KR20190141616A - Double-side coated seperator and metal secondary battery having the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a battery, and more particularly to a secondary battery.
금속 이차 전지는 단일 금속 또는 이의 합금을 음극으로 사용하는 전지로서, 금속-공기 전지, 금속-황 전지, 및 금속 이온 전지 등이 있다.The metal secondary battery is a battery using a single metal or an alloy thereof as a negative electrode, and includes a metal-air battery, a metal-sulfur battery, a metal ion battery, and the like.
이러한 금속 이차 전지에서 단일 금속 또는 이의 합금으로 이루어진 음극 표면 상에는 전지의 구동 과정에서 두꺼운 저항층이 형성되어 충방전 용량이 감소될 수 있고, 금속 전극 표면에 불균일하게 금속이 적층되어 수지상 적층물인 금속 덴드라이트(dendrite)가 형성되고 이 금속 덴드라이트는 분리막을 통과하여 상대 전극에 도달할 수 있어 전지의 단락 또는 폭발을 유발할 수 있다.In such a metal secondary battery, a thick resistive layer may be formed on a negative electrode surface formed of a single metal or an alloy thereof to reduce charge and discharge capacity during driving of the battery, and metal densities, which are dendritic laminates, may be unevenly stacked on the metal electrode surface. A dendrite is formed and the metal dendrites can pass through the separator to reach the counter electrode, causing a short circuit or explosion of the battery.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 금속 전극 표면 상의 부반응을 억제하고 또한 덴드라이트 발생을 억제할 수 있는 금속 이차전지를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a metal secondary battery capable of suppressing side reactions on a metal electrode surface and suppressing dendrites.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 양면 코팅된 분리막을 제공한다. 상기 양면 코팅된 분리막은 서로 마주보는 한쌍의 측면들을 구비하는 절연성 다공체, 상기 절연성 다공체의 일측면 상에 위치하는 탄소입자층, 및 상기 절연성 다공체의 타측면 상에 위치하는 무기입자층을 포함한다. In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a double-coated membrane. The double coated membrane includes an insulating porous body having a pair of side surfaces facing each other, a carbon particle layer positioned on one side of the insulating porous body, and an inorganic particle layer positioned on the other side of the insulating porous body.
상기 탄소입자층은 그래핀 입자들과 바인더를 구비할 수 있다. 상기 탄소입자층 내의 그래핀 입자들은 바인더 대비 더 많은 중량으로 함유될 수 있다. 상기 탄소입자층은 5 내지 30 ㎛의 두께를 가질 수 있다.The carbon particle layer may include graphene particles and a binder. Graphene particles in the carbon particle layer may be contained in more weight than the binder. The carbon particle layer may have a thickness of 5 to 30 ㎛.
상기 무기입자층은 금속산화물 나노입자들과 바인더를 구비할 수 있다. 상기 무기입자층 내의 금속산화물 나노입자들은 바인더 대비 더 많은 중량으로 함유될 수 있다. 상기 무기입자층은 1 내지 9 ㎛의 두께를 가질 수 있다.The inorganic particle layer may include metal oxide nanoparticles and a binder. Metal oxide nanoparticles in the inorganic particle layer may be contained in more weight than the binder. The inorganic particle layer may have a thickness of 1 to 9 ㎛.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 양면 코팅된 분리막의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은 서로 마주보는 한쌍의 측면들을 구비하는 절연성 다공체를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 절연성 다공체의 일측면 상에 탄소입자 슬러리를 코팅한다. 상기 절연성 다공체의 타측면 상에 무기입자 슬러리를 코팅한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a method of manufacturing a double-coated membrane. The manufacturing method may include providing an insulating porous body having a pair of side surfaces facing each other. Coating the slurry of carbon particles on one side of the insulating porous body. The inorganic particle slurry is coated on the other side of the insulating porous body.
상기 탄소입자 슬러리는 그래핀 입자들, 바인더, 및 극성 비양자성 용매를 함유할 수 있다. 상기 탄소입자 슬러리는 상기 용매 1 ㎖에 대해 상기 그래핀 입자들과 상기 바인더를 1 내지 5 ㎎의 농도로 함유할 수 있다. 상기 무기입자 슬러리는 금속산화물 나노입자들, 바인더, 및 극성 비양자성 용매를 함유할 수 있다. 상기 무기입자 슬러리는 상기 용매 1 ㎖에 대해 상기 금속산화물 나노입자들과 상기 바인더를 1 내지 5 ㎎의 농도로 함유할 수 있다. 상기 극성 비양자성 용매는 아세톤일 수 있다. 상기 탄소입자 슬러리 또는 상기 무기입자 슬러리는 드랍렛 방식을 사용하여 코팅될 수 있다.The carbon particle slurry may contain graphene particles, a binder, and a polar aprotic solvent. The carbon particle slurry may contain the graphene particles and the binder in a concentration of 1 to 5 mg with respect to 1 ml of the solvent. The inorganic particle slurry may contain metal oxide nanoparticles, a binder, and a polar aprotic solvent. The inorganic particle slurry may contain 1 to 5 mg of the metal oxide nanoparticles and the binder with respect to 1 ml of the solvent. The polar aprotic solvent may be acetone. The carbon particle slurry or the inorganic particle slurry may be coated using a droplet method.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 금속 이차전지를 제공한다. 상기 금속 이차전지는 금속 전극인 음극, 양극, 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 배치된 양면 코팅된 분리막을 포함한다. 상기 양면 코팅된 분리막은 절연성 다공체, 상기 절연성 다공체가 상기 양극을 바라보는 면 상에 위치하는 탄소입자층, 및 상기 절연성 다공체가 음극을 바라보는 면 상에 위치하는 무기입자층을 구비한다. In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a metal secondary battery. The metal secondary battery includes a negative electrode, a positive electrode, and a double-coated separator disposed between the negative electrode and the positive electrode, which is a metal electrode. The double coated membrane includes an insulating porous body, a carbon particle layer positioned on a surface of the insulating porous body facing the anode, and an inorganic particle layer positioned on a surface of the insulating porous body facing the cathode.
상기 양극은 황 함유 물질을 양극활물질로서 함유할 수 있다.The positive electrode may contain a sulfur-containing material as the positive electrode active material.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 금속 전극을 음극으로 구비하는 금속 이차전지에서 금속 전극을 바라보는 일측면 상에 무기입자층을 구비하는 분리막을 제공하고, 상기 무기입자층은 금속 전극 표면 상의 부반응을 억제하고 또한 덴드라이트 발생을 억제할 수 있다.According to the present invention as described above, in the metal secondary battery having a metal electrode as a negative electrode provides a separator having an inorganic particle layer on one side facing the metal electrode, the inorganic particle layer suppresses side reactions on the metal electrode surface And dendrites can be suppressed.
또한, 상기 분리막은 양극을 바라보는 타측면 상에 탄소입자층을 더 구비하여, 양극의 전기전도성의 향상시킬 수 있고 또한 전류밀도를 완화시킬 수 있다. 그 결과, 양극활물질의 전기화학적 반응효율 향상과 더불어 양극활물질의 파괴 또는 이에 따른 성능저하를 예방할 수 있다.In addition, the separator further includes a carbon particle layer on the other side facing the anode, thereby improving the electrical conductivity of the anode and reducing the current density. As a result, the electrochemical reaction efficiency of the positive electrode active material can be improved, and the destruction of the positive electrode active material or its performance can be prevented.
이와 더불어, 금속-황 전지에서 상기 탄소입자층과 상기 무기입자층은 폴리설파이드를 잡아둘 수 있어, 폴리설파이드가 금속 전극 측으로 이동하는 셔틀링 효과를 효과적으로 억제할 수 있다.In addition, the carbon particle layer and the inorganic particle layer in the metal-sulfur battery can hold the polysulfide, thereby effectively suppressing the shuttleling effect that the polysulfide moves to the metal electrode side.
그러나, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 일 실시예에 따른 양면 코팅 분리막을 나타낸 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 양면 코팅 분리막을 제조하는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 이차전지를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 폴리프로필렌 분리막 표면(b), 그리고 양면 코팅된 분리막 제조예 1에 따른 양면 코팅된 분리막의 그래핀 코팅된 표면(a), Al2O3 코팅된 표면(c), 및 단면(d)을 촬영한 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope) 이미지들을 나타낸다.
도 5는 양면 코팅된 분리막 제조예 1에 따른 양면 코팅된 분리막의 단면을 촬영한 SEM 이미지(a)와 이 단면의 EDS (Energy Dispersive X-Ray Spectrometer) 이미지들(b, c)을 나타낸다.
도 6은 양면 코팅된 분리막 제조예들 1 내지 3에 따른 양면 코팅된 분리막들의 그래핀 코팅된 표면, 아세틸렌 블랙 코팅된 표면, 및 super-p 코팅된 표면을 촬영한 광학사진들을 나타낸다.
도 7은 전지 제조예 1 및 전지 비교예 1에 따른 전지들의 초기 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8 및 도 9는 전지 제조예 2 및 전지 비교예 2에 따른 전지들의 초기 충방전 특성과 사이클 특성을 각각 나타낸 그래프들이다.
도 10 및 도 11은 전지 제조예 3 및 전지 비교예 3에 따른 전지들의 초기 충방전 특성과 사이클 & 쿨롱효율 특성을 각각 나타낸 그래프들이다.
도 12a는 전지 제조예 3 및 전지 비교예 3에 따른 전지들의 율속 변화 조건에서의 사이클 특성을 나타낸 그래프이고, 도 12b 및 도 12c는 각각 전지 제조예 3 및 전지 비교예 3에 따른 전지들의 율속 변화 조건에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프들이다.
도 13은 전지 제조예 3 및 전지 비교예 3에 따른 전지들을 1.9V-2.8V (vs. Li/Li+)의 전압범위에서 1C의 율속으로 100 사이클 구동한 후 측정한 전기화학 임피던스 분광(electrochemical impedance spectroscopy) 시험결과를 나타내는 그래프이다.
도 14는 전지 제조예 3 및 전지 비교예 3에 따른 전지들을 1.9V-2.8V (vs. Li/Li+)의 전압범위에서 1C의 율속으로 200 사이클 구동한 후 분해하여 회수한 분리막의 표면과 리튬 메탈 음극의 표면을 촬영한 SEM 이미지들과 리튬 메탈 음극 표면의 EDS 이미지를 나타낸다.1 is a cross-sectional view showing a double-coated separator according to an embodiment.
2 is a schematic diagram illustrating a process of manufacturing a double-coated separator according to an embodiment.
3 is a cross-sectional view schematically showing a metal secondary battery according to an embodiment of the present invention.
4 is a graphene-coated surface (a), an Al 2 O 3 coated surface (c), and a cross-section (d) of a polypropylene separator surface (b), and a double-coated separator according to Preparation Example 1 of a double-coated membrane. Scanning electron microscope (SEM) images taken are shown.
FIG. 5 shows SEM images (a) of cross sections of the double coated membrane according to Preparation Example 1 of double coated membrane and Energy Dispersive X-Ray Spectrometer (EDS) images (b, c) of the cross section.
FIG. 6 shows optical photographs of graphene coated surfaces, acetylene black coated surfaces, and super-p coated surfaces of double coated membranes according to Double Coated Membrane Preparation Examples 1 to 3;
7 is a graph illustrating initial charge and discharge characteristics of batteries according to Battery Preparation Example 1 and Battery Comparative Example 1. FIG.
8 and 9 are graphs showing initial charge and discharge characteristics and cycle characteristics of batteries according to Battery Preparation Example 2 and Comparative Example 2, respectively.
10 and 11 are graphs showing initial charge and discharge characteristics and cycle & coulomb efficiency characteristics of batteries according to Battery Preparation Example 3 and Battery Comparative Example 3, respectively.
12A is a graph showing cycle characteristics under the rate change conditions of batteries according to Battery Preparation Example 3 and Battery Comparative Example 3, and FIGS. 12B and 12C show rate changes of batteries according to Battery Preparation Example 3 and Battery Comparative Example 3, respectively. Graphs showing charge and discharge characteristics under conditions.
FIG. 13 is an electrochemical impedance spectrometer measured after 100 cycles of cells according to Preparation Example 3 and Comparative Example 3 at a rate of 1 C in a voltage range of 1.9 V to 2.8 V (vs. Li / Li + ). impedance spectroscopy) A graph showing the test results.
14 shows the surface of a separator obtained by disassembling and recovering the cells according to Battery Preparation Example 3 and Battery Comparative Example 3 after driving 200 cycles at a rate of 1C in a voltage range of 1.9V to 2.8V (vs. Li / Li + ). SEM images of the surface of the lithium metal negative electrode and EDS images of the surface of the lithium metal negative electrode are shown.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면들에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to describe the present invention in more detail. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. In the figures, where a layer is said to be "on" another layer or substrate, it may be formed directly on the other layer or substrate, or a third layer may be interposed therebetween.
본 명세서에서, 용어 "금속 이차전지"는 금속 또는 금속 합금 전극을 음극으로 구비하며, 상기 음극 상에서는 방전 과정에서 고체 금속이 금속 이온으로 산화되고 충전 과정에서 금속 이온이 고체 금속으로 환원되는 과정을 거칠 수 있다. 상기 금속 이차전지는 알칼리금속이온 전지, 알칼리금속-공기 전지 또는 알칼리금속-황 전지, 구체적으로 리튬이온 전지, 나트륨이온 전지, 칼륨이온전지, 리튬-공기 전지, 나트륨-공기 전지, 칼륨-공기 전지, 리튬-황 전지, 나트륨-황 전지, 또는 칼륨-황 전지일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 금속 이차전지는 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 휴대용기기에 포함되는 소형 에너지 저장 장치나 하이브리드 자동차, 전기자동차, 방위산업, 우주 및 항공 분야에 사용되는 대형 에너지 저장 장치 등에 사용될 수 있다.In the present specification, the term “metal secondary battery” includes a metal or metal alloy electrode as a negative electrode, on which a solid metal is oxidized to metal ions in a discharge process and metal ions are reduced to a solid metal in a charge process. Can be. The metal secondary battery is an alkali metal ion battery, an alkali metal-air battery or an alkali metal-sulfur battery, specifically, a lithium ion battery, sodium ion battery, potassium ion battery, lithium-air battery, sodium-air battery, potassium-air battery , Lithium-sulfur batteries, sodium-sulfur batteries, or potassium-sulfur batteries. However, it is not limited to this. The metal secondary battery may be used in a small energy storage device included in a portable device such as a mobile phone, a notebook computer, a camcorder, a large energy storage device used in a hybrid vehicle, an electric vehicle, a defense industry, aerospace and aviation, and the like.
도 1은 일 실시예에 따른 양면 코팅 분리막을 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a double-coated separator according to an embodiment.
도 1을 참조하면, 양면 코팅 분리막(20)은 절연성의 다공체(21)를 구비할 수 있다. 절연성의 다공체(21)는 기본 분리막(bare separator)으로 명명될 수도 있다. 이는 폴리에틸렌, 또는 폴리프로필렌을 함유하는 필름 또는 이의 적층체이거나 셀룰로오스, 폴리에스테르, 또는 폴리프로필렌을 함유하는 섬유부직포, 또는 다공성 유리 필터일 수 있다. 상기 절연성의 다공체(21)의 두께는 수십 마이크로미터 일 예로서 20 내지 30 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Referring to FIG. 1, the double-coated
상기 절연성의 다공체(21)는 다른 면들에 비해 상대적으로 넓은 서로 마주보는 두 개의 측면들을 가질 수 있는데, 이 측면들 중 일측면 상에 탄소입자층(22)이 위치할 수 있다. 이 탄소입자층(22)은 그래핀, 카본나노튜브, 아세틸렌 블랙, Super-P, 케첸 블랙, 활성탄 등과 같은 탄소입자를 1종 이상 포함하는 층일 수 있다. 또한, 이 탄소입자층(22)은 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 탄소입자층(22) 내의 바인더는 폴리아크릴산(PAA), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌(PVDF-co-HFP), 키토산, 폴리에틸렌글리콜, 잔탄검, 아라비아검, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜)(PEDOT), 폴리스틸렌술포네이트(PSS), PEDOT:PSS, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. The insulating
상기 탄소입자층(22) 내의 탄소입자들은 바인더 대비 더 많은 중량으로 함유될 수 있다. 이 경우, 상기 바인더 내에 상기 탄소입자들이 분산되거나 상기 바인더가 상기 탄소입자들을 덮도록 배치되기 보다는, 상기 바인더는 상기 탄소입자들 사이의 영역에만 위치하여 이들을 서로 결합하는 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소입자층(22) 내의 탄소입자들과 바인더의 중량비는 2:1 내지 8:1의 범위 내에 있을 수 있다. 또한, 상기 탄소입자층(22)은 마이크로미터 사이즈와 나노미터 사이즈의 다수의 기공을 구비할 수 있다. Carbon particles in the
일 예로서, 상기 탄소입자층(22)은 결정성 탄소 입자인 그래핀을 탄소입자로서 구비할 수 있다. 이 때, 그래핀 입자들의 평균 두께는 0.1 내지 20㎚ 구체적으로는 1 내지 10 ㎚, 더 구체적으로는 1 내지 2nm일 수 있고, 또한 상기 그래핀 입자들의 평균 폭은 0.1 내지 20 ㎛, 구체적으로는 1 내지 15 ㎛, 더 구체적으로는 7 내지 13㎛일 수 있다. 또한, 그래핀 입자는 1 또는 수개의 원자층을 구비할 수 있고, 일 예로서 약 1 내지 8 개 더 구체적으로는 1 내지 3개의 원자층을 구비할 수 있다. 상기 탄소입자층(22) 내의 바인더는 일 예로서, PVDF일 수 있다. 상기 탄소입자층(22)은 수 내지 수십 마이크로미터 일 예로서, 5 내지 30 ㎛ 구체적으로 10 내지 20 ㎛의 두께로 형성될 수 있다. For example, the
상기 절연성의 다공체(21)의 다른 일측면 상에 무기입자들을 함유하는 무기입자층(23)이 코팅될 수 있다. 상기 무기입자는 금속불화물, 금속산화물, 금속질화물, 금속카바이드, 또는 이들의 조합을 함유할 수 있다. 이 때, 무기입자에 함유된 금속은 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, Fr, Ra, Ac, Si, P, As, Se 또는 Te일 수 있다. 상기 무기입자는 나노미터의 직경을 갖는 나노무기입자들일 수 있다. 일 예로서, 상기 무기입자들은 금속산화물 일 예로서, 알루미늄 산화물 등의 절연성을 나타내는 금속산화물일 수 있다. 상기 무기입자층(23)은 상기 무기입자들과 더불어 무기입자들 사이를 결합하는 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 무기입자층(23) 내의 바인더는 폴리아크릴산(PAA), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌(PVDF-co-HFP), 키토산, 폴리에틸렌글리콜, 잔탄검, 아라비아검, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜)(PEDOT), 폴리스틸렌술포네이트(PSS), PEDOT:PSS, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. An
상기 무기입자층(23) 내의 무기입자들은 바인더 대비 더 많은 중량으로 함유될 수 있다. 이 경우, 상기 바인더 내에 상기 무기입자들이 분산되거나 상기 바인더가 상기 무기입자들을 덮도록 배치되기 보다는, 상기 바인더는 상기 무기입자들 사이의 영역에만 위치하여 이들을 서로 결합하는 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 상기 무기입자층(23) 내의 무기입자와 바인더의 중량비는 2:1 내지 8:1의 범위 내에 있을 수 있다. 또한, 상기 무기입자층(23)은 나노미터 사이즈의 다수의 기공을 구비할 수 있다. The inorganic particles in the
일 예로서, 상기 무기입자층(23)은 알루미늄 산화물 나노입자들을 구비할 수 있다. 상기 무기입자층(23) 내의 바인더는 일 예로서, PVDF일 수 있다. 상기 무기입자층(23)은 1 내지 수 마이크로미터 일 예로서, 1 내지 9 ㎛ 구체적으로 2 내지 5 ㎛의 두께로 형성될 수 있다. As an example, the
도 2는 일 실시예에 따른 양면 코팅 분리막을 제조하는 과정을 나타낸 개략도이다. 2 is a schematic diagram illustrating a process of manufacturing a double-coated separator according to an embodiment.
도 2를 참조하면, 절연성 다공체(21)를 제공할 수 있다. 상기 절연성 다공체(21)에 대한 구체적 설명은 도 1을 참조하여 설명한 부분을 참고하기로 한다.Referring to FIG. 2, an insulating
상기 절연성 다공체(21)의 일측면 상에 탄소입자 슬러리(22a)를 코팅하고 건조할 수 있다. 상기 탄소입자 슬러리(22a)는 탄소입자, 바인더, 및 용매를 함유할 수 있다. 상기 탄소입자와 바인더에 대한 설명은 도 1을 참조하여 설명한 부분을 참고하기로 한다. 상기 용매는 극성 비양자성 용매(polar aprotic solvent), 일 예로서 끓는점이 낮아 휘발성이 비교적 우수한 아세톤 또는 THF (tetrahydrofuran)일 수 있다. 상기 슬러리 내에서 탄소입자와 바인더의 중량비는 2:1 내지 8:1의 범위 내에 있을 수 있다. 또한, 상기 슬러리 내에서 탄소입자와 바인더 즉, 용질의 농도는 1 내지 5 ㎎/㎖ 일 예로서, 3 내지 4 ㎎/㎖ 의 범위 내에 있을 수 있다. 또한, 탄소입자 슬러리(22a)를 코팅하는 방법은 드롭 캐스팅 또는 드랍렛 방식일 수 있다. 이는 스포이드 등의 노즐을 통해 슬러리를 절연성 다공체(21)의 일측면의 다수의 부분 상에 적하시키는 방식으로, 적하된 슬러리로부터 용매가 휘발 또는 건조된 후 탄소입자층(22)이 형성될 수 있다. 이와 같이 드롭 캐스팅등을 사용하면서 용매가 휘발성이 비교적 우수한 아세톤 또는 THF 등을 사용하는 경우 용매의 휘발에 걸리는 시간이 비교적 적어 절연성 다공체(21)의 표면 상에 탄소입자층(22)이 균일하게 배치되면서도 낮은 두께를 가질 수 있다. 또한, 용매가 휘발되면서 탄소입자층(22) 내에 다수의 나노사이즈의 기공들을 형성할 수도 있다. 상기 건조는 진공건조일 수 있다.The
상기 절연성 다공체(21)의 타측면 상에 무기입자 슬러리(23a)를 코팅하고 건조할 수 있다. 상기 무기입자 슬러리(23a)는 무기입자, 바인더, 및 용매를 함유할 수 있다. 상기 무기입자와 바인더에 대한 설명은 도 1을 참조하여 설명한 부분을 참고하기로 한다. 상기 용매는 극성 비양자성 용매(polar aprotic solvent), 일 예로서 끓는점이 낮아 휘발성이 비교적 우수한 아세톤 또는 THF (tetrahydrofuran)일 수 있다. 상기 슬러리 내에서 무기입자와 바인더의 중량비는 2:1 내지 8:1의 범위 내에 있을 수 있다. 또한, 상기 슬러리 내에서 무기입자와 바인더 즉, 용질의 농도는 1 내지 5 ㎎/㎖ 일 예로서, 3 내지 4 ㎎/㎖ 의 범위 내에 있을 수 있다. 또한, 무기입자 슬러리(23a)를 코팅하는 방법은 드롭 캐스팅 또는 드랍렛 방식일 수 있다. 이는 스포이드 등의 노즐을 통해 슬러리를 절연성 다공체(21)의 타측면의 다수의 부분 상에 적하시키는 방식으로, 적하된 슬러리로부터 용매가 휘발 또는 건조된 후 무기입자층(23)이 형성될 수 있다. 이와 같이 드롭 캐스팅등을 사용하면서 용매가 휘발성이 비교적 우수한 아세톤 또는 THF 등을 사용하는 경우 용매의 휘발에 걸리는 시간이 비교적 적어 절연성 다공체(21)의 표면 상에 무기입자층(23)이 균일하게 배치되면서도 낮은 두께를 가질 수 있다. 또한, 용매가 휘발되면서 무기입자층(23) 내에 다수의 나노사이즈의 기공들을 형성할 수도 있다. 상기 건조는 진공건조일 수 있다.The
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 이차전지를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 3 is a cross-sectional view schematically showing a metal secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 금속 이차전지는 양극(10), 음극(30), 및 이들 사이에 개재된 양면 코팅 분리막(20)을 포함한다. 상기 양극(10)과 음극(30) 사이에 전해질(미도시)이 배치 또는 충전될 수 있다. 또한, 상기 양극(10)은 양극 집전체(50) 상에 배치될 수 있고, 상기 음극 (30)은 음극 집전체(40) 상에 배치될 수 있다. Referring to FIG. 3, the metal secondary battery includes a
상기 양극(10)은 금속 이차전지의 구체적 종류에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 이차전지가 공기전지인 경우 상기 양극(10)은 양극활물질로 공기를 사용하고, 탄소재, 산소의 산화환원을 위한 촉매, 또는 이들의 조합을 함유할 수 있다. 상기 산소의 산화환원을 위한 촉매는 전이금속, 전이금속 산화물, 또는 전이금속 탄화물일 수 있다. 상기 탄소재는 카본 블랙 (super P, ketjen black 등), 카본나노튜브 (CNT), 흑연 (graphite), 그래핀 (graphene), 다공성 카본 (porous carbon) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 전이금속은 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 코발트(Co), 니켈 (Ni), 철(Fe), 은(Ag), 망간(Mn), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 실리콘 (Si), 몰리브덴(Mo) 텅스텐(W) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 전이금속산화물은 이산화루테늄(RuO2), 이산화이리듐(IrO2), 사산화삼코발트(Co3O4), 이산화망간(MnO2), 이산화세륨(CeO2), 삼산화이철(Fe2O3), 사산화삼철(Fe3O4), 일산화니켈(NiO), 산화구리(CuO), 페로브스카이트(perovskite)계 촉매 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 전이금속탄화물은 타이타늄카바이드 (TiC), 실리콘카바이드 (SiC), 텅스텐카바이드(WC), 몰리브덴카바이드(Mo2C)계 촉매 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The
상기 금속 이차전지가 금속-황 전지인 경우 상기 양극(10)은 양극활물질인 황 함유 물질과 탄소를 함유할 수 있다. 상기 탄소는 도전성 탄소일 수 있고 입자 형태를 가질 수 있으며, 예를 들어, 그래핀(graphene) 또는 탄소나노튜브(CNT)일 수 있고, 일 예로, 상기 탄소는 다중벽탄소나노튜브(MWCNT)일 수 있다. 상기 도전성 탄소입자들은 산화처리된 표면 일 예로서, 질산처리된 표면을 가질 수 있다. 상기 황 함유 물질은 황 원소(elemental sulfur), 황화 금속, 황화 고분자(sulfurized polymer), 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물일 수 있고 입자 형태를 가질 수 있다. 황 원소(elemental sulfur)는 구체적으로는 옥타황(octasulfur, S8)분자 더 구체적으로는 사이클로 옥타황 (cyclo-S8)분자일 수 있다. 상기 황화 금속은 황화리튬(Li2S)일 수 있다. 황화 고분자(sulfurized polymer)는 일 예로서, S-PAN(sulfur-polyacrylonitrile), 설퍼-폴리아닐린(sulfur-polyaniline), 설퍼-(1,3-다이이소프로펜일벤젠 폴리비닐리덴 다이클로라이드)(sulfur-(1,3-diisopropenylbenzene polyvinylidene dichloride)), 설퍼-(폴리비닐리덴 다이클로라이드-co-폴리아크릴로니트릴)(sulfur-(polyvinylidene dichloride-co-acrylonitrile))일 수 있다. When the metal secondary battery is a metal-sulfur battery, the
상기 양극(10)은 적층된 이중 하이드록사이드(Layered Double Hydroxide; LDH) 입자를 더 포함할 수 있다. LDH 입자는 한쌍의 금속하이드록사이드 단위층들(하기 화학식에서, Ma 2+ 1-xMb 3+ x(HO-)2) 사이에 중간층을 가지는 결정구조를 나타내고, 이 중간층 내에 물과 같은 중성 분자 및/또는 음이온(하기 화학식에서, Xn-)이 삽입된 물질이다. 상기 LDH는 [Ma 2+ 1-xMb 3+ x(HO-)2]x+[(Xn-)x/n·yH2O]x- 의 화학식을 가질 수 있다. 이 화학식에서, Ma 2+는 알칼리토금속 또는 전이금속의 2가 이온으로 일 예로서, Ca2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+ 또는 Zn2+일 수 있고, Mb 3+는 13족 금속 또는 전이금속의 3가 이온으로 일 예로서, Fe3+, Al3+, Mn3+, Co3+ 또는 Ni3+일 수 있고, Xn-는 CO3 2-, NO3 2-, SO4 2-, Cl-, OH-, 또는 S2-일 수 있고, x는 0.2 내지 0.5일 수 있고, n은 1 또는 2일 수 있고, y는 0.5 내지 4일 수 있다. 일 예로서, 상기 LDH는 [Mg2+ 1-xAl3+ x(HO-)2]x+[(NO3 2-)x/2·yH2O]x- (x는 1/3)일 수 있다. 상기 LDH는 그의 표면 상에 풍부한 친수성기 그리고 하이드록시기를 가져 효율적으로 설파이드를 수용하고 및 폴리설파이드가 전해액으로 용해되는 것을 억제할 수 있다. The
상기 양극(10)은 일 예로서, 탄소나노튜브들이 서로 엮여 형성된 탄소나노튜브 웹 내에 황 함유 입자들과 나아가 LDH 입자들이 고정된, 바인더 없는 프리스탠딩 필름 형태를 가질 수 있다.The
한편, 상기 금속 이차전지가 금속 이온 전지인 경우, 상기 양극(40)은 코발트, 망간, 니켈, 철, 또는 이들의 조합과 알칼리 금속과의 복합산화물 또는 복합 인산화물중 1종 이상인 양극 활물질, 도전재인 탄소물질, 및 바인더를 함유할 수 있다.On the other hand, when the metal secondary battery is a metal ion battery, the
상기 양극 집전체(50)는 카본 페이퍼(gas diffusion layer), 니켈메시 (Ni mesh), 스테인레스 메시 (Stainless mesh), 니켈 폼 (Ni foam), 글래스 파이버 (glass filter), 카본나노튜브층 또는 그래핀층일 수 있다. The positive electrode
상기 음극(30)은 금속 전극이고, 상기 금속 전극은 알칼리 금속 전극 또는 알칼리 금속 합금 전극, 일 예로서, 리튬 전극, 나트륨 전극, 또는 칼륨 전극, 또는 이들 중 어느 하나의 합금 전극일 수 있다. 일 예로, 상기 음극(30)은 리튬 포일, 나트륨 포일, 또는 칼륨 포일일 수 있다. The
상기 양극(10)과 음극(30) 사이에서 상기 양면 코팅 분리막(20)의 기공내에 충전된 전해질은 비수계 전해질 용액일 수 있다. 비수계 전해질 용액은 전해질과 매질을 구비하는데, 전해질은 알칼리 금속염일 수 있다. 알칼리 금속염 중 리튬염은 리튬퍼클로로레이트(LiClO4), 리튬테트라플루오르보레이트(LiBF4), 리튬헥사플루오르포스페이트(LiPF6), 리튬트리플루오르메탄셀포네이트(LiCF3SO3), 리튬헥사플루오르아세네이트(LiAsF6), 리튬트리플루오르메탄설포닐이미드(Li(CF3SO2)2N, LiTFSI), LiNO3 (Lithium nitrate), LiBr (Lithium bromide), LiI(Lithium iodide), 또는 이들의 조합일 수 있다. 알칼리 금속염 중 나트륨염은 NaClO4, NaPF6, NaAsF6, NaSbF6, NaBF4, NaCF3SO3, NaN(SO2CF3)2, NaAlCl4 등일 수 있다. 상기 매질는 TEGDME(tetraeethyleneglycol dimethylether), DME (dimethoxyethane), DEGDME (diethyleneglycol dimethylether), 다이옥솔란(dioxolane), DMSO (dimethylsulfoxide), DMA (N,N-dimethylacetamide), DMF (dimethylformamide), ACN (Acetonitrile), PC (propylene carbonate) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. The electrolyte filled in the pores of the double-coated
상기 양면 코팅 분리막(20)은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 것으로서, 절연성의 다공체(21)의 일측면 상에 탄소입자층(22) 다른 일측면 상에 무기입자층(23)이 형성된 것일 수 있다. 이 때, 탄소입자층(22)은 양극(10)을 바라보도록 배치되고, 무기입자층(23)은 음극(30)을 바라보도록 배치될 수 있다. The double
상기 양극(10) 상에 위치하는 상기 탄소입자층(22)은 높은 이온 및 전자전도도를 나타내어, 알칼리금속이온 전달을 향상시키고 또한 양극(10) 내에 발생할 수 있는 전류집중을 완화할 수 있다. 이에 따라, 금속이온전지에서 양극활물질의 파괴 또는 성능저하를 완화할 수 있다. 이와 더불어서, 상기 탄소입자층(22)은 금속-황 전지에서 황의 전기화학적 반응효율을 향상시킴과 더불어 폴리설파이드가 음극(40) 측으로 이동하는 셔틀링 효과를 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 음극(40) 상에 위치하는 무기입자층(23)은 폴리설파이드가 음극(40) 측으로 이동하는 셔틀링 효과를 억제할 수 있음과 더불어서, 적절한 강성을 나타내어 금속 전극인 음극(40) 상에 전지 구동과정에서 생성되기 쉬운 금속덴드라이트가 성장되는 것을 물리적으로 억제할 수 있어 금속덴드라이트로 인한 전지 내부 단락을 억제할 수 있다. The
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid the understanding of the present invention. However, the following experimental example is only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following experimental example.
<양면 코팅된 분리막 제조예 1><Production Example 1 of Double Sided Coating Membrane>
그래핀(두께 1.6nm) 45 mg과 폴리비닐리덴플루오라이드 (PVDF, Arkema) 11.3 mg (질량비 약 4:1)을 아세톤 15 ml에 첨가하고 2시간 동안 소닉케이션을 통해 혼합하여 그래핀 슬러리를 얻었다.45 mg of graphene (1.6 nm thick) and 11.3 mg of polyvinylidene fluoride (PVDF, Arkema) (mass ratio of about 4: 1) were added to 15 ml of acetone and mixed by sonication for 2 hours to obtain a graphene slurry. .
Al2O3 나노파우더(Aldrich, USA) 45 mg과 폴리비닐리덴플루오라이드 (PVDF, Arkema) 11.3 mg (질량비 약 4:1)을 아세톤 15 ml에 첨가하고 2시간 동안 소닉케이션을 통해 혼합하여 Al2O3 슬러리를 얻었다.45 mg of Al 2 O 3 nanopowder (Aldrich, USA) and 11.3 mg of polyvinylidene fluoride (PVDF, Arkema) (mass ratio of about 4: 1) were added to 15 ml of acetone and mixed by sonication for 2 hours. 2 O 3 slurry was obtained.
상기 Al2O3 슬러리를 드랍렛 (또는 드랍-캐스팅) 방식을 사용하여 폴리프로필렌 분리막(Celgard 2400, USA)의 일면 상에 코팅하였다. 상기 폴리프로필렌 분리막의 다른면 상에 상기 그래핀 슬러리를 드랍렛 (또는 드랍-캐스팅) 방식을 사용하여 코팅하였다. 이 후, 서로 마주보는 양면 상에 Al2O3 슬러리와 그래핀 슬러리가 각각 코팅된 상기 폴리프로필렌 분리막을 80℃에서 12시간 동안 진공건조시켜 잔존 용매를 제거하였다. 이 때, Al2O3과 그래핀의 면적질량로딩량들(areal mass loadings)은 각각 0.15 mg/cm2 및 0.14 mg/cm2이었다.The Al 2 O 3 slurry was coated on one surface of a polypropylene separator (Celgard 2400, USA) using a droplet (or drop-casting) method. The graphene slurry was coated on the other side of the polypropylene separator using a droplet (or drop-casting) method. Thereafter, the polypropylene separator coated with Al 2 O 3 slurry and graphene slurry on both surfaces facing each other was vacuum dried at 80 ° C. for 12 hours to remove residual solvent. At this time, the area mass loadings of Al 2 O 3 and graphene were 0.15 mg / cm 2 and 0.14 mg / cm 2 , respectively.
<양면 코팅된 분리막 제조예 2><Production Example 2 of Double-coated Membrane>
그래핀 대신에 아세틸렌 블랙을 사용한 것을 제외하고는 양면 코팅된 분리막 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 양면 코팅된 분리막을 제조하였다.Except for using acetylene black instead of graphene to prepare a double-coated membrane using the same method as in Preparation Example 1 double-sided coated membrane.
<양면 코팅된 분리막 제조예 3><Production Example 3 of Double Sided Coating Membrane>
그래핀 대신에 super-p를 사용한 것을 제외하고는 양면 코팅된 분리막 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 양면 코팅된 분리막을 제조하였다.Except for using super-p instead of graphene, a double-coated separator was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, double-coated separator.
<양극 제조예 1 : CNT-S 캐소드> <Anode manufacturing example 1: CNT-S cathode>
황과 카본나노튜브를 1:1로 섞어 물 200 ml에 넣고 소닉케이션을 진행하여 고르게 분산시켰다. 이후 여과지를 이용하여 분산된 황-카본나노튜브 복합체를 필터링한 후 얻어진 전극을 하루 동안 진공건조 시켜 잔존 용매를 제거하였다.Sulfur and carbon nanotubes were mixed 1: 1 and placed in 200 ml of water, followed by sonication, and evenly dispersed. After filtering the dispersed sulfur-carbon nanotube composite using a filter paper, the electrode obtained by vacuum drying for one day to remove the remaining solvent.
<양극 제조예 2 : carbon-Spolymer/PAA 캐소드> <Anode Preparation Example 2: Carbon-Spolymer / PAA Cathode>
황화고분자(황-폴리아크릴로니트릴), super-p, 및 폴리아크릴산 바인더를 80 : 10: 10의 중량비율로 에탄올을 용매 내에서 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이어서 제조된 슬러리를 알루미늄 포일에 코팅하고, 24 시간동안 진공 건조시켜 잔존 용매를 제거하였다.Slurry was prepared by mixing sulfide polymer (sulfur-polyacrylonitrile), super-p, and polyacrylic acid binder in a weight ratio of 80:10:10 in ethanol. The resulting slurry was then coated on aluminum foil and vacuum dried for 24 hours to remove residual solvent.
<양극 제조예 3 : 프리스탠딩 MgAl-LDH@CNT-S 캐소드><Anode Manufacturing Example 3: Freestanding MgAl-LDH @ CNT-S Cathode>
3 mmol의 Mg(NO3)2·6H2O, 1 mmol의 Al(NO3)3·9H2O 및 0.16 mol의 우레아 (Junsei Chemical, Japan)를 200 ml의 탈이온수에 용해시켜 용액 1을 얻었다. 상기 우레아는 염기로 사용되었고 100 ℃에서 물의 존재하에 쉽게 가수 분해되어 (NH4)2CO3를 생성한다. 한편, 질산을 사용하여 기능화된 탄소나노튜브(MWCNT) 0.2 g을 10 ml의 이소프로판올 용액에 초음파 분산시켜 용액 2를 얻었다. 용액 2를 교반되고 있는 용액 1에 1시간 동안 적가하고, 얻어진 혼합물을 4 시간 동안 계속 교반하면서 100℃에서 환류시켰다. 침전 생성물을 여과하고, 탈이온수로 세척하여 미반응 된 반응물을 제거하고, 진공 오븐에서 80 ℃에서 24시간 동안 건조시켜 MVCNT에 접목된 마이크로스케일의 MgAl-LDH (Layered Double Hydroxide) 복합체를 얻었다. 얻어진 MgAl-LDH@CNT 복합체에 추가적인 MWCNT 및 원소 황 분말을 추가하여 프리스탠딩(freestanding) MgAl-LDH@CNT-S 전극을 제조하였다. MgAl-LDH@CNT-S 전극에서 MgAl-LDH : CNT : 원소 황(S8)은 4.5 wt% : 40.5 wt% : 55 wt% 이었다. 프리스탠딩 MgAl-LDH@CNT-S 캐소드를 진공 오븐에서 80 ℃에서 12 시간 동안 건조시켰다.3 mmol of Mg (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, 1 mmol of Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O and 0.16 mol of urea (Junsei Chemical, Japan) were dissolved in 200 ml of deionized water to give
<전지 제조예 1><Battery Production Example 1>
양극 제조예 1에서 얻어진 황 함유량이 5mg/cm2 인 CNT-S 양극 시트와 리튬 금속 호일을 3cm x 5cm의 크기로 자른 후 총 8장 씩 사용하여 적층된 파우치 셀 형태의 리튬-황 전지를 제조하였다. 이 때, 양극과 음극 사이에 상기 양면 코팅된 분리막 제조예 1에서 얻어진 양면 코팅된 분리막을 그래핀층이 양극을 향하고 Al2O3 층이 음극을 향하도록 배치시켰고, 전해액으로 1:1 (v/v)의 비율을 갖는 1,3-다이옥솔란(1,3-dioxolane) 및 1,2-다이메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane)의 혼합용매 내에 1M의 LiTFSI (lithium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide)와 0.8M의 LiNO3가 용해된 전해액을 사용하였다.A lithium-sulfur battery in the form of a laminated pouch cell was prepared by cutting a CNT-S positive electrode sheet having a sulfur content of 5 mg / cm 2 and a lithium metal foil having a size of 3 cm x 5 cm, and using a total of eight sheets. It was. At this time, the double-coated separator obtained in the double-coated separator Preparation Example 1 between the positive electrode and the negative electrode was disposed so that the graphene layer toward the positive electrode and the Al 2 O 3 layer toward the negative electrode, 1: 1 (v / 1M LiTFSI (lithium bis (trifluoromethane sulfonyl) imide) in a mixed solvent of 1,3-dioxolane (1,3-dioxolane) and 1,2-dimethoxyethane (v) with a ratio of v) ) And 0.8 M of LiNO 3 were used.
<전지 제조예 2><Battery Production Example 2>
양극 제조예 2에서 얻어진 황 함유량이 3mg/cm2 인 양극과 리튬 금속 호일을 3cm x 5cm의 크기로 자른 후 2장 씩 사용하여 적층된 파우치 셀 형태의 리튬-황 전지를 제조한 것을 제외하고는 전지 제조예 1과 동일한 전지를 제조하였다.Except that a lithium-sulfur battery in the form of a laminated pouch cell was manufactured by cutting a positive electrode having a sulfur content of 3 mg / cm 2 and a lithium metal foil having a size of 3 cm x 5 cm, and then using each of two sheets. The same battery as in Battery Preparation Example 1 was prepared.
<전지 제조예 3><Battery Production Example 3>
양극 제조예 3에서 얻어진 프리스탠딩 MgAl-LDH@CNT-S를 10 mm의 직경을 갖는 디스크 형태로 잘라 양극을 얻었다. 이 양극 내 황 질량 로딩은 4.0 ~ 4.5 mg/cm2였다. 리튬 금속 포일을 음극으로 사용하였다. 1:1 (v/v)의 비율을 갖는 1,3-다이옥솔란(1,3-dioxolane) 및 1,2-다이메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane)의 혼합용매 내에 1M의 LiTFSI (lithium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide)와 0.8M의 LiNO3가 용해된 전해액을 얻었다. 상기 양극과 음극 사이에 상기 양면 코팅된 분리막 제조예 1에서 얻어진 양면 코팅된 분리막을 그래핀층이 양극을 향하고 Al2O3 층이 음극을 향하도록 배치시키고 상기 전해액을 주입하여 코인셀(CR2032)을 구성하였다. 전지의 제조는 Ar로 채워진 건조 박스 (MBRAUN) 내에서 수행되었다.The freestanding MgAl-LDH @ CNT-S obtained in the positive electrode preparation example 3 was cut into the shape of the disk which has a diameter of 10 mm, and the positive electrode was obtained. The sulfur mass loading in this anode was 4.0-4.5 mg / cm 2 . Lithium metal foil was used as the negative electrode. 1 M LiTFSI (lithium) in a mixed solvent of 1,3-dioxolane (1,3-dioxolane) and 1,2-dimethoxyethane having a ratio of 1: 1 (v / v) An electrolyte solution containing bis (trifluoromethane sulfonyl) imide) and 0.8M LiNO 3 was obtained. The double-coated separator obtained in Preparation Example 1 of the double-coated separator between the positive electrode and the negative electrode was disposed such that the graphene layer faced the positive electrode and the Al 2 O 3 layer faced the negative electrode, and injected the electrolyte into the coin cell CR2032. Configured. Preparation of the cells was carried out in a dry box (MBRAUN) filled with Ar.
<전지 비교예 1><Comparative Battery Example 1>
상기 양면 코팅된 분리막 제조예 1에서 얻어진 양면 코팅된 분리막이 아닌 코팅되지 않은 폴리프로필렌 분리막(Celgard 2400, USA)을 분리막으로 사용한 것을 제외하고는 전지 제조예 1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.A battery was manufactured in the same manner as in Battery Preparation Example 1, except for using the non-coated polypropylene separator (Celgard 2400, USA) instead of the double coated membrane obtained in Preparation Example 1 as the double-coated separator.
<전지 비교예 2><Battery Comparative Example 2>
상기 양면 코팅된 분리막 제조예 1에서 얻어진 양면 코팅된 분리막이 아닌 코팅되지 않은 폴리프로필렌 분리막(Celgard 2400, USA)을 분리막으로 사용한 것을 제외하고는 전지 제조예 2과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.A battery was manufactured in the same manner as in Battery Preparation Example 2, except for using the non-coated polypropylene separator (Celgard 2400, USA) instead of the double-coated separator obtained in Preparation Example 1 as a separator.
<전지 비교예 3><Comparative Battery Example 3>
상기 양면 코팅된 분리막 제조예 1에서 얻어진 양면 코팅된 분리막이 아닌 코팅되지 않은 폴리프로필렌 분리막(Celgard 2400, USA)을 분리막으로 사용한 것을 제외하고는 전지 제조예 3과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.A battery was manufactured in the same manner as in Battery Preparation Example 3, except for using the uncoated polypropylene separator (Celgard 2400, USA) instead of the double coated membrane obtained in Preparation Example 1 as a double-coated separator.
도 4는 폴리프로필렌 분리막 표면(b), 그리고 양면 코팅된 분리막 제조예 1에 따른 양면 코팅된 분리막의 그래핀 코팅된 표면(a), Al2O3 코팅된 표면(c), 및 단면(d)을 촬영한 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope) 이미지들을 나타낸다.4 is a graphene-coated surface (a), an Al 2 O 3 coated surface (c), and a cross-section (d) of a polypropylene separator surface (b), and a double-coated separator according to Preparation Example 1 of a double-coated membrane. Scanning electron microscope (SEM) images taken are shown.
도 4를 참조하면, 시판 폴리프로필렌 분리막(b)의 표면은 균일한 서브 마이크로미터 다공성을 보였다. 그래핀 코팅된 표면(a)과 Al2O3 코팅된 표면(c)을 촬영한 SEM 이미지는 조밀한 그래핀과 Al2O3 분말이 폴리프로필렌 분리막의 양측면을 각각 덮는 것을 보여준다. 또한, 양면 코팅된 분리막의 단면(d)은 그래핀층과 Al2O3층이 각각 약 15 ㎛와 3 ㎛의 두께들로 형성된 것을 보여준다. 따라서, 양면 코팅된 분리막 (27 ㎛의 폴리프로필렌층 포함)은 전체적으로 약 45 ㎛ 두께를 나타내었다. Referring to FIG. 4, the surface of the commercially available polypropylene separator (b) showed uniform submicron porosity. SEM images of the graphene coated surface (a) and the Al 2 O 3 coated surface (c) show that the dense graphene and Al 2 O 3 powders cover both sides of the polypropylene separator, respectively. In addition, the cross-section (d) of the double-coated separator shows that the graphene layer and the Al 2 O 3 layer were formed with thicknesses of about 15 μm and 3 μm, respectively. Thus, the double coated membrane (including 27 μm polypropylene layer) was approximately 45 μm thick overall.
도 5는 양면 코팅된 분리막 제조예 1에 따른 양면 코팅된 분리막의 단면을 촬영한 SEM 이미지(a)와 이 단면의 EDS (Energy Dispersive X-Ray Spectrometer) 이미지들(b, c)을 나타낸다.FIG. 5 shows SEM images (a) of cross sections of the double coated membrane according to Preparation Example 1 of double coated membrane and Energy Dispersive X-Ray Spectrometer (EDS) images (b, c) of the cross section.
도 5를 참조하면, 다공성 폴리프로필렌층의 양측면에 그래핀층과 Al2O3 나노파우더층이 각각 형성된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that graphene layers and Al 2 O 3 nanopowder layers are formed on both sides of the porous polypropylene layer, respectively.
도 6은 양면 코팅된 분리막 제조예들 1 내지 3에 따른 양면 코팅된 분리막들의 그래핀 코팅된 표면, 아세틸렌 블랙 코팅된 표면, 및 super-p 코팅된 표면을 촬영한 광학사진들을 나타낸다.FIG. 6 shows optical photographs of graphene coated surfaces, acetylene black coated surfaces, and super-p coated surfaces of double coated membranes according to Double Coated Membrane Preparation Examples 1 to 3;
도 6을 참조하면, 그래핀 코팅 표면은 그래핀이 균일하게 코팅된 것으로 확인되나, 아세틸렌 블랙 또는 super-p는 균일하게 코팅되지 않은 것으로 나타났다. 이는 그래핀 입자가 평판상의 형태를 가짐에 따른 것으로 추정되었다.Referring to FIG. 6, the graphene coating surface was found to be uniformly coated with graphene, but acetylene black or super-p was not uniformly coated. This was presumed to be due to the graphene particles having a flat plate shape.
도 7은 전지 제조예 1 및 전지 비교예 1에 따른 전지들의 초기 충방전 특성을 나타낸 그래프이다. 초기 충방전 특성은 30℃의 온도 및 1.9V-2.6V (vs. Li/Li+)의 전압범위에서 0.1C의 율속 조건에서 측정하였다. 본 명세서 내 실험예들에서 율속은 황의 이론용량(1675 mAh/g)을 기준으로 하였다.7 is a graph illustrating initial charge and discharge characteristics of batteries according to Battery Preparation Example 1 and Battery Comparative Example 1. FIG. Initial charge and discharge characteristics were measured at a rate of 0.1C at a temperature of 30 ℃ and a voltage range of 1.9V-2.6V (vs. Li / Li + ). In the experimental examples herein, the rate was based on the theoretical capacity of sulfur (1675 mAh / g).
도 7을 참조하면, 양면 코팅된 분리막을 사용한 전지 제조예 1에 따른 전지는 코팅되지 않은 분리막을 사용한 전지 비교예 1에 따른 전지에 비해 초기 용량이 향상된 것을 알 수 있다. 이는 전지 제조예 1에서 사용된 양면 코팅된 분리막의 양극을 바라보는 면 상에 코팅된 그래핀층이 양극의 전기적 전도성을 향상시켜 황의 전기화학적 반응효율을 향상시킨 것에 기인하는 것으로 풀이할 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the battery according to Preparation Example 1 of the battery using the double-coated separator is improved in initial capacity compared to the battery of Comparative Example 1 of the battery using the uncoated separator. This can be understood that the graphene layer coated on the surface facing the anode of the double-coated separator used in the battery preparation example 1 improves the electrical conductivity of the anode to improve the electrochemical reaction efficiency of sulfur.
도 8 및 도 9는 전지 제조예 2 및 전지 비교예 2에 따른 전지들의 초기 충방전 특성과 사이클 특성을 각각 나타낸 그래프들이다. 초기 충방전 특성은 30℃의 온도에서 1V-3V (vs. Li/Li+)의 전압범위에서 0.1C의 율속 조건에서 측정하였고, 사이클 특성은 율속을 0.5C로 달리한 것만 제외하고는 충방전 특성 측정 조건과 동일한 조건에서 측정하였다. 8 and 9 are graphs showing initial charge and discharge characteristics and cycle characteristics of batteries according to Battery Preparation Example 2 and Comparative Example 2, respectively. Initial charging and discharging characteristics were measured at a rate of 0.1C at a voltage range of 1V-3V (vs. Li / Li + ) at a temperature of 30 ° C., and the cycle characteristics were charged and discharged except that the rate was changed to 0.5C. Measurement was carried out under the same conditions as the characteristic measurement conditions.
도 8을 참조하면, 초기 용량의 경우 전지 제조예 2와 전지 비교예 2에서 큰 차이는 없었으나 충/방전 효율이 소폭 차이가 나타났다.Referring to FIG. 8, there was no significant difference between the battery preparation example 2 and the battery comparative example 2 in the case of the initial capacity, but showed a slight difference in the charge / discharge efficiency.
도 9를 참조하면, 고율 (0.5 C)에서의 용량은 전지 제조예 2가 더욱 높았으며, 사이클이 진행된 이후 수명 특성 역시 전지 제조예 2가 더 우수하게 나타났다. Referring to FIG. 9, the capacity at high rate (0.5 C) was higher in Battery Preparation Example 2, and the battery life example also showed better performance after the cycle.
도 10 및 도 11은 전지 제조예 3 및 전지 비교예 3에 따른 전지들의 초기 충방전 특성과 사이클 & 쿨롱효율 특성을 각각 나타낸 그래프들이다. 초기 충방전 특성은 30℃의 온도 및 1.9V-2.8V (vs. Li/Li+)의 전압범위에서 0.1C의 율속 조건에서 측정하였고, 사이클 특성은 율속을 1C로 달리한 것만 제외하고는 충방전 특성 측정 조건과 동일한 조건에서 측정하였다. 10 and 11 are graphs showing initial charge and discharge characteristics and cycle & coulomb efficiency characteristics of batteries according to Battery Preparation Example 3 and Battery Comparative Example 3, respectively. Initial charging and discharging characteristics were measured at a rate of 0.1C at a temperature of 30 ° C and a voltage range of 1.9V-2.8V (vs. Li / Li + ), and the cycle characteristics were changed except that the rate was changed to 1C. Measurement was performed under the same conditions as the discharge characteristic measurement conditions.
도 10을 참조하면, 양면 코팅된 분리막을 사용한 전지 제조예 3에 따른 전지는 코팅되지 않은 분리막을 사용한 전지 비교예 3에 따른 전지에 비해 초기 용량이 향상된 것을 알 수 있다. 이는 전지 제조예 3에서 사용된 양면 코팅된 분리막의 양극을 바라보는 면 상에 코팅된 그래핀층이 양극의 전기적 전도성을 향상시켜 황의 전기화학적 반응효율을 향상시킨 것에 기인하는 것으로 풀이할 수 있다.Referring to FIG. 10, it can be seen that the battery according to Preparation Example 3 using the double-coated separator is improved in initial capacity compared to the battery according to Comparative Example 3, the battery using the uncoated separator. This can be understood that the graphene layer coated on the surface facing the positive electrode of the double-coated separator used in Preparation Example 3 improves the electrical conductivity of the positive electrode, thereby improving the electrochemical reaction efficiency of sulfur.
도 11을 참조하면, 고율 (1 C)에서 200 사이클 동안 전지를 구동한 결과, 양면 코팅된 분리막을 사용한 전지 제조예 3에 따른 전지는 코팅되지 않은 분리막을 사용한 전지 비교예 3에 따른 전지에 비해 수명특성 및 쿨롱효율 특성이 매우 우수한 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 11, as a result of driving the battery for 200 cycles at a high rate (1 C), the battery according to Preparation Example 3 using the double-coated separator was compared with the cell according to Comparative Example 3 using the uncoated separator. It can be seen that the life characteristics and the coulomb efficiency characteristics are very excellent.
도 12a는 전지 제조예 3 및 전지 비교예 3에 따른 전지들의 율속 변화 조건에서의 사이클 특성을 나타낸 그래프이고, 도 12b 및 도 12c는 각각 전지 제조예 3 및 전지 비교예 3에 따른 전지들의 율속 변화 조건에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프들이다. 이는 30℃의 온도 및 1.9V-2.8V (vs. Li/Li+)의 전압범위에서 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 3C, 및 5C의 율속 조건에서 측정하였다.12A is a graph showing cycle characteristics under the rate change conditions of batteries according to Battery Preparation Example 3 and Battery Comparative Example 3, and FIGS. 12B and 12C show rate changes of batteries according to Battery Preparation Example 3 and Battery Comparative Example 3, respectively. Graphs showing charge and discharge characteristics under conditions. It was measured at rate conditions of 0.1 C, 0.2 C, 0.5 C, 1 C, 3 C, and 5 C at a temperature of 30 ° C. and a voltage range of 1.9 V-2.8 V (vs. Li / Li + ).
도 12a, 도 12b, 및 도 12c를 참조하면, 양면 코팅된 분리막을 사용한 전지 제조예 3에 따른 전지는 코팅되지 않은 분리막을 사용한 전지 비교예 3에 따른 전지에 비해 율속 변화 조건에서의 사이클 특성 및 충방전 특성이 모두 우수한 것으로 나타났다.12A, 12B, and 12C, the battery according to Battery Preparation Example 3 using the double-coated separator and the cycle characteristics at the rate change condition compared to the battery according to Comparative Example 3 using the uncoated separator and The charge and discharge characteristics were all excellent.
도 13은 전지 제조예 3 및 전지 비교예 3에 따른 전지들을 1.9V-2.8V (vs. Li/Li+)의 전압범위에서 1C의 율속으로 100 사이클 구동한 후 측정한 전기화학 임피던스 분광(electrochemical impedance spectroscopy) 시험결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 13 is an electrochemical impedance spectrometer measured after 100 cycles of cells according to Preparation Example 3 and Comparative Example 3 at a rate of 1 C in a voltage range of 1.9 V to 2.8 V (vs. Li / Li + ). impedance spectroscopy) A graph showing the test results.
도 13을 참조하면, 양면 코팅된 분리막을 사용한 전지 제조예 3에 따른 전지는 코팅되지 않은 분리막을 사용한 전지 비교예 3에 따른 전지에 비해 낮은 저항을 나타낸 것을 알 수 있다. 이는 분리막의 일면 상에 코팅된 그래핀층이 전해질, 황 양극, 및 분리막 사이의 계면 전하 전달을 향상시키기 때문으로 풀이되었다. 나아가, 분리막의 일면 상에 코팅된 그래핀층과 다른 일면 상에 코팅된 Al2O3층은 리튬 폴리설파이드를 잡아두는 역할을 하여 음극 상에 황 화학종의 축적을 억제하며, 또한 전기화학적 키네틱(kinetics)을 향상시킬 수 있다. Referring to FIG. 13, it can be seen that the battery according to Battery Preparation Example 3 using the double-coated separator showed lower resistance than the battery according to Comparative Example 3, the battery using the uncoated separator. This is solved because the graphene layer coated on one side of the separator improves the interfacial charge transfer between the electrolyte, the sulfur anode, and the separator. Furthermore, the graphene layer coated on one side of the separator and the Al 2 O 3 layer coated on the other side serve to trap lithium polysulfide to suppress the accumulation of sulfur species on the cathode, and also the electrochemical kinetics ( kinetics).
도 14는 전지 제조예 3 및 전지 비교예 3에 따른 전지들을 1.9V-2.8V (vs. Li/Li+)의 전압범위에서 1C의 율속으로 200 사이클 구동한 후 분해하여 회수한 분리막의 표면과 리튬 메탈 음극의 표면을 촬영한 SEM 이미지들과 리튬 메탈 음극 표면의 EDS 이미지를 나타낸다.14 shows the surface of a separator obtained by disassembling and recovering the cells according to Battery Preparation Example 3 and Battery Comparative Example 3 after driving 200 cycles at a rate of 1C in a voltage range of 1.9V to 2.8V (vs. Li / Li + ). SEM images of the surface of the lithium metal negative electrode and EDS images of the surface of the lithium metal negative electrode are shown.
도 14를 참조하면, 전지 비교예 3의 전지에 구비되었던 코팅되지 않은 폴리프로필렌 분리막의 리튬 메탈을 향한 표면은 녹아내리고 기공들이 막힌 것을 알 수 있다(특히 점선 안쪽 영역). 반면, 전지 제조예 3의 전지에 구비되었던 양면 코팅 분리막의 Al2O3층으로 코팅된 면은 거의 손상되지 않은 것을 알 수 있다. 또한, 전지 비교예 3의 전지에 구비되었던 리튬 메탈 음극 표면 상에는 황이 축적되고 또한 덴드라이트들이 성장되어 매우 거친 표면을 나타내고 있음을 알 수 있다. 그러나, 전지 제조예 3의 전지에 구비되었던 리튬 메탈 음극 표면 상에는 축적된 황의 량이 적고 또한 비교적 평탄한 표면을 나타내어 덴드라이트들의 성장이 억제된 것을 알 수 있다. 이러한 결과로부터, 양면 코팅 분리막의 양측면들 상에 각각 코팅된 그래핀층과 Al2O3층은 폴리설파이드가 음극 쪽으로 넘어가는 것을 억제하고 또한 Al2O3층은 전지 구동 과정에서 리튬 메탈 음극 상에 형성될 수 있는 덴드라이트의 생성을 억제하는 것을 알 수 있다. 이는 도 11에서 보여준 수명특성의 향상을 뒷받침할 수 있다.Referring to FIG. 14, it can be seen that the surface facing the lithium metal of the uncoated polypropylene separator, which was provided in the battery of Comparative Example 3, was melted and the pores were blocked (particularly, the dotted inner region). On the other hand, it can be seen that the surface coated with the Al 2 O 3 layer of the double-sided coating separator provided in the battery of Battery Preparation Example 3 was hardly damaged. In addition, it can be seen that sulfur accumulates on the lithium metal negative electrode surface of the battery of Comparative Example 3, and dendrites are grown to show a very rough surface. However, it can be seen that the amount of sulfur accumulated on the surface of the lithium metal negative electrode provided in the battery of Battery Preparation Example 3 was relatively small and the surface was relatively flat, thereby suppressing the growth of dendrites. From these results, the graphene layer and the Al 2 O 3 layer respectively coated on both sides of the double-coated separator prevent the polysulfide from passing to the cathode side and the Al 2 O 3 layer is formed on the lithium metal negative electrode during the battery driving process. It can be seen that it inhibits the production of dendrites that can be formed. This may support the improvement of the life characteristics shown in FIG. 11.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes by those skilled in the art within the spirit and scope of the present invention. This is possible.
Claims (16)
상기 절연성 다공체의 일측면 상에 위치하는 탄소입자층; 및
상기 절연성 다공체의 타측면 상에 위치하는 무기입자층을 포함하는 양면 코팅된 분리막. An insulating porous body having a pair of side surfaces facing each other;
A carbon particle layer located on one side of the insulating porous body; And
A double-coated separator comprising an inorganic particle layer located on the other side of the insulating porous body.
상기 탄소입자층은 그래핀 입자들과 바인더를 구비하는 양면 코팅된 분리막. The method of claim 1,
The carbon particle layer is a double-coated separator having graphene particles and a binder.
상기 탄소입자층 내의 그래핀 입자들은 바인더 대비 더 많은 중량으로 함유되는 양면 코팅된 분리막. The method of claim 2,
Graphene particles in the carbon particle layer is a double-coated separator containing more weight than the binder.
상기 탄소입자층은 5 내지 30 ㎛의 두께를 갖는 양면 코팅된 분리막. The method of claim 2,
The carbon particle layer is a double coated membrane having a thickness of 5 to 30 ㎛.
상기 무기입자층은 금속산화물 나노입자들과 바인더를 구비하는 양면 코팅된 분리막. The method of claim 1,
The inorganic particle layer is a double-coated separator having a metal oxide nanoparticles and a binder.
상기 무기입자층 내의 금속산화물 나노입자들은 바인더 대비 더 많은 중량으로 함유되는 양면 코팅된 분리막. The method of claim 5,
The metal oxide nanoparticles in the inorganic particle layer is a double-coated separator containing more weight than the binder.
상기 무기입자층은 1 내지 9 ㎛의 두께를 갖는 양면 코팅된 분리막. The method of claim 5,
The inorganic particle layer is a double-coated separator having a thickness of 1 to 9 ㎛.
상기 절연성 다공체의 일측면 상에 탄소입자 슬러리를 코팅하는 단계; 및
상기 절연성 다공체의 타측면 상에 무기입자 슬러리를 코팅하는 단계를 포함하는 양면 코팅된 분리막 제조방법. Providing an insulating porous body having a pair of sides facing each other;
Coating a slurry of carbon particles on one side of the insulating porous body; And
Method for producing a double-coated separator comprising the step of coating the inorganic particle slurry on the other side of the insulating porous body.
상기 탄소입자 슬러리는 그래핀 입자들, 바인더, 및 극성 비양자성 용매를 함유하는 양면 코팅된 분리막 제조방법.The method of claim 8,
The carbon particle slurry is a double-coated separator manufacturing method containing graphene particles, a binder, and a polar aprotic solvent.
상기 탄소입자 슬러리는 상기 용매 1 ㎖에 대해 상기 그래핀 입자들과 상기 바인더를 1 내지 5 ㎎의 농도로 함유하는 양면 코팅된 분리막 제조방법.The method of claim 9,
The carbon particle slurry is a double-coated separator manufacturing method containing the graphene particles and the binder in a concentration of 1 to 5 mg with respect to 1 ml of the solvent.
상기 무기입자 슬러리는 금속산화물 나노입자들, 바인더, 및 극성 비양자성 용매를 함유하는 양면 코팅된 분리막 제조방법.The method of claim 8,
The inorganic particle slurry comprises a metal oxide nanoparticles, a binder, and a polarized coated membrane manufacturing method containing a polar aprotic solvent.
상기 무기입자 슬러리는 상기 용매 1 ㎖에 대해 상기 금속산화물 나노입자들과 상기 바인더를 1 내지 5 ㎎의 농도로 함유하는 양면 코팅된 분리막 제조방법.The method of claim 11,
The inorganic particle slurry is a double-coated separator manufacturing method containing the metal oxide nanoparticles and the binder in a concentration of 1 to 5 mg with respect to 1 ml of the solvent.
상기 극성 비양자성 용매는 아세톤인 양면 코팅된 분리막 제조방법.The method according to claim 9 or 11,
The polar aprotic solvent is acetone double-coated membrane manufacturing method.
상기 탄소입자 슬러리 또는 상기 무기입자 슬러리는 드랍렛 방식을 사용하여 코팅되는 양면 코팅된 분리막 제조방법.The method of claim 9,
The carbon particle slurry or the inorganic particle slurry is coated on both sides coated membrane using a droplet method.
양극; 및
상기 음극과 상기 양극 사이에 배치된 양면 코팅된 분리막을 포함하고,
상기 양면 코팅된 분리막은 절연성 다공체, 상기 절연성 다공체가 상기 양극을 바라보는 면 상에 위치하는 탄소입자층, 및 상기 절연성 다공체가 음극을 바라보는 면 상에 위치하는 무기입자층을 구비하는 금속 이차전지.A cathode which is a metal electrode;
anode; And
It comprises a separator coated on both sides disposed between the cathode and the anode,
The double-coated separator is a metal secondary battery having an insulating porous body, a carbon particle layer positioned on the surface facing the anode and the inorganic porous layer located on the surface facing the anode.
상기 양극은 황 함유 물질을 양극활물질로서 함유하는 금속 이차전지.The method of claim 15,
The positive electrode is a metal secondary battery containing a sulfur-containing material as a positive electrode active material.
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