KR101223556B1 - Negative active material for rechargeable lithium battery and rechargeable lithium battery including same - Google Patents
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Abstract
리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 상기 활물질은 금속계 활성물질 및 이온 전도도가 1.0 X 10-4 S/cm 이상인 고체 전해질을 포함한다.A negative active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same, the active material includes a metal-based active material and a solid electrolyte having an ionic conductivity of 1.0 × 10 −4 S / cm or more.
Description
본 기재는 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 그를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present disclosure relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same.
최근 휴대용 소형 전자기기의 전원으로서 각광받고 있는 리튬 이차 전지는 유기 전해액을 사용하여 기존의 알칼리 수용액을 사용한 전지보다 2배 이상의 높은 방전 전압을 보임으로써 높은 에너지 밀도를 나타내는 전지이다.BACKGROUND ART Lithium secondary batteries, which are in the spotlight as power sources for portable small electronic devices, exhibit high energy densities by showing discharge voltages two times or more higher than those using conventional aqueous alkali solutions using organic electrolyte solutions.
리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNi1 -xCoxO2(0 < X < 1)등과 같이 리튬이 인터칼레이션이 가능한 구조를 가진 리튬과 전이 금속으로 이루어진 산화물이 주로 사용된다.As a cathode active material of a lithium secondary battery, an oxide made of lithium and a transition metal having a structure capable of intercalating lithium, such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , and LiNi 1- x Co x O 2 (0 <X <1) This is mainly used.
음극 활물질로는 리튬의 삽입/탈리가 가능한 인조 흑연, 천연 흑연, 하드 카본을 포함한 다양한 형태의 탄소계 재료가 적용되어 왔으며, 현재 인조 흑연, 천연 흑연 등의 흑연계가 가장 널리 사용되고 있다. 이러한 흑연계 음극 활물질은 금속 리튬이 석출되지 않기 때문에 덴드라이트에 의한 내부 단락이 발생되지 않고 이에 따른 부가적인 단점이 발생되지 않는다. As the negative electrode active material, various types of carbon-based materials including artificial graphite, natural graphite, and hard carbon capable of inserting / desorbing lithium have been applied, and graphite-based materials such as artificial graphite and natural graphite have been most widely used. Since the graphite-based negative electrode active material does not precipitate metal lithium, internal short circuit caused by dendrites does not occur and thus additional disadvantages do not occur.
그러나 흑연계 활물질은 이론적인 리튬 흡장 능력이 372mAh/g으로, 리튬 금속 이론 용량의 10%에 해당하는 매우 작은 용량이라는 한계를 지닌다. 따라서 고용량이 요구되고 있는 최근에는 이차 전지 초기에 제안되었던 리튬 금속 및 금속 합금 음극 활물질에 대한 연구가 다시 활발하게 연구되고 있다.However, the graphite-based active material has a theoretical lithium occlusion capacity of 372 mAh / g, and has a limit of very small capacity corresponding to 10% of the lithium metal theoretical capacity. Therefore, research on lithium metal and metal alloy negative electrode active materials, which have been proposed in the early stages of secondary batteries, in which a high capacity is required, has been actively studied again.
리튬 금속 및 금속 합금 음극 활물질의 가장 큰 문제점은 재충전시 덴드라이트(dendrite)가 형성되고, 충방전이 반복됨에 따라 형성된 덴드라이트가 세퍼레이터를 관통하여, 내부 단락을 일으키는 점이다. 또한 덴드라이트 형성으로 인하여 음극의 비표면적을 증가시켜, 반응성을 급격히 증가시키고, 결과적으로 전해액과 비가역적인 반응이 활발하게 일어나게 되고 이로 인하여 사이클 수명 특성이 급격히 악화되는 단점을 지니고 있다.The biggest problem of lithium metal and metal alloy negative electrode active materials is that dendrite is formed during recharging, and as the charge and discharge are repeated, the formed dendrite penetrates the separator, causing internal short circuit. In addition, the dendrite formation increases the specific surface area of the negative electrode, thereby rapidly increasing the reactivity, and as a result, an irreversible reaction with the electrolytic solution occurs actively, resulting in a rapid deterioration of cycle life characteristics.
이러한 문제점을 개선하기 위하여, 리튬 금속 음극 활물질의 표면을 코팅하거나, 리튬 금속을 탄소 또는 폴리머 등으로 표면 코팅된 리튬 금속 파우더 등의 파우더 형태로 사용하여 덴드라이트의 성장을 최소화시키는 구조적인 방법이 제안되었다.In order to improve this problem, a structural method of minimizing the growth of dendrites is proposed by coating the surface of the lithium metal anode active material or by using lithium metal in the form of powder such as lithium metal powder surface-coated with carbon or polymer. It became.
또 다른 방법으로는 리튬 합금 혹은 Sn, Si 등과 같은 금속 재료를 사용하여, 리튬 금속 석출을 최소화시키는 접근이 있다. 이러한 구조 및 금속 합금 혹은 화합물을 형성할 경우 전기화학적 용량으로 환산할 경우 Li 3862mAh/g, Si 약 4200mAh/g, Sn 994mAh/g의 이론 용량을 나타내어 전기화학적 가역성만 확보된다면 흑연계 음극 활물질에 비하여 월등히 높은 방전 용량을 확보할 수 있다.Another approach is to use lithium alloys or metal materials such as Sn, Si, etc. to minimize lithium metal precipitation. When forming such a structure and metal alloy or compound, the theoretical capacity of Li 3862 mAh / g, Si about 4200 mAh / g, and Sn 994 mAh / g is shown in terms of electrochemical capacity, so that if only electrochemical reversibility is secured, It is possible to secure an extremely high discharge capacity.
그러나 이러한 금속계 활물질의 경우 전기화학적인 가역성 및 이에 따른 충방전 효율, 그리고 전기화학적 사이클링 충방전 용량의 급격한 저하 등의 문제점이 여전히 남아있다. 특히 금속 활물질의 경우에는 금속의 격자 체적의 급격한 증가 및 수축이 반복되면서 금속 분말에 균열이 발생하고 이는 입자의 미세화를 발생시켜 고체 전해질 막(solid electrolyte interface layer) 성장을 촉발시키는 문제점이 있다. 그리고 이러한 문제가 일어나는 가장 근본적인 원인 중 하나는 사이클이 반복될수록 재충전시 Li 이온의 증착(deposition)이 고르지 않다는 점에서 기인한다.However, in the case of the metal-based active material, there are still problems such as electrochemical reversibility, consequent charge and discharge efficiency, and sudden drop in electrochemical cycling charge and discharge capacity. Particularly, in the case of the metal active material, cracks are generated in the metal powder as the lattice volume of the metal is rapidly increased and contracted, which causes the micronization of particles to trigger the growth of the solid electrolyte interface layer. And one of the most fundamental causes of this problem is that the deposition of Li ions during recharging is uneven as the cycle is repeated.
본 발명의 일 구현예는 사이클 수명 특성이 우수한 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공하는 것이다.One embodiment of the present invention to provide a negative active material for a lithium secondary battery excellent in cycle life characteristics.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.Another embodiment of the present invention is to provide a lithium secondary battery including the negative electrode active material.
본 발명의 일 구현예는 금속계 활성물질 및 이온 전도도가 1.0 X 10-4 S/cm 이상인 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공한다One embodiment of the present invention provides a negative electrode active material for a lithium secondary battery including a metal-based active material and a solid electrolyte having an ionic conductivity of 1.0 X 10 -4 S / cm or more.
상기 고체 전해질의 이온 전도도는 1.0 X 10-4 S/cm 내지 4.0 X 10-3 S/cm일 수 있다.The ionic conductivity of the solid electrolyte may be 1.0 X 10 -4 S / cm to 4.0 X 10 -3 S / cm.
상기 고체 전해질은 하기 화학식 1 내지 3으로 표현되는 것 중 적어도 하나일 수 있다.The solid electrolyte may be at least one represented by the following Chemical Formulas 1 to 3.
[화학식 1] [Formula 1]
LiaXbYcZd(PO4)3 Li a X b Y c Z d (PO 4 ) 3
(상기 화학식 1에서, (In the
X는 Zn, Sr, La, Pr, Nd, Eu, Sm, Ta, Ba, Ca 또는 이들의 조합이고,X is Zn, Sr, La, Pr, Nd, Eu, Sm, Ta, Ba, Ca or a combination thereof,
Y는 Sr, Sb, Nb, Ti, Al, Mg, La, F, Si, B, Ge, O 또는 이들의 조합이고Y is Sr, Sb, Nb, Ti, Al, Mg, La, F, Si, B, Ge, O or a combination thereof
Z는 In, Mg, W, Al, V, P, Si 또는 이들의 조합이고,Z is In, Mg, W, Al, V, P, Si or a combination thereof,
a는 0.1 내지 6.0의 정수이고, b는 0 내지 3.0의 정수이고, c는 0 내지 3.0의 정수이고, d는 0 내지 3.0의 정수임)a is an integer from 0.1 to 6.0, b is an integer from 0 to 3.0, c is an integer from 0 to 3.0, d is an integer from 0 to 3.0)
[화학식 2][Formula 2]
LiaXbYc Li a X b Y c
(상기 화학식 2에서,(In Formula 2,
X는 N, β-Al203, Cd, I, P 또는 이들의 조합이고,X is N, β-Al 2 O 3 , Cd, I, P or a combination thereof,
Y는 Cl, Br, N 또는 이들의 조합이고,Y is Cl, Br, N or a combination thereof,
a는 0.1 내지 6.0의 정수이고, b는 0 내지 3.0의 정수이고, c는 0 내지 3.0의 정수이고, d는 0 내지 3.0의 정수이고, e는 0 내지 5.0의 정수임)a is an integer from 0.1 to 6.0, b is an integer from 0 to 3.0, c is an integer from 0 to 3.0, d is an integer from 0 to 3.0, e is an integer from 0 to 5.0)
상기 금속계 활성물질은 Si, Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님), Sn, Sn-R(상기 R은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Sn은 아님) 또는 이들의 조합일 수 있다.The metal-based active material is Si, Si-Q alloy (wherein Q is an element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, group 13 elements, group 14 elements, transition metals, rare earth elements and combinations thereof, not Si) ), Sn, Sn-R (wherein R is an element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, group 13 elements, group 14 elements, transition metals, rare earth elements, and combinations thereof, and not Sn) or their May be a combination.
상기 고체 전해질은 상기 금속계 활성물질과 혼합되어 있을 수도 있고, 상기 금속계 활성물질 표면에 코팅되어 있을 수도 있다.The solid electrolyte may be mixed with the metal-based active material or coated on the surface of the metal-based active material.
상기 금속계 활성물질의 평균 입자 사이즈는 100nm 내지 15㎛일 수 있고, 상기 고체 전해질의 평균 입자 사이즈는 100nm 내지 500nm일 수 있다.The average particle size of the metal-based active material may be 100 nm to 15 μm, and the average particle size of the solid electrolyte may be 100 nm to 500 nm.
상기 금속계 활성물질과 고체 전해질의 혼합 비율은 99.99 : 0.01 중량% 내지 70 : 30 중량%일 수 있다. The mixing ratio of the metal-based active material and the solid electrolyte may be 99.99: 0.01 wt% to 70: 30 wt%.
본 발명의 다른 일 구체예는 상기 음극 활물질을 포함하는 음극, 양극 활물질을 포함하는 양극 및 비수 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a lithium secondary battery including a negative electrode including the negative electrode active material, a positive electrode including a positive electrode active material, and a nonaqueous electrolyte.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other specific details of embodiments of the present invention are included in the following detailed description.
본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 고용량 및 우수한 사이클 수명 특성을 나타내는 전지를 제공할 수 있다.The negative active material for a rechargeable lithium battery according to one embodiment of the present invention may provide a battery exhibiting high capacity and excellent cycle life characteristics.
도 1은 금속계 활성물질을 포함하는 음극의 충방전 상태를 나타내는 모식도.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 금속계 활성 물질과 고체 전해질을 포함하는 음극의 충방전 상태를 나타내는 모식도.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 실시예 1에서 제조된 고체 전해질의 XRD를 나타낸 그래프.
도 5는 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2의 음극 활물질을 사용하여 제조된 반쪽 전지의 사이클 수명 특성을 나타낸 그래프. 1 is a schematic diagram showing a charge and discharge state of a negative electrode including a metal-based active material.
Figure 2 is a schematic diagram showing the charge and discharge state of the negative electrode including a metal-based active material and a solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic view showing the structure of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a graph showing the XRD of the solid electrolyte prepared in Example 1.
FIG. 5 is a graph showing cycle life characteristics of a half cell manufactured using the negative electrode active materials of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2. FIG.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is presented as an example, by which the present invention is not limited and the present invention is defined only by the scope of the claims to be described later.
본 발명의 일 구현예는 금속계 활성물질 및 이온 전도도가 1.0 X 10-4 S/cm 이상인 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공한다One embodiment of the present invention provides a negative electrode active material for a lithium secondary battery including a metal-based active material and a solid electrolyte having an ionic conductivity of 1.0 X 10 -4 S / cm or more.
상기 금속계 활성물질은 Si, Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님), Sn, Sn-R(상기 R은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Sn은 아님) 또는 이들의 조합일 수 있다.The metal-based active material is Si, Si-Q alloy (wherein Q is an element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, group 13 elements, group 14 elements, transition metals, rare earth elements and combinations thereof, not Si) ), Sn, Sn-R (wherein R is an element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, group 13 elements, group 14 elements, transition metals, rare earth elements, and combinations thereof, and not Sn) or their May be a combination.
상기 금속계 활성물질은 입자 형태로 존재하며, 그 평균 입자 사이즈는 약 100nm 내지 약 15㎛일 수 있다. 평균 입자 사이즈가 이 범위에 포함되는 금속계 활성물질은 경제적으로 용이하게 입수가 가능하며, 또한 우수한 출력 특성을 나타낼 수 있다.The metal-based active material is present in the form of particles, the average particle size may be about 100nm to about 15㎛. Metal-based active materials having an average particle size in this range can be easily obtained economically and can exhibit excellent output characteristics.
상기 고체 전해질은 상기 금속계 활성 물질과 혼합된 상태로 존재하거나, 또는 금속계 활성 물질의 표면에 코팅층으로 존재할 수도 있다. 고체 전해질이 어떠한 상태로 존재하더라도, 금속계 활성물질 주변에 존재하는 경우, 금속계 활성물질이 충방전시 발생되는 부피 팽창, 덴드라이트 형성 및 비가역적인 반응을 감소시켜, 결과적으로 사이클 수명 특성을 향상시킬 수 있다. 즉, 고체 전해질은 금속계 활성물질 주변에 존재하여야 하므로, 만약 전류 집전체에 금속계 활성 물질의 활물질 층이 형성되고, 상기 활물질 층 위에 고체 전해질이 별도의 층으로 존재하는 경우에는, 활물질 층 전체적으로 금속계 활성물질 주변에 고체 전해질이 존재할 수 없으므로, 금속계 활성물질 내부에서의 이온확산을 도와 덴드라이트 형성을 억제하는 효과, 충방전시 발생되는 부피 팽창 및 비가역적인 반응을 감소시켜주는 효과가 미미하다.The solid electrolyte may be present in a mixed state with the metal-based active material or as a coating layer on the surface of the metal-based active material. Whatever the state of the solid electrolyte, when present in the vicinity of the metal-based active material, the volumetric expansion, dendrite formation and irreversible reactions generated during the charge / discharge of the metal-based active material can be reduced, resulting in improved cycle life characteristics. have. That is, since the solid electrolyte should be present around the metal active material, if the active material layer of the metal active material is formed in the current collector, and the solid electrolyte is present as a separate layer on the active material layer, the metal active material as a whole of the active material layer Since there is no solid electrolyte around the material, there is little effect of helping to diffuse ions inside the metal-based active material to suppress the formation of dendrite, to reduce the volume expansion and irreversible reaction generated during charging and discharging.
이를 첨부된 도 1 및 도 2를 참조로 보다 자세하게 설명하기로 한다.This will be described in more detail with reference to FIGS. 1 and 2.
도 1은 금속계 활성물질만을 포함하는 음극을 충방전 사이클을 반복하였을 경우, 덴드라이트가 형성되는 모식도를 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 충전시 발생되는 리튬 이온의 재증착(re-deposition) 현상이 금속계 활성물질에 국부적으로 그리고 집중적으로 발생됨에 따라, 덴드라이트가 형성되면서, 부피 팽창이 일어날 수 있다. 또한, 덴드라이트 형성 및 부피 팽창으로 인한 균열이 발생되고, 표면적이 증가하여 전해액과의 비가역적인 반응이 증가하게 된다.FIG. 1 is a view showing a diagram in which dendrites are formed when a negative electrode including only a metal-based active material is repeatedly charged and discharged. As shown in FIG. 1, as re-deposition of lithium ions generated during charging occurs locally and intensively in the metal-based active material, as the dendrites are formed, volume expansion may occur. In addition, cracks are generated due to dendrite formation and volume expansion, and the surface area is increased to increase the irreversible reaction with the electrolyte.
이에 반하여, 도 2에 나타낸 바와 같이, 금속계 활성 물질 주변에 고체 전해질이 존재하면, 리튬 이온의 재증착 현상이 금속계 활성물질에 골고루 일어나게 되므로, 덴드라이트 형성 및 부피 팽창이 적게 일어날 수 있고, 이로 인한 균열을 방지할 수 있으며, 표면적 증가가 없기에 전해액과의 비가역적인 반응 또한 감소할 수 있게 된다.On the contrary, as shown in FIG. 2, when a solid electrolyte is present around the metal-based active material, redeposition of lithium ions occurs evenly on the metal-based active material, and thus, dendrite formation and volume expansion may occur less. It is possible to prevent cracking and to reduce the irreversible reaction with the electrolyte because there is no surface area increase.
이러한 고체 전해질은 1.0 X 10-4 S/cm 이상의 이온 전도도를 갖는 것이 적절하며, 또한, 1.0 X 10-4 S/cm 내지 4.0 X 10-3 S/cm의 이온 전도도를 갖는 것이 보다 적절할 수 있다. 이온 전도도가 1.0 X 10-4 S/cm보다 작은 경우, 고체 전해질을 사용함에 따른 효과를 보기 어려운 문제가 있을 수 있다. 즉, 고체 전해질을 금속계 활성 물질과 함께 사용하더라도, 이온 전도도가 1.0 X 10-4 S/cm보다 작은 고체 전해질(예를 들어, 폴리에틸렌 옥사이드 등)을 사용하는 경우에는 금속계 활성물질이 충방전시 발생되는 부피 팽창, 덴드라이트 형성 및 비가역적인 반응을 감소시켜, 결과적으로 사이클 수명 특성 향상 효과를 기대할 수 없다. Such a solid electrolyte may suitably have an ionic conductivity of at least 1.0 × 10 −4 S / cm, and more preferably, have a conductivity of 1.0 × 10 −4 S / cm to 4.0 × 10 −3 S / cm. . If the ionic conductivity is less than 1.0 X 10 -4 S / cm, there may be a problem that it is difficult to see the effect of using a solid electrolyte. That is, even when the solid electrolyte is used together with the metal-based active material, when the solid electrolyte (eg, polyethylene oxide, etc.) having an ionic conductivity of less than 1.0 X 10 -4 S / cm is used, the metal-based active material is generated during charge and discharge. By reducing the volume expansion, dendrite formation and irreversible reaction that results, the effect of improving cycle life characteristics can not be expected as a result.
상기 이온 전도도는 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)를 사용하여, 고체 전해질을 펠렛 형태로 프레스하여, Pt 전극을 펠렛 양면에 위치시킨 후, 임피던스를 측정하여 얻은 결과이다.The ion conductivity is a result obtained by pressing a solid electrolyte in the form of pellets by using electrochemical impedance spectroscopy (EIS), placing the Pt electrode on both sides of the pellet, and then measuring the impedance.
상기 고체 전해질은 하기 화학식 1 내지 3으로 표현되는 것 중 적어도 하나일 수 있다.The solid electrolyte may be at least one represented by the following
[화학식 1] [Formula 1]
LiaXbYcZd(PO4)3 Li a X b Y c Z d (PO 4 ) 3
(상기 화학식 1에서, (In the
X는 Zn, Sr, La, Pr, Nd, Eu, Sm, Ta, Ba, Ca 또는 이들의 조합이고,X is Zn, Sr, La, Pr, Nd, Eu, Sm, Ta, Ba, Ca or a combination thereof,
Y는 Sr, Sb, Nb, Ti, Al, Mg, La, F, Si, B, Ge, O 또는 이들의 조합이고Y is Sr, Sb, Nb, Ti, Al, Mg, La, F, Si, B, Ge, O or a combination thereof
Z는 In, Mg, W, Al, V, P, Si 또는 이들의 조합이고,Z is In, Mg, W, Al, V, P, Si or a combination thereof,
a는 0.1 내지 6.0의 정수이고, b는 0 내지 3.0의 정수이고, c는 0 내지 3.0의 정수이고, d는 0 내지 3.0의 정수임)a is an integer from 0.1 to 6.0, b is an integer from 0 to 3.0, c is an integer from 0 to 3.0, d is an integer from 0 to 3.0)
[화학식 2][Formula 2]
LiaXbYc Li a X b Y c
(상기 화학식 2에서,(In Formula 2,
X는 N, β-Al203, Cd, I, P 또는 이들의 조합이고,X is N, β-Al 2 O 3 , Cd, I, P or a combination thereof,
Y는 Cl, Br, N 또는 이들의 조합이고,Y is Cl, Br, N or a combination thereof,
a는 0.1 내지 6.0의 정수이고, b는 0 내지 3.0의 정수이고, c는 0 내지 3.0의 정수이고, d는 0 내지 3.0의 정수이고, e는 0 내지 5.0의 정수임)a is an integer from 0.1 to 6.0, b is an integer from 0 to 3.0, c is an integer from 0 to 3.0, d is an integer from 0 to 3.0, e is an integer from 0 to 5.0)
상기 고체 전해질의 평균 입자 사이즈는 약 100nm 내지 약 500nm일 수 있다. 고체 전해질의 입자 사이즈가 상기 범위에 포함되는 경우, 본 발명의 일 구현예에 따른 고체전해질 입자의 응집이 없으며 코팅이 용이하며, 이온 전도도를 적절하게 유지할 수 있다.The average particle size of the solid electrolyte may be about 100 nm to about 500 nm. When the particle size of the solid electrolyte is included in the above range, there is no aggregation of the solid electrolyte particles according to an embodiment of the present invention, coating is easy, and ionic conductivity may be properly maintained.
또한, 이온 전도도가 우수한 고체 전해질을 음극에 사용함에 따라, 리튬 이온이 잘 확산될 수 있고, 결과적으로 리튬 이온이 음극 활물질에 불균일하게 증착되면서 발생하는 덴드라이트 현상을 억제할 수 있어, 사이클 수명 특성을 향상시킬 수 있다.In addition, by using a solid electrolyte having excellent ion conductivity in the negative electrode, lithium ions can be diffused well, and as a result, it is possible to suppress the dendrite phenomenon caused by uneven deposition of lithium ions on the negative electrode active material, resulting in cycle life characteristics. Can improve.
상기 금속계 활성물질과 고체 전해질의 혼합 비율은 99.99 : 0.01 중량% 내지 70 : 30 중량%일 수 있다. 고체 전해질의 함량이 상기 범위에 포함되는 경우, 초기 용량이 매우 증가하며, 특히 흑연 등의 결정질 음극 활물질을 사용한 경우보다도 초기 용량이 2배 이상 우수한 효과가 있고, 사이클 수명 특성을 보다 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.The mixing ratio of the metal-based active material and the solid electrolyte may be 99.99: 0.01 wt% to 70: 30 wt%. When the content of the solid electrolyte is in the above range, the initial capacity is greatly increased, in particular, the initial capacity is more than two times better than when using a crystalline anode active material such as graphite, and the effect of improving the cycle life characteristics more You can get it.
본 발명의 일 구현예에 따른 음극 활물질은 앞서 설명한 바와 같이 고체 전해질이 금속계 활성물질과 혼합된 상태로 존재하거나, 또는 금속계 활성물질의 표면에 코팅층으로 존재할 수도 있다. 혼합된 상태로 존재하는 경우에는 고체 전해질과 금속계 활성물질을 물리적으로 건식 혼합하여 제조할 수 있다. 또한 코팅층으로 존재하는 경우에는 고체 전해질을 용매에 첨가하여 코팅액을 제조한 후, 이 코팅액으로 금속계 활성물질 표면을 코팅하여 제조할 수 있다. 이때 코팅 방법으로는 스프레이 코팅, 침지법 등 어떠한 코팅 방법으로도 실시할 수 있다. 아울러, 상기 용매로는 에탄올, 무수 에탄올, 이소프로필 알코올을 사용할 수 있다. 코팅액의 농도는 10 중량% 내지 40 중량%일 수 있으며, 코팅층의 두께는 100nm 내지 5㎛일 수 있다.As described above, the negative electrode active material according to the exemplary embodiment of the present invention may exist in a state in which the solid electrolyte is mixed with the metal-based active material or as a coating layer on the surface of the metal-based active material. When present in a mixed state, the solid electrolyte and the metal-based active material may be prepared by physically dry mixing. In addition, when present as a coating layer may be prepared by adding a solid electrolyte to the solvent to prepare a coating solution, and then coating the surface of the metal-based active material with the coating solution. In this case, the coating method may be performed by any coating method such as spray coating or dipping. In addition, ethanol, anhydrous ethanol, isopropyl alcohol may be used as the solvent. The concentration of the coating liquid may be 10 wt% to 40 wt%, and the thickness of the coating layer may be 100 nm to 5 μm.
본 발명의 또 다른 일 구현예는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.Another embodiment of the present invention relates to a lithium secondary battery.
리튬 이차 전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해질의 종류에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있고, 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다. 이들 전지의 구조와 제조방법은 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.The lithium secondary battery may be classified into a lithium ion battery, a lithium ion polymer battery, and a lithium polymer battery according to the type of separator and electrolyte used, and may be classified into a cylindrical shape, a square shape, a coin type, a pouch type, and the like, Depending on the size, it can be divided into bulk type and thin film type. The structure and the manufacturing method of these cells are well known in the art, and detailed description thereof will be omitted.
본 발명의 또 다른 구현예에 따른 리튬 이차 전지는 본 발명의 일 구현예에 따른 음극 활물질을 포함하는 음극, 양극 활물질을 포함하는 양극 및 비수 전해질을 포함한다.A lithium secondary battery according to another embodiment of the present invention includes a negative electrode including a negative electrode active material according to an embodiment of the present invention, a positive electrode including a positive electrode active material, and a nonaqueous electrolyte.
상기 음극은 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질 층 및 전류 집전체를 포함한다. The negative electrode includes a negative electrode active material layer including a negative electrode active material and a current collector.
상기 음극 활물질 층에서 음극 활물질의 함량은 음극 활물질 층 전체 중량에 대하여 95 내지 99 중량%일 수 있다.Content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer may be 95 to 99% by weight based on the total weight of the negative electrode active material layer.
상기 음극 활물질 층은 또한 바인더를 포함하며, 선택적으로 도전재를 더욱 포함할 수도 있다. 상기 음극 활물질 층에서 바인더의 함량은 음극 활물질 층 전체 중량에 대하여 1 내지 5 중량%일 수 있다. 또한 도전재를 더욱 포함하는 경우에는 음극 활물질을 90 내지 98 중량%, 바인더를 1 내지 5 중량%, 도전재를 1 내지 5 중량% 사용할 수 있다.The negative electrode active material layer also includes a binder, and optionally may further include a conductive material. The content of the binder in the negative electrode active material layer may be 1 to 5% by weight based on the total weight of the negative electrode active material layer. When the conductive material is further included, the negative electrode active material may be used in an amount of 90 to 98 wt%, the binder may be used in an amount of 1 to 5 wt%, and the conductive material may be used in an amount of 1 to 5 wt%.
상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 한다. 상기 바인더로는 비수용성 바인더, 수용성 바인더 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.The binder adheres the anode active material particles to each other well, and also serves to adhere the anode active material to the current collector well. As the binder, a water-insoluble binder, a water-soluble binder, or a combination thereof may be used.
상기 비수용성 바인더로는 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드이미드, 폴리이미드 또는 이들의 조합을 들 수 있다. The water-insoluble binder includes polyvinyl chloride, carboxylated polyvinylchloride, polyvinyl fluoride, polymers including ethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride , Polyethylene, polypropylene, polyamideimide, polyimide, or a combination thereof.
상기 수용성 바인더로는 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴산 나트륨, 프로필렌과 탄소수가 2 내지 8의 올레핀 공중합체, (메타)아크릴산과 (메타)아크릴산알킬에스테르의 공중합체 또는 이들의 조합을 들 수 있다.Examples of the water-soluble binder include styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, polyvinyl alcohol, sodium polyacrylate, propylene and olefin copolymers having 2 to 8 carbon atoms, (meth) acrylic acid and (meth) Copolymers or combinations thereof.
상기 음극 바인더로 수용성 바인더를 사용하는 경우, 점성을 부여할 수 있는 셀룰로즈 계열 화합물을 더욱 포함할 수 있다. 이 셀룰로즈 계열 화합물로는 카르복시메틸 셀룰로즈, 하이드록시프로필메틸 셀룰로즈, 메틸 셀룰로즈, 또는 이들의 알칼리 금속염 등을 1종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 알칼리 금속으로는 Na, K 또는 Li를 사용할 수 있다. 이러한 증점제 사용 함량은 바인더 100 중량부에 대하여 0.1 내지 3 중량부일 수 있다. When using the water-soluble binder as the negative electrode binder, it may further include a cellulose-based compound capable of imparting viscosity. As the cellulose-based compound, carboxymethyl cellulose, hydroxypropylmethyl cellulose, methyl cellulose, alkali metal salts thereof or the like may be used in combination. Na, K or Li may be used as the alkali metal. The amount of such thickener used may be 0.1 to 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the binder.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.The conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and any battery can be used as long as it is an electronic conductive material without causing chemical change in the battery. For example, natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, and ketjen. Carbon-based materials such as black and carbon fibers; Metal powders such as copper, nickel, aluminum, and silver, or metal-based materials such as metal fibers; Conductive polymers such as polyphenylene derivatives; Or a mixture thereof may be used.
상기 전류 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.As the current collector, copper foil, nickel foil, stainless steel foil, titanium foil, nickel foam, copper foam, a polymer substrate coated with a conductive metal, or a combination thereof may be used.
상기 양극은 전류 집전체 및 이 전류 집전체에 형성되는 양극 활물질 층을 포함한다. 상기 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. 구체적으로는 코발트, 망간, 니켈, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속과 리튬과의 복합 산화물중 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. 양극 활물질의 보다 구체적인 예로는 하기 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다. LiaA1 -bXbD2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5); LiaE1 - bXbO2 - cDc(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiaE2 - bXbO4 - cDc(0 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiaNi1 -b- cCobXcDα(0.90 ≤ a ≤1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); LiaNi1 -b- cCobXcO2 -αTα(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNi1 -b- cCobXcO2 -αT2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNi1 -b- cMnbXcDα(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); LiaNi1 -b- cMnbXcO2 -αTα(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNi1 -b- cMnbXcO2 -αT2( 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNibEcGdO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1); LiaNibCocMndGeO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1); LiaNiGbO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1) LiaCoGbO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaMnGbO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaMn2GbO4(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiZO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); LiFePO4 The anode includes a current collector and a cathode active material layer formed on the current collector. As the cathode active material, a compound (lithiated intercalation compound) capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium may be used. Concretely, at least one of complex oxides of metal and lithium selected from cobalt, manganese, nickel, and combinations thereof may be used. More specific examples of the positive electrode active material may be a compound represented by any one of the following formula. Li a A 1 -b X b D 2 (0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5); Li a E 1 - b X b O 2 - c D c (0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05); Li a E 2 - b X b O 4 - c D c (0 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); Li a Ni 1 -b- c Co b X c D ? (0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, 0 <?? 2); Li a Ni 1 -b- c Co b X c O 2 -α T α (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 <α <2); Li a Ni 1 -b- c Co b X c O 2 - ? T 2 (0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, 0 <? <2); Li a Ni 1 -b- c Mn b X c D ? (0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, 0 <?? 2); Li a Ni 1 -b- c Mn b X c O 2- α T α (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 <α <2); Li a Ni 1 -b- c Mn b X c O 2 - ? T 2 (0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, 0 <? <2); Li a Ni b E c G d O 2 (0.90? A? 1.8, 0? B? 0.9, 0? C? 0.5, 0.001? D? 0.1); Li a Ni b Co c Mn d G e O 2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1); Li a NiG b O 2 (0.90? A? 1.8, 0.001? B? 0.1) Li a CoG b O 2 (0.90? A? 1.8, 0.001? B? 0.1); Li a MnG b O 2 (0.90? A? 1.8, 0.001? B? 0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (0.90? A? 1.8, 0.001? B? 0.1); QO 2; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiZO 2 ; LiNiVO 4; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0? F? 2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0? F? 2); LiFePO 4
상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; X는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; D는 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; E는 Co, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; T는 F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; Q는 Ti, Mo, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; Z는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.In the above formula, A is selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, and combinations thereof; X is selected from the group consisting of Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, rare earth elements and combinations thereof; D is selected from the group consisting of O, F, S, P, and combinations thereof; E is selected from the group consisting of Co, Mn, and combinations thereof; T is selected from the group consisting of F, S, P, and combinations thereof; G is selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, and combinations thereof; Q is selected from the group consisting of Ti, Mo, Mn, and combinations thereof; Z is selected from the group consisting of Cr, V, Fe, Sc, Y, and combinations thereof; J is selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, and combinations thereof.
물론 이 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이 코팅층은 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트 및 코팅 원소의 하이드록시카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 코팅 원소 화합물을 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법)으로 코팅할 수 있으면, 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.Of course, a compound having a coating layer on the surface of the compound may be used, or a compound having a coating layer may be mixed with the compound. The coating layer may comprise at least one coating element compound selected from the group consisting of oxides, hydroxides of coating elements, oxyhydroxides of coating elements, oxycarbonates of coating elements, and hydroxycarbonates of coating elements. The compound constituting these coating layers may be amorphous or crystalline. The coating layer may contain Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr or a mixture thereof. The coating layer forming process may be any coating method as long as it can be coated with the above compounds using a method that does not adversely affect the physical properties of the positive electrode active material (for example, spray coating or dipping). Detailed descriptions thereof will be omitted since they can be understood by those skilled in the art.
상기 양극 활물질 층에서 상기 양극 활물질의 함량은 양극 활물질 층 전체 중량에 대하여 90 내지 98 중량%일 수 있다.The amount of the cathode active material in the cathode active material layer may be 90 to 98 wt% based on the total weight of the cathode active material layer.
상기 양극 활물질 층은 또한 바인더 및 도전재를 포함한다. 이때, 상기 바인더 및 도전재의 함량은 양극 활물질 층 전체 중량에 대하여 각각 1 내지 5 중량%일 수 있다.The cathode active material layer also includes a binder and a conductive material. At this time, the content of the binder and the conductive material may be 1 to 5% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer, respectively.
상기 양극 활물질 층은 또한 바인더 및 도전재를 포함한다.The cathode active material layer also includes a binder and a conductive material.
상기 바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 한다. 바인더의 대표적인 예로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The binder serves to adhere the positive electrode active materials to each other and to adhere the positive electrode active material to the current collector. Representative examples of the binder include polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, diacetyl cellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, polymer containing ethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone But are not limited to, water, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, epoxy resin and nylon .
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.The conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and any battery can be used as long as it is an electronic conductive material without causing chemical change in the battery. For example, natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, and ketjen. Carbon-based materials such as black and carbon fibers; Metal powders such as copper, nickel, aluminum, and silver, or metal-based materials such as metal fibers; Conductive polymers such as polyphenylene derivatives; Or a mixture thereof may be used.
상기 전류 집전체로는 Al 포일을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.Al foil may be used as the current collector, but is not limited thereto.
상기 음극 및 양극은 활물질, 도전재 및 바인더를 용매 중에서 혼합하여 활물질 조성물을 제조하고, 이 조성물을 전류 집전체에 도포하여 제조한다. 이와 같은 전극 제조 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 용매로는 N-메틸피롤리돈 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 음극에 수용성 바인더를 사용하는 경우, 음극 활물질 조성물 제조시 사용되는 용매로 물을 사용할 수 있다.The negative electrode and the positive electrode are prepared by mixing an active material, a conductive material, and a binder in a solvent to prepare an active material composition, and applying the composition to a current collector. The method of manufacturing the electrode is well known in the art, and therefore, a detailed description thereof will be omitted herein. N-methylpyrrolidone may be used as the solvent, but is not limited thereto. When a water-soluble binder is used for the negative electrode, water may be used as a solvent used in preparing the negative electrode active material composition.
상기 비수 전해질은 비수성 유기 용매와 리튬염을 포함한다. The nonaqueous electrolyte includes a nonaqueous organic solvent and a lithium salt.
상기 비수성 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다. The non-aqueous organic solvent serves as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move.
비수성 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계, 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다. 상기 카보네이트계 용매로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있으며, 상기 에스테르계 용매로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone), 등이 사용될 수 있다. 상기 에테르계 용매로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있으며, 상기 비양성자성 용매로는 R-CN(R은 탄소수 2 내지 20의 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, 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. As the non-aqueous organic solvent, a carbonate-based, ester-based, ether-based, ketone-based, alcohol-based or aprotic solvent may be used. Examples of the carbonate solvent include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methyl propyl carbonate (MPC), ethyl propyl carbonate (EPC), methyl ethyl carbonate (MEC) EC), propylene carbonate (PC), and butylene carbonate (BC) may be used. As the ester solvent, methyl acetate, ethyl acetate, n-propyl acetate, dimethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate , gamma -butyrolactone, decanolide, valerolactone, mevalonolactone, caprolactone, and the like can be used. Examples of the ether solvent include dibutyl ether, tetraglyme, diglyme, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, and tetrahydrofuran. As the ketone solvent, cyclohexanone may be used have. In addition, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, etc. may be used as the alcohol solvent, and the aprotic solvent may be R-CN (R is a straight-chain, branched, or cyclic hydrocarbon group having 2 to 20 carbon atoms. Amides such as nitriles, dimethylformamide, dioxolanes such as 1,3-dioxolane, sulfolanes, and the like.
상기 비수성 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 널리 이해될 수 있다.The non-aqueous organic solvent may be used alone or in admixture of one or more. If the non-aqueous organic solvent is used in combination, the mixing ratio may be appropriately adjusted according to the desired cell performance. .
또한, 상기 카보네이트계 용매의 경우 환형(cyclic) 카보네이트와 사슬형(chain) 카보네이트를 혼합하여 사용하는 것이 좋다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 1:1 내지 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다. In the case of the carbonate-based solvent, it is preferable to use a mixture of a cyclic carbonate and a chain carbonate. In this case, the cyclic carbonate and the chain carbonate may be mixed and used in a volume ratio of 1: 1 to 1: 9, so that the performance of the electrolyte may be excellent.
본 발명의 비수성 유기용매는 상기 카보네이트계 용매에 방향족 탄화수소계 유기용매를 더 포함할 수도 있다. 이때 상기 카보네이트계 용매와 방향족 탄화수소계 유기용매는 1:1 내지 30:1의 부피비로 혼합될 수 있다.The non-aqueous organic solvent of the present invention may further comprise an aromatic hydrocarbon-based organic solvent in the carbonate-based solvent. In this case, the carbonate solvent and the aromatic hydrocarbon organic solvent may be mixed in a volume ratio of 1: 1 to 30: 1.
상기 방향족 탄화수소계 유기용매로는 하기 화학식 5의 방향족 탄화수소계 화합물이 사용될 수 있다.As the aromatic hydrocarbon organic solvent, an aromatic hydrocarbon compound of the following Formula 5 may be used.
[화학식 5][Chemical Formula 5]
(상기 화학식 5에서, R1 내지 R6는 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 탄소수 1 내지 10의 할로알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.)(In Formula 5, R 1 to R 6 are each independently selected from the group consisting of hydrogen, halogen, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a haloalkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and a combination thereof.)
상기 방향족 탄화수소계 유기용매의 구체적인 예로는 벤젠, 플루오로벤젠, 1,2-디플루오로벤젠, 1,3-디플루오로벤젠, 1,4-디플루오로벤젠, 1,2,3-트리플루오로벤젠, 1,2,4-트리플루오로벤젠, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 1,3-디클로로벤젠, 1,4-디클로로벤젠, 1,2,3-트리클로로벤젠, 1,2,4-트리클로로벤젠, 아이오도벤젠, 1,2-디아이오도벤젠, 1,3-디아이오도벤젠, 1,4-디아이오도벤젠, 1,2,3-트리아이오도벤젠, 1,2,4-트리아이오도벤젠, 톨루엔, 플루오로톨루엔, 2,3-디플루오로톨루엔, 2,4-디플루오로톨루엔, 2,5-디플루오로톨루엔, 2,3,4-트리플루오로톨루엔, 2,3,5-트리플루오로톨루엔, 클로로톨루엔, 2,3-디클로로톨루엔, 2,4-디클로로톨루엔, 2,5-디클로로톨루엔, 2,3,4-트리클로로톨루엔, 2,3,5-트리클로로톨루엔, 아이오도톨루엔, 2,3-디아이오도톨루엔, 2,4-디아이오도톨루엔, 2,5-디아이오도톨루엔, 2,3,4-트리아이오도톨루엔, 2,3,5-트리아이오도톨루엔, 자일렌, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.Specific examples of the aromatic hydrocarbon organic solvent include benzene, fluorobenzene, 1,2-difluorobenzene, 1,3-difluorobenzene, 1,4-difluorobenzene, 1,2,3-tri Fluorobenzene, 1,2,4-trifluorobenzene, chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, 1,3-dichlorobenzene, 1,4-dichlorobenzene, 1,2,3-trichlorobenzene, 1 , 2,4-trichlorobenzene, iodobenzene, 1,2-dioodobenzene, 1,3-dioiobenzene, 1,4-dioiobenzene, 1,2,3-triiodobenzene, 1, 2,4-triiodobenzene, toluene, fluorotoluene, 2,3-difluorotoluene, 2,4-difluorotoluene, 2,5-difluorotoluene, 2,3,4-trifluoro Rotoluene, 2,3,5-trifluorotoluene, chlorotoluene, 2,3-dichlorotoluene, 2,4-dichlorotoluene, 2,5-dichlorotoluene, 2,3,4-trichlorotoluene, 2, 3,5-trichlorotoluene, iodotoluene, 2,3-dioodotoluene, 2,4-diaodotoluene, 2 , 5-diaodotoluene, 2,3,4-triiodotoluene, 2,3,5-triiodotoluene, xylene, and combinations thereof.
상기 비수성 전해질은 전지 수명을 향상시키기 위하여 비닐렌 카보네이트 또는 하기 화학식 6의 에틸렌 카보네이트계 화합물을 더욱 포함할 수도 있다.The non-aqueous electrolyte may further include vinylene carbonate or an ethylene carbonate compound represented by Chemical Formula 6 to improve battery life.
[화학식 6][Formula 6]
(상기 화학식 6에서, R7 및 R8는 각각 독립적으로 수소, 할로겐기, 시아노기(CN), 니트로기(NO2) 및 불소화된 탄소수 1 내지 5의 알킬기로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 R7과 R8중 적어도 하나는 할로겐기, 시아노기(CN), 니트로기(NO2) 및 불소화된 탄소수 1 내지 5의 알킬기로 이루어진 군에서 선택되고, 단 R7과 R8이 모두 수소는 아니다.)(In Formula 6, R 7 and R 8 are each independently selected from the group consisting of hydrogen, a halogen group, a cyano group (CN), a nitro group (NO 2 ) and a fluorinated C1-5 alkyl group, wherein R At least one of 7 and R 8 is selected from the group consisting of a halogen group, a cyano group (CN), a nitro group (NO 2 ) and a fluorinated alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, provided that both R 7 and R 8 are not hydrogen; .)
상기 에틸렌 카보네이트계 화합물의 대표적인 예로는 디플루오로 에틸렌카보네이트, 클로로에틸렌 카보네이트, 디클로로에틸렌 카보네이트, 브로모에틸렌 카보네이트, 디브로모에틸렌 카보네이트, 니트로에틸렌 카보네이트, 시아노에틸렌 카보네이트 또는 플루오로에틸렌 카보네이트 등을 들 수 있다. 이러한 수명 향상 첨가제를 더욱 사용하는 경우 그 사용량은 적절하게 조절할 수 있다.Representative examples of the ethylene carbonate-based compound include diethylene carbonate, diethylene carbonate, dibromoethylene carbonate, nitroethylene carbonate, cyanoethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, and the like, such as difluoroethylene carbonate, chloroethylene carbonate, dichloroethylene carbonate, . When such a life improving additive is further used, its amount can be appropriately adjusted.
상기 리튬염은 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질이다. 이러한 리튬염의 대표적인 예로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiN(SO3C2F5)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x +1SO2)(CyF2y +1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이트 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 지지(supporting) 전해염으로 포함한다. 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0M 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 is dissolved in an organic solvent to act as a source of lithium ions in the cell to enable operation of a basic lithium secondary battery and to promote the movement of lithium ions between the anode and the cathode. Representative examples of such lithium salts are LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiN (SO 3 C 2 F 5 ) 2 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiClO 4 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN (C x F 2x +1 SO 2 ) (C y F 2y +1 SO 2 ), where x and y are natural numbers, LiCl, One or more selected from the group consisting of LiI and LiB (C 2 O 4 ) 2 (lithium bis (oxalato) borate (LiBOB)) are included as supporting electrolytic salts. It is preferable to use in the range of 0.1 to 2.0 M. When the concentration of the lithium salt is included in the above range, since the electrolyte has an appropriate conductivity and viscosity, excellent electrolyte performance can be exhibited, and lithium ions can be effectively moved.
도 3에 본 발명의 구현예에 따른 리튬 이차 전지의 대표적인 구조를 개략적으로 나타내었다. 도 3에 나타낸 것과 같이 상기 리튬 이차 전지(1)는 양극(3), 음극(2) 및 상기 양극(3)과 음극(2) 사이에 존재하는 세퍼레이터(4)에 함침된 전해액을 포함하는 전지 용기(5)와, 상기 전지 용기(5)를 봉입하는 봉입 부재(6)를 포함한다. 3 schematically shows a typical structure of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention. 3, the lithium
리튬 이차 전지의 종류에 따라 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 존재할 수 도 있다. 이러한 세퍼레이터로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있음은 물론이다.Depending on the type of the lithium secondary battery, a separator may exist between the positive electrode and the negative electrode. The separator may be a polyethylene / polypropylene double layer separator, a polyethylene / polypropylene / polyethylene triple layer separator, a polypropylene / polyethylene / poly It is needless to say that a mixed multilayer film such as a propylene three-layer separator and the like can be used.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시에는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following embodiments are only preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments.
(실시예 1) (Example 1)
1) 고체 전해질 제조1) Solid Electrolyte Preparation
Li2CO3, Al2O3, TiO2 및 (NH4)2HPO4를 에탄올 용매 중에서 120rpm의 속도로 2시간 동안 교반하였다. 이때, Li2CO3, Al2O3, TiO2 및 (NH4)2HPO4의 혼합 비율은 1.8791 : 0.5984 : 5.3118 : 15.4992 중량비로 하였다.Li 2 CO 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 and (NH 4 ) 2 HPO 4 were stirred in an ethanol solvent at a rate of 120 rpm for 2 hours. At this time, the mixing ratio of Li 2 CO 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 and (NH 4 ) 2 HPO 4 was 1.8791: 0.5984: 5.3118: 15.4992 by weight.
상기 혼합물을 700℃에서 2시간 동안 하소하고(calcinate), 하소 생성물을 에탄올 용매 중에서 120rpm의 속도로 6시간 동안 1차 교반한 후, 50rpm의 속도로 6시간 동안 2차 교반하였다. The mixture was calcined at 700 ° C. for 2 hours, and the calcined product was first stirred for 6 hours at a speed of 120 rpm in ethanol solvent and then stirred for 2 hours at a speed of 50 rpm.
얻어진 교반 생성물을 공기 중에서 120℃의 온도로 3시간 동안 건조한 후, 공기 중에서 920℃의 온도로 8시간 동안 소결(sintering)하였다. The resulting stirred product was dried in air at a temperature of 120 ° C. for 3 hours and then sintered in air at a temperature of 920 ° C. for 8 hours.
얻어진 소결 생성물을 4.5ton의 압력으로 프레싱한 후, 생성물을 공기 중에서 1000℃의 온도로 2시간 동안 소결하여 Li1 .3Ti1 .7Al0 .3(PO4)3 고체 전해질을 제조하였다. 제조된 Li1 .3Ti1 .7Al0 .3(PO4)3 고체 전해질을 CuKα를 사용하여 X-선 회절을 측정한 결과, 도 4에 나타낸 것과 같이, LiTi2(PO4)3 기준 물질과 유사한 구조를 가진다. 이 결과는, Al 양이 적어서 LiTi2(PO4)3가 미세하게 쉬프트된 피크가 얻어진 것으로, 주요한 구조는 LiTi2(PO4)3 기준 물질과 유사한 구조를 갖는 임을 알 수 있다.By sintering for 2 hours and then pressing the resulting sintered product to a pressure of 4.5ton, the product to a temperature of 1000 ℃ in air Li 1 .3 Ti 1 .7 Al 0 .3 (PO 4) 3 Solid electrolytes were prepared. Manufactured Li 1 .3 Ti 1 .7 Al 0 .3 (PO 4) 3 X-ray diffraction measurement of the solid electrolyte using CuKα showed a structure similar to that of the LiTi 2 (PO 4 ) 3 reference material, as shown in FIG. 4. The results, it can be seen that as the amount of the Al write down LiTi 2 (PO 4) 3 is slightly shifted peak is obtained, the main structure is LiTi 2 (PO 4) having a structure similar to the three reference materials.
또한 제조된 Li1 .3Ti1 .7Al0 .3(PO4)3 고체 전해질을 펠렛 형태로 제조한 후, Pt 전극을 상기 펠렛 양면에 위치시킨 후, 임피던스를 측정하는 EIS로 이온 전도도를 측정한 결과, 1.19 X 10-4S/cm가 얻어졌다.In addition, the manufactured Li 1 .3 Ti 1 .7 Al 0 .3 (PO 4) 3 After preparing the solid electrolyte in pellet form, after placing the Pt electrode on both sides of the pellet, the ion conductivity was measured by an EIS measuring impedance, and 1.19 X 10 -4 S / cm was obtained.
2) 전극 제조2) electrode manufacturing
Sn 분말(Aldrich사, 평균 입자 사이즈: 10㎛ 미만, 입자 순도 99 % 이상) 80 중량%와 제조된 LiTi2(PO4)3 고체 전해질 20 중량%를 건식 혼합하여, 음극 활물질로 하였다.80 wt% of Sn powder (Aldrich, average particle size: less than 10 μm, particle purity: 99% or more) and 20 wt% of the prepared LiTi 2 (PO 4 ) 3 solid electrolyte were dry mixed to obtain a negative electrode active material.
상기 음극 활물질, 슈퍼-P 도전재, 폴리비닐리덴 플루오라이드 바인더를 N-메틸피롤리돈 용매 중에서 94 : 3 : 3 중량%의 비율로 혼합하여 음극 활물질 슬러리를 제조하였다.The negative electrode active material, the super-P conductive material, and the polyvinylidene fluoride binder were mixed in an N-methylpyrrolidone solvent at a ratio of 94: 3: 3% by weight to prepare a negative electrode active material slurry.
상기 음극 활물질 슬러리를 10㎛ 두께의 구리 전류 집전체에 도포, 건조 및 압연하여, 평균 두께 약 60㎛, 음극 합제 밀도(loading level)은 10mg/㎠인 음극을 제조하였다.The negative electrode active material slurry was applied, dried, and rolled onto a 10 μm thick copper current collector to prepare a negative electrode having an average thickness of about 60 μm and a negative electrode loading level of 10 mg / cm 2.
(실시예 2)(Example 2)
Sn 분말(Aldrich사, 10㎛ 미만 입자 순도 99 % 이상) 90 중량%와 상기 실시예1에서 제조된 LiTi2(PO4)3 고체 전해질 10 중량%를 건식 혼합하여, 음극 활물질로 하였다.90 wt% of Sn powder (Aldrich, 99% or more of particle purity of less than 10 μm) and 10 wt% of the LiTi 2 (PO 4 ) 3 solid electrolyte prepared in Example 1 were dry mixed to obtain a negative electrode active material.
상기 음극 활물질을 이용하여 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 음극을 제조하였다.The negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1 using the negative electrode active material.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
Sn 분말(Aldrich사, 10㎛ 미만 입자 함량 99 중량%) 음극 활물질, 슈퍼-P 도전재, 폴리비닐리덴 플루오라이드 바인더를 N-메틸피롤리돈 용매 중에서 94 : 3 : 3 중량%의 비율로 혼합하여 음극 활물질 슬러리를 제조하였다.Sn powder (Aldrich, 99% by weight particle content of less than 10 μm) The negative electrode active material, the super-P conductive material, and the polyvinylidene fluoride binder were mixed in an N-methylpyrrolidone solvent at a ratio of 94: 3: 3% by weight. To prepare a negative electrode active material slurry.
상기 음극 활물질 슬러리를 10㎛ 두께의 구리 전류 집전체에 도포, 건조 및 압연하여, 평균 두께 약 60㎛, 음극 합제 밀도(loading level)은 10mg/㎠인 음극을 제조하였다.The negative electrode active material slurry was applied, dried, and rolled onto a 10 μm thick copper current collector to prepare a negative electrode having an average thickness of about 60 μm and a negative electrode loading level of 10 mg / cm 2.
(비교예 2)(Comparative Example 2)
Sn 분말(Aldrich사, 10㎛ 미만 입자 순도 99 % 이상) 90 중량%와 이온 전도도가 1.50 X 10-5S/cm인 LiTi2(PO4)3 고체 전해질 10 중량%를 건식 혼합하여, 음극 활물질로 하였다. 상기 LiTi2(PO4)3 고체 전해질의 이온 전도도는, 고체 전해질을 펠렛 형태로 제조한 후, Pt 전극을 상기 펠렛 양면에 위치시킨 후, 임피던스를 측정하는 EIS로 이온 전도도를 측정하여 얻었다.LiTi 2 (PO 4 ) 3 with 90% by weight of Sn powder (Aldrich, 99% or more of particle purity less than 10 μm) and ionic conductivity of 1.50 X 10 -5 S /
상기 음극 활물질을 이용하여 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 음극을 제조하였다.The negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1 using the negative electrode active material.
상기 실시예 1과 2, 및 비교예 1과 2에 따라 제조된 음극과 리튬 금속을 대극으로 하여 코인 타입의 반쪽 전지를 제조하였다. 이때 전해액으로는 1.15M LiPF6가 용해된 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트의 혼합 용매(3 : 3 : 4 부피비)를 사용하였다.Coin-type half cells were manufactured using the negative electrodes and lithium metals prepared according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 as counter electrodes. At this time, a mixed solvent (3: 3: 4 volume ratio) of ethylene carbonate, ethylmethyl carbonate and diethyl carbonate in which 1.15M LiPF 6 was dissolved was used.
제조된 반쪽 전지를 0.1C 정전류 충전(컷오프 전압: 0.01V) 및 0.1C 정전류 방전(컷오프 전압: 1.5V)로 충방전을 50회 실시하여, 사이클 수에 따른 방전 용량 유지율을 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타낸 것과 같이, 고체 전해질을 사용하지 않은 비교예 1의 경우, 약 15 사이클 후 방전 용량 유지율이 80% 이하로 저하되다가, 30 사이클 후에는 약 60% 미만으로 저하되어, 60 사이클 후에는 고작 24%로서 현저하게 열화된 사이클 수명 특성을 나타냄을 알 수 있다. 그에 반하여, Sn과 고체 전해질을 사용한 실시예 1 및 2의 경우, 50 사이클 후에도 60% 및 47%의 용량 유지율을 나타냄을 알 수 있다.The prepared half cell was charged and discharged 50 times with 0.1C constant current charge (cutoff voltage: 0.01V) and 0.1C constant current discharge (cutoff voltage: 1.5V), and the discharge capacity retention rate according to the number of cycles is shown in FIG. 5. . As shown in FIG. 5, in Comparative Example 1 in which a solid electrolyte was not used, the discharge capacity retention ratio dropped to 80% or less after about 15 cycles, but dropped to less than about 60% after 30 cycles, and after 60 cycles. It can be seen that the cycle life characteristics are markedly degraded as only 24%. In contrast, in Examples 1 and 2 using Sn and a solid electrolyte, it can be seen that even after 50 cycles, capacity retention rates of 60% and 47% were obtained.
또한 고체 전해질을 사용하더라도, 그 이온 전도도가 1.50 X 10-5S/cm로 낮은 고체 전해질을 사용한 비교예 2의 경우, 약 20회 사이클 후 방전 용량 유지율이 급격하게 저하되어, 약 30회 사이클에서는 방전 용량이 거의 얻어지지 않는 결과가 얻어졌다.In addition, even in the case of using a solid electrolyte, in Comparative Example 2 using a solid electrolyte having a low ionic conductivity of 1.50 × 10 −5 S / cm, the discharge capacity retention rate rapidly decreased after about 20 cycles. A result was obtained in which the discharge capacity was hardly obtained.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.
Claims (6)
이온 전도도가 1.0 X 10-4 S/cm 내지 4.0 X 10-3 S/cm인 고체 전해질을 포함하고, 상기 고체 전해질은 상기 금속계 활성물질 표면에 코팅되어 있는 것이고,
상기 고체 전해질은 하기 화학식 1 내지 3으로 표현되는 것 중 적어도 하나인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
[화학식 1]
LiaXbYcZd(PO4)3
(상기 화학식 1에서,
X는 Zn, Sr, La, Pr, Nd, Eu, Sm, Ta, Ba, Ca 또는 이들의 조합이고,
Y는 Sr, Sb, Nb, Ti, Al, Mg, La, F, Si, B, Ge, O 또는 이들의 조합이고
Z는 In, Mg, W, Al, V, P, Si 또는 이들의 조합이고,
a는 0.1 내지 6.0의 정수이고, b는 0 내지 3.0의 정수이고, c는 0 내지 3.0의 정수이고, d는 0 내지 3.0의 정수임)
[화학식 2]
LiaXbYc
(상기 화학식 2에서,
X는 N, β-Al203, Cd, I, P 또는 이들의 조합이고,
Y는 Cl, Br, N 또는 이들의 조합이고,
a는 0.1 내지 6.0의 정수이고, b는 0 내지 3.0의 정수이고, c는 0 내지 3.0의 정수이고, d는 0 내지 3.0의 정수이고, e는 0 내지 5.0의 정수임)
[화학식 3]
NaXbYcZdOe
(상기 화학식 3에서,
X는 Zn, Sr, La, Pr, Nd, Eu, Sm, Ta, Ba, Ca 또는 이들의 조합이고,
Y는 Sr, Sb, Nb, Ti, Al, Mg, La, F, Si, B, Ge, O 또는 이들의 조합이고,
Z는 In, Mg, W, Al, V, P, Si 또는 이들의 조합이고,
a는 0.1 내지 6.0의 정수이고, b는 0 내지 3.0의 정수이고, c는 0 내지 3.0의 정수이고, d는 0 내지 3.0의 정수이고, e는 0 내지 5.0의 정수임)Metal-based active materials and
A solid electrolyte having an ionic conductivity of 1.0 × 10 −4 S / cm to 4.0 × 10 −3 S / cm, wherein the solid electrolyte is coated on the surface of the metal-based active material,
The solid electrolyte is a negative active material for a lithium secondary battery, which is at least one of the following formulas 1 to 3.
[Formula 1]
Li a X b Y c Z d (PO 4 ) 3
(In Formula 1,
X is Zn, Sr, La, Pr, Nd, Eu, Sm, Ta, Ba, Ca or a combination thereof,
Y is Sr, Sb, Nb, Ti, Al, Mg, La, F, Si, B, Ge, O or a combination thereof
Z is In, Mg, W, Al, V, P, Si or a combination thereof,
a is an integer from 0.1 to 6.0, b is an integer from 0 to 3.0, c is an integer from 0 to 3.0, d is an integer from 0 to 3.0)
(2)
Li a X b Y c
(In the formula (2)
X is N, β-Al 2 O 3 , Cd, I, P or a combination thereof,
Y is Cl, Br, N or a combination thereof,
a is an integer from 0.1 to 6.0, b is an integer from 0 to 3.0, c is an integer from 0 to 3.0, d is an integer from 0 to 3.0, e is an integer from 0 to 5.0)
(3)
N a X b Y c Z d O e
(In Chemical Formula 3,
X is Zn, Sr, La, Pr, Nd, Eu, Sm, Ta, Ba, Ca or a combination thereof,
Y is Sr, Sb, Nb, Ti, Al, Mg, La, F, Si, B, Ge, O or a combination thereof,
Z is In, Mg, W, Al, V, P, Si or a combination thereof,
a is an integer from 0.1 to 6.0, b is an integer from 0 to 3.0, c is an integer from 0 to 3.0, d is an integer from 0 to 3.0, e is an integer from 0 to 5.0)
상기 금속계 활성물질은 Si, Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님), Sn, Sn-R(상기 R은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Sn은 아님) 또는 이들의 조합인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.The method of claim 1,
The metal-based active material is Si, Si-Q alloy (wherein Q is an element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, group 13 elements, group 14 elements, transition metals, rare earth elements and combinations thereof, not Si) ), Sn, Sn-R (wherein R is an element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, group 13 elements, group 14 elements, transition metals, rare earth elements, and combinations thereof, and not Sn) or their The negative electrode active material for lithium secondary batteries which is a combination.
상기 금속계 활성물질은 100nm 내지 15㎛의 평균 입자 사이즈를 갖는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.The method of claim 1,
The metal-based active material is a negative active material for a lithium secondary battery having an average particle size of 100nm to 15㎛.
상기 고체 전해질은 100nm 내지 500nm의 평균 입자 사이즈를 갖는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.The method of claim 1,
The solid electrolyte is a negative active material for a lithium secondary battery having an average particle size of 100nm to 500nm.
상기 금속계 활성 물질과 고체 전해질의 혼합 비율은 99.99 : 0.01 중량% 내지 70 : 30 중량%인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.The method of claim 1,
The mixing ratio of the metal-based active material and the solid electrolyte is 99.99: 0.01 wt% to 70: 30 wt% of a negative active material for a lithium secondary battery.
양극 활물질을 포함하는 양극; 및
비수 전해질
을 포함하는 리튬 이차 전지.A negative electrode comprising the negative electrode active material of any one of claims 1 to 5;
A positive electrode including a positive electrode active material; And
Nonaqueous electrolyte
≪ / RTI >
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