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KR20190087864A - A manufacturing method of sulfur-selenium-carbon complex, a cathode for lithium secondary battery comprising the sulfur-selenium-carbon complex manufactured by the same, and lithium sulfur-selenium battery comprising the same - Google Patents

A manufacturing method of sulfur-selenium-carbon complex, a cathode for lithium secondary battery comprising the sulfur-selenium-carbon complex manufactured by the same, and lithium sulfur-selenium battery comprising the same Download PDF

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KR20190087864A
KR20190087864A KR1020180006217A KR20180006217A KR20190087864A KR 20190087864 A KR20190087864 A KR 20190087864A KR 1020180006217 A KR1020180006217 A KR 1020180006217A KR 20180006217 A KR20180006217 A KR 20180006217A KR 20190087864 A KR20190087864 A KR 20190087864A
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한승훈
김의태
손권남
양두경
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주식회사 엘지화학
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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a sulfur-selenium-carbon complex. The method comprises steps of: (1) mixing selenium and carbon material and heat treating the same with microwave to form a selenium-carbon complex; and (2) mixing sulfur with the formed selenium-carbon complex and heat-treating the same with microwave to form the sulfur-selenium-carbon complex, wherein a heat treatment of the step (1) is performed at a higher temperature than a heat treatment of the step (2). The sulfur-selenium-carbon complex according to the present invention has an effect of improving electrical conductivity of a battery and alleviating overvoltage during a discharge process.

Description

황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법, 그 제조방법에 의해 제조되는 황-셀레늄-탄소 복합체를 포함하는 리튬 황-셀레늄 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 황-셀레늄 전지 {A MANUFACTURING METHOD OF SULFUR-SELENIUM-CARBON COMPLEX, A CATHODE FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SULFUR-SELENIUM-CARBON COMPLEX MANUFACTURED BY THE SAME, AND LITHIUM SULFUR-SELENIUM BATTERY COMPRISING THE SAME}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a sulfur-selenium-carbon composite material, a lithium-sulfur-selenium-carbon composite material containing the sulfur-selenium-carbon composite material and a lithium sulfur- CARBON COMPLEX, A CATHODE FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SULFUR-SELENIUM-CARBON COMPLEX MANUFACTURED BY THE SAME, AND LITHIUM SULFUR-SELENIUM BATTERY COMPRISING THE SAME}

본 발명은 황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법, 그 제조방법에 의해 제조되는 황-셀레늄-탄소 복합체를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 황-셀레늄 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing a sulfur-selenium-carbon composite material, a cathode for a lithium secondary battery comprising the sulfur-selenium-carbon composite material produced by the method, and a lithium sulfur-selenium battery including the same.

최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다.Recently, interest in energy storage technology is increasing. As the application fields of cell phones, camcorders, notebook PCs and even electric vehicles are expanding, efforts for research and development of electrochemical devices are becoming more and more specified.

전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받고 있는 분야이고 그 중에서도 충-방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 에너지 효율을 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구 개발로 진행되고 있다.Electrochemical devices have attracted the greatest attention in this respect. Among them, the development of rechargeable secondary batteries has become a focus of attention. In recent years, in order to improve capacity density and energy efficiency in developing such batteries, Research and development on the design of new electrodes and batteries are underway.

현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다. Among the currently applied secondary batteries, the lithium secondary battery developed in the early 1990s has advantages such as higher operating voltage and higher energy density than conventional batteries such as Ni-MH, Ni-Cd and sulfuric acid-lead batteries using an aqueous electrolyte solution .

특히 리튬-황(Li-S) 전지는 S-S 결합(Sulfur - sulfur bond)을 갖는 황 계열 물질을 양극 활물질로 사용하고, 리튬 금속을 음극 활물질로 사용하는 이차전지이다. 양극 활물질의 주재료인 황은 자원이 매우 풍부하고, 독성이 없으며, 낮은 원자당 무게를 가지고 있는 장점이 있다. 또한, 리튬-황 전지의 이론 방전용량은 1,675mAh/g-sulfur이며, 이론 에너지밀도가 2,600Wh/kg로서, 현재 연구되고 있는 다른 전지시스템의 이론 에너지밀도(Ni-MH 전지: 450Wh/kg, Li-FeS 전지: 480Wh/kg, Li-MnO2 전지: 1,000Wh/kg, Na-S 전지: 800Wh/kg)에 비하여 매우 높기 때문에 현재까지 개발되고 있는 전지 중에서 가장 유망한 전지이다.In particular, a lithium-sulfur (Li-S) battery is a secondary battery in which a sulfur-based material having a sulfur-sulfur bond is used as a cathode active material and lithium metal is used as an anode active material. Sulfur, the main material of the cathode active material, is very rich in resources, has no toxicity, and has a low atomic weight. The theoretical energy density of the lithium-sulfur battery is 1,675 mAh / g-sulfur and the theoretical energy density is 2,600 Wh / kg. The theoretical energy density (Ni-MH battery: 450 Wh / kg, , Which is the most promising battery ever developed because it is much higher than that of Li-FeS battery: 480Wh / kg, Li-MnO 2 battery: 1,000Wh / kg, Na-S battery: 800Wh / kg.

리튬-황 전지의 방전 반응 중 음극(Anode)에서는 리튬의 산화 반응이 발생하고, 양극(Cathode)에서는 황의 환원 반응이 발생한다. 방전 전의 황은 환형의 S8 구조를 가지고 있는데, 환원 반응(방전) 시 S-S 결합이 끊어지면서 S의 산화수가 감소하고, 산화 반응(충전) 시 S-S 결합이 다시 형성되면서 S의 산화수가 증가하는 산화-환원 반응을 이용하여 전기 에너지를 저장 및 생성한다. 이런 반응 중 황은 환형의 S8에서 환원 반응에 의해 선형 구조의 리튬 폴리설파이드(Lithium polysulfide, Li2Sx, x = 8, 6, 4, 2)로 변환되게 되며, 결국 이러한 리튬 폴리설파이드가 완전히 환원되면 최종적으로 리튬 설파이드(Lithium sulfide, Li2S)가 생성되게 된다. 각각의 리튬 폴리설파이드로 환원되는 과정에 의해 리튬-황 전지의 방전 거동은 리튬 이온전지와는 달리 단계적으로 방전 전압을 나타내는 것이 특징이다. During the discharge reaction of the lithium-sulfur battery, an oxidation reaction of lithium occurs at the anode and a sulfur reduction reaction occurs at the cathode. Sulfur before discharging has an annular S 8 structure. When the SS bond is cut off during the reduction reaction (discharging), the oxidation number of S is decreased, and the SS bond is formed again in the oxidation reaction (charging) The reduction reaction is used to store and generate electrical energy. During this reaction, the sulfur is converted to a linear polysulfide (Li 2 S x , x = 8, 6, 4, 2) by the reduction reaction at the cyclic S 8 , When it is reduced, lithium sulfide (Li 2 S) is finally produced. The discharge behavior of the lithium-sulfur battery due to the reduction process with each lithium polysulfide characterizes the discharge voltage stepwise unlike the lithium ion battery.

그러나 상기 리튬-황 전지의 방전 도중에 리튬 폴리설파이드(Li2Sx, x=2~8)가 전해질에 용해되고 음극으로 확산되어 여러 가지 부반응을 일으킬 뿐만 아니라 전기 화학 반응에 참여하는 황의 용량을 감소시킨다. 또한, 충전과정 중 상기 리튬 폴리설파이드는 셔틀반응(shuttle reaction)을 일으켜 충, 방전 효율을 크게 저하시키는 문제점을 가지고 있다.However, during the discharge of the lithium-sulfur battery, lithium polysulfide (Li 2 S x , x = 2 to 8) dissolves in the electrolyte and diffuses into the negative electrode to cause various side reactions and to decrease the capacity of sulfur participating in the electrochemical reaction . In addition, during the charging process, the lithium polysulfide causes a shuttle reaction, thereby significantly reducing charge and discharge efficiency.

또한 황은 전기전도도가 5 × 10-30 S/cm 로 부도체에 가까우므로 전기화학 반응으로 생성된 전자의 이동이 어려운 문제가 있다. 그래서, 원활한 전기 화학적 반응 사이트를 제공할 수 있는 탄소와 같은 전기적 도전재를 사용할 필요가 있었다. 이 때, 도전재와 황이 단순 혼합되어 사용된 경우는 산화-환원 반응시에 황이 전해질로 유출되어 전지 수명이 열화 될 뿐 아니라, 적절한 전해액을 선택하지 못하였을 경우에 황의 환원 물질인 리튬 폴리설파이드가 용출되어 더 이상 전기화학반응에 참여하지 못하게 되는 문제점이 있었다.In addition, sulfur has an electric conductivity of 5 × 10 -30 S / cm, which is close to non-conducting, and therefore there is a problem that electrons generated by the electrochemical reaction are difficult to migrate. Therefore, it has been necessary to use an electrically conductive material such as carbon that can provide a smooth electrochemical reaction site. In this case, when the conductive material and sulfur are used in a simple mixture, the sulfur is leaked out to the electrolyte in the oxidation-reduction reaction and the battery life is deteriorated. Also, when the appropriate electrolyte is not selected, lithium polysulfide There is a problem that they are no longer able to participate in the electrochemical reaction.

따라서 상기의 문제를 해결하기 위해, 황을 흡착하는 성질을 갖는 첨가제를 첨가하는 방법이 제안되었으나, 이는 열화 문제를 일으켜 추가적인 전지의 부반응이 새로이 발생하였다. 또한 양극 활물질, 즉 황의 유출을 지연시키기 위해 금속 칼코게나이드나 알루미나 등을 첨가하거나, 표면을 옥시카보네이트 등으로 코팅하는 방법이 제안되었으나, 이러한 방법은 처리 과정 중에 황이 유실되거나 복잡할 뿐만 아니라 활물질인 황을 넣을 수 있는 양(즉, 로딩양)이 제한되는 문제점이 있다.Therefore, in order to solve the above problem, a method of adding an additive having a property of adsorbing sulfur has been proposed, but this has caused a deterioration problem, and a side reaction of an additional battery has newly occurred. Further, a method of adding metal chalcogenide, alumina or the like or coating the surface with oxycarbonate or the like has been proposed to retard the outflow of the cathode active material, that is, sulfur, There is a problem that the amount of sulfur (i.e., the amount of loading) is limited.

따라서, 황이 전해질로 유출되는 것을 감소시키고, 황이 포함된 전극의 전기 전도도를 높이기 위해 새로운 기술이 필요한 실정이다.Thus, new techniques are needed to reduce the flux of sulfur to the electrolyte and to increase the electrical conductivity of the electrode containing sulfur.

대한민국 공개특허 제10-2015-0048544호(2015.05.07), "양극 활물질, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지"Korean Patent Laid-Open No. 10-2015-0048544 (May 2015.05.07), "Cathode active material, a method for producing the same, and a lithium secondary battery comprising the same" 일본 공개특허 제1996-250119호(1996.09.27), "리튬 이차전지"Japanese Patent Laid-Open No. 1996-250119 (Sep. 28, 1996), "Lithium secondary battery"

이에 본 발명에서는 다각적인 연구를 수행한 끝에, 전기적으로 부도체인 황을 대체하여 황-탄소 복합체에 셀레늄(Se)을 첨가한 새로운 구조의 양극 활물질을 리튬 이차전지에 적용한 결과, 전지의 전기 전도도를 개선할 수 있고, 방전 과정에서 과전압이 개선되는 사실을 확인하여 본 발명을 완성하였다.In the present invention, after conducting various studies, a new structure of a cathode active material, which is obtained by adding selenium (Se) to a sulfur-carbon composite instead of an electrically non-conductive sulfur, is applied to a lithium secondary battery. As a result, And that the overvoltage is improved during the discharge process, thereby completing the present invention.

따라서, 본 발명의 목적은 전기 전도도를 개선한 리튬 황-셀레늄 전지용 황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a sulfur-selenium-carbon composite for a lithium sulfur-selenium battery improved in electric conductivity.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 복합체를 포함하는 양극을 구비하여 전지 성능이 향상된 리튬 황-셀레늄 전지를 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a lithium sulfur-selenium battery having a positive electrode including the composite and having improved battery performance.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은,In order to achieve the above object,

황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법에 있어서,In a method for producing a sulfur-selenium-carbon composite,

상기 제조방법은The above-

(1) 셀레늄과 탄소재를 혼합하고, 마이크로웨이브(microwave)로 열처리하여 셀레늄-탄소 복합체를 형성하는 단계; 및(1) mixing selenium and carbon materials, and heat-treating the selenium and carbon materials by microwaves to form a selenium-carbon composite; And

(2) 상기 형성된 셀레늄-탄소 복합체에 황을 혼합하고, 마이크로웨이브로 열처리하여 황-셀레늄-탄소 복합체를 형성하는 단계;(2) mixing the sulfur-containing selenium-carbon composite with the sulfur and heat-treating the selenium-carbon composite by microwave to form a sulfur-selenium-carbon composite;

를 포함하고,Lt; / RTI >

상기 단계(1)의 열처리는 단계(2)의 열처리보다 높은 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법을 제공한다.Wherein the heat treatment in the step (1) is performed at a temperature higher than the heat treatment in the step (2).

본 발명의 일 구체예는 상기 단계(1)의 열처리가 250 내지 500 ℃의 온도에서 수행되는 것이다.One embodiment of the present invention is that the heat treatment of step (1) is carried out at a temperature of 250 to 500 ° C.

본 발명의 일 구체예는 상기 단계(2)의 열처리가 200 내지 400 ℃의 온도에서 수행되는 것이다.In one embodiment of the present invention, the heat treatment in the step (2) is carried out at a temperature of 200 to 400 ° C.

본 발명의 일 구체예는 상기 단계(1)에서의 혼합이 셀레늄과 탄소재가 1:1 내지 1:5의 중량비로 수행되는 것이다.One embodiment of the present invention is that the mixing in step (1) is carried out at a weight ratio of selenium and carbonaceous material of 1: 1 to 1: 5.

본 발명의 일 구체예는 상기 단계(2)에서의 혼합이 황과 셀레늄-탄소 복합체가 6:4 내지 8:2의 중량비로 수행되는 것이다.One embodiment of the present invention is that the mixing in step (2) is carried out in a weight ratio of sulfur and selenium-carbon composite of 6: 4 to 8: 2.

본 발명의 일 구체예는 상기 단계(1)에서 열처리가 5 내지 20초 동안 수행되는 것이다.One embodiment of the present invention is that the heat treatment in the step (1) is performed for 5 to 20 seconds.

본 발명의 일 구체예는 상기 단계(2)에서 열처리가 3 내지 10초 동안 수행되는 것이다.One embodiment of the present invention is that the heat treatment is performed for 3 to 10 seconds in the step (2).

본 발명의 일 구체예는 상기 마이크로웨이브의 출력이 700 내지 1000 W인 것인 것이다.In one embodiment of the present invention, the output of the microwave is 700 to 1000 W.

본 발명의 일 구체예는 상기 마이크로웨이브의 주파수가 2.44 내지 2.46 GHz인 것 것이다.In one embodiment of the present invention, the frequency of the microwave is 2.44 to 2.46 GHz.

본 발명의 일 구체예는 상기 황-셀레늄-탄소 복합체가 전체 황-셀레늄-탄소 복합체 100 중량부 대비 1 내지 10 중량부의 셀레늄을 포함하는 것이다.In one embodiment of the present invention, the sulfur-selenium-carbon composite comprises 1 to 10 parts by weight of selenium relative to 100 parts by weight of the total sulfur-selenium-carbon composite.

본 발명의 일 구체예는 상기 탄소재가 그래파이트, 그래핀, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 탄소섬유 및 활성탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이다.In one embodiment of the present invention, the carbon material is at least one selected from the group consisting of graphite, graphene, carbon black, carbon nanotube, carbon fiber, and activated carbon.

또한 본 발명은 상술한 제조방법에 의해 제조되는 황-셀레늄-탄소 복합체를 포함하는 리튬 황-셀레늄 전지용 양극을 제공한다.The present invention also provides a positive electrode for a lithium sulfur-selenium battery comprising a sulfur-selenium-carbon composite produced by the above-described production method.

본 발명에 따른 황-셀레늄-탄소 복합체는 기존의 리튬-황 전지용 양극 활물질로 사용되는 황-탄소 복합체에 비해 전기 전도도가 우수한 셀레늄을 더 포함하여, 전지의 전기 전도도를 개선하고 방전 과정에서 과전압을 개선하는 효과가 있다.The sulfur-selenium-carbon composite according to the present invention further includes selenium which is superior in electric conductivity to the sulfur-carbon composite used as a cathode active material for a conventional lithium-sulfur battery, thereby improving the electric conductivity of the battery, There is an effect to improve.

상기 황-셀레늄-탄소 복합체를 포함하는 양극이 구비된 리튬 황-셀레늄 전지는 전기 전도도가 개선되어 고용량 전지 구현이 가능하고 황을 고로딩으로 안정적으로 적용 가능할 뿐만 아니라 전지의 충, 방전 효율이 높고 수명 특성이 개선되는 이점을 갖는다.The lithium sulfur-selenium battery having the anode containing the sulfur-selenium-carbon composite has improved electrical conductivity, enabling a high-capacity battery to be realized, and sulfur can be stably applied by high loading, and the charging and discharging efficiency of the battery is high The life characteristic is improved.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀레늄-탄소 복합체와 황-셀레늄-탄소 복합체의 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 황-셀레늄-탄소 복합체의 제조 공정의 모식도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 리튬 황-셀레늄 전지의 방전용량을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 리튬 황-셀레늄 전지의 수명특성을 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 리튬 황-셀레늄 전지의 방전용량을 보여주는 그래프이다.
1 is a SEM photograph of a selenium-carbon composite and a sulfur-selenium-carbon composite according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view of a process for producing a sulfur-selenium-carbon composite according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing a discharge capacity of a lithium sulfur-selenium battery according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
4 is a graph showing lifetime characteristics of a lithium sulfur-selenium battery according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
5 is a graph showing a discharge capacity of a lithium sulfur-selenium battery according to Examples and Comparative Examples of the present invention.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 한정되지 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

도면에서는 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였고, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 사용하였다. 또한, 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 실제 축척과는 무관하며, 설명의 명료성을 위해 축소되거나 과장된 것일 수 있다.In the drawings, the same reference numerals are used for similar parts throughout the specification. In addition, the size and relative size of the components shown in the figures are independent of the actual scale and may be reduced or exaggerated for clarity of description.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

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.As used herein, the term " composite " refers to a material that combines two or more materials to form a physically and chemically distinct phase while exhibiting a more effective function.

리튬-황 전지는 양극 활물질로 황을, 음극 활물질로 리튬 금속을 사용한다.The lithium-sulfur battery uses sulfur as the cathode active material and lithium metal as the anode active material.

리튬-황 전지의 방전시 음극에서는 리튬의 산화 반응이 일어나고, 양극에서는 황의 환원 반응이 발생한다. 이때 환원된 황은 음극으로부터 이동되어 온 리튬 이온과 결합하여 리튬 폴리설파이드로 변환되고 최종적으로 리튬 설파이드를 형성하는 반응을 수반한다.At the discharge of the lithium-sulfur battery, the oxidation reaction of lithium occurs at the cathode and the reduction reaction of sulfur occurs at the anode. At this time, the reduced sulfur is converted to lithium polysulfide by binding with lithium ions that have been moved from the cathode, and finally involves a reaction to form lithium sulfide.

리튬-황 전지는 기존의 리튬 이차 전지에 비해 월등히 높은 이론 에너지 밀도를 가지며, 양극 활물질로 사용되는 황은 자원이 풍부하여 가격이 저렴하므로 전지의 제조단가를 낮출 수 있다는 장점으로 인해 차세대 전지로 각광받고 있다.The lithium-sulfur battery has a much higher theoretical energy density than the conventional lithium secondary battery, and the sulfur used as the cathode active material is inexpensive because of its abundant resources, so it can be used as a next-generation battery have.

이러한 장점에도 불구하고 양극 활물질인 황의 낮은 전기 전도도 및 리튬 이온 전도 특성으로 인해 실제 구동에 있어서는 이론적 에너지 밀도 전부를 구현하는데 어려움이 있다.Despite these advantages, it is difficult to realize all the theoretical energy densities in actual operation due to the low electric conductivity and the lithium ion conductivity of the cathode active material sulfur.

황의 전기 전도도를 개선하기 위해 탄소, 고분자 등 전도성 소재와의 복합체 형성, 코팅 등의 방법이 사용되고 있다. 여러 방법 중 황-탄소 복합체가 양극의 전기 전도성을 개선에 효과적이기 때문에 양극 활물질로 가장 많이 사용되고 있지만, 충, 방전 용량 및 효율 측면에서는 아직 충분치 않다. 따라서, 전지의 전기 전도도를 개선하는 것이 전지의 고용량 및 고효율화에 중요하다.In order to improve the electrical conductivity of sulfur, a method of forming a composite with a conductive material such as carbon, a polymer, and coating is used. Among the various methods, the sulfur-carbon composite is most widely used as a cathode active material because it is effective in improving the electric conductivity of the anode, but it is still insufficient in charge, discharge capacity and efficiency. Therefore, it is important to improve the electric conductivity of the battery to increase the capacity and high efficiency of the battery.

황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법Method for producing sulfur-selenium-carbon composites

본 발명의 황-셀레늄-탄소 복합체는 The sulfur-selenium-carbon composites of the present invention

(1) 셀레늄과 탄소재를 혼합하고, 마이크로웨이브(microwave)로 열처리하여 셀레늄-탄소 복합체를 형성하는 단계; 및(1) mixing selenium and carbon materials, and heat-treating the selenium and carbon materials by microwaves to form a selenium-carbon composite; And

(2) 상기 형성된 셀레늄-탄소 복합체에 황을 혼합하고, 마이크로웨이브로 열처리하여 황-셀레늄-탄소 복합체를 형성하는 단계;(2) mixing the sulfur-containing selenium-carbon composite with the sulfur and heat-treating the selenium-carbon composite by microwave to form a sulfur-selenium-carbon composite;

를 포함하고,Lt; / RTI >

상기 단계(1)의 열처리는 단계(2)의 열처리보다 높은 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 제조방법을 통하여 제조된다.Wherein the heat treatment of step (1) is carried out at a temperature higher than the heat treatment of step (2).

먼저, 본 발명의 황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법은, 셀레늄과 탄소재를 혼합하는 단계 (1)을 포함한다.First, the method for producing a sulfur-selenium-carbon composite of the present invention includes a step (1) of mixing selenium and a carbonaceous material.

상기 셀레늄과 탄소재의 혼합은 분말들을 혼합하는 일반적인 볼밀 공정 등을 통해 실시할 수 있으며, 이에 제한되지 않을 수 있다.The mixing of the selenium and the carbonaceous material can be carried out through a general ball mill process or the like in which the powders are mixed, but the present invention is not limited thereto.

상기 단계 (1)에서 셀레늄과 탄소재를 혼합할 때, 셀레늄과 탄소재의 중량비는 1:1 내지 1:5, 바람직하게는 15:30 내지 7:30 일 수 있다. 만일 셀레늄의 포함량이 상기 중량비 범위 미만인 경우 전지의 전기 전도도 향상이 미미할 수 있고, 상기 중량비 범위를 초과하는 경우 셀레늄이 황에 비해 단위 중량이 높아 에너지 밀도 구현이 어려울 수 있는 문제점이 있으므로 상기 범위 내에서 적절히 조절한다.When mixing the selenium and the carbonaceous material in the step (1), the weight ratio of selenium to carbonaceous material may be 1: 1 to 1: 5, preferably 15:30 to 7:30. If the content of selenium is less than the above range, the improvement of the electrical conductivity of the battery may be insignificant. If the content of selenium exceeds the above range, the unit weight of selenium is higher than that of sulfur, Adjust accordingly.

본 발명의 일 실시예에 따르면 후술할 황-셀레늄-탄소 복합체 전체 100 중량부 대비 1 내지 10 중량부의 셀레늄을 포함할 수 있고, 바람직하게는 7 내지 10 중량부를 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, selenium may be contained in an amount of 1 to 10 parts by weight, preferably 7 to 10 parts by weight, relative to 100 parts by weight of the sulfur-selenium-carbon composite as a whole.

기존의 리튬-황 전지의 양극 활물질로 사용되는 황-탄소 복합체의 경우, 황의 전기 전도도가 5 × 10-30 S/cm 로 부도체에 가까우므로 전기화학 반응으로 생성된 전자의 이동이 어려운 문제가 있고, 원활한 전기 화학적 반응 사이트를 제공할 수 있는 탄소와 같은 전기적 도전재를 사용할 필요가 있었다.In the case of a sulfur-carbon composite used as a cathode active material of a conventional lithium-sulfur battery, the electric conductivity of sulfur is 5 × 10 -30 S / cm, which is close to that of an insulator, , It has been necessary to use an electrically conductive material such as carbon which can provide a smooth electrochemical reaction site.

본 단계에서 혼합되는 탄소재는 양극 활물질인 황이 균일하고 안정적으로 고정화될 수 있는 골격을 제공하고 황의 전기 전도도를 보완하여 전기 화학 반응이 원활하게 진행될 수 있도록 한다.The carbon material mixed in this step provides a skeleton capable of uniformly and stably immobilizing sulfur, which is a cathode active material, and improves the electrical conductivity of sulfur, so that the electrochemical reaction proceeds smoothly.

상기 탄소재의 형태는 구형, 봉형, 침상형, 판상형, 튜브형 또는 벌크형일 수 있고, 다공성 구조이거나 비표면적이 높은 것으로 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이든 무방하다. 예를 들어, 상기 탄소재로는 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); 그래파이트 나노파이버(GNF), 카본 나노파이버(CNF), 활성화 탄소 파이버(ACF) 등의 탄소 섬유; 및 활성탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 탄소재 입자의 직경은 100nm 내지 50㎛인 것을 사용할 수 있다.The carbon material may be spherical, rod-shaped, needle-shaped, plate-shaped, tubular or bulky, and may be porous or have a high specific surface area, as long as it is commonly used in the art. For example, the carbon material may include 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 wall carbon nanotubes (SWCNTs) and multiwall carbon nanotubes (MWCNTs); Carbon fibers such as graphite nanofiber (GNF), carbon nanofiber (CNF), and activated carbon fiber (ACF); And activated carbon, but is not limited thereto. The carbon material particles having a diameter of 100 nm to 50 탆 may be used.

본 발명에 따른 셀레늄(Se)은 산소, 황이 속하고 있는 주기율표 상의 16족에 속하면서도 d 오비탈에 전자를 가지고 있기 때문에 전기 전도성이 황에 비해 높다. 따라서 이러한 셀레늄을 양극 활물질로 사용되는 기존의 황-탄소 복합체에 추가할 경우 전기 전도도가 향상되고, 양극 활물질 내 탄소재의 함량이 감소된 상태에서도 전지의 구동이 가능하다. 또한 이를 포함하는 전지의 방전용량이 증가하고 고율 방전 구간에서도 전지의 과전압이 개선되어 구동이 가능한 효과가 있다.The selenium (Se) according to the present invention belongs to the group 16 on the periodic table in which oxygen and sulfur belong, but the electron conductivity is higher than that of sulfur because it has electrons in the d orbitals. Therefore, when the selenium is added to the conventional sulfur-carbon composite material used as the cathode active material, the electric conductivity is improved and the battery can be driven even when the content of the carbonaceous material in the cathode active material is decreased. Further, there is an effect that the discharge capacity of the battery including the same is increased and the overvoltage of the battery is improved even in the high-rate discharge period, so that the battery can be driven.

이후, 셀레늄과 탄소재의 혼합물에 마이크로웨이브를 조사하여 열처리 과정을 거쳐 셀레늄-탄소 복합체를 형성할 수 있다.Thereafter, a mixture of selenium and carbonaceous material can be irradiated with microwaves and subjected to heat treatment to form a selenium-carbon composite.

이때 셀레늄의 녹는점이 220℃이므로, 셀레늄이 탄소재에 균일하게 담지되기 위하여 상기 열처리는 셀레늄의 녹는점보다 높은 250 내지 500 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 만일 상기 온도 미만의 범위에서 열처리 할 경우 셀레늄이 용융되지 못해 탄소재에 균일하게 담지될 수 없기 때문에 셀레늄을 도입하여 얻고자 하는 전기 전도도 향상 효과가 미미할 수 있으며, 상기 온도를 초과하여 열처리를 할 경우 셀레늄 자체가 기화하여 탄소제와 복합체를 형성하는 것이 어려울 수 있으므로 상기 범위에서 적절히 조절한다.At this time, since the melting point of selenium is 220 ° C, the heat treatment may be performed at a temperature of 250 to 500 ° C higher than the melting point of selenium so that the selenium is uniformly carried on the carbonaceous material. If the selenium is not melted and can not be uniformly supported on the carbon material, the effect of improving the electrical conductivity to be obtained by introducing selenium may be insufficient. Since selenium itself may be difficult to vaporize and form a complex with a carbonaceous agent, it is appropriately controlled within the above range.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 마이크로웨이브는 2.44 내지 2.46 GHz, 바람직하게는 2.45 GHz의 주파수를 갖고, 700 내지 1000 W의 출력을 가질 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the microwave has a frequency of 2.44 to 2.46 GHz, preferably 2.45 GHz, and can have an output of 700 to 1000 W. [

상기 마이크로웨이브의 주파수가 2.44 GHz 미만이거나, 출력이 700 W 미만인 경우 가열효과가 미흡하여 열처리가 제대로 이루어지지 않을 수 있고, 상기 주파수가 2.46 GHz를 초과하거나, 출력이 1000 W를 초과하는 경우, 승온 속도가 지나쳐 열처리가 과도하게 일어나 양극 활물질의 구조적 변화 또는 부반응을 야기할 수 있으므로, 상기 범위에서 적절히 조절한다. 마이크로웨이브를 이용한 열처리는 마이크로웨이브의 출력과 조사 시간에 비례하므로 마이크로웨이브의 출력에 따라 그 조사 시간을 적절하게 선택할 수 있다.If the frequency of the microwave is less than 2.44 GHz or the output is less than 700 W, the heating effect may be insufficient and the heat treatment may not be performed properly. If the frequency exceeds 2.46 GHz or the output exceeds 1000 W, The rate is excessively excessive and the heat treatment may occur excessively to cause a structural change or side reaction of the cathode active material, so that it is appropriately adjusted in the above range. Since the heat treatment using the microwave is proportional to the output of the microwave and the irradiation time, the irradiation time can be appropriately selected according to the output of the microwave.

본 발명의 일 실시예에 따르면 단계(1)의 마이크로웨이브의 조사는 5 내지 20초의 시간동안 수행될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the irradiation of the microwave of step (1) may be performed for a time of 5 to 20 seconds.

다음으로 상기 단계(1)에서 제조된 황과 셀레늄-탄소 복합체를 혼합하는 단계를 포함한다.And then mixing the sulfur and the selenium-carbon composite prepared in step (1).

상기 황과 셀레늄-탄소 복합체를 혼합은 분말들을 혼합하는 일반적인 볼밀 공정 등을 통해 실시할 수 있으며, 이에 제한되지 않을 수 있다.The mixing of the sulfur and the selenium-carbon composite may be performed through a general ball mill process or the like in which the powders are mixed, but the present invention is not limited thereto.

이때, 상기 황과 셀레늄-탄소 복합체의 중량비는 6:4 내지 8:2, 바람직하게는 6.3:3.7 내지 7:3 일 수 있다. 만일 상기 황의 포함량이 상기 중량비 범위 미만인 경우 에너지 밀도가 낮아지고, 탄소재의 함량이 증가함에 따라 양극 슬러리 제조시에 필요한 바인더 첨가량이 늘어난다. 이러한 바인더 첨가량의 증가는 결국 전극의 면저항을 증가시키기게 되고 전자 이동(electronpass)을 막는 절연체 역할을 하게 되어 셀 성능을 저하시킬 수 있다. 반대로 황의 포함량이 상기 중량비 범위를 초과하는 경우 과전압이 발생하여 전지 구동이 어려울 수 있으며, 황이 자가 응집 현상을 일으키고, 전자를 받기 어려워서 전극 반응에 직접적으로 참여하기 어렵게 될 수 있으므로 상기 범위에서 적절히 조절한다.At this time, the weight ratio of the sulfur and the selenium-carbon composite may be 6: 4 to 8: 2, preferably 6.3: 3.7 to 7: 3. If the content of sulfur is less than the above-mentioned weight ratio range, the energy density is lowered, and as the content of the carbonaceous material is increased, the amount of the binder required for preparing the cathode slurry is increased. Such an increase in the amount of the binder may increase the sheet resistance of the electrode and may act as an insulator to prevent electron transfer, thereby deteriorating the cell performance. On the contrary, when the content of sulfur exceeds the above-mentioned weight ratio range, overvoltage may occur and battery operation may be difficult, and sulfur may cause self-agglomeration phenomenon and it may be difficult to directly participate in electrode reaction due to difficulty in receiving electrons. .

상기 혼합된 셀레늄-탄소 복합체와 황의 혼합물에 마이크로웨이브를 조사하여 열처리 과정을 거쳐 황-셀레늄-탄소 복합체를 형성할 수 있다.The mixed selenium-carbon composite material and the sulfur mixture may be subjected to a heat treatment by irradiation with microwaves to form a sulfur-selenium-carbon composite material.

단계 (2)의 열처리는 셀레늄-탄소 복합체에 황이 잘 담지될 수 있도록 상기 열처리는 황의 녹는점보다 높은 200 내지 400 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 만일 상기 온도 미만의 범위에서 열처리 할 경우 황이 용융되지 못해 셀레늄-탄소 복합체에 균일하게 담지될 수 없고, 상기 온도를 초과하여 열처리를 할 경우 황이 기화하여 셀레늄-탄소 복합체와 황-셀레늄-탄소 복합체를 형성하는 것이 어려울 수 있으므로 상기 범위에서 적절히 조절한다.The heat treatment in step (2) may be carried out at a temperature of 200 to 400 ° C higher than the melting point of sulfur so that sulfur can be well supported on the selenium-carbon composite. If the heat treatment is performed at a temperature lower than the above temperature, the sulfur can not be melted and can not be uniformly supported on the selenium-carbon composite. When the heat treatment is performed in excess of the above temperature, the sulfur vaporizes and the selenium-carbon composite and the sulfur- It may be difficult to form it, so it is appropriately adjusted in the above range.

다만, 본 발명에 따른 열처리는 단계(2)보다 단계(1)에서 높은 온도로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 만일 단계(2)가 단계(1)보다 높은 온도로 열처리 과정을 수행하게 되면, 셀레늄보다 녹는점이 더 낮은 황이 모두 기화하여 황-셀레늄-탄소 복합체를 형성할 수 없다.However, the heat treatment according to the present invention is characterized in that the temperature is higher in step (1) than in step (2). If step (2) is subjected to a heat treatment at a temperature higher than that of step (1), sulfur having a melting point lower than that of selenium can not vaporize to form a sulfur-selenium-carbon composite.

또한 셀레늄을 담지하기 위해 황-탄소 복합체를 단계 (1)로 하여 먼저 형성하고 셀레늄을 혼합하여 열처리 하게 되면 기존의 황-탄소 복합체 상의 황이 모두 기화되어 사라지기 때문에, 본 발명에서는 보다 높은 온도에서 셀레늄과 탄소재를 이용하여 셀레늄-탄소 복합체를 먼저 형성한 후, 황을 혼합하여 황-셀레늄-탄소 복합체를 형성할 수 있다.In addition, since the sulfur on the conventional sulfur-carbon composite material is evaporated and disappears when the sulfur-carbon composite is first formed as the step (1) to carry selenium and the selenium is mixed and heat-treated, The selenium-carbon composite may be formed first using an overbased material, and then the sulfur may be mixed to form a sulfur-selenium-carbon composite.

상기 단계(2)의 열처리는 전술한 주파수와 출력의 범위를 갖는 마이크로웨이브를 이용할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따르면 단계(2)의 마이크로웨이브의 조사는 3 내지 10초의 시간동안 수행될 수 있다.The heat treatment in the step (2) may use a microwave having the above-mentioned frequency and power range, and according to an embodiment of the present invention, the examination of the microwave in the step (2) is performed for a time of 3 to 10 seconds .

본 발명의 황-셀레늄-탄소 복합체의 황은 무기 황(S8), Li2Sn(n ≥ 1), 유기 황 화합물 및 탄소-황 폴리머[(C2Sx)n, x=2.5 내지 50, n ≥ 2]로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 무기 황(S8)을 사용할 수 있다.Sulfur of the sulfur-selenium-carbon composite of the present invention is a mixture of inorganic sulfur (S 8 ), Li 2 S n (n ≥ 1), organic sulfur compound and carbon-sulfur polymer [(C 2 S x ) n , x = , n > = 2]. Preferably, inorganic sulfur (S 8 ) can be used.

리튬 황-셀레늄 전지용 양극Anode for lithium sulfur-selenium battery

본 발명은 상기의 제조방법에 의해 제조되는 황-셀레늄-탄소 복합체를 양극 활물질로 포함하는 리튬 황-셀레늄 전지용 양극을 제공한다. 구체적으로는 본 발명에 따른 리튬 황-셀레늄 전지용 양극은 상술한 리튬 황-셀레늄 전지용 양극 활물질인 황-셀레늄-탄소 복합체, 바인더 및 도전재를 포함할 수 있다.The present invention provides a cathode for a lithium sulfur-selenium battery comprising a sulfur-selenium-carbon composite produced by the above-described method as a cathode active material. Specifically, the cathode for a lithium sulfur-selenium battery according to the present invention may include a sulfur-selenium-carbon composite as a cathode active material for a lithium sulfur-selenium battery, a binder, and a conductive material.

상기 양극은 당 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 양극 활물질에 용매, 필요에 따라 바인더, 도전재, 분산제를 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조한 후 이를 금속 재료의 집전체에 도포(코팅)하고 압축한 뒤 건조하여 양극을 제조할 수 있다.The anode may be prepared by a conventional method known in the art. For example, a slurry may be prepared by mixing and stirring a solvent, a binder, a conductive material, and a dispersant as necessary in a cathode active material, and then coating (coating) the mixture on a current collector of a metal material, have.

구체적으로 상기 제조된 양극 활물질에 추가적인 도전성을 부여하기 위하여, 상기 양극 조성물에는 도전재가 추가될 수 있다. 상기 도전재는 전자가 양극 내에서 원활하게 이동하도록 하기 위한 역할을 하는 것으로, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성이 우수하고 넓은 표면적을 제공할 수 있는 것이면 특별한 제한이 없으나, 바람직하게는 탄소계 물질을 사용한다.Specifically, in order to impart additional conductivity to the prepared cathode active material, a conductive material may be added to the cathode active material. The conductive material plays a role in allowing electrons to move smoothly in the anode. The conductive material is not particularly limited as long as the conductive material does not cause a chemical change in the battery and can provide a large surface area. Materials are used.

상기 탄소계 물질로는 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 그래핀(Graphene)과 같은 흑연(Graphite)계, 활성탄(Active carbon)계, 채널 블랙(Channel black), 퍼니스 블랙(Furnace black), 써말 블랙(Thermal black), 컨택트 블랙(Contact black), 램프 블랙(Lamp black), 아세틸렌 블랙(Acetylene black)과 같은 카본 블랙(Carbon black)계; 탄소 섬유(Carbon fiber)계, 탄소나노튜브(Carbon nanotube: CNT), 풀러렌(Fullerene)과 같은 탄소 나노 구조체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 사용할 수 있다. Examples of the carbon-based material include natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, graphite such as Graphene, active carbon, channel black, furnace black, Carbon black such as black, thermal black, contact black, lamp black, and acetylene black; A carbon nano structure such as a carbon fiber, a carbon nanotube (CNT), and a fullerene, and a combination thereof may be used.

상기 탄소계 물질 이외에도, 목적에 따라 금속 메쉬 등의 금속성 섬유; 구리(Cu), 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 등의 금속성 분말; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 유기 도전성 재료도 사용할 수 있다. 상기 도전성 재료들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다. In addition to the carbon-based materials, metallic fibers such as metal mesh may be used depending on the purpose. Metallic powder such as copper (Cu), silver (Ag), nickel (Ni) and aluminum (Al); Or an organic conductive material such as a polyphenylene derivative can also be used. The conductive materials may be used alone or in combination.

또한 상기 양극 활물질에 집전체에 대한 부착력을 제공하기 위하여, 상기 양극 조성물에는 바인더가 추가적으로 포함될 수 있다. 상기 바인더는 용매에 잘 용해되어야 하며, 양극 활물질과 도전재와의 도전 네트워크를 잘 구성해주어야 할 뿐만 아니라 전해액의 함침성도 적당히 가져야 한다.In addition, in order to provide the positive electrode active material with an adhesive force to the collector, a binder may be further included in the positive electrode composition. The binder must be well dissolved in a solvent, and it should not only constitute a conductive network between the cathode active material and the conductive material, but also have an ability to impregnate the electrolyte appropriately.

본 발명에 적용 가능한 바인더는 당해 업계에서 공지된 모든 바인더들일 수 있고, 구체적으로는, 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVdF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는 불소 수지계 바인더; 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부티디엔 고무, 스티렌-이소프렌 고무를 포함하는 고무계 바인더; 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈를 포함하는 셀룰로오스계 바인더; 폴리 알코올계 바인더; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌를 포함하는 폴리 올레핀계 바인더; 폴리 이미드계 바인더, 폴리 에스테르계 바인더, 실란계 바인더;로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물이거나 공중합체일 수 있으나, 이에 제한되지 않음은 물론이다.The binder applicable to the present invention may be any binder known in the art and specifically includes a fluororesin binder containing polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) ; Rubber-based binders including styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, and styrene-isoprene rubber; Cellulosic binders including carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, and regenerated cellulose; Polyalcohol-based binders; Polyolefin binders including polyethylene and polypropylene; But are not limited to, polyimide-based binders, polyester-based binders, and silane-based binders, or a mixture or copolymer of two or more thereof.

상기 바인더 수지의 함량은 상기 리튬 황-셀레늄 전지용 양극 총중량을 기준으로 0.5 ~ 30 중량%일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 상기 바인더 수지의 함량이 0.5 중량% 미만인 경우에는, 양극의 물리적 성질이 저하되어 양극 활물질과 도전재가 탈락할 수 있고, 30 중량%를 초과하는 경우에는 양극에서 활물질과 도전재의 비율이 상대적으로 감소되어 전지 용량이 감소될 수 있다.The content of the binder resin may be 0.5-30 wt% based on the total weight of the cathode for lithium-sulfur battery, but is not limited thereto. If the content of the binder resin is less than 0.5% by weight, the physical properties of the positive electrode may deteriorate and the positive electrode active material and the conductive material may fall off. When the amount of the binder resin is more than 30% by weight, the ratio of the active material and the conductive material is relatively decreased The battery capacity can be reduced.

리튬 황-셀레늄 전지용 양극 조성물을 슬러리 상태로 제조하기 위한 용매는 건조가 용이해야하며, 바인더를 잘 용해시킬 수 있되, 양극 활물질 및 도전재는 용해시키지 않고 분산 상태로 유지시킬 수 있는 것이 가장 바람직하다. 용매가 양극 활물질을 용해시킬 경우에는 슬러리에서 황의 비중(D = 2.07)이 높기 때문에 황이 슬러리에서 가라앉게 되어 코팅시 집전체에 황이 몰려 도전 네트워크에 문제가 생겨 전지의 작동에 문제가 발생하는 경향이 있다.It is most preferable that the solvent for preparing the cathode composition for a lithium sulfur-selenium battery in a slurry state should be easy to dry and can dissolve the binder well, while maintaining the cathode active material and the conductive material in a dispersed state without dissolving. When the solvent dissolves the cathode active material, the specific gravity (D = 2.07) of the sulfur in the slurry is high, so that the sulfur is submerged in the slurry, which causes sulfur in the current collector in the coating, have.

본 발명에 따른 용매는 물 또는 유기 용매가 가능하며, 상기 유기 용매는 디메틸포름아미드, 이소프로필알콜, 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 유기 용매가 적용 가능하다.The solvent according to the present invention may be water or an organic solvent, and the organic solvent may be an organic solvent containing at least one selected from the group consisting of dimethylformamide, isopropyl alcohol, acetonitrile, methanol, ethanol and tetrahydrofuran It is possible.

상기 양극 조성물의 혼합은 통상의 혼합기, 예컨대 레이트스 믹서, 고속 전단 믹서, 호모 믹서 등을 이용하여 통상의 방법으로 교반할 수 있다.The mixing of the cathode composition may be carried out by a conventional method using a conventional mixer such as a latex mixer, a high-speed shear mixer, a homomixer, and the like.

상기 양극 조성물을 집전체에 도포하고, 진공 건조하여 리튬 황-셀레늄 전지용 양극을 형성할 수 있다. 상기 슬러리는 슬러리의 점도 및 형성하고자 하는 양극의 두께에 따라 적절한 두께로 집전체에 코팅할 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 300 ㎛ 범위 내에서 적절히 선택할 수 있다.The positive electrode composition may be applied to a current collector and vacuum dried to form a positive electrode for a lithium sulfur-selenium battery. The slurry may be coated on the current collector with an appropriate thickness according to the viscosity of the slurry and the thickness of the anode to be formed, and may be suitably selected within the range of 10 to 300 mu m.

이때 상기 슬러리를 코팅하는 방법으로 그 제한은 없으며, 예컨대, 닥터 블레이드 코팅(Doctor blade coating), 딥 코팅(Dip coating), 그라비어 코팅(Gravure coating), 슬릿 다이 코팅(Slit die coating), 스핀 코팅(Spin coating), 콤마 코팅(Comma coating), 바 코팅(Bar coating), 리버스 롤 코팅(Reverse roll coating), 스크린 코팅(Screen coating), 캡 코팅(Cap coating) 방법 등을 수행하여 제조할 수 있다.The slurry may be coated by a method such as doctor blade coating, dip coating, gravure coating, slit die coating, spin coating, Spin coating, comma coating, bar coating, reverse roll coating, screen coating, cap coating and the like.

상기 양극 집전체로는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들 수 있고, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특히 제한하지 않는다. 예컨대 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 티타늄 등의 전도성 금속을 사용할 수 있고, 바람직하게는 알루미늄 집전체를 사용할 수 있다. 이러한 양극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체 또는 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The cathode current collector generally has a thickness of 3 to 500 탆, and is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, a conductive metal such as stainless steel, aluminum, copper, or titanium can be used, and an aluminum current collector can be preferably used. Such a positive electrode current collector may have various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam or a nonwoven fabric.

리튬 황-셀레늄 전지Lithium sulfur-selenium battery

본 발명의 일 실시예로서, 리튬 황-셀레늄 전지는 상술한 리튬 황-셀레늄 전지용 양극; 음극 활물질로서 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함하는 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 상기 음극, 양극 및 분리막에 함침되어 있으며, 리튬염과 유기용매를 포함하는 전해질을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the lithium sulfur-selenium battery includes the positive electrode for the lithium sulfur-selenium battery described above; A negative electrode comprising lithium metal or a lithium alloy as a negative electrode active material; A separator interposed between the anode and the cathode; And an electrolyte impregnated with the negative electrode, the positive electrode and the separator, and including a lithium salt and an organic solvent.

상기 음극은 음극 활물질로서 리튬 이온(Li+)을 가역적으로 인터칼레이션(Intercalation) 또는 디인터칼레이션(Deintercalation)할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 사용할 수 있다. 상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션할 수 있는 물질은 예컨대 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질은 예를 들어, 산화주석, 티타늄나이트레이트 또는 실리콘일 수 있다. 상기 리튬 합금은 예를 들어, 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al 및 Sn으로 이루어지는 군에서 선택되는 금속의 합금일 수 있다. The negative electrode is a negative active material that can reversibly intercalate or deintercalate lithium ions (Li + ), a material capable of reversibly reacting with lithium ions to form a lithium-containing compound , A lithium metal or a lithium alloy can be used. The material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions may be, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof. The material capable of reacting with the lithium ion to form a lithium-containing compound reversibly may be, for example, tin oxide, titanium nitrate or silicon. The lithium alloy may be, for example, an alloy of lithium and a metal selected from the group consisting of Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al and Sn.

또한, 리튬 황-셀레늄 전지를 충·방전하는 과정에서, 양극 활물질로 사용되는 황이 비활성 물질로 변화되어, 리튬 음극 표면에 부착될 수 있다. 이와 같이 비활성 황(Inactive sulfur)은 황이 여러 가지 전기화학적 또는 화학적 반응을 거쳐 양극의 전기화학 반응에 더 이상 참여할 수 없는 상태의 황을 의미하며, 리튬 음극 표면에 형성된 비활성 황은 리튬 음극의 보호막(Protective layer)으로서 역할을 하는 장점도 있다. 따라서, 리튬 금속과 이 리튬 금속 위에 형성된 비활성 황, 예를 들어 리튬 설파이드를 음극으로 사용할 수도 있다.Further, in the course of charging / discharging the lithium sulfur-selenium battery, the sulfur used as the cathode active material is changed to an inactive material and can be attached to the surface of the lithium anode. Inactive sulfur is sulfur in which sulfur can not participate in the electrochemical reaction of the anode after various electrochemical or chemical reactions. Inactive sulfur formed on the surface of the lithium anode is a protective film of the lithium anode layer as well. Therefore, a lithium metal and an inert sulfur formed on the lithium metal, such as lithium sulfide, may be used as the cathode.

본 발명의 음극은 상기 음극 활물질 이외에 리튬 이온 전도성 물질로 이루어진 전처리층 및 상기 전처리층 상에 형성된 리튬 금속 보호층을 추가적으로 더 포함할 수 있다.The negative electrode of the present invention may further include a pretreatment layer made of a lithium ion conductive material in addition to the negative electrode active material, and a lithium metal protective layer formed on the pretreatment layer.

상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막은 양극과 음극을 서로 분리 또는 절연시키고, 양극과 음극 사이에 리튬 이온의 수송을 가능하게 하는 것으로 다공성 비전도성 또는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 분리막은 높은 이온 투과도 및 기계적 강도를 가지는 절연체로서 얇은 박막 또는 필름과 같은 독립적인 부재일 수도 있고, 양극 및/또는 음극에 부가된 코팅층일 수도 있다. 또한 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.The separator interposed between the anode and the cathode separates or insulates the anode and the cathode from each other and allows transport of lithium ions between the anode and the cathode, and may be made of a porous nonconductive or insulating material. Such a separator may be an independent member such as a thin film or a film as an insulator having high ion permeability and mechanical strength, or may be a coating layer added to the anode and / or the cathode. When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separation membrane.

상기 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이 바람직하며, 이러한 분리막으로는, 유리 전해질(Glass electrolyte), 고분자 전해질 또는 세라믹 전해질 등이 사용될 수 있다. 예컨대 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머, 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포, 크라프트지 등이 사용된다. 현재 시판중인 대표적인 예로는 셀가드 계열(CelgardR 2400, 2300 Hoechest Celanese Corp. 제품), 폴리프로필렌 분리막(Ube Industries Ltd. 제품 또는 Pall RAI사 제품), 폴리에틸렌 계열(Tonen 또는 Entek) 등이 있다.The separator preferably has a pore diameter of 0.01 to 10 mu m and a thickness of 5 to 300 mu m. The separator may be a glass electrolyte, a polymer electrolyte, a ceramic electrolyte, or the like. For example, olefin-based polymers such as polypropylene having chemical resistance and hydrophobicity, sheets or non-woven fabrics made of glass fibers or polyethylene, kraft paper, or the like are used. Representative examples currently on the market include the Celgard R 2400 (2300 Hoechest Celanese Corp.), polypropylene separator (Ube Industries Ltd. or Pall RAI), and polyethylene (Tonen or Entek).

고체 상태의 전해질 분리막은 약 20 중량% 미만의 비수성 유기 용매를 포함할 수도 있으며, 이 경우에는 유기 용매의 유동성을 줄이기 위하여 적절한 겔 형성 화합물(Gelling agent)을 더 포함할 수도 있다. 이러한 겔 형성 화합물의 대표적인 예로는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐리덴플루라이드, 폴리아크릴로니트릴 등을 들 수 있다.The solid electrolyte separation membrane may contain less than about 20% by weight of a non-aqueous organic solvent, in which case it may further comprise a suitable gelling agent to reduce the fluidity of the organic solvent. Representative examples of such gel-forming compounds include polyethylene oxide, polyvinylidene fluoride, and polyacrylonitrile.

상기 음극, 양극 및 분리막에 함침되어 있는 전해질은 리튬염을 함유하는 비수계 전해질로서 리튬염과 전해액으로 구성되어 있으며, 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질 및 무기 고체 전해질 등이 사용된다.The electrolyte impregnated in the negative electrode, the positive electrode and the separator is a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt. The non-aqueous electrolyte is composed of a lithium salt and an electrolyte. Non-aqueous organic solvents, organic solid electrolytes and inorganic solid electrolytes are used as the electrolyte.

본 발명의 리튬염은 비수계 유기용매에 용해되기 좋은 물질로서, 예컨대, LiSCN, LiCl, LiBr, LiI, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiB10Cl10, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiClO4, LiAlCl4, Li(Ph)4, LiC(CF3SO2)3, LiN(FSO2)2, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(SFO2)2, LiN(CF3CF2SO2)2, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬, 리튬 이미드 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 하나 이상이 포함될 수 있다.The lithium salt of the present invention can be dissolved in a non-aqueous organic solvent, for example, LiSCN, LiCl, LiBr, LiI, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiB 10 Cl 10 , LiCH 3 SO 3 , LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2 , LiClO 4, LiAlCl 4, Li (Ph) 4, LiC (CF 3 SO 2) 3, LiN (FSO 2) 2, LiN (CF 3 SO 2) 2, LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (SFO 2 ) 2 , LiN (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , chloroborane lithium, lithium lower aliphatic carboxylate, lithium 4-phenylborate, lithium imide and combinations thereof One or more of the groups may be included.

상기 리튬염의 농도는, 전해질 혼합물의 정확한 조성, 염의 용해도, 용해된 염의 전도성, 전지의 충전 및 방전 조건, 작업 온도 및 리튬 배터리 분야에 공지된 다른 요인과 같은 여러 요인에 따라, 0.2 ~ 2 M, 구체적으로 0.6 ~ 2 M, 더욱 구체적으로 0.7 ~ 1.7 M일 수 있다. 0.2 M 미만으로 사용하면 전해질의 전도도가 낮아져서 전해질 성능이 저하될 수 있고, 2 M을 초과하여 사용하면 전해질의 점도가 증가하여 리튬 이온(Li+)의 이동성이 감소될 수 있다.The concentration of the lithium salt may be in the range of 0.2 to 2 M, preferably 1 to 2 M, depending on various factors such as the precise composition of the electrolyte mixture, the solubility of the salt, the conductivity of the dissolved salt, the charging and discharging conditions of the battery, Specifically, it may be 0.6 to 2 M, more specifically 0.7 to 1.7 M. If it is used at less than 0.2 M, the conductivity of the electrolyte may be lowered and the performance of the electrolyte may be deteriorated. If it is used in excess of 2 M, the viscosity of the electrolyte may increase and the mobility of lithium ions (Li + ) may be reduced.

상기 비수계 유기용매는 리튬염을 잘 용해시켜야 하며, 본 발명의 비수계 유기용매로는, 예컨대, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부티로락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소란, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소란, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소란 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있으며, 상기 유기 용매는 하나 또는 둘 이상의 유기 용매들의 혼합물일 수 있다.Examples of the non-aqueous organic solvent of the present invention include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, di Ethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, gamma-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 3-dioxolane, diethyl ether, formamide, dimethyl formamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid triester, trimethylene Ethers such as ethoxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ether, methyl pyrophosphate, ethyl propionate Organic solvent And the organic solvent may be one or a mixture of two or more organic solvents.

상기 유기 고체 전해질로는, 예컨대, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(Agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include organic polymers such as polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, agitation lysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohols, polyvinylidene fluoride, A polymer including a group can be used.

상기 무기 고체 전해질로는, 예컨대, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다. Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 Nitrides, halides, sulfates and the like of Li such as SiO 4 -LiI-LiOH and Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 can be used.

본 발명의 전해질에는 충·방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예컨대, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-ethylene carbonate), PRS(Propene sultone), FPC(Fluoro-propylene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.The electrolyte of the present invention may contain at least one selected from the group consisting of pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, glyme, hexa-phosphoric triamide, Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxyethanol, . In some cases, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride, ethylene trifluoride or the like may be further added to impart nonflammability. In order to improve the high-temperature storage characteristics, carbon dioxide gas may be further added. carbonate, PRS (propene sultone), FPC (fluoro-propylene carbonate) and the like.

상기 전해질은 액상 전해질로 사용할 수도 있고, 고체 상태의 전해질 세퍼레이터 형태로도 사용할 수 있다. 액상 전해질로 사용할 경우에는 전극을 물리적으로 분리하는 기능을 갖는 물리적인 분리막으로서 다공성 유리, 플라스틱, 세라믹 또는 고분자 등으로 이루어진 분리막을 더 포함한다.The electrolyte may be used as a liquid electrolyte or as a solid electrolyte separator. When used as a liquid electrolyte, the separator further includes a separation membrane made of porous glass, plastic, ceramic, or polymer as a physical separation membrane having a function of physically separating the electrode.

전술한 바의 리튬 황-셀레늄 전지의 형태는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 젤리-롤형, 스택형, 스택-폴딩형(스택-Z-폴딩형 포함), 또는 라미네이션-스택 형일 수 있으며, 바람직하기로 스택-폴딩형일 수 있다. The shape of the lithium sulfur-selenium battery described above is not particularly limited and may be, for example, a jelly-roll type, a stack type, a stack-folding type (including a stack-Z-folding type), or a lamination- May be of the stack-folding type.

이러한 상기 양극, 분리막, 및 음극이 순차적으로 적층된 전극 조립체를 제조한 후, 이를 전지 케이스에 넣은 다음, 케이스의 상부에 전해액을 주입하고 캡 플레이트 및 가스켓으로 밀봉하여 조립하여 리튬 황-셀레늄 전지를 제조한다.The electrode assembly having the positive electrode, the separator, and the negative electrode sequentially laminated was prepared, and the electrode assembly was inserted into the battery case. Then, an electrolyte solution was injected into the upper part of the case and sealed with a cap plate and a gasket to assemble the lithium- .

상기 리튬 황-셀레늄 전지는 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다. 이들 전지의 구조와 제조 방법은 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.The lithium sulfur-selenium battery may be classified into a cylindrical type, a square type, a coin type, a pouch type, and the like depending on the type, and may be divided into a bulk type and a thin type depending on the size. The structure and the manufacturing method of these cells are well known in the art, and detailed description thereof will be omitted.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and the like, but the scope and content of the present invention can not be construed to be limited or limited by the following Examples. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. It is natural that it belongs to the claims.

[실시예][Example]

황-셀레늄-탄소 복합체의 제조Preparation of sulfur-selenium-carbon composites

[실시예 1] [Example 1]

도 2에서 나타난 바와 같이 셀레늄-탄소 복합체의 제조를 위해 분말 형태의 셀레늄(Sigma-Aldrich社, 순도 99.99 이상) 7g과 탄소재로 탄소나노튜브 30g을 ZrO2볼, 에탄올과 함께 200rpm으로 3시간 동안 볼밀(ball mill)하여 셀레늄과 탄소재를 혼합하였다. 상기 셀레늄과 탄소재의 혼합물을 여과하여 에탄올과 ZrO2 볼을 제거한 후 80 ℃ 오븐에서 24시간 건조하였다. 이 후, 상기 건조된 셀레늄과 탄소재의 혼합물에 2.45 GHz 주파수, 1000W 출력의 마이크로웨이브(BP-110, Microwave Research and Applications)을 10초간 조사하여 열처리하여 셀레늄-탄소 복합체를 제조하였다.(단계 (1))As shown in FIG. 2, 7 g of powdered selenium (Sigma-Aldrich, purity 99.99 or more) and 30 g of carbon nanotubes as carbon materials were mixed with ZrO 2 balls and ethanol at 200 rpm for 3 hours to prepare a selenium- Selenium and carbon materials were mixed by ball milling. The mixture of selenium and carbonaceous material was filtered to remove ethanol and ZrO 2 balls, followed by drying in an oven at 80 ° C for 24 hours. Thereafter, a selenium-carbon composite was prepared by irradiating a mixture of dried selenium and carbonaceous material with a microwave (BP-110, Microwave Research and Applications) having a frequency of 2.45 GHz and a power of 1000 W for 10 seconds. One))

다음으로 상기 제조된 셀레늄-탄소 복합체 37g과 분말 형태의 황(Sigma-Aldrich社, 순도 99.99 이상) 63g을 ZrO2볼 및 에탄올과 함께 200rpm으로 3시간 동안 볼밀하여 셀레늄-탄소 복합체와 황을 혼합하였다. 상기 셀레늄-탄소 복합체와 황의 혼합물을 여과하여 에탄올과 ZrO2 볼을 제거한 후 80 ℃ 오븐에서 24시간 건조하였다. 이 후, 상기 건조된 셀레늄-탄소 복합체와 황의 혼합물에 2.45 GHz 주파수, 1000W 출력의 마이크로웨이브(BP-110, Microwave Research and Applications)을 5초간 조사하여 열처리하여 황-셀레늄-탄소 복합체를 제조하였다.(단계 (2))Next, 37 g of the selenium-carbon composite prepared above and 63 g of powdery sulfur (Sigma-Aldrich, purity 99.99 or more) were ball-milled with a ZrO 2 ball and ethanol at 200 rpm for 3 hours to mix the selenium- . The mixture of selenium-carbon composite and sulfur was filtered to remove ethanol and ZrO 2 balls, followed by drying in an oven at 80 ° C for 24 hours. Thereafter, a sulfur-selenium-carbon composite was prepared by irradiating a mixture of the dried selenium-carbon composite material and sulfur to a microwave (BP-110, Microwave Research and Applications) having a frequency of 2.45 GHz and a power of 1000 W for 5 seconds. (Step (2)).

[실시예 2][Example 2]

단계 (1)에서 셀레늄 10g, 탄소나노튜브 20g을 사용하고, 단계 (2)에서는 단계 (1)에서 제조된 셀레늄-탄소 복합체 30g과 황 70g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.10 g of selenium and 20 g of carbon nanotubes were used in step (1), and in step (2), 30 g of the selenium-carbon composite produced in step (1) and 70 g of sulfur were used. Respectively.

[비교예 1][Comparative Example 1]

도 2에서 나타난 바와 같이 황-셀레늄-탄소 복합체의 제조를 위해 분말 형태의 셀레늄(Sigma-Aldrich社, 순도 99.99 이상) 7g과 탄소재로 탄소나노튜브 30g, 분말 형태의 황(Sigma-Aldrich社, 순도 99.99 이상) 63g을 ZrO2볼, 에탄올과 함께 200rpm으로 3시간 동안 볼밀하여 혼합하였다. 상기 혼합물을 여과하여 에탄올과 ZrO2 볼을 제거한 후 80 ℃ 오븐에서 24시간 건조하였다. As shown in FIG. 2, 7 g of powdered selenium (Sigma-Aldrich, purity 99.99 or more), 30 g of carbon nanotubes as carbon materials, sulfur in powder form (Sigma-Aldrich, Purity: 99.99 or more) were ball milled together with ZrO 2 balls and ethanol at 200 rpm for 3 hours. The mixture was filtered to remove ethanol and ZrO 2 balls, and then dried in an oven at 80 ° C for 24 hours.

이후 오븐에서 3시간 동안 250℃로 열처리하여 황-셀레늄-탄소 복합체를 제조하였다.And then heat-treated in an oven at 250 캜 for 3 hours to prepare a sulfur-selenium-carbon composite.

[비교예 2][Comparative Example 2]

셀레늄, 탄소나노튜브 및 황 대신에 탄소재로 탄소나노튜브 30g, 분말 형태의 황(Sigma-Aldrich社, 순도 99.99 이상) 70g을 30:70의 중량비로 하고, 복합체의 열처리를 위해 155℃ 오븐에서 30분간 열처리한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실시하였다.30 g of carbon nanotubes as a carbon material instead of selenium, carbon nanotubes and sulfur, and 70 g of powdery sulfur (Sigma-Aldrich, purity 99.99 or more) were mixed in a weight ratio of 30:70. The same procedure as in Comparative Example 1 was conducted except that the heat treatment was performed for 30 minutes.

[비교예 3][Comparative Example 3]

셀레늄, 탄소나노튜브 및 황 대신에 탄소재로 탄소나노튜브 20g, 분말 형태의 황(Sigma-Aldrich社, 순도 99.99 이상) 80g을 30:70의 중량비로 하고, 복합체의 열처리를 위해 155℃ 오븐에서 30분간 열처리한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실시하였다.20 g of carbon nanotubes as a carbon material instead of selenium, carbon nanotubes and sulfur and 80 g of powdery sulfur (Sigma-Aldrich, purity of 99.99 or more) were mixed at a weight ratio of 30:70, and the mixture was heat- The same procedure as in Comparative Example 1 was conducted except that the heat treatment was performed for 30 minutes.

[실험예 1] SEM 분석 결과 [Experimental Example 1] SEM analysis results

실시예 1에서 제조한 황-셀레늄-탄소 복합체를 주사전자현미경(SEM, S-4800, HITACHI)으로 촬영하였으며, 이를 도 1에 나타내었다.Sulfur-selenium-carbon composites prepared in Example 1 were photographed with a scanning electron microscope (SEM, S-4800, HITACHI) and are shown in FIG.

도 1에서 나타난 바와 같이, 단계 (1)의 결과 셀레늄과 탄소나노튜브를 먼저 열처리하여 셀레늄-탄소 복합체를 제조한 경우에 셀레늄이 뭉쳐진 것 없이 셀레늄-탄소 복합체가 만들어진 것을 확인하였다.As shown in FIG. 1, when the selenium-carbon composite was prepared by first heat-treating selenium and carbon nanotubes as a result of step (1), it was confirmed that selenium-carbon composites were formed without selenium aggregation.

또한 단계 (2)의 결과 상기 셀레늄-탄소 복합체와 황을 열처리하여 제조된 황-셀레늄-탄소 복합체의 경우에도 황이 뭉쳐지지 않고 황-셀레늄-탄소 복합체가 만들어 진 것을 확인하였다.In addition, as a result of step (2), it was confirmed that even in the case of the sulfur-selenium-carbon composite prepared by heat-treating the selenium-carbon composite and sulfur, the sulfur was not aggregated and a sulfur-selenium-carbon composite was formed.

[실험예 2] 전지 물성 평가 [Experimental Example 2] Evaluation of battery physical properties

실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 황-탄소 복합체: 바인더(LiPAA/PVA를 6.5:0.5로 혼합): 도전재(VGCF)를 88:7:5의 중량비로 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 20㎛ 두께의 알루미늄 호일의 집전체에 코팅하여 전극을 제조하였다.(VGCF) was mixed at a weight ratio of 88: 7: 5 to prepare a slurry. The slurry was prepared in the same manner as in Example 1, except that the sulfur-carbon composite material: binder (LiPAA / PVA mixed at 6.5: 0.5) And then coated on a collector of an aluminum foil having a thickness of 20 탆 to prepare an electrode.

상기 제조된 전극을 양극으로, 리튬 금속을 음극으로 사용하여 코인셀을 제조하였다. 이때, 상기 코인셀은 2-Me-THF/DOL/DME(1:1:1), LiN(CF3SO2)2 (LiTFSI) 1M, LiNO3 0.1M로 제조한 전해액을 사용하였다. 상기 2-Me-THF/DOL/DME는 용매로서 각각 2-methyl tetrahydrofuran, dioxolane 및 Dimethyl ether를 사용하였다.The prepared electrode was used as an anode and lithium metal was used as a cathode to prepare a coin cell. In this case, the coin cell used was an electrolytic solution prepared from 2M MeTHF / DOL / DME (1: 1: 1), LiN (CF 3 SO 2 ) 2 (LiTFSI) 1M and LiNO 3 0.1M. The 2-Me-THF / DOL / DME used 2-methyl tetrahydrofuran, dioxolane, and dimethyl ether as solvents, respectively.

제조된 코인셀에 대하여, 1.8에서 2.5V까지의 용량을 측정하여 도 3 및 도 4에 나타내었다.Capacitance from 1.8 to 2.5 V was measured for the manufactured coin cell and is shown in FIG. 3 and FIG.

도 3에 나타난 바와 같이, 오븐에서 열처리한 비교예 1에 비해 셀레늄과 황을 두 단계를 통해 마이크로웨이브로 열처리한 실시예 1의 경우, 초기 방전 용량이 향상된 것을 알 수 있었다.As shown in FIG. 3, the initial discharge capacity was improved in Example 1 in which selenium and sulfur were heat-treated by microwave in two stages, compared with Comparative Example 1 which was heat-treated in an oven.

또한, 제조된 코인셀에 대하여 0.1C rate CC 로 충전하고, 0.1C rate CC로방전을 3회 반복한 후, 0.2C 충전/0.2C 방전 3회 반복, 이후에는 0.3C 충전/0.5C 방전하는 사이클을 20회 반복하여 충, 방전 효율을 측정하였다.(CC: Constant Current)The produced coin cell was charged at 0.1 C rate CC and discharged at 0.1 C rate CC three times, then repeated at 0.2 C charge / 0.2 C discharge three times, then at 0.3 C charge / 0.5 C discharge The cycle was repeated 20 times to measure charge and discharge efficiency (CC: Constant Current)

그 결과를 도 4를 통하여 확인할 수 있었으며, 실시예 1의 경우 C-rate가 증가했을 때, 안정적인 충, 방전이 가능함을 확인하여 비교예 1에 비하여 수명특성이 향상된 것을 확인할 수 있었다.The results are shown in FIG. 4. In the case of Example 1, it was confirmed that stable charge and discharge were possible when the C-rate was increased. As a result, it was confirmed that the lifetime characteristics were improved as compared with Comparative Example 1.

또한 복합체 내의 셀레늄과 탄소재의 함량에 초기 방전용량을 측정하여 도 5 및 표 1에 나타내었다.The initial discharge capacity was measured in terms of the content of selenium and carbonaceous material in the composite and is shown in FIG. 5 and Table 1.

구분division 방전용량 [mAh/g]Discharge capacity [mAh / g] 실시예 1Example 1 1,1081,108 실시예 2Example 2 1,0091,009 비교예 1Comparative Example 1 1,0211,021 비교예 2Comparative Example 2 1,0881,088 비교예 3Comparative Example 3 410410

그 결과 탄소나노튜브의 중량부가 30인 복합체 (실시예1 및 비교예2)와 탄소나노튜브의 중량부가 20인 복합체 (실시예2 및 비교예3)의 초기 방전 결과, 마이크로웨이브를 사용하고 셀레늄이 복합체 내부에 7 또는 10 중량부 포함된 실시예 1 및 2의 경우에 과전압이 개선되고 방전용량 증가함을 도 5를 통하여 알 수 있었다. As a result, the initial discharge of the composite body (Example 1 and Comparative Example 2) in which the weight ratio of the carbon nanotubes was 30 (Comparative Example 2) and the composite body in which the weight ratio of the carbon nanotubes was 20 (Example 2 and Comparative Example 3) It can be seen from FIG. 5 that the overvoltage is improved and the discharge capacity is increased in the case of Examples 1 and 2 including 7 or 10 parts by weight in the interior of the composite.

Claims (13)

황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법에 있어서,
상기 제조방법은
(1) 셀레늄과 탄소재를 혼합하고, 마이크로웨이브(microwave)로 열처리하여 셀레늄-탄소 복합체를 형성하는 단계; 및
(2) 상기 형성된 셀레늄-탄소 복합체에 황을 혼합하고, 마이크로웨이브로 열처리하여 황-셀레늄-탄소 복합체를 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 단계(1)의 열처리는 단계(2)의 열처리보다 높은 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법.
In a method for producing a sulfur-selenium-carbon composite,
The above-
(1) mixing selenium and carbon materials, and heat-treating the selenium and carbon materials by microwaves to form a selenium-carbon composite; And
(2) mixing the sulfur-containing selenium-carbon composite with the sulfur and heat-treating the selenium-carbon composite by microwave to form a sulfur-selenium-carbon composite;
Lt; / RTI >
Wherein the heat treatment of step (1) is performed at a temperature higher than the heat treatment of step (2).
제1항에 있어서,
상기 단계(1)의 열처리는 250 내지 500 ℃의 온도에서 수행됨을 특징으로 하는 황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment in step (1) is performed at a temperature of 250 to 500 ° C.
제1항에 있어서,
상기 단계(2)의 열처리는 200 내지 400 ℃의 온도에서 수행됨을 특징으로 하는 황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment in step (2) is performed at a temperature of 200 to 400 ° C.
제1항에 있어서,
상기 단계(1)에서의 혼합은 셀레늄과 탄소재가 1:1 내지 1:5의 중량비로 수행되는 것을 특징으로 하는 황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the mixing in step (1) is performed at a weight ratio of selenium and carbonaceous material of 1: 1 to 1: 5.
제1항에 있어서,
상기 단계(2)에서의 혼합은 황과 셀레늄-탄소 복합체가 6:4 내지 8:2의 중량비로 수행되는 것을 특징으로 하는 황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the mixing in step (2) is performed in a weight ratio of sulfur to selenium-carbon composite of from 6: 4 to 8: 2.
제1항에 있어서,
상기 단계(1)에서 열처리는 5 내지 20초 동안 수행됨을 특징으로 하는 황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment in the step (1) is performed for 5 to 20 seconds.
제1항에 있어서,
상기 단계(2)에서 열처리는 3 내지 10초 동안 수행됨을 특징으로 하는 황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment in step (2) is performed for 3 to 10 seconds.
제1항에 있어서,
상기 마이크로웨이브의 출력은 700 내지 1000 W 인 것을 특징으로 하는 황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the output of the microwave is in the range of 700 to 1000 W. A method of producing a sulfur-selenium-carbon composite material,
제1항에 있어서,
상기 마이크로웨이브의 주파수는 2.44 내지 2.46 GHz 인 것을 특징으로 하는 황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the microwave has a frequency of 2.44 to 2.46 GHz.
제1항에 있어서,
상기 황-셀레늄-탄소 복합체는 전체 황-셀레늄-탄소 복합체 100 중량부 대비 1 내지 10 중량부의 셀레늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the sulfur-selenium-carbon composite comprises 1 to 10 parts by weight of selenium relative to 100 parts by weight of the total sulfur-selenium-carbon composite.
제1항에 있어서,
상기 탄소재는 그래파이트, 그래핀, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 탄소섬유 및 활성탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인, 황-셀레늄-탄소 복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon material is at least one selected from the group consisting of graphite, graphene, carbon black, carbon nanotube, carbon fiber, and activated carbon.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되는 황-셀레늄-탄소 복합체를 포함하는 리튬 황-셀레늄 전지용 양극.A positive electrode for a lithium sulfur-selenium battery comprising a sulfur-selenium-carbon composite produced by the method of any one of claims 1 to 11. 제12항의 양극;
음극; 및
전해질;을 포함하는 리튬 황-셀레늄 전지.
A positive electrode according to claim 12;
cathode; And
A lithium sulfur-selenium battery comprising an electrolyte.
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