JP7237201B2 - リチウム二次電池電極用バインダー、これを含むリチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池電極用バインダー、これを含むリチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池 Download PDF

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Description

本出願は２０１９年１１月０６日付韓国特許出願第１０‐２０１９‐０１４０７２７号及び２０２０年１０月２７日付韓国特許出願第１０‐２０２０‐０１４０３４３号に基づく優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示されている全ての内容は本明細書の一部として含む。
本発明はリチウム二次電池電極用バインダー、これを含むリチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池に関する。
リチウム二次電池の活用範囲が携帯用電子機器及び通信機器のみならず電気自動車（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ；ＥＶ）、電力貯蔵装置（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ；ＥＳＳ）にまで拡大され、これらの電源で使われるリチウム二次電池の高容量化に対する要求が高くなっている。
幾つかのリチウム二次電池の中で、リチウム‐硫黄電池（Ｌｉ‐Ｓ電池）は硫黄を正極活物質で、リチウムを負極活物質で使用した電池であって、正極でリチウムイオンと硫黄の変換（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）反応（Ｓ８＋１６Ｌｉ＋＋１６ｅ‐→８Ｌｉ２Ｓ）から出る理論放電容量が１，６７５ｍＡｈ／ｇに至って、負極でリチウム金属（理論容量：３，８６０ｍＡｈ／ｇ）を使う場合は２，６００Ｗｈ／ｋｇの理論エネルギー密度を示す。これは現在研究されている他の電池システム（Ｎｉ‐ＭＨ電池：４５０Ｗｈ／ｋｇ、Ｌｉ‐ＦｅＳ電池：４８０Ｗｈ／ｋｇ、Ｌｉ‐ＭｎＯ２電池：１，０００Ｗｈ／ｋｇ、Ｎａ‐Ｓ電池：８００Ｗｈ／ｋｇ）及び常用リチウム二次電池（ＬｉＣｏＯ２／ｇｒａｐｈｉｔｅ）の理論エネルギー密度に比べてとても高い数値を有するので、現在まで開発されている二次電池の中で高容量リチウム二次電池として注目を浴びていて、次世代電池システムとして多く研究されている。
リチウム‐硫黄電池で正極活物質で使われる硫黄は、電気伝導度が５×１０‐３０Ｓ／ｃｍで電気伝導性がない不導体であるため、電気化学反応によって生成された電子の移動が難しい問題がある。このため、電気化学的反応サイトを提供することができる多孔性炭素素材のような伝導性物質とともに複合化して使われている。
しかし、リチウム‐硫黄電池の場合、硫黄が還元された最終反応生成物であるリチウムスルフィド（ｌｉｔｈｉｕｍ ｓｕｌｆｉｄｅ、Ｌｉ２Ｓ）が硫黄に比べて体積が増加しながら正極の構造を変化させて、硫黄の中間生成物であるリチウムポリスルフィド（ｌｉｔｈｉｕｍ ｐｏｌｙｓｕｌｆｉｄｅ、Ｌｉ２Ｓｘ、ｘ＝２～８）は電解質に容易に湧出されるため、放電時に持続的に湧出されて正極活物質の量が減少する。結局、正極の退化が加速化して電池容量及び寿命特性が低下することによって電池の長期的安定性を確保できなくなる。
これを解決するための方案の一つとして、硫黄を含む多孔性炭素素材の間の結着力を増加させるために多量のバインダーを使う方案が提案されたが、この場合、電子の伝達を邪魔して抵抗が増加することによって返って電池性能が低下するという問題がある。
また、他の方案としては、バインダーでリチウムイオン性高分子を活用したり、中間生成物であるリチウムポリスルフィドの湧出を抑制するために吸着機能性要素を与えた素材を使う方法が提案された。ここで、バインダーでポリアクリル酸（ｐｏｌｙ（ａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）、ＰＡＡ）またはリチウム置換ポリアクリル酸（ｌｉｔｈｉａｔｅｄ ｐｏｌｙ（ａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）、ＬｉＰＡＡ）を使う場合、電極の接着力を高め、リチウムイオンの移動を円滑にすることができたが、リチウム置換ポリアクリル酸のように高粘度のバインダーを使う場合、スラリー分散問題が発生することがあるし、これによって分散剤をさらに適用する場合は電極接着力が低下する恐れがある。
したがって、リチウム‐硫黄電池の性能及び安定性を向上するために、優れた電極接着力を確保することができる最適化方案に対する開発が更に必要な実情である。
韓国公開特許第２０１９‐００７８８８２号、リチウム‐硫黄電池用バインダー、これを含む正極及びリチウム‐硫黄電池
ここで本発明者らは、上記問題を解決するために多角的に研究した結果、リチウム二次電池電極用バインダーにカルボキシレート基と静電的相互作用をする陽イオン性高分子を添加する場合、電極の接着特性が向上して電極の電気化学的反応性及び安定性が改善されることによって優れる電池性能を具現することができることを確認して本発明を完成した。
したがって、本発明の目的は、電極の接着力を向上させるリチウム二次電池電極用バインダーを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上記バインダーを含むリチウム二次電池用正極を提供することにある。
また、本発明のまた他の目的は、上記正極を含むリチウム二次電池を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明はカルボキシレート基を含む高分子；及び陽イオン性高分子を含み、上記陽イオン性高分子の含量はリチウム二次電池電極用バインダー全体１００重量％に対して５ないし３０重量％であるリチウム二次電池電極用バインダーを提供する。
上記カルボキシレート基を含む高分子は、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸リチウム、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸リチウム、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースナトリウム、スチレン‐ブタジエンゴム／カルボキシメチルセルロース、アルギン酸及びアルギン酸ナトリウムからなる群から選択される１種以上を含むことができる。
上記カルボキシレート基を含む高分子は重量平均分子量が５０，０００ないし５，０００，０００のものであってもよい。
上記陽イオン性高分子は、ポリクオタニウム、ポリアリルアミン塩酸塩、ポリエチレンイミン、ポリ４‐ビニルピリジン、ポリ３，４‐エチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホネート、ポリ（ビニルアミン塩酸塩）、ポリ（２‐（ジメチルアミノ）エチルメタクリレート）、及びポリ（アミドアミン）からなる群から選択される１種以上を含むことができる。
上記陽イオン性高分子は重量平均分子量が３，０００ないし１，０００，０００のものであってもよい。
上記カルボキシレート基を含む高分子及び陽イオン性高分子は７０：３０ないし９５：５の重量比で含まれるものであってもよい。
また、本発明は上記バインダーを含むリチウム二次電池用正極を提供する。
同時に、本発明は上記正極を含むリチウム二次電池を提供する。
本発明によるリチウム二次電池電極用バインダーは、カルボキシレート基と静電的相互作用をする陽イオン性高分子を少量含むことで電極の接着力を向上させ、これを含む電極の電気化学的反応性及び安定性を改善させる。これによって上記電極を含むリチウム二次電池の高安定化、高容量化、及び長寿命化を可能とする。
本発明の実験例１による実施例１ないし３及び比較例１の正極の接着力評価結果を示すグラフである。 本発明の実験例１による実施例４ないし６及び比較例２の正極の接着力評価結果を示すグラフである。 本発明の実験例１による実施例７ないし９及び比較例３の正極の接着力評価結果を示すグラフである。 本発明の実験例１による実施例８及び１０と比較例３及び４の正極の接着力評価結果を示すグラフである。 本発明の実験例１による実施例１１と比較例２の正極の接着力評価結果を示すグラフである。 本発明の実験例２による実施例１２、実施例１３及び比較例５のリチウム二次電池の寿命特性評価結果を示すグラフである。 本発明の実験例２による実施例１４及び比較例５のリチウム二次電池の寿命特性評価結果を示すグラフである。
以下、本発明をより詳しく説明する。
本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は、通常的や辞書的な意味で限定して解釈してはならないし、発明者は自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に即して本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈しなければならない。
本発明で使用した用語は単に特定実施例を説明するために使われたもので、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明らかに違うことを意味しない限り、複数の表現を含む。本発明において、「含む」または「持つ」などの用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものなどの存在または付加可能性を予め排除しないものとして理解しなければならない。
本明細書で使われている用語「ポリスルフィド」は「ポリスルフィドイオン（Ｓｘ ２‐、ｘ＝８、６、４、２））」及び「リチウムポリスルフィド（Ｌｉ２ＳｘまたはＬｉＳｘ ‐、ｘ＝８、６、４、２）」をいずれも含む概念である。
リチウム‐硫黄電池は幾つかの二次電池の中で高い理論放電容量及び理論エネルギー密度を有し、正極活物質で使われる硫黄は埋蔵量が豊かで低価であり、環境にやさしいという利点のため次世代二次電池として脚光を浴びている。
リチウム‐硫黄電池において、正極活物質である硫黄は不導体であって、電気伝導性がない硫黄の電気化学的活性度を具現するために、比表面積が大きい多孔性炭素素材と混合した硫黄‐炭素複合体が一般的に使われている。
しかし、硫黄は放電の際に最終的にリチウムスルフィドに変わりながら約８０％の体積膨脹が起きて正極構造の変形を引き起こすだけでなく、放電反応の中間生成物であるリチウムポリスルフィドの中で、硫黄の酸化数が高いリチウムポリスルフィド（Ｌｉ２Ｓｘ、普通ｘ＞４）は極性が強い物質であって、親水性有機溶媒を含む電解質に容易に溶けて正極反応領域の外に湧出されることによって、それ以上電気化学反応に参加できなくなる硫黄損失が発生する。これによって、電気化学反応に参加する硫黄の量が急激に減少することによって実際の駆動においては理論容量及びエネルギー密度全部を具現することができない。
このために従来技術では電極接着力、具体的に正極活物質の間の結着力及び正極活物質の集電体に対する密着力を高めるためにバインダーの含量を増やしたり、機能化されたバインダーを使用する方法など多くの方法が提案された。しかし、バインダー含量の増加は正極の抵抗を増加させ、電子移動（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｐａｓｓ）を邪魔して電池性能及び寿命が減少する問題がある。一方、バインダーの種類を異にする場合、これを含むスラリーの分散性が低下して電極接着力が返って悪化する問題が発生する。
ここで、本発明ではバインダーとして電気的相互作用（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）で互いに結合する２種の特定高分子を含んで電極、特に正極の接着力を増加させることで正極の電気化学的反応性及び安定性低下問題を改善し、これを含む電池性能を改善する。
具体的に、本発明によるリチウム二次電池電極用バインダーは、カルボキシレート基を含む高分子；及び陽イオン性高分子を含み、この時、上記陽イオン性高分子はリチウム二次電池電極用バインダー全体１００重量％に対して５ないし３０重量％で含む。
本発明のバインダーに含まれる２種の高分子は従来技術でも使用したが、本発明では相異なる極性の電荷を帯びる上記２種の高分子の間に起こる静電的相互作用（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）を通じて電極接着力を向上し、特に負電荷を帯びるカルボキシレート基を含む高分子との静電的相互作用を誘導する陽イオン性高分子を添加剤で少量含むことにその特徴がある。
本発明において、上記カルボキシレート基（ｃａｒｂｏｘｙｌａｔｅ ｇｒｏｕｐ）を含む高分子は、分子内の陰イオン性のカルボキシレート（‐Ｃ（＝Ｏ）Ｏ‐）構造を含むもので、この時、上記カルボキシレート基はカルボン酸（‐Ｃ（＝Ｏ）ＯＨ）の中性形態のものも含む。
上記カルボキシレート基を含む高分子は、電極を構成する成分の間、具体的には正極活物質と正極活物質の間、及び正極活物質と正極集電体の間を結着させる主バインダーの役目をする。上記カルボキシレート基を含む高分子は機械的強度が優秀なだけでなく負電荷を示すので、正電荷のリチウムイオンの移動を円滑にして、後述する陽イオン性高分子との静電的相互結合を通じて電極の接着力を高めることができる。また、上記カルボキシレート基を含む高分子は陽イオンと相互作用するので、陽イオンのポリスルフィドを吸着することができる機能までも持っている。
上記カルボキシレート基を含む高分子は、カルボキシレート基を含む単量体を含むホモポリマー（ｈｏｍｏｐｏｌｙｍｅｒ）、カルボキシレート基を含む単量体を含むブロック共重合体（ｂｌｏｃｋ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）及びこれらの混合物などを例示することができる。
例えば、上記カルボキシレート基を含む高分子は、ポリアクリル酸（ｐｏｌｙ（ａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）、ＰＡＡ）、ポリアクリル酸リチウム（ｐｏｌｙ（ａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）ｌｉｔｈｉｕｍ、ＬｉＰＡＡ）、ポリメタクリル酸（ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）、ＰＭＡ）、ポリメタクリル酸リチウム（ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）ｌｉｔｈｉｕｍ、ＬｉＰＭＡ）、カルボキシメチルセルロース（ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ、ＣＭＣ）、カルボキシメチルセルロースナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、スチレン‐ブタジエンゴム／カルボキシメチルセルロース（ｓｔｙｒｅｎｅ‐ｂｕｔａｄｉｅｎｅ ｒｕｂｂｅｒ／ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ、ＳＢＲ／ＣＭＣ）、アルギン酸（ａｌｇｉｎｉｃ ａｃｉｄ）及びアルギン酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ａｌｇｉｎａｔｅ）からなる群から選択される１種以上を含むことができる。好ましくは、上記カルボキシレート基を含む高分子は、ポリアクリル酸、アルギン酸ナトリウム及びカルボキシメチルセルロースからなる群から選択される１種以上であってもよく、より好ましくは、上記カルボキシレート基を含む高分子はポリアクリル酸であってもよい。
上記カルボキシレート基を含む高分子の重量平均分子量（Ｍｗ）が５０，０００ないし５，０００，０００、好ましくは１００，０００ないし２，０００，０００であってもよい。上記カルボキシレート基を含む高分子の重量平均分子量が上記範囲未満の場合、電極の接着特性が低下することがあるし、スラリーの分散安定性が悪くなる。これと逆に、上記範囲を超える場合、粘度が大きすぎるのでスラリー製作工程が難しくなるし、スラリー内で粒子の初期分散が難しい。
上記カルボキシレート基を含む高分子は、リチウム二次電池電極用バインダー全体１００重量％に対して７０ないし９５重量％、好ましくは７５ないし９５重量％、より好ましくは８０ないし９５重量％で含むことができる。上記カルボキシレート基を含む高分子の含量が上記範囲未満の場合、主バインダー物質の量が足りないので、電極を構成する成分間の結着効果が減少し、これと逆に、上記範囲を超える場合、後述する陽イオン性高分子の含量が相対的に減少して接着力向上効果が表れない。よって、上記範囲内で適正含量を決めることが好ましい。ただし、上記カルボキシレート基を含む高分子の具体的な最適の含量は、提供しようとする正極及びこれを備える電池のその他特性及び使用環境によって異に設定されてもよく、このような活用が前述した範囲によって制限される意味ではない。
本発明において、上記陽イオン性高分子は正電荷を持つイオン性機能基を含むもので、本発明のリチウム二次電池電極用バインダーに添加剤で適用され、主バインダーで使われる前述したカルボキシレート基を含む高分子と静電的相互作用をすることによって正極活物質を正極集電体に維持させ、正極活物質の間を有機的に連結させて、これらの間の結着力をより向上させる役目をする。具体的に、前述したように、上記カルボキシレート基を含む高分子は負電荷を示し、正電荷を示す陽イオン性高分子と引っ張り合う引力で相互作用して互いに結合されるので、バインダーの総量を減らしても従来のバインダーに比べてバインダーの使容量を最小化して電池のエネルギー密度を向上させ、電極活物質の脱離を防いで電池の容量、寿命及び信頼性を改善させることができる。
上記陽イオン性高分子は、陽イオン性機能基を含む高分子と、これと一対を成す陰イオン性機能基を含む高分子で構成されたり、正電荷を持つ４次アンモニウムを含む陽イオン性高分子と、これと対をなすイオンである単原子陰イオンで構成されてもよい。
例えば、上記陽イオン性高分子は、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド（ｐｏｌｙ（ｄｉａｌｌｙｌｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ｐｏｌｙｑｕａｔｅｒｎｉｕｍ‐６）、ポリ（２‐エチルジメチルアミノエチルメタクリレートエチルスルフェート）‐ｃｏ‐（１‐ビニルピロリドン）（ｐｏｌｙ［（２‐ｅｔｈｙｌｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｏｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ ｅｔｈｙｌ ｓｕｌｆａｔｅ）‐ｃｏ‐（１‐ｖｉｎｙｌｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ）］、ｐｏｌｙｑｕａｔｅｒｎｉｕｍ‐ｄ１１）などのポリクオタニウム（ｐｏｌｙｑｕａｔｅｒｎｉｕｍ）、ポリアリルアミン塩酸塩（ｐｏｌｙ（ａｌｌｙｌａｍｉｎｅ ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ＰＡＨ）、ポリエチレンイミン（ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｉｍｉｎｅ）、ＰＥＩ）、ポリ４‐ビニルピリジン（ｐｏｌｙ（４‐ｖｉｎｙｌｐｙｒｉｄｉｎｅ）、Ｐ４ＶＰ）、ポリ３，４‐エチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホネート（ｐｏｌｙ（３，４‐ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）：ｐｏｌｙ（ｓｔｙｒｅｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅ）、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）、ポリ（ビニルアミン塩酸塩）（ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌａｍｉｎｅ ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｄｅ））、ポリ（２‐（ジメチルアミノ）エチルメタクリレート）（ｐｏｌｙ（２‐（ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）ｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ））及びポリ（アミドアミン）（ｐｏｌｙ（ａｍｉｄｏ ａｍｉｎｅ））からなる群から選択される１種以上を含んでもよい。好ましくは、上記陽イオン性高分子は、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド、ポリ（２‐エチルジメチルアミノエチルメタクリレートエチルスルフェート）‐ｃｏ‐（１‐ビニルピロリドン）及びポリ３，４‐エチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホネートからなる群から選択される１種以上であってもよく、より好ましくは、上記陽イオン性高分子は、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド及びポリ３，４‐エチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホネートからなる群から選択される１種以上であってもよい。
上記陽イオン性高分子の重量平均分子量（Ｍｗ）が３，０００ないし１，０００，０００、好ましくは５，０００ないし５００，０００であってもよい。上記陽イオン性高分子の重量平均分子量が上記範囲未満の場合、電極の接着力改善効果が微々たるものであって、これと逆に、上記範囲を超える場合、電極の抵抗を増加させて、これを含む電池性能が低下することがある。
上記陽イオン性高分子は、リチウム二次電池電極用バインダー全体１００重量％に対して５ないし３０重量％、好ましくは５ないし２５重量％、より好ましくは５ないし２０重量％で含むことができる。電極内でリチウムイオン伝導性を改善するためにバインダー全体１００重量％を基準にして３０ないし７０重量％で陽イオン性高分子を含む従来技術とは違い、本発明の場合、電極の接着特性を改善するために上記陽イオン性高分子を前述した範囲で少量添加し、これを通じて優れる電極接着力を確保することで充放電寿命による容量維持率など電池の性能を向上させることができる。上記陽イオン性高分子の含量が上記範囲未満の場合、電極の結着力改善効果が減少し、これと逆に、上記範囲を超える場合、主バインダーの含量が相対的に減少することによって接着力が減少されることがあるので、上記範囲内で適正含量を決めるのが好ましい。ただし、上記陽イオン性高分子の具体的な最適含量は、提供しようとする電極及びこれを備える電池のその他特性及び使用環境によって異に設定されてもよく、このような活用が前述した範囲によって制限される意味ではない。
また、本発明において、上記カルボキシレート基を含む高分子及び陽イオン性高分子の重量比（カルボキシレート基を含む高分子：陽イオン性高分子）は７０：３０ないし９５：５、好ましくは７５：２５ないし９５：５、より好ましくは８０：２０ないし９５：５であってもよい。もし、上記重量比範囲で陽イオン性高分子の割合がもっと高くなる場合、主バインダーの含量が相対的に減って製造された電極の物理的性質が低下され、電極活物質と導電材が容易に脱落することがある。一方、上記陽イオン性高分子の割合がもっと低くなる場合、電極の接着力向上効果が消えるので、陽イオン性高分子の混合の長所がなくなる。
また、本発明は、上記リチウム二次電池電極用バインダーを含むリチウム二次電池用正極を提供する。
上記リチウム二次電池用正極は、正極集電体と上記正極集電体の一面または両面に形成された正極活物質層を含み、上記正極活物質層は正極活物質、導電材及び前述したリチウム二次電池電極用バインダーを含むことができる。
上記集電体は正極活物質を支持し、当該電池に化学的変化を引き起こさずに高い導電性を持つものであれば特に制限されない。例えば、銅、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、パラジウム、焼成炭素、銅やステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、銀、炭素などで表面処理したもの、アルミニウム‐カドミウム合金などが使われることができる。
上記集電体はその表面に微細な凹凸を形成して正極活物質との結合力を強化させることができるし、フィルム、シート、ホイル、メッシュ、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態を使うことができる。
上記正極活物質は、硫黄元素（Ｓ８）及び硫黄系化合物からなる群から選択される１種以上を含むことができる。上記硫黄系化合物は、Ｌｉ２Ｓｎ（ｎ≧１）、ジスルフィド化合物、有機硫黄化合物及び炭素‐硫黄ポリマー（（Ｃ２Ｓｘ）ｎ、ｘ＝２．５ないし５０、ｎ≧２）からなる群から選択される１種以上を含むことができる。好ましくは、上記正極活物質は硫黄元素であってもよい。
上記正極活物質で硫黄または硫黄系化合物を使う場合、単独では電気伝導性がないため伝導性素材と複合化して使用される。好ましくは、上記正極活物質は硫黄‐炭素複合体であってもよい。
上記硫黄‐炭素複合体において、炭素は多孔性炭素材で正極活物質である硫黄が均一で安定的に固定されることができる骨格を提供し、硫黄の電気伝導度を補充して電気化学反応が円滑に行われるようにする。
上記多孔性炭素材は、一般的に多様な炭素材質の前駆体を炭化させることで製造されることができる。上記多孔性炭素材は内部に一定しない気孔を含み、上記気孔の平均直径は１ないし２００ｎｍの範囲で、気孔度または孔隙率は多孔性全体積の１０ないし９０％範囲であってもよい。もし、上記気孔の平均直径が上記範囲未満の場合、気孔の大きさが分子レベルに過ぎないため硫黄の含浸が不可能であり、これと逆に、上記範囲を超える場合、多孔性炭素の機械的強度が弱化して電極の製造工程に適用するに好ましくない。
上記多孔性炭素材の形態は、球形、棒形、針状、板状、チューブ型またはバルク型でリチウム‐硫黄電池に通常使われるものであれば、制限せずに使われることができる。
上記多孔性炭素材は、多孔性構造であるか、または比表面積が高いもので、当業界で通常使われるものであれば、いずれもかまわない。例えば、上記多孔性炭素材では、グラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）；グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）；デンカブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック；単一壁炭素ナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、多重壁炭素ナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）などの炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）；グラファイトナノファイバー（ＧＮＦ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、活性化炭素ファイバー（ＡＣＦ）などの炭素繊維；天然黒鉛、人造黒鉛、膨脹黒鉛及び活性炭素からなる群から選択された１種以上であってもよいが、これに制限されない。
上記硫黄‐炭素複合体は、硫黄‐炭素複合体１００重量部を基準にして硫黄を６０ないし９０重量部、好ましくは６５ないし８５重量部、より好ましくは７０ないし８０重量部で含むことができる。上記硫黄の含量が前述した範囲未満の場合、硫黄‐炭素複合体内の多孔性炭素材の含量が相対的に多くなることによって比表面積が増加して正極製造時にバインダーの含量が増加する。このようなバインダーの使容量増加は結局正極の面抵抗を増加させ、電子移動（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｐａｓｓ）を防ぐ絶縁体の役目をするようになって電池性能を低下させることがある。これと逆に、上記硫黄の含量が前述した範囲を超える場合、多孔性炭素材と結合できなかった硫黄または硫黄系化合物がそれらどうしで集まったり、多孔性炭素材の表面に再湧出されることによって電子を受けにくくなり、電気化学的反応に参加できなくなって電池容量の損失が発生することがある。
また、上記硫黄‐炭素複合体において、上記硫黄は前述した多孔性炭素材の内部及び外部表面の中で少なくともいずれか１ヶ所に位置し、この時、上記多孔性炭素材の内部及び外部の全表面の１００％未満、好ましくは１ないし９５％、より好ましくは６０ないし９０％の領域に存在することができる。上記硫黄が多孔性炭素材の内部及び外部表面に上記範囲内で存在するとき、電子伝達面積及び電解質との濡れ性の面で最大の効果を示すことができる。具体的に、上記範囲領域で硫黄が多孔性炭素材の内部及び外部表面に薄くて均一に含浸されるので、充・放電過程で電子伝達接触面積を増加させることができる。もし、上記硫黄が多孔性炭素材の内部及び外部全体表面の１００％領域に位置する場合、上記炭素材が完全に硫黄で覆われて電解質に対する濡れ性が落ちるし、電極内で含まれる導電材と接触性が低下して電子が伝達されないため、電気化学反応に参加することができなくなる。
上記正極活物質は前述した組成以外に遷移金属元素、ＩＩＩＡ族元素、ＩＶＡ族元素、これらの元素の硫黄化合物、及びこれらの元素と硫黄の合金の中で選択される一つ以上の添加剤をさらに含むことができる。
上記遷移金属元素では、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、ＡｕまたはＨｇなどが含まれ、上記ＩＩＩＡ族元素では、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌなどが含まれ、上記ＩＶＡ族元素では、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂなどが含まれてもよい。
上記正極活物質は、リチウム二次電池用正極に含まれるベース固形分全体１００重量％に対して５０ないし９５重量％、好ましくは７０ないし９０重量％、より好ましくは８５ないし９０重量％で含むことができる。上記電極活物質の含量が上記範囲未満の場合、電極の電気化学的反応を十分に発揮しにくく、これと逆に、上記範囲を超える場合、後述する導電材とバインダーの含量が相対的に足りなくて電極の抵抗が上昇し、電極の物理的性質が低下する問題がある。
本発明のリチウム二次電池用正極は、電子が正極内で円滑に移動できるようにするための導電材を含む。上記導電材は電解質と正極活物質を電気的に連結して、集電体（ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）から電子が正極活物質まで移動する経路の役目をする物質であって、導電性を持つものであれば、制限せずに使用することができる。
例えば、上記導電材では、スーパーＰ（Ｓｕｐｅｒ‐Ｐ）、デンカブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、カーボンブラックなどのカーボンブラック；炭素ナノチューブやフラーレンなどの炭素誘導体；炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維；フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末；またはポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリピロールなどの伝導性高分子を単独または混合して使用することができる。
上記導電材はリチウム二次電池用正極に含まれるベース固形分全体１００重量％に対して０ないし１０重量％、好ましくは３ないし５重量％であってもよい。上記導電材の含量が上記範囲未満であれば正極活物質と集電体の間の電子伝達が容易ではなく、電圧及び容量が減少することがある。これと逆に、上記範囲を超えれば相対的に正極活物質の割合が減少して電池の総エネルギー（電荷量）が減少することがあるので、上述した範囲内で適正含量を決めるのが好ましい。
本発明のリチウム二次電池用正極は、正極を構成する成分の間、及びこれらと集電体の間の結着力をより高めるためにバインダーを含み、上記バインダーは前述した本発明によるリチウム二次電池電極用バインダーを含む。
上記バインダーはリチウム二次電池用正極に含まれるベース固形分全体１００重量％に対して２ないし１０重量％、好ましくは３ないし８重量％、より好ましくは４ないし７重量％であってもよい。上記バインダーの含量が上記範囲未満であれば正極の物理的性質が低下して正極活物質と導電材が脱落することがあるし、上記範囲を超えれば正極で正極活物質と導電材の割合が相対的に減少して電池容量が減少されることがあるので、上述した範囲内で適正含量を決めるのが好ましい。
また、上記バインダーは本発明によるものであって、カルボキシレート基を含む高分子及び陽イオン性高分子を含み、この時、上記陽イオン性高分子の含量はリチウム二次電池用正極スラリー組成物全体１００重量％に対して０．１ないし３重量％、好ましくは０．２ないし２重量％、より好ましくは０．５ないし１．５重量％であってもよい。上記陽イオン性高分子の含量が前述した範囲を脱する場合、電極接着力の低下とともに抵抗が増加する問題が発生することがある。
本発明のバインダー以外、該当技術分野で一般的に使われる公知のバインダーがさらに使われることができる。例示的な追加バインダーとして、ポリフッ化ビニリデン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ、ＰＶｄＦ）またはポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＴＦＥ）を含むフッ素樹脂系バインダー；スチレン‐ブタジエンゴム（ｓｔｙｒｅｎｅ ｂｕｔａｄｉｅｎｅ ｒｕｂｂｅｒ、ＳＢＲ）、アクリロニトリル‐ブチジエンゴム、スチレン‐イソプレンゴムを含むゴム系バインダー；ポリアルコール系バインダー；ポリエチレン、ポリプロピレンを含むポリオレフィン系バインダー；ポリイミド系バインダー；ポリエステル系バインダー；及びシラン系バインダー；からなる群から選択された１種、２種以上の混合物または共重合体を挙げることができる。
また、正極活物質層は前述した成分以外に必要に応じて該当技術分野でその機能の向上を目的として通常使われる成分をさらに含むことができる。上記追加適用可能な成分では、粘度調整剤、流動化剤、充填剤、架橋剤、分散剤などを挙げることができる。
上記リチウム二次電池用正極は該当技術分野に公知された方法によって製造されることができる。一例として、正極活物質にバインダー、導電材、溶媒、必要に応じて充填剤のような添加剤を混合及び撹拌してスラリーを製造した後、これを金属材料の集電体に塗布（コーティング）して圧縮した後、乾燥して正極を製造することができる。
例えば、先ず、スラリーを製造するための溶媒に上記バインダーを溶解させた後、導電材を分散させる。スラリーを製造するための溶媒では、正極活物質、バインダー及び導電材を均一に分散させることができるし、容易に蒸発することを使うことが好ましい。
例えば、上記溶媒は、Ｎ‐メチル‐２‐ピロリドン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ガンマ‐ブチロラクトン、１，２‐ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、２‐メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、ニトロメタン、ギ酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、スルホラン、メチルスルホラン、１，３‐ジメチル‐２‐イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、プロピオン酸メチルまたはプロピオン酸エチルなどの有機溶媒；水などの水系溶媒及びこれらの混合物から選択されたものであってもよい。この中で、水などの水系溶媒を使用する場合、乾燥温度や環境的側面で有利なことがある。
次に、正極活物質を、または選択的に添加剤とともに、上記バインダーと導電材が分散された溶媒に再び均一に分散させて正極スラリーを製造する。
このように製造されたスラリーを集電体に塗布し、乾燥して正極を形成する。上記スラリーは、スラリーの粘度及び形成しようとする正極の厚さによって適切な厚さで集電体に塗布することができる。
この時、塗布方法は特に制限されない。例えば、ドクターブレード（ｄｏｃｔｏｒ ｂｌａｄｅ）、ダイキャスティング（ｄｉｅ ｃａｓｔｉｎｇ）、コンマコーティング（ｃｏｍｍａ ｃｏａｔｉｎｇ）、スクリーンプリンティング（ｓｃｒｅｅｎ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）などの方法を挙げることができる。この時、塗布する上記リチウム二次電池用正極スラリー組成物の量も特に制限されないが、溶媒を乾燥させて取り除いた後で形成される正極活物質、導電材、バインダーなどからなる正極活物質層の厚さが通常０．００５ないし５ｍｍ、好ましくは０．０１ないし２ｍｍになる量が一般的である。
上記乾燥は溶媒を取り除くためのもので、溶媒を充分に取り除くことができる温度、時間などの条件で行い、その条件は溶媒の種類によって変わることがあるので、本発明で特に制限されない。上記乾燥方法も特に制限されず、例えば、温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、（遠）赤外線及び電子線などの照射による乾燥法を挙げることができる。乾燥速度は通常応力集中によって正極活物質層に割れが生じたり、正極活物質層が集電体から剥離されない程度の速度範囲内で、できるだけ早く溶媒を取り除くように調節する。
さらに、上記乾燥後、集電体をプレスすることで正極内で正極活物質の密度を高めることもできる。プレス方法では金型プレス及びロールプレスなどの方法を挙げることができる。
また、本発明は上記正極を含むリチウム二次電池を提供する。
上記リチウム二次電池は、正極；負極及びこれらの間に介在される分離膜及び電解質を含み、上記正極として本発明によるリチウム二次電池用正極を含む。
上記正極は前述したところにしたがう。
上記負極は、負極集電体及び上記負極集全体の一面または両面に塗布された負極活物質層を含むことができる。または、上記負極はリチウム板金であってもよい。
上記負極集電体は負極活物質を支持するためのもので、正極で説明したとおりである。
上記負極活物質層は、負極活物質以外に導電材、バインダーなどを含むことができる。この時、上記導電材及びバインダーは前述したところにしたがう。
上記負極活物質は、リチウム（Ｌｉ＋）を可逆的に挿入（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）または脱挿入（ｄｅｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）できる物質、リチウムイオンと反応して可逆的にリチウム含有化合物を形成できる物質、リチウム金属またはリチウム合金を含むことができる。
上記リチウムイオン（Ｌｉ＋）を可逆的に挿入または脱挿入できる物質は、例えば、結晶質炭素、非晶質炭素またはこれらの混合物であってもよい。上記リチウムイオン（Ｌｉ＋）と反応して可逆的にリチウム含有化合物を形成できる物質は、例えば、酸化スズ、チタンニトラートまたはシリコーンであってもよい。上記リチウム合金は、例えば、リチウム（Ｌｉ）とナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、フランシウム（Ｆｒ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、ラジウム（Ｒａ）、アルミニウム（Ａｌ）及びスズ（Ｓｎ）からなる群から選択される金属の合金であってもよい。
好ましくは、上記負極活物質はリチウム金属であってもよく、具体的に、リチウム金属薄膜またはリチウム金属粉末の形態であってもよい。
上記正極と負極の間には、さらに分離膜が含まれてもよい。
上記分離膜は上記正極と負極を互いに分離または絶縁させ、正極と負極の間にリチウムイオンを輸送できるようにすることで、多孔性非伝導性または絶縁性物質からなってもよく、通常リチウム二次電池で分離膜で使われるものであれば特に制限されずに使用可能である。このような分離膜はフィルムのような独立的な部材であってもよく、正極及び／または負極に付加されたコーティング層であってもよい。
上記分離膜では電解質のイオン移動に対して低抵抗でありながら、電解質に対する含湿能力に優れるものが好ましい。
上記分離膜は多孔性基材からなることができるが、上記多孔性基材は通常二次電池に使われる多孔性基材であればいずれも使用可能であり、多孔性高分子フィルムを単独でまたはこれらを積層して使用することができるし、例えば、高融点のガラス繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維などからなる不織布またはポリオレフィン系多孔性膜を使うことができるが、これに限定されない。
上記多孔性基材の材質では、本発明で特に限定せず、通常電気化学素子に使われる多孔性基材であれば、いずれも使用可能である。例えば、上記多孔性基材は、ポリエチレン（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）などのポリオレフィン（ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ポリブチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）などのポリエステル（ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ）、ポリアミド（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ）、ポリアセタール（ｐｏｌｙａｃｅｔａｌ）、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、ポリエーテルエーテルケトン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ）、ポリエーテルスルホン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ）、ポリフェニレンオキシド（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｏｘｉｄｅ）、ポリフェニレンスルフィド（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｓｕｌｆｉｄｅ）、ポリエチレンナフタレン（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリフッ化ビニリデン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ）、ポリ塩化ビニル（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ポリアクリロニトリル（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）、セルロース（ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、ナイロン（ｎｙｌｏｎ）、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ｐｏｌｙ（ｐ‐ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｂｅｎｚｏｂｉｓｏｘａｚｏｌｅ）及びポリアリレート（ｐｏｌｙａｒｙｌａｔｅ）からなる群から選択された１種以上の材質を含むことができる。
上記多孔性基材の厚さは特に制限されないが、１ないし１００μｍ、好ましくは５ないし５０μｍであってもよい。上記多孔性基材の厚さの範囲が前述した範囲に限定されるものではないが、厚さが前述した下限より薄すぎる場合は、機械的物性が低下して電池使用中に分離膜が容易に損傷されることがある。
上記多孔性基材に存在する気孔の平均直径及び気孔度も特に制限されないが、それぞれ０．００１ないし５０μｍ及び１０ないし９５％であってもよい。
上記電解質はリチウムイオンを含み、これを媒介にして正極と負極で電気化学的酸化または還元反応を起こすためのものである。
上記電解質はリチウム金属と反応しない非水電解液または固体電解質が可能であるが、好ましくは非水電解質であり、電解質塩及び有機溶媒を含む。
上記非水電解液に含まれる電解質塩はリチウム塩である。上記リチウム塩はリチウム二次電池用電解液に通常使われるものであれば、制限せずに使用されることができる。例えば、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＢ１０Ｃｌ１０、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、ＣＨ３ＳＯ３Ｌｉ、（ＣＦ３ＳＯ２）２ＮＬｉ、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｆ）２、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルホン酸リチウム、４‐フェニルホウ酸リチウム、リチウムイミドなどが使われることができる。
上記リチウム塩の濃度は、電解質溶媒の混合物の正確な組成、塩の溶解度、溶解された塩の伝導性、電池の充電及び放電条件、作業温度及びリチウムバッテリー分野に公知された他の要因のような幾つかの要因によって、０．２ないし２Ｍ、具体的に０．４ないし２Ｍ、より具体的に０．４ないし１．７Ｍであってもよい。上記リチウム塩の濃度が０．２Ｍ未満で使用すれば、電解質の伝導度が低くなって電解質の性能が低下することがあるし、２Ｍを超えて使用すれば電解質の粘度が増加してリチウムイオンの移動性が減少することがある。
上記非水電解液に含まれる有機溶媒では、リチウム二次電池用電解液に通常使われるものなどを制限せずに使用することができるし、例えば、エーテル、エステル、アミド、線形カーボネート、環形カーボネートなどをそれぞれ単独で、または２種以上混合して使用することができる。その中で、代表的にはエーテル系化合物を含むことができる。
上記エーテル系化合物は、非環形エーテル及び環形エーテルを含むことができる。
例えば、上記非環形エーテルでは、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、メチルエチルエーテル、メチルプロピルエーテル、エチルプロピルエーテル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、エチレングリコールエチルメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールメチルエチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジエチルエーテル、テトラエチレングリコールメチルエチルエーテル、ポリエチレングリコールジメチルエーテル、ポリエチレングリコールジエチルエーテル、ポリエチレングリコールメチルエチルエーテルからなる群から選択される１種以上が使われることができるが、これに限定されない。
一例として、上記環形エーテルは、１，３‐ジオキソラン、４，５‐ジメチル‐ジオキソラン、４，５‐ジエチル‐ジオキソラン、４‐メチル‐１，３‐ジオキソラン、４‐エチル‐１，３‐ジオキソラン、テトラヒドロフラン、２‐メチルテトラヒドロフラン、２，５‐ジメチルテトラヒドロフラン、２，５‐ジメトキシテトラヒドロフラン、２‐エトキシテトラヒドロフラン、２‐メチル‐１，３‐ジオキソラン、２‐ビニル‐１，３‐ジオキソラン、２，２‐ジメチル‐１，３‐ジオキソラン、２‐メトキシ‐１，３‐ジオキソラン、２‐エチル‐２‐メチル‐１，３‐ジオキソラン、テトラヒドロフラン、１，４‐ジオキサン、１，２‐ジメトキシベンゼン、１，３‐ジメトキシベンゼン、１，４‐ジメトキシベンゼン、イソソルビドジメチルエーテル（ｉｓｏｓｏｒｂｉｄｅ ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ）からなる群から選択される１種以上が使われることができるが、これに限定されない。
上記有機溶媒の中で、エステルではメチルアセテート、エチルアセテート、プロピルアセテート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、プロピルプロピオネート、γ‐ブチロラクトン、γ‐バレロラクトン、γ‐カプロラクトン、σ‐バレロラクトン及びε‐カプロラクトンからなる群から選択されるいずれか一つ、またはこれらの中で２種以上の混合物を使うことができるが、これに限定されない。
上記線形カーボネート化合物の具体的な例では、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、メチルプロピルカーボネート及びエチルプロピルカーボネートからなる群から選択されるいずれか一つまたはこれらの中で２種以上の混合物などが代表的に使われることができるが、これに限定されない。
また、上記環形カーボネート化合物の具体的な例では、エチレンカーボネート（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＣ）、１，２‐ブチレンカーボネート、２，３‐ブチレンカーボネート、１，２‐ペンチレンカーボネート、２，３‐ペンチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート及びこれらのハロゲン化物からなる群から選択されるいずれか一つまたはこれらの中で２種以上の混合物がある。これらのハロゲン化物では、例えば、フルオロエチレンカーボネート（ｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＦＥＣ）などがあり、これに限定されるものではない。
上記非水電解液の注入は、最終製品の製造工程及び要求物性に応じて電気化学素子の製造工程中に適切な段階で行われてもよい。すなわち、電気化学素子の組立前または電気化学素子組立最終段階などで適用されることができる。
本発明によるリチウム二次電池は、一般的な工程である捲取（ｗｉｎｄｉｎｇ）以外もセパレーターと電極の積層（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ、ｓｔａｃｋ）及び折り畳み（ｆｏｌｄｉｎｇ）工程が可能である。
上記リチウム二次電池の形状は特に制限されず、円筒状、積層型、コイン型など多様な形状にすることができる。
また、本発明は上記リチウム二次電池を単位電池で含む電池モジュールを提供する。
上記電池モジュールは、高温安定性、長いサイクル特性及び高い容量特性などが要求される中大型デバイスの電源で使われることができる。
上記中大型デバイスの例では、電池的モーターによって動力を受けて動くパワーツール（ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）；電気自動車（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ）、プラグ‐インハイブリッド電気自動車（ｐｌｕｇ‐ｉｎ ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ、ＰＨＥＶ）などを含む電気車；電気自転車（Ｅ‐ｂｉｋｅ）、電気スクーター（Ｅ‐ｓｃｏｏｔｅｒ）を含む電気二輪車；電気ゴルフカート（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ）；電力貯蔵用システムなどを挙げることができるが、これに限定されない。
以下、本発明を理解しやすくするために好ましい実施例を提示するが、下記実施例は本発明を例示するものに過ぎず、本発明の範疇及び技術思想の範囲内で多様な変更及び修正が可能であることは当業者にとって自明であり、このような変形及び修正が添付の特許請求範囲に属することも当然である。
実施例及び比較例
［実施例１］
硫黄（シグマ・アルドリッチ（Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ）社製品）を炭素ナノチューブ（ＣＮａｎｏ社製品）とともにボールミルを使って混合した後、１５５℃で熱処理して硫黄‐炭素複合体（Ｓ：ＣＮＴ＝７５：２５、重量比）を製造した。
正極活物質で上記製造された硫黄‐炭素複合体８８重量％、導電材で炭素ナノチューブ（ＣＮａｎｏ社製品）５．０重量％、バインダーでポリアクリル酸（Ｍｗ：１，２００，０００）６．５重量％とポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド（Ｍｗ：２００，０００）０．５重量％を混合し、水を添加して水系正極スラリー組成物を製造した。
２０μｍ厚さの炭素コーティングアルミニウム集電体上に上記製造された正極スラリー組成物を１４０μｍの厚さで塗布し、５０℃で１２時間乾燥してロールプレス（ｒｏｌｌ ｐｒｅｓｓ）機器で圧搾して正極を製造した。
［実施例２］
正極スラリー組成物を製造するとき、バインダーであるポリアクリル酸とポリジアリルジメチルアンモニウムクロリドの含量を６．５重量％及び０．５重量％からそれぞれ６．０重量％及び１．０重量％に変更したことを除いて、上記実施例１と同様に行って正極を製造した。
［実施例３］
正極スラリー組成物を製造するとき、バインダーであるポリアクリル酸とポリジアリルジメチルアンモニウムクロリドの含量を６．５重量％及び０．５重量％からそれぞれ５．５重量％及び１．５重量％に変更したことを除いて、上記実施例１と同様に行って正極を製造した。
［実施例４］
集電体を同一厚さの銅ホイルに変更したことを除いて、上記実施例１と同様に行って正極を製造した。
［実施例５］
正極スラリー組成物を製造するとき、バインダーであるポリアクリル酸とポリジアリルジメチルアンモニウムクロリドの含量を６．５重量％及び０．５重量％からそれぞれ６．０重量％及び１．０重量％に変更し、集電体を同一厚さの銅ホイルに変更したことを除いて、上記実施例１と同様に行って正極を製造した。
［実施例６］
正極スラリー組成物を製造するとき、バインダーであるポリアクリル酸とポリジアリルジメチルアンモニウムクロリドの含量を６．５重量％及び０．５重量％からそれぞれ５．５重量％及び１．５重量％に変更し、集電体を同一厚さの銅ホイルに変更したことを除いて、上記実施例１と同様に行って正極を製造した。
［実施例７］
正極スラリー組成物を製造するとき、バインダーでポリアクリル酸６．５重量％とポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド０．５重量％の代わりに、ポリアクリル酸（Ｍｗ：１，２００，０００）６．５重量％とポリ３，４‐エチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホネート（ＣＬＥＶＩＯＳ ＰＨ１０００）０．５重量％を使ったことと、集電体を同一厚さのアルミニウムホイルに変更したことを除いて、上記実施例１と同様に行って正極を製造した。
［実施例８］
正極スラリー組成物を製造するとき、バインダーでポリアクリル酸６．５重量％とポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド０．５重量％の代わりに、ポリアクリル酸（Ｍｗ：１，２００，０００）６．０重量％とポリ３，４‐エチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホネート（ＣＬＥＶＩＯＳ ＰＨ１０００）１．０重量％を使ったことと、集電体を同一厚さのアルミニウムホイルに変更したことを除いて、上記実施例１と同様に行って正極を製造した。
［実施例９］
正極スラリー組成物を製造するとき、バインダーでポリアクリル酸６．５重量％とポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド０．５重量％の代わりに、ポリアクリル酸（Ｍｗ：１，２００，０００）５．５重量％とポリ３，４‐エチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホネート（ＣＬＥＶＩＯＳ ＰＨ１０００）１．５重量％を使ったことと、集電体を同一厚さのアルミニウムホイルに変更したことを除いて、上記実施例１と同様に行って正極を製造した。
［実施例１０］
正極スラリー組成物を製造するとき、バインダーでポリアクリル酸６．５重量％とポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド０．５重量％の代わりに、ポリアクリル酸（Ｍｗ：１，２００，０００）６．０重量％とポリ（２‐エチルジメチルアミノエチルメタクリレートエチルスルフェート）‐ｃｏ‐（１‐ビニルピロリドン）（Ｍｗ：１，０００，０００）１．０重量％を使ったことと、集電体を同一厚さのアルミニウムホイルに変更したことを除いて、上記実施例１と同様に行って正極を製造した。
［実施例１１］
正極スラリー組成物を製造するとき、バインダーでポリアクリル酸６．５重量％とポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド０．５重量％の代わりに、ポリアクリル酸（Ｍｗ：１，２００，０００）６．０重量％とポリエチレンイミン（Ｍｗ：２５０，０００）１．０重量％を使ったことと、集電体を同一厚さのアルミニウムホイルに変更したことを除いて、上記実施例１と同様に行って正極を製造した。
［実施例１２］
実施例８で製造した正極を負極（リチウム金属薄膜、厚さ：４５μｍ）と対面するように位置させ、その間にポリエチレン分離膜（厚さ：２０μｍ、気孔度：７０％）を介在させ、次いで、１，３‐ジオキソラン（１，３‐ｄｉｏｘｏｌａｎｅ、ＤＯＬ）とジメトキシエタン（ｄｉｍｅｔｈｏｘｙｅｔｈａｎｅ、ＤＭＥ）の混合溶媒（ＤＯＬ：ＤＭＥ＝１：１、体積比）に１．０濃度のＬｉＴＦＳＩと３．０重量％の硝酸リチウム（ＬｉＮＯ３）を溶解させた電解質１００μｌを注入してリチウム二次電池を製造した。
［実施例１３］
実施例１０で製造した正極を使ったことを除いては、上記実施例１２と同様に行ってリチウム二次電池を製造した。
［実施例１４］
実施例１１で製造した正極を使ったことを除いては、上記実施例１２と同様に行ってリチウム二次電池を製造した。
［比較例１］
正極スラリー組成物を製造するとき、バインダーでポリジアリルジメチルアンモニウムクロリドを使用せずにポリアクリル酸の含量７重量％を変更したことを除いて、上記実施例１と同様に行って正極を製造した。
［比較例２］
正極スラリー組成物を製造するとき、バインダーでポリジアリルジメチルアンモニウムクロリドを使用せずにポリアクリル酸の含量７重量％を変更し、集電体を同一厚さの銅ホイルに変更したことを除いて、上記実施例１と同様に行って正極を製造した。
［比較例３］
正極スラリー組成物を製造するとき、バインダーでポリジアリルジメチルアンモニウムクロリドを使用せずにポリアクリル酸の含量７重量％を変更し、集電体を同一厚さのアルミニウムホイルに変更したことを除いて、上記実施例１と同様に行って正極を製造した。
［比較例４］
正極スラリー組成物を製造するとき、バインダーでポリアクリル酸６．５重量％とポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド０．５重量％の代わりに、ポリアクリル酸６．５重量％とトリエチレンテトラミン（Ｃ６Ｈ１８Ｎ４）０．５重量％を使ったことと、集電体を同一厚さのアルミニウムホイルに変更したことを除いて、上記実施例１と同様に行って正極を製造した。
［比較例５］
比較例３で製造した正極を使ったことを除いては、上記実施例１２と同様に行ってリチウム二次電池を製造した。
［実験例１．正極接着力の評価］
上記実施例１ないし１１及び比較例１ないし４で製造された正極を５０℃で２時間乾燥させ、次いで１５ｃｍ×２ｃｍの大きさに裁断した後、両面テープを貼ったスライドガラス（ｓｌｉｄｅ ｇｌａｓｓ）に正極面で接着し、ラミネーション（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）を通じて剥離試験（ｐｅｅｌ ｔｅｓｔ）用サンプルを製造した。続いて、剥離試験用サンプルを接着力測定が可能な万能材料試験機（ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ、ＬＳ１、ＡＭＥＴＥＫ社製品）にローディング（ｌｏａｄｉｎｇ）し、９０゜剥離試験を行って、かかる剥離抵抗（ｇｆ／ｃｍ）を測定して各正極の接着性を計算し、その結果を図１ないし図５に示す。
＜分析条件＞
‐サンプルの幅：２０ｍｍ
‐電波速度（ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ）：３００ｍｍ／ｍｉｎ
‐データ有効計算区間：１０～４０ｍｍ
図１ないし図５を通じて、カルボキシレート基を含む高分子とともに、少量の陽イオン性高分子を混用したバインダーを含む実施例の正極は、陽イオン性高分子を含まないか、または正電荷を帯びる単分子を含む比較例の正極に比べて正極接着力に優れることを確認することができる。
具体的に、図１ないし図３は、それぞれ集電体を異にしたもので、図１は集電体で炭素コーティングアルミニウムホイルを、図２は銅ホイルを、図３はアルミニウムホイルをそれぞれ使った場合である。図１ないし図３の結果より、集電体の素材にかかわらず、バインダーでカルボキシレート基を含む高分子と陽イオン性高分子を一緒に使用する実施例１ないし９の場合、陽イオン性高分子を含まない比較例１ないし３の正極に比べて接着力に優れ、該当接着力は陽イオン性高分子の割合によって増加するが、実施例３、６及び９の結果から陽イオン性高分子を一定含量以上添加する場合、返って接着力が減少することを確認することができる。
また、図４は集電体でアルミニウムホイルを使う場合、陽イオン性高分子を使わない比較例３、陽イオン性高分子の代わりに正電荷を帯びる単分子を使った比較例４及び含量は同一であるが種類が相異なる陽イオン性高分子を含む実施例８及び１０による正極の接着力を比べたものであって、比較例４の結果より正電荷を帯びる単分子の場合、接着特性に改善効果が全然なく、実施例８及び１０の結果より陽イオン性高分子の含量が同一である場合、ポリ３，４‐エチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホネートの接着特性に改善効果が優れることが分かる。
また、図５は陽イオン性高分子を使わない比較例３の正極接着力を１と仮定し、これに対する実施例１１の正極接着力の相手値を図示したものであって、カルボキシレート基を含む高分子と陽イオン性高分子を一緒に含む正極の接着特性に優れることを確認することができる。
［実験例２．リチウム二次電池の性能評価］
充放電測定装置（ＬＡＮＤ ＣＴ‐２００１Ａ、武漢（Ｗｕｈａｎ）社製品）を利用して実施例１２ないし１４及び比較例５でそれぞれ製造されたリチウム二次電池の性能を評価した。
先ず、各リチウム二次電池に対して０．１Ｃ（０．５５ｍＡ・ｃｍ‐２）の電流密度で充放電特性を測定し、その結果を図６及び図７に示す。
図６及び図７を参照すれば、実施例と比較例で製造された電池の充放電特性が同一であることを確認することができる。
ただし、図７を通じて、陽イオン性高分子でポリエチレンイミンを使用する場合、電圧が降下する現象が発生することが分かる。
このような結果より、本願発明によるカルボキシレート基を含む高分子とともに少量の陽イオン性高分子、具体的に、ポリクオタニウムまたはポリ３，４‐エチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホネートを混用したバインダーを正極に含む電池は、陽イオン性高分子を含まないか、または陽イオン性高分子でポリエチレンイミンを含む電池と比べて電池の充放電特性に対する劣化なしに電極接着力が改善されたことを確認することができる。

Claims (13)

  1. カルボキシレート基を含む高分子；及び陽イオン性高分子を含み、
    上記陽イオン性高分子の含量は、リチウム二次電池電極用バインダー全体１００重量％に対して５ないし３０重量％であるリチウム二次電池電極用バインダーであって、
    上記電極は正極活物質で硫黄を含み、導電材で炭素材を含む正極である、リチウム二次電池電極用バインダー。
  2. 上記カルボキシレート基を含む高分子は、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸リチウム、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸リチウム、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースナトリウム、スチレン‐ブタジエンゴム／カルボキシメチルセルロース、アルギン酸及びアルギン酸ナトリウムからなる群から選択される１種以上を含む、請求項１に記載のリチウム二次電池電極用バインダー。
  3. 上記カルボキシレート基を含む高分子は、重量平均分子量が５０，０００ないし５，０００，０００である、請求項１又は２に記載のリチウム二次電池電極用バインダー。
  4. 上記陽イオン性高分子は、ポリクオタニウム、ポリアリルアミン塩酸塩、ポリエチレンイミン、ポリ４‐ビニルピリジン、ポリ３，４‐エチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホネート、ポリ（ビニルアミン塩酸塩）、ポリ（２‐（ジメチルアミノ）エチルメタクリレート）、及びポリ（アミドアミン）からなる群から選択される１種以上を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のリチウム二次電池電極用バインダー。
  5. 上記陽イオン性高分子は、重量平均分子量が３，０００ないし１，０００，０００である、請求項１～４のいずれか一項に記載のリチウム二次電池電極用バインダー。
  6. 上記陽イオン性高分子の含量は、上記リチウム二次電池電極用バインダー全体１００重量％に対して５ないし２５重量％である、請求項１～５のいずれか一項に記載のリチウム二次電池電極用バインダー。
  7. 上記カルボキシレート基を含む高分子及び陽イオン性高分子は７０：３０ないし９５：５の重量比で含まれる、請求項１～６のいずれか一項に記載のリチウム二次電池電極用バインダー。
  8. 正極活物質、導電材及び請求項１～７のいずれか一項に記載のリチウム二次電池電極用バインダーを含むリチウム二次電池用正極。
  9. 上記正極活物質は、無機硫黄（Ｓ８）、Ｌｉ２Ｓｎ（ｎ≧１）、ジスルフィド化合物、有機硫黄化合物及び炭素‐硫黄ポリマー（（Ｃ２Ｓｘ）ｎ、ｘ＝２．５ないし５０、ｎ≧２）からなる群から選択される１種以上を含む、請求項８に記載のリチウム二次電池用正極。
  10. 上記正極活物質は硫黄‐炭素複合体の形態で含まれる、請求項８又は９に記載のリチウム二次電池用正極。
  11. 上記バインダーの含量は、リチウム二次電池用正極に含まれるベース固形分全体１００重量％に対して２ないし１０重量％である、請求項８～１０のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用正極。
  12. 上記バインダーは、カルボキシレート基を含む高分子及び陽イオン性高分子を含み、
    上記陽イオン性高分子の含量は、リチウム二次電池用正極に含まれるベース固形分全体１００重量％に対して０．１ないし３重量％である、請求項８～１１のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用正極。
  13. 請求項８～１１のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用正極；負極及びこれらの間に介在される分離膜及び電解質を含むリチウム二次電池。
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