탄소-황 복합체, 이의 제조방법, 이를 포함하는 양극 및 리튬-황 전지
CARBON-SURFUR COMPLEX, MANUFACTURING METHOD THEREOF, POSITIVE ELECTRODE AND LITHIUM-SULFUR BATTERY COMPRISING THE SAME
특허 요약
본 발명은 탄소 응집체 및 황을 포함하는 탄소-황 복합체, 이의 제조방법, 이를 포함하는 양극 및 리튬-황 전지에 관한 것이다. 본 발명에 따라 계층형 기공 구조의 탄소-황 복합체를 리튬-황 전지의 양극 물질로 사용하면, 매크로 기공을 포함하는 계층형 기공 구조로 인하여 비표면적이 증가되어 전자 이동 통로가 확보되고 전자 전도성이 향상되어 전극 용량을 향상시킨다. 또한 양극 활물질인 황이 균일하게 담지될 뿐만 아니라, 황의 접촉 면적이 확장되므로 단위 면적당 높은 로딩량에도 황이 전해액에 의해 스웰링(swelling) 되더라도 탄소와 황의 분리가 일어나지 않는다. 그 결과, 황이 전해질로 유출되는 것을 감소시킬 수 있고, 전극 안정성 및 전지의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 탄소-황 복합체 제조시, 분무 건조법을 통해 단일 공정(one-step)으로 기공 사이즈의 조절이 용이하고 간편하게 대량 생산이 가능한 장점이 있다.
청구항
번호청구항
1

3차원으로 상호 연결되어 있으며, 정렬된 기공으로 이루어진 계층형 기공 구조를 갖는 탄소 응집체; 및 상기 탄소 응집체의 외부 표면 및 내부 중 적어도 일부에 도입된 황;을 포함하며,상기 탄소 응집체의 계층형 기공 구조는 메조 기공(2 ~ 50nm) 및 매크로 기공(003e#50nm)을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소-황 복합체.

2

제1항에 있어서,상기 탄소 응집체는 탄소나노튜브(CNT), 그라파이트 나노파이버(GNF), 카본 나노파이버(CNF) 및 활성화 탄소 파이버(ACF)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원기둥형 탄소재가 서로 얽혀있는 구조를 갖는 것인 탄소-황 복합체.

3

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4

제1항에 있어서,상기 매크로 기공은 직경이 300 ~ 800 nm인 것인 탄소-황 복합체.

5

제1항에 있어서,상기 탄소 응집체는 평균 입경이 1 ~ 500 ㎛인 것인 탄소-황 복합체.

6

제1항에 있어서,상기 탄소 응집체는 공극률이 10 내지 70 %이고, 전체 BET 비표면적이 50 ~ 1000 m2/g인 것인 탄소-황 복합체.

7

제1항에 있어서,상기 황은 황 원소 및 황 계열 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 탄소-황 복합체.

8

제1항에 있어서,상기 탄소-황 복합체는 탄소 응집체 : 황 = 9 : 1 내지 1 : 9 중량비로 포함하는 것인 탄소-황 복합체.

9

i) 주형 입자와 원기둥형 탄소재가 혼합된 분산액을 준비하는 단계;ii) 상기 분산액을 분무 건조하여 주형 입자-탄소 복합체를 제조하는 단계;iii) 상기 주형 입자-탄소 복합체를 열처리하여 탄소 응집체를 제조하는 단계; 및iv) 상기 탄소 응집체에 황을 함침시켜 탄소-황 복합체를 제조하는 단계;를 포함하며,상기 i) 단계에서 주형 입자의 함량은 상기 탄소재 100 중량부 대비 120 내지 300 중량부인 것을 특징으로 하는 탄소-황 복합체의 제조방법.

10

제9항에 있어서,상기 주형 입자는 폴리스타이렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리페닐메타크릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리알파메틸스티렌, 폴리(1-메틸시클로헥실메타크릴레이트), 폴리시클로헥실메타크릴레이트, 폴리벤질메타크릴레이트, 폴리클로로벤질메타크릴레이트, 폴리(1-페닐시클로헥실메타크릴레이트), 폴리(1-페닐에틸메타크릴레이트), 폴리퍼퓨릴메타크릴레이트, 폴리(1,2-디페닐에틸메타크릴레이트), 폴리펜타브로모페닐메타크릴레이트, 폴리디페닐메틸메타크릴레이트, 폴리펜타클로로페닐메타크릴레이트로, 이들의 공중합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것인 탄소-황 복합체의 제조방법.

11

제9항에 있어서,상기 주형 입자의 평균 입경은 50 nm 이상인 것인 탄소-황 복합체의 제조방법.

12

제9항에 있어서,상기 분산액의 분산매는 물, 알코올, 벤젠, 톨루엔, 피리딘, 아세톤, 테트라하이드로퓨란(THF) 및 디메틸포름알데하이드(DMF)으로부터 선택된 1종 이상인 것인 탄소-황 복합체의 제조방법.

13

제9항에 있어서,상기 분무 건조는 상온/상압에서의 분무, 가압 분무 또는 정전 분무 방식으로 수행하는 것인 탄소-황 복합체의 제조방법.

14

제9항에 있어서,상기 열처리는 400 ~ 1200 ℃에서 수행하는 것인 탄소-황 복합체의 제조방법.

15

제1항, 제2항 및 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항의 탄소-황 복합체를 포함하는 리튬-황 전지용 양극.

16

양극; 음극; 및 전해질;을 포함하는 리튬-황 전지에 있어서,상기 양극은 제15항의 양극인 것인 리튬-황 전지.