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KR20250027694A - A positive active material comprising sulfur-carbon complex and a lithium-sulfur secondary battery having a high power property - Google Patents

A positive active material comprising sulfur-carbon complex and a lithium-sulfur secondary battery having a high power property Download PDF

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KR20250027694A
KR20250027694A KR1020250020295A KR20250020295A KR20250027694A KR 20250027694 A KR20250027694 A KR 20250027694A KR 1020250020295 A KR1020250020295 A KR 1020250020295A KR 20250020295 A KR20250020295 A KR 20250020295A KR 20250027694 A KR20250027694 A KR 20250027694A
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KR
South Korea
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sulfur
active material
carbon
lithium
positive electrode
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Application number
KR1020250020295A
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Korean (ko)
Inventor
김민수
강다영
김봉수
양승보
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
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Priority claimed from KR1020230073163A external-priority patent/KR20240101314A/en
Priority claimed from KR1020230075765A external-priority patent/KR20240101316A/en
Priority claimed from KR1020230119938A external-priority patent/KR20240078311A/en
Priority claimed from KR1020230165529A external-priority patent/KR102775172B1/en
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Abstract

본 발명은 리튬황전지용 양극 활물질에 관한 것으로서, 상기 양극 활물질은 황-탄소 복합체를 포함하고, 상기 황-탄소 복합체는 다공성 탄소재 및 황계 재료를 포함한다. 이때, 상기 다공성 탄소재는 입경 D10 및 D90의 합이 60 ㎛ 이하이거나, 입경 D10 대비 입경 D90의 분포의 비가 7 이하인 것 중 적어도 하나를 만족함으로써, 높은 출력 밀도 및 높은 용량을 구현하는 리튬-황 전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a cathode active material for a lithium-sulfur battery, wherein the cathode active material comprises a sulfur-carbon composite, and the sulfur-carbon composite comprises a porous carbon material and a sulfur-based material. At this time, the porous carbon material satisfies at least one of the following: a sum of particle diameters D 10 and D 90 is 60 ㎛ or less, or a distribution ratio of particle diameters D 90 to D 10 is 7 or less, thereby providing a lithium-sulfur battery implementing high power density and high capacity.

Description

황-탄소 복합체를 포함하는 양극 활물질 및 고출력 특성을 갖는 리튬-황 이차전지{A positive active material comprising sulfur-carbon complex and a lithium-sulfur secondary battery having a high power property}{A positive active material comprising sulfur-carbon complex and a lithium-sulfur secondary battery having a high power property}

본 발명은 리튬-황 전지용 양극 활물질, 및 이를 이용한 고출력 밀도 및 고용량 특성을 갖는 리튬-황 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode active material for a lithium-sulfur battery, and a lithium-sulfur battery having high power density and high capacity characteristics using the same.

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

이차전지의 응용 영역이 전기 자동차(EV), 에너지 저장 장치(ESS) 등으로 확대됨에 따라서 상대적으로 낮은 무게 대비 에너지 저장 밀도(~250 Wh/kg)를 갖는 리튬-이온 이차전지에 비해 이론상으로 높은 무게 대비 에너지 저장 밀도(~2,600 Wh/kg)를 구현할 수 있는 리튬황 전지 기술이 각광 받고 있다.As the application areas of secondary batteries are expanding to electric vehicles (EVs) and energy storage systems (ESS), lithium-sulfur battery technology, which can theoretically achieve a high energy storage density per weight (~2,600 Wh/kg) compared to lithium-ion secondary batteries with a relatively low energy storage density per weight (~250 Wh/kg), is attracting attention.

리튬황 전지는 방전 시에 음극 활물질인 리튬이 전자를 내어놓고 리튬 양이온으로 이온화되면서 산화되며, 양극 활물질인 황 계열 물질이 전자를 받아들이면서 환원된다. 여기서, 황 계열 물질의 환원반응을 통해 상기 S-S 결합이 2개의 전자를 받아들여 황 음이온 형태로 변환된다. 리튬의 산화반응에 의해 생성된 리튬 양이온은 전해질을 통해 양극으로 전달되고, 이는 황 계열 화합물의 환원반응에 의해 생성되는 황 음이온과 결합하여 염을 형성한다. 구체적으로, 방전 전의 황은 환형의 S8 구조를 가지고 있는데, 이는 환원반응에 의해 리튬 폴리설파이드(Lithium polysulfide, Li2Sx, 1≤x≤8)로 변환되고, 완전히 환원되어서 리튬 설파이드(Li2S)가 생성된다.In a lithium-sulfur battery, when discharging, the negative active material lithium is oxidized by releasing electrons and ionizing into lithium cations, and the positive active material sulfur series material is reduced by accepting electrons. Here, through the reduction reaction of the sulfur series material, the SS bond accepts two electrons and is converted into the form of a sulfur anion. The lithium cation generated by the oxidation reaction of lithium is transferred to the positive electrode through the electrolyte, and combines with the sulfur anion generated by the reduction reaction of the sulfur series compound to form a salt. Specifically, sulfur before discharge has a cyclic S 8 structure, which is converted into lithium polysulfide (Li 2 Sx, 1 ≤ x ≤ 8) through the reduction reaction, and is completely reduced to generate lithium sulfide (Li 2 S).

이와 같이 양극 활물질에 사용되는 황(S8)은 부도체이므로 황의 반응성을 향상시키기 위해 황의 담지체로서 다공성 탄소재가 연구되고 있다. 리튬황 이차전지의 충·방전시 전기화학 반응의 동역학적 활성을 향상시키기 위해 양극재로서 양극 활물질을 다공성 탄소재에 담지한 황-탄소 복합체에 대한 기술 개발이 지속적으로 요구되고 있다.As sulfur (S 8 ) used in the positive electrode active material is an insulator, porous carbon materials are being studied as a sulfur carrier to improve the reactivity of sulfur. In order to improve the kinetic activity of the electrochemical reaction during charging and discharging of lithium sulfur secondary batteries, there is a continuous demand for technology development for sulfur-carbon composites in which the positive electrode active material is supported on porous carbon materials as a positive electrode material.

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

이에 따라, 리튬-황 이차전지에 사용하기 위한 다양한 물성의 황-탄소 복합체에 대한 연구 개발이 계속되고 있다.Accordingly, research and development of sulfur-carbon complexes with various properties for use in lithium-sulfur secondary batteries is continuing.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해,The present invention is to solve the above-described problem,

일 측면에 따르면, 황이 담지되는 다공성 탄소재의 입도 크기를 작게 구비하여 황의 전기화학적 반응성을 균일하게 나타낼 수 있는 활물질, 이를 이용한 전극, 및 전지를 제공하고자 한다.According to one aspect, the present invention aims to provide an active material capable of uniformly exhibiting the electrochemical reactivity of sulfur by providing a small particle size of a porous carbon material carrying sulfur, an electrode using the same, and a battery.

다른 측면에 따르면, 황이 담지되는 다공성 탄소 재료의 입도 크기를 균일하게 구비하여 황의 전기화학적 반응성을 균일하게 나타낼 수 있는 활물질, 이를 이용한 전극, 및 전지를 제공하고자 한다.According to another aspect, the present invention aims to provide an active material capable of uniformly exhibiting the electrochemical reactivity of sulfur by uniformly providing a particle size of a porous carbon material on which sulfur is supported, an electrode using the same, and a battery.

구체적으로, 황이 담지되는 다공성 탄소재의 입도를 작게 하거나, 입도 분포를 소정 비율로 조절하여 전지의 에너지 밀도, 전지 용량 및 전기화학적 반응 균일성이 향상된 리튬-황 전지를 제공하는 것을 목적으로 할 수 있다.Specifically, the purpose may be to provide a lithium-sulfur battery having improved energy density, battery capacity, and electrochemical reaction uniformity by reducing the particle size of a porous carbon material carrying sulfur or controlling the particle size distribution at a predetermined ratio.

상술한 문제를 해결하기 위해,To solve the above problems,

일 측면에 따른 본 발명은 하기 구현예들의 리튬-황 전지용 양극 활물질을 제공한다.According to one aspect, the present invention provides cathode active materials for lithium-sulfur batteries of the following embodiments.

제1 구현예에 따른 양극 활물질은,The positive electrode active material according to the first embodiment is

다공성 탄소재 및 황계 재료를 포함하는 황-탄소 복합체를 포함하고,Comprising a sulfur-carbon composite including a porous carbon material and a sulfur-based material,

상기 다공성 탄소재는 하기 (1) 및 (2) 중 적어도 하나의 입경 조건을 만족하는 것이다.The above porous carbon material satisfies at least one of the particle size conditions (1) and (2) below.

(1) 입경 D10 및 입경 D90의 합이 60 ㎛ 이하인 것 및(1) The sum of particle diameter D 10 and particle diameter D 90 is 60 ㎛ or less, and

(2) 하기 식 1에 따른 입경 D10 대비 입경 D90 분포의 비(Broadness Factor, BF)가 7 이하인 것,(2) The ratio of the particle size distribution D90 to particle size D10 according to Equation 1 below (Broadness Factor, BF) is 7 or less,

[식 1][Formula 1]

Broadness Factor(BF) = [(입경 D90)/(입경 D10)]Broadness Factor(BF) = [(particle diameter D 90 )/(particle diameter D 10 )]

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

상기 황계 재료는 무기 황(S8); Li2Sn(n≥1); 2,5-디머캅토-1,3,4-티아디아졸(2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole) 및 1,3,5-트리티오시아누익산(1,3,5-trithiocyanuic acid) 중 1종 이상을 포함하는 유기황 화합물; 탄소-황 폴리머((C2Sx)n, x=2.5 내지 50, n≥2); 또는 이들 중 2 이상의 혼합물;을 포함할 수 있다.The above sulfur-based material may include inorganic sulfur (S 8 ); Li 2 S n (n≥1); an organosulfur compound including at least one of 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole and 1,3,5-trithiocyanuic acid; a carbon-sulfur polymer ((C 2 S x ) n , x=2.5 to 50, n≥2); or a mixture of two or more of them.

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

상기 다공성 탄소재는 BET 표면적이 150 m2/g 이상일 수 있다.The above porous carbon material may have a BET surface area of 150 m 2 /g or more.

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

상기 다공성 탄소재는 탄소나노튜브, 카본블랙, 흑연, 활성 탄소, 그래핀 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.The above porous carbon material may include carbon nanotubes, carbon black, graphite, activated carbon, graphene, or a mixture of two or more thereof.

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

상기 다공성 탄소재는 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.The above porous carbon material may include carbon nanotubes.

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

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

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

상기 다공성 탄소재는, The above porous carbon material is,

원료물질로서의 다공성 탄소재를 원심 분쇄기를 이용하여 분쇄하고, The porous carbon material as a raw material is crushed using a centrifugal crusher,

분쇄된 다공성 탄소재를 목적하는 입경 체로 걸러 제조되는 것으로서,It is manufactured by filtering the crushed porous carbon material through a sieve with a desired particle size.

상기 체의 메쉬 크기는 제조된 다공성 탄소재의 입경 D50 대비 2.8배 내지 4배의 크기를 갖는 것일 수 있다.The mesh size of the above body may be 2.8 to 4 times the particle size D 50 of the manufactured porous carbon material.

제8 구현예에 따르면, 제1 구현예 내지 제7 구현예 중 어느 한 구현예에 잇어서,According to the eighth embodiment, in any one of the first to seventh embodiments,

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

제9 구현예에 따르면, 제1 구현예 내지 제8 구현예 중 어느 한 구현예에 잇어서,According to the ninth embodiment, in any one of the first to eighth embodiments,

상기 다공성 탄소재는 상기 식 1에 따른 BF 값이 4 내지 7일 수 있다.The above porous carbon material may have a BF value of 4 to 7 according to the above formula 1.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 하기 구현예들의 양극이 제공된다.According to another aspect of the present invention, the following embodiments of the positive electrode are provided.

제10 구현예에 따른 양극은, The anode according to the 10th embodiment is

집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하며, Comprising a cathode active material layer formed on at least one surface of the entire collector and the entire collector,

상기 양극 활물질층은 제1 구현예 내지 제9 구현예 중 어느 한 구현예에 따른 리튬-황 전지용 양극 활물질을 포함한다.The above positive electrode active material layer includes a positive electrode active material for a lithium-sulfur battery according to any one of the first to ninth embodiments.

제11 구현예에 따른 양극은,The anode according to the 11th embodiment is

집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하며, Comprising a cathode active material layer formed on at least one surface of the entire collector and the entire collector,

상기 양극 활물질층은 복수의 황-탄소 복합체를 포함하고,The above positive electrode active material layer comprises a plurality of sulfur-carbon complexes,

상기 양극 활물질층의, 상기 집전체와 평행한 면을 기준으로 50 ㎛ X 50 ㎛의 면적 당 임의의 10개의 황-탄소 복합체 면적의 하기 식 2에 따른 오차 값이 100% 이하인 것으로 한다.The error value according to the following Equation 2 for the area of 10 arbitrary sulfur-carbon complexes per area of 50 ㎛ X 50 ㎛ based on the plane parallel to the current collector of the positive electrode active material layer is 100% or less.

[식 2][Formula 2]

오차(error)(%) = [표준편차/평균] X 100Error (%) = [Standard deviation/Mean] X 100

제12 구현예에 따르면, 제10 구현예 또는 제11 구현예에 있어서,According to the 12th embodiment, in the 10th embodiment or the 11th embodiment,

상기 양극 활물질층의 평균 굴곡도(average tortuosity) 값이 1.7 이하일 수 있다.The average tortuosity value of the above positive electrode active material layer may be 1.7 or less.

제13 구현예에 따르면, 제10 구현예 내지 제12 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,According to the 13th embodiment, in any one of the 10th to 12th embodiments,

상기 양극 활물질층은 바인더 및 도전재 중 적어도 하나 이상을 더 포함할 수 있다.The above positive electrode active material layer may further include at least one of a binder and a conductive material.

제14 구현예에 따르면, 제10 구현예 내지 제13 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,According to the 14th embodiment, in any one of the 10th to 13th embodiments,

상기 양극 활물질층 100 wt% 대비 황 원소(S)의 함량이 60wt% 이상일 수 있다.The content of elemental sulfur (S) may be 60 wt% or more relative to 100 wt% of the above-mentioned positive electrode active material layer.

제15 구현예에 따르면, 제10 구현예 내지 제14 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,According to the 15th embodiment, in any one of the 10th to 14th embodiments,

황 로딩량이 1.67 mgs/cm2 내지 2.92 mgs/cm2일 수 있다.The sulfur loading can be from 1.67 mg s /cm 2 to 2.92 mg s /cm 2 .

제16 구현예에 따르면, 제10 구현예 내지 제15 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,According to the 16th embodiment, in any one of the 10th to 15th embodiments,

상기 황-탄소 복합체는, 다공성 탄소재 및 황계 재료를 포함하고,The above sulfur-carbon composite comprises a porous carbon material and a sulfur-based material,

상기 다공성 탄소재는 하기 (1) 및 (2) 중 적어도 하나의 입경 조건을 만족하는 것일 수 있다.The above porous carbon material may satisfy at least one of the particle size conditions (1) and (2) below.

(1) 입경 D10 및 입경 D90의 합이 60 ㎛ 이하인 것 및(1) The sum of particle diameter D 10 and particle diameter D 90 is 60 ㎛ or less, and

(2) 하기 식 1에 따른 입경 D10 대비 입경 D90 분포의 비(Broadness Factor, BF)가 7 이하인 것,(2) The ratio of the particle size distribution D90 to particle size D10 according to Equation 1 below (Broadness Factor, BF) is 7 or less,

[식 1][Formula 1]

Broadness Factor(BF) = [(입경 D90)/(입경 D10)]Broadness Factor(BF) = [(particle diameter D 90 )/(particle diameter D 10 )]

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

제17 구현예에 따른 리튬-황 전지는,A lithium-sulfur battery according to the 17th embodiment,

양극, 음극 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 및 전해질을 포함하며,An anode, a cathode, and a separator interposed between the anode and the cathode, and an electrolyte,

상기 양극은 제11 구현예 내지 제16 구현예 중 어느 한 구현예에 따른 양극을 포함한다.The above anode comprises an anode according to any one of the 11th to 16th embodiments.

제18 구현예에 따르면, 제17 구현예에 있어서,According to the 18th embodiment, in the 17th embodiment,

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

제19 구현예에 따르면, 제17 구현예 또는 제18 구현예에 있어서,According to the 19th embodiment, in the 17th embodiment or the 18th embodiment,

10초 간 출력 밀도(power density)가 2.1 kW/kg 이상일 수 있다.The power density can be greater than 2.1 kW/kg for 10 seconds.

제20 구현예에 따르면, 제17 구현예 내지 제19 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,According to the 20th embodiment, in any one of the 17th to 19th embodiments,

상기 양극 내 황(S)의 무게 당 1,000 mAh/gs 이상의 방전 용량(discharge capacity)을 갖는 것일 수 있다.It may have a discharge capacity of 1,000 mAh/g s or more per weight of sulfur (S) in the above positive electrode.

탄소 소재의 입자 크기가 클 경우, 인접하는 탄소 소재 간의 간극이 필요 이상으로 크기 때문에 셀 용량 발현이 낮은 문제가 있을 수 있다. When the particle size of the carbon material is large, there may be a problem of low cell capacity expression because the gap between adjacent carbon materials is larger than necessary.

또한, 탄소 소재의 입도 분포가 넓을 경우, 불균일한 크기의 탄소 소재에 담지된 황계 재료, 예를 들어 황(S8)의 반응 또한 불균일하게 이루어지기 때문에 셀 용량 발현이 낮은 문제가 있을 수 있다.In addition, when the particle size distribution of the carbon material is wide, the reaction of the sulfur-based material, such as sulfur (S 8 ), supported on the carbon material of non-uniform size also occurs non-uniformly, which may cause a problem of low cell capacity expression.

본 발명은 반응의 균일성을 높이기 위해 작고, 균일한 입도 분포를 가지는 다공성 탄소재를 제조하였으며, 작은 입도를 갖고, 크기가 균일한 탄소 재료를 황계 재료의 담지체로 사용하였을 때, 큰 입도를 갖거나 크기가 불균일한 탄소 재료를 담지체로 사용한 셀 대비 우위의 셀 용량 및 출력 밀도가 발현되는 효과가 있다.The present invention produces a porous carbon material having a small and uniform particle size distribution to increase the uniformity of the reaction, and when a carbon material having a small particle size and a uniform size is used as a carrier for a sulfur-based material, there is an effect of exhibiting superior cell capacity and power density compared to a cell using a carbon material having a large particle size or an uneven size as a carrier.

일 예로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 방전 과정의 전 구간에서, 10초 간 출력 밀도(10s power density)가 2.1 kW/kg 이상인 리튬-황 전지를 제공할 수 있다.For example, according to one aspect of the present invention, a lithium-sulfur battery having a 10-second power density of 2.1 kW/kg or more throughout the entire discharge process can be provided.

또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 1.0C 방전 시 1,000 mAh/gs 이상의 방전 용량을 갖는 리튬-황 전지를 제공할 수 있다.In addition, according to one aspect of the present invention, a lithium-sulfur battery having a discharge capacity of 1,000 mAh/gs or more at 1.0C discharge can be provided.

도 1은 비교예 1 및 실시예 1 내지 실시예 3의 입도 분포를 측정한 결과 그래프이다.
도 2는 실시예 4의 황-탄소 복합체의 제조에 이용된 다공성 탄소재의 SEM 이미지이다. 좌측은 1,000 배율의 이미지이며, 우측은 10,000 배율의 이미지이다.
도 3은 비교예 2의 황-탄소 복합체의 제조에 이용된 다공성 탄소재의 SEM 이미지이다. 좌측은 1,000 배율의 이미지이며, 우측은 10,000 배율의 이미지이다.
도 4a는 실시예 1의 황-탄소 복합체를 이용하여 제조한 양극의 양극 활물질층의 상면 200 ㎛ X 200 ㎛에 대한 400 배율 SEM 이미지이다.
도 4b는 실시예 1의 황-탄소 복합체를 이용하여 제조한 양극의 양극 활물질층의 상면 70 ㎛ X 70 ㎛에 대한 1,000 배율 SEM 이미지이다.
도 4c는 실시예 1의 황-탄소 복합체를 이용하여 제조한 양극의 양극 활물질층의 상면 200 ㎛ X 200 ㎛에 대한 400 배율 SEM 이미지 상에서 가로 방향 및 세로 방향의 굴곡도를 측정한 과정을 표기한 이미지이다.
도 5a는 비교예 1의 황-탄소 복합체를 이용하여 제조한 양극의 양극 활물질층의 상면 200 ㎛ X 200 ㎛에 대한 400 배율 SEM 이미지이다.
도 5b는 비교예 1의 황-탄소 복합체를 이용하여 제조한 양극의 양극 활물질층의 상면 70 ㎛ X 70 ㎛에 대한 1,000 배율 SEM 이미지이다.
도 5c는 본원 명세서 내 평가예 2에 따라서 충방전 후 분해한 리튬-황 전지로부터 수득한 양극의 양극 활물질층의 상면 200 ㎛ X 200 ㎛에 대한 400 배율 SEM 이미지이다. 구체적으로서, 상기 양극은 비교예 1의 황-탄소 복합체를 이용하여 제조한 양극이다.
도 5d는 본원 명세서 내 평가예 2에 따라서 충방전 후 분해한 리튬-황 전지로부터 수득한 양극의 양극 활물질층의 상면 70 ㎛ X 70 ㎛에 대한 1,000 배율 SEM 이미지이다. 구체적으로서, 상기 양극은 비교예 1의 황-탄소 복합체를 이용하여 제조한 양극이다.
도 5e는 비교예 1의 황-탄소 복합체를 이용하여 제조한 양극의 양극 활물질층의 상면 200 ㎛ X 200 ㎛에 대한 400 배율 SEM 이미지 상에서 가로 방향 및 세로 방향의 굴곡도를 측정한 과정을 표기한 이미지이다.
도 6a는 비교예 2의 황-탄소 복합체를 이용하여 제조한 양극의 수직 단면의 SEM 이미지이다. 좌측은 1,000 배율의 이미지이며, 우측은 5,000 배율의 이미지이다.
도 6b는 도 6a 좌측의 이미지를 이용하여 양극 활물질층 평균 굴곡도를 측정하는 과정을 표기한 이미지이다.
도 7a는 실시예 4의 황-탄소 복합체를 이용하여 제조한 양극의 수직 단면의 SEM 이미지이다. 좌측은 1,000 배율의 이미지이며, 우측은 5,000 배율의 이미지이다.
도 7b는 도 7a 좌측의 이미지를 이용하여 양극 활물질층 평균 굴곡도를 측정하는 과정을 표기한 이미지이다.
도 8은 비교예 1 및 실시예 1 내지 실시예 3의 충방전 사이클 반복에 따른 방전용량 변화를 평가한 결과 그래프이다.
도 9는 비교예 1 및 실시예 1 내지 실시예 3의 상대 용량을 비교 평가한 결과 그래프이다.
도 10은 비교예 1 및 실시예 1 내지 실시예 3의 상대 공칭전압을 비교 평가한 결과 그래프이다.
도 11은 실시예 1 및 비교예 1의 황-탄소 복합체를 이용한 전지에 대해 0.5C 방전 용량을 평가한 결과 그래프이다.
도 12는 실시예 4 및 비교예 2의 황-탄소 복합체를 이용한 전지에 대해 0.5C 방전 용량을 평가한 결과 그래프이다.
Figure 1 is a graph showing the results of measuring the particle size distribution of Comparative Example 1 and Examples 1 to 3.
Figure 2 is a SEM image of the porous carbon material used in the manufacture of the sulfur-carbon composite of Example 4. The image on the left is at 1,000x magnification, and the image on the right is at 10,000x magnification.
Figure 3 is a SEM image of the porous carbon material used in the manufacture of the sulfur-carbon composite of Comparative Example 2. The image on the left is at a magnification of 1,000 times, and the image on the right is at a magnification of 10,000 times.
Figure 4a is a 400× magnification SEM image of the upper surface of the positive electrode active material layer of the positive electrode manufactured using the sulfur-carbon composite of Example 1, measuring 200 μm X 200 μm.
Figure 4b is a 1,000× magnification SEM image of the upper surface of the positive electrode active material layer of the positive electrode manufactured using the sulfur-carbon composite of Example 1, measuring 70 μm X 70 μm.
Figure 4c is an image showing the process of measuring the curvature in the horizontal and vertical directions on a 400x magnification SEM image of the upper surface of the positive electrode active material layer of the positive electrode manufactured using the sulfur-carbon composite of Example 1, measuring 200 ㎛ X 200 ㎛.
Figure 5a is a 400× magnification SEM image of the upper surface of the positive electrode active material layer of the positive electrode manufactured using the sulfur-carbon composite of Comparative Example 1, measuring 200 μm X 200 μm.
Figure 5b is a 1,000x magnification SEM image of the upper surface of the positive electrode active material layer of the positive electrode manufactured using the sulfur-carbon composite of Comparative Example 1, measuring 70 μm X 70 μm.
FIG. 5c is a 400× SEM image of the upper surface of a 200 μm X 200 μm positive electrode active material layer of a positive electrode obtained from a lithium-sulfur battery disassembled after charge and discharge according to Evaluation Example 2 in the present specification. Specifically, the positive electrode is a positive electrode manufactured using the sulfur-carbon composite of Comparative Example 1.
FIG. 5d is a 1,000× magnification SEM image of the upper surface of a 70 μm X 70 μm positive electrode active material layer of a positive electrode obtained from a lithium-sulfur battery disassembled after charge and discharge according to Evaluation Example 2 in the present specification. Specifically, the positive electrode is a positive electrode manufactured using the sulfur-carbon composite of Comparative Example 1.
Figure 5e is an image showing the process of measuring the curvature in the horizontal and vertical directions on a 400x magnification SEM image of the upper surface of the positive electrode active material layer of the positive electrode manufactured using the sulfur-carbon composite of Comparative Example 1, measuring 200 ㎛ X 200 ㎛.
Figure 6a is an SEM image of a vertical cross-section of an anode manufactured using the sulfur-carbon composite of Comparative Example 2. The image on the left is at a magnification of 1,000 times, and the image on the right is at a magnification of 5,000 times.
Figure 6b is an image showing the process of measuring the average curvature of the positive electrode active material layer using the image on the left side of Figure 6a.
Figure 7a is a SEM image of a vertical cross-section of an anode manufactured using the sulfur-carbon composite of Example 4. The image on the left is at a magnification of 1,000 times, and the image on the right is at a magnification of 5,000 times.
Figure 7b is an image showing the process of measuring the average curvature of the positive electrode active material layer using the image on the left side of Figure 7a.
Figure 8 is a graph showing the results of evaluating changes in discharge capacity according to repeated charge and discharge cycles of Comparative Example 1 and Examples 1 to 3.
Figure 9 is a graph showing the results of comparing and evaluating the relative capacities of Comparative Example 1 and Examples 1 to 3.
Figure 10 is a graph showing the results of a comparative evaluation of the relative nominal voltages of Comparative Example 1 and Examples 1 to 3.
Figure 11 is a graph showing the results of evaluating the 0.5C discharge capacity for batteries using the sulfur-carbon composites of Example 1 and Comparative Example 1.
Figure 12 is a graph showing the results of evaluating the 0.5C discharge capacity for batteries using the sulfur-carbon composites of Example 4 and Comparative Example 2.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. The terms or words used in this specification and claims should not be interpreted as limited to their usual or dictionary meanings, but should be interpreted as having meanings and concepts that conform to the technical idea of the present invention, based on the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain his or her own invention in the best manner.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 「포함한다」 또는 「가진다」고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, whenever a part is said to "include" or "have" a component, this does not exclude other components, but rather implies that other components may be included, unless otherwise specifically stated.

또한, 본원 명세서 전체에서 사용되는 용어 「약」, 「실질적으로」 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용 오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로서 사용되고 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. In addition, the terms “about,” “substantially,” etc., used throughout the specification of this application are used in the sense that they are numerical or close to numerical values when manufacturing and material tolerances inherent in the meanings stated are presented, and are used to prevent unscrupulous infringers from unfairly exploiting the disclosure contents in which exact or absolute values are mentioned to aid the understanding of this application.

본원 명세서 전체에서, 「A 및/또는 B」의 기재는 「A 또는 B 또는 이들 모두」를 의미한다.Throughout this specification, references to “A and/or B” mean “A or B or both.”

본 발명에서 "비표면적"은 BET법에 의해 측정한 것으로서, 구체적으로는 BEL Japan사의 BELSORP-mini II를 이용하여 액체 질소 온도 하(77K)에서의 질소 가스 흡착량으로부터 산출될 수 있다. In the present invention, the “specific surface area” is measured by the BET method, and specifically, can be calculated from the nitrogen gas adsorption amount at liquid nitrogen temperature (77K) using BELSORP-mini II of BEL Japan.

본 명세서에서 사용되고 있는 용어 "폴리설파이드"는 "폴리설파이드 이온(Sx2-, 1≤ x ≤8)" 및 "리튬 폴리설파이드(Li2Sx 또는 LiSx -, 1≤ x ≤8)"를 모두 포함하는 개념이다. The term "polysulfide" as used in this specification is a concept that includes both "polysulfide ion (Sx 2- , 1≤ x ≤8)" and "lithium polysulfide (Li 2 S x or LiS x - , 1≤ x ≤8)".

본 명세서에서 사용되고 있는 용어 "복합체(composite)"란 두 가지 이상의 재료가 조합되어 물리적·화학적으로 서로 다른 상(phase)를 형성하면서 보다 유효한 기능을 발현하는 물질을 의미한다.The term "composite" as used in this specification refers to a material in which two or more materials are combined to form physically and chemically different phases and exhibit more effective functions.

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

상기 입경 D10, D50 및 D90은 각각 레이저 회절법(laser diffraction method)를 이용하여 측정될 수 있다. 예를 들면, 측정 대상 입자 분말을 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(예를 들면, Microtrac MT 3000)에 도입하여 약 28kHz의 초음파를 출력 60W로 조사한 후, 체적 누적 입도 분포 그래프를 얻은 후, 체적 누적 분포의 10%, 50%, 및 90% 각각에 해당하는 입자 크기를 구함으로써 측정될 수 있다. 즉, 예를 들어 평균 입경 D50은 입자 분포 그래프에서 중간 값 또는 중간 직경을 나타내며, 누적 분포에서 50% 지점에서의 입자 크기를 나타낸다. 입경은 입자의 직경을 나타내며, 입자의 직경이란, 입자 내에서 최장 길이를 나타낸다.The above particle diameters D 10 , D 50 , and D 90 can be measured, respectively, using a laser diffraction method. For example, after dispersing the target particle powder in a dispersion medium, introducing it into a commercially available laser diffraction particle size measuring device (e.g., Microtrac MT 3000), irradiating it with ultrasonic waves of about 28 kHz with an output of 60 W, obtaining a volume cumulative particle size distribution graph, and then measuring it by finding the particle sizes corresponding to 10%, 50%, and 90% of the volume cumulative distribution, respectively. That is, for example, the average particle diameter D 50 represents the median value or median diameter in the particle distribution graph, and represents the particle size at the 50% point in the cumulative distribution. The particle diameter represents the diameter of a particle, and the particle diameter represents the longest length within a particle.

본 명세서에서 사용되는 단위 "mAh/gs"는 특별히 언급되는 바가 없는 한, 황(S)의 무게 당 용량을 나타내기 위함이며, mAh/g(s), mAh/gs 등의 다른 표현 방식과 혼용되어 사용될 수 있다.The unit "mAh/g s " used in this specification is intended to indicate capacity per weight of sulfur (S) unless otherwise specifically stated, and may be used interchangeably with other expressions such as mAh/g(s), mAh/gs, etc.

본 명세서에서 사용되는 단위 "mgs/cm2"는 특별히 언급되는 바가 없는 한, 단위 면적 당 황(S)의 무게를 나타내기 위함이며, mg(s)/cm2, mAh/gs 등의 다른 표현 방식과 혼용되어 사용될 수 있다.The unit "mg s /cm 2 " used in this specification is intended to express the weight of sulfur (S) per unit area unless otherwise specifically stated, and may be used interchangeably with other expressions such as mg(s)/cm 2 , mAh/gs, etc.

본 명세서에서 사용되고 있는 용어 "기공도(porosity)"은 어느 구조체에서 전체 부피에 대해 기공이 차지하는 부피의 비율을 의미하고, 그의 단위로서 vol%를 사용하며, 공극율, 다공도 등의 용어와 상호 교환하여 사용할 수 있다. 상기 기공도는 상기 기공도는 당업계에 공지된 ISO 15901:2019의 방법에 따라서 측정될 수 있다.The term "porosity" used in this specification means the ratio of the volume occupied by pores to the total volume of a structure, and uses vol% as its unit, and can be used interchangeably with terms such as void ratio and porosity. The porosity can be measured according to the method of ISO 15901:2019 known in the art.

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

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 양극 활물질은 다공성 탄소재 및 황계 재료를 포함하는 황-탄소 복합체를 포함한다.According to one aspect of the present invention, the positive electrode active material comprises a sulfur-carbon composite including a porous carbon material and a sulfur-based material.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소재는 입자의 내부(폐기공) 및/또는 입자의 표면(개기공)에 일정하지 않은 기공을 포함한다. 이때, 상기 기공의 평균 직경은 예를 들어 1 내지 200 nm 범위이며, 기공도는 다공성 탄소재 전체 체적의 10 내지 90 vol%일 수 있다. 상기 기공의 평균 직경은 예를 들어 가스 흡착을 이용한 BET 측정방식 또는 수은 압입법 등 공지의 방법에 따라 측정할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the porous carbon material includes pores that are not fixed in the interior of the particle (closed pores) and/or on the surface of the particle (open pores). At this time, the average diameter of the pores is, for example, in the range of 1 to 200 nm, and the porosity can be 10 to 90 vol% of the total volume of the porous carbon material. The average diameter of the pores can be measured according to a known method, such as, for example, a BET measurement method using gas adsorption or a mercury intrusion method.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 황-탄소 복합체는 상기 황계 재료가 상기 다공성 탄소재의 기공 내부 및 외부 표면의 전부 또는 적어도 일부에 담지된 형태로 제공될 수 있다. 또한, 상기 황-탄소 복합체는, 상기 황계 재료가 상기 다공성 탄소재의 기공 내부 및 외부 표면의 전부 또는 적어도 일부를 피복하는 형태로 제공될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the sulfur-carbon complex may be provided in a form in which the sulfur-based material is supported on all or at least a portion of the interior and exterior surfaces of the pores of the porous carbon material. In addition, the sulfur-carbon complex may be provided in a form in which the sulfur-based material covers all or at least a portion of the interior and exterior surfaces of the pores of the porous carbon material.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 다공성 탄소재로서 하기 (1) 및 (2) 중 적어도 하나의 입경 조건을 만족하는 것을 이용하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the present invention is characterized in that it uses a porous carbon material satisfying at least one particle size condition among the following (1) and (2).

조건 (1) 입경 D10 및 입경 D90의 합이 60 ㎛ 이하인 것, 및Condition (1) The sum of particle diameter D 10 and particle diameter D 90 is 60 ㎛ or less, and

조건 (2) 하기 식 1에 따른 입경 D10 대비 입경 D90 분포의 비(Broadness Factor, BF)가 7 이하인 것.Condition (2) The ratio of the distribution of particle diameter D 90 to particle diameter D 10 according to Equation 1 below (Broadness Factor, BF) is 7 or less.

[식 1][Formula 1]

Broadness Factor(BF) = [(입경 D90)/(입경 D10)]Broadness Factor(BF) = [(particle diameter D 90 )/(particle diameter D 10 )]

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소재는 입경 D10 및 입경 D90의 합이 60㎛ 이하인 것을 구성적 특징으로 할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the porous carbon material may have a structural characteristic in which the sum of particle diameters D 10 and D 90 is 60 ㎛ or less.

본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소재는 입경 D10에 대한 입경 D90의 분포의 비(Broadness Factor, BF)가 7 이하인 것을 구성적 특징으로 할 수 있다. 상기 BF는 상기 다공성 탄소재의 입경 D10에 대한 입경 D90인 입도 분포의 비(ratio)를 의미하는 것으로서 상기 식 1 [(입경 D90)/(입경 D10)]에 따라 계산될 수 있다.In another embodiment of the present invention, the porous carbon material may have a structural characteristic that a ratio of the distribution of particle diameter D 90 to particle diameter D 10 (Broadness Factor, BF) is 7 or less. The BF refers to a ratio of the particle size distribution of particle diameter D 90 to particle diameter D 10 of the porous carbon material, and can be calculated according to the above Equation 1 [(particle diameter D 90 )/(particle diameter D 10 )].

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소재는 입경 D10 및 입경 D90의 합이 60㎛ 이하이고, BF가 7 이하인 것을 구성적 특징으로 할 수 있다.In another embodiment of the present invention, the porous carbon material may have a structural characteristic in that the sum of particle diameters D 10 and D 90 is 60 ㎛ or less, and BF is 7 or less.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 다공성 탄소재의 입경이 크거나, 입도 분포가 넓을 경우, 즉 다공성 탄소재의 크기가 불균일한 경우에는 다공성 탄소재에 담지된 황계 재료의 반응 또한 불균일하게 이루어지는 현상이 나타난다. 이로 인해 전극 및 전지의 용량 발현이 저하되는 문제가 있다. 이에, 본 발명은 다공성 탄소재의 입경을 작게 하거나(입경 조건 (1)), 입도 분포가 작은(입경 조건 (2)) 다공성 탄소재를 이용하거나, 입경이 작고 입도 분포도 작은(입경 조건 (1) 및 (2)) 다공성 탄소재를 이용함으로써 전극 및 전지의 출력 밀도 및 용량 발현을 향상시킨 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the particle size of the porous carbon material is large or the particle size distribution is wide, that is, when the size of the porous carbon material is uneven, a phenomenon occurs in which the reaction of the sulfur-based material supported on the porous carbon material also occurs unevenly. This causes a problem in that the capacity expression of the electrode and the battery is reduced. Accordingly, the present invention can be characterized in that the power density and capacity expression of the electrode and the battery are improved by making the particle size of the porous carbon material small (particle size condition (1)), using a porous carbon material having a small particle size distribution (particle size condition (2)), or using a porous carbon material having a small particle size and a small particle size distribution (particle size conditions (1) and (2)).

본 명세서에 있어서, 상기 BF 값은 상기 다공성 탄소재가 황계 재료를 담지하여 황-탄소 복합체로 제공되기 전을 기준으로 측정된 값일 수 있다. 즉, 황-탄소 복합체를 제조하기 전의 원료물질을 기준으로 측정될 수 있다. 또한, 상기 BF 값은 양극 활물질, 양극 또는 리튬-황 전지와 같이 최종 제품 상태에서도 측정될 수 있다. 예를 들어, 상기 SOC(state of charge) 70 내지 100 상태의 리튬-황 전지, 바람직하게는 SOC 100 상태의 리튬-황 전지를 비활성 조건에서 분해하여 양극을 수득하고, 수득된 양극에서 공지의 추출 방법을 이용하여 바인더 및 황계 재료를 추출하여 제거한 후, 잔존하는 다공성 탄소재를 상술한 입경 Dn (n = 10, 50 또는 90)의 측정 방법에 따라서 D90 및 D10을 측정한 후 D90/D10의 값으로서 계산하여 측정할 수 있다.In the present specification, the BF value may be a value measured based on the time before the porous carbon material supports the sulfur-based material to provide the sulfur-carbon composite. That is, it may be measured based on the raw material before manufacturing the sulfur-carbon composite. In addition, the BF value may be measured even in the final product state, such as the cathode active material, the cathode, or the lithium-sulfur battery. For example, a lithium-sulfur battery having a state of SOC (state of charge) of 70 to 100, preferably a lithium-sulfur battery having a state of SOC 100, is decomposed under inactive conditions to obtain a cathode, and a binder and a sulfur-based material are extracted and removed from the obtained cathode using a known extraction method, and then the remaining porous carbon material is measured for D 90 and D 10 according to the above-described particle size Dn (n = 10, 50, or 90) measuring method, and then the value of D 90 /D 10 is calculated and measured.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 작은 크기의 다공성 탄소재를 이용하기 위해서, 상기 다공성 탄소재의 입경 D10 및 입경 D90의 합은 예를 들어 10 ㎛ 내지 60 ㎛, 20 ㎛ 내지 55 ㎛, 30 ㎛ 내지 55㎛, 35 ㎛ 내지 55㎛, 40㎛ 내지 55㎛, 45㎛ 내지 55㎛ 또는 50㎛ 내지 55㎛일 수 있다. 예를 들어, 상기 다공성 탄소재의 입경 D10 및 입경 D90의 합은 50㎛ 내지 52㎛, 또는 51㎛일 수 있다. 상기 입경 D10 및 입경 D90의 합이 상술한 범위일 때 상기 다공성 탄소재의 크기가 작고, 하나의 다공성 탄소재 당 담지하는 황계 재료의 함량이 균일하고, 이를 이용하여 형성된 황-탄소 복합체를 이용하여 제조한 양극에서 복수의 다공성 탄소재 간의 간극이 좁으며, 이를 이용한 리튬-황 전지의 반응성이 균일한 효과를 나타내는데 유리할 수 있다. In one embodiment of the present invention, in order to use a small-sized porous carbon material, the sum of the particle diameters D 10 and D 90 of the porous carbon material may be, for example, 10 µm to 60 µm, 20 µm to 55 µm, 30 µm to 55 µm, 35 µm to 55 µm, 40 µm to 55 µm, 45 µm to 55 µm, or 50 µm to 55 µm. For example, the sum of the particle diameters D 10 and D 90 of the porous carbon material may be 50 µm to 52 µm, or 51 µm. When the sum of the particle diameters D 10 and D 90 is within the above-described range, the size of the porous carbon material is small, the content of the sulfur-based material supported per porous carbon material is uniform, and the gap between the plurality of porous carbon materials in the positive electrode manufactured using the sulfur-carbon composite formed using the same is narrow, and the reactivity of the lithium-sulfur battery using the same can advantageously exhibit a uniform effect.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 입경 Dn의 측정방법을 참고하면, 본 발명에 있어서, 상기 다공성 탄소재의 입경 D10은 입경 D90보다 작은 값을 갖는다. 이때, 상기 입경 D10에 대한 입경 D90의 입도 분포의 비율이 작을수록 입자 크기가 균일한 상태임을 나타낸다. 본 발명은 상기 다공성 탄소재를 BF가 7 이하가 되도록 구비함으로써 상기 활물질의 전기화학적 반응성을 균일하게 나타낸 효과를 가질 수 있으나, 본 발명의 기전이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 다공성 탄소재의 BF 값은 예를 들어 1 초과 7 이하, 1 초과 6 이하, 2 내지 6, 3 내지 6, 4 내지 7, 4 내지 6, 보다 구체적으로 5.3 내지 5.6일 수 있다. In one embodiment of the present invention, referring to the method for measuring the particle diameter Dn, in the present invention, the particle diameter D 10 of the porous carbon material has a smaller value than the particle diameter D 90. At this time, a smaller ratio of the particle size distribution of the particle diameter D 90 to the particle diameter D 10 indicates that the particle size is more uniform. The present invention can have the effect of uniformly exhibiting the electrochemical reactivity of the active material by providing the porous carbon material such that the BF is 7 or less, but the mechanism of the present invention is not limited thereto. The BF value of the porous carbon material can be, for example, greater than 1 and less than or equal to 7, greater than 1 and less than or equal to 6, 2 to 6, 3 to 6, 4 to 7, 4 to 6, and more specifically, 5.3 to 5.6.

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

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소재는 황이 균일하고 안정적으로 고정화될 수 있는 골격을 제공하는 담지체 역할을 하고, 황의 낮은 전기 전도도를 보완하여 전기화학반응이 원활하게 진행될 수 있도록 한다. 상기 다공성 탄소재는 상술한 입경 조건을 만족하는 것이라면, 그 종류에 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the porous carbon material serves as a support that provides a framework in which sulfur can be uniformly and stably fixed, and complements the low electrical conductivity of sulfur to enable the electrochemical reaction to proceed smoothly. The porous carbon material can be used without particular limitation on its type as long as it satisfies the particle size conditions described above.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소재는 입자의 내부(폐기공) 및/또는 입자의 표면(개기공)에 일정하지 않은 기공을 포함한다. 이때, 상기 기공의 평균 직경은 예를 들어 1 내지 200 nm 범위이며, 기공도는 다공성 탄소재 전체 체적의 10 내지 90 vol%일 수 있다. 상기 기공의 평균 직경은 예를 들어 가스 흡착을 이용한 BET 측정방식 또는 수은 압입법 등 공지의 방법에 따라 측정할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the porous carbon material includes pores that are not fixed in the interior of the particle (closed pores) and/or on the surface of the particle (open pores). At this time, the average diameter of the pores is, for example, in the range of 1 to 200 nm, and the porosity can be 10 to 90 vol% of the total volume of the porous carbon material. The average diameter of the pores can be measured according to a known method, such as, for example, a BET measurement method using gas adsorption or a mercury intrusion method.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소재의 BET 비표면적은 특별히 한정되는 것은 아니나 예를 들어 150 m2/g 이상인 것일 수 있다. 상기 다공성 탄소재의 비표면적이 큰 것을 이용함으로써 황계 재료의 담지율을 높이고, 이에 따라 이를 이용한 양극 및 리튬-황 전지의 전기화학적 성능을 향상시키는 측면에서 유리한 효과를 나타낼 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 상기 황-탄소 복합체는 황의 담지체 역할을 하는 탄소 재료가 BET 비표면적이 넓으며 적정한 입도 범위를 갖기 때문에 황의 담지량이 높으면서도 비가역 용량이 낮고 에너지 밀도가 높은 특징을 나타낼 수 있다. 즉, 전기화학적 반응 시 황의 이용률이 향상될 수 있는 구조를 가질 수 있는 장점이 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the BET surface area of the porous carbon material is not particularly limited, but may be, for example, 150 m 2 /g or more. By utilizing the large surface area of the porous carbon material, the loading rate of the sulfur-based material can be increased, and thus, the electrochemical performance of the cathode and lithium-sulfur battery using the porous carbon material can be advantageously improved. However, the present invention is not limited thereto. The sulfur-carbon composite according to the present invention can exhibit the characteristics of a high sulfur loading amount, low irreversible capacity, and high energy density because the carbon material that serves as a sulfur carrier has a large BET surface area and an appropriate particle size range. That is, there is an advantage of being able to have a structure in which the utilization rate of sulfur can be improved during an electrochemical reaction, but the present invention is not limited thereto.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소재의 BET 비표면적은 예를 들어 150 내지 2,500 m2/g, 150 내지 2,000 m2/g, 150 내지 1,500 m2/g, 150 내지 1,000 m2/g, 130 내지 300 m2/g, 또는 170 내지 200 m2/g일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 BET 비표면적은 BET법에 의해 측정한 것으로서, BET 비표면적을 측정하기 위한 공지의 방법에 따라 측정된 값을 나타낼 수 있다. 예를 들어 상기 BET 비표면적은 BEL Japan사의 BELSORP-max를 이용하여 액체 질소 온도 하(77K)에서의 질소가스 흡착량으로부터 산출된 값일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the BET specific surface area of the porous carbon material may be, for example, 150 to 2,500 m 2 /g, 150 to 2,000 m 2 /g, 150 to 1,500 m 2 /g, 150 to 1,000 m 2 /g, 130 to 300 m 2 /g, or 170 to 200 m 2 /g, but is not limited thereto. The BET specific surface area is measured by the BET method and may represent a value measured according to a known method for measuring the BET specific surface area. For example, the BET specific surface area may be a value calculated from the nitrogen gas adsorption amount at liquid nitrogen temperature (77 K) using BELSORP-max of BEL Japan.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소재의 형태는 구형, 봉형, 침상형, 판산형, 튜브형 또는 벌크형으로 제한 없이 사용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the shape of the porous carbon material may be used without limitation in the form of a sphere, rod, needle, plate, tube or bulk.

상기 다공성 탄소재는 다공성 구조이거나, 비표면적이 높은 것이라면 그 종류를 특별히 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 탄소 나노튜브, 카본블랙, 흑연, 활성 탄소, 그래핀 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.The above porous carbon material is not particularly limited in type as long as it has a porous structure or a high specific surface area. For example, it may include carbon nanotubes, carbon black, graphite, activated carbon, graphene, or a mixture of two or more thereof, and preferably, it may include carbon nanotubes.

상기 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브 및 다중벽 탄소 나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 카본 블랙은 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙 및 서머 블랙으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 다공성 탄소재는 탄소 나노섬유를 포함할 수 있으며, 상기 탄소 나노섬유는 그라파이트 나노파이버, 카본 나노파이버 및 활성화 탄소 파이버로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 흑연은 천연 흑연, 인조 흑연 및 팽창 흑연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The above carbon nanotubes may include at least one selected from the group consisting of single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes, but are not limited thereto. The carbon black may include at least one selected from the group consisting of Denka black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black, but are not limited thereto. In addition, the porous carbon material may include carbon nanofibers, and the carbon nanofibers may include at least one selected from the group consisting of graphite nanofibers, carbon nanofibers, and activated carbon fibers, but are not limited thereto. The graphite may include at least one selected from the group consisting of natural graphite, artificial graphite, and expanded graphite, but are not limited thereto.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소재는 다공성 및 도전성을 갖는 탄소계 물질로 당업계에서 통상적으로 사용되는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 그래파이트(graphite); 그래핀(graphene); 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본 블랙; 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 등의 탄소나노튜브(CNT); 그라파이트 나노파이버(GNF), 카본 나노파이버(CNF), 활성화 탄소 파이버(ACF) 등의 탄소 섬유; 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연 등의 흑연; 탄소나노리본; 탄소나노벨트, 탄소나노막대 및 활성 탄소(activated carbon)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the porous carbon material may include a porous and conductive carbon-based material commonly used in the art. For example, the porous carbon material may include at least one selected from the group consisting of graphite; graphene; carbon black such as Denka black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; carbon nanotubes (CNTs) such as single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs); carbon fibers such as graphite nanofibers (GNFs), carbon nanofibers (CNFs), and activated carbon fibers (ACFs); graphite such as natural graphite, artificial graphite, and expanded graphite; carbon nanoribbons; carbon nanobelts, carbon nanorods, and activated carbon.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소재는 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 육각형으로 연결된 탄소들이 튜브모양을 이루고 있는 것이다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소나노튜브는 이를 구성하는 탄소 원자 층('탄소 벽'이라고도 함)의 개수에 따라서 단일벽 카본나노튜브(SWCNT), 다중벽 카본나노튜브(MWCNT) 또는 이들의 조합이 될 수 있다. 여기서 개별 탄소나노튜브의 길이는 특별하게 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the porous carbon material may include carbon nanotubes. The carbon nanotubes are formed by carbons connected in a hexagonal shape to form a tube. According to one embodiment of the present invention, the carbon nanotubes may be single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), or a combination thereof, depending on the number of carbon atom layers (also referred to as 'carbon walls') constituting the carbon nanotubes. Here, the length of individual carbon nanotubes is not particularly limited.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소재는 황의 담지율을 개선하는 측면에서 탄소나노튜브를 포함할 수 있으며, 구체적으로 다중벽 탄소나노튜브를 포함하는 것일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the porous carbon material may include carbon nanotubes in order to improve the sulfur loading rate, and specifically may include multi-walled carbon nanotubes, but the present invention is not limited thereto.

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

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

상기 탄소나노튜브의 번들 형태의 2차 구조체란, 단일 가닥의 탄소나노튜브를 1차 구조로 하여서, 상기 복수 개의 1차 구조가 탄소 간의 응집력 등에 의해 탄소나노튜브의 길이방향으로 배향이 되며 서로 뭉쳐져 있는 형태를 갖는 것으로서, 번들형 CNT(bundled CNT)라고도 할 수 있다.The above bundle-shaped secondary structure of carbon nanotubes is a form in which a single strand of carbon nanotubes is used as a primary structure, and the plurality of primary structures are aligned in the longitudinal direction of the carbon nanotubes and are clumped together by cohesive forces between carbons, etc., and can also be called a bundled CNT.

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

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소재는 BET 비표면적이 예를 들어 100 내지 2,500 m2/g, 100 내지 400 m2/g, 예를 들어 150 내지 350 m2/g, 구체적으로 200 m2/g인 탄소나노튜브를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the porous carbon material may include carbon nanotubes having a BET specific surface area of, for example, 100 to 2,500 m 2 /g, 100 to 400 m 2 /g, for example, 150 to 350 m 2 /g, specifically 200 m 2 /g, but is not limited thereto.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀은 탄소로만 구성된 탄소층일 수 있으며, 또는 이의 형태 따라서 산화그래핀, 환원된 산화그래핀, 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the graphene may be a carbon layer composed solely of carbon, or may be graphene oxide, reduced graphene oxide, or a mixture thereof depending on its form, but the present invention is not limited thereto.

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

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소재는 상술한 입도를 갖도록 원심분쇄기에 의해 분쇄된 후 입도에 따라 체(sieve)를 이용하여 분급하는 전처리 과정을 통해 전처리하여 이용될 수 있으나, 본 발명의 다공성 탄소재의 제조방법이 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the porous carbon material may be pretreated and used through a pretreatment process of being pulverized by a centrifugal crusher to have the above-described particle size and then classified using a sieve according to the particle size, but the method for manufacturing the porous carbon material of the present invention is not limited thereto.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소재는 후술하는 전처리 방법에 따라서 상기 입경 조건 (1) 및/또는 입경 조건 (2)를 만족하도록 입경이 제어되어 제조된 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the porous carbon material may be manufactured with a particle size controlled to satisfy the particle size condition (1) and/or particle size condition (2) according to the pretreatment method described below.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 탄소재는, 원료물질로서의 다공성 탄소재를 원심 분쇄기를 이용하여 분쇄하고, 분쇄된 다공성 탄소재를 목적하는 입경 체로 걸러 제조되는 것일 수 있다. 이때, 상기 입경 조건 (1) 및/또는 입경 조건 (2)를 만족시키기 위해서, 상기 체의 메쉬 크기는 제조된 다공성 탄소재의 입경 D50 대비 2.8배 내지 4배의 크기를 갖는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the porous carbon material may be manufactured by crushing a porous carbon material as a raw material using a centrifugal crusher and filtering the crushed porous carbon material through a sieve having a desired particle size. At this time, in order to satisfy the particle size condition (1) and/or the particle size condition (2), the mesh size of the sieve may be 2.8 to 4 times the particle size D 50 of the manufactured porous carbon material.

종래에는 다공성 탄소재의 입경 조절을 위하여 볼밀(ball mill) 또는 블레이드(blade) 등을 이용하여 다공성 탄소재를 분쇄하였다. 그러나 상기 종래의 분쇄 방법은 다공성 탄소재가 볼(ball) 또는 블레이드(blade)와 랜덤(random)하게 접촉하여 입경이 큰 다공성 탄소재 및 입경이 작은 다공성 탄소재가 함께 존재하였으며, 그로 인하여 입경 분포가 넓은 문제가 있었다.In the past, in order to control the particle size of porous carbon materials, porous carbon materials were pulverized using a ball mill or blade, etc. However, in the above-mentioned conventional pulverization method, the porous carbon materials randomly came into contact with the balls or blades, so that large-sized porous carbon materials and small-sized porous carbon materials coexisted, and thus there was a problem of a wide particle size distribution.

본 발명은 상기 다공성 탄소재를 원심 분쇄기를 이용하여 분쇄한 후(단계 1) 상기 분쇄된 다공성 탄소재를 체로 거르는 단계(단계 2)를 수행하여 제조된 것일 수 있다. The present invention may be manufactured by performing a step of crushing the porous carbon material using a centrifugal crusher (step 1) and then a step of filtering the crushed porous carbon material through a sieve (step 2).

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 단계 (1)은 원심 분쇄기를 이용하여 30 내지 125 m/s의 선 속도(linear velocity)로 회전하며 분쇄를 수행하는 것일 수 있다. 구체적으로, 30 내지 95 m/s의 각 속도로 회전하며 분쇄되는 것일 수 있다. 상기 단계 (1)에서 원심 분쇄의 속도가 상술한 속도일 때 다공성 탄소재의 입경을 작게 분쇄하면서도 균일하게 제어하고, 탭 밀도를 상승시키지 않는 효과를 나타내는 측면에서 유리할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step (1) may be to perform pulverization by rotating at a linear velocity of 30 to 125 m/s using a centrifugal pulverizer. Specifically, the pulverization may be performed by rotating at an angular velocity of 30 to 95 m/s. When the speed of the centrifugal pulverization in the step (1) is the above-described speed, it may be advantageous in terms of uniformly controlling the particle size of the porous carbon material while pulverizing it to a small size and not increasing the tap density.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 원심 분쇄기는 복수 개의 회전 이(rotating teeth)를 구비하고, 회전 이가 회전하면서 다공성 탄소재를 분쇄하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 원심 분쇄기는 예를 들어 2개 내지 20개, 4개 내지 18개, 6개 내지 16개, 8개 내지 14개, 10개 내지 14개, 또는 10개 내지 12개의 회전 이를 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the centrifugal grinder may have a plurality of rotating teeth, and the rotating teeth may grind the porous carbon material while rotating. Specifically, the centrifugal grinder may include, for example, 2 to 20, 4 to 18, 6 to 16, 8 to 14, 10 to 14, or 10 to 12 rotating teeth.

또한, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 복수 개의 회전 이는 각각 삼각기둥의 형상을 갖는 것일 수 있으며, 상기 복수 개의 회전 이는 상기 원심 분쇄기의 회전 축을 향하도록 배열된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 원심 분쇄기의 회전 축을 따라 상면(top view)에서, 삼각기둥의 수직 단면끼리 서로 원심 분쇄기의 중앙에서 만나도록 배열된 것일 수 있다.In addition, in one embodiment of the present invention, the plurality of rotating teeth may each have a shape of a triangular prism, and the plurality of rotating teeth may be arranged to face the rotation axis of the centrifugal crusher. Specifically, in a top view along the rotation axis of the centrifugal crusher, the vertical cross sections of the triangular prisms may be arranged to meet each other at the center of the centrifugal crusher.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 복수 개의 회전 이는 예를 들어 스테인리스 스틸, 티타늄, 또는 보호 코팅이 구비된 스테인리스 스틸 재질일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In one embodiment of the present invention, the plurality of rotating teeth may be made of, for example, but not limited to, stainless steel, titanium, or stainless steel with a protective coating.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 단계 (1)에서 상기 원심 분쇄기로서 회전 이를 구비하는 것을 이용할 수 있으며, 예를 들어 Retsch 社의 ZM 200 장치를 이용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a centrifugal grinder having a rotating tooth may be used in the step (1), and for example, a ZM 200 device from Retsch may be used.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 원심 분쇄는 6,000 내지 18,000rpm으로 이루어질 수 있으며, 상기 범위에서 다공성 탄소재의 입경을 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 원심 분쇄는 Retsh 社의 ZM 200 장치를 이용하여 6,000 내지 23,000 rpm, 구체적으로 6,000 내지 18,000 rpm의 속도로 수행되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the centrifugal pulverization may be performed at 6,000 to 18,000 rpm, and the particle size of the porous carbon material may be controlled within the above range. Specifically, the centrifugal pulverization may be performed at a speed of 6,000 to 23,000 rpm, specifically 6,000 to 18,000 rpm, using a ZM 200 device from Retsh.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 원심 분쇄기의 크기에 따라서 동일한 rpm 이더라도 가해지는 힘의 크기가 달라질 수 있으므로, 원심 분쇄기의 크기를 고려하여 하기 식에 따라서 30 내지 125 m/s의 선 속도로 분쇄할 수 있도록 rpm을 조절할 수 있다. In one embodiment of the present invention, since the magnitude of the force applied may vary even at the same rpm depending on the size of the centrifugal crusher, the rpm may be adjusted to crush at a linear speed of 30 to 125 m/s according to the following equation, taking into account the size of the centrifugal crusher.

선 속도(linear velocity) = (RPM X 원주) / 60 초Linear velocity = (RPM X circumference) / 60 seconds

상기 식에서, '원주(circumference)'는 하나의 회전 이가 한 바퀴 회전하는 동안 이동하는 거리를 나타낸다. 구체적으로, 하나의 회전 이가 회전하는 반경을 r이라고 할 때 상기 원주는 2πr 값을 나타낸다.In the above equation, 'circumference' represents the distance that one rotary tooth moves while making one rotation. Specifically, when the radius of rotation of one rotary tooth is r, the circumference represents the value 2πr.

상기 단계 (2)는 상기 단계 (1)에서 원심 분쇄된 다공성 탄소재를 체로 거르는 단계이다.The above step (2) is a step of sieving the porous carbon material centrifugally crushed in the above step (1).

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 체(sieve)는 원심 분쇄기에 구비된 것이며, 원심 분쇄기의 바깥 테두리에 구비된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 체는 원심 분쇄기 내 복수 개의 회전 날을 둘러싸도록 구비된 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the sieve is provided in a centrifugal grinder, and may be provided on an outer periphery of the centrifugal grinder. Specifically, the sieve may be provided to surround a plurality of rotating blades within the centrifugal grinder.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 체는 원통형의 형상을 가질 수 있고, 상기 복수 개의 회전 이를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 원심 분쇄기의 상면에서, 상기 복수 개의 회전 이 및 상기 체 간의 최단 거리는 0.1 내지 5 mm 또는 0.5 내지 2 mm, 예를 들어 1 mm 일 수 있다. 상기 체는 사다리꼴 모양 및/또는 원형의 구멍을 갖는 메쉬를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the sieve may have a cylindrical shape and may be arranged to surround the plurality of rotating teeth. For example, on the upper surface of the centrifugal crusher, the shortest distance between the plurality of rotating teeth and the sieve may be 0.1 to 5 mm or 0.5 to 2 mm, for example, 1 mm. The sieve may include a mesh having trapezoidal and/or circular holes.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 회전 이가 회전함에 따라서, 상기 다공성 탄소재가 분쇄되고, 목적하는 크기로 입자 크기가 제어된 다공성 탄소재는 원심력을 받은 채로 일련의 회전 이가 배열된 테두리의 바깥 쪽에 위치하는 체를 즉시 통과함으로써 입자 크기가 더 작아지거나 및/또는 표면이 손상되는 문제를 해결할 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 단계 (1) 및 단계 (2)가 동시에 수행됨으로써 목적하는 크기로 입경이 제어되고, 좁은 분포의 입자 크기를 갖는 다공성 탄소재를 수득할 수 있다.In one embodiment of the present invention, as the rotating teeth rotate, the porous carbon material is pulverized, and the porous carbon material whose particle size is controlled to a target size passes through a sieve located outside the rim on which a series of rotating teeth are arranged while receiving centrifugal force, thereby solving the problem of the particle size becoming smaller and/or the surface being damaged. According to one aspect of the present invention, by simultaneously performing the steps (1) and (2), the particle size is controlled to a target size, and a porous carbon material having a narrow particle size distribution can be obtained.

이와 같이, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 단계 (2)는 상기 분쇄된 다공성 탄소재에 원심력(centrifugal force)이 가해진 채로 수행되는 것이 바람직할 수 있다. Thus, in one embodiment of the present invention, it may be preferable that step (2) be performed while centrifugal force is applied to the pulverized porous carbon material.

상기 단계 (2)는 단계 (1)에서 원심 분쇄된 다공성 탄소재가 체로 이동하여 걸러지는 것으로, 상기 단계 (1) 및 단계 (2)는 동시에 수행되는 연속 공정일 수 있다.The above step (2) is a process in which the porous carbon material centrifugally crushed in step (1) is moved to a sieve and filtered, and the above steps (1) and (2) may be continuous processes performed simultaneously.

상기 단계 (2)에서 사용되는 체는 메쉬(mesh) 크기를 조절함에 따라 다공성 탄소재의 입경을 제어할 수 있다. 상기 체의 메쉬 크기(mesh size)는 목적하는 다공성 탄소재의 입경 D50(target D50) 대비 2.8 내지 4배(2.8 ≤mesh size/target D50 ≤4)일 수 있으며, 상기와 같이 체의 메쉬 크기 범위를 한정함에 따라 목적하는 다공성 탄소재의 입경 D50을 얻을 수 있으며, 입경 분포가 좁은 다공성 탄소재를 얻을 수 있다. The sieve used in the above step (2) can control the particle size of the porous carbon material by adjusting the mesh size. The mesh size of the sieve can be 2.8 to 4 times (2.8 ≤mesh size/target D 50 ≤4 ) the particle size D 50 of the target porous carbon material, and by limiting the mesh size range of the sieve as described above, the particle size D 50 of the target porous carbon material can be obtained, and a porous carbon material having a narrow particle size distribution can be obtained.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 목적하는 다공성 탄소재의 입경 D50(target D50)은 예를 들어 본 발명의 일 측면에 따라 제조되는 다공성 탄소재의 입경 D50일 수 있으며, 예를 들어 10 ㎛ 내지 100 ㎛, 5 내지 90 ㎛, 10 내지 80 ㎛, 15 내지 70 ㎛, 20 내지 60 ㎛, 10 내지 50 ㎛, 15 내지 40 ㎛ 또는 20 내지 40 ㎛일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the target particle size D 50 of the porous carbon material may be , for example, the particle size D 50 of the porous carbon material manufactured according to one aspect of the present invention, and may be, for example, 10 ㎛ to 100 ㎛, 5 to 90 ㎛, 10 to 80 ㎛, 15 to 70 ㎛, 20 to 60 ㎛, 10 to 50 ㎛, 15 to 40 ㎛, or 20 to 40 ㎛.

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

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 황계 재료는 무기 황(S8); Li2Sn(n≥1); 2,5-디머캅토-1,3,4-티아디아졸(2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole) 및 1,3,5-트리티오시아누익산(1,3,5-trithiocyanuic acid) 중 1종 이상을 포함하는 유기황 화합물; 탄소-황 폴리머((C2Sx)n, x=2.5 내지 50, n≥2); 또는 이들 중 2 이상을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the sulfur-based material may be an inorganic sulfur (S 8 ); Li 2 S n (n≥1); an organosulfur compound including at least one of 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole and 1,3,5-trithiocyanuic acid; a carbon-sulfur polymer ((C 2 S x ) n , x=2.5 to 50, n≥2); or two or more thereof.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 황-탄소 복합체 내에서 상기 황계 재료는 다공성 탄소재와의 물리적 흡착, 또는 황 원소(S)와 다공성 탄소재 내 탄소 간의 공유 결합, 반데르발스 결합 등의 화학적 결합에 의해 포함될 수 있다. 특히, 상기 황계 재료는 다공성 탄소재의 표면과 화학적 결합되어 복합체를 형성할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the sulfur-based material in the sulfur-carbon composite may be included by physical adsorption with the porous carbon material, or chemical bonding such as covalent bonding or van der Waals bonding between sulfur element (S) and carbon in the porous carbon material. In particular, the sulfur-based material may be chemically bonded to the surface of the porous carbon material to form a composite.

본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 황-탄소 복합체는 황-탄소 복합체 100wt% 대비 상기 황 원소(S)의 함량이 60wt% 이상, 70 wt% 이상, 또는 75 중량% 이상, 99 중량% 이하인 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 황-탄소 복합체는 황-탄소 복합체 100wt% 대비 상기 황 원소(S)의 함량이 60 wt% 내지 99 wt%, 70 wt% 내지 99 wt%, 60 wt% 내지 90 wt%, 75 wt% 내지 90 wt%, 70 wt% 내지 85 wt%, 70 wt% 내지 80 wt%, 75 wt% 내지 80 wt%, 또는 70 wt% 내지 75 wt% 인 것이 바람직할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the sulfur-carbon complex preferably has a content of elemental sulfur (S) of 60 wt% or more, 70 wt% or more, or 75 wt% or more and 99 wt% or less, relative to 100 wt% of the sulfur-carbon complex. For example, the sulfur-carbon complex may preferably have a content of elemental sulfur (S) of 60 wt% to 99 wt%, 70 wt% to 99 wt%, 60 wt% to 90 wt%, 75 wt% to 90 wt%, 70 wt% to 85 wt%, 70 wt% to 80 wt%, 75 wt% to 80 wt%, or 70 wt% to 75 wt%, relative to 100 wt% of the sulfur-carbon complex.

본 발명에 따른 황-탄소 복합체에 있어서, 상기 황계 재료는 상기 다공성 탄소재의 기공 내부 및 외부 표면 중 적어도 어느 한 표면에 위치하며 이때 상기 다공성 탄소재의 내부 및 외부 전체 표면의 100 % 미만, 바람직하게는 1 내지 95 %, 더욱 바람직하게는 60 내지 90 % 영역에 존재할 수 있다. 상기 황이 다공성 탄소재의 표면에 상기 범위 내에 있을 때 전자 전달 면적 및 전해액의 젖음성 면에서 최대 효과를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 상기 범위 영역에서 황이 다공성 탄소재의 표면에 얇고 고르게 함침되므로 충·방전 과정에서 전자 전달 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 만약, 상기 황이 다공성 탄소재의 전체 표면의 100% 영역에 위치하는 경우, 상기 다공성 탄소재가 완전히 황으로 덮여 전해액의 젖음성이 떨어지고 전극 내 포함되는 도전재와 접촉성이 떨어져 전자 전달을 받지 못해 반응에 참여할 수 없게 된다. In the sulfur-carbon composite according to the present invention, the sulfur-based material is located on at least one of the inner and outer surfaces of the pores of the porous carbon material, and at this time, it may be present in an area of less than 100%, preferably 1 to 95%, and more preferably 60 to 90% of the entire inner and outer surfaces of the porous carbon material. When the sulfur is present on the surface of the porous carbon material within the above range, it can exhibit the maximum effect in terms of electron transfer area and wettability of the electrolyte. Specifically, since sulfur is thinly and evenly impregnated on the surface of the porous carbon material in the above range area, the electron transfer contact area during the charge and discharge process can be increased. If the sulfur is located in an area of 100% of the entire surface of the porous carbon material, the porous carbon material is completely covered with sulfur, so that the wettability of the electrolyte is reduced and the contact with the conductive material included in the electrode is reduced, so that electron transfer is not received and the reaction cannot be participated in.

상기 황-탄소 복합체는 상기 황계 재료와 탄소 재료가 단순 혼합되어 복합화되거나 코어-쉘 구조의 코팅 형태 또는 담지 형태를 가질 수 있다. 상기 코어-쉘 구조의 코팅 형태는 황계 재료 또는 탄소 재료 중 어느 하나가 다른 물질을 코팅한 것으로, 일례로 탄소 재료 표면을 황으로 감싸거나 이의 반대가 될 수 있다. 또한, 담지 형태는 탄소 재료의 내부, 특히 내부 기공에 황계 재료가 충진된 형태일 수 있다. 상기 황-탄소 복합체의 형태는 상기 제시한 황과 탄소 재료의 함량비를 만족하는 것이면 어떠한 형태라도 사용 가능하며 본 발명에서 한정하지 않는다.The above sulfur-carbon complex may be a composite formed by simply mixing the sulfur-based material and the carbon material, or may have a coating form or a support form of a core-shell structure. The coating form of the core-shell structure is one in which either the sulfur-based material or the carbon material coats another material, for example, the surface of the carbon material may be wrapped with sulfur, or vice versa. In addition, the support form may be a form in which the sulfur-based material is filled inside the carbon material, particularly in the internal pores. Any form of the sulfur-carbon complex may be used as long as it satisfies the content ratio of the sulfur and carbon material presented above, and is not limited thereto in the present invention.

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

상기 (S1) 단계의 혼합은 황계 재료와 다공성 탄소재의 간의 혼합도를 높이기 위한 것으로 당업계에서 통상적으로 사용되는 교반 장치를 이용하여 수행할 수 있다. 이때 혼합 시간 및 속도 또한 원료의 함량 및 조건에 따라 선택적으로 조절될 수 있다. The mixing in the above step (S1) is performed to increase the mixing degree between the sulfur-based material and the porous carbon material, and can be performed using a stirring device commonly used in the art. At this time, the mixing time and speed can also be selectively adjusted according to the content and conditions of the raw materials.

상기 (S2) 단계의 복합화 방법은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법이 사용될 수 있다. 일례로, 건식 복합화 또는 스프레이 코팅 등과 같은 습식 복합화 등 당 업계에서 통상적으로 이용되는 방법을 이용할 수 있다. 일례로, 혼합 후 얻어진 황과 탄소 재료의 혼합물을 볼 밀링하여 분쇄한 후 120 내지 160℃의 오븐에 20분 내지 1시간 동안 두어 용융된 황이 제1탄소재의 내부 및 외부 표면에 고루 코팅될 수 있도록 하는 방법이 사용될 수 있다. The method for compounding in the above step (S2) is not particularly limited in the present invention, and a method commonly used in the art can be used. For example, a method commonly used in the art, such as dry compounding or wet compounding such as spray coating, can be used. For example, a method can be used in which a mixture of sulfur and carbon material obtained after mixing is ball milled to pulverize the mixture, and then placed in an oven at 120 to 160° C. for 20 minutes to 1 hour so that the molten sulfur can evenly coat the inner and outer surfaces of the first carbon material.

전술한 제조방법을 통해 제조된 황-탄소 복합체는 비표면적이 높으면서 황의 담지량이 높고 황의 이용율이 개선되는 구조를 갖기 때문에 황의 전기화학적 반응성이 개선될 뿐만 아니라 전해액의 접근성 및 접촉성을 향상시킴에 따라 리튬-황 전지의 용량 및 수명 특성을 향상시킬 수 있다.The sulfur-carbon composite manufactured through the above-described manufacturing method has a structure in which the specific surface area is high, the sulfur loading amount is high, and the sulfur utilization rate is improved, so that not only the electrochemical reactivity of sulfur is improved, but also the accessibility and contactability of the electrolyte are improved, thereby improving the capacity and life characteristics of the lithium-sulfur battery.

본 발명의 다른 측면은 상기 황-탄소 복합체를 이용하여 형성되는 양극을 제공한다.Another aspect of the present invention provides an anode formed using the sulfur-carbon complex.

본 발명의 일 측면에 따른 리튬-황 전지용 양극은, 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하며, 상기 양극 활물질층은 활물질로서 상술한 리튬-황 전지용 양극 활물질을 포함한다.A positive electrode for a lithium-sulfur battery according to one aspect of the present invention comprises a current collector and a positive electrode active material layer formed on at least one surface of the current collector, wherein the positive electrode active material layer comprises the positive electrode active material for a lithium-sulfur battery described above as an active material.

상기 리튬-황 전지용 양극은, 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하고, 상기 양극 활물질층은 황-탄소 복합체를 포함하고, 상기 황-탄소 복합체는 다공성 탄소재 및 상기 다공성 탄소재의 기공 내부 및 외부 표면의 전부 또는 적어도 일부에 담지된 황계 재료를 포함한다.The above-described positive electrode for a lithium-sulfur battery comprises a current collector and a positive electrode active material layer formed on at least one surface of the current collector, the positive electrode active material layer comprises a sulfur-carbon composite, and the sulfur-carbon composite comprises a porous carbon material and a sulfur-based material supported on all or at least a portion of the inner and outer surfaces of the pores of the porous carbon material.

이때, 상기 양극 활물질층은 상술한 양극 활물질을 포함하는 것을 구성적 특징으로 할 수 있다.At this time, the positive electrode active material layer may have a structural feature including the positive electrode active material described above.

즉, 상기 양극 활물질은 황-탄소 복합체를 포함하고, 상기 황-탄소 복합체는 다공성 탄소재로서 상술한 입경 조건 (1) 및 (2) 중 적어도 하나를 만족하는 것을 포함한다. 구체적으로, 상기 다공성 탄소재가 입경 조건 (1) 입경 D10 및 입경 D90의 합이 60 ㎛ 이하인 것 및 입경 조건 (2) 하기 식 1에 따른 입경 D10 대비 입경 D90 분포의 비(Broadness Factor, BF)가 7 이하인 것 중 적어도 하나를 만족하는 것을 포함할 수 있다.That is, the positive active material includes a sulfur-carbon complex, and the sulfur-carbon complex includes a porous carbon material satisfying at least one of the particle size conditions (1) and (2) described above. Specifically, the porous carbon material may include one satisfying at least one of the particle size conditions (1) that the sum of the particle size D 10 and the particle size D 90 is 60 ㎛ or less and the particle size condition (2) that the ratio of the particle size D 10 to the particle size D 90 distribution according to the following Equation 1 (Broadness Factor, BF) is 7 or less.

[식 1][Formula 1]

Broadness Factor(BF) = [(입경 D90)/(입경 D10)]Broadness Factor(BF) = [(particle diameter D 90 )/(particle diameter D 10 )]

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

본 발명의 일 구현예에 따른 양극은, 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 양극 활물질층을 포함한다.A positive electrode according to one embodiment of the present invention includes a current collector and a positive electrode active material layer formed on at least one surface of the current collector.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 양극 활물질층은 복수의 황-탄소 복합체를 포함하며, 상기 양극은 하기 식 2를 만족하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the positive electrode active material layer may include a plurality of sulfur-carbon complexes, and the positive electrode may satisfy the following equation 2.

[식 2][Formula 2]

XL/XS ≤ 15X L /X S ≤ 15

상기 식 2에서,In the above equation 2,

상기 XL은 상기 양극 활물질층의 상면도에서 면적 기준 상위 5개 황-탄소 복합체 내 최장축의 길이의 평균 값이며,The above X L is the average value of the length of the longest axis in the top five sulfur-carbon complexes based on the area in the top view of the positive electrode active material layer,

상기 XS은 상기 양극 활물질층의 상면도에서 면적 기준 하위 5개 황-탄소 복합체 내 최장축의 길이의 평균 값이다.The above X S is the average value of the length of the longest axis in the lower five sulfur-carbon complexes based on the area in the top view of the positive electrode active material layer.

상기 식 2를 만족하는 양극은, 상기 양극 활물질층에 포함되는 상기 황-탄소 복합체의 입자 크기가 작거나, 및/또는 균일한 특징을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 양극 활물질층 내에서 복수의 황-탄소 복합체 간의 공극이 좁으며, 이를 이용한 리튬-황 전지의 반응성이 균일한 효과를 나타내는데 유리한 효과를 나타낼 수 있다.The positive electrode satisfying the above formula 2 may exhibit characteristics in which the particle size of the sulfur-carbon complex included in the positive electrode active material layer is small and/or uniform. In addition, the pores between the plurality of sulfur-carbon complexes in the positive electrode active material layer are narrow, and the reactivity of the lithium-sulfur battery using the same may exhibit an advantageous effect in exhibiting a uniform effect.

구체적으로, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 XL/XS의 값은 예를 들어 15 이하, 10 이하 또는 5 이하일 수 있다. 또한, 상기 XL/XS의 값은 상술한 상한을 만족하는 범위 내에서 1 이상, 1.5 이상, 2 이상, 2.5 이상, 3 이상 또는 3.5 이상일 수 있다. 일 예로, 상기 XL/XS의 값은 1 내지 15, 1.5 내지 10, 2.0 내지 5, 2.5 내지 5.0, 3.0 내지 5.0, 3.0 내지 4.0 또는 3.0 내지 4.5의 값을 가질 수 있다. 상기 XL/XS의 값이 상술한 범위일 때 양극 활물질층 내 황-탄소 복합체 간의 간극이 좁고, 양극 내 전기 화학 반응의 균일성을 나타내는 측면에서 유리한 효과를 나타낼 수 있다.Specifically, according to one embodiment of the present invention, the value of X L /X S can be, for example, 15 or less, 10 or less, or 5 or less. In addition, the value of X L /X S can be 1 or more, 1.5 or more, 2 or more, 2.5 or more, 3 or more, or 3.5 or more within a range satisfying the upper limit described above. For example, the value of X L /X S can have a value of 1 to 15, 1.5 to 10, 2.0 to 5, 2.5 to 5.0, 3.0 to 5.0, 3.0 to 4.0, or 3.0 to 4.5. When the value of X L /X S is in the above-described range, the gap between the sulfur-carbon complexes in the positive electrode active material layer is narrow, and an advantageous effect can be exhibited in terms of showing the uniformity of the electrochemical reaction in the positive electrode.

본 명세서에서, 상기 양극에 있어서 집전체 및 양극 활물질층의 적층 방향을 '상하 방향'이라고 할 때, 상기 양극 활물질층이 집전체와 대면하는 면을 '양극 활물질층의 하면'이라고 하고, 상기 집전체와 대면하는 면의 배면을 상기 '양극 활물질층의 상면'이라고 한다.In this specification, when the direction of lamination of the current collector and the positive electrode active material layer in the positive electrode is referred to as the 'upper and lower direction', the surface of the positive electrode active material layer facing the current collector is referred to as the 'lower surface of the positive electrode active material layer', and the back surface of the surface facing the current collector is referred to as the 'upper surface of the positive electrode active material layer'.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양극을 이용하여 양극, 음극 및 분리막이 구비되는 전극 조립체를 제조할 때, 상기 양극 활물질층의 상면은 분리막과 접촉하는 면을 의미할 수 있다.In one embodiment of the present invention, when manufacturing an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator using the positive electrode, the upper surface of the positive electrode active material layer may mean a surface that comes into contact with the separator.

본 명세서에서, 상기 '양극 활물질층의 상면도'는 상기 양극 활물질층의 표면 및 내부에 분포된 황-탄소 복합체의 면적 및 장축의 길이를 확인하기 위한 이미지(image)로서, 예를 들어 양극 활물질층의 상면에 대해 수득한 SEM 이미지일 수 있다.In this specification, the 'top view of the positive electrode active material layer' is an image for confirming the area and major axis length of the sulfur-carbon complex distributed on the surface and inside of the positive electrode active material layer, and may be, for example, an SEM image obtained for the top surface of the positive electrode active material layer.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 양극 활물질층의 상면도 상에서 명암 차이에 의해 황-탄소 복합체 간의 공극, 황-탄소 복합체의 입계 및 입면이 구별될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the gaps between sulfur-carbon complexes, grain boundaries and grain surfaces of the sulfur-carbon complexes can be distinguished by the difference in brightness on the top surface of the positive electrode active material layer.

이때, 상기 황-탄소 복합체의 면적을 기준으로 상위 5개의 황-탄소 복합체 및 하위 5개의 황-탄소 복합체 내 최장축을 측정하기 위해서, 상기 양극 활물질층의 상면도는 예를 들어 400 배 이상의 배율을 갖는 이미지를 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 활물질층의 상면도는 400배율, 1,000 배율, 2,000 배율 또는 5,000 배율의 이미지일 수 있다.At this time, in order to measure the longest axis within the upper five sulfur-carbon complexes and the lower five sulfur-carbon complexes based on the area of the sulfur-carbon complexes, it may be preferable to use an image having a magnification of, for example, 400 times or more for the top view of the positive electrode active material layer. For example, the top view of the positive electrode active material layer may be an image having a magnification of 400 times, 1,000 times, 2,000 times, or 5,000 times.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 황-탄소 복합체의 면적을 기준으로 상위 5개의 황-탄소 복합체 및 하위 5개의 황-탄소 복합체는 서로 동일한 배율을 갖는 이미지 상에서 선별될 수 있으나, 각각의 황-탄소 복합체 내 최장축의 길이의 측정 용이성을 위해서 서로 다른 배율을 갖는 이미지 상에서 선별될 수도 있다.In one embodiment of the present invention, the upper five sulfur-carbon complexes and the lower five sulfur-carbon complexes based on the area of the sulfur-carbon complexes may be selected on images having the same magnification, but may also be selected on images having different magnifications for ease of measurement of the length of the longest axis in each sulfur-carbon complex.

예를 들어, 상기 황-탄소 복합체의 면적을 기준으로 상위 5개의 황-탄소 복합체는 400 배율의 SEM 이미지 상에서 선별되고, 하위 5개의 황-탄소 복합체는 1,000 배율의 SEM 이미지 상에서 선별되는 것일 수 있다.For example, based on the area of the sulfur-carbon complexes, the top five sulfur-carbon complexes may be selected on an SEM image at 400x magnification, and the bottom five sulfur-carbon complexes may be selected on an SEM image at 1,000x magnification.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 상위 5개 및 하위 5개의 황-탄소 복합체는 상기 양극 활물질층의 전체 영역에서 선별될 수도 있으나, 측정의 용이성을 위해서, 상기 양극 활물질층의 일부 영역을 선택하고, 선택된 동일한 영역에서 선별되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the upper five and lower five sulfur-carbon complexes may be selected from the entire area of the positive electrode active material layer, but for ease of measurement, a part of the positive electrode active material layer may be selected and selected from the same selected area.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 상위 5개의 황-탄소 복합체 및 하위 5개의 황-탄소 복합체는 예를 들어 양극 활물질층의 동일한 면적 내에서 선택되거나, 또는 다른 면적 내에서 선택되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the upper five sulfur-carbon complexes and the lower five sulfur-carbon complexes may be selected, for example, within the same area of the positive electrode active material layer, or within different areas.

예를 들어, 상기 상위 5개의 황-탄소 복합체 및 하위 5개의 황-탄소 복합체는 양극 활물질층의 상면 상 50 ㎛ X 50 ㎛ 내지 1,000 ㎛ 내지 1,000 ㎛의 영역 내에서 선별되는 것일 수 있다. For example, the upper five sulfur-carbon complexes and the lower five sulfur-carbon complexes may be selected within a region of 50 ㎛ X 50 ㎛ to 1,000 ㎛ to 1,000 ㎛ on the upper surface of the positive electrode active material layer.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 상위 5개의 황-탄소 복합체는 상기 양극 활물질층의 상면 상 150 ㎛ X 150 ㎛ 내지 1,000 ㎛ X 1,000 ㎛의 영역 내에서 선별되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the upper five sulfur-carbon complexes may be selected within an area of 150 ㎛ X 150 ㎛ to 1,000 ㎛ X 1,000 ㎛ on the upper surface of the positive electrode active material layer.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 하위 5개의 황-탄소 복합체는 상기 양극 활물질층의 상면 상 50 ㎛ X 50 ㎛ 내지 100 ㎛ X 100 ㎛의 영역 내에서 선별되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the five lower sulfur-carbon complexes may be selected within an area of 50 ㎛ X 50 ㎛ to 100 ㎛ X 100 ㎛ on the upper surface of the positive electrode active material layer.

예를 들어, 상기 상위 5개 및 하위 5개의 황-탄소 복합체는 상기 양극 활물질층의 상면 상 200 ㎛ X 200 ㎛ 의 영역 내에서 선별되는 것일 수 있다. For example, the upper five and lower five sulfur-carbon complexes may be selected within an area of 200 μm X 200 μm on the upper surface of the positive electrode active material layer.

이때, 상술한 바와 같이, 상기 상위 5개 및 하위 5개의 황-탄소 복합체가 서로 다른 배율의 이미지 상에서 선별되는 경우, 상기 상위 5개의 황-탄소 복합체는 양극 활물질층의 상면 상 200 ㎛ X 200 ㎛의 영역 내에서 선별되고, 상기 하위 5개의 황-탄소 복합체는 상기 200 ㎛ X 200 ㎛의 영역 내 위치하는 70 ㎛ X 70 ㎛의 영역 내에서 선별되는 것일 수 있다.At this time, as described above, when the upper five and lower five sulfur-carbon complexes are selected on images of different magnifications, the upper five sulfur-carbon complexes may be selected within an area of 200 ㎛ X 200 ㎛ on the upper surface of the positive electrode active material layer, and the lower five sulfur-carbon complexes may be selected within an area of 70 ㎛ X 70 ㎛ located within the area of 200 ㎛ X 200 ㎛.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 황-탄소 복합체의 면적은, 상기 양극 활물질층의 상면도 상에서 상기 황-탄소 복합체가 차지하는 픽셀 면적에 의해 결정될 수 있다. 즉, 상기 황-탄소 복합체의 면적을 기준으로 상위 5개의 황-탄소 복합체는 상기 양극 활물질층의 상면도 상에서 입면이 차지하는 픽셀 면적이 큰 순으로 상위 5개를 의미할 수 있다. 또한, 상기 황-탄소 복합체의 면적을 기준으로 하위 5개의 황-탄소 복합체는 상기 양극 활물질층의 상면도 상에서 입면이 차지하는 픽셀 면적이 적은 순으로 하위 5개를 의미할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the area of the sulfur-carbon complex may be determined by the pixel area occupied by the sulfur-carbon complex on the top view of the positive active material layer. That is, the top five sulfur-carbon complexes based on the area of the sulfur-carbon complex may mean the top five in order of the largest pixel area occupied by the elevation surface on the top view of the positive active material layer. In addition, the bottom five sulfur-carbon complexes based on the area of the sulfur-carbon complex may mean the bottom five in order of the smallest pixel area occupied by the elevation surface on the top view of the positive active material layer.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 황-탄소 복합체 내 최장축은, 상기 양극 활물질층의 상면도 상에서 하나의 황-탄소 복합체 내에서 길이가 가장 긴 직선을 의미한다.In one embodiment of the present invention, the longest axis within the sulfur-carbon complex means the longest straight line within one sulfur-carbon complex on the top surface of the positive electrode active material layer.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 황-탄소 복합체의 최장축은 하나의 황-탄소 복합체의 무게 중심을 지날 수도 있으나, 상기 양극 활물질층의 상면도 상에서 상기 황-탄소 복합체의 형상이 구형, 타원형과 같은 형상이 아닌 경우 상기 최장축은 황-탄소 복합체의 무게 중심을 지나지 않을 수 있다. 따라서, 상기 황-탄소 복합체 내 최장축이 상기 황-탄소 복합체의 중심을 지나는 선으로 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the longest axis of the sulfur-carbon complex may pass through the center of gravity of one sulfur-carbon complex. However, when the shape of the sulfur-carbon complex on the top surface of the positive electrode active material layer is not a sphere or an oval, the longest axis may not pass through the center of gravity of the sulfur-carbon complex. Therefore, the longest axis in the sulfur-carbon complex is not limited to a line passing through the center of the sulfur-carbon complex.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 황-탄소 복합체 내 최장축의 길이는, 상기 양극 활물질층의 상면도 상에서 상기 최장축이 위치하는 픽셀 간의 최장 거리에 의해 결정될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the length of the longest axis in the sulfur-carbon complex can be determined by the longest distance between pixels where the longest axis is located on the top view of the positive electrode active material layer.

상기 식 2에서, 상기 XL은 상기 양극 활물질층의 상면도에서 면적 기준 상위 5개 황-탄소 복합체 내 최장축의 길이의 평균 값이며, 상기 XS은 상기 양극 활물질층의 상면도에서 면적 기준 하위 5개 황-탄소 복합체 내 최장축의 길이의 평균 값이다.In the above equation 2, X L is the average value of the length of the longest axis in the top five sulfur-carbon complexes based on the area in the top view of the positive electrode active material layer, and X S is the average value of the length of the longest axis in the bottom five sulfur-carbon complexes based on the area in the top view of the positive electrode active material layer.

본 명세서에서, 상기 '평균 값'은 산술 평균을 의미한다. 따라서, 상기 XL은 상기 양극 활물질층의 상면도 상에서 면적 기준 상위 5개의 황-탄소 복합체 각각의 최장축의 길이를 측정한 후, 평균을 계산하여 측정될 수 있다. 또한, 상기 XS은 상기 양극 활물질층의 상면도 상에서 면적 기준 하위 5개의 황-탄소 복합체 각각의 최장축의 길이를 측정한 후, 평균을 계산하여 측정될 수 있다.In this specification, the 'average value' means an arithmetic mean. Therefore, the X L can be measured by measuring the length of the longest axis of each of the top five sulfur-carbon complexes in terms of area on the top surface of the positive active material layer, and then calculating the average. In addition, the X S can be measured by measuring the length of the longest axis of each of the bottom five sulfur-carbon complexes in terms of area on the top surface of the positive active material layer, and then calculating the average.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양극 활물질층의 상면도 상에 최장축의 길이가 1 ㎛ 미만인 입자가 나타날 수 있다. 이때, 상기 최장축의 길이가 1 ㎛ 미만인 입자는 외부 표면 및/또는 기공 내부에 황을 담지하고 있는 황-탄소 복합체가 아니며, 양극의 제조 시 부서진 다공성 탄소재 또는 기타 불순물을 나타낸다. 따라서, 상기 Xs 측정을 위해 상기 양극 활물질층의 상면도 상에서 면적 기준 하위 5개의 황-탄소 복합체를 선별함에 있어서, 최장축의 길이가 1 ㎛ 미만인 입자는 선택하지 않고, 최장축의 길이가 1 ㎛ 이상인 입자만을 대상으로 선별한다.In one embodiment of the present invention, particles having a longest axis length of less than 1 ㎛ may appear on the top surface of the positive electrode active material layer. At this time, the particles having a longest axis length of less than 1 ㎛ are not sulfur-carbon complexes supporting sulfur on the outer surface and/or inside the pores, but represent porous carbon materials broken during the manufacture of the positive electrode or other impurities. Therefore, when selecting the bottom five sulfur-carbon complexes in terms of area on the top surface of the positive electrode active material layer for the Xs measurement, particles having a longest axis length of less than 1 ㎛ are not selected, and only particles having a longest axis length of 1 ㎛ or more are selected.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양극의 식 2의 충족 여부는 양극의 제조 직후 또는 충방전 이후에 측정되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, whether the positive electrode satisfies Equation 2 may be measured immediately after manufacturing the positive electrode or after charge/discharge.

예를 들어, 상기 양극을 제조한 직후 활성화 전에 양극 활물질층의 상면도를 수득하고, 수득된 상면도 상에서 XL 및 XS를 상술한 방법에 따라서 측정하여 식 2의 만족 여부를 확인할 수 있다.For example, immediately after manufacturing the positive electrode, a top view of the positive electrode active material layer is obtained before activation, and X L and X S can be measured on the obtained top view according to the above-described method to confirm whether Equation 2 is satisfied.

또한, 상기 양극을 이용하여 조립된 리튬-황 전지를 분해하여 양극을 수득하고, 수득된 양극에 대해 양극 활물질층의 상면도 상에서 XL 및 XS를 상술한 방법에 따라서 측정하여 식 2의 만족 여부를 확인할 수 있다.In addition, by disassembling a lithium-sulfur battery assembled using the above positive electrode to obtain a positive electrode, and measuring X L and X S on the top surface of the positive electrode active material layer of the obtained positive electrode according to the above-described method, it is possible to confirm whether Equation 2 is satisfied.

구체적으로, 상기 식 2의 만족 여부를 확인하기 위해 상기 리튬-황 전지를 분해하는 경우, 상기 리튬-황 전지는 충전 상태에서 분해되는 것일 수 있다. 구체적으로, 비활성 분위기 하에서 충전 상태의 리튬-황 전지를 분해하여 양극을 수득하고, 수득된 양극에 함침된 전해질을 적절한 용매를 이용하여 추출, 세척 및 건조한 후, 양극 활물질층에 대한 상면도를 수득하여 상기 식 2의 만족 여부를 확인할 수 있다.Specifically, when the lithium-sulfur battery is disassembled to confirm whether the above formula 2 is satisfied, the lithium-sulfur battery may be disassembled in a charged state. Specifically, a lithium-sulfur battery in a charged state is disassembled under an inert atmosphere to obtain a cathode, and an electrolyte impregnated in the obtained cathode is extracted using an appropriate solvent, washed, and dried, and then a top view of the cathode active material layer is obtained to confirm whether the above formula 2 is satisfied.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 리튬-황 전지의 충전 상태는 예를 들어 SOC 50% 내지 90%, 구체적으로 SOC 60% 내지 80% 상태를 나타낼 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 비활성 분위기는 예를 들어 Ar 분위기일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the state of charge of the lithium-sulfur battery may be, for example, a state of SOC 50% to 90%, specifically a state of SOC 60% to 80%, but the present invention is not limited thereto. In addition, the inert atmosphere may be, for example, an Ar atmosphere, but the present invention is not limited thereto.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 리튬-황 전지는 충방전 반복에 의해 외부 압력에 의해 양극 활물질층으로부터 활물질이 탈리되거나, 또는 양극 활물질의 팽창 및 수축 반복에 의해 양극의 변형이 야기될 수 있다. 따라서, 상기 조립된 리튬-황 전지로부터 분해하여 양극을 수득하는 경우, 제조 직후(초기) 용량 대비 80% 이상의 용량 유지율을 나타내는 상태의 리튬-황 전지로부터 상기 식 2의 만족 여부를 확인하는 것이 바람직할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the lithium-sulfur battery may cause the active material to be detached from the positive electrode active material layer by external pressure due to repeated charge and discharge, or the positive electrode may be deformed due to repeated expansion and contraction of the positive electrode active material. Therefore, when disassembling the assembled lithium-sulfur battery to obtain the positive electrode, it may be desirable to confirm whether the above equation 2 is satisfied from a lithium-sulfur battery that exhibits a capacity retention rate of 80% or more compared to the initial capacity immediately after manufacture.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양극 활물질층은 복수의 황-탄소 복합체를 포함하며, 상기 양극은 하기 식 2'를 만족하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the positive electrode active material layer may include a plurality of sulfur-carbon complexes, and the positive electrode may satisfy the following equation 2'.

[식 2'][Formula 2']

XL/XA ≤ 2X L /X A ≤ 2

상기 식 2'에서,In the above equation 2',

상기 XL은 상기 양극 활물질층의 상면도에서 면적 기준 상위 5개 황-탄소 복합체 내 최장축의 길이의 평균 값이며,The above X L is the average value of the length of the longest axis in the top five sulfur-carbon complexes based on the area in the top view of the positive electrode active material layer,

상기 XA은 상기 양극 활물질층의 상면도에서 확인되는 모든 황-탄소 복합체 내 최장축의 길이의 평균 값이다.The above X A is the average value of the length of the longest axis in all sulfur-carbon complexes confirmed in the top view of the positive electrode active material layer.

상기 XL 및 XA를 측정하는 방법은 상기 XL 및 XS의 측정방법에 관해 상술한 바를 원용한다.The method of measuring the above X L and X A is based on the method of measuring the above XL and XS.

이때, 상기 XA는 양극 활물질층의 상면도에서 확인되는 모든 황-탄소 복합체에서 최장축의 길이를 측정한 후, 이의 평균 값으로서 계산한다.At this time, the above X A is calculated as the average value after measuring the length of the longest axis in all sulfur-carbon complexes confirmed in the top view of the positive electrode active material layer.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양극 활물질층은 평균 굴곡도(average tortuosity) 값이 1.7 이하인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 평균 굴곡도 값이 1.6 이하, 예를 들어 1.3 내지 1.6일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the positive electrode active material layer may have an average tortuosity value of 1.7 or less. Specifically, the average tortuosity value may be 1.6 or less, for example, 1.3 to 1.6.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 '굴곡도'는 양극 활물질층 내에서 이온 등의 운송 경로의 굴곡 정도를 나타낼 수 있다. 즉, 상기 굴곡도가 작을 수록 양극 활물질층 내에서 이온 등의 운송 경로가 짧아지고, 이에 따라서 전극 및 이를 이용한 전지의 전기화학적 활성을 향상시키고, 특히 고출력 특성을 나타내는데 유리한 효과를 나타낼 수 있다.In one embodiment of the present invention, the 'curvature' may indicate the degree of curvature of the transport path of ions, etc., within the positive electrode active material layer. That is, the smaller the curvature, the shorter the transport path of ions, etc., within the positive electrode active material layer, and accordingly, the electrochemical activity of the electrode and the battery using the electrode may be improved, and in particular, the effect of exhibiting a favorable effect of exhibiting high output characteristics may be exhibited.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양극 활물질층의 평균 굴곡도는 다음과 같은 방법으로 측정할 수 있다. 예를 들어, 먼저, 측정 대상의 양극에 대해 집전체-양극 활물질층의 적층 방향(상하 방향)을 따르는 수직 단면에 대한 이미지를 수득하고, 수득한 이미지에서 집전체 표면의 한 지점을 임의로 선정하고, 해당 지점으로부터 양극 표면까지 수직하는 방향으로 전극의 끝점을 서로 연결하여 수직거리(L)를 측정한다. 다음으로, 위에서 선정한 임의의 한 지점과 전극의 끝점 사이에 위치하는 입자(황-탄소 복합체) 간의 경계선을 따라서 최소거리(C)를 측정한다. 측정한 L 값 및 C 값을 이용하여 굴곡도(C/L)를 계산한다. 집전체 표면의 서로 다른 지점을 최소 3개 선정하여 위 과정들을 반복한 후, 얻어진 C/L 값의 평균 값을 계산하여 평균 굴곡도를 측정한다.In one embodiment of the present invention, the average curvature of the positive electrode active material layer can be measured by the following method. For example, first, an image of a vertical cross-section along the stacking direction (up-down direction) of the current collector-positive electrode active material layer is obtained for the positive electrode as a measurement target, and from the obtained image, a point on the surface of the current collector is arbitrarily selected, and the vertical distance (L) is measured by connecting the ends of the electrodes in a direction perpendicular to the point from the point to the positive electrode surface. Next, the minimum distance (C) is measured along the boundary line between the particles (sulfur-carbon complexes) located between the arbitrarily selected point and the end point of the electrode. The curvature (C/L) is calculated using the measured L and C values. After selecting at least three different points on the surface of the current collector and repeating the above processes, the average value of the obtained C/L values is calculated to measure the average curvature.

즉, 굴곡도는 집전체 표면의 임의의 점으로부터 수직 방향에 위치하는 양극의 끝점 사이의 수직거리(L)와 입자(황-탄소 복합체) 계면을 따르는 곡선 최소거리(C)를 측정한 후, 하기의 식에 따라 계산될 수 있다.That is, the curvature can be calculated by measuring the vertical distance (L) between the end points of the positive electrode located in the vertical direction from any point on the surface of the collector and the minimum distance (C) of the curve along the particle (sulfur-carbon complex) interface, and then using the following equation.

굴곡도 = [곡선 최소거리(C)/수직거리(L)]Curvature = [Curve minimum distance (C) / vertical distance (L)]

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양극의 수직 단면 이미지는 예를 들어 SEM 이미지일 수 있다. 예를 들어, 도 6b 및 도 7b 각각에는 본 명세서 내 비교예 2 및 실시예 4의 황-탄소 복합체를 이용한 양극에 대한 양극 활물질층의 굴곡도를 평가하기 위한 수직거리(L) 및 곡선 최소거리(C)를 표시한 SEM 이미지가 도시되어 있다. 상기 SEM 이미지는 1,000 배율의 이미지일 수 있으나, 상기 굴곡도의 측정방법이 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the vertical cross-sectional image of the positive electrode may be, for example, a SEM image. For example, FIGS. 6B and 7B each show SEM images indicating the vertical distance (L) and the minimum curve distance (C) for evaluating the curvature of the positive electrode active material layer using the sulfur-carbon composite of Comparative Example 2 and Example 4 in the present specification. The SEM image may be an image at a magnification of 1,000 times, but the method for measuring the curvature is not limited thereto.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양극 활물질층의 상면도에서 가로 방향 및 세로 방향의 평균 굴곡도가 1.7 이하를 나타내는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the average curvature in the horizontal and vertical directions in the top view of the positive electrode active material layer may be 1.7 or less.

예를 들어, 상기 양극 활물질층의 상면도에서 [(가로 방향의 굴곡도+세로 방향의 굴곡도)/2] 값이 1.7 이하를 나타내는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 가로 방향 및 세로 방향의 평균 굴곡도가 1 내지 1.7을 나타낼 수 있다.For example, in the top view of the positive electrode active material layer, the value of [(transverse curvature + vertical curvature)/2] may be 1.7 or less. Specifically, the average curvature in the transverse and vertical directions may be 1 to 1.7.

이때, 상기 가로 방향의 굴곡도 및 상기 세로 방향의 굴곡도에 있어서 각각의 굴곡도는 상술한 바와 같이 [곡선 최소거리(C)/수직거리(L)]의 식에 따라서 계산될 수 있다.At this time, each degree of curvature in the horizontal direction and the degree of curvature in the vertical direction can be calculated according to the equation [minimum curve distance (C)/vertical distance (L)] as described above.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양극 활물질층의 상면도에서 가로 방향 및 세로 방향의 평균 굴곡도는 다음과 같이 측정될 수 있다. 상기 양극 활물질층의 상술한 상면도 상에서 가로 방향 및 세로 방향으로 뻗고 서로를 분절하는 두 개의 직선을 긋는다. 각 직선의 직선거리(L)를 측정한다. 각 지점 사이에 위치하는 입자(황-탄소 복합체) 간의 경계선을 따라서 최소거리(C)를 측정한 후, C/L 값을 계산하고, 가로 방향의 굴곡도 및 세로 방향의 굴곡도의 평균 값을 계산한다.In one embodiment of the present invention, the average curvature in the transverse direction and the vertical direction in the top view of the positive electrode active material layer can be measured as follows. On the above-described top view of the positive electrode active material layer, two straight lines extending in the transverse direction and the vertical direction and separating each other are drawn. The straight-line distance (L) of each straight line is measured. After measuring the minimum distance (C) along the boundary line between particles (sulfur-carbon complexes) located between each point, the C/L value is calculated, and the average value of the transverse curvature and the vertical curvature is calculated.

예를 들어, 본 명세서 내 실시예 1 및 비교예 1의 황-탄소 복합체를 이용한 양극에 대한 양극 활물질층의 상면 굴곡도를 평가하기 위해 수직거리 및 곡선 최소거리를 표시한 SEM 이미지를 도 4c(실시예 1) 및 도 5e(비교예 1)에 각각 도시하였다.For example, in order to evaluate the top surface curvature of the positive electrode active material layer for the positive electrode using the sulfur-carbon composite of Example 1 and Comparative Example 1 in the present specification, SEM images indicating the vertical distance and the minimum curve distance are shown in FIG. 4c (Example 1) and FIG. 5e (Comparative Example 1), respectively.

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

상기 양극 활물질은 전술한 황-탄소 복합체를 포함한다. 본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 황-탄소 복합체 내 황 원소(S)는 양극 활물질층 100wt% 대비 60wt% 이상, 65wt% 이상, 70wt% 이상 또는 75 wt% 이상의 함량으로 포함되는 것이 바람직할 수 있다. The above-described positive electrode active material comprises the above-described sulfur-carbon complex. In one embodiment of the present invention, it may be preferable that the sulfur element (S) in the sulfur-carbon complex is included in an amount of 60 wt% or more, 65 wt% or more, 70 wt% or more, or 75 wt% or more relative to 100 wt% of the positive electrode active material layer.

상기 양극 내 황 원소(S)의 함량이 60 wt%에 이르지 못하는 경우에는 전극 활성 물질의 부족으로 전지의 에너지 밀도를 향상시키기 어려울 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 양극 활물질층은 상기 양극 활물질 100 wt% 대비 전술한 특징을 갖는 황-탄소 복합체가 50 wt% 이상, 70 wt% 이상, 90 wt% 이상 또는 95 wt% 이상 포함될 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서 상기 양극 활물질은 상기 황-탄소 복합체만으로 이루어질 수 있다. When the content of elemental sulfur (S) in the positive electrode is less than 60 wt%, it may be difficult to improve the energy density of the battery due to a lack of electrode active material, but the present invention is not limited thereto. In addition, in one embodiment of the present invention, the positive electrode active material layer may contain 50 wt% or more, 70 wt% or more, 90 wt% or more, or 95 wt% or more of the sulfur-carbon complex having the above-described characteristics relative to 100 wt% of the positive electrode active material. In one embodiment of the present invention, the positive electrode active material may be composed solely of the sulfur-carbon complex.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양극의 로딩량은 예를 들어 1.67 mgs/cm2 이상, 구체적으로 1.67 내지 2.92 mgs/cm2, 보다 구체적으로 1.67 내지 2.08 mgs/cm2일 수 있다. 상기 로딩량은 양극 내 활물질의 함량, 및 활물질 중 황(S)의 함량으로부터 계산될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the loading amount of the positive electrode may be, for example, 1.67 mg s /cm 2 or more, specifically 1.67 to 2.92 mg s /cm 2 , more specifically 1.67 to 2.08 mg s /cm 2 . The loading amount can be calculated from the content of the active material in the positive electrode and the content of sulfur (S) in the active material.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양극의 로딩량을 용량으로 환산할 때, 예를 들어 상기 로딩량은 2.0 mAh/cm2 이상, 구체적으로 2.0 mAh/cm2 내지 3.5 mAh/cm2, 보다 구체적으로 2.0 mAh/cm2 내지 2.5 mAh/cm2일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, when the loading amount of the positive electrode is converted into capacity, for example, the loading amount may be 2.0 mAh/cm 2 or more, specifically 2.0 mAh/cm 2 to 3.5 mAh/cm 2 , and more specifically 2.0 mAh/cm 2 to 2.5 mAh/cm 2 , but the present invention is not limited thereto.

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

한편, 상기 양극 집전체로는, 당해 기술 분야에서 사용되는 다양한 양극 집전체들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 집전체로는, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 상기 양극 집전체는 통상적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 양극 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 상기 양극 집전체는 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.Meanwhile, as the positive electrode collector, various positive electrode collectors used in the relevant technical field can be used. For example, as the positive electrode collector, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, or aluminum or stainless steel surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. can be used. The positive electrode collector can typically have a thickness of 3 ㎛ to 500 ㎛, and fine unevenness can be formed on the surface of the positive electrode collector to increase the adhesive strength of the positive electrode active material. The positive electrode collector can be used in various forms, such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, a non-woven fabric, etc.

상기 바인더 수지는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 양극 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 수행하는 것으로, 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무(EPDM rubber), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 바인더 수지는 양극 활물질층 총 중량에 대하여 1 내지 30 wt%, 바람직하게는 1 내지 20 wt%, 더 바람직하게는 1 내지 10 wt%로 포함될 수 있다. The above binder resin serves to improve the adhesion between positive electrode active material particles and the adhesiveness between the positive electrode active material and the positive electrode current collector, and specific examples thereof include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinyl pyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene monomer rubber (EPDM rubber), sulfonated-EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, or various copolymers thereof, and one of these may be used alone or a mixture of two or more thereof may be used. The above binder resin may be included in an amount of 1 to 30 wt%, preferably 1 to 20 wt%, and more preferably 1 to 10 wt%, based on the total weight of the positive electrode active material layer.

상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한 없이 사용 가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 도전재가 사용되는 경우, 상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질층 총 중량에 대하여 1 내지 30wt%, 바람직하게는 1 내지 20 wt%, 더 바람직하게는 1 내지 10 wt%로 포함될 수 있다. The conductive material is used to provide conductivity to the electrode, and can be used without special restrictions as long as it does not cause a chemical change in the battery to be formed and has electronic conductivity. Specific examples thereof include graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, carbon fiber, and carbon nanotube; metal powder or metal fiber such as copper, nickel, aluminum, and silver; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; or conductive polymers such as polyphenylene derivatives, and the like, and one of these may be used alone or a mixture of two or more may be used. When the conductive material is used, the conductive material may be typically included in an amount of 1 to 30 wt%, preferably 1 to 20 wt%, and more preferably 1 to 10 wt%, based on the total weight of the positive electrode active material layer.

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

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

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

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

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

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

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

구체적으로, 상기 리튬-황 전지는 양극, 음극 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 및 전해질을 포함한다. Specifically, the lithium-sulfur battery includes a cathode, an anode, a separator interposed between the cathode and the anode, and an electrolyte.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 양극은, 양극 활물질로서 상술한 양극 활물질을 포함할 수 있다.According to one aspect of the present invention, the positive electrode may include the positive electrode active material described above as a positive electrode active material.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 양극은, 복수의 황-탄소 복합체를 포함하는 양극 활물질층을 포함하고, 상기 양극 활물질층에 대해서 상면도에서 면적 기준 상위 5개 황-탄소 복합체 내 최장축의 길이의 평균 값 및 면적 기준 하위 5개 황-탄소 복합체 내 최장축의 길이의 평균 값의 비율이 상술한 식 2를 충족하는 것일 수 있다.According to one aspect of the present invention, the positive electrode may include a positive electrode active material layer including a plurality of sulfur-carbon complexes, and a ratio of an average value of the lengths of the longest axes in the top five sulfur-carbon complexes based on area in a top view of the positive electrode active material layer and an average value of the lengths of the longest axes in the bottom five sulfur-carbon complexes based on area may satisfy the above-described Equation 2.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양극/분리막/음극의 단위 구조를 전극 조립체라고 할 수 있으며, 상기 전극 조립체는 예를 들어서, 분리막이 음극과 양극 사이에 개재된 상태로 적층되어 스택형 또는 스택/폴딩의 구조체를 형성하거나 권취되어 젤리롤 구조체를 형성할 수 있다. 아울러, 젤리롤 구조체를 형성했을 때, 음극과 양극이 서로 접하는 것을 방지하기 위해 외측에 분리막이 추가 배치될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the unit structure of the anode/separator/cathode may be referred to as an electrode assembly, and the electrode assembly may be, for example, laminated with the separator interposed between the cathode and the anode to form a stacked or stacked/folded structure, or may be wound to form a jellyroll structure. In addition, when the jellyroll structure is formed, a separator may be additionally arranged on the outside to prevent the cathode and the anode from coming into contact with each other.

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

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

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

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

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

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

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

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

상기 음극 집전체로는, 당해 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 음극 집전체들이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 상기 음극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 양극 집전체와 마찬가지로, 상기 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.As the above negative electrode collector, negative electrode collectors generally used in the relevant technical field can be used, and for example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, copper or stainless steel surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc., aluminum-cadmium alloy, etc. can be used. The negative electrode collector can typically have a thickness of 3 to 500 ㎛, and, like the positive electrode collector, fine unevenness can be formed on the surface of the collector to strengthen the bonding strength of the negative electrode active material. For example, it can be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a non-woven fabric.

상기 바인더 수지는 음극 활물질 입자들 간의 부착 및 음극 활물질과 음극 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무(EPDM rubber), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 바인더는 음극 활물질층 총 중량에 대하여 1 내지 30 wt%, 바람직하게는 1 내지 20wt%, 더 바람직하게는 1 내지 10wt%로 포함될 수 있다.The above binder resin serves to improve the adhesion between negative active material particles and the adhesive strength between the negative active material and the negative current collector. Specific examples thereof include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinyl pyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene monomer rubber (EPDM rubber), sulfonated-EPDM, styrene-butadiene rubber (SBR), fluororubber, or various copolymers thereof, and one of these may be used alone or a mixture of two or more thereof may be used. The above binder may be included in an amount of 1 to 30 wt%, preferably 1 to 20 wt%, and more preferably 1 to 10 wt%, based on the total weight of the negative electrode active material layer.

상기 필요에 따라 포함되는 도전재는 음극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한 없이 사용 가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 도전재가 사용되는 경우, 상기 도전재는 통상적으로 음극 활물질층 총 중량에 대하여 1 내지 30 wt%, 바람직하게는 1 내지 20wt%, 더 바람직하게는 1 내지 10wt%로 포함될 수 있다.The conductive material included according to the above needs is used to provide conductivity to the negative electrode, and in the battery to be formed, as long as it does not cause a chemical change and has electronic conductivity, it can be used without special restrictions. Specific examples include graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, carbon fiber, and carbon nanotube; metal powder or metal fiber such as copper, nickel, aluminum, and silver; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; or conductive polymers such as polyphenylene derivatives, and the like, and one of these may be used alone or a mixture of two or more may be used. When the conductive material is used, the conductive material may be typically included in an amount of 1 to 30 wt%, preferably 1 to 20 wt%, and more preferably 1 to 10 wt%, based on the total weight of the negative electrode active material layer.

상기 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되는 방식으로 전극 조립체 내에 배치된다. 상기 분리막은 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬 이차전지에서 세퍼레이터로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하다. 구체적으로는 상기 분리막으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있다. The above separator is arranged in the electrode assembly in such a way that it is interposed between the negative electrode and the positive electrode. The separator separates the negative electrode and the positive electrode and provides a passage for lithium ions to move. If it is generally used as a separator in a lithium secondary battery, it can be used without any particular limitation. Specifically, the separator may be a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of a polyolefin polymer such as an ethylene homopolymer, a propylene homopolymer, an ethylene/butene copolymer, an ethylene/hexene copolymer, and an ethylene/methacrylate copolymer, or a laminated structure of two or more layers thereof. In addition, a general porous nonwoven fabric, for example, a nonwoven fabric made of high-melting-point glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, etc. may be used. In addition, a coated separator containing a ceramic component or a polymer material may be used to secure heat resistance or mechanical strength.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 전극 조립체를 포함하는 전기화학소자에 대한 것이다. 상기 전기화학소자는 전지 케이스에 전극 조립체와 전해질이 함께 수납되어 있는 것으로서 상기 전지 케이스로는 파우치 타입이나 금속 캔 타입, 원통형, 스택형, 코인형 등 본 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별한 제한 없이 적절한 것이 선택될 수 있다.Another aspect of the present invention relates to an electrochemical device including the electrode assembly. The electrochemical device comprises an electrode assembly and an electrolyte housed together in a battery case. As the battery case, any suitable type, such as a pouch type, a metal can type, a cylindrical type, a stack type, a coin type, or the like, commonly used in the art may be selected without any particular limitation.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명 특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 첨가제로는 LiNO3, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사메틸인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1 내지 10wt%, 바람직하게는 0.1 내지 5 wt%로 포함될 수 있다. In addition to the electrolyte components, the electrolyte may further contain additives for the purposes of improving the life characteristics of the battery, suppressing battery capacity decrease, and improving the discharge capacity of the battery. For example, the additives may include, but are not limited to, LiNO 3 , haloalkylene carbonate compounds such as difluoroethylene carbonate, pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ethers, ethylene diamine, n-glyme, hexamethylphosphoric acid triamide, nitrobenzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N,N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxy ethanol, or aluminum trichloride. The additives may be contained in an amount of 0.1 to 10 wt%, preferably 0.1 to 5 wt%, based on the total weight of the electrolyte.

한편, 본 발명의 일 실시양태에 있어서 본 발명의 리튬-황 전지는 상기 양극 내 황 원소(S)의 총 중량 대비 상기 전해질의 총 중량의 비(El/S)가 예를 들어 3.5 g/g 이하, 예를 들어 3.3 g/g 이하 또는 3.2 g/g 이하인 것이 바람직할 수 있다. 또한, 상기 리튬-황 전지는 상기 양극 내 황 원소(S)의 총 중량 대비 전해질 총 중량의 비(El/S)가 3.0 내지 3.5 g/g/, 예를 들어 3.1 g/g 내지 3.2 g/g일 수 있다. Meanwhile, in one embodiment of the present invention, the lithium-sulfur battery of the present invention may preferably have a ratio (El/S) of the total weight of the electrolyte to the total weight of the sulfur element (S) in the positive electrode of, for example, 3.5 g/g or less, for example, 3.3 g/g or less or 3.2 g/g or less. In addition, the lithium-sulfur battery may have a ratio (El/S) of the total weight of the electrolyte to the total weight of the sulfur element (S) in the positive electrode of 3.0 to 3.5 g/g/, for example, 3.1 g/g to 3.2 g/g.

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

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

또한, 본 발명은 상기 리튬-황 전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공한다. 상기 전지모듈은 고온 안정성, 긴 사이클 특성 및 높은 용량 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다. In addition, the present invention provides a battery module including the lithium-sulfur battery as a unit battery. The battery module can be used as a power source for medium and large-sized devices that require high-temperature stability, long cycle characteristics, and high capacity characteristics.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 리튬-황 전지는 상술한 양극 활물질을 이용함으로써, 또는 상술한 양극을 이용함으로써, 방전하는 동안 높은 출력 밀도를 유지하는 효과를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 방전하는 동안 10초 간의 출력 밀도(power density)가 2.1 kW/kg 이상을 유지하는 효과를 나타낼 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the lithium-sulfur battery can exhibit an effect of maintaining a high power density during discharge by using the above-described positive electrode active material or by using the above-described positive electrode. Specifically, it can exhibit an effect of maintaining a power density of 2.1 kW/kg or more for 10 seconds during discharge.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 10초 간의 출력 밀도는 측정 대상의 리튬-황 전지에 대해 10초 동안 전류를 흘린 후 식 4에 따라 계산하여 측정할 수 있으나, 상기 측정방법이 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 상기 측정은 1.5V, 5C의 방전 조건에서 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the power density for 10 seconds can be measured by calculating according to Equation 4 after flowing current for 10 seconds through the lithium-sulfur battery as the measurement target, but the measurement method is not limited thereto. At this time, the measurement can be performed under discharge conditions of 1.5 V and 5 C.

[식 4][Formula 4]

출력 밀도(power density) (kW/kg) = [(V min) X (Max C-rate) X (방전 용량)]/(전지 무게)Power density (kW/kg) = [(V min) X (Max C-rate) X (Discharge capacity)]/(Battery weight)

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 리튬-황 전지는 상술한 양극 활물질을 이용함으로써, 또는 상술한 양극을 이용함으로써, 황(S)의 무게 당 방전 용량으로서 1,000 mAh/gs 이상의 용량을 가질 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. According to one embodiment of the present invention, the lithium-sulfur battery can have a capacity of 1,000 mAh/g s or more as a discharge capacity per weight of sulfur (S) by using the above-described positive electrode active material or by using the above-described positive electrode, but the present invention is not limited thereto.

상기 중대형 디바이스의 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차 (electric vehicle; EV), 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle; HEV), 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(plug-in hybrid electric vehicle; PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(Escooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the above medium-to-large-sized devices include, but are not limited to, power tools that are powered by an electric motor; electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); electric two-wheeled vehicles including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (Escooters); electric golf carts; and power storage systems.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 리튬-황 전지는 파우치형, 코인형 또는 원통형 전지일 수 있으며, 예를 들어 파우치형 전지일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the lithium-sulfur battery may be a pouch-type, coin-type, or cylindrical battery, and may be, for example, a pouch-type battery, but the present invention is not limited thereto.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred examples are presented to help understand the present invention, but the following examples are only illustrative of the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and technical idea of the present invention, and it is natural that such changes and modifications fall within the scope of the appended patent claims.

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

제조예 1. 다공성 탄소재의 준비 Manufacturing Example 1. Preparation of porous carbon material

탄소나노튜브(CNT)(Entangled multi-wall carbon nanotube, BET 비표면적 200 m2/g)를 체(sieve)가 구비된 원심 분쇄기(Retsch 社 ZM200)에 투입하여 탄소 나노튜브가 분쇄되면서 원심력이 가해진 채로 분쇄된 탄소 나노튜브가 체에 걸러지도록 입경을 제어하였다. 탄소 나노튜브의 목적하는 D50의 입경(target D50)를 얻기 위하여 체의 메쉬 크기(mesh size) 및 회전 속도를 조절하여 입경이 제어된 탄소나노튜브를 수득하였다. 수득한 다공성 탄소재의 입경 조건을 하기 표 1에 기재하였다. Carbon nanotubes (CNTs) (Entangled multi-wall carbon nanotubes, BET surface area 200 m 2 /g) were placed into a centrifugal mill equipped with a sieve (Retsch ZM200), and the carbon nanotubes were pulverized while centrifugal force was applied so that the pulverized carbon nanotubes were filtered through the sieve to control the particle size. In order to obtain the target D 50 particle size of the carbon nanotubes, the mesh size and rotation speed of the sieve were adjusted to obtain carbon nanotubes with controlled particle size . The particle size conditions of the obtained porous carbon material are shown in Table 1 below.

제조예 2. 다공성 탄소재의 준비Manufacturing Example 2. Preparation of porous carbon material

탄소나노튜브(CNT)(Entangled multi-wall carbon nanotube, BET 비표면적 200 m2/g)를 제트 밀링(jet milling)하여 분쇄하여 분쇄된 탄소나노튜브를 수득하였다.Entangled multi-wall carbon nanotubes (CNTs, BET surface area 200 m 2 /g) were pulverized by jet milling to obtain pulverized carbon nanotubes.

황-탄소 복합체의 제조Preparation of sulfur-carbon complexes

제조예 1 또는 제조예 2에서 수득한 탄소나노튜브를 다공성 탄소재로서 이용하고, 다공성 탄소재와 황(S8)을 하기 표 1에 기재된 중량 비율로 혼합하고 볼 밀링한 후, 155℃의 오븐에 30 분 동안 두어 황-탄소 복합체를 제조하였다.The carbon nanotubes obtained in Manufacturing Example 1 or Manufacturing Example 2 were used as a porous carbon material, and the porous carbon material and sulfur (S 8 ) were mixed in the weight ratios shown in Table 1 below, ball milled, and then placed in an oven at 155° C. for 30 minutes to produce a sulfur-carbon composite.

황-탄소 복합체Sulfur-carbon complex 다공성 탄소재porous carbon material 황(S) 함량Sulfur (S) content 제조방법Manufacturing method D10+D90 D 10 +D 90 BF (D90/D10)BF (D 90 /D 10 ) 입경 D50 Entry D 50 실시예 1Example 1 제조예 1,
Mesh size 80 ㎛
RPM 18,000
Linear velocity 94.2 m/s
Manufacturing example 1,
Mesh size 80 ㎛
RPM 18,000
Linear velocity 94.2 m/s
51 ㎛51 ㎛ 5.495.49 24 ㎛24 ㎛ 75 wt%75 wt%
실시예 2Example 2 제조예 1,
Mesh size 120 ㎛
RPM 10,000
Linear velocity 31.4 m/s
Manufacturing example 1,
Mesh size 120 ㎛
RPM 10,000
Linear velocity 31.4 m/s
86 ㎛86 ㎛ 5.555.55 35 ㎛35 ㎛ 75 wt%75 wt%
실시예 3Example 3 제조예 1,
Mesh size 80 ㎛
RPM 14,000
Linear velocity 73.3 m/s
Manufacturing example 1,
Mesh size 80 ㎛
RPM 14,000
Linear velocity 73.3 m/s
70 ㎛70 ㎛ 5.385.38 29 ㎛29 ㎛ 75 wt%75 wt%
비교예 1Comparative Example 1 제조예 2Manufacturing example 2 128 ㎛128 ㎛ 11.0511.05 38 ㎛38 ㎛ 75 wt%75 wt%

다공성 탄소재porous carbon material 황-탄소 복합체Sulfur-carbon complex 제조방법Manufacturing method D10+D90 D 10 +D 90 BF (D90/D10)BF (D 90 /D 10 ) 입경 D50 Entry D 50 황(S) 함량Sulfur (S) content 실시예 4Example 4 제조예 1,
Mesh size 80 ㎛
RPM 18,000
Linear velocity 94.2 m/s
Manufacturing example 1,
Mesh size 80 ㎛
RPM 18,000
Linear velocity 94.2 m/s
90 ㎛90 ㎛ 5.425.42 38 ㎛38 ㎛ 70 wt%70 wt%
비교예 2Comparative Example 2 제조예 2Manufacturing example 2 128 ㎛128 ㎛ 10.6810.68 38 ㎛38 ㎛ 70 wt%70 wt%

[다공성 탄소재의 형상 및 입경 크기 측정] [Measurement of shape and particle size of porous carbon material]

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

BF 값은 입경 D10에 대한 입경 D90에 대한 비율로서 D90/D10의 값으로 계산되었다. 도 1에는 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에서 이용한 다공성 탄소재의 입도 분포 측정 결과를 도시하였다.The BF value is the ratio of the particle diameter D 90 to the particle diameter D 10 , and is calculated as the value of D 90 /D 10. Figure 1 shows the results of measuring the particle size distribution of the porous carbon materials used in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.

도 2 및 도 3 각각에는 실시예 4(도 2) 및 비교예 2(도 3)에서 이용한 다공성 탄소재의 SEM 이미지를 도시하였다. Figures 2 and 3 show SEM images of the porous carbon material used in Example 4 (Figure 2) and Comparative Example 2 (Figure 3), respectively.

[양극의 제조][Making of anodes]

상기 각 실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 및 비교예 2에서 수득된 황-탄소 복합체를 이용하여 다음과 같이 리튬-황 전지용 양극을 제조하였다.Using the sulfur-carbon complexes obtained in each of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 and Comparative Example 2, a positive electrode for a lithium-sulfur battery was manufactured as follows.

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

20 ㎛ 두께의 알루미늄 집전체 상에 상기 제조된 양극 슬러리 조성물을 350 ㎛ 두께로 도포하고 50℃에서 12 시간 동안 건조하고 롤프레스(roll press)기기로 압착하여 양극을 제조하였다. The prepared positive electrode slurry composition was applied to a thickness of 350 μm on a 20 μm thick aluminum collector, dried at 50° C. for 12 hours, and pressed using a roll press to prepare a positive electrode.

상기 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1의 황-탄소 복합체를 적용한 양극 내 황 원소(S)의 함량이 67.5 wt%이었으며, 상기 실시예 4 및 비교예 2의 황-탄소 복합체를 적용한 양극 내 황 원소(S)의 함량이 63.0 wt%이었다.The content of elemental sulfur (S) in the anode to which the sulfur-carbon complexes of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were applied was 67.5 wt%, and the content of elemental sulfur (S) in the anode to which the sulfur-carbon complexes of Example 4 and Comparative Example 2 were applied was 63.0 wt%.

[양극의 식 2 충족 여부 평가][Evaluation of whether the equation 2 of the two poles is satisfied]

평가예 1Evaluation Example 1

상기 실시예 1 및 비교예 1의 황-탄소 복합체를 이용하여 제조한 양극의 양극 활물질층의 상면에 대한 SEM 이미지를 각각 수득하였다. 이때, SEM 이미지는 수득한 각각의 양극의 중앙을 기준으로 400 배율의 200 ㎛ X 200 ㎛ 크기와 1,000 배율의 70 ㎛ X 70 ㎛ 크기로 각각 수득하였다 SEM images of the upper surface of the positive electrode active material layer of the positive electrode manufactured using the sulfur-carbon composite of Example 1 and Comparative Example 1 were obtained, respectively. At this time, the SEM images were obtained with a size of 200 ㎛ X 200 ㎛ at 400 magnification and a size of 70 ㎛ X 70 ㎛ at 1,000 magnification, respectively, based on the center of each positive electrode obtained.

다음으로, 수득한 200 ㎛ X 200 ㎛ 크기의 이미지 상에서 황-탄소 복합체의 면적 기준으로 상위 5개의 황-탄소 복합체를 선별하고, 70 ㎛ X 70 ㎛ 크기의 이미지 상에서 황-탄소 복합체의 면적 기준으로 하위 5개의 황-탄소 복합체를 선별하였다. Next, the top five sulfur-carbon complexes were selected based on the area of the sulfur-carbon complexes in the obtained 200 ㎛ X 200 ㎛ image, and the bottom five sulfur-carbon complexes were selected based on the area of the sulfur-carbon complexes in the obtained 70 ㎛ X 70 ㎛ image.

선별된 각각의 황-탄소 복합체 내에서 최장축의 길이를 측정하고, 이들의 평균 값을 계산하여 하기 식 2에 따른 값을 계산하여 하기 표 3에 나타내었다. The length of the longest axis within each selected sulfur-carbon complex was measured, and their average value was calculated to obtain the value according to Equation 2 below, which is shown in Table 3 below.

[식 2][Formula 2]

XL/XS ≤ 15X L /X S ≤ 15

상기 식 2에서,In the above equation 2,

상기 XL은 상기 양극 활물질층의 상면도에서 면적 기준 상위 5개 황-탄소 복합체 내 최장축의 길이의 평균 값이며, 상기 XS은 상기 양극 활물질층의 상면도에서 면적 기준 하위 5개 황-탄소 복합체 내 최장축의 길이의 평균 값이다.The above X L is the average value of the length of the longest axis in the top five sulfur-carbon complexes based on the area in the top view of the positive electrode active material layer, and the above X S is the average value of the length of the longest axis in the bottom five sulfur-carbon complexes based on the area in the top view of the positive electrode active material layer.

도 4a 및 도 4b에는 각각 실시예 1의 양극에 대해 수득한 SEM 이미지를 도시하였으며, 도 4a에는 상기에서 선별된 상위 5개의 황-탄소 복합체의 최장축을, 도 4b에는 상기에서 선별된 하위 5개의 황-탄소 복합체의 최장축을 표기하였다. 도 5a 및 도 5b에는 각각 비교예 1의 양극에 대해 수득한 SEM 이미지를 도시하였으며, 도 5a에는 상기에서 선별된 상위 5개의 황-탄소 복합체의 최장축을, 도 5b에는 상기에서 선별된 하위 5개의 황-탄소 복합체의 최장축을 표기하였다.FIGS. 4A and 4B show SEM images obtained for the positive electrode of Example 1, respectively, wherein FIG. 4A shows the longest axes of the top five sulfur-carbon complexes selected above, and FIG. 4B shows the longest axes of the bottom five sulfur-carbon complexes selected above. FIGS. 5A and 5B show SEM images obtained for the positive electrode of Comparative Example 1, respectively, wherein FIG. 5A shows the longest axes of the top five sulfur-carbon complexes selected above, and FIG. 5B shows the longest axes of the bottom five sulfur-carbon complexes selected above.

이때, 각각의 SEM 이미지 상에서 최장축의 길이가 1 ㎛ 미만인 입자는 황을 담지하는 다공성 탄소재, 즉 황-탄소 복합체가 아닌 것을 확인하였으며, 이에 따라 선별 대상에서 제외하였다.At this time, particles with a longest axis length of less than 1 ㎛ in each SEM image were confirmed to be not sulfur-bearing porous carbon materials, i.e., not sulfur-carbon composites, and were therefore excluded from the selection target.

XL/XS X L /X S 식 2의 충족 여부 (True/Fail)Whether condition 2 is satisfied (True/Fail) 실시예 1Example 1 3.53.5 TrueTrue 비교예 1Comparative Example 1 20.820.8 FailFail

평가예 2Evaluation Example 2

상기 양극을 이용하여 리튬-황 전지를 제조한 후, 충방전 반복에 의해 상기 식 2의 만족 여부가 변화할지 여부를 평가하기 위해서, 다음의 실험을 수행하였다.After manufacturing a lithium-sulfur battery using the above positive electrode, the following experiment was conducted to evaluate whether the satisfaction of Equation 2 would change with repeated charge and discharge.

먼저, 다음과 같이 리튬-황 전지를 제조하였다.First, a lithium-sulfur battery was manufactured as follows.

상기 비교예 1의 황-탄소 복합체를 이용하여 제조된 양극을 이용하고, 음극을 구비하여 상기 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 전극 조립체를 제조하고, 파우치형 케이스에 상기 전극 조립체를 수납하고 전해액을 충진하여 리튬-황 전지를 제조하였다. 음극으로 35 ㎛ 두께의 리튬 금속 박막을 사용하였다. 분리막으로 16 ㎛ 두께의 다공성 폴리에틸렌을 적용하였다. 상기 전해액은 2-메틸 퓨란과 다이메톡시에탄을 혼합한 (33/77 부피비) 유기 용매에 LiNO3를 3 wt%, LiPF6 1M 농도로 투입하여 준비하였다. 상기와 같이 제조된 양극과 음극을 포함하는 파우치셀을 제작하였다. 제조된 각 전지에서 El/S는 3.1 g/g 조건으로 제어되었다.Using the sulfur-carbon complex of Comparative Example 1, a cathode was manufactured, a separator was interposed between the cathode and the anode, and an electrode assembly was manufactured. The electrode assembly was placed in a pouch-type case and filled with an electrolyte to manufacture a lithium-sulfur battery. A 35 ㎛ thick lithium metal film was used as the cathode. A 16 ㎛ thick porous polyethylene was applied as the separator. The electrolyte was prepared by adding LiNO 3 at a concentration of 3 wt% and LiPF 6 at a concentration of 1 M to an organic solvent containing a mixture of 2-methyl furan and dimethoxyethane (volume ratio of 33/77). A pouch cell including the cathode and anode manufactured as described above was manufactured. In each manufactured battery, El/S was controlled to a condition of 3.1 g/g.

상기와 같이 제조된 각 리튬 황 전지에 대해, 25℃에서 CC 모드로 0.5C로 1.8 V가 될 때까지 방전하고, 0.3C의 정전류로 2.5 V까지 충전한 후 1.0C로 방전 및 충전을 200회 반복하였다. 이때, 충방전 시험기를 이용하여 초기 용량 100%를 기준으로 방전 용량이 80% 이상을 유지하는 것을 확인하였다. For each lithium sulfur battery manufactured as described above, it was discharged at 0.5C in CC mode at 25℃ until 1.8 V, charged at a constant current of 0.3C until 2.5 V, and then discharged and charged at 1.0C 200 times. At this time, it was confirmed using a charge/discharge tester that the discharge capacity was maintained at 80% or more based on the initial capacity of 100%.

마지막 충전 이후 SOC 75% 상태의 리튬-황 전지를 Ar 분위기 하의 글로브 박스 내에서 분해한 후, 양극을 분리하였다. 분리된 양극 표면을 DME를 이용하여 세척 및 건조한 후, 평가예 1과 동일한 방법으로 식 2의 충족 여부를 평가하였다.After the last charge, a lithium-sulfur battery with a SOC of 75% was disassembled in a glove box under an Ar atmosphere, and the cathode was separated. The separated cathode surface was washed and dried using DME, and then whether Equation 2 was satisfied was evaluated in the same manner as in Evaluation Example 1.

도 5c 및 도 d에는 각각 상기에서 얻어진 SEM 이미지를 도시하였으며, 도 5c에는 선별된 상위 5개의 황-탄소 복합체의 최장축을, 도 5d에는 선별된 하위 5개의 황-탄소 복합체의 최장축을 표기하였으며, 하기 식 2에 따른 값을 계산하여 하기 표 4에 나타내었다.Figures 5c and d show the SEM images obtained above, respectively. Figure 5c shows the longest axes of the top five selected sulfur-carbon complexes, and Figure 5d shows the longest axes of the bottom five selected sulfur-carbon complexes. The values calculated according to Equation 2 below are shown in Table 4 below.

(전지 분해 후 평가)(Evaluation after battery disassembly) XL/XS X L /X S 식 2의 충족 여부 (True/Fail)Whether condition 2 is satisfied (True/Fail) 비교예 1Comparative Example 1 23.223.2 FailFail

상기 표 3 및 표 4에서 확인되는 바와 같이, 비교예 1의 황-탄소 복합체를 이용하여 제조된 양극은 제조 직후 및 전지에 적용되어 충방전 반복 후에도 식 2를 만족하지 못하는 것으로 확인되었다.As confirmed in Tables 3 and 4 above, it was confirmed that the positive electrode manufactured using the sulfur-carbon composite of Comparative Example 1 did not satisfy Equation 2 immediately after manufacture and even after repeated charge and discharge when applied to a battery.

이후의 실험을 통해, 상기 식 2를 만족하지 못하는 양극이 적용된 리튬-황 전지는 전지의 용량 및 출력 밀도, 고속 출력 성능 측면에서 열위한 것으로 확인되었으며, 이는 양극 내에서 황(S)의 확산이 균일하게 이루어지지 않아서 반응성이 저하된 결과인 것으로 유추되었다.Through subsequent experiments, it was confirmed that lithium-sulfur batteries with a cathode that did not satisfy Equation 2 were inferior in terms of battery capacity, power density, and high-speed output performance. It was inferred that this was the result of reduced reactivity due to uneven diffusion of sulfur (S) within the cathode.

[양극의 평균 굴곡도 평가][Evaluation of the average curvature of both poles]

상기 비교예 2 및 실시예 2의 황-탄소 복합체를 이용하여 제조한 양극의 수직 단면에 대한 SEM 이미지를 도 6a(비교예 2) 및 도 7a(실시예 2) 각각에 도시하였다. 상기에서 얻어진 SEM 이미지로부터 다음과 같은 방법에 따라 양극 활물질층의 평균 굴곡도를 평가하였다.SEM images of vertical cross sections of the positive electrodes manufactured using the sulfur-carbon composites of Comparative Example 2 and Example 2 are shown in Fig. 6a (Comparative Example 2) and Fig. 7a (Example 2), respectively. The average curvature of the positive electrode active material layer was evaluated from the SEM images obtained above by the following method.

먼저, 1) 얻어진 SEM 이미지에서, 집전체 표면의 한 지점을 임의로 선정하고, 해당 지점으로부터 양극 표면까지 수직하는 방향으로 전극의 끝점을 서로 연결하여 수직거리(L)를 측정하였다. 다음으로, 2) 위 1) 단계에서 선정한 임의의 한 지점과 전극의 끝점 사이에 위치하는 입자(황-탄소 복합체) 간의 경계선을 따라서 최소거리(C)를 측정하였다. 3) 상기에서 측정한 L 값 및 C 값을 이용하여 굴곡도(C/L)를 계산하였다. 4) 집전체 표면의 서로 다른 지점을 최소 3개 선정하여 위 1) 내지 3)의 과정을 반복한 후, 얻어진 C/L 값의 평균 값을 계산하여 평균 굴곡도를 평가하였다.First, 1) From the obtained SEM image, a point on the surface of the current collector was arbitrarily selected, and the vertical distance (L) was measured by connecting the endpoints of the electrodes in the vertical direction from the point to the positive electrode surface. Next, 2) the minimum distance (C) was measured along the boundary line between the particles (sulfur-carbon complexes) located between the arbitrarily selected point in step 1) and the endpoint of the electrode. 3) The curvature (C/L) was calculated using the L values and C values measured above. 4) After selecting at least three different points on the surface of the current collector and repeating the processes 1) to 3) above, the average value of the obtained C/L values was calculated to evaluate the average curvature.

굴곡도 = [곡선 최소거리(C)/수직거리(L)]Curvature = [Curve minimum distance (C) / vertical distance (L)]

도 6b 및 도 7b를 이용하여, A, B, C 3개의 지점에서 측정한 굴곡도 및 3개 지점의 평균 굴곡도 값을 하기 표 5에 나타내었다.Using Figures 6b and 7b, the curvature values measured at three points, A, B, and C, and the average curvature values of the three points are shown in Table 5 below.

황-탄소 복합체Sulfur-carbon complex 양극anode 단면 이미지Cross-section image A 지점 굴곡도(C/L)A point curvature (C/L) B 지점 굴곡도(C/L)B point curvature (C/L) C 지점 굴곡도(C/L)C point curvature (C/L) 평균 굴곡도Average curvature 비교예 2Comparative Example 2 도 6bFig. 6b 2.182.18 2.442.44 2.152.15 2.262.26 실시예 2Example 2 도 7bFig. 7b 1.551.55 1.501.50 1.211.21 1.421.42

[리튬-황 전지의 제조][Manufacturing of lithium-sulfur batteries]

상기 각 실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 및 비교예 2 에서 수득된 황-탄소 복합체를 이용한 양극을 이용하여 다음과 같이 리튬-황 전지용 양극을 제조하였다.A positive electrode for a lithium-sulfur battery was manufactured as follows using the positive electrode using the sulfur-carbon complex obtained in each of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 and Comparative Example 2.

양극으로는 상기에서 제조한 양극을 이용하고, 음극을 구비하여 상기 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 전극 조립체를 제조하고, 파우치형 케이스에 상기 전극 조립체를 수납하고 전해액을 충진하여 리튬-황 전지를 제조하였다.An electrode assembly was manufactured by using the positive electrode manufactured as above, providing an anode and interposing a separator between the positive electrode and the negative electrode, storing the electrode assembly in a pouch-shaped case and filling it with an electrolyte to manufacture a lithium-sulfur battery.

음극으로 35 ㎛ 두께의 리튬 금속 박막을 사용하였다. 분리막으로 16 ㎛ 두께의 다공성 폴리에틸렌을 적용하였다. 상기 전해액은 2-메틸 퓨란과 다이메톡시에탄을 혼합한 (33/77 부피비) 유기 용매에 LiNO3를 3 wt%, LiPF6 1M 농도로 투입하여 준비하였다.A 35 ㎛ thick lithium metal film was used as the cathode. A 16 ㎛ thick porous polyethylene was applied as the separator. The electrolyte was prepared by adding 3 wt% LiNO 3 and 1 M LiPF 6 to an organic solvent containing a mixture of 2-methyl furan and dimethoxyethane (volume ratio 33/77).

상기와 같이 제조된 양극과 음극을 포함하는 파우치셀을 제작하였다. 제조된 각 전지에서 El/S는 3.1 g/g 조건으로 제어되었다.Pouch cells including the positive and negative electrodes manufactured as described above were manufactured. In each manufactured cell, El/S was controlled to a condition of 3.1 g/g.

[전기화학적 성능 평가][Electrochemical performance evaluation]

1.0C 방전 용량 평가1.0C discharge capacity evaluation

상기와 같이 제조된 각 리튬 황 전지에 대해, 25℃에서 CC 모드로 0.5C로 1.8 V가 될 때까지 방전하고, 0.3 C의 정전류로 2.5 V까지 충전한 후 1.0C로 방전하여 방전 용량을 측정/비교하였다. 방전 용량은 황(S)의 무게를 기준으로 측정하였다. (mAh/gs)For each lithium sulfur battery manufactured as described above, the discharge capacity was measured/compared by discharging at 0.5 C in CC mode at 25°C to 1.8 V, charging at a constant current of 0.3 C to 2.5 V, and then discharging at 1.0 C. The discharge capacity was measured based on the weight of sulfur (S). (mAh/g s )

충방전 반복에 따른 방전 용량 변화 그래프를 도 8에 도시하였으며, 비교예 1의 방전 용량을 1로 하였을 때 실시예 1 내지 실시예 3 의 상대 용량을 도 9, 비교예 1의 전압을 1로 하였을 때 실시예 1 내지 실시예 3의 상대 공칭전압을 도 10에 각각 도시하였다.A graph of discharge capacity change according to repeated charge and discharge is shown in Fig. 8. When the discharge capacity of Comparative Example 1 is set to 1, the relative capacities of Examples 1 to 3 are shown in Fig. 9, and when the voltage of Comparative Example 1 is set to 1, the relative nominal voltages of Examples 1 to 3 are shown in Fig. 10.

충전 이후 최초 방전 시 측정된 용량을 하기 표 6에 나타내었다.The capacities measured at the first discharge after charging are shown in Table 6 below.

황-탄소 복합체 내 황(S) 함량Sulfur (S) content in sulfur-carbon complexes 1.0C 방전용량 (mAh/gs)1.0C discharge capacity (mAh/g s ) 실시예 1Example 1 75 wt%75 wt% 1,0301,030 실시예 2Example 2 75 wt%75 wt% 989989 실시예 3Example 3 75 wt%75 wt% 996996 비교예 1Comparative Example 1 75 wt%75 wt% 976976 실시예 4Example 4 70 wt%70 wt% 1,0351,035 비교예 2Comparative Example 2 70 wt%70 wt% 915915

0.5C 방전 용량 및 에너지 밀도 평가0.5C discharge capacity and energy density evaluation

상기와 같이 제조된 각 리튬 황 전지에 대해, 25℃에서 CC 모드로 0.5C 속도로 1.8 V가 될 때까지 방전하고, 0.5 C의 정전류로 2.5 V까지 충전하여 방전 용량을 측정/비교한 결과를 상기 표 6에 나타내었다. 방전 용량은 황의 무게를 기준으로 측정하였다. (mAh/gs) For each lithium sulfur battery manufactured as described above, the discharge capacity was measured/compared by discharging at a rate of 0.5 C in CC mode at 25°C until 1.8 V, and charging at a constant current of 0.5 C until 2.5 V, and the results are shown in Table 6 above. The discharge capacity was measured based on the weight of sulfur. (mAh/g s )

또한, 상기 실시예 1, 실시예 4, 비교예 1 및 비교예 2의 황-탄소 복합체를 이용한 전지에 대해 0.5C 방전 용량을 평가한 결과를 도 11 및 도 12 각각에 도시하였으며, 측정된 방전용량을 하기 표 6에 나타내었다.In addition, the results of evaluating the 0.5C discharge capacity for the batteries using the sulfur-carbon composites of Example 1, Example 4, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 are shown in FIGS. 11 and 12, respectively, and the measured discharge capacities are shown in Table 6 below.

측정된 0.5C 방전 용량 값을 이용하여 하기 식 3에 따라 에너지 밀도를 측정하였으며, 비교예 1의 에너지 밀도를 기준으로 실시예 1의 에너지 밀도의 상대값, 및 비교예 2의 에너지 밀도를 기준으로 실시예 2의 에너지 밀도의 상대값을 표 7에 함께 나타내었다.The energy density was measured using the measured 0.5C discharge capacity value according to Equation 3 below, and the relative value of the energy density of Example 1 based on the energy density of Comparative Example 1 and the relative value of the energy density of Example 2 based on the energy density of Comparative Example 2 are shown together in Table 7.

[식 3][Formula 3]

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

황-탄소 복합체 내 황(S) 함량Sulfur (S) content in sulfur-carbon complexes 0.5C 방전 용량 (mAh/gs)0.5C discharge capacity (mAh/g s ) 에너지 밀도(상대값)Energy density (relative) 실시예 1Example 1 75 wt%75 wt% 1,0731,073 1.061.06 비교예 1Comparative Example 1 75 wt%75 wt% 1,0151,015 1.001.00 실시예 2Example 2 70 wt%70 wt% 1,0921,092 1.071.07 비교예 2Comparative Example 2 70 wt%70 wt% 1,0381,038 1.001.00

10초 출력 밀도 평가10 second power density evaluation

상기와 같이 제조된 각 리튬 황 전지에 대해, 10초 동안 전류를 흘린 후(1.5V, 5C 방전 조건) 식 4에 따라 출력 밀도를 계산하여 그 결과를 하기 표 8에 나타내었다.For each lithium sulfur battery manufactured as described above, after flowing current for 10 seconds (1.5 V, 5 C discharge conditions), the power density was calculated according to Equation 4, and the results are shown in Table 8 below.

[식 4][Formula 4]

출력 밀도(power density) (kW/kg) = [(V min) X (Max C-rate) X (방전 용량)]/(전지 무게)Power density (kW/kg) = [(V min) X (Max C-rate) X (Discharge capacity)]/(Battery weight)

목표 물성Target properties 10초 출력 밀도(kW/kg) 10 sec power density (kW/kg) 실시예 1Example 1 2.1 kW/kg 이상 2.1 kW/kg or more 2.442.44 실시예 2Example 2 2.212.21 실시예 3Example 3 2.302.30 실시예 4Example 4 2.322.32 비교예 1Comparative Example 1 2.012.01 비교예 2Comparative Example 2 1.951.95

[평가][evaluation]

표 2, 도 2 및 도 3을 참조하면, BF 값(D90/D10)이 7 이하인 다공성 탄소재(도 2)가 BF 값이 큰 다공성 탄소재(도 3) 대비 입자 크기가 균일할 뿐만 아니라, 다공성 탄소재 간의 간극이 좁은 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 2, Figures 2 and 3, it can be confirmed that the porous carbon material (Figure 2) having a BF value (D 90 /D 10 ) of 7 or less not only has a more uniform particle size compared to the porous carbon material having a large BF value (Figure 3), but also has narrower gaps between the porous carbon materials.

또한, 표 3, 표 4, 도 4a, 도 4b, 도 5a, 도 5b, 도 6a 및 도 7a를 참고하면, BF 값이 작거나, 크기가 작은 다공성 탄소재에 황(S8)을 담지한 황-탄소 복합체를 이용하여 양극을 제조하였을 때, 양극 활물질층에 황-탄소 복합체가 고르게 분포하고, 황-탄소 복합체 간의 간극이 좁아 양극 내에서 황의 이용 효율을 높일 수 있음을 확인할 수 있다.In addition, referring to Table 3, Table 4, FIG. 4a, FIG. 4b, FIG. 5a, FIG. 5b, FIG. 6a, and FIG. 7a, when a positive electrode is manufactured using a sulfur-carbon complex in which sulfur (S 8 ) is loaded on a porous carbon material having a small BF value or a small size, it can be confirmed that the sulfur-carbon complex is evenly distributed in the positive electrode active material layer and the gaps between the sulfur-carbon complexes are narrow, thereby increasing the utilization efficiency of sulfur within the positive electrode.

이에 따라, 표 6 내지 표 8, 도 8 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬-황 전지는 1.0C의 고율 방전 시에도 1,000 mAh/gs 이상의 큰 방전 용량을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 양극 내 활물질의 양이 동일하더라도 비교예 1, 2 대비 더 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있음을 확인하였다. Accordingly, referring to Tables 6 to 8 and FIGS. 8 to 12, it was confirmed that a lithium-sulfur battery according to an embodiment of the present invention can not only implement a large discharge capacity of 1,000 mAh/g s or more even at a high rate discharge of 1.0 C, but also implement a higher energy density compared to Comparative Examples 1 and 2 even when the amount of active material in the positive electrode is the same.

특히, 표 6 내지 표 8을 참고하면, 황(S) 함량이 낮고, 다공성 탄소재 간 간극이 크며, 황-탄소 복합체가 양극에 균일하게 분포하지 않는 경우(비교예 2), 출력 밀도가 낮아 고출력 특성에 적합하지 않은 반면, 실시예 1 및 실시예 2를 이용한 전지의 방전 용량을 비교하였을 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 황의 담지율을 높이지 않고서도 전기화학적 활성을 충분히 향상시키고, 이에 따라 전지의 용량을 높일 수 있음을 확인하였다.In particular, referring to Tables 6 to 8, when the sulfur (S) content is low, the gap between the porous carbon materials is large, and the sulfur-carbon complex is not uniformly distributed on the positive electrode (Comparative Example 2), the power density is low and is not suitable for high power characteristics, whereas when the discharge capacity of the batteries using Examples 1 and 2 is compared, it was confirmed that according to one embodiment of the present invention, the electrochemical activity can be sufficiently improved without increasing the sulfur loading rate, and thus the capacity of the battery can be increased.

이상의 일련의 실험을 통해, 크기가 작거나, 입도 분포가 고른 다공성 탄소재를 리튬-황 전지의 활물질 담지체로서 적용함으로써, 황(S)의 확산(diffusion)이 균일하게 이루어질 수 있고, 이에 따라 전지의 충·방전 시 황(S8) <-> Li2S의 산화환원 반응이 균일하게 이루어지고, 전지의 용량 및 충전 밀도를 향상시키고, 고속 출력 성능이 우수한 것을 확인하였다.Through the above series of experiments, it was confirmed that by applying a porous carbon material with a small size or a uniform particle size distribution as an active material carrier for a lithium-sulfur battery, diffusion of sulfur (S) can be uniformly achieved, and accordingly, the redox reaction of sulfur (S 8 ) <-> Li 2 S can be uniformly achieved during charge and discharge of the battery, thereby improving the capacity and charge density of the battery and providing excellent high-speed output performance.

Claims (10)

다공성 탄소재 및 황계 재료를 포함하는 황-탄소 복합체를 포함하고,
상기 다공성 탄소재는 하기 (1) 및 (2) 중 적어도 하나의 입경 조건을 만족하는, 양극 활물질:
(1) 입경 D10 및 입경 D90의 합이 60 ㎛ 이하인 것, 및
(2) 하기 식 1에 따른 입경 D10 대비 입경 D90 분포의 비(Broadness Factor, BF)가 7 이하인 것,
[식 1]
Broadness Factor(BF) = [(입경 D90)/(입경 D10)].
Comprising a sulfur-carbon composite including a porous carbon material and a sulfur-based material,
The above porous carbon material is a cathode active material that satisfies at least one particle size condition among the following (1) and (2):
(1) The sum of particle diameter D 10 and particle diameter D 90 is 60 ㎛ or less, and
(2) The ratio of the particle size distribution D90 to particle size D10 according to Equation 1 below (Broadness Factor, BF) is 7 or less,
[Formula 1]
Broadness Factor(BF) = [(particle diameter D 90 )/(particle diameter D 10 )].
청구항 1에 있어서,
상기 황계 재료는 무기 황(S8); Li2Sn(n≥1); 2,5-디머캅토-1,3,4-티아디아졸(2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole) 및 1,3,5-트리티오시아누익산(1,3,5-trithiocyanuic acid) 중 1종 이상을 포함하는 유기황 화합물; 탄소-황 폴리머((C2Sx)n, x=2.5 내지 50, n≥2); 또는 이들 중 2 이상의 혼합물;을 포함하는, 리튬-황 전지용 양극 활물질.
In claim 1,
A cathode active material for a lithium-sulfur battery, wherein the sulfur-based material comprises: inorganic sulfur (S 8 ); Li 2 S n (n≥1); an organosulfur compound including at least one of 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole and 1,3,5-trithiocyanuic acid; a carbon-sulfur polymer ((C 2 S x ) n , x=2.5 to 50, n≥2); or a mixture of two or more thereof.
청구항 1에 있어서,
상기 다공성 탄소재는 BET 표면적이 150 m2/g 이상인, 리튬-황 전지용 양극 활물질.
In claim 1,
The above porous carbon material is a cathode active material for a lithium-sulfur battery, having a BET surface area of 150 m 2 /g or more.
청구항 1에 있어서,
상기 다공성 탄소재는 탄소나노튜브, 카본블랙, 흑연, 활성 탄소, 그래핀 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함하는, 리튬-황 전지용 양극 활물질.
In claim 1,
The above porous carbon material is a cathode active material for a lithium-sulfur battery, comprising carbon nanotubes, carbon black, graphite, activated carbon, graphene or a mixture of two or more thereof.
청구항 4에 있어서,
상기 다공성 탄소재는 탄소나노튜브를 포함하는, 리튬-황 전지용 양극 활물질.
In claim 4,
The above porous carbon material is a cathode active material for a lithium-sulfur battery, which contains carbon nanotubes.
청구항 1에 있어서,
상기 황-탄소 복합체 100 wt% 대비 황 원소(S)의 함량이 60 wt% 이상인, 리튬-황 전지용 양극 활물질.
In claim 1,
A cathode active material for a lithium-sulfur battery, wherein the content of elemental sulfur (S) is 60 wt% or more relative to 100 wt% of the sulfur-carbon complex.
청구항 1에 있어서,
상기 다공성 탄소재는,
원료물질로서의 다공성 탄소재를 원심 분쇄기를 이용하여 분쇄하고,
분쇄된 다공성 탄소재를 목적하는 입경 체로 걸러 제조되는 것으로서,
상기 체의 메쉬 크기는 제조된 다공성 탄소재의 입경 D50 대비 2.8배 내지 4배의 크기를 갖는 것인, 리튬-황 전지용 양극 활물질.
In claim 1,
The above porous carbon material is,
The porous carbon material as a raw material is crushed using a centrifugal crusher,
It is manufactured by filtering the crushed porous carbon material through a sieve with a desired particle size.
A cathode active material for a lithium-sulfur battery, wherein the mesh size of the above body is 2.8 to 4 times the particle size D 50 of the manufactured porous carbon material.
청구항 1에 있어서,
상기 다공성 탄소재의 입경 D50은 100 ㎛ 이하인, 리튬-황 전지용 양극 활물질.
In claim 1,
A cathode active material for a lithium-sulfur battery, wherein the particle size D 50 of the porous carbon material is 100 ㎛ or less.
청구항 1에 있어서,
상기 다공성 탄소재는 상기 식 1에 따른 BF 값이 4 내지 7인, 리튬-황 전지용 양극 활물질.
In claim 1,
The above porous carbon material is a cathode active material for a lithium-sulfur battery, having a BF value of 4 to 7 according to the above formula 1.
집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하며,
상기 양극 활물질층은 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 청구항에 따른 리튬-황 전지용 양극 활물질을 포함하는, 리튬-황 전지용 양극.
Comprising a cathode active material layer formed on at least one surface of the entire collector and the entire collector,
A positive electrode for a lithium-sulfur battery, wherein the positive electrode active material layer comprises a positive electrode active material for a lithium-sulfur battery according to any one of claims 1 to 9.
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