KR101586536B1 - Manufacturing method of carbon fiber sheet current collector for all solid state rechargeable thin film lithium secondary battery, and all solid state rechargeable thin film lithium secondary battery comprising carbon fiber sheet current collector - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전고상 리튬이차전지용 탄소섬유 시트 집전체의 제조방법, 탄소섬유 시트 집전체를 포함하는 전고상 리튬이차전지용 셀 및 이를 포함하는 전고상 리튬이차전지에 관한 것으로 탄소섬유를 용액에 분산하는 단계, 및 분산된 용액을 건조하는 단계를 포함함으로써, 간단한 방법으로 집전체를 제조할 수 있으며 바인더를 사용하지 않고도 복합전극과 매우 우수한 결착력을 유지할 수 있다.The present invention relates to a method for producing a carbon fiber sheet current collector for a full solid lithium secondary battery, a cell for a full solid lithium secondary battery including a carbon fiber sheet current collector, and a whole solid lithium secondary battery including the same, And a step of drying the dispersed solution, the current collector can be manufactured by a simple method, and a very good adhesion force can be maintained with the composite electrode without using a binder.
Description
본 발명은 탄소섬유의 분산 및 건조과정 만으로 제조할 수 있으며 바인더를 사용하지 않고도 복합전극과 매우 우수한 결착력을 유지할 수 있는 전고상 리튬이차전지용 탄소섬유 시트 집전체의 제조방법, 상기 집전체를 포함하는 전고상 리튬이차전지용 셀 및 이를 포함하는 전고상 리튬이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a carbon fiber sheet current collector for a full solid lithium secondary battery which can be produced only by dispersion and drying of carbon fibers and can maintain a very good binding force with a composite electrode without using a binder, And more particularly, to a solid-state lithium secondary battery cell and a full-solid lithium secondary battery including the same.
최근 들어 반도체 산업이 발달되고 집적도가 향상됨으로써 전자기기들이 점차 소형화 및 경량화되고 있다. 따라서 이에 요구되는 전류와 전력의 수준이 크게 높아지는 추세에 있다. 이러한 추세에 발맞추어 고상전지의 실용화가 가능해졌고, 이를 위해서 박막형 리튬이차전지에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.Recently, as semiconductor industry has been developed and integration degree has been improved, electronic devices are gradually becoming smaller and lighter. Therefore, the current and power levels required for such a trend are increasing. In line with this trend, solid-state batteries have become practical, and thin-film lithium secondary batteries have been actively researched.
비수용성 액체전해질 또는 고분자전해질로 구성되어 상용화된 리튬이차전지는 그 충방전 성능은 우수하나 액체전해질의 폭발 및 발화 위험이 있어 안전성 확보에 어려움이 있다. 또한 액체전해질과 전극, 분리막과의 전기화학 반응이 복잡하게 일어나 열화되어 결국 성능이 퇴화되거나 수명이 단축되는 문제가 있다. 그에 비해 무기 고체전해질은 액체전해질보다는 리튬이온 전도도가 낮으나, 폭발 및 발화위험이 없는 안전한 소재이다. The lithium ion secondary battery composed of a non-aqueous liquid electrolyte or a polymer electrolyte is excellent in charge / discharge performance, but there is a risk of explosion and ignition of the liquid electrolyte, thus making it difficult to secure safety. In addition, the electrochemical reaction between the liquid electrolyte and the electrode and the separator is complicated and deteriorates, resulting in deterioration of performance and shortening of the lifetime. In contrast, inorganic solid electrolytes are less safe than liquid electrolytes and have low lithium ion conductivity, but are safe materials without explosion or ignition hazard.
최근 대두된 에너지 위기문제에 대해 에너지 소비가 크고 환경오염의 주원인인 자동차용 에너지 형태를 개선해야한다 점에 전세계가 공감하면서, 에너지 저장기기인 리튬이차전지가 탑재된 하이브리드형 전기자동차에 대한 실용화가 이미 시작되고 있을 뿐만 아니라 차후에 더 광범위한 응용에 적용될 것으로 전망되고 있다. The world has agreed to improve the energy form of automobile, which is the major cause of energy pollution and the main cause of environmental pollution, in the energy crisis problem that has emerged in recent years, and the commercialization of hybrid electric vehicle equipped with lithium secondary battery, which is an energy storage device, It has already begun and is expected to be applied to a wider range of applications in the future.
따라서 리튬이차전지는 소형전자기기 뿐만 아니라 중대형 에너지 저장기기로의 탑재범위가 넓어지면서 리튬이차전지의 유비쿼터스화가 이미 진행되고 있다. 리튬이차전지가 중대형화됨에 따라, 폭발 및 발화위험이 없는 안전한 전지소재, 특히 전해질 소재 기술개발이 무엇보다 중요하고, 해결해야할 필수불가결한 기술이다.As a result, lithium secondary batteries have already been developed as ubiquitous lithium secondary batteries, as they have wider range of applications to small and medium-sized energy storage devices as well as small electronic devices. As lithium secondary batteries become larger and larger, there is no risk of explosion and ignition, and development of safe battery materials, especially electrolyte materials, is an important and indispensable technology to solve.
고체전해질 소재로는 산화물계, 할라이드계, 황화물계 등 다양한 무기소재들이 제시되었다. 이 중에서 황화물계 고체전해질을 사용하는 전고상 리튬이차전지의 경우에는 통상 고체전해질 층을 사이에 두고 복합전극/고체전해질/복합전극 또는 복합전극/고체전해질/Li-In 합금의 구성을 갖는 3층 단위 셀을 통해 작동이 이루어진다. 이러한 구성을 갖는 셀은 분말 적층 및 성형을 통한 벌크 펠렛, 슬러리 캐스팅과 같은 코팅 공정을 통해 후막의 형태로 제조가 가능하며, 이후 고체 입자 사이의 결합력을 향상시키기 위해 몰드 또는 롤 프레스를 이용하여 가압공정을 거치게 된다. 가압 후 몰드 그대로 전지 특성 평가가 이루어지거나 압축된 셀을 분리하여 코인 셀 또는 파우치 셀로 밀봉 조립 후 전지 특성 평가가 이루어진다. 코인/파우치 셀의 경우에는 전극 형성 공정 중 또는 가압 공정 중에 금속 집전체를 포함하여 셀을 제작하여야 한다. 상기 전극 형성 공정 중에 금속 집전체를 포함하도록 하기 위해서는 전극을 바인더 및 용매와 혼합하여 슬러리화한 후 도포와 같은 후막 공정에 의해 집전체에 접착이 되도록 한다. 통상 사용하고 있는 알루미늄 또는 구리와 같은 금속 호일 형태의 금속 집전체는 표면처리를 하더라도 일정 양의 바인더를 사용해야만 전극과의 결착력을 유지할 수 있다. 하지만 전고상 리튬이차전지의 경우 전극에 다량의 고체전해질이 함유되어 있어 소량의 바인더만으로도 활물질과 고체전해질의 리튬 및 전자전도에 문제가 발생하므로 바인더의 함량을 최소화할 필요가 있다. 그러나 이로 인해 전극과 집전체의 결착력은 더욱 불리하게 된다. Various inorganic materials such as oxides, halides, and sulfides have been proposed as solid electrolyte materials. In the case of a solid lithium secondary battery using a sulfide-based solid electrolyte, a three-layered structure having a composite electrode / solid electrolyte / composite electrode or composite electrode / solid electrolyte / Li- Operation is performed through the unit cell. Cells having such a structure can be manufactured in the form of a thick film through a coating process such as bulk pelletization and slurry casting through powder lamination and molding, and thereafter, by using a mold or a roll press to increase the bonding force between solid particles, Process. After the pressure is applied, the battery characteristics are evaluated as a mold, or the compressed cells are separated and sealed and assembled into a coin cell or a pouch cell. In the case of a coin / pouch cell, a cell including a metal current collector must be fabricated during the electrode forming process or during the pressurizing process. In order to include the metal current collector in the electrode forming step, the electrode is mixed with a binder and a solvent to form a slurry, and the electrode is adhered to the current collector by a thick film process such as coating. A metal foil-shaped metal current collector such as aluminum or copper, which is usually used, can maintain the binding force with the electrodes only by using a certain amount of binder even when subjected to a surface treatment. However, in the case of a solid state lithium secondary battery, since a large amount of solid electrolyte is contained in the electrode, a small amount of binder may cause problems in lithium and electron conduction of the active material and the solid electrolyte, so that the content of the binder needs to be minimized. However, this makes the adhesion force between the electrode and the current collector more disadvantageous.
따라서 바인더 없이도 전극과 집전체가 우수한 결착력으로 결합할 수 있는 기술이 요구되고 있다.Therefore, there is a demand for a technique capable of bonding the electrode and the current collector with excellent bonding force without a binder.
본 발명의 목적은 탄소섬유의 분산 및 건조과정만으로 제조할 수 있으며 바인더를 사용하지 않고도 복합전극과 매우 우수한 결착력을 유지할 수 있는 전고상 리튬이차전지용 탄소섬유 시트 집전체의 제조방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a carbon fiber sheet current collector for a full-bore lithium secondary battery, which can be produced only by dispersing and drying carbon fibers and can maintain a very good binding force with a composite electrode without using a binder.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 탄소섬유 시트 집전체를 포함하는 전고상 리튬이차전지용 셀을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a cell for a full solid lithium secondary battery comprising the carbon fiber sheet current collector.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 셀을 포함하는 전고상 리튬이차전지를 제공하는데 있다. It is still another object of the present invention to provide a pre-solid lithium secondary battery including the cell.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전고상 리튬이차전지용 탄소섬유 시트 집전체의 제조방법은 탄소섬유를 용액에 분산하는 단계 및 상기 분산된 용액을 건조하여 탄소섬유 시트를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다. 또한, 상기 탄소섬유 시트를 제조하는 단계 이후에 상기 탄소섬유 시트를 가압하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a current collector for a carbon fiber sheet for a rechargeable lithium battery, comprising the steps of: dispersing carbon fibers in a solution; and drying the dispersed solution to produce a carbon fiber sheet can do. Further, the method may further include pressing the carbon fiber sheet after the step of manufacturing the carbon fiber sheet.
상기 탄소섬유는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 정렬된 탄소나노튜브(SACNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 및 기상성장탄소섬유(VGCF)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다.The carbon fibers may be one or more selected from the group consisting of single wall carbon nanotubes (SWCNTs), aligned carbon nanotubes (SACNTs), multiwall carbon nanotubes (MWCNTs) and vapor grown carbon fibers (VGCFs) have.
상기 용액은 23 내지 26 ℃에서 휘발되며, 200 ℃이하에서 건조되는 것, 바람직하게는 증류수, 아세톤, 에탄올 및 메탄올로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다.The solution is volatilized at 23 to 26 DEG C and dried at 200 DEG C or lower, preferably distilled water, acetone, ethanol and methanol.
상기 건조하는 단계는 90 내지 120 ℃에서 5 내지 30분 동안 1차 건조하는 단계; 및 40 내지 70 ℃에서 9 내지 12시간 동안 2차 건조하는 단계로 수행될 수 있다.The drying step may include a primary drying at 90 to 120 ° C for 5 to 30 minutes; And secondary drying at 40 to 70 DEG C for 9 to 12 hours.
상기 가압하는 단계는 0.5 내지 2.5 ton/㎠로 가압할 수 있다.The pressing step may be pressurized to 0.5 to 2.5 ton / cm < 2 >.
또한, 상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전고상 리튬이차전지용 셀은 상기 제조방법에 따라 제조된 탄소섬유 시트 집전체; 상기 탄소섬유 시트 집전체 상면에 구비된 복합전극 슬러리; 및 상기 복합전극 슬러리 상면에 구비된 고체전해질;을 포함할 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a cell for a full-solid lithium secondary battery, comprising: a carbon fiber sheet current collector manufactured according to the manufacturing method; A composite electrode slurry provided on the top surface of the carbon fiber sheet current collector; And a solid electrolyte provided on the upper surface of the composite electrode slurry.
상기 복합전극 슬러리는 Li2S와 P2S5, SiS2, GeS2, B2S3 및 Al2S5로 이루어진 군에서 선택된 1종이 혼합된 전해질과 활물질이 60:40 내지 20:80의 중량비로 혼합되며, 추가적으로 전자전도성 향상을 위해 도전제를 포함할 수 있다. The composite electrode slurry may be prepared by mixing one electrolyte selected from the group consisting of Li 2 S, P 2 S 5 , SiS 2 , GeS 2 , B 2 S 3, and Al 2 S 5 and an active material in an amount of 60:40 to 20:80 And they may further contain a conductive agent for improving the electronic conductivity.
상기 활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 및 다성분계 활물질 Li(Co, Ni, Mn, Al)O2 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있으며, 표면 코팅된 활물질 또한 포함할 수 있다. The active material may be one selected from the group consisting of LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4, and a multi-component active material Li (Co, Ni, Mn, Al) O 2 and may also include a surface-coated active material.
상기 고체전해질은 Li2S와 P2S5, SiS2, GeS2, B2S3 및 Al2S5로 이루어진 군에서 선택된 1종이 70:30 내지 80:20의 몰비로 혼합 후 기계적 밀링 및 후열처리 공정에 의해 제조된 것일 수 있다. The solid electrolyte is a mixture of Li 2 S, P 2 S 5 , SiS 2 , GeS 2 , B 2 S 3 and Al 2 S 5 in a molar ratio of 70:30 to 80:20, followed by mechanical milling and Or may be one produced by a post heat treatment process.
또한, 상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전고상 리튬이차전지는 상기 셀을 포함할 수 있다.In order to achieve the above-mentioned further object, the full solid lithium secondary battery of the present invention may include the cell.
본 발명의 전고상 리튬이차전지용 탄소섬유 시트 집전체는 탄소섬유의 분산 및 건조과정 만으로 제조될 수 있으며 바인더를 사용하지 않고도 복합전극과 매우 우수한 결착력을 유지할 수 있다. 또한, 뛰어난 인성으로 인해 복합전극의 부피변화를 쉽게 수용할 수 있으므로 장시간의 충방전 과정 중에 집전체가 박리되는 현상을 억제할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 집전체의 높은 전자전도도로 인해 전체적인 배터리의 특성을 향상시킬 수 있으며, 집전체를 원하는 형태와 크기로 쉽게 가공이 가능하여 다양한 구조의 전고상 리튬이차전지에 활용할 수 있다. The carbon fiber sheet current collector for a full solid lithium secondary battery of the present invention can be produced only by dispersion and drying of carbon fibers and can maintain a very good adhesion force with a composite electrode without using a binder. In addition, since the volume change of the composite electrode can be easily accommodated due to the excellent toughness, it is possible to suppress the peeling of the current collector during the charging / discharging process for a long time. In addition, due to the high electronic conductivity of the current collector of the present invention, the characteristics of the battery as a whole can be improved, and the current collector can be easily processed into a desired shape and size, so that the present invention can be applied to all-solid state lithium secondary batteries having various structures.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 탄소섬유 시트 집전체를 포함한 벌크형 셀을 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제조실시예에 따라 제조된 탄소섬유 시트 집전체를 포함한 후막형 셀을 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제조실시예에 따라 제조된 탄소섬유 시트 집전체의 사진이다.
도 4는 본 발명의 제조실시예에 따라 제조된 탄소섬유 시트 집전체를 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 벌크 셀과 비교예에서 제조된 벌크 셀에서 집전체와 복합전극의 결합력을 측정한 사진이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 벌크 셀을 포함한 전고상 리튬이차전지의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.1 is a view illustrating a process of manufacturing a bulk cell including a carbon fiber sheet current collector according to an embodiment of the present invention.
2 is a view illustrating a process of manufacturing a thick-film type cell including a carbon fiber sheet current collector manufactured according to an embodiment of the present invention.
3 is a photograph of a carbon fiber sheet collector manufactured according to the production example of the present invention.
4 is a SEM photograph of a carbon fiber sheet collector manufactured according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a photograph showing the binding force between a collector and a composite electrode in a bulk cell manufactured in accordance with an embodiment of the present invention and a bulk cell manufactured in a comparative example.
FIG. 6 is a graph showing charge / discharge characteristics of a solid-state lithium secondary battery including a bulk cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 탄소섬유의 분산 및 건조과정 만으로 제조할 수 있으며 바인더를 사용하지 않고도 복합전극과 매우 우수한 결착력을 유지할 수 있는 전고상 리튬이차전지용 탄소섬유 시트 집전체의 제조방법, 상기 탄소섬유 시트 집전체를 포함하는 전고상 리튬이차전지용 셀 및 이를 포함하는 전고상 리튬이차전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a carbon fiber sheet current collector for a full-solid lithium secondary battery which can be produced only by dispersing and drying carbon fibers and can maintain a very good binding force with a composite electrode without using a binder, The present invention relates to a cell for a full solid lithium secondary battery, and a whole solid lithium secondary battery including the same.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 전고상 리튬이차전지용 집전체의 제조방법은 탄소섬유를 용액에 분산하는 단계; 및 상기 분산된 용액을 건조하여 탄소섬유 시트를 제조하는 단계;를 포함한다. 또한, 상기 탄소섬유 시트를 제조하는 단계 이후에 탄소섬유 시트를 가압하는 단계를 더 포함할 수 있다.A method for manufacturing a current collector for a full-solid lithium secondary battery according to the present invention includes the steps of: dispersing carbon fibers in a solution; And drying the dispersed solution to prepare a carbon fiber sheet. Further, the method may further include pressing the carbon fiber sheet after the step of manufacturing the carbon fiber sheet.
먼저, 상기 분산하는 단계는 탄소섬유 시트 집전체의 균일한 분포와 두께를 제어하기 위하여 뭉쳐있는 탄소섬유를 용액에 최대한 균일하게 분산한다.First, the dispersing step disperses the bundled carbon fibers into a solution as uniformly as possible in order to control the uniform distribution and thickness of the carbon fiber sheet current collector.
집전체로 사용되는 탄소섬유 시트를 제조하는데 사용되는 탄소섬유는 탄소섬유만으로도 적절한 탄성 및 강도를 가지며 그물망 형태의 시트를 구현할 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않지만, 바람직하게는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 정렬된 탄소나노튜브(SACNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 및 기상성장탄소섬유(VGCF)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 상기 탄소섬유는 용액에 분산 후 건조과정 만으로도 섬유끼리 우수하게 연결되어 시트형태를 나타낸다.The carbon fiber used for producing the carbon fiber sheet used as the current collector is not particularly limited as long as it has appropriate elasticity and strength even with carbon fiber alone and can realize a mesh-type sheet. Preferably, the carbon fiber is a single wall carbon nanotube (SWCNT) , Aligned carbon nanotubes (SACNT), multiwall carbon nanotubes (MWCNT), and vapor grown carbon fibers (VGCF). The carbon fibers are dispersed in a solution and then dried to form a sheet.
상기 용액은 탄소섬유를 용이하게 분산시키며, 탄소섬유가 손상을 입지 않는 온도 범위에서 건조과정을 제어할 수 있는 용액이라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 23 내지 26 ℃에서 휘발되며 200 ℃이하에서 건조되는 용액, 더욱 바람직하게는 증류수, 아세톤, 에탄올 및 메탄올로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 들 수 있다. 탄소섬유 시트는 건조온도 및 승온 속도에 따라 탄소섬유끼리 얽히고 수축되는 정도에 영향을 끼치므로 균일한 탄소섬유 시트를 제조하기 위해서는 용액에 따라 건조 조건을 설정하는 것이 바람직하다. The solution is not particularly limited as long as it is a solution capable of easily dispersing the carbon fibers and controlling the drying process in a temperature range in which the carbon fibers are not damaged, but is preferably volatilized at 23 to 26 ° C, And more preferably one or more selected from the group consisting of distilled water, acetone, ethanol and methanol. Since the carbon fiber sheet affects the degree of entanglement and shrinkage of the carbon fibers depending on the drying temperature and the heating rate, it is preferable to set the drying conditions according to the solution in order to produce a uniform carbon fiber sheet.
상기 분산방법은 탄소섬유가 균일하게 분산되는 방법이라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 계면활성제 및 산처리를 이용한 화학적 분산법 또는 초음파 분산, 밀링을 이용한 물리적 분산법을 들 수 있다.The dispersion method is not particularly limited as far as the carbon fiber is uniformly dispersed, but preferably includes a physical dispersion method using a chemical dispersion method using a surfactant and an acid treatment, or a physical dispersion method using ultrasonic dispersion and milling.
상기 용액에 분산된 탄소섬유는 용매 증발 과정 동안 충분한 분산 상태를 유지할 수 있도록 20분 이상, 바람직하게는 30분 이상 응집 현상으로 인해 뜨거나 가라앉지 않는 분산 상태를 유지해야 한다. 20분 이내에 탄소섬유의 응집 현상이 발생할 경우에는 탄소섬유 시트의 두께가 불균일해져 복합전극과의 결합력 및 전자전도도를 감소시킬 수 있다. The carbon fibers dispersed in the solution should be maintained in a dispersed state that does not float or sink due to agglomeration for 20 minutes or more, preferably 30 minutes or more, so as to maintain a sufficient dispersion state during the evaporation of the solvent. If the aggregation of carbon fibers occurs within 20 minutes, the thickness of the carbon fiber sheet becomes nonuniform, and the bonding force with the composite electrode and the electronic conductivity can be reduced.
다음으로, 상기 탄소섬유가 분산된 용액을 건조시켜 탄소섬유가 건조과정 중에 수축이 일어남으로써 밀집된 형태의 시트를 얻을 수 있다.Next, the solution in which the carbon fibers are dispersed is dried to shrink the carbon fibers during the drying process to obtain a dense sheet.
이러한 건조과정은 1차로 수행될 수 있지만, 보다 밀집된 형태의 시트를 얻기 위해서는 2차로 수행되는 것이 바람직하다. 구체적으로 탄소섬유가 분산된 용액을 90 내지 120 ℃에서 5 내지 30분 동안 1차 건조하는 단계; 및 40 내지 70 ℃에서 9 내지 12시간 동안 2차 건조하는 단계로 수행된다. 상기 1차 건조는 분산된 탄소섬유가 응집되는 것을 방지하기 위하여 고온에서 신속하게 수행하며, 2차 건조는 탄소섬유 시트의 급속한 수축을 방지하고 남은 용액을 전부 제거하기 위하여 1차 건조에 비하여 낮은 온도에서 오랜 시간 동안 수행된다. Such a drying process can be carried out primarily, but it is preferable to perform the drying process in order to obtain a more dense sheet. Specifically, the carbon fiber-dispersed solution is first dried at 90 to 120 DEG C for 5 to 30 minutes; And secondary drying at 40 to 70 DEG C for 9 to 12 hours. The primary drying is performed at a high temperature to prevent aggregation of the dispersed carbon fibers. The secondary drying is carried out at a temperature lower than that of the primary drying in order to prevent the rapid shrinkage of the carbon fiber sheet and to completely remove the remaining solution For a long time.
다음으로, 상기 건조된 탄소섬유 시트의 내구성 향상 및 두께 감소를 위하여 탄소섬유 시트를 0.5 내지 2.5 ton/㎠의 압력으로 가압한다. 이렇게 제조된 탄소섬유 시트의 두께는 1 ㎛ 내지 150 ㎛이다. 탄소섬유 시트의 두께가 상기 하한치 미만인 경우에는 시트의 강도, 인성 및 치밀도가 낮아질 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 시트의 균일한 두께 제어가 어렵고, 복합전극과 결착력 및 전자전도도가 낮아질 수 있다.Next, in order to improve the durability and reduce the thickness of the dried carbon fiber sheet, the carbon fiber sheet is pressed at a pressure of 0.5 to 2.5 ton / cm 2. The carbon fiber sheet thus produced has a thickness of 1 to 150 mu m. If the thickness of the carbon fiber sheet is less than the lower limit, the strength, toughness and compactness of the sheet may be lowered. If the carbon fiber sheet is above the upper limit, it may be difficult to control the thickness of the sheet uniformly, .
이와 같이 제조된 탄소섬유 시트를 적용하고자 하는 전극의 모양에 맞추어 절단할 수도 있다.
The carbon fiber sheet thus produced may be cut according to the shape of the electrode to be applied.
또한, 본 발명은 상기 제조된 탄소섬유 시트 집전체를 적용한 전고상 리튬이차전지용 셀을 제공한다.Also, the present invention provides a cell for a full solid lithium secondary battery to which the carbon fiber sheet current collector manufactured above is applied.
본 발명의 전고상 리튬이차전지용 셀은 상기 제조된 탄소섬유 시트 집전체; 상기 탄소섬유 시트 집전체 상면에 구비된 복합전극 슬러리; 및 상기 복합전극 슬러리 상면에 구비된 고체전해질;을 포함한다.A cell for a full solid lithium secondary battery according to the present invention comprises the carbon fiber sheet aggregate manufactured as described above; A composite electrode slurry provided on the top surface of the carbon fiber sheet current collector; And a solid electrolyte provided on the upper surface of the composite electrode slurry.
본 발명에 따른 탄소섬유 시트 집전체를 이용하면 바인더 없이 또는 바인더 사용량을 최소화하여도 복합전극과 우수한 결착력으로 결합시킬 수 있을 뿐만 아니라, 종래 바인더 사용으로 인한 이온 및 전자전도도 감소를 최소화할 수 있다.The carbon fiber sheet current collector according to the present invention can be combined with the composite electrode with excellent binding force without using a binder or with a minimum amount of binder, and minimization of ion and electron conductivity due to use of a conventional binder can be minimized.
상기 고체전해질은 황화물계 고체전해질로서, 망목수식체인 Li2S와 망목형성체인 P2S5, SiS2, GeS2, B2S3 및 Al2S5로 이루어진 군에서 선택된 1종이 70:30 내지 80:20의 몰비로 혼합된 후 용융-냉각법 또는 기계적 밀링법을 이용하여 합성 및 비정질화시켜 제조한다. 또한, 추가적으로 전도도 향상을 위해 열처리공정을 수행할 수도 있다.The solid electrolyte is a sulfide-based solid electrolyte. One solid electrolyte selected from the group consisting of Li 2 S, which is a mesh formula, and P 2 S 5 , SiS 2 , GeS 2 , B 2 S 3 and Al 2 S 5 , To 80:20, followed by synthesis and amorphization using a melt-cooling method or a mechanical milling method. In addition, a heat treatment process may be further performed to improve the conductivity.
상기 복합전극 슬러리는 상기 황화물계 고체전해질, 활물질 및 도전제가 40-80:20-60:0-7의 중량비로 혼합하여 제조된다. 복합전극 슬러리를 제조시 입자들의 결합력을 향상시키기 위하여 특성에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 바인더를 추가할 수 있다. 상기 활물질은 구현하고자 하는 전지의 전압 및 용량에 따라 통상의 양극 또는 음극 활물질 중 선택적으로 사용하면 되지만, 바람직하게는 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 및 다성분계 활물질 Li(Co, Ni, Mn, Al)O2 로 이루어진 군에서 선택된 1종일을 들 수 있으며, 표면 코팅된 활물질 또한 포함할 수 있다. 또한, 상기 도전제는 전자 전도성의 향상을 위해 사용하는 것으로서 통상의 도전제 중에서 전기적 특성에 따라 적용에 유리한 것을 사용하는 것이 바람직하다.The composite electrode slurry is prepared by mixing the sulfide-based solid electrolyte, the active material, and the conductive agent in a weight ratio of 40-80: 20-60: 0-7. In order to improve the binding force of the particles when preparing the composite electrode slurry, a binder may be added within a range that does not affect the properties. The active material is selectively used in conventional positive or negative electrode active material in accordance with the voltage and capacity of the battery, but to be implemented, preferably LiCoO 2, LiNiO 2, LiMn 2 O 4 and a multi-component active material, Li (Co, Ni, Mn , Al) O 2 , and may also include a surface-coated active material. In addition, the conductive agent is used for improving the electronic conductivity, and it is preferable to use one that is advantageous for application according to electrical characteristics among ordinary conductive agents.
본 발명에 따른 셀의 제조방법은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.A method of manufacturing a cell according to the present invention will be described with reference to Figs. 1 and 2. Fig.
도 1에 도시된 바와 같이, 전해질 지지층을 이용한 벌크형 전고상 리튬이차전지용 셀은 2가지 방법으로 제조될 수 있다.As shown in FIG. 1, a cell for a bulk type all solid lithium secondary battery using an electrolyte supporting layer can be manufactured by two methods.
방법 1은 복합전극 슬러리를 고체전해질 펠렛 지지체 표면에 도포한 후 탄소섬유 시트를 복합전극 슬러리 표면에 부착, 건조 및 가압공정을 통해 셀을 제조할 수 있다. 이때, 부착, 건조 및 가압공정 순서 대신에 복합전극 슬러리가 도포된 고체전해질을 건조, 복합전극 슬러리 표면에 탄소섬유 시트 부착 및 가압공정으로 수행될 수도 있다. 고체전해질 하면에는 상대전극으로 리튬 및 인듐과 같은 금속 호일을 부착하거나, 음극 활물질을 포함하는 복합전극 슬러리를 추가적으로 도포 및 건조하고 가압공정을 통해 셀을 제조할 수 있다. 여기서 양극 및 음극의 복합전극 슬러리는 사전에 건조 과정을 거친 분말 형태로 준비하고 고체전해질 표면에 도포하여 복합전극 형성이 가능하다.In the method 1, the composite electrode slurry is coated on the surface of the solid electrolyte pellet support, and then the carbon fiber sheet is attached to the surface of the composite electrode slurry, and the cell is manufactured by drying and pressing. In this case, the solid electrolyte coated with the composite electrode slurry may be dried, and the carbon fiber sheet attached to the surface of the composite electrode slurry and the pressing process may be performed instead of the adhesion, drying, and pressing process steps. On the lower surface of the solid electrolyte, a metal foil such as lithium and indium may be attached as a counter electrode, or a composite electrode slurry containing a negative electrode active material may be additionally coated and dried, and the cell may be manufactured through a pressing process. Here, the composite electrode slurry of the positive electrode and the negative electrode is prepared in the form of powder which has been dried beforehand, and it can be applied to the surface of the solid electrolyte to form a composite electrode.
방법 2는 탄소섬유 시트 표면에 복합전극 슬러리를 도포한 후 복합전극 슬러리 측을 고체전해질에 부착, 건조 및 가압공정을 통해 셀을 제조할 수 있다. 이때 부착, 건조 및 가압공정 대신에 복합전극 슬러리가 도포된 탄소섬유 시트를 건조, 고체전해질에 부착 및 가압 공정으로 수행될 수도 있다. 방법 1에서와 동일하게 고체전해질 하면에는 상대전극으로 리튬 및 인듐과 같은 금속 호일을 부착하거나, 음극 활물질을 포함하는 복합전극 슬러리를 추가적으로 도포 및 건조하고 가압공정을 통해 셀을 제조할 수 있다. 여기서 양극 및 음극의 복합전극 슬러리 역시 사전에 건조 과정을 거친 분말 형태로 준비하고 고체전해질 표면에 도포하여 복합전극 형성이 가능하다.In the method 2, after the composite electrode slurry is coated on the surface of the carbon fiber sheet, the composite electrode slurry side can be attached to the solid electrolyte, and the cell can be manufactured by drying and pressing. In this case, the carbon fiber sheet coated with the composite electrode slurry may be dried, adhered to the solid electrolyte, and pressurized in place of the adhesion, drying and pressing process. In the same manner as in the method 1, a metal foil such as lithium and indium may be adhered to the lower surface of the solid electrolyte, or a composite electrode slurry containing the negative electrode active material may be additionally coated and dried, and the cell may be manufactured through a pressing process. Here, the composite electrode slurry of the positive electrode and the negative electrode may be prepared in a powder form previously dried and then applied to the surface of the solid electrolyte to form a composite electrode.
도 2에 도시된 바와 같이, 전 공정에서 슬러리를 이용한 후막형 전고상 리튬이차전지용 셀은 다음과 같이 제조될 수 있다. 탄소섬유 시트 표면에 복합전극 슬러리를 캐스팅 또는 그 이외의 방법으로 코팅하고 건조 후 고체전해질 슬러리를 복합전극 상면에 코팅, 건조를 통해 2층 단위 셀을 제조한다. 고체전해질 층 상면에는 상대전극으로 리튬 및 인듐과 같은 금속 호일을 부착하거나, 음극 활물질을 포함하는 복합전극 슬러리를 추가적으로 코팅 및 건조하고 가압공정을 통해 셀을 제조할 수 있다.
As shown in FIG. 2, the thick-film all-solid lithium secondary battery cell using the slurry in the previous step can be manufactured as follows. The composite electrode slurry is coated on the carbon fiber sheet surface by casting or other methods and dried, and then the solid electrolyte slurry is coated on the upper surface of the composite electrode and dried to prepare a two-layer unit cell. A metal foil such as lithium and indium may be attached to the upper surface of the solid electrolyte layer as a counter electrode, or a composite electrode slurry containing the negative electrode active material may be additionally coated and dried, and the cell may be manufactured through a pressing process.
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.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention. Such variations and modifications are intended to be within the scope of the appended claims.
제조실시예Manufacturing Example 1-4. 1-4. 탄소섬유Carbon fiber 시트 Sheet 집전체의Whole-house 제조 Produce
아세톤 25 ㎖에 0.06 g/cm3의 밀도를 갖는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 0.02 g, 0.05 g, 0.08 g 및 0.1 g을 각각 투입하여 10분 동안 300-500 W의 출력으로 초음파 분산하여 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 현탁액을 제조한 후 상기 현탁액을 성형 몰드에 부은 다음 오븐을 이용하여 100 ℃에서 20분 동안 1차 건조하고 60 ℃에서 12시간 동안 2차 건조하여 탄소섬유 시트를 제조하였다. 상기 건조된 탄소섬유 시트를 2 ton/㎠으로 1 분간 압착한 후 지름 16 mm 코인 셀에 적용하기 위해 16 mm 원형 펀치로 절단하였다.
0.02 g, 0.05 g, 0.08 g and 0.1 g of a multiwalled carbon nanotube (MWCNT) having a density of 0.06 g / cm 3 were added to 25 ml of acetone, respectively, and ultrasonically dispersed for 300 minutes at an output of 300-500 W for 10 minutes Carbon nanotubes were uniformly dispersed, and the suspension was poured into a mold, followed by primary drying at 100 ° C for 20 minutes and secondary drying at 60 ° C for 12 hours using an oven to prepare a carbon fiber sheet Respectively. The dried carbon fiber sheet was pressed at 2 ton / cm 2 for 1 minute and then cut into a 16 mm circular punch for application to a 16 mm diameter coin cell.
제조실시예Manufacturing Example 5. 황화물계 5. Sulfide series 고체전해질의Solid electrolyte 제조 Produce
78:22의 조성비로 혼합한 Li2S와 P2S5 분말을 지르코니아 밀링포트 안에 넣고 밀봉 후 10 mm 지르코니아 볼 12개로 20시간 동안 520 rpm으로 기계적 밀링(MM: Mechanical Milling)을 실시하여 비정질 고체전해질을 합성하였다. 합성된 비정질 고체전해질은 아르곤 분위기에서 3시간 동안 210 ℃로 후열처리 공정을 통해 유리 세라믹(glass-cermics) 고체전해질로 결정화시켰다.
The mixture of Li 2 S and P 2 S 5 mixed at a composition ratio of 78:22 was placed in a zirconia milling port and subjected to mechanical milling (MM) at 520 rpm for 20 hours with 12 mm 10 mm zirconia balls to obtain amorphous solid The electrolyte was synthesized. The amorphous solid electrolyte thus synthesized was crystallized into a glass-ceramic solid electrolyte through a post-heat treatment process at 210 ° C. for 3 hours in an argon atmosphere.
제조실시예Manufacturing Example 6. 복합전극 6. Composite electrode 슬러리의Slurry 제조 Produce
아르곤 분위기의 글로브박스 안에서 막자사발을 이용하여 78Li2S-22P2S5조성의 고체전해질, 양극 활물질인 LiCoO2 및 도전제(super P-carbon)를 질량비 58.8:39.2:2로 건식 혼합 후 슬러리 제조를 위해 고체전해질과 반응성이 적은 헵탄 용매를 첨가하여 30분 동안 습식 혼합하였다.
In a glove box of argon atmosphere, a solid electrolyte having a composition of 78Li 2 S-22P 2 S 5 , LiCoO 2 as a cathode active material, and a super P-carbon were dry blended in a mass ratio of 58.8: 39.2: 2 using a mortar bowl, For the preparation, a heptane solvent which is less reactive with the solid electrolyte was added and wet mixed for 30 minutes.
제조비교예Manufacturing Comparative Example 1. 금속 1. Metal 집전체Whole house
금속 집전체는 알루미늄 호일을 사용하였으며 15 ㎛ 두께의 상용 알루미늄 호일을 구입하였다.
Aluminum foil was used as the metal collector and commercial aluminum foil with a thickness of 15 μm was purchased.
실시예Example 1-4. 벌크 셀( 1-4. Bulk cell ( BulkBulk cellcell )의 제조)
상기 제조실시예 6에서 제조된 복합전극 슬러리를 제조실시예 1-4에서 제조된 탄소섬유 시트(집전체) 위에 도포하고 130 ℃에서 2시간 동안 건조하였다.The composite electrode slurry prepared in Preparation Example 6 was coated on the carbon fiber sheet (current collector) prepared in Production Example 1-4 and dried at 130 ° C for 2 hours.
성형 몰드 내에 상기 제조실시예 5에서 제조된 고체전해질을 투입한 후 0.5 ton/㎠로 압력을 가하여 얇은 전해질 지지층을 형성한 후 전해질층 표면에 탄소섬유 시트 집전체가 결합된 복합전극 슬러리를 부착한 다음 2 ton/㎠의 압력을 가하였다. 이 후 상대전극으로 인듐호일을 전해질층의 다른 표면에 부착한 다음 1 ton/㎠으로 압력을 가하여 총 4개의 벌크 셀을 제조하였다.
The solid electrolyte prepared in Production Example 5 was put into a molding mold, and a thin electrolyte supporting layer was formed by applying a pressure of 0.5 ton / cm < 2 >, and then a composite electrode slurry having a carbon fiber sheet current collector bonded to the surface of the electrolyte layer was attached Then, a pressure of 2 ton / cm 2 was applied. Then, indium foil was attached to the other surface of the electrolyte layer as a counter electrode, and then pressure was applied at 1 ton / cm 2 to prepare a total of four bulk cells.
비교예Comparative Example 2. 2.
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 집전체로 제조실시예 1에서 제조된 탄소섬유 시트 집전체 대신에 제조비교예 1에서 제조된 금속 집전체를 사용하여 벌크 셀을 제조하였다.
A bulk cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the current collector produced in Comparative Example 1 was used in place of the carbon fiber sheet current collector manufactured in Example 1 as a current collector.
시험예Test Example 1. One. 탄소섬유Carbon fiber 시트의 두께 및 저항 Sheet thickness and resistance
하기 표 1은 본 발명의 제조실시예 1-4에 따라 제조된 탄소섬유 시트 집전체의 두께와 직류저항 측정값을 나타낸 것이다.Table 1 below shows the thickness and DC resistance measured values of the carbon fiber sheet collector manufactured according to Production Example 1-4 of the present invention.
위 표 1에 나타낸 바와 같이, 탄소섬유 분말의 중량이 증가할수록 두께는 증가하였으나 비저항은 0.05 g의 분말로 제조된 탄소섬유 시트가 가장 작은 값을 나타낸 것을 확인하였다.
As shown in Table 1, as the weight of the carbon fiber powder was increased, the thickness was increased. However, it was confirmed that the carbon fiber sheet made of the 0.05 g powder had the smallest specific resistance.
시험예Test Example 2. 2. 탄소섬유Carbon fiber 시트의 사진 및 Photos of sheets and SEMSEM 촬영 shooting
도 3은 본 발명의 제조실시예 2에 따라 제조된 탄소섬유 시트 집전체의 사진이며, 도 4는 본 발명의 제조실시예 2에 따라 제조된 탄소섬유 시트 집전체의 표면과 단면을 SEM으로 촬영한 사진이다.FIG. 3 is a photograph of a current collector of a carbon fiber sheet manufactured according to Example 2 of the present invention, FIG. 4 is a SEM image of a surface and a cross section of a carbon fiber sheet current collector produced according to Manufacturing Example 2 of the present invention It's a picture.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소섬유 시트 집전체는 얇은 필름 형태이며, 다양한 모양으로 가공이 가능하며(도 3), 탄소섬유가 빈틈이 없이 치밀하게 서로 엉켜져 3차원 구조의 그물망 구조인 것을 확인하였다(도 4).
3 and 4, the carbon fiber sheet current collector according to the present invention is in the form of a thin film and can be processed into various shapes (FIG. 3). The carbon fibers are tightly bonded to one another Dimensional network structure (Fig. 4).
시험예Test Example 3. 3. 집전체의Whole-house 결합력 비교 Bond strength comparison
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 벌크 셀과 비교예에서 제조된 벌크 셀에서 집전체와 복합전극의 결합력을 측정한 사진이다.FIG. 5 is a photograph showing the binding force between a collector and a composite electrode in a bulk cell manufactured in accordance with the second embodiment of the present invention and a bulk cell manufactured in a comparative example.
도 5에 도시된 바와 같이, 3층 단위셀을 가압공정 후 몰드에서 추출한 결과 비교예의 금속 집전체는 복합전극으로부터 탈락되었으나, 실시예 2의 탄소섬유 시트 집전체는 복합전극과의 결합을 유지하였다.
5, the three-layer unit cell was extracted from the mold after the pressing process. As a result, the metal collector of the comparative example was removed from the composite electrode, but the carbon fiber sheet current collector of Example 2 retained the bond with the composite electrode .
시험예Test Example 4. 4. 전고상Former solidarity 리튬이차전지의The lithium secondary battery 충방전Charging and discharging 특성 characteristic
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 벌크 셀을 포함한 전고상 리튬이차전지의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.FIG. 6 is a graph showing charge / discharge characteristics of a full solid lithium secondary battery including a bulk cell manufactured according to Example 2 of the present invention. FIG.
도 6에 도시된 바와 같이, 탄소섬유 시트 집전체가 결합된 전고상 리튬이차전지는 1/20 C-rate에서 120 mAh/g 이상의 높은 방전 용량을 나타내며, 1/2 C-rate에서도 80 mAh/g의 방전 용량을 유지하여 탄소섬유 시트 집전체가 복합전극과 우수한 결합력을 유지하고 있음을 확인하였다. As shown in FIG. 6, the entire solid lithium battery having a carbon fiber sheet current collector exhibits a discharge capacity of 120 mAh / g or more at a 1/20 C-rate, a discharge capacity of 80 mAh / g, the carbon fiber sheet current collector maintained a good bonding force with the composite electrode.
반면, 알루미늄 금속 집전체는 탈락되어 복합전극과 결합을 이루지 못하고 전지 작동이 거의 이루어지지 못하였다.On the other hand, the aluminum metal current collector was not removed and could not be combined with the composite electrode, and the battery operation was hardly performed.
Claims (13)
상기 분산된 용액을 건조하여 탄소섬유 시트를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전고상 리튬이차전지용 집전체의 제조방법.Dispersing the carbon fibers in a solution; And
And drying the dispersed solution to prepare a carbon fiber sheet. The method for manufacturing a current collector for a full-solid lithium secondary battery according to claim 1,
상기 탄소섬유 시트 집전체 상면에 구비되며, 바인더 성분을 포함하지 않는 복합전극 슬러리; 및
상기 복합전극 슬러리 상면에 구비된 고체전해질;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고상 리튬이차전지용 셀.A carbon fiber sheet collector produced by the method of any one of claims 1 to 7;
A composite electrode slurry provided on the top surface of the carbon fiber sheet current collector and containing no binder component; And
And a solid electrolyte provided on the upper surface of the composite electrode slurry.
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