WO2023096182A1 - 에너지 밀도 및 출력이 개선된 리튬-황 전지 - Google Patents

에너지 밀도 및 출력이 개선된 리튬-황 전지 Download PDF

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sulfur
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sulfur battery
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한승훈
홍경식
김민수
이재길
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Definitions

  • the present invention relates to a lithium-sulfur battery with improved energy density and output, and more particularly, by setting the mass ratio of sulfur in the cathode to the mass of the electrolyte and the loading value of sulfur in the cathode to a specific range, 300 Wh/kg or more
  • Electrochemical devices are the field that has received the most attention in this respect, and among them, the development of secondary batteries such as lithium-sulfur batteries capable of charging and discharging has become a focus of interest. Recently, in developing such batteries, capacity density and In order to improve the specific energy, research and development on the design of new electrodes and batteries are being conducted.
  • Li-S battery lithium-sulfur battery
  • LiPS lithium polysulfide
  • lithium-sulfur battery has a high energy density per weight, and has an advantage in that the energy density per weight is higher than that of a lithium ion battery.
  • an object of the present invention is to set the mass ratio of sulfur in the positive electrode to the mass of the electrolyte and the loading value of sulfur to the positive electrode in a specific range to simultaneously achieve an energy density per weight of 300 Wh / kg or more and a maximum output of 2 kW / kg or more It is to provide a lithium-sulfur battery with improved energy density and output that can be realized.
  • the present invention provides a lithium-sulfur battery that satisfies Equation 1 below, including a positive electrode including sulfur as a positive electrode active material, a lithium metal negative electrode, and an electrolyte.
  • Equation 1 ES is a value obtained by dividing the mass (g) of the electrolyte by the mass (g) of sulfur contained in the positive electrode, and L is the sulfur loading value for the positive electrode, and the unit is mAh/cm 2 .
  • the lithium-sulfur battery with improved energy density and output according to the present invention, by setting the mass ratio of sulfur in the cathode to the mass of the electrolyte and the loading value of sulfur to the cathode in a specific range, the energy density per weight of the battery of 300 Wh/kg or more It has the advantage of being able to simultaneously implement the maximum output of 2 kW/kg or more.
  • 1 is a graph showing ES/L values according to sulfur loading values for an anode.
  • FIG. 2 is a graph showing ES/L values according to sulfur loading values for an anode.
  • 3 is a graph showing energy density and output of a lithium-sulfur battery in association with ES/L values.
  • FIG. 4 is a graph showing the output of a lithium-sulfur battery in relation to ES/L value.
  • the lithium-sulfur battery with improved energy density and output according to the present invention includes a positive electrode containing sulfur as a positive electrode active material, a lithium metal negative electrode, and an electrolyte, and satisfies Equation 1 below.
  • Equation 1 ES is a value obtained by dividing the mass (g) of the electrolyte by the mass (g) of sulfur contained in the positive electrode, and L is the sulfur loading value for the positive electrode, and the unit is mAh/cm 2 .
  • lithium-sulfur battery that uses sulfur as a cathode active material
  • Li-S battery lithium-sulfur battery
  • a cathode active material has a high specific energy density per weight and is a next-generation secondary battery that can replace lithium ion batteries.
  • lithium-sulfur batteries have a problem in that output is low due to an electrochemical conversion reaction of sulfur included as a cathode active material.
  • conventional lithium ion batteries proceed through an intercalation reaction in which lithium ions are inserted into the anode/cathode structure, and thus have the advantage of relatively high output compared to lithium-sulfur batteries.
  • a lithium-sulfur battery (Li-S battery) has a high energy density per weight, and has an advantage in that the energy density per weight is higher than that of a lithium ion battery (the energy density per weight of a lithium ion battery is less than 300 Wh/kg).
  • the present applicant changed the design of the lithium-sulfur battery to have maximum output at the same energy density per weight, and in particular, for application to aircraft such as Urban Air Mobility (UAM), per weight
  • UAM Urban Air Mobility
  • a lithium-sulfur battery has been developed that increases the energy density to more than 300 Wh/kg and at the same time increases the maximum output to more than the normally required 2 kW/kg.
  • the lithium-sulfur battery with improved energy density and output of the present invention satisfies Equation 1 below.
  • Equation 1 ES is a value obtained by dividing the mass (g) of the electrolyte by the mass (g) of sulfur contained in the positive electrode, and L (unit: mAh/cm 2 ) is the sulfur loading value for the positive electrode.
  • ES/L value is less than 1, the electrolyte content is reduced, resulting in a large overvoltage and a rapid decrease in output.
  • ES/L value exceeds 1.4, energy density per weight of the battery decreases.
  • the ES value is preferably within the range of 2 ⁇ ES ⁇ 3.7.
  • the L value is preferably within the range of 2 ⁇ L ⁇ 2.6. Accordingly, if the L value is 2, the ES value should be within the range of 2 ⁇ ES ⁇ 2.8, and if the L value is 2.6, the ES value should be within the range of 2.6 ⁇ ES ⁇ 3.64. If the ES value is less than 2, the energy density of the battery may be high, but the output is rapidly reduced. In addition, when the ES value is 3.7 or more, the output of the battery may be high, but the energy density is not higher than that of the lithium ion battery (less than 300 Wh/kg).
  • the energy density of the lithium-sulfur battery is 300 Wh/kg or more, and the maximum output is also usually required 2 kW/kg or more, it can be a lithium-sulfur battery with the maximum output at the same energy density per weight. Specific experimental data related to this will be shown in Examples to be described later.
  • the energy density of the battery is greater than or equal to 300 Wh/kg and less than 350 Wh/kg. And, the output value at this time is 2 to 2.6 kW/kg.
  • the energy density of the battery is 300 to 350 Wh/kg. And, the output value at this time is greater than 2 kW/kg to 2.6 kW/kg.
  • the ES/L value is 1 and the L value is 2.5 ⁇ L ⁇ 2.6, the energy density of the battery is 350 Wh/kg. And, the output value at this time is greater than 2 kW/kg to 2.3 kW/kg.
  • the electrolyte included in the lithium-sulfur battery of the present invention includes a first solvent, a second solvent, and a lithium salt.
  • the first solvent includes a heterocyclic compound including at least one double bond and at the same time including any one of an oxygen atom and a sulfur atom, and the lone pair electrons of the heteroatom (oxygen atom or sulfur atom) Since it is difficult to dissolve salt due to delocalization, it is formed on the surface of a lithium-based metal (anode) by a ring opening reaction of a heterocyclic compound in the initial discharge stage of a battery.
  • the heterocyclic compound of the present invention includes one or more double bonds to form a polymeric protective film on the surface of a lithium-based metal, and exhibits effects such as increasing affinity with other solvents in an electrolyte by making it polar.
  • Heteroatoms oxygen atoms or sulfur atoms are also included.
  • the heterocyclic compound may be a 3 to 15 membered heterocyclic compound, preferably a 3 to 7 membered member, and more preferably a 5 to 6 membered heterocyclic compound.
  • a heterocyclic compound is 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 (-SO 2 ) may be a substituted or unsubstituted heterocyclic compound with one or more selected from the group consisting of.
  • the heterocyclic compound may be a multi-cyclic compound of at least one 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.
  • the radical is stabilized and side reactions between electrolytes can be suppressed, which is preferable.
  • a halogen group or a nitro group it is preferable to form a functional protective film on the surface of the lithium-based metal, and at this time, the formed functional protective film is stable as a protective film in a compact form, and It has the advantage of enabling uniform deposition and suppressing side reactions between polysulfide and lithium-based metals.
  • heterocyclic compound examples include furan, 2-methylfuran, 3-methylfuran, 2-ethylfuran, and 2-propylfuran.
  • -propylfuran 2-butylfuran, 2,3-dimethylfuran, 2,4-dimethylfuran, 2,5-dimethylfuran ,5-dimethylfuran, pyran, 2-methylpyran, 3-methylpyran, 4-methylpyran, benzofuran, 2-( 2-Nitrovinyl)furan, thiophene, 2-methylthiophene, 2-ethylthiophene, 2-propylthiophene (2-propylthiophene), 2-butylthiophene, 2,3-dimethylthiophene, 2,4-dimethylthiophene and 2,5 -Dimethylthiophene (2,5-dimethylthiophene) and the like, among which 2-methylfuran is preferably used as the first solvent.
  • the first solvent containing such a heterocyclic compound has a volume ratio of 5 or more to less than 95 with respect to 100 volume ratio of all organic solvents (ie, the first solvent + the second solvent) included in the electrolyte solution for a lithium secondary battery of the present invention, preferably may be included in a volume ratio of 10 to 80, more preferably in a volume ratio of 15 to 60 (the remaining volume ratio corresponds to the second solvent). If the first solvent is included in a volume ratio of less than 5 with respect to 100 volume ratio of the total organic solvent in the electrolyte, the ability to reduce the elution amount of polysulfide is lowered, making it impossible to suppress the increase in resistance of the electrolyte solution or to form a perfect protective film on the surface of lithium-based metal.
  • the battery capacity and lifespan may decrease due to the increase in surface resistance of the electrolyte and lithium-based metal.
  • the second solvent includes at least one of an ether-based compound, an ester-based compound, an amide-based compound, and a carbonate-based compound, and dissolves a lithium salt so that the electrolyte solution has lithium ion conductivity, as well as sulfur, which is a positive electrode active material. It serves to facilitate the electrochemical reaction with lithium by elution, and in the case of the carbonate-based compound, it may be a linear carbonate-based compound or a cyclic carbonate-based compound.
  • the ether-based compound include dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methyl ethyl ether, methyl propyl ether, ethyl propyl ether, dimethoxyethane, diethoxyethane, methoxyethoxyethane, diethylene glycol dimethyl Ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol methyl ethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol methyl ethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol diethyl ether, tetra At least one selected from the group consisting of ethylene glycol methyl ethyl ether, polyethylene glycol dimethyl ether, polyethylene glycol diethyl ether, and polyethylene glycol methyl ethyl ether may be exemplified, but is not limited thereto, and
  • the ester-based compound includes methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, ⁇ -butyrolactone, ⁇ -valerolactone, ⁇ -caprolactone, ⁇ - At least one selected from the group consisting of valerolactone and ⁇ -caprolactone may be exemplified, but is not limited thereto.
  • the amide-based compound may be a conventional amide-based compound used in the art.
  • DMC dimethyl carbonate
  • DEC diethyl carbonate
  • DPC dipropyl carbonate
  • EMC ethylmethyl carbonate
  • MPC carbonate
  • EPC ethylpropyl carbonate
  • the cyclic carbonate-based compound includes ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate , At least one selected from the group consisting of 2,3-pentylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, and halides thereof (fluoroethylene carbonate (FEC), etc.) may be exemplified, It is not limited to this.
  • the lithium salt is an electrolyte salt used to increase ion conductivity, and may be used without limitation as long as it is commonly used in the art.
  • Specific examples of the lithium salt include LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiC 4 BO 8 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, (C 2 F 5 SO 2 ) 2 NLi, (SO 2 F) 2 NLi, (CF 3 SO 2 ) 3 CLi, chloro At least one selected from the group consisting of lithium borane, lower aliphatic carboxylate having 4 or less carbon atoms, lithium 4-phenyl borate, and lithium imide, among which LiFSI ((SO 2 F) 2 NLi) is included. It is desirable to do
  • the concentration of the lithium salt may be determined in consideration of ionic conductivity and the like, and may be, for example, 0.1 to 4 M, preferably 0.2 to 2 M, and more preferably 0.5 to 2 M. If the concentration of the lithium salt is less than the above range, it may be difficult to secure ionic conductivity suitable for driving the battery. As a result, the performance of the battery may deteriorate.
  • the lithium salt may be included in an amount of 2 to 45% by weight, preferably 4 to 30% by weight, and more preferably 8 to 25% by weight, based on the total weight of the electrolyte. If it is included in less than 2% by weight, there is a concern that the ion transfer resistance may increase due to insufficient lithium ion conductivity, and if it exceeds 45% by weight, the lithium ion conductivity is similarly reduced and the viscosity of the electrolyte is increased. This may cause a problem in that mass transfer resistance increases.
  • lithium nitrate (LiNO 3 ), potassium nitrate (KNO 3 ), cesium nitrate (CsNO 3 ), magnesium nitrate (MgNO 3 ), barium nitrate (BaNO 3 ) 3 ), lithium nitrite (LiNO 2 ), potassium nitrite (KNO 2 ), and cesium nitrite (CsNO 2 ) may further include one or more additives selected from the group consisting of.
  • the positive electrode included in the lithium-sulfur battery of the present invention includes a positive electrode active material and a binder, but a lithium-sulfur battery having an energy density of 300 Wh / kg or more is possible, along with a positive electrode active material and a binder. It does not include the conductive material used as That is, in other words, the positive electrode includes a positive electrode active material and a binder, and does not include a conductive material other than a carbon material included in the positive electrode active material.
  • the positive electrode may have a base solid material including a positive electrode active material and a binder located on a current collector.
  • the sulfur-carbon composite may have a particle size of 1 to 100 ⁇ m.
  • the particle size of the sulfur-carbon composite is less than 1 ⁇ m, resistance between particles increases and overvoltage may occur in the electrode of a lithium-sulfur battery, and when the particle size exceeds 100 ⁇ m, the surface area per unit weight decreases, and A wetting area and a reaction site with lithium ions are reduced, and the amount of electrons transferred relative to the size of the composite is reduced, so the reaction is delayed, and thus the discharge capacity of the battery may be reduced.
  • the sulfur (S) may be included in an amount of 60 to 80% by weight, preferably 67.5 to 75% by weight, based on the total weight of the positive electrode.
  • the sulfur content in the positive electrode of a typical lithium-sulfur battery is about 40 to 60% by weight relative to the total weight of the positive electrode, and although the present invention uses sulfur in a significantly higher content, about 1,550 mAh / g or more under the electrolyte conditions of the present invention Indicates the initial discharge capacity. If the sulfur is used in an amount of less than 60% by weight based on the total weight of the positive electrode, a problem in that the energy density of the battery may decrease, and if it is used in an amount exceeding 80% by weight, the conductivity in the electrode decreases and the electrode A problem of poor stability may occur.
  • the carbon material (or sulfur supporting material) constituting the sulfur-carbon composite has porosity.
  • the carbon material used as the positive electrode active material of the present invention has a high specific surface area (3,000 m 2 /g or more) and high porosity. (Pore Volume: 0.7 ⁇ 3 cm 3 /g), it is possible to drive a high capacity (1,575 ⁇ 1,675 mAh / g) in the electrolyte.
  • any carbon material satisfying a pore volume of 0.7 to 3 cm 3 /g may be exemplified, and specifically, graphite satisfying a pore volume of 0.7 to 3 cm 3 /g; graphene; reduced graphene oxide (rGO); carbon black such as denka black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; carbon nanotubes (CNT) 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); And activated carbon (Activated carbon); may be exemplified by at least one selected from the group consisting of, the shape may be spherical, rod-shaped, needle-shaped, plate-shaped, tubular, or bulky.
  • the cathode active material including sulfur and the carbon material may be included in an amount of 80 to 99 parts by weight, preferably 85 to 97 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the cathode. If the content of the positive electrode active material is less than 80 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode, a problem of reducing the energy density of the battery may occur, and if it exceeds 99 parts by weight, a problem of deterioration in stability of the electrode may occur.
  • the binder is a component that assists in the bonding of the positive electrode active material and the current collector, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-polyhexafluoropropylene copolymer (PVdF/HFP), polyvinyl acetate , polyvinyl alcohol, polyvinyl ether, polyethylene, polyethylene oxide, alkylated polyethylene oxide, polypropylene, polymethyl (meth) acrylate, polyethyl (meth) acrylate, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyl chloride, Polyacrylonitrile, polyvinylpyridine, polyvinylpyrrolidone, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber, sulfonated EPDM rubber, styrene-butylene rubber, fluorine At least one selected
  • 1 to 15 parts by weight of the binder may be added based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode. If the content of the binder is less than 1 part by weight, the adhesive strength between the positive electrode active material and the current collector may be insufficient, and if it exceeds 15 parts by weight, the adhesive strength is improved, but the content of the positive electrode active material is reduced accordingly, and battery capacity may be lowered.
  • a filler may be optionally added to the positive electrode of the present invention as a component that suppresses its expansion.
  • the filler is not particularly limited as long as it can suppress the expansion of the electrode without causing chemical change in the battery, and examples thereof include olefin-based polymers such as polyethylene and polypropylene; fibrous substances such as glass fibers and carbon fibers; etc. can be used.
  • the positive electrode may be manufactured by dispersing and mixing a positive electrode active material and a binder in a dispersion medium (solvent) to form a slurry, applying the slurry on a positive electrode current collector, and then drying and rolling.
  • a dispersion medium include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethyl formamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), ethanol, isopropanol, water, and mixtures thereof, but are not limited thereto.
  • the positive current collector includes platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), iridium (Ir), silver (Ag), ruthenium (Ru), nickel (Ni), stainless steel (STS), aluminum (Al ), molybdenum (Mo), chromium (Cr), carbon (C), titanium (Ti), tungsten (W), ITO (In doped SnO 2 ), FTO (F doped SnO 2 ), and alloys thereof , carbon (C), nickel (Ni), titanium (Ti), or silver (Ag) surface-treated on the surface of aluminum (Al) or stainless steel, etc. may be used, but is not necessarily limited thereto.
  • the shape of the positive electrode current collector may be in the form of a foil, film, sheet, punched one, porous body, foam or the like.
  • the negative electrode is a lithium-based metal, and may further include a current collector on one side of the lithium-based metal.
  • An anode current collector may be used as the current collector.
  • the anode current collector is not particularly limited as long as it does not cause chemical change in the battery and has high conductivity, and copper, aluminum, stainless steel, zinc, titanium, silver, palladium, nickel, iron, chromium, alloys thereof, and It may be selected from the group consisting of combinations of.
  • the stainless steel may be surface-treated with carbon, nickel, titanium, or silver, and an aluminum-cadmium alloy may be used as the alloy. can also be used In general, a thin copper plate is applied as an anode current collector.
  • the anode current collector is applied that has a thickness range of 3 to 50 ⁇ m.
  • the thickness of the anode current collector is less than 3 ⁇ m, the current collecting effect is deteriorated.
  • the thickness exceeds 50 ⁇ m, workability is deteriorated when the cell is assembled by folding.
  • the lithium-based metal may be lithium or a lithium alloy.
  • the lithium alloy includes elements capable of alloying with lithium, and specifically, lithium and Si, Sn, C, Pt, Ir, Ni, Cu, Ti, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, It may be an alloy with at least one selected from the group consisting of Sr, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, and Al.
  • the lithium-based metal may be in the form of a sheet or foil, and in some cases, lithium or a lithium alloy is deposited or coated on a current collector by a dry process, or metal and alloy on particles are deposited or coated by a wet process. may be in the form of
  • a conventional separator may be interposed between the anode and the cathode.
  • the separator is a physical separator having a function of physically separating electrodes, and can be used without particular limitation as long as it is used as a normal separator, and in particular, it is preferable to have low resistance to ion movement of the electrolyte and excellent ability to wet the electrolyte.
  • the separator enables transport of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode while separating or insulating the positive electrode and the negative electrode from each other.
  • Such a separator may be porous and made of a non-conductive or insulating material.
  • the separator may be an independent member such as a film, or a coating layer added to an anode and/or a cathode.
  • polystyrene-based porous membrane examples include polyethylene such as high-density polyethylene, linear low-density polyethylene, low-density polyethylene, and ultra-high molecular weight polyethylene, polyolefin-based polymers such as polypropylene, polybutylene, and polypentene, either alone or in combination thereof.
  • a film formed from a mixed polymer may be exemplified.
  • nonwoven fabrics examples include polyphenyleneoxide, polyimide, polyamide, polycarbonate, polyethyleneterephthalate, and polyethylenenaphthalate.
  • a nonwoven fabric formed of a polymer mixed with these is possible, and such a nonwoven fabric is in the form of fibers forming a porous web, including a spunbond or meltblown form composed of long fibers.
  • the thickness of the separator is not particularly limited, but is preferably in the range of 1 to 100 ⁇ m, and more preferably in the range of 5 to 50 ⁇ m. When the thickness of the separator is less than 1 ⁇ m, mechanical properties cannot be maintained, and when the thickness exceeds 100 ⁇ m, the separator acts as a resistance layer, resulting in deterioration in battery performance.
  • the pore size and porosity of the separator are not particularly limited, but preferably have a pore size of 0.1 to 50 ⁇ m and a porosity of 10 to 95%.
  • the separator acts as a resistance layer, and if the pore size exceeds 50 ⁇ m or the porosity exceeds 95%, mechanical properties cannot be maintained. .
  • the lithium-sulfur battery of the present invention including the above electrolyte, positive electrode, negative electrode and separator may be manufactured through a process of injecting an electrolyte solution after facing the positive electrode to the negative electrode and interposing a separator therebetween.
  • the lithium-sulfur battery according to the present invention can be applied to a battery cell used as a power source for a small-sized device, and can be particularly suitably used as a unit cell of a battery module that is a power source for a medium or large-sized device.
  • the present invention also provides a battery module including two or more lithium-sulfur batteries electrically connected (serial or parallel).
  • the quantity of lithium-sulfur batteries included in the battery module may be variously adjusted in consideration of the use and capacity of the battery module.
  • the present invention provides a battery pack in which the battery modules are electrically connected according to conventional techniques in the art.
  • the battery module and battery pack may include a power tool; electric vehicles, including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); electric truck; electric commercial vehicles; Alternatively, it can be used as a power supply for one or more medium or large sized devices among power storage systems, but is not necessarily limited thereto.
  • the lithium-sulfur battery of the present invention is a battery for an aircraft used in Urban Air Mobility (UAM).
  • LiFSI lithium salt
  • organic solvent in which 2-methylfuran (first solvent) and dimethoxyethane (second solvent) are mixed at a volume ratio (v/v) of 5:5 so that the concentration of LiFSI (lithium salt) is 0.75 M.
  • a coin cell type lithium-sulfur battery was prepared by placing the prepared positive electrode and a 150 ⁇ m-thick lithium metal negative electrode facing each other, interposing a polyethylene (PE) separator therebetween, and injecting the prepared electrolyte. Meanwhile, in the manufacture of the battery, the positive electrode was punched at 15 phi, the polyethylene separator was punched at 19 phi, and the lithium metal was punched at 16 phi.
  • PE polyethylene
  • ES value mass of electrolyte (g) / mass of sulfur contained in the cathode (g) in Equation 1 below: 2 ⁇ ES ⁇ 3.7
  • L unit: mAh/cm 2
  • sulfur loading value for the anode 2 ⁇ L ⁇ 2.6
  • the ES value (mass of electrolyte (g) / mass of sulfur (g) contained in the cathode) in Equation 1 was set to deviate from 2 ⁇ ES ⁇ 3.7
  • the L (unit: mAh/cm 2 ) value (loading value of sulfur on the anode) was made to deviate from 2 ⁇ L ⁇ 2.6.
  • the resistance of the lithium-sulfur batteries of Examples and Comparative Examples was measured through voltage drop through 2C 10-second discharge at 75% of the remaining capacity based on 0.1C discharge capacity, and through this, the maximum output that can be produced when discharged to 1.5 V was converted.
  • 1 and 2 are graphs showing ES/L values according to sulfur loading values for the cathode. As shown in FIG. 1, it can be seen that the ES/L value has an inflection point between about 1 and 1.4, and the output increase decreases as the ES/L value exceeds 1.4. In addition, when the L value was 2 and 2.5, the output increased particularly rapidly, and it was confirmed that the output of the lithium-sulfur battery was excellent. On the other hand, as shown in FIG.
  • the resistance of the lithium-sulfur batteries of Examples and Comparative Examples was measured through a voltage drop through 2C 10-second discharge at 75% of the remaining capacity based on 0.1C discharge capacity, and through this, the maximum output (unit) that can be produced when discharged to 1.5 V : kW / kg) was converted, and the results are shown in Table 1 below.
  • the energy density per weight (unit: Wh / kg) was measured by dividing by the weight of the cell, The results are shown in Table 2 below.
  • 3 is a graph showing the energy density and output of a lithium-sulfur battery in association with an ES/L value
  • FIG. 4 is a graph showing the output of a lithium-sulfur battery in association with an ES/L value.
  • the energy density of the battery is 300 to 350 Wh/kg, and the output value at this time is greater than 2 kW/kg to 2.6 kW/kg.
  • the ES/L value is 1 and the L value is 2.5 ⁇ L ⁇ 2.6, the energy density of the battery is 350 Wh/kg, and the output value at this time is greater than 2 kW/kg to 2.3 kW/kg.
  • the lithium-sulfur battery The energy density per weight is 300 Wh/kg or more, and at the same time, the maximum output is also 2 kW/kg or more, which is generally required, so that the object of the present invention can be achieved.

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Abstract

전해질의 질량에 대한 양극 내 황의 질량비와 양극에 대한 황의 로딩값을 특정 범위로 설정함으로써 300 Wh/kg 이상의 무게당 에너지 밀도와 2 kW/kg 이상의 최대 출력을 동시에 구현할 수 있는, 에너지 밀도 및 출력이 개선된 리튬-황 전지가 개시된다. 상기 리튬-황 전지는, 황을 양극 활물질로 포함하는 양극, 리튬 메탈 음극 및 전해질을 포함하는 것으로, 하기 수식 1을 만족한다. [수식 1] 1 ≤ ES/L ≤ 1.4 상기 수식 1에서, ES는 전해질의 질량(g)을 양극에 포함된 황의 질량(g)으로 나눈 값이고, L은 양극에 대한 황의 로딩값으로서 단위는 mAh/cm2이다.

Description

에너지 밀도 및 출력이 개선된 리튬-황 전지
본 출원은 2021년 11월 23일자 한국 특허 출원 제10-2021-0161896호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 에너지 밀도 및 출력이 개선된 리튬-황 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전해질의 질량에 대한 양극 내 황의 질량비와 양극에 대한 황의 로딩값을 특정 범위로 설정함으로써 300 Wh/kg 이상의 전지 무게당 에너지 밀도와 2 kW/kg 이상의 최대 출력을 동시에 구현할 수 있는, 에너지 밀도 및 출력이 개선된 리튬-황 전지에 관한 것이다.
에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아짐에 따라, 휴대폰, 태블릿(tablet), 랩탑(laptop) 및 캠코더, 나아가서는 전기 자동차(EV) 및 하이브리드 전기 자동차(HEV)의 에너지까지 적용분야가 확대되면서, 전기화학소자에 대한 연구 및 개발이 점차 증대되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받고 있는 분야이고, 그 중에서도 충방전이 가능한 리튬-황 전지와 같은 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비 에너지를 향상시키기 위하여, 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 이어지고 있다.
이와 같은 전기화학소자, 그 중 황(Sulfur)이 양극 활물질로 사용되는 리튬-황 전지(Li-S battery)는 높은 무게당 에너지 밀도(Specific Energy Density)를 가져, 리튬 이온 전지를 대체할 수 있는 차세대 이차전지로 각광받고 있다. 이와 같은 리튬-황 전지 내에서는, 방전 시 황의 환원 반응과 리튬 메탈의 산화반응이 일어나며, 이 때 황은 고리 구조의 S8로부터 선형 구조의 리튬 폴리설파이드(Lithium Polysulfide, LiPS)를 형성하게 되는데, 이러한 리튬-황 전지는 폴리설파이드가 완전히 Li2S로 환원되기까지 단계적 방전 전압을 나타내는 것이 특징이다.
하지만, 리튬-황 전지의 상업화에 있어서 걸림돌 중 하나는, 양극 활물질로 포함되는 황의 전기화학적 전환 반응으로 인하여 출력이 낮다는 것이다. 반면, 기존의 리튬 이온 전지는 리튬 이온이 양극/음극 구조에 삽입되는 Intercalation 반응으로 진행되어, 리튬-황 전지에 비해 상대적으로 출력이 높다. 그러나, 상기한 바와 같이 리튬-황 전지(Li-S battery)는 높은 무게당 에너지 밀도를 가지고 있으며, 리튬 이온 전지에 비해서도 무게당 에너지 밀도가 높다는 장점이 있다.
따라서, 동일한 무게당 에너지 밀도에서 최대 출력을 가지도록 리튬-황 전지의 설계를 변경할 필요가 있다. 그리고, 특히 도심 항공 운송수단(Urban Air Mobility, UAM)과 같은 서비스 체계 등에 이용되는 항공기에 응용하기 위해서는, 무게당 에너지 밀도를 300 Wh/kg 이상으로 증가시킬 필요가 있으며(리튬 이온 전지는 300 Wh/kg 미만), 이와 동시에 최대 출력 또한 통상적으로 요구되는 2 kW/kg 이상으로 증가시킬 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 전해질의 질량에 대한 양극 내 황의 질량비와 양극에 대한 황의 로딩값을 특정 범위로 설정함으로써 300 Wh/kg 이상의 전지 무게당 에너지 밀도와 2 kW/kg 이상의 최대 출력을 동시에 구현할 수 있는, 에너지 밀도 및 출력이 개선된 리튬-황 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 황을 양극 활물질로 포함하는 양극, 리튬 메탈 음극 및 전해질을 포함하는 것으로, 하기 수식 1을 만족하는 리튬-황 전지를 제공한다.
[수식 1]
1 ≤ ES/L ≤ 1.4
상기 수식 1에서, ES는 전해질의 질량(g)을 양극에 포함된 황의 질량(g)으로 나눈 값이고, L은 양극에 대한 황의 로딩값으로서 단위는 mAh/cm2이다.
본 발명에 따른 에너지 밀도 및 출력이 개선된 리튬-황 전지에 의하면, 전해질의 질량에 대한 양극 내 황의 질량비와 양극에 대한 황의 로딩값을 특정 범위로 설정함으로써 300 Wh/kg 이상의 전지 무게당 에너지 밀도와 2 kW/kg 이상의 최대 출력을 동시에 구현할 수 있는 장점을 가진다.
도 1은 양극에 대한 황의 로딩값에 따른 ES/L 값을 보여주는 그래프이다.
도 2는 양극에 대한 황의 로딩값에 따른 ES/L 값을 보여주는 그래프이다.
도 3은 리튬-황 전지의 에너지 밀도와 출력을 ES/L 값과 연계하여 보여주는 그래프이다.
도 4는 리튬-황 전지의 출력을 ES/L 값과 연계하여 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 에너지 밀도 및 출력이 개선된 리튬-황 전지는, 황을 양극 활물질로 포함하는 양극, 리튬 메탈 음극 및 전해질을 포함하는 것으로, 하기 수식 1을 만족하는 것을 특징으로 한다.
[수식 1]
1 ≤ ES/L ≤ 1.4
상기 수식 1에서, ES는 전해질의 질량(g)을 양극에 포함된 황의 질량(g)으로 나눈 값이고, L은 양극에 대한 황의 로딩값으로서 단위는 mAh/cm2이다.
전기화학소자 중 황(Sulfur)을 양극 활물질로 사용하는 리튬-황 전지(Li-S battery)는 높은 무게당 에너지 밀도(Specific Energy Density)를 가져, 리튬 이온 전지를 대체할 수 있는 차세대 이차전지로 각광받고 있다. 하지만, 리튬-황 전지는 양극 활물질로 포함되는 황의 전기화학적 전환 반응으로 인하여 출력이 낮다는 문제점을 가지고 있다. 이에 반해, 기존의 리튬 이온 전지는 리튬 이온이 양극/음극 구조에 삽입되는 Intercalation 반응으로 진행되어, 리튬-황 전지에 비해 상대적으로 출력이 높다는 장점이 있다. 그러나, 상기한 바와 같이 리튬-황 전지(Li-S battery)는 높은 무게당 에너지 밀도를 가지고 있으며, 리튬 이온 전지에 비해서도 무게당 에너지 밀도가 높다는 장점이 있다(리튬 이온 전지의 무게당 에너지 밀도는 300 Wh/kg 미만).
이에, 본 출원인은, 동일한 무게당 에너지 밀도에서 최대 출력을 가지도록 리튬-황 전지의 설계를 변경하였으며, 특히, 도심 항공 운송수단(Urban Air Mobility, UAM)과 같은 항공기에 응용하기 위해, 무게당 에너지 밀도를 300 Wh/kg 이상으로 증가시키고, 이와 동시에 최대 출력 또한 통상적으로 요구되는 2 kW/kg 이상으로 증가시킨 리튬-황 전지를 개발해 내었다.
이하, 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 에너지 밀도 및 출력이 개선된 리튬-황 전지는 하기 수식 1을 만족한다.
[수식 1]
1 ≤ ES/L ≤ 1.4
상기 수식 1에서, ES는 전해질의 질량(g)을 양극에 포함된 황의 질량(g)으로 나눈 값이고, L(단위: mAh/cm2)은 양극에 대한 황의 로딩값이다. 그리고, 상기 ES/L 값이 1 미만인 경우, 전해질 함량이 줄어들어 과전압이 크게 발생하고 출력이 급격하게 감소하는 문제가 발생한다. 또한, 상기 ES/L 값이 1.4를 초과하면 전지 무게당 에너지 밀도가 감소하는 문제가 발생한다.
이때, 상기 ES 값은 2 ≤ ES < 3.7의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 L 값은 2 ≤ L ≤ 2.6의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 L 값이 2이면 ES 값은 2 ≤ ES ≤ 2.8의 범위 내에 있어야 하고, 상기 L 값이 2.6이면 ES 값은 2.6 ≤ ES ≤ 3.64의 범위 내에 있어야 한다. 만약, 상기 ES 값이 2 미만이면, 전지의 에너지 밀도가 높을 수는 있으나 출력이 급격하게 감소한다. 또한, 상기 ES 값이 3.7 이상이면, 전지의 출력이 높을 수는 있으나 에너지 밀도가 리튬 이온 전지의 에너지 밀도(300 Wh/kg 미만)보다 높게 형성되지 않는 문제가 발생한다.
상기와 같이 ES 값 범위와 L 값 범위를 설정하여 ES/L 값이 1 ≤ ES/L ≤ 1.4의 범위 내에 오면, 리튬-황 전지의 에너지 밀도가 300 Wh/kg 이상인 동시에 최대 출력 또한 통상적으로 요구되는 2 kW/kg 이상이 되어, 동일한 무게당 에너지 밀도에서 최대 출력을 가지는 리튬-황 전지가 될 수 있다. 이와 관련한 구체적 실험 자료는 후술할 실시예에 나타내도록 한다.
보다 구체적으로, 상기 L 값이 2 ≤ L < 2.5이면 전지의 에너지 밀도가 300 Wh/kg 이상 350 Wh/kg 미만이다. 그리고, 이때의 출력값은 2 내지 2.6 kW/kg이다. 또한, 상기 L 값이 2.5 ≤ L ≤ 2.6이면 전지의 에너지 밀도가 300 내지 350 Wh/kg이다. 그리고, 이때의 출력값은 2 kW/kg 초과 내지 2.6 kW/kg이다. 또한, 상기 ES/L 값이 1이고 L 값이 2.5 ≤ L ≤ 2.6이면 전지의 에너지 밀도가 350 Wh/kg이다. 그리고, 이때의 출력값은 2 kW/kg 초과 내지 2.3 kW/kg이다.
이하, 본 발명의 리튬-황 전지에 포함되는 전해질, 양극, 음극 및 분리막 각각에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명의 리튬-황 전지에 포함되는 전해질은 제1 용매, 제2 용매 및 리튬염을 포함한다. 상기 제1 용매는 하나 이상의 이중결합을 포함하는 동시에 산소 원자 및 황 원자 중 어느 하나를 포함하는 헤테로 고리 화합물을 포함하는 것으로서, 헤테로 원자(산소 원자 또는 황 원자)의 고립 전자쌍(lone pair electrons)의 비편재화(delocalization)로 인해 염(salt)을 용해시키기 어려운 특성을 갖기 때문에, 전지의 초기 방전 단계에서 헤테로 고리 화합물의 고리 열림 중합반응(ring opening reaction)에 의해 리튬계 금속(음극)의 표면에 고분자 보호막(solid electrolyte interface, SEI층)을 형성함으로써 리튬 덴드라이트의 생성을 억제시킬 수 있으며, 더 나아가 리튬계 금속 표면에서의 전해액 분해 및 그에 따른 부반응을 감소시킴으로써 리튬-황 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 헤테로 고리 화합물은, 리튬계 금속의 표면에 고분자 보호막을 형성하기 위하여 하나 이상의 이중결합을 포함하며, 극성을 띠게 하여 전해액 내 다른 용매와의 친화도를 높이는 등의 효과를 발현시키도록 헤테로 원자(산소 원자 또는 황 원자) 또한 포함한다.
상기 헤테로 고리 화합물은 3 내지 15원, 바람직하게는 3 내지 7원, 더욱 바람직하게는 5 내지 6원의 헤테로 고리 화합물일 수 있다. 또한, 이와 같은 상기 헤테로 고리 화합물은 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 3 내지 8의 고리형 알킬기, 탄소수 6 내지 10의 아릴기, 할로젠기, 니트로기(-NO2), 아민기(-NH2) 및 설포닐기(-SO2)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 치환 또는 비치환된 헤테로 고리 화합물일 수 있다. 또한, 상기 헤테로 고리 화합물은 탄소수 3 내지 8의 고리형 알킬기 및 탄소수 6 내지 10의 아릴기 중 1종 이상과 헤테로 고리 화합물의 다중 고리 화합물일 수 있다.
상기 헤테로 고리 화합물이 탄소수 1 내지 4의 알킬기로 치환된 경우, 라디칼이 안정화되어 전해액간의 부반응을 억제시킬 수 있어 바람직하다. 또한, 할로젠기 또는 니트로기로 치환된 경우, 리튬계 금속 표면에 기능성 보호막을 형성할 수 있어 바람직하고, 이때, 상기 형성된 기능성 보호막은 압축(compact)된 형태의 보호막으로서 안정하며, 리튬계 금속의 균일한 증착(deposition)이 가능하도록 하고, 폴리설파이드와 리튬계 금속 간의 부반응을 억제시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 헤테로 고리 화합물의 구체적인 예로는, 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), 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) 등을 들 수 있으며, 이 중 2-메틸퓨란을 제1 용매로 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같은 헤테로 고리 화합물을 포함하는 제1 용매는, 본 발명의 리튬 이차전지용 전해액에 포함되는 전체 유기용매(즉, 제1 용매 + 제2 용매) 100 부피비에 대하여 5 이상 95 미만의 부피비, 바람직하게는 10 내지 80의 부피비, 더욱 바람직하게는 15 내지 60의 부피비로 포함될 수 있다(나머지 부피비는 제2 용매에 해당함). 상기 제1 용매를 전해질의 전체 유기용매 100 부피비에 대하여 5 부피비 미만으로 포함하면, 폴리설파이드의 용출량을 감소시키는 능력이 저하되어 전해액의 저항 증가를 억제할 수 없게 되거나 리튬계 금속 표면에 보호막이 완벽하게 형성되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 제1 용매를 본 발명의 전체 유기용매 100 부피비에 대하여 95 부피비 이상으로 포함하면, 전해액 및 리튬계 금속의 표면 저항 증가로 인하여 전지의 용량 및 수명이 감소하는 문제가 발생할 우려가 있다.
상기 제2 용매는 에테르계 화합물, 에스테르계 화합물, 아미드계 화합물 및 카보네이트계 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는 것으로서, 리튬염을 용해하여 전해액이 리튬 이온 전도도를 갖게 할 뿐만 아니라, 양극 활물질인 황을 용출시켜 리튬과 전기화학적 반응을 원활하게 진행할 수 있도록 하는 역할을 하며, 상기 카보네이트계 화합물의 경우 선형 카보네이트계 화합물 또는 환형 카보네이트계 화합물일 수 있다.
상기 에테르계 화합물의 구체적인 예로는, 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필에테르, 메틸에틸에테르, 메틸프로필에테르, 에틸프로필에테르, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 메톡시에톡시에탄, 디에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디에틸에테르, 디에틸렌글리콜 메틸에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 메틸에틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디에틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 메틸에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 폴리에틸렌글리콜 디에틸에테르 및 폴리에틸렌글리콜 메틸에틸에테르로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 예로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 이 중 디메톡시에탄을 제2 용매로 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 에스테르계 화합물로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 예로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 아미드계 화합물은 당업계에서 사용 중인 통상의 아미드계 화합물일 수 있다.
또한, 상기 선형 카보네이트계 화합물로는 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디프로필 카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 에틸메틸 카보네이트(ethylmethyl carbonate, EMC), 메틸프로필 카보네이트(methylpropyl carbonate, MPC) 및 에틸프로필 카보네이트(ethylpropyl carbonate, EPC)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 예로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 환형 카보네이트계 화합물로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 및 이들의 할로젠화물(플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 등)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 예시할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 리튬염은 이온 전도성을 증가시키기 위하여 사용되는 전해질염으로서, 당업계에서 통상적으로 사용하는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다. 상기 리튬염의 구체적인 예로는 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiC4BO8, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, (C2F5SO2)2NLi, (SO2F)2NLi, (CF3SO2)3CLi, 클로로보란 리튬, 탄소수 4 이하의 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬 및 리튬 이미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 예시할 수 있으며, 이 중 LiFSI((SO2F)2NLi)를 포함하는 것이 바람직하다. 아울러, 본 발명의 일 실시 형태로서, 상기 전해액은 LiTFSI((CF3SO2)2NLi)를 포함하지 않는 형태일 수 있다.
상기 리튬염의 농도는 이온 전도도 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 예를 들어 0.1 내지 4 M, 바람직하게는 0.2 내지 2 M, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 2 M일 수 있다. 상기 리튬염의 농도가 상기 범위 미만인 경우 전지 구동에 적합한 이온 전도도의 확보가 어려울 수 있고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 전해질의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 저하되거나, 리튬염 자체의 분해 반응이 증가하여 전지의 성능이 저하될 수 있다.
또한, 상기 리튬염은 전해질의 총 중량에 대해 2 내지 45 중량%, 바람직하게는 4 내지 30 중량%, 더욱 바람직하게는 8 내지 25 중량%로 포함될 수 있으며, 만일, 상기 리튬염이 전해질 총 중량에 대하여 2 중량% 미만으로 포함되면, 리튬 이온 전도도가 충분하지 못해서 이온 전달 저항이 커지는 문제가 발생할 우려가 있고, 45 중량%를 초과하는 경우에는 마찬가지로 리튬 이온 전도도가 감소함과 동시에 전해질의 점도가 높아져서 물질 전달 저항이 커지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬-황 전지에 포함되는 전해질은, 필요에 따라 질산리튬(LiNO3), 질산칼륨(KNO3), 질산세슘(CsNO3), 질산마그네슘(MgNO3), 질산바륨(BaNO3), 아질산리튬(LiNO2), 아질산칼륨(KNO2) 및 아질산세슘(CsNO2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 리튬-황 전지에 포함되는 양극은, 양극 활물질 및 바인더를 포함하되, 300 Wh/kg 이상의 에너지 밀도를 가지는 리튬-황 전지의 구현이 가능하도록, 양극 활물질 및 바인더와 함께 통상적으로 사용되는 도전재는 포함하지 않는다. 즉, 다시 말해, 상기 양극이 양극 활물질 및 바인더를 포함하고, 상기 양극 활물질에 포함되는 탄소재 이외의 도전재는 포함하지 않는다. 또한, 상기 양극은 집전체 상에 양극 활물질 및 바인더를 포함하는 베이스 고형분이 위치한 것일 수 있다.
상기 양극 활물질로는 통상적인 리튬-황 전지에 적용되는 것일 수 있고, 예를 들어, 황 원소(Elemental sulfur, S8), 황 계열 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 상기 황 계열 화합물은 구체적으로, Li2Sn(n≥1), 유기 황 화합물 또는 황-탄소 복합체((C2Sx)n: x=2.5 ~ 50, n≥2) 등일 수 있다. 그리고, 상기 양극 활물질은 황-탄소 복합체를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 황-탄소 복합체는 그 입자의 크기가 1 내지 100 ㎛일 수 있다. 상기 황-탄소 복합체의 입자 크기가 1 ㎛ 미만인 경우, 입자간 저항이 늘어나 리튬-황 전지의 전극에 과전압이 발생할 수 있고, 100 ㎛을 초과하는 경우에는 단위 중량당 표면적이 작아져 전극 내 전해질과의 웨팅(wetting) 면적 및 리튬 이온과의 반응 사이트(site)가 감소하게 되고, 복합체 크기 대비 전자의 전달 양이 적어져서 반응이 늦어지게 되어 전지의 방전 용량이 감소될 수 있다.
상기 황(S)은 양극 총 중량에 대해 60 내지 80 중량%, 바람직하게는 67.5 내지 75 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 통상적인 리튬-황 전지의 양극 내 황의 함량은 양극 총 중량 대비 약 40 내지 60 중량%로서, 본 발명은 이보다 현저히 높은 함량으로 황을 사용함에도 불구하고, 본 발명 전해질 조건 하에서 약 1,550 mAh/g 이상의 초기 방전용량을 나타낸다. 만약, 상기 황이 양극 총 중량에 대해 60 중량% 미만으로 사용되면, 전지의 에너지 밀도가 감소하는 문제가 발생할 수 있고, 80 중량%를 초과하는 함량으로 사용되는 경우에는, 전극 내 도전성이 저하되고 전극의 안정성이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 황-탄소 복합체를 구성하는 탄소재(또는, 황 담지재)는 다공성을 가지는 것으로서, 특히, 본 발명의 양극 활물질로 사용되는 탄소재는 고 비표면적(3,000 m2/g 이상) 및 고 기공도(Pore Volume: 0.7 ~ 3 cm3/g)의 특성을 가지기 때문에, 상기 전해질에서 고용량(1,575 ~ 1,675 mAh/g) 구동이 가능하다.
상기 다공성 탄소재로는, 0.7 ~ 3 cm3/g의 기공 부피를 만족하는 탄소재 모두를 예시할 수 있고, 구체적으로, 0.7 ~ 3 cm3/g의 기공 부피를 만족하는 그래파이트(graphite); 그래핀(graphene); 환원 그래핀 옥사이드(rGO); 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네스 블랙, 램프 블랙, 써멀 블랙 등의 카본 블랙(Carbon Black); 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 등의 탄소나노튜브(CNT); 그라파이트 나노파이버(GNF), 카본 나노파이버(CNF), 활성화 탄소 파이버(ACF) 등의 탄소 섬유; 및 활성탄소(Activated carbon);로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 예시할 수 있으며, 그 형태는 구형, 봉형, 침상형, 판상형, 튜브형 또는 벌크형 등일 수 있다.
이상의 황과 탄소재를 포함하는 양극 활물질은, 양극 총 중량 100 중량부에 대하여 80 내지 99 중량부, 바람직하게는 85 내지 97 중량부로 포함될 수 있다. 상기 양극 활물질의 함량이 양극 총 중량 100 중량부에 대해 80 중량부 미만이면 전지의 에너지 밀도가 감소하는 문제가 발생할 수 있고, 99 중량부를 초과하는 경우에는 전극의 안정성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
상기 바인더는 양극 활물질과 집전체 등의 결합에 조력하는 성분으로서, 예컨대, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드-폴리헥사플루오로프로필렌 공중합체(PVdF/HFP), 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알코올, 폴리비닐에테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌옥사이드, 알킬화 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌, 폴리메틸(메트)아크릴레이트, 폴리에틸(메트)아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리비닐피롤리돈, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM) 고무, 술폰화 EPDM 고무, 스틸렌-부틸렌 고무, 불소 고무, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 바인더는 통상적으로 양극 총 중량 100 중량부를 기준으로 1 내지 15 중량부 첨가될 수 있다. 상기 바인더의 함량이 1 중량부 미만이면 양극 활물질과 집전체와의 접착력이 불충분해질 수 있고, 15 중량부를 초과하면 접착력은 향상되지만 그만큼 양극 활물질의 함량이 감소하여 전지 용량이 낮아질 수 있다.
또한, 본 발명의 양극에는 그 팽창을 억제하는 성분으로서 충진제가 선택적으로 첨가될 수 있다. 이러한 충진제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전극의 팽창을 억제할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소 섬유 등의 섬유상 물질; 등을 사용할 수 있다.
상기 양극은 양극 활물질 및 바인더를 분산매(용매)에 분산, 혼합시켜 슬러리를 만들고, 이를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연함으로써 제조될 수 있다. 상기 분산매로는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone), DMF(Dimethyl formamide), DMSO(Dimethyl sulfoxide), 에탄올, 이소프로판올, 물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 집전체로는 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 알루미늄(Al), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 카본(C), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), ITO(In doped SnO2), FTO(F doped SnO2), 및 이들의 합금과, 알루미늄(Al) 또는 스테인리스스틸의 표면에 카본(C), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 또는 은(Ag)을 표면 처리한 것 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 양극 집전체의 형태는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포체 등의 형태일 수 있다.
상기 음극은 리튬계 금속이며, 리튬계 금속의 일측에 집전체를 더욱 포함할 수 있다. 상기 집전체는 음극 집전체가 사용될 수 있다. 상기 음극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특히 제한하지 않으며, 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 아연, 티타늄, 은, 팔라듐, 니켈, 철, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 스테인리스 스틸은 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면 처리될 수 있으며, 상기 합금으로는 알루미늄-카드뮴 합금을 사용할 수 있고, 그 외에도 소성 탄소, 도전재로 표면 처리된 비전도성 고분자 또는 전도성 고분자 등을 사용할 수도 있다. 일반적으로 음극 집전체로는 구리 박판을 적용한다.
또한, 그 형태는 표면에 미세한 요철이 형성된/미형성된 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 집전체는 3 내지 50 ㎛의 두께 범위인 것을 적용한다. 상기 음극 집전체의 두께가 3 ㎛ 미만이면 집전 효과가 떨어지며, 반면 두께가 50 ㎛를 초과하면 셀을 폴딩(folding)하여 조립하는 경우 가공성이 저하되는 문제점이 있다.
상기 리튬계 금속은 리튬 또는 리튬 합금일 수 있다. 이때 리튬 합금은 리튬과 합금화가 가능한 원소를 포함하고, 구체적으로 리튬과 Si, Sn, C, Pt, Ir, Ni, Cu, Ti, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상과의 합금일 수 있다. 상기 리튬계 금속은 시트 또는 호일의 형태일 수 있으며, 경우에 따라 집전체 상에 리튬 또는 리튬 합금이 건식 공정에 의해 증착 또는 코팅된 형태이거나, 입자 상의 금속 및 합금이 습식 공정 등에 의해 증착 또는 코팅된 형태일 수 있다.
상기 양극과 음극 사이에는 통상적인 분리막이 개재될 수 있다. 상기 분리막은 전극을 물리적으로 분리하는 기능을 갖는 물리적인 분리막으로서, 통상의 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저 저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 또한, 상기 분리막은 양극과 음극을 서로 분리 또는 절연시키면서 양극과 음극 사이에 리튬 이온의 수송을 가능하게 한다. 이러한 분리막은 다공성이고 비전도성 또는 절연성인 물질로 이루어질 수 있다. 상기 분리막은 필름과 같은 독립적인 부재이거나, 또는 양극 및/또는 음극에 부가된 코팅층일 수 있다.
상기 분리막으로 사용될 수 있는 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막을 들 수 있다. 상기 분리막으로 사용될 수 있는 부직포의 예로는, 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리이미드(polyimide), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에스테르(polyester) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포가 가능하며, 이러한 부직포는 다공성 웹(web)을 형성하는 섬유 형태로서, 장섬유로 구성된 스펀본드(spunbond) 또는 멜트블로운(meltblown) 형태를 포함한다.
상기 분리막의 두께는 특별히 제한되지는 않으나, 1 내지 100 ㎛ 범위가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5 내지 50 ㎛ 범위이다. 상기 분리막의 두께가 1 ㎛ 미만인 경우에는 기계적 물성을 유지할 수 없으며, 100 ㎛를 초과하는 경우에는 상기 분리막이 저항층으로 작용하게 되어 전지의 성능이 저하된다. 상기 분리막의 기공 크기 및 기공도는 특별히 제한되지는 않으나, 기공 크기는 0.1 내지 50 ㎛이고, 기공도는 10 내지 95 %인 것이 바람직하다. 상기 분리막의 기공 크기가 0.1 ㎛ 미만이거나 기공도가 10 % 미만이면 분리막이 저항층으로 작용하게 되며, 기공 크기가 50 ㎛를 초과하거나 기공도가 95 %를 초과하는 경우에는 기계적 물성을 유지할 수 없다.
이상과 같은 전해질, 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 본 발명의 리튬-황 전지는, 양극을 음극과 대면시키고 그 사이에 분리막을 개재한 후, 전해액을 주입하는 공정을 통하여 제조될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 리튬-황 전지는, 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지 셀에 적용됨은 물론, 중대형 디바이스의 전원인 전지모듈의 단위전지로 특히 적합하게 사용될 수 있다. 이러한 측면에서, 본 발명은 또한 2개 이상의 리튬-황 전지가 전기적으로 연결(직렬 또는 병렬)되어 포함된 전지모듈을 제공한다. 상기 전지모듈에 포함되는 리튬-황 전지의 수량은, 전지모듈의 용도 및 용량 등을 고려하여 다양하게 조절될 수 있음은 물론이다. 나아가, 본 발명은 당 분야의 통상적인 기술에 따라 상기 전지모듈을 전기적으로 연결한 전지팩을 제공한다. 상기 전지모듈 및 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용 가능하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 본 발명의 리튬-황 전지는 도심 항공 운송수단(Urban Air Mobility, UAM)으로 이용되는 항공기용 배터리인 것이 바람직할 수 있다.
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 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
[제조예] 리튬-황 전지의 제조
전해질 제조
먼저, 2-메틸퓨란(제1 용매)과 디메톡시에탄(제2 용매)을 5 : 5의 부피비(v/v)로 혼합한 유기용매에 LiFSI(리튬염)의 농도가 0.75 M이 되도록 용해시켜 전해질을 제조하였다.
양극 제조
양극 활물질로 황-탄소 복합체(S : C = 70 : 30 중량비) 95 중량부(황 단독 함량은 양극 총 중량에 대해 67.5 중량%가 되도록 설정하였고, 탄소재는 기공 부피가 1.8 cm3/g인 활성탄소를 사용하였다), 바인더로 스티렌 부타디엔 고무/카르복시메틸 셀룰로오스(SBR : CMC = 7 : 3) 5 중량부를 혼합하여 양극 슬러리 조성물을 제조한 후, 상기 제조된 슬러리 조성물을 집전체(Al Foil) 상에 코팅하고 50 ℃에서 12 시간 동안 건조하고 롤프레스(roll press) 기기로 압착하여 양극을 제조하였다(이때, 전극의 기공도(porosity)는 65 %로 하였다).
리튬-황 전지 제조
상기 제조된 양극과 150 ㎛ 두께의 리튬 금속 음극을 대면하도록 위치시키고, 그 사이에 폴리에틸렌(PE) 분리막을 개재한 후, 상기 제조된 전해질을 주입하여 코인 셀 타입의 리튬-황 전지를 제조하였다. 한편, 상기 전지의 제조에 있어서, 상기 양극은 15phi로 타발하여 사용하였으며, 상기 폴리에틸렌 분리막은 19phi로, 상기 리튬 금속은 16phi로 타발하여 사용하였다.
[실시예] 리튬-황 전지의 제조
상기 제조예에서 제조된 리튬-황 전지를 기반으로 하되, 하기 수식 1에서 ES 값(전해질의 질량(g)/양극에 포함된 황의 질량(g): 2 ≤ ES < 3.7)과 L(단위: mAh/cm2) 값(양극에 대한 황의 로딩값: 2 ≤ L ≤ 2.6)을 각각 설정하여 하기 수식 1을 만족하도록 하였다(상기 양극에 대한 황의 로딩값은 15phi로 타발된 양극의 무게를 측정하여 Formula로 환산한 값이다).
[수식 1]
1 ≤ ES/L ≤ 1.4
[비교예] 리튬-황 전지의 제조
상기 제조예에서 제조된 리튬-황 전지를 기반으로 하되, 상기 수식 1에서 ES 값(전해질의 질량(g)/양극에 포함된 황의 질량(g))이 2 ≤ ES < 3.7을 벗어나도록 하였고, L(단위: mAh/cm2) 값(양극에 대한 황의 로딩값)이 2 ≤ L ≤ 2.6을 벗어나도록 하였다.
[실험예 1] 리튬-황 전지의 출력 평가
상기 실시예 및 비교예의 리튬-황 전지를 0.1C 방전 용량 기준 잔존 용량 75 %에서 2C 10초 방전을 통한 전압 강하를 통해 저항을 측정하였고, 이를 통해 1.5 V까지 방전 시 낼 수 있는 최대 출력을 환산하였다. 도 1 및 2는 양극에 대한 황의 로딩값에 따른 ES/L 값을 보여주는 그래프이다. 도 1에 도시된 바와 같이, ES/L 값은 약 1 ~ 1.4에서 변곡점을 가지며, ES/L 값이 1.4를 초과함에 따라 출력 증가량이 감소하는 것을 알 수 있다. 또한, L 값이 2인 경우와 2.5인 경우 출력이 특히 급격하게 증가하여, 리튬-황 전지의 출력으로서 우수함도 확인할 수 있었다. 반면, 도 2에 도시된 바와 같이, L 값이 4 이상인 경우에는 출력이 가파르게 증가하는 지점들에서 출력값이 2 kW/kg에 미치지 못하였다. 따라서, ES/L 값은 1 ≤ ES/L ≤ 1.4가 최적이고, 이때의 L 값은 2 ≤ L ≤ 2.6의 범위 내에 있는 것이 바람직함을 알 수 있다.
[실험예 2] 리튬-황 전지의 에너지 밀도 및 출력 평가
상기 실시예 및 비교예의 리튬-황 전지를 0.1C 방전 용량 기준 잔존 용량 75 %에서 2C 10초 방전을 통한 전압 강하를 통해 저항을 측정하였고, 이를 통해 1.5 V까지 방전 시 낼 수 있는 최대 출력(단위: kW/kg)을 환산하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 상기 실시예 및 비교예의 리튬-황 전지를 0.1C 방전(1.7 V 하한 전압) 시 측정되는 에너지를 측정한 후 셀의 무게로 나누어 무게당 에너지 밀도(단위: Wh/kg)를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 도 3은 리튬-황 전지의 에너지 밀도와 출력을 ES/L 값과 연계하여 보여주는 그래프이고, 도 4는 리튬-황 전지의 출력을 ES/L 값과 연계하여 보여주는 그래프이다.
Figure PCTKR2022016457-appb-img-000001
Figure PCTKR2022016457-appb-img-000002
앞서, 리튬-황 전지의 출력과 관련된 실험예 1을 통해 ES/L 값은 1 ≤ ES/L ≤ 1.4가 최적이고, 이때의 L 값은 2 ≤ L ≤ 2.6의 범위 내에 있는 것이 바람직함을 확인하였다. 이와 함께, 상기 표 1 및 2에 나타낸 바, 그리고 도 3 및 4에 도시된 바와 같이 리튬-황 전지의 에너지 밀도를 보더라도, ES/L 값과 L 값이 상기의 범위에 있는 것이 바람직함을 알 수 있다. 구체적으로, 상기 L 값이 2 ≤ L < 2.5이면 전지의 에너지 밀도가 300 Wh/kg 이상 350 Wh/kg 미만이고, 이때의 출력값은 2 내지 2.6 kW/kg이다. 또한, 상기 L 값이 2.5 ≤ L ≤ 2.6이면 전지의 에너지 밀도가 300 내지 350 Wh/kg이고, 이때의 출력값은 2 kW/kg 초과 내지 2.6 kW/kg이다. 또한, 상기 ES/L 값이 1이고 L 값이 2.5 ≤ L ≤ 2.6이면 전지의 에너지 밀도가 350 Wh/kg이고, 이때의 출력값은 2 kW/kg 초과 내지 2.3 kW/kg이다.
따라서, ES 값이 2 ≤ ES < 3.7의 범위 내에 있고, L 값이 2 ≤ L ≤ 2.6의 범위 내에 있는 경우의 ES/L 값이 1 ≤ ES/L ≤ 1.4를 만족하면, 리튬-황 전지의 무게당 에너지 밀도가 300 Wh/kg 이상이 되고, 이와 동시에 최대 출력 또한 통상적으로 요구되는 2 kW/kg 이상이 되어 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

Claims (12)

  1. 황을 양극 활물질로 포함하는 양극, 리튬 메탈 음극 및 전해질을 포함하는 것으로, 하기 수식 1을 만족하는 리튬-황 전지:
    [수식 1]
    1 ≤ ES/L ≤ 1.4
    상기 수식 1에서, ES는 전해질의 질량(g)을 양극에 포함된 황의 질량(g)으로 나눈 값이고, L은 양극에 대한 황의 로딩값으로서 단위는 mAh/cm2이다.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 리튬-황 전지의 에너지 밀도가 300 Wh/kg 이상인 동시에 최대 출력이 2 kW/kg 이상인 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 ES 값은 2 ≤ ES < 3.7인 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 L 값은 2 ≤ L ≤ 2.6인 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 L 값이 2 ≤ L < 2.5이면 전지의 에너지 밀도가 300 Wh/kg 이상 350 Wh/kg 미만이고, 이때의 출력값은 2 내지 2.6 kW/kg인 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 L 값이 2.5 ≤ L ≤ 2.6이면 전지의 에너지 밀도가 300 내지 350 Wh/kg이고, 이때의 출력값은 2 kW/kg 초과 내지 2.6 kW/kg인 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 ES/L 값이 1이고 L 값이 2.5 ≤ L ≤ 2.6이면 전지의 에너지 밀도가 350 Wh/kg이고, 이때의 출력값은 2 kW/kg 초과 내지 2.3 kW/kg인 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 양극 활물질이 황-탄소 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 양극이 양극 활물질 및 바인더를 포함하고, 도전재는 포함하지 않는 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 황이 양극 총 중량에 대해 60 내지 80 중량%의 함량으로 포함되는 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 전해질이 하나 이상의 이중결합을 포함하는 동시에 산소 원자 및 황 원자 중 어느 하나를 포함하는 헤테로 고리 화합물을 포함하는 제1 용매; 에테르계 화합물, 에스테르계 화합물, 아미드계 화합물 및 카보네이트계 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는 제2 용매; 및 리튬염;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 리튬-황 전지가 도심 항공 운송수단(Urban Air Mobility, UAM)으로 이용되는 항공기용 배터리인 것을 특징으로 하는, 리튬-황 전지.
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