron phosphate; lithium nickel-manganese-cobalt oxide; An oxide in which lithium nickel-manganese-cobalt oxide is partially replaced with another transition metal; Or, it may include two or more of these, but is not limited thereto. Specifically, the positive electrode active material may be, for example, a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) or lithium nickel oxide (LiNiO 2 ) or a compound substituted with one or more transition metals; Lithium manganese oxide with the formula Li 1+x Mn 2-x O 4 (where x is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 , etc.; lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiV 3 O 4 , V 2 O 5 , and Cu 2 V 2 O 7 ; Ni site type lithium nickel oxide represented by the formula LiNi 1-x M x O 2 (where M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga and x = 0.01 to 0.3); Chemical formula LiMn 2 - x M Lithium manganese complex oxide expressed as Ni, Cu or Zn); lithium metal phosphate LiMPO 4 (where M is M = Fe, CO, Ni, or Mn); Lithium nickel-manganese-cobalt oxide Li 1+x (Ni a Co b Mn c ) 1-x O 2 (x = 0 ~ 0.03, a = 0.3 ~ 0.95, b = 0.01 ~ 0.35, c = 0.01 ~ 0.5, a +b+c=1); Lithium nickel-manganese-cobalt oxide partially substituted with aluminum Li a [Ni b Co c Mn d Al e ] 1-f M1 f O 2 (M1 is Zr, B, W, Mg, Ce, Hf, Ta , La, Ti, Sr, Ba, F, P and S, 0.8≤a≤1.2, 0.5≤b≤0.99, 0<c<0.5, 0<d<0.5, 0.01 ≤e≤0.1, 0≤f≤0.1); Lithium nickel-manganese-cobalt oxide partially substituted with another transition metal oxide Li 1+x (Ni a Co b Mn c M d ) 1-x O 2 (x = 0 ~ 0.03, a = 0.3 ~ 0.95, b = 0.01 ~ 0.35, c = 0.01 ~ 0.5, d = 0.001 ~ 0.03, a+b+c+d=1, M is any selected from the group consisting of Fe, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg and Mo. one), a disulfide compound; Fe 2 (MoO 4 ) 3 etc. may be mentioned, but it is not limited to these alone.

한편, 상기 양극 집전체로는, 당해 기술 분야에서 사용되는 다양한 양극 집전체들이 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.Meanwhile, as the positive electrode current collector, various positive electrode current collectors used in the relevant technical field may be used. For example, the positive electrode current collector may be stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. 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.

상기 바인더 수지는 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. 상기 바인더 수지는 양극 활물질층 총 중량에 대하여 1 내지 30 wt%, 바람직하게는 1 내지 20wt%, 더 바람직하게는 1 내지 10wt%로 포함될 수 있다. The binder resin 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. The binder resin may 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 positive electrode active material layer.

상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한 없이 사용 가능하다. 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 도전재가 사용되는 경우, 상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질층 총 중량에 대하여 1 내지 30wt%, 바람직하게는 1 내지 20wt%, 더 바람직하게는 1 내지 10wt%로 포함될 수 있다. The conductive material is used to provide conductivity to the electrode, and can be used without particular limitation as long as it does not cause chemical change and has electronic conductivity in the battery being constructed. 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. When the conductive material is 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 positive electrode active material layer.

상기 양극은 당 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다.The anode can be manufactured by conventional methods known in the art.

예를 들어, 본 발명의 양극을 제조하는 방법을 구체적으로 살펴보면, 먼저, 슬러리를 제조하기 위한 용매에 상기 바인더 수지를 용해시킨 다음, 도전재를 분산시킨다. 슬러리를 제조하기 위한 용매로는 양극 활물질 및 바인더 수지, 필요에 따라 사용되는 도전재를 균일하게 분산시킬 수 있으며, 쉽게 증발되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 대표적으로는 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란, 물, 이소프로필알콜 등을 사용할 수 있다. For example, looking specifically at the method of manufacturing the positive electrode of the present invention, first, the binder resin is dissolved in a solvent for preparing a slurry, and then the conductive material is dispersed. It is preferable to use a solvent for preparing the slurry that can uniformly disperse the positive electrode active material, binder resin, and conductive material used as needed, and that evaporates easily. Representative examples include acetonitrile, methanol, ethanol, tetrahydrofuran, water, and isopropyl alcohol.

다음으로 양극 활물질을, 또는 선택적으로 첨가제와 함께, 상기 도전재가 분산된 용매에 다시 균일하게 분산시켜 양극 슬러리를 제조한다. 슬러리에 포함되는 용매, 양극 활물질, 또는 선택적으로 첨가제의 양은 본 출원에 있어서 특별히 중요한 의미를 가지지 않으며, 단지 슬러리의 코팅이 용이하도록 적절한 점도를 가지면 충분하다. Next, a positive electrode slurry is prepared by uniformly dispersing the positive electrode active material, or optionally together with an additive, into the solvent in which the conductive material is dispersed. The amount of solvent, positive electrode active material, or optionally additives included in the slurry is not particularly important in the present application, and it is sufficient that the slurry has an appropriate viscosity to facilitate coating.

이와 같이 제조된 슬러리를 집전체에 도포하고, 진공 건조하여 양극을 형성한다. 상기 슬러리는 슬러리의 점도 및 형성하고자 하는 양극의 두께에 따라 적절한 두께로 집전체에 코팅할 수 있다. The slurry prepared in this way is applied to a current collector and dried in vacuum to form a positive electrode. The slurry can be coated on the current collector at an appropriate thickness depending on the viscosity of the slurry and the thickness of the positive electrode to be formed.

상기 도포는 당업계에 통상적으로 공지된 방법에 의하여 수행할 수 있으나, 예컨대 상기 양극 활물질 슬러리를 상기 양극 집전체 일측 상면에 분배시킨 후 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 사용하여 균일하게 분산시켜 수행할 수 있다. 이외에도, 다이 캐스팅(die casting), 콤마 코팅(comma coating), 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법을 통하여 수행할 수 있다.The application may be performed by a method commonly known in the art, but for example, the positive electrode active material slurry may be distributed on one upper surface of the positive electrode current collector and then uniformly dispersed using a doctor blade or the like. You can. In addition, it can be performed through methods such as die casting, comma coating, and screen printing.

상기 건조는 특별히 제한하는 것은 아니나, 50 내지 200℃의 진공오븐에서 1일 이내로 수행하는 것일 수 있다.The drying is not particularly limited, but may be performed within 1 day in a vacuum oven at 50 to 200°C.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상술한 양극을 포함하는 리튬-황 전지가 제공된다.According to another aspect of the present invention, a lithium-sulfur battery including the above-described positive electrode is provided.

구체적으로, 상기 리튬-황 전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체; 및 전해질;을 포함하며, 상기 양극은 양극 활물질로서 상술한 양극 활물질을 포함한다. Specifically, the lithium-sulfur battery includes an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; and an electrolyte; wherein the positive electrode includes the positive electrode active material described above as the positive electrode active material.

상기 전극 조립체는 예를 들어서, 분리막이 음극과 양극 사이에 개재된 상태로 적층되어 스택형 또는 스택/폴딩의 구조체를 형성하거나 권취되어 젤리롤 구조체를 형성할 수 있다. 아울러, 젤리롤 구조체를 형성했을 때, 음극과 양극이 서로 접하는 것을 방지하기 위해 외측에 분리막이 추가 배치될 수 있다.For example, the electrode assembly may be laminated with a separator interposed between the cathode and the anode to form a stacked or stacked/folded structure, or may be wound to form a jelly roll 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.

상기 음극은 음극 집전체; 및 상기 음극 집전체의 적어도 일측면상에 형성된 음극 활물질층;을 포함하고, 상기 음극 활물질층은 음극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함한다. The negative electrode includes a negative electrode current collector; and a negative electrode active material layer formed on at least one side of the negative electrode current collector, wherein the negative electrode active material layer includes a negative electrode active material, a conductive material, and a binder.

다음으로 상기 음극에 대해서 더욱 상세하게 설명한다.Next, the cathode will be described in more detail.

상기 음극은 긴 시트 형상의 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질층이 형성된 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 음극 활물질층은 음극 활물질 및 바인더 수지를 포함할 수 있다. 또한, 상기 음극 활물질층은 필요에 따라 도전재를 더 포함할 수 있다.The negative electrode may have a structure in which a negative electrode active material layer is formed on one or both sides of a long sheet-shaped negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer may include a negative electrode active material and a binder resin. Additionally, the negative electrode active material layer may further include a conductive material if necessary.

구체적으로는 상기 음극은 긴 시트 형상의 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질, 도전재, 및 바인더를 디메틸셀폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤(acetone), 물 등과 같은 용매에 분산시켜 제조된 음극 슬러리를 도포하고, 건조 공정을 통해 음극 슬러리의 용매를 제거한 후, 압연시키는 방법으로 제조될 수 있다. 한편, 상기 음극 슬러리 도포 시에 음극 집전체의 일부 영역, 예를 들면 음극 집전체의 일 단부에 음극 슬러리를 도포하지 않는 방법으로 무지부를 포함하는 음극을 제조할 수 있다. Specifically, the negative electrode is made by adding a negative electrode active material, a conductive material, and a binder to one or both sides of a long sheet-shaped negative electrode current collector such as dimethyl sulfoxide (DMSO), isopropyl alcohol, or N-methylpyrroli. It can be manufactured by applying a negative electrode slurry prepared by dispersing it in a solvent such as NMP, acetone, water, etc., removing the solvent of the negative electrode slurry through a drying process, and then rolling it. Meanwhile, a negative electrode including an uncoated portion can be manufactured by not applying the negative electrode slurry to some areas of the negative electrode current collector, for example, one end of the negative electrode current collector, when applying the negative electrode slurry.

상기 음극 활물질은 리튬(Li+)을 가역적으로 삽입(intercalation) 또는 탈삽입(deintercalation)할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함할 수 있다. 상기 리튬 이온을 가역적으로 삽입 또는 탈삽입할 수 있는 물질은 예컨대 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 구체적으로 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소, 연화탄소 (soft carbon), 경화탄소 (hard carbon) 등을 예로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The negative electrode active material is a material that can reversibly intercalate or deintercalate lithium (Li + ), a material that can reversibly form a lithium-containing compound by reacting with lithium ions, lithium metal, or a lithium alloy. It can be included. The material capable of reversibly inserting or de-inserting lithium ions may be, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof, and specifically, artificial graphite, natural graphite, graphitized carbon fiber, amorphous carbon, and soft carbon. ), hard carbon, etc., but are not limited thereto.

상기 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질은 예를 들어, 산화주석, 티타늄나이트레이트 또는 실리콘계 화합물일 수 있다.The material that can react with the lithium ion to reversibly form a lithium-containing compound may be, for example, tin oxide, titanium nitrate, or a silicon-based compound.

상기 리튬 합금은 예를 들어, 리튬(Li)과 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 알루미늄(Al) 및 주석(Sn)으로 이루어지는 군에서 선택되는 금속의 합금일 수 있다. 바람직하게 상기 음극 활물질은 리튬 금속일 수 있으며, 구체적으로, 리튬 금속 박막 또는 리튬 금속 분말의 형태일 수 있다. The lithium alloy includes, for example, lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), francium (Fr), beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium ( It may be an alloy of a metal selected from the group consisting of Ca), strontium (Sr), barium (Ba), radium (Ra), aluminum (Al), and tin (Sn). Preferably, the negative electrode active material may be lithium metal, and specifically, may be in the form of a lithium metal thin film or lithium metal powder.

상기 실리콘계 화합물은 Si, Si-Me 합금(여기서, Me은 Al, Sn, Mg, Cu, Fe, Pb, Zn, Mn, Cr, Ti, 및 Ni로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상), SiOy(여기서, 0<y<2), Si-C 복합체 또는 이들의 조합일 수 있으며, 바람직하게는 SiOy(여기서, 0<y<2)일 수 있다. 실리콘계 화합물은 높은 이론 용량을 가지기 때문에 실리콘계 화합물을 음극 활물질로서 포함할 경우, 용량 특성을 향상시킬 수 있다. The silicon-based compound is Si, Si-Me alloy (where Me is one or more selected from the group consisting of Al, Sn, Mg, Cu, Fe, Pb, Zn, Mn, Cr, Ti, and Ni), SiO y (here, 0<y<2), may be a Si-C composite, or a combination thereof, and preferably may be SiO y (here, 0<y<2). Since silicon-based compounds have high theoretical capacity, when silicon-based compounds are included as a negative electrode active material, capacity characteristics can be improved.

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.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, carbon on the surface of copper or stainless steel, Surface treatment with 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.

상기 바인더 수지는 음극 활물질 입자들 간의 부착 및 음극 활물질과 음극 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 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. 상기 바인더는 음극 활물질층 총 중량에 대하여 1 내지 30 wt%, 바람직하게는 1 내지 20wt%, 더 바람직하게는 1 내지 10wt%로 포함될 수 있다.The binder resin serves to improve adhesion between negative electrode active material particles and adhesion between the negative electrode active material and the negative electrode current collector. Specific examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, and carboxymethyl cellulose (CMC). ), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene monomer rubber (EPDM rubber), sulfonated-EPDM, Examples include styrene-butadiene rubber (SBR), fluorine rubber, or various copolymers thereof, and one type of these may be used alone or a mixture of two or more types may be used. The binder may 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.

상기 필요에 따라 포함되는 도전재는 음극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한 없이 사용 가능하다. 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 도전재가 사용되는 경우, 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 included as necessary is used to provide conductivity to the negative electrode, and can be used without particular limitation as long as it does not cause chemical change and has electronic conductivity in the battery being constructed. 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. When the conductive material is 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.

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 사용 가능하다. 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 포함된 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 cathode from the anode 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 coated separator containing ceramic components or polymer materials may be used to ensure heat resistance or mechanical strength.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 전극 조립체를 포함하는 전기화학소자에 대한 것이다. 상기 전기화학소자는 전지 케이스에 전극 조립체와 전해질이 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.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.

본 발명에서 사용되는 전해질로는 리튬 이차전지에 사용 가능한 다양한 전해질들, 예를 들면, 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등이 사용될 수 있으며, 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다. Electrolytes used in the present invention include various electrolytes that can be used in lithium secondary batteries, such as organic liquid electrolytes, inorganic liquid electrolytes, solid polymer electrolytes, gel-type polymer electrolytes, solid inorganic electrolytes, and molten inorganic electrolytes. and the type is not particularly limited.

구체적으로는, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다. Specifically, the electrolyte may include an organic solvent and a lithium salt.

상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. The organic solvent may be used without particular limitation as long as it can serve as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move. Specifically, the organic solvent includes ester solvents such as methyl acetate, ethyl acetate, γ-butyrolactone, and ε-caprolactone; Ether-based solvents such as dibutyl ether or tetrahydrofuran; Ketone-based solvents such as cyclohexanone; Aromatic hydrocarbon solvents such as benzene and fluorobenzene; Dimethylcarbonate (DMC), diethylcarbonate (DEC), methylethylcarbonate (MEC), ethylmethylcarbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate Carbonate-based solvents such as PC); Alcohol-based solvents such as ethyl alcohol and isopropyl alcohol; nitriles such as R-CN (R is a C2 to C20 straight-chain, branched or ring-structured hydrocarbon group and may include a double bond aromatic ring or ether bond); Amides such as dimethylformamide; Dioxolanes such as 1,3-dioxolane; Alternatively, sulfolane, etc. may be used.

한편, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 리튬 덴드라이트의 생성 억제, 리튬계 금속 표면에서의 전해액 분해 및 부반응을 감소시킬 수 있는 고분자 보호막을 형성하는 측면에서 산소 원자 또는 황 원자를 포함하는 헤테로 고리 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 헤테로 고리 화합물은 3 내지 15원, 바람직하게는 3 내지 7원, 보다 바람직하게는 5 내지 6원의 헤테로 고리 화합물일 수 있다.Meanwhile, in one embodiment of the present invention, in terms of forming a polymer protective film that can inhibit the formation of lithium dendrites and reduce electrolyte decomposition and side reactions on the surface of lithium-based metal, a hetero ring containing an oxygen atom or a sulfur atom It is preferable to include a compound. The heterocyclic compound may be a heterocyclic compound of 3 to 15 members, preferably 3 to 7 members, and more preferably 5 to 6 members.

상기 헤테로 고리 화합물은 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 3 내지 8의 고리형 알킬기, 탄소수 6 내지 10의 아릴기, 할로겐기, 니트로기(-NO2), 아민기(-NH2) 및 설포닐기(-SO2)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 치환 또는 비치환된 헤테로 고리 화합물; 또는 탄소수 3 내지 8의 고리형 알킬기 및 탄소수 6 내지 10의 아릴기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상과 헤테로 고리 화합물의 다중 고리 화합물;일 수 있다.The heterocyclic compound includes an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a cyclic alkyl group having 3 to 8 carbon atoms, an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, a halogen group, a nitro group (-NO 2 ), an amine group (-NH 2 ), and a sulfonyl group. A heterocyclic compound substituted or unsubstituted with one or more types selected from the group consisting of (-SO 2 ); or a multi-ring compound of at least one member selected from the group consisting of a cyclic alkyl group having 3 to 8 carbon atoms and an aryl group having 6 to 10 carbon atoms and a heterocyclic compound.

상기 헤테로 고리 화합물이 탄소수 1 내지 4의 알킬기로 치환된 헤테로 고리 화합물일 경우, 라디칼이 안정화되어 첨가제와 전해액간의 부반응을 억제시킬 수 있어 바람직하다. 또한, 할로겐기 또는 니트로기로 치환된 헤테로 고리 화합물일 경우, 리튬계 금속 표면에 기능성 보호막을 형성할 수 있어 바람직하다. 상기 기능성 보호막은 안정하며, 압축(compact)된 형태의 보호막으로, 리튬계 금속의 균일한 증착(deposition)이 가능하도록 하며, 폴리설파이드와 리튬계 금속간의 부반응을 억제시킬 수 있다.When the heterocyclic compound is a heterocyclic compound substituted with an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, it is preferable because the radical is stabilized and side reactions between the additive and the electrolyte solution can be suppressed. Additionally, in the case of a heterocyclic compound substituted with a halogen group or nitro group, it is preferable because it can form a functional protective film on the surface of the lithium-based metal. The functional protective film is a stable, compact protective film that enables uniform deposition of lithium-based metal and suppresses side reactions between polysulfide and lithium-based metal.

상기 헤테로 고리 화합물은 구체적으로 예를 들어, 퓨란(furan), 2-메틸퓨란(2-methylfuran), 3-메틸퓨란(3-methylfuran), 2-에틸퓨란(2-ethylfuran), 2-프로필퓨란(2-propylfuran), 2-뷰틸퓨란(2-butylfuran), 2,3-디메틸퓨란(2,3-dimethylfuran), 2,4-디메틸퓨란(2,4-dimethylfuran), 2,5-디메틸퓨란(2,5-dimethylfuran), 피란(pyran), 2-메틸피란(2-methylpyran), 3-메틸피란(3-methylpyran), 4-메틸피란(4-methylpyran), 벤조퓨란(benzofuran), 2-(2-니트로비닐)퓨란(2-(2-Nitrovinyl)furan, thiophene), 싸이오펜(thiophene), 2-메틸싸이오펜(2-methylthiophene), 2-에틸싸이오펜(2-ethylthiphene), 2-프로필싸이오펜(2-propylthiophene), 2-뷰틸싸이오펜(2-butylthiophene), 2,3-디메틸싸이오펜(2,3-dimethylthiophene), 2,4-디메틸싸이오펜(2,4-dimethylthiophene) 및 2,5-디메틸싸이오펜(2,5-dimethylthiophene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 2-메틸퓨란 및 2-메틸싸이오펜으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The heterocyclic compound specifically includes, for example, furan, 2-methylfuran, 3-methylfuran, 2-ethylfuran, and 2-propylfuran. (2-propylfuran), 2-butylfuran, 2,3-dimethylfuran, 2,4-dimethylfuran, 2,5-dimethylfuran (2,5-dimethylfuran), pyran, 2-methylpyran, 3-methylpyran, 4-methylpyran, benzofuran, 2 -(2-Nitrovinyl)furan, thiophene, thiophene, 2-methylthiophene, 2-ethylthiophene, 2 -2-propylthiophene, 2-butylthiophene, 2,3-dimethylthiophene, 2,4-dimethylthiophene and 2,5-dimethylthiophene, and preferably 1 selected from the group consisting of 2-methylfuran and 2-methylthiophene. It may include more than one species.

한편, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 전해액의 비수 용매로는 전지의 충방전 성능을 높이는 측면에서 에테르계 용매를 포함할 수 있다. 이러한 에테르계 용매로는 환형 에테르(예를 들면, 1,3 다이옥솔란(1,3-dioxolane) 또는 테트라히드로퓨란 (tetrahydrofuran), 테트로하이드로피란(tetrohydropyran)등)와, 선형 에테르 화합물(예를 들면, 1,2 디메톡시에탄 등), 저점도의 불화 에테르 예를 들면, (1H,1H,2'H,3H-데카플루오로디프로필 에테르(1H,1H,2'H,3H-Decafluorodipropyl ether), 디플루오로메틸 2,2,2-트리플루오로에틸 에테르(Difluoromethyl 2,2,2-trifluoroethyl ether), 1,2,2,2-테트라플루오로에틸 트리플루오로메틸 에테르(1,2,2,2-Tetrafluoroethyl trifluoromethyl ether), 1,1,2,3,3,3-헥사플루오로프로필 디플루오로메틸 에테르(1,1,2,3,3,3-Hexafluoropropyl difluoromethyl ether), 1H,1H,2'H,3H-데카플루오로디프로필 에테르(1H,1H,2'H,3H-Decafluorodipropyl ether), 펜타플루오로에틸 2,2,2-트리플루오로에틸 에테르(Pentafluoroethyl 2,2,2-trifluoroethyl ether), 1H,1H,2'H-퍼플루오로디프로필 에테르(1H,1H,2'H-Perfluorodipropyl ether))가 있으며 이들 중 1종 이상의 혼합물이 비수 용매로 포함될 수 있다. Meanwhile, in one embodiment of the present invention, the non-aqueous solvent of the electrolyte solution may include an ether-based solvent in terms of improving charge/discharge performance of the battery. These ether-based solvents include cyclic ethers (e.g., 1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, tetrohydropyran, etc.) and linear ether compounds (e.g., For example, 1,2 dimethoxyethane, etc.), low viscosity fluorinated ether, for example (1H,1H,2'H,3H-Decafluorodipropyl ether) , Difluoromethyl 2,2,2-trifluoroethyl ether, 1,2,2,2-tetrafluoroethyl trifluoromethyl ether (1,2, 2,2-Tetrafluoroethyl trifluoromethyl ether), 1,1,2,3,3,3-hexafluoropropyl difluoromethyl ether (1,1,2,3,3,3-Hexafluoropropyl difluoromethyl ether), 1H, 1H,2'H,3H-Decafluorodipropyl ether (1H,1H,2'H,3H-Decafluorodipropyl ether), Pentafluoroethyl 2,2,2-trifluoroethyl ether (Pentafluoroethyl 2,2,2) -trifluoroethyl ether), 1H,1H,2'H-Perfluorodipropyl ether (1H,1H,2'H-Perfluorodipropyl ether)), and a mixture of one or more of these may be included as a non-aqueous solvent.

상기 리튬염은 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 5.0M, 바람직하게는 0.1 내지 3,0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.The lithium salt can be used without particular limitations as long as it is a compound that can provide lithium ions used in lithium secondary batteries. Specifically, the lithium salt is LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAl0 4 , LiAlCl 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN(C 2 F 5 SO 3 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , LiCl, LiI, or LiB(C 2 O 4 ) 2 , etc. may be used. The concentration of the lithium salt is preferably used within the range of 0.1 to 5.0M, preferably 0.1 to 3.0M. 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.

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 LiNO3, 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 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 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 haloalkylene carbonate-based compounds such as LiNO 3 and difluoroethylene carbonate, pyridine, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, and hexamethylene. Methyl phosphate triamides, nitrobenzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N,N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxy ethanol or aluminum trichloride. etc. can be used alone or in combination, but are not limited thereto. 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.

한편, 본 발명의 일 실시양태에 있어서 본 발명의 리튬-황 전지는 상기 양극 내 황 원소(S)의 총 중량 대비 상기 전해질의 총 중량의 비(El/S)가 예를 들어 3.5 g/g 이하, 예를 들어 3.3 g/g 이하 또는 3.2 g/g 이하인 것이 바람직할 수 있다. 또한, 상기 리튬-황 전지는 상기 양극 내 황 원소(S)의 총 중량 대비 전해질 총 중량의 비(El/S)가 3.0 내지 3.5 g/g/, 예를 들어 3.2 g/g일 수 있다. Meanwhile, in one embodiment of the present invention, in the lithium-sulfur battery of the present invention, the ratio of the total weight of the electrolyte to the total weight of the sulfur element (S) in the positive electrode (El/S) is, for example, 3.5 g/g. Below, for example, it may be preferable to be 3.3 g/g or less or 3.2 g/g or less. In addition, the lithium-sulfur battery may have a ratio (El/S) of the total weight of the electrolyte to the total weight of the sulfur element (S) in the positive electrode of 3.0 to 3.5 g/g/, for example, 3.2 g/g.

본 발명에 따른 황-탄소 복합체를 이용하는 경우 El/S 비율이 상술한 범위인 리튬-황 전지도 구현 가능하며, 이에 따라 에너지 밀도를 향상시키는 효과를 나타낼 수 있다. 다만, 상기 황-탄소 복합체가 이용되는 리튬-황 전지의 El/S 비율은 상술한 범위보다 높은 전지도 구현 가능하며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.When using the sulfur-carbon composite according to the present invention, a lithium-sulfur battery with an El/S ratio in the above-mentioned range can also be implemented, thereby showing the effect of improving energy density. However, the El/S ratio of a lithium-sulfur battery using the sulfur-carbon composite can be implemented as a battery higher than the above-mentioned range, and the present invention is not limited thereto.

상기 리튬-황 전지의 형상은 특별히 제한되지 않으며 원통형, 적층형, 코인형 등 다양한 형상으로 할 수 있다.The shape of the lithium-sulfur battery is not particularly limited and can be of various shapes such as cylindrical, stacked, and coin-shaped.

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.

[황-탄소 복합체의 제조][Preparation of sulfur-carbon composite]

황-탄소 복합체의 제조를 위해 다공성 탄소 재료로서 탄소나노튜브(CNT)(Entangled multi-wall carbon nanotube, BET 비표면적 200 m2/g)를 준비하였다. 준비된 탄소나노튜브를 원심분쇄기(Retsch 社)를 이용하여 상온에서 분쇄하면서 입도에 따라 분류하여 다음과 같이 황-탄소 복합체를 제조하는데 이용하였다.For the production of sulfur-carbon composites, carbon nanotubes (CNTs) (Entangled multi-wall carbon nanotubes, BET specific surface area: 200 m 2 /g) were prepared as porous carbon materials. The prepared carbon nanotubes were pulverized at room temperature using a centrifugal grinder (Retsch), classified according to particle size, and used to prepare a sulfur-carbon composite as follows.

실시예 1Example 1

탄소나노튜브(CNT)와 황(S8)의 총 중량 100wt% 대비 황의 함량이 70wt% 이 되도록 고르게 혼합하고 볼 밀링으로 분쇄한 후, 155 ℃의 오븐에 30 분 동안 두어 황-탄소 복합체를 제조하였다. 상기 CNT는 BF가 5.42의 값을 갖고, D50 이 38 ㎛인 것을 이용하였다.Mix evenly so that the sulfur content is 70wt% based on the total weight of 100wt% of carbon nanotubes (CNT) and sulfur (S 8 ), grind it by ball milling, and place in an oven at 155 ° C for 30 minutes to prepare a sulfur-carbon composite. did. The CNT had a BF of 5.42 and a D 50 of 38 ㎛.

실시예 2Example 2

탄소나노튜브(CNT)와 황(S8)의 총 중량 100wt% 대비 황의 함량이 75wt% 이 되도록 고르게 혼합하고 볼 밀링으로 분쇄한 후, 155 ℃의 오븐에 30 분 동안 두어 황-탄소 복합체를 제조하였다. 상기 CNT는 BF가 5.49의 값을 갖고, D50 이 24 ㎛인 것을 이용하였다.Mix evenly so that the sulfur content is 75 wt% based on the total weight of 100 wt% of carbon nanotubes (CNT) and sulfur (S 8 ), grind it by ball milling, and place in an oven at 155 ° C for 30 minutes to prepare a sulfur-carbon composite. did. The CNT had a BF of 5.49 and a D 50 of 24 ㎛.

비교예 1Comparative Example 1

탄소나노튜브(CNT)와 황(S8)의 총 중량 100wt% 대비 황의 함량이 70wt% 이 되도록 고르게 혼합하고 볼 밀링으로 분쇄한 후, 155 ℃의 오븐에 30 분 동안 두어 황-탄소 복합체를 제조하였다. 상기 CNT는 BF가 11.05의 값을 갖고, D50 이 44 ㎛인 것을 이용하였다.Mix evenly so that the sulfur content is 70 wt% based on the total weight of 100 wt% of carbon nanotubes (CNT) and sulfur (S 8 ), grind it by ball milling, and place in an oven at 155 ° C for 30 minutes to prepare a sulfur-carbon composite. did. The CNT had a BF of 11.05 and a D 50 of 44 ㎛.

비교예 2Comparative Example 2

탄소나노튜브(CNT)와 황(S8)의 총 중량 100wt% 대비 황의 함량이 75wt% 이 되도록 고르게 혼합하고 볼 밀링으로 분쇄한 후, 155 ℃의 오븐에 30 분 동안 두어 황-탄소 복합체를 제조하였다. 상기 CNT는 BF가 10.68의 값을 갖고, D50 이 32 ㎛인 것을 이용하였다.Mix evenly so that the sulfur content is 75 wt% based on the total weight of 100 wt% of carbon nanotubes (CNT) and sulfur (S 8 ), grind it by ball milling, and place in an oven at 155 ° C for 30 minutes to prepare a sulfur-carbon composite. did. The CNT had a BF of 10.68 and a D 50 of 32 ㎛.

[전지의 제조][Manufacture of batteries]

상기 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에서 수득된 황-탄소 복합체를 이용하여 다음과 같이 리튬-황 전지를 제조하였다. A lithium-sulfur battery was manufactured as follows using the sulfur-carbon composites obtained in Examples 1, 2, Comparative Examples 1, and 2 above.

양극의 제조Manufacturing of anode

양극 활물질로서 황-탄소 복합체 90 중량%, 도전재로서 덴카블랙 5 중량%, 바인더로서 스티렌 부타디엔 고무/카르복시메틸 셀룰로오스(SBR:CMC=7:3의 중량비) 5 중량%를 용매에 투입하고 혼합하여 양극 슬러리 조성물을 제조하였다.90% by weight of sulfur-carbon composite as a positive electrode active material, 5% by weight of Denka Black as a conductive material, and 5% by weight of styrene butadiene rubber/carboxymethyl cellulose (weight ratio of SBR:CMC=7:3) as a binder are added to the solvent and mixed. A positive electrode slurry composition was prepared.

20 ㎛ 두께의 알루미늄 집전체 상에 상기 제조된 양극 슬러리 조성물을 350 ㎛ 두께로 도포하고 50 ℃에서 12 시간 동안 건조하고 롤프레스(roll press)기기로 압착하여 양극을 제조하였다. A positive electrode was prepared by applying the prepared positive electrode slurry composition to a thickness of 350 μm on a 20 μm thick aluminum current collector, drying it at 50° C. for 12 hours, and pressing it with a roll press machine.

실시예 1 및 비교예 1의 경우 상기 양극 내 황 원소(S)의 함량이 63.0 wt%이며, 실시예 2 및 비교예 2의 경우 상기 양극 내 황 원소(S)의 함량이 67.5 wt%이었다.In Example 1 and Comparative Example 1, the content of elemental sulfur (S) in the anode was 63.0 wt%, and in Example 2 and Comparative Example 2, the content of elemental sulfur (S) in the anode was 67.5 wt%.

리튬-황 전지의 제조Manufacturing of lithium-sulfur batteries

양극으로는 상기에서 제조한 양극을 이용하고, 음극을 구비하여 상기 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 전극 조립체를 제조하고, 파우치형 케이스에 상기 전극 조립체를 수납하고 전해액을 충진하여 리튬-황 전지를 제조하였다.The positive electrode prepared above is used as the positive electrode, and an electrode assembly is manufactured by providing a negative electrode and interposing a separator between the positive electrode and the negative electrode. The electrode assembly is stored in a pouch-type case and filled with an electrolyte solution to form a lithium-sulfur battery. was manufactured.

음극으로는 35 ㎛ 두께의 리튬 금속 박막을 사용하였으며, 분리막으로는 다공성 폴리에틸렌을 적용하였다. 전해액으로는 2-메틸 퓨란과 다이메톡시에탄을 혼합한 (33/77 부피비) 유기 용매에 LiNO3를 3 wt%, LiPF6 1M 농도로 투입하여 준비하였다. A 35 ㎛ thick lithium metal thin film was used as the cathode, and porous polyethylene was used as the separator. The electrolyte solution was prepared by adding LiNO 3 at a concentration of 3 wt% and LiPF 6 at a concentration of 1M to an organic solvent mixed with 2-methyl furan and dimethoxyethane (33/77 volume ratio).

상기와 같이 제조된 양극과 음극을 포함하는 파우치셀을 제작하였다. 제조된 각 전지에서 El/S는 3.1 g/g 이하인 조건으로 제어되었다. A pouch cell containing the anode and cathode prepared as described above was manufactured. El/S in each manufactured battery was controlled to be 3.1 g/g or less.

[입경 크기 측정 및 입도 분포 측정][Particle size measurement and particle size distribution measurement]

입도 분석기(모델명: Bluewave, 제조사: Microtrac)를 이용해 건식 방식으로 다공성 탄소 재료의 D10, D50 및 D90에 해당하는 입경 크기를 측정하였다. 탄소 재료가 응집에 의해 2차 입자화되어 있는 경우에는 전자주사현미경(모델명: SEM, 제조사: JEOL)을 이용해 1차 입경을 관찰, 측정하였다.The particle size corresponding to D 10 , D 50 and D 90 of the porous carbon material was measured using a particle size analyzer (model name: Bluewave, manufacturer: Microtrac) using a dry method. When the carbon material was converted into secondary particles by agglomeration, the primary particle size was observed and measured using a scanning electron microscope (model name: SEM, manufacturer: JEOL).

상기 실시예 1 및 비교예 1의 황-탄소 복합체 제조에 이용한 각각의 다공성 탄소 소재에 대한 SEM 이미지를 도 1(실시예 1) 및 도 2(비교예 1) 각각에 도시하였다.SEM images of each porous carbon material used to manufacture the sulfur-carbon composite of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in Figures 1 (Example 1) and Figure 2 (Comparative Example 1), respectively.

[전극의 단면 평가][Evaluation of the cross-section of the electrode]

상기 실시예 1 및 비교예 1의 황-탄소 복합체를 이용하여 상기에서 제조한 양극의 수직 단면에 대한 SEM 이미지를 도 3(실시예 1) 및 도 4(비교예 1) 각각에 도시하였다.SEM images of the vertical cross-section of the anode prepared above using the sulfur-carbon composite of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in Figures 3 (Example 1) and Figure 4 (Comparative Example 1), respectively.

상기에서 제조한 양극의 수직 단면의 50 ㎛ X 50 ㎛의 면적 당 임의의 10개의 상기 황-탄소 복합체의 면적을 측정하고, 측정 값으로부터 평균 및 표준편차를 도출하고, 하기 식에 따라 표준오차를 측정하였다.Measure the area of 10 arbitrary sulfur-carbon composites per 50 ㎛ Measured.

[식][ceremony]

표준오차 (%) = (표준편차/평균) X 100Standard error (%) = (standard deviation/mean)

[방전 용량 평가][Discharge capacity evaluation]

상기와 같이 제조된 각 리튬 황 전지에 대해, 25℃에서 CC 모드로 0.5C 또는 1.0C 각각의 속도로 1.8 V가 될 때까지 방전하고, 0.5 C의 정전류로 2.5 V까지 충전하여 방전 용량을 측정/비교한 결과를 상기 표 1에 나타내었다. 방전 용량은 황의 무게를 기준으로 측정하였다. (mAh/g(황의 무게)s) For each lithium sulfur battery manufactured as above, discharge to 1.8 V at a rate of 0.5C or 1.0C in CC mode at 25°C, and charge to 2.5 V at a constant current of 0.5 C to measure discharge capacity. /The comparison results are shown in Table 1 above. Discharge capacity was measured based on the weight of sulfur. (mAh/g(weight of sulfur)s)

또한, 상기 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 황-탄소 복합체를 이용한 전지에 대해 0.5C 방전 용량을 평가한 결과를 도 5 및 도 6 각각에 도시하였으며, 측정된 방전용량을 하기 표 1에 나타내었다.In addition, the results of evaluating the 0.5C discharge capacity for the batteries using the sulfur-carbon composites of Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 are shown in Figures 5 and 6, respectively, and the measured discharge The capacities are shown in Table 1 below.

측정된 0.5C 방전용량 값을 이용하여 하기 식에 따라 에너지 밀도를 측정하였으며, 비교예 1의 에너지 밀도를 기준으로 실시예 1의 에너지 밀도의 상대값, 및 비교예 2의 에너지 밀도를 기준으로 실시예 2의 에너지 밀도의 상대값을 표 1에 나타내었다.The energy density was measured according to the following equation using the measured 0.5C discharge capacity value, and was performed based on the energy density of Comparative Example 1, the relative value of the energy density of Example 1, and the energy density of Comparative Example 2. The relative values of the energy density of Example 2 are shown in Table 1.

[식][ceremony]

에너지 밀도 = [(방전 용량 X 구동전압)]/(셀 중량)Energy density = [(discharge capacity

[평가][evaluation]

황-탄소 복합체 내
황(S) 함량(wt%)
In the sulfur-carbon complex
Sulfur (S) content (wt%)
다공성 탄소 재료의 입경,
D50
Particle size of porous carbon material,
D 50
다공성 탄소 재료의
Broadness
Factor(BF)
of porous carbon materials
Broadness
Factor(BF)
표준오차(%)Standard error (%) 0.5C 방전용량
(mAh/gs)
0.5C discharge capacity
(mAh/gs)
1.0C 방전용량
(mAh/gs)
1.0C discharge capacity
(mAh/gs)
에너지밀도
(상대값)
energy density
(relative value)
실시예 1Example 1 7070 3838 5.425.42 64.164.1 10921092 10351035 1.071.07 비교예 1Comparative Example 1 7070 4444 11.0511.05 135.1135.1 10381038 915915 1.001.00 실시예 2Example 2 7575 2424 5.495.49 68.768.7 10731073 10051005 1.061.06 비교예 2Comparative Example 2 7575 3232 10.6810.68 150.2150.2 10151015 938938 1.001.00

도 1 내지 도 4를 참조하여, BF가 7 이하인 다공성 탄소 재료를 이용한 실시예 1의 경우 양극의 단면에서 황-탄소 복합체의 면적의 균일성이 비교예 1 대비 더욱 향상되는 것으로 확인되었다. Referring to Figures 1 to 4, it was confirmed that in Example 1 using a porous carbon material with a BF of 7 or less, the uniformity of the area of the sulfur-carbon composite in the cross section of the anode was further improved compared to Comparative Example 1.

표 1 및 도 5의 결과를 통해 황 함량이 동일(70wt%)한 황-탄소 복합체를 이용하더라도 다공성 탄소 재료의 BF가 7 이하인 실시예 1의 황-탄소 복합체를 이용한 경우가 방전 용량이 크게 우위한 것으로 확인되었다.The results of Table 1 and Figure 5 show that even when a sulfur-carbon composite with the same sulfur content (70 wt%) is used, the discharge capacity is significantly superior when the sulfur-carbon composite of Example 1, where the BF of the porous carbon material is 7 or less, is used. It was confirmed that it did.

표 1 및 도 6의 결과를 통해 황 함량이 동일(75wt%)한 황-탄소 복합체를 이용하더라도 다공성 탄소 재료의 BF가 7 이하인 실시예 2의 황-탄소 복합체를 이용한 경우가 방전 용량이 크게 우위한 것으로 확인되었다.The results of Table 1 and Figure 6 show that even when a sulfur-carbon composite with the same sulfur content (75 wt%) is used, the discharge capacity is significantly superior when the sulfur-carbon composite of Example 2, where the BF of the porous carbon material is 7 or less, is used. It was confirmed that it did.

또한, 상기 표 1을 참고하면, 비교예 1 및 실시예 1의 에너지 밀도를 비교하였을 때, 비교예 1 대비 입도 분포가 조절된 실시예 1에서 에너지 밀도가 증가한 것으로 확인되었다.Additionally, referring to Table 1, when comparing the energy densities of Comparative Example 1 and Example 1, it was confirmed that the energy density increased in Example 1 in which the particle size distribution was adjusted compared to Comparative Example 1.

또한, 상기 표 1을 참고하면, 비교예 2 및 실시예 2의 에너지 밀도를 비교하였을 때, 비교예 2 대비 입도 분포가 조절된 실시예 2에서 에너지 밀도가 증가한 것으로 확인되었다.In addition, referring to Table 1, when comparing the energy densities of Comparative Example 2 and Example 2, it was confirmed that the energy density increased in Example 2 in which the particle size distribution was adjusted compared to Comparative Example 2.

이상의 결과로부터, 입도 분포가 BF 7 이하인 다공성 탄소 재료에 황(S)이 담지될 때 황의 확산(diffusion)이 균일하게 이루어질 수 있고, 이에 따라서 이를 이용한 전지의 충/방전 시 황 <-> Li2S의 산화환원 반응이 균일하게 이루어짐을 확인하였다. 특히, BF 7 이하인 다공성 탄소 재료를 이용함으로써 전지의 용량 및 에너지 밀도 측면에서 크게 향상된 리튬-황 전지를 제공할 수 있음을 확인하였다.From the above results, when sulfur (S) is supported on a porous carbon material with a particle size distribution of BF 7 or less, diffusion of sulfur can be achieved uniformly, and accordingly, when charging/discharging a battery using this, sulfur <-> Li 2 It was confirmed that the oxidation-reduction reaction of S occurred uniformly. In particular, it was confirmed that a lithium-sulfur battery with greatly improved battery capacity and energy density could be provided by using a porous carbon material with a BF of 7 or less.

Claims (13)

황-탄소 복합체를 포함하는 양극 활물질이며,
상기 황-탄소 복합체는 다공성 탄소 재료 및 상기 다공성 탄소 재료의 기공 내부 및 외부 표면의 전부 또는 적어도 일부에 담지된 황계 재료를 포함하며,
상기 황계 재료는 황(S8) 및 황 화합물 중 1종 이상을 포함하며,
상기 다공성 탄소 재료는 입경 D10에 대한 입경 D90의 입도 분포의 비(Broadness Factor, BF)가 7 이하인 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 양극 활물질.
It is a positive electrode active material containing a sulfur-carbon complex,
The sulfur-carbon composite includes a porous carbon material and a sulfur-based material supported on all or at least part of the inner and outer surfaces of the pores of the porous carbon material,
The sulfur-based material includes one or more of sulfur (S 8 ) and sulfur compounds,
The porous carbon material is a positive electrode active material for a lithium-sulfur battery, characterized in that the ratio (broadness factor, BF) of the particle size distribution of particle size D 90 to particle size D 10 is 7 or less.
청구항 1에 있어서,
상기 황계 재료는 무기 황(S8), Li2Sn(n≥1), 2,5-디머캅토-1,3,4-티아디아졸(2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole) 및 1,3,5-트리티오시아누익산(1,3,5-trithiocyanuic acid) 중 1종 이상을 포함하는 디설파이드 화합물; 유기황 화합물; 및 탄소-황 폴리머((C2Sx)n, x=2.5 내지 50, n≥2);로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 리튬-황 전지용 양극 활물질.
In claim 1,
The sulfur-based material includes inorganic sulfur (S 8 ), Li 2 S n (n≥1), 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole (2,5-dimercapto-1,3,4- disulfide compounds including one or more of thiadiazole) and 1,3,5-trithiocyanuic acid; organosulfur compounds; and a carbon-sulfur polymer ((C 2 S x ) n , x=2.5 to 50, n≥2).
청구항 1에 있어서,
상기 다공성 탄소 재료는 BET 표면적이 1,500cm2/g 이상인 것인 리튬-황 전지용 양극 활물질.
In claim 1,
The porous carbon material is a positive electrode active material for a lithium-sulfur battery having a BET surface area of 1,500 cm 2 /g or more.
청구항 1에 있어서,
상기 다공성 탄소 재료는 활성 탄소, 카본블랙, 탄소나노튜브 및 그래핀 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 리튬-황 전지용 양극 활물질.
In claim 1,
The porous carbon material is a positive electrode active material for a lithium-sulfur battery comprising at least one selected from activated carbon, carbon black, carbon nanotubes, and graphene.
청구항 4에 있어서,
상기 다공성 탄소 재료는 탄소나노튜브를 포함하는 것인 리튬-황 전지용 양극 활물질.
In claim 4,
The porous carbon material is a positive electrode active material for a lithium-sulfur battery including carbon nanotubes.
청구항 1에 있어서,
상기 다공성 탄소 재료의 입경 D50은 100 ㎛ 이하인 것인 리튬-황 전지용 양극 활물질.
In claim 1,
A positive electrode active material for a lithium-sulfur battery, wherein the particle size D 50 of the porous carbon material is 100 ㎛ or less.
청구항 1에 있어서,
상기 황-탄소 복합체 100wt% 대비 황 원소(S)의 함량이 60wt% 이상인 것인 리튬-황 전지용 양극 활물질.
In claim 1,
A cathode active material for a lithium-sulfur battery having a content of sulfur element (S) of 60 wt% or more compared to 100 wt% of the sulfur-carbon composite.
집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하고,
상기 양극 활물질층은 황-탄소 복합체를 포함하고,
상기 황-탄소 복합체는 다공성 탄소 재료 및 상기 다공성 탄소 재료의 기공 내부 및 외부 표면의 전부 또는 적어도 일부에 담지된 황계 재료를 포함하는 리튬-황 전지용 양극으로서,
상기 양극 활물질층의 단면에 있어 50 ㎛ X 50 ㎛의 면적 당 임의의 10개의 상기 황-탄소 복합체의 면적의 표준오차가 100% 이하인 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 양극.
Comprising a current collector and a positive electrode active material layer formed on at least one surface of the current collector,
The positive electrode active material layer includes a sulfur-carbon complex,
The sulfur-carbon composite is a positive electrode for a lithium-sulfur battery comprising a porous carbon material and a sulfur-based material supported on all or at least part of the inner and outer surfaces of the pores of the porous carbon material,
A positive electrode for a lithium-sulfur battery, characterized in that the standard error of the area of any 10 sulfur-carbon composites per area of 50 ㎛
청구항 8에 있어서,
상기 다공성 탄소 재료는 입경 D10에 대한 입경 D90의 입도 분포의 비(Broadness Factor, BF)가 7 이하인 것인 리튬-황 전지용 양극.
In claim 8,
The porous carbon material is a positive electrode for a lithium-sulfur battery having a particle size distribution ratio (Broadness Factor, BF) of particle size D 90 to particle size D 10 of 7 or less.
청구항 8에 있어서,
상기 다공성 탄소 재료의 입경 D50은 100 ㎛ 이하인 것인 리튬-황 전지용 양극.
In claim 8,
A positive electrode for a lithium-sulfur battery, wherein the particle size D 50 of the porous carbon material is 100 ㎛ or less.
청구항 8에 있어서,
상기 황계 재료는 황(S8) 및 황 화합물 중 1종 이상을 포함하며,
상기 양극 활물질층 100 wt% 대비 상기 황계 재료의 함량이 60wt% 이상인 것인 리튬-황 전지용 양극.
In claim 8,
The sulfur-based material includes one or more of sulfur (S 8 ) and sulfur compounds,
A positive electrode for a lithium-sulfur battery, wherein the content of the sulfur-based material is 60 wt% or more compared to 100 wt% of the positive electrode active material layer.
양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체; 및 전해질;을 포함하며,
상기 양극은 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 청구항에 따른 양극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지.
An electrode assembly including an anode, a cathode, and a separator interposed between the anode and the cathode; and electrolyte;
The positive electrode is a lithium-sulfur battery, characterized in that it contains the positive electrode active material according to any one of claims 1 to 7.
청구항 12에 있어서,
상기 양극 내 황 원소(S)의 총 중량 대비 전해질의 총 중량의 비(El/S)가 3.5 g/g 이하인 것인 리튬-황 전지.
In claim 12,
A lithium-sulfur battery wherein the ratio (El/S) of the total weight of the electrolyte to the total weight of the sulfur element (S) in the positive electrode is 3.5 g/g or less.
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