KR102672053B1 - Negative active material, negative electrode and lithium secondary battery comprising thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고분자량의 수계 고분자로 음극 활물질을 코팅하여 리튬 이차전지의 충방전시 발생하는 부피 팽창을 억제하여 전지의 충방전 특성 및 고율 사이클 수명 특성을 향상시킬 수 있는 음극 활물질, 이를 포함하는 음극 및 리튬 이차전지를 개시한다.The present invention provides a negative electrode active material that can improve the charge/discharge characteristics and high-rate cycle life characteristics of a lithium secondary battery by suppressing volume expansion that occurs during charging and discharging of a lithium secondary battery by coating the negative electrode active material with a high molecular weight water-based polymer, and a negative electrode containing the same. and a lithium secondary battery.
Description
본 발명은 음극 활물질, 이를 포함하는 음극 및 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material, a negative electrode containing the same, and a lithium secondary battery.
리튬 이차전지는 4 V대의 높은 전압, -20도에서 50도 이상의 넓은 활용 온도, 1 kW/kg 이상의 높은 출력 밀도, 100 Wh/kg 이상의 높은 에너지 밀도를 가져 전 세계적으로 연구가 활발히 진행되고 있다. 상기 리튬 이차전지는 노트북, 휴대폰과 같은 휴대용 모바일 전원뿐 아니라 HEV(Hybrid Electric Vehicle), PHEV(Plug in Hybrid Electric Vehicle) 그리고 EV(Electric Vehicle), 전력 저장(energy storage system, ESS)까지 다양한 분야로 적용 범위가 확대되고 있다. Lithium secondary batteries have a high voltage of 4 V, a wide operating temperature of -20 degrees to more than 50 degrees, a high power density of more than 1 kW/kg, and a high energy density of more than 100 Wh/kg, and research is being actively conducted around the world. The lithium secondary battery is used in various fields such as portable mobile power sources such as laptops and mobile phones, as well as HEV (Hybrid Electric Vehicle), PHEV (Plug in Hybrid Electric Vehicle), EV (Electric Vehicle), and energy storage system (ESS). The scope of application is expanding.
리튬 이차전지의 음극재는 리튬 이온전지 재료비에서의 비중이 약 15%로, 양극재, 분리막에 이어 세 번째이나, 양극재의 상대극(Counter electrode) 소재로서 전지의 용량 등 성능을 결정하는 핵심소재이다.The anode material of a lithium secondary battery accounts for about 15% of the material cost of a lithium ion battery, ranking third after the anode material and separator. However, as a counter electrode material of the anode material, it is a key material that determines the performance such as the capacity of the battery. .
현재 사용 중인 음극재 종류는 천연 흑연과 인조 흑연으로 양분되어 있으나 다양한 재질의 음극 활물질 후보가 개발 연구되고 있다. The types of anode materials currently in use are divided into natural graphite and artificial graphite, but various candidates for anode active materials are being developed and studied.
천연 흑연은 고용량에 장점을 가지고, 기존 IT용 LiB에 많이 적용되어 왔으나, 전기차/ESS 등 고성능 니즈에 부합하기에는 전지의 부피 팽창(Swelling) 등 이슈가 있다. 이에 대한 신소재로 부각되고 있는 실리콘계 음극 활물질은 음극소재로서 가장 높은 이론적 용량(4,200 mAh/g)을 가져 흑연 대비 용량이 3배 높으나 이또한 충방전시의 부피 팽창 문제가 발생한다. Natural graphite has the advantage of high capacity and has been widely applied to existing IT LiB, but there are issues such as swelling of the battery volume to meet the needs of high performance such as electric vehicles/ESS. Silicon-based anode active material, which is emerging as a new material for this, has the highest theoretical capacity (4,200 mAh/g) as a cathode material, which is three times higher than that of graphite, but it also has the problem of volume expansion during charging and discharging.
리튬 이차전지의 부피 팽창은 리튬 이차전지 내에서 리튬 이온이 삽입되고 탈리되는 과정에서 발생한다. 부피가 급격하게 팽창하여 음극 활물질 입자의 분해 및 이에 따른 리튬 이온의 저장 공간이 손실되어 급격한 용량 감소가 발생하는 단점이 있다. 이러한 문제는 고용량의 음극 활물질인 실리콘계 활물질에서 더욱 심각하게 발생한다. Volume expansion of a lithium secondary battery occurs during the process of insertion and desorption of lithium ions within the lithium secondary battery. There is a disadvantage in that the volume expands rapidly, causing decomposition of the anode active material particles and subsequent loss of storage space for lithium ions, resulting in a rapid decrease in capacity. This problem occurs more seriously in silicon-based active materials, which are high-capacity negative electrode active materials.
실리콘계 활물질은 리튬을 최대량 흡수 저장하면, Li4.4Si로 전환되어, 충전에 의한 부피 팽창이 이루어지며 이 경우 충전에 의한 체적 증가율은 부피 팽창 전 실리콘의 부피에 비해 약 4.12배까지 팽창한다. 이에 충방전시 Si 및 Sn, Al 등의 금속이 리튬과 합금화하여 부피 팽창 및 수축이 발생되어 이는 금속 미분화를 발생시키고 사이클 특성이 저하된다.When the silicon-based active material absorbs and stores the maximum amount of lithium, it is converted to Li 4.4 Si, and volume expansion occurs by charging. In this case, the volume increase rate due to charging expands to about 4.12 times compared to the volume of silicon before volume expansion. Accordingly, during charging and discharging, metals such as Si, Sn, and Al are alloyed with lithium, causing volume expansion and contraction, which causes metal micronization and deteriorates cycle characteristics.
실리콘계 음극 활물질로 대표되는 음극 활물질의 부피 팽창을 억제하기 위한 다양한 방법이 시도되고 있다. Various methods are being attempted to suppress the volume expansion of anode active materials, such as silicon-based anode active materials.
특허문헌 1에서는 실리콘에 전이 금속, 2족, 13족, 14족, 15족 원소에서 선택된 1종 이상의 금속을 혼합시켜 1차 기계적으로 가공하여 분말화시킨 실리콘 금속 합금 혼합물, 탄소 소재 분말 화합물, 탄소나노섬유, 탄소나노튜브 또는 이들의 혼합물, X2CO3로 표시되는(X는 Li, Na, K에서 선택된 알칼리 금속이다) 화합물을 혼합하여 음극 활물질로 사용할 경우 실리콘계 음극 활물질의 단점인 부피 팽창 문제, 전도성 저하 문제, 표면 부반응 문제 등을 크게 개선시켜주는 효과가 있다고 개시하고 있다. 그러나 이러한 방법은 각 성분간 계면이 부서지고 리튬의 흡장 방출에 의하여 조직의 파괴가 발생함으로써 미분화됨에 따라 사이클 열화가 발생되는 문제가 여전히 존재한다.In Patent Document 1, a silicon metal alloy mixture obtained by mixing silicon with one or more metals selected from the group 2, 13, 14, and 15 elements, primary mechanical processing, and powdering, carbon material powder compound, and carbon When using a mixture of nanofibers, carbon nanotubes, or a mixture thereof, or a compound represented by , it is disclosed that it has the effect of significantly improving the problem of conductivity decrease, surface side reaction problem, etc. However, this method still has the problem that cycle deterioration occurs as the interface between each component is broken and the structure is destroyed due to the insertion and release of lithium, resulting in micronization.
이러한 실리콘의 단점을 보안하기 위하여 다공성 실리콘, 할로우실리콘 등의 연구가 진행되고 있다. 일례로 특허문헌 2에서는 내부에 중공부가 형성되며, 이를 둘러싼 껍질부로 실리콘(Si)이 판상형으로 존재하는 활물질 입자 구조를 개시하고 있다.To overcome these shortcomings of silicon, research on porous silicon and hollow silicon is in progress. For example, Patent Document 2 discloses an active material particle structure in which a hollow portion is formed inside and silicon (Si) exists in a plate shape as a shell surrounding the hollow portion.
음극 활물질의 부피 팽창을 억제하기 위한 다른 방법으로, 특허문헌 3, 비특허문헌 1에서는 전극 활물질 표면에 각각 탄소 코팅층을 형성하고, 특허문헌 4에서는 전극 활물질 표면에 전도성 고분자 코팅층을 형성하여 음극 활물질의 부피 팽창을 억제할 수 있다고 언급하고 있다.As another method to suppress the volume expansion of the negative electrode active material, in Patent Document 3 and Non-Patent Document 1, a carbon coating layer is formed on the surface of the electrode active material, and in Patent Document 4, a conductive polymer coating layer is formed on the surface of the electrode active material to reduce the volume of the negative electrode active material. It is mentioned that volume expansion can be suppressed.
특허문헌 5는 음극 활물질층 상에 폴리올레핀계 섬유와 PE 섬유가 섞여있는 섬유 복합체를 형성하여 활물질층의 부피 팽창 및 감소에도 탄성 및 탄성 복원력이 우수하여 전극의 두께 변화가 없는 음극을 제조하는 기술을 언급하고 있다. 상기 섬유로서 비특허문헌 2에서는 카본나노파이버(Carbon Nanofiber, CNF)를, 비특허문헌 3에서는 카본나노튜브(Carbon Nanotube (CNT)의 첨가 연구가 보고되었다.Patent Document 5 describes a technology for producing a negative electrode with no change in the thickness of the electrode by forming a fiber composite of polyolefin fibers and PE fibers on the negative electrode active material layer, which has excellent elasticity and elastic recovery even when the active material layer expands and decreases in volume. It is mentioned. As the fiber, non-patent document 2 reported a study on adding carbon nanofibers (CNF), and non-patent document 3 reported a study on adding carbon nanotubes (CNT).
이러한 방법들은 복잡한 구조체의 형태 제어 기술과, 높은 공정 단가 등의 문제로 복합체의 합성 기술의 한계를 드러내고 있다.These methods reveal the limitations of composite synthesis technology due to problems such as controlling the shape of complex structures and high process costs.
또한, 최근에는 바인더가 리튬화 반응에 있어 많은 영향을 주어 음극 활물질의 용량 및 사이클 안정성 향상에 도움이 된다고 연구되고 있다. In addition, recent research has shown that binders have a significant impact on the lithiation reaction, helping to improve the capacity and cycle stability of negative electrode active materials.
한편, 비특허문헌 4에서는 실리콘계 활물질에 적합한 바인더인 수계 바인더가 활물질을 감싸며 안정적인 고체-전해액 인터페이스(solidelectrolyte-interphase, SEI층)를 형성해 비가역 용량을 감소시켜준다고 보고하고 있다. Meanwhile, Non-Patent Document 4 reports that an aqueous binder, which is a suitable binder for silicon-based active materials, surrounds the active material and forms a stable solid-electrolyte-interphase (SEI layer), thereby reducing irreversible capacity.
그 예로 특허문헌 6에서는 중량 평균 분자량(Mw)이 100만인 폴리아크릴산, 가교제인 3,5-디아미노벤조산을 함께 사용하여 가교화된 폴리아크릴산으로 음극 활물질의 표면을 코팅함으로써 집전체와 음극 활물질층과의 결착력을 높여 상기 음극 활물질의 부피 팽창을 억제할 수 있다고 개시하고 있다. For example, in Patent Document 6, the surface of the negative electrode active material is coated with polyacrylic acid crosslinked using polyacrylic acid with a weight average molecular weight (Mw) of 1 million and 3,5-diaminobenzoic acid as a crosslinking agent, thereby forming a current collector and negative electrode active material layer. It is disclosed that the volume expansion of the negative electrode active material can be suppressed by increasing the binding force.
또 다른 예로, 특허문헌 7은 실리콘계 입자 상에 형성되어 있는 금속 치환 폴리아크릴산 고분자 코팅층을 형성하여 리튬 이온의 삽입에 따른 부피 팽창이 감소되어 높은 수명 특성을 발휘할 수 있음을 언급하고 있다.As another example, Patent Document 7 mentions that by forming a metal-substituted polyacrylic acid polymer coating layer formed on silicon-based particles, volume expansion due to insertion of lithium ions is reduced, thereby demonstrating high lifespan characteristics.
이외에도 다양한 특허를 통해 음극 활물질의 표면에 바인더 성분의 코팅을 제안하고 있다.In addition, various patents suggest coating the surface of the anode active material with a binder component.
이러한 다양한 기술 제안에 불구하고 음극 활물질의 부피 팽창은 아직도 해결되지 못한 문제로 남아 있다. 이로 인해 특히, 실리콘계 활물질의 범용적인 사용은 쉽지 않은 상황이다.Despite these various technological proposals, volume expansion of anode active materials still remains an unresolved problem. Because of this, it is particularly difficult to universally use silicon-based active materials.
리튬 이차전지는 리튬 삽입에 의하여 부피 팽창과 함께 분쇄(pulverization), 도전재(conducting agents) 및 집전체(current collector)와의 접촉 누손(contact losses), 및 불안정한 고체-전해액 인터페이스(solidelectrolyte-interphase, SEI) 형성과 같은 퇴화 거동(fading mechanism)을 나타낼 수 있다. 상기 부피 팽창은 리튬 이차전지 내에서 리튬 이온이 삽입되고 탈리되는 과정에서 발생하고, 이는 실리콘계 활물질을 사용할 경우 더욱 심각하게 발생한다. Lithium secondary batteries undergo volume expansion due to lithium insertion, pulverization, contact losses with conducting agents and current collector, and unstable solid-electrolyte-interphase (SEI). ) may exhibit a fading mechanism such as formation. The volume expansion occurs during the process of insertion and desorption of lithium ions in a lithium secondary battery, and this occurs more seriously when a silicon-based active material is used.
바인더를 사용하여 음극 활물질을 코팅할 경우 상기 부피 팽창을 억제할 수 있다는 개념하에, 본 발명에서는 특정한 바인더를 선정하였고, 이를 이용하여 음극 활물질의 표면을 코팅하였다. Under the concept that the volume expansion can be suppressed when coating the negative electrode active material using a binder, in the present invention, a specific binder was selected and the surface of the negative electrode active material was coated using this.
바인더 후보로 수계 바인더를 선정하였으며, 상기 수계 바인더의 분자량이 높을 경우 음극 활물질의 부피 팽창에 견딜 수 있는 탄성 특성을 보유함에 따라 분자량을 고분자량으로 한정하고, 고분자량의 수계 바인더로 코팅 시 용매를 사용할 경우 용매에 대한 낮은 용해도로 인해 코팅 상의 어려움을 극복하기 위해 용매-프리(solvent-free) 건식 코팅 방식인 메카노퓨전(Mechano-fusion, MF)법을 적용하여 음극 활물질 입자를 제조하였다.An aqueous binder was selected as a binder candidate. If the molecular weight of the aqueous binder is high, it has elastic properties that can withstand volume expansion of the negative electrode active material, so the molecular weight is limited to a high molecular weight, and the solvent is used when coating with a high molecular weight aqueous binder. In order to overcome coating difficulties due to low solubility in solvents, negative active material particles were manufactured by applying the mechano-fusion (MF) method, a solvent-free dry coating method.
본 발명에 의해 고분자량의 수계 바인더를 이용하여 건식 코팅 방식으로 음극 활물질을 코팅한 음극 활물질 입자를 제조하였고, 이러한 음극 활물질 입자를 음극에 도입할 경우 부피 팽창에 따른 수명 특성 및 열화 문제를 효과적으로 해소할 수 있으며, 음극 활물질, 그 중에서도 실리콘계 활물질이 갖는 높은 용량, 에너지 밀도의 장점을 보다 바람직하게 구현할 수 있음을 확인하였다.According to the present invention, negative electrode active material particles were manufactured by coating the negative electrode active material with a dry coating method using a high molecular weight aqueous binder, and when these negative electrode active material particles are introduced into the negative electrode, the problems of lifespan characteristics and deterioration due to volume expansion are effectively solved. It was confirmed that this can be done, and that the advantages of high capacity and energy density of anode active materials, especially silicon-based active materials, can be more preferably implemented.
본 발명은 리튬 이온을 흡장 및 방출하면서 부피가 팽창 및 수축하는 음극 활물질 및 상기 음극 활물질을 수계 바인더로 건식 코팅한 코팅층을 포함하는 이차전지용 음극 활물질 입자를 제공한다.The present invention provides negative electrode active material particles for secondary batteries, including a negative electrode active material that expands and contracts while inserting and releasing lithium ions, and a coating layer obtained by dry coating the negative electrode active material with an aqueous binder.
상기 음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬금속의 합금, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질 및 전이 금속 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이다.The negative electrode active material is one or more selected from the group consisting of materials capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions, lithium metal, alloys of lithium metal, materials capable of doping and dedoping lithium, and transition metal oxides. am.
상기 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질은 탄소계 활물질, 실리콘계 활물질, 및 Sn계 활물질로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이다.The material capable of doping and dedoping lithium is at least one selected from the group consisting of carbon-based active materials, silicon-based active materials, and Sn-based active materials.
상기 실리콘계 활물질은 Si, SiOx(0<x<2), Si-C 복합체, Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님) 중 어느 하나 이상이다.The silicon-based active material is Si, SiOx (0<x<2), Si-C composite, Si-Q alloy (where Q is an alkali metal, alkaline earth metal, Group 13 element, Group 14 element, Group 15 element, Group 16 element, It is an element selected from the group consisting of transition metals, rare earth elements, and combinations thereof, but not Si.
상기 수계 바인더는 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴 아미드, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에피클로로히드린, 폴리포스파젠, 폴리비닐피리딘, 클로로설폰화폴리에틸렌, 폴리에스테르수지, 아크릴수지, 페놀수지, 에폭시 수지, 아라비아 고무, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴로나이트릴-부타디엔 러버, 아크릴 고무, 부틸고무, 불소고무, 에틸렌프로필렌디엔공중합체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이다.The aqueous binder is polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyacrylonitrile, polyacryl amide, carboxymethyl cellulose, polyvinylpyrrolidone, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polyvinylpyridine, and chlorosulfonated Polyethylene, polyester resin, acrylic resin, phenol resin, epoxy resin, gum arabic, styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, acrylic rubber, butyl rubber, fluorine rubber, ethylene propylene. At least one selected from the group consisting of diene copolymers and combinations thereof.
상기 수계 바인더는 중량평균분자량(Mw)이 200만 g/mol 내지 750만 g/mol이다.The water-based binder has a weight average molecular weight (Mw) of 2 million g/mol to 7.5 million g/mol.
상기 건식 코팅은 솔벤트 프리(solvent-free) 공정으로 수행한다.The dry coating is performed in a solvent-free process.
상기 코팅층은 음극 활물질 표면에 연속적으로 커버하는 층상(layer-type) 또는 불연속적으로 위치하는 아일랜드상(island-type)으로 존재한다.The coating layer exists in a layer-type that continuously covers the surface of the negative electrode active material or an island-type that is discontinuously located.
상기 음극 활물질 입자 100 중량부 대비 수계 바인더 0.1 중량부 내지 50 중량부의 함량을 포함한다.It contains 0.1 to 50 parts by weight of aqueous binder based on 100 parts by weight of the negative electrode active material particles.
리튬 이온을 흡장 및 방출하면서 부피가 팽창 및 수축하는 음극 활물질 및 상기 음극 활물질을 수계 바인더로 건식 코팅한 코팅층을 포함하는 이차전지용 음극 활물질 입자; 도전재; 및 바인더를 포함하는 이차전지용 음극 슬러리 조성물을 제공한다.Negative active material particles for a secondary battery including a negative electrode active material that expands and contracts while inserting and releasing lithium ions, and a coating layer obtained by dry coating the negative electrode active material with an aqueous binder; conductive material; and a binder.
상기 음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬금속의 합금, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질 및 전이 금속 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이다.The negative electrode active material is one or more selected from the group consisting of materials capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions, lithium metal, alloys of lithium metal, materials capable of doping and dedoping lithium, and transition metal oxides. am.
상기 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질은 탄소계 활물질, 실리콘계 활물질, 및 Sn계 활물질로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이다.The material capable of doping and dedoping lithium is at least one selected from the group consisting of carbon-based active materials, silicon-based active materials, and Sn-based active materials.
상기 실리콘계 활물질은 Si, SiOx(0<x<2), Si-C 복합체, Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님) 중 어느 하나 이상이다.The silicon-based active material is Si, SiOx (0<x<2), Si-C composite, Si-Q alloy (where Q is an alkali metal, alkaline earth metal, Group 13 element, Group 14 element, Group 15 element, Group 16 element, It is an element selected from the group consisting of transition metals, rare earth elements, and combinations thereof, but not Si.
상기 수계 바인더는 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴 아미드, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에피클로로히드린, 폴리포스파젠, 폴리비닐피리딘, 클로로설폰화폴리에틸렌, 폴리에스테르수지, 아크릴수지, 페놀수지, 에폭시 수지, 아라비아 고무, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴로나이트릴-부타디엔 러버, 아크릴 고무, 부틸고무, 불소고무, 에틸렌프로필렌디엔공중합체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이다.The aqueous binder is polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyacrylonitrile, polyacryl amide, carboxymethyl cellulose, polyvinylpyrrolidone, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polyvinylpyridine, and chlorosulfonated Polyethylene, polyester resin, acrylic resin, phenol resin, epoxy resin, gum arabic, styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, acrylic rubber, butyl rubber, fluorine rubber, ethylene propylene. At least one selected from the group consisting of diene copolymers and combinations thereof.
상기 수계 바인더는 중량평균분자량(Mw)이 200만 g/mol 내지 750만 g/mol이다.The water-based binder has a weight average molecular weight (Mw) of 2 million g/mol to 7.5 million g/mol.
상기 코팅층은 음극 활물질 표면에 연속적으로 커버하는 층상(layer-type) 또는 불연속적으로 위치하는 아일랜드상(island-type)으로 존재한다.The coating layer exists in a layer-type that continuously covers the surface of the negative electrode active material or an island-type that is discontinuously located.
음극 슬러리의 고형분 총 중량을 기준으로 음극 활물질 입자 80 중량% 내지 99 중량%, 도전재 0.1 중량% 내지 20.0 중량% 및 바인더 0.5 중량% 내지 5.0 중량%로 포함된다.Based on the total weight of solids in the negative electrode slurry, it contains 80% to 99% by weight of negative electrode active material particles, 0.1% to 20.0% by weight of conductive material, and 0.5% to 5.0% by weight of binder.
상기 바인더는 수계 바인더이다.The binder is a water-based binder.
상기 수계 바인더는 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴 아미드, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에피클로로히드린, 폴리포스파젠, 폴리비닐피리딘, 클로로설폰화폴리에틸렌, 폴리에스테르수지, 아크릴수지, 페놀수지, 에폭시 수지, 아라비아 고무, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴로나이트릴-부타디엔 러버, 아크릴 고무, 부틸고무, 불소고무, 에틸렌프로필렌디엔공중합체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이다.The aqueous binder is polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyacrylonitrile, polyacryl amide, carboxymethyl cellulose, polyvinylpyrrolidone, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polyvinylpyridine, and chlorosulfonated Polyethylene, polyester resin, acrylic resin, phenol resin, epoxy resin, gum arabic, styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, acrylic rubber, butyl rubber, fluorine rubber, ethylene propylene. At least one selected from the group consisting of diene copolymers and combinations thereof.
상기 바인더는 중량평균분자량(Mw)이 15만 g/mol 내지 75만 g/mol이다.The binder has a weight average molecular weight (Mw) of 150,000 g/mol to 750,000 g/mol.
또한, 본 발명은 집전체; 및 집전체의 상면에 적층되는 음극 활물질층을 포함하는 이차전지용 음극이되, 상기 음극 활물질층은 상기 언급한 음극 활물질 입자를 포함하는 이차전지용 음극을 제공한다.In addition, the present invention is a current collector; and a negative electrode for a secondary battery including a negative electrode active material layer laminated on an upper surface of a current collector, wherein the negative electrode active material layer includes the above-mentioned negative electrode active material particles.
또한, 본 발명은 음극, 양극, 세퍼레이터 및 전해액을 포함하는 이차 전지이되, 상기 음극은 상기 언급한 음극 활물질 입자를 포함하는 이차 전지를 제공한다.Additionally, the present invention provides a secondary battery including a negative electrode, a positive electrode, a separator, and an electrolyte, wherein the negative electrode includes the above-mentioned negative electrode active material particles.
본 발명에 따른 음극 활물질 입자는 고분자량의 수계 고분자로 음극 활물질을 코팅함에 따라 고용량의 음극 활물질의 충방전에 따른 부피 팽창/수축 문제를 효과적으로 억제하여 음극 활물질의 미분화 또한 방지하며 SEI층의 비후화(thickening)되는 것을 방지할 수 있다. The negative electrode active material particles according to the present invention coat the negative electrode active material with a high molecular weight water-based polymer, thereby effectively suppressing the volume expansion/contraction problem caused by charging and discharging of the high-capacity negative electrode active material, thereby preventing fine differentiation of the negative electrode active material and thickening of the SEI layer. (thickening) can be prevented.
이로 인해 상기 음극 활물질 입자를 이용하여 충방전 특성 및 사이클 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지의 제작을 가능케 한다.As a result, it is possible to manufacture a lithium secondary battery with excellent charge/discharge characteristics and cycle life characteristics using the negative electrode active material particles.
또한, 고분자량의 수계 고분자를 용매-프리(solvent-free) 건식 코팅 방식인 메카노퓨전(Mechano-fusion, MF)법을 적용함에 따라, 종래 고분자량의 수계 바인더의 경우 용매에 대한 낮은 용해도로 인해 습식 코팅할 경우 불균일한 음극 표면을 형성하는 문제를 해소할 수 있다.In addition, as Mechano-fusion (MF), a solvent-free dry coating method, is applied to high molecular weight aqueous polymers, conventional high molecular weight aqueous binders have low solubility in solvents. This can solve the problem of forming an uneven cathode surface when wet coating.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지용 음극 활물질 입자의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극을 보여주는 단면도이다.1 is a schematic diagram of anode active material particles for secondary batteries according to the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view showing a negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is only intended to refer to specific embodiments and is not intended to limit the invention. As used herein, singular forms include plural forms unless phrases clearly indicate the contrary. As used in the specification, the meaning of "comprising" refers to specifying a particular characteristic, area, integer, step, operation, element and/or ingredient, and the presence or presence of another characteristic, area, integer, step, operation, element and/or ingredient. This does not exclude addition.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.When a part is referred to as being “on” or “on” another part, it may be directly on or on the other part or may be accompanied by another part in between. In contrast, when a part is said to be "directly on top" of another part, there is no intervening part between them.
또한, 특별히 언급하지 않는 한 %는 중량%를 의미하며, 1ppm 은 0.0001중량%이다.Additionally, unless specifically stated, % means weight%, and 1ppm is 0.0001% by weight.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Although not defined differently, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as those generally understood by those skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries are further interpreted as having meanings consistent with related technical literature and currently disclosed content, and are not interpreted in ideal or very formal meanings unless defined.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
음극 활물질 입자negative active material particles
도 1은 본 발명에 따른 이차전지용 음극 활물질 입자(10)의 모식도이다. Figure 1 is a schematic diagram of anode active material particles 10 for secondary batteries according to the present invention.
도 1을 보면, 음극 활물질 입자(10)는 리튬 이온을 흡장 및 방출하면서 부피가 팽창 및 수축하는 음극 활물질(11); 및 상기 음극 활물질(11)을 수계 바인더로 건식 코팅한 코팅층(13)을 포함한다. Referring to Figure 1, the negative electrode active material particles 10 include a negative electrode active material 11 whose volume expands and contracts while inserting and releasing lithium ions; and a coating layer 13 obtained by dry coating the negative electrode active material 11 with an aqueous binder.
음극 활물질(11)은 예를 들어, 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질 또는 전이 금속 산화물을 포함한다.The negative electrode active material 11 includes, for example, a material capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions, lithium metal, an alloy of lithium metal, a material capable of doping and dedoping lithium, or a transition metal oxide. do.
상기 리튬 금속의 합금으로는 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 합금이 사용될 수 있다. 상기 리튬 금속의 합금으로는 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 합금이 사용될 수 있다.The lithium metal alloy includes lithium and Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al and Sn. Any alloy of metals of choice may be used. The lithium metal alloy includes lithium and Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al and Sn. Any alloy of metals of choice may be used.
리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질은 일례로 탄소계 활물질일 수 있다.A material capable of doping and dedoping lithium may be, for example, a carbon-based active material.
탄소계 활물질의 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들을 함께 사용할 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 인편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본(soft carbon) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.Representative examples of carbon-based active materials include crystalline carbon, amorphous carbon, or a combination of these. Examples of the crystalline carbon include graphite such as amorphous, plate-shaped, flake, spherical or fibrous natural graphite or artificial graphite, and examples of the amorphous carbon include soft carbon or hard carbon ( hard carbon), mesophase pitch carbide, calcined coke, etc.
리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질은 일례로 Si, SiOx(0<x<2), Si-C 복합체, Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님) 등의 실리콘계 활물질을 들 수 있고, 또한 이들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 원소 Q로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 특히 Si를 포함하는 실리콘계 활물질은 높은 초기용량과 사이클을 반복한 후에도 용량을 유지하는 장점이 있다.Materials capable of doping and dedoping lithium include, for example, Si, SiOx (0<x<2), Si-C composite, Si-Q alloy (where Q is an alkali metal, an alkaline earth metal, a group 13 element, a group 14 element, 15 Silicon-based active materials such as elements selected from the group consisting of group elements, group 16 elements, transition metals, rare earth elements, and combinations thereof, but not Si, may be used, and at least one of these may be mixed with SiO 2 . It may be possible. The element Q includes Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, One selected from the group consisting of Se, Te, Po, and combinations thereof can be used. In particular, silicon-based active materials containing Si have the advantage of high initial capacity and maintaining capacity even after repeated cycles.
리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질은 일례로 Sn, SnO2, Sn-R(상기 R은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Sn은 아님) 등의 Sn계 활물질을 들 수 있고, 또한 이들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 원소 R로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. Materials capable of doping and dedoping lithium include, for example, Sn, SnO2, Sn-R (where R is an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 element, a Group 14 element, a Group 15 element, a Group 16 element, a transition metal, a rare earth element, and Sn-based active materials such as an element selected from the group consisting of a combination of these, but not Sn, may be included, and at least one of these and SiO 2 may be mixed and used. The elements R include Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, One selected from the group consisting of Se, Te, Po, and combinations thereof can be used.
상기 Si-C 복합체, 또는 Si-Q 합금은 Si 나노 입자들이 탄소계 물질이나 금속(Q), 예를 들면 흑연 또는 금속(Q)의 표면에 피복된 형태이거나 또는 흑연 또는 금속(Q)의 기공 내에 함침된 형태일 수 있다.The Si-C composite, or Si-Q alloy, is a form in which Si nanoparticles are coated on the surface of a carbon-based material or metal (Q), such as graphite or metal (Q), or pores of graphite or metal (Q). It may be in a form impregnated within.
Si-C 복합체, Si-Q 합금 등은 코어-쉘 형 구조를 가질 수 있다. 일례로, 코어로 Si 입자, Si, SiOx, Si-C 복합체, Si-Q 합금, Sn, SnO2, 또는 Sn-R 중 어느 하나이고, 쉘로는 코어와 다른 Si 입자, Si, SiOx, Si-C 복합체, Si-Q 합금, Sn, SnO2, 또는 Sn-R 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 쉘로 음극의 집전체와 동일한 재질의 금속이 사용될 수 있다. Si-C composite, Si-Q alloy, etc. may have a core-shell type structure. For example, the core is one of Si particles, Si, SiOx, Si-C composite, Si-Q alloy, Sn, SnO 2 , or Sn-R, and the shell is a core and other Si particles, Si, SiOx, Si- It may be any one of C composite, Si-Q alloy, Sn, SnO2, or Sn-R. Additionally, a metal of the same material as the current collector of the negative electrode may be used as the shell.
상기 전이 금속 산화물로는 Li4Ti5O12 등의 리튬 티타늄 산화물을 사용할 수 있다.As the transition metal oxide, lithium titanium oxide such as Li 4 Ti 5 O 12 can be used.
전술한 바의 음극 활물질(11)은 전지의 충방전 과정에서 부피 팽창 정도가 크고 리튬 이온과의 반응 시 발생하는 기계적 응력으로 인해 활물질 입자의 미분화가 발생한다. 상기 미분화로 인해 입자간 전기적 접촉 손실 및 미분화된 입자의 새로운 표면이 드러나게 되어 계속적인 SEI층의 형성으로 인한 리튬 손실반응이 크게 발생한다. 결과적으로 음극 활물질의 부피 팽창에 의거한 수명 특성 열화 문제를 야기하여 상용화에 어려움이 있다. 이는 고용량의 실리콘계 음극 활물질에서 더욱 심각하게 일어난다.The negative electrode active material 11 described above has a large degree of volume expansion during the charging and discharging process of the battery, and microdifferentiation of the active material particles occurs due to mechanical stress generated when reacting with lithium ions. Due to the micronization, electrical contact between particles is lost and a new surface of the micronized particles is revealed, resulting in a significant lithium loss reaction due to the continuous formation of an SEI layer. As a result, it causes problems with deterioration of lifespan characteristics due to volume expansion of the anode active material, making commercialization difficult. This occurs more seriously in high-capacity silicon-based anode active materials.
본 발명에서는 건식 코팅 방식으로 수계 바인더로 음극 활물질(11)의 표면에 코팅층(13)을 형성함으로써, 상기 음극 활물질(11), 특히 고용량의 실리콘계 활물질의 부피 팽창이 미치는 수명 특성 열화 문제를 효과적으로 해소할 수 있으며, 실리콘계 활물질이 갖는 높은 용량, 에너지 밀도의 장점을 보다 바람직하게 구현할 수 있다.In the present invention, the coating layer 13 is formed on the surface of the negative electrode active material 11 with an aqueous binder using a dry coating method, thereby effectively solving the problem of deterioration of life characteristics caused by volume expansion of the negative electrode active material 11, especially the high-capacity silicon-based active material. This can be done, and the advantages of high capacity and energy density of silicon-based active materials can be more preferably implemented.
수계 바인더는 물에 친한 특성(hydrophilic)을 가지며, 일반적으로 리튬 이차전지에 사용되는 전해질 또는 전해액에 용해되지 않는 성질을 가진다. 이러한 특성은 음극 또는 리튬 이차전지에 적용 시에 상기 수계 바인더에 강한 응력 또는 인장 강도를 부여할 수 있으며, 이에 따라 음극 활물질(11)의 충방전에 따른 부피 팽창/수축 문제를 효과적으로 억제할 수 있다.Water-based binders have hydrophilic properties and are generally insoluble in electrolytes or electrolyte solutions used in lithium secondary batteries. These characteristics can provide strong stress or tensile strength to the water-based binder when applied to a negative electrode or lithium secondary battery, and thus can effectively suppress volume expansion/contraction problems due to charging and discharging of the negative electrode active material 11. .
이러한 수계 바인더의 특성에 착안하여, 본 발명은 음극 활물질(11)의 표면을 수계 바인더로 코팅층(13)을 형성하고, 음극 제조를 위한 슬러리 조성물에 사용되는 바인더 또한 수계 바인더를 함께 사용한다. Focusing on the characteristics of the aqueous binder, the present invention forms a coating layer 13 on the surface of the anode active material 11 with an aqueous binder, and uses an aqueous binder as the binder used in the slurry composition for producing the anode.
수계 바인더는 탄성 및 응력이 높은 이점이 있으나 단독으로 사용시 음극의 휘어짐 현상, 휘어짐에 따른 크랙 발생, 수명 특성 열화를 야기한다.Water-based binders have the advantage of high elasticity and stress, but when used alone, they cause bending of the cathode, cracks due to bending, and deterioration of lifespan characteristics.
본 발명에서는 음극 활물질(11)의 코팅층(13)에 형성되는 수계 바인더와, 음극 제조를 위한 슬러리 조성물에 사용하는 수계 바인더의 분자량을 달리하여 음극 활물질(11)의 부피 팽창/수축 문제를 효과적으로 해소하고 수명 특성을 향상시킬 수 있으며, 박막 음극 제조 시의 휘어짐 문제를 해소하여, 얇은 두께를 가지면서도 높은 에너지 밀도를 갖는 음극 구현이 가능하다.In the present invention, the volume expansion/contraction problem of the negative electrode active material 11 is effectively solved by varying the molecular weight of the water-based binder formed in the coating layer 13 of the negative electrode active material 11 and the water-based binder used in the slurry composition for producing the negative electrode. It is possible to improve the lifespan characteristics and solve the problem of bending when manufacturing a thin film cathode, making it possible to implement a cathode with a thin thickness and high energy density.
사용 가능한 수계 바인더로는 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴 아미드, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에피클로로히드린, 폴리포스파젠, 폴리비닐피리딘, 클로로설폰화폴리에틸렌, 폴리에스테르수지, 아크릴수지, 페놀수지, 에폭시 수지, 아라비아 고무, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴로나이트릴-부타디엔 러버, 아크릴 고무, 부틸고무, 불소고무, 에틸렌프로필렌디엔공중합체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 가능하다. 일 구현예에 따르면 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜 등이 사용될 수 있고, 바람직하기로 폴리아크릴산이 사용될 수 있다. 특히, 음극 활물질(11)의 코팅층(13)에 사용하는 수계 바인더는 중량평균분자량(Mw)이 200만 g/mol 이상인 고분자량을 갖는 것을 사용한다. 고분자량의 수계 바인더는 음극 활물질(11)에 대한 우수한 결착 특성과 부피 팽창에 견딜 수 있는 탄성 및 강도(stiffness)를 보유하고 있다. 일례로, 폴리아크릴산의 경우 아크릴산의 카르복시 그룹과 실리콘의 하이드록시 그룹 간의 강한 상호작용이 일어나 상기 언급한 효과를 확보할 수 있다. Aqueous binders that can be used include polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyacrylonitrile, polyacryl amide, carboxymethyl cellulose, polyvinylpyrrolidone, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polyvinylpyridine, and chlorine. Sulfonated polyethylene, polyester resin, acrylic resin, phenol resin, epoxy resin, gum arabic, styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, acrylic rubber, butyl rubber, fluorine rubber, One or more types selected from the group consisting of ethylene propylene diene copolymer and combinations thereof are possible. According to one embodiment, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, etc. may be used, and polyacrylic acid may be preferably used. In particular, the water-based binder used in the coating layer 13 of the negative electrode active material 11 has a high molecular weight with a weight average molecular weight (Mw) of 2 million g/mol or more. The high molecular weight aqueous binder has excellent binding properties for the negative electrode active material 11 and elasticity and stiffness that can withstand volume expansion. For example, in the case of polyacrylic acid, a strong interaction occurs between the carboxy group of acrylic acid and the hydroxy group of silicone, thereby ensuring the above-mentioned effect.
구체적으로, 코팅층(13)에 사용하는 수계 바인더는 중량평균분자량이 200만 g/mol 이상, 250만 g/mol 이상, 300만 g/mol 이상, 350만 g/mol 이상, 400만 g/mol 이상, 450만 g/mol 이상, 500만 g/mol 이상, 550만 g/mol 이상, 600만 g/mol 이상, 650만 g/mol 이상, 750만 g/mol 이하, 700만 g/mol 이하, 650만 g/mol 이하, 600만 g/mol 이하, 550만 g/mol 이하, 500만 g/mol 이하, 450만 g/mol 이하, 400만 g/mol 이하, 350만 g/mol 이하, 300만 g/mol 이하, 250만 g/mol 이하의 범위를 갖는다. 바람직하기로 200만 g/mol 이상, 250만 g/mol 이상, 300만 g/mol 이상, 350만 g/mol 이상, 750만 g/mol 이하, 700만 g/mol 이하, 650만 g/mol 이하, 600만 g/mol 이하, 550만 g/mol 이하, 500만 g/mol 이하, 450만 g/mol 이하, 400만 g/mol 이하의 범위를 갖는다. 더욱 바람직하기로, 250만 g/mol 이상, 300만 g/mol 이상, 350만 g/mol 이상, 550만 g/mol 이하, 500만 g/mol 이하, 450만 g/mol 이하, 400만 g/mol 이하의 범위를 갖는다. 더더욱 바람직하기로, 300만 g/mol 이상, 350만 g/mol 이상, 500만 g/mol 이하, 450만 g/mol 이하, 400만 g/mol 이하의 범위를 갖는다. 본 발명에 있어서, 중량평균분자량(Mw)은 겔 투과 크로마토그래피(GPC)로 측정한 폴리스티렌 환산 중량평균분자량(Mw)이다.Specifically, the water-based binder used in the coating layer 13 has a weight average molecular weight of 2 million g/mol or more, 2.5 million g/mol or more, 3 million g/mol or more, 3.5 million g/mol or more, or 4 million g/mol. or more, 4.5 million g/mol or more, 5 million g/mol or more, 5.5 million g/mol or more, 6 million g/mol or more, 6.5 million g/mol or more, 7.5 million g/mol or less, 7 million g/mol or less , 6.5 million g/mol or less, 6 million g/mol or less, 5.5 million g/mol or less, 5 million g/mol or less, 4.5 million g/mol or less, 4 million g/mol or less, 3.5 million g/mol or less, It has a range of less than 3 million g/mol and less than 2.5 million g/mol. Preferably, 2 million g/mol or more, 2.5 million g/mol or more, 3 million g/mol or more, 3.5 million g/mol or more, 7.5 million g/mol or less, 7 million g/mol or less, 6.5 million g/mol Hereinafter, the range is 6 million g/mol or less, 5.5 million g/mol or less, 5 million g/mol or less, 4.5 million g/mol or less, and 4 million g/mol or less. More preferably, 2.5 million g/mol or more, 3 million g/mol or more, 3.5 million g/mol or more, 5.5 million g/mol or less, 5 million g/mol or less, 4.5 million g/mol or less, 4 million g It has a range of /mol or less. Even more preferably, it has a range of 3 million g/mol or more, 3.5 million g/mol or more, 5 million g/mol or less, 4.5 million g/mol or less, and 4 million g/mol or less. In the present invention, the weight average molecular weight (Mw) is the weight average molecular weight (Mw) converted to polystyrene measured by gel permeation chromatography (GPC).
고분자량의 수계 바인더를 이용한 음극 활물질(11)의 코팅 방식은 종래 졸-겔 프로세스, 딥-코팅, 스프레이 코팅 등의 습식 코팅 방식과 다른 건식 방식이 사용될 수 있다. The coating method of the negative electrode active material 11 using a high molecular weight aqueous binder may be a dry method different from wet coating methods such as conventional sol-gel process, dip coating, and spray coating.
습식 코팅 방식으로 고분자량의 수계 바인더를 적용할 경우 수계 바인더가 갖는 높은 분자량으로 인해 코팅액의 제조가 어렵고, 코팅액을 제조하더라도 과도한 용매 사용이나 기계적 혼합이나 가열 등의 공정이 요구되며, 음극 활물질(11)을 코팅하더라도 불균일한 코팅층(13)이 형성된다. When applying a high molecular weight aqueous binder using a wet coating method, it is difficult to manufacture a coating solution due to the high molecular weight of the aqueous binder. Even if a coating solution is manufactured, processes such as excessive solvent use, mechanical mixing, or heating are required, and the negative electrode active material (11 ), an uneven coating layer 13 is formed.
본 발명에서는 용매-프리(solvent-free) 건식 코팅방식인 메카노퓨전(Mechano-fusion, MF)법이 사용될 수 있다.In the present invention, the mechano-fusion (MF) method, which is a solvent-free dry coating method, can be used.
메카노퓨전법은 모입자의 표면에 자입자에 기계적 에너지를 가하여 열에너지를 부가시켜 확산 고정화하는 방법으로, 입자 상태의 음극 활물질(11)과 입자 상태의 수계 바인더를 혼합하여 상기 음극 활물질(11) 표면에 수계 바인더 코팅층(13)이 형성될 수 있도록 한다. The mechanofusion method is a method of diffusion and immobilization by applying mechanical energy to the child particles on the surface of the parent particle and adding heat energy. The negative electrode active material 11 is mixed with the particle-state negative electrode active material 11 and the particle-state aqueous binder. A water-based binder coating layer 13 is formed on the surface.
메카노 퓨전법을 수행하기 위한 장치로는 예를 들어, 고에너지 볼밀(high energy ball mill) 장치, 유성 밀(planetary mill) 장치, 교반 볼밀(stirred ball mill) 장치, 진동밀(vibrating mill) 장치 등이 있으며, 이 중 고에너지 볼밀 장치에서 코팅이 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다Devices for performing the mechano fusion method include, for example, a high energy ball mill device, a planetary mill device, a stirred ball mill device, and a vibrating mill device. etc., of which coating may be performed in a high-energy ball mill device, but is not limited thereto.
메카노퓨전법을 통해 형성된 수계 바인더 코팅층(13)은 음극 활물질(11) 입자를 덮어 형성된다. 이때 수계 바인더 코팅층(13)은 음극 활물질(11) 입자 표면의 약 0.1% 내지 약 10%, 예를 들어 코팅층(13)과 음극 활물질의 비율(11)은 약 0.5% 내지 약 99.5%, 약 2% 내지 약 98%, 약 5% 내지 약 95%, 또는 약 10% 내지 약 90%로 바인더 코팅층이 음극 활물질을 덮을 수 있다. 또한 상기 코팅층(13)은 음극 활물질(11) 입자를 부분적으로 덮거나, 둘러싸거나, 캡슐화하는 캡슐 또는 쉘(shell)일 수 있다. 또한, 상기 코팅층(13)은 음극 활물질(11) 표면을 연속적으로 커버하는 층상(layer-type)으로 존재할 수 있으며, 또는 상기 음극 활물질 표면에 불연속적으로 위치하는 아일랜드상(island-type)으로 존재할 수도 있다. The water-based binder coating layer 13 formed through the mechanofusion method covers the particles of the negative electrode active material 11. At this time, the water-based binder coating layer 13 is about 0.1% to about 10% of the particle surface of the negative electrode active material 11, for example, the ratio of the coating layer 13 to the negative electrode active material 11 is about 0.5% to about 99.5%, about 2. The binder coating layer may cover the negative electrode active material from % to about 98%, from about 5% to about 95%, or from about 10% to about 90%. Additionally, the coating layer 13 may be a capsule or shell that partially covers, surrounds, or encapsulates the particles of the negative electrode active material 11. In addition, the coating layer 13 may exist in a layer-type that continuously covers the surface of the negative electrode active material 11, or may exist in an island-type discontinuously located on the surface of the negative electrode active material. It may be possible.
메카노퓨전법을 통해 얻어진 음극 활물질 입자(10)는 음극 활물질(11)과 수계 바인더 입자에 의해 형성되는 이격 부분, 즉 기공이 존재할 수 있다. 상기 기공에 의해 음극 활물질(11)의 부피 팽창이 흡입되어 음극 활물질의 사용시 발생하는 부피 팽창을 최소화할 수 있고, 상기 음극 활물질(11)의 미분화 또한 방지하며 SEI층의 비후화(thickening)되는 것을 억제할 수 있다. 특히 고분자량의 수계 바인더가 갖는 높은 탄성 및 강도로 인해 음극 활물질(11)의 부피 팽창을 충분히 견딜 수 있도록 한다. The negative electrode active material particles 10 obtained through the mechanofusion method may have spaced portions, that is, pores, formed by the negative electrode active material 11 and the water-based binder particles. The volume expansion of the negative electrode active material 11 is sucked in by the pores, thereby minimizing the volume expansion that occurs when the negative electrode active material is used, preventing micronization of the negative electrode active material 11, and preventing thickening of the SEI layer. It can be suppressed. In particular, the high elasticity and strength of the high molecular weight aqueous binder allows it to sufficiently withstand volume expansion of the negative electrode active material 11.
일 구현예에 따르면, 메카노퓨전법을 이용한 음극 활물질 입자(10)는 입자 상의 음극 활물질(11)과, 입자 상의 고분자량의 수계 바인더를 메카노퓨전 장치에서 500rpm 내지 5000rpm의 회전력으로 회전시켜 실시할 수 있다. 회전력이 상기 범위를 벗어나는 경우, 건식 코팅이 잘 안되는 문제점이 있을 수 있다. 또한, 상기 메카노퓨전 공정은 500rpm 내지 1500rpm의 저속 회전력에서 5분 내지 30분 간 회전시킨 후, 2000 내지 4000rpm의 고속 회전력에서 5분 내지 30분간 회전시키는 공정으로 실시할 수도 있다.According to one embodiment, the negative electrode active material particles 10 using the mechanofusion method are made by rotating the negative electrode active material 11 on the particles and a high molecular weight aqueous binder on the particles with a rotational force of 500 rpm to 5000 rpm in a mechanofusion device. can do. If the rotational force is outside the above range, dry coating may not work well. In addition, the mechanofusion process may be performed by rotating the machine at a low rotation speed of 500 rpm to 1,500 rpm for 5 to 30 minutes and then rotating it at a high speed of 2,000 to 4,000 rpm for 5 to 30 minutes.
상기 회전력으로 회전을 실시하면, 메카노퓨전 장치 내에서 전단응력이 형성되어, 상기 입자 상의 음극 활물질(11) 표면에 고분자량의 수계 바인더 입자가 물리적으로 결착되어 코팅층(13)을 형성할 수 있다.When rotation is performed using the rotational force, shear stress is formed within the mechanofusion device, and high molecular weight water-based binder particles are physically bound to the surface of the negative electrode active material 11 on the particles to form the coating layer 13. .
습식 코팅 방식으로 수행할 경우 수계 바인더의 낮은 분산성으로 인해 음극 활물질(11)에 대한 코팅이 균일하지 않아, 슬러리 조성물 제조를 통한 음극 제조시 표면이 울퉁불퉁한 불균일한 음극이 제조되는 문제가 발생한다. 또한, 낮은 분자량의 수계 바인더의 사용은 상대적으로 낮은 탄성을 가져, 음극 활물질(11)의 부피 팽창을 충분히 견딜 수 없다. 추가로, 수계 바인더 코팅 후 가교화를 이루는 방식의 경우 탄성이 낮고, 상기 이격 부분의 부재로 본 발명에 따른 효과를 확보할 수 없다.When performed using a wet coating method, the coating on the negative electrode active material 11 is not uniform due to the low dispersibility of the water-based binder, resulting in the problem of producing a non-uniform negative electrode with an uneven surface when manufacturing the negative electrode through slurry composition production. . In addition, the use of a low molecular weight aqueous binder has relatively low elasticity and cannot sufficiently withstand the volume expansion of the negative electrode active material 11. Additionally, in the case of crosslinking after coating with a water-based binder, the elasticity is low, and the effect according to the present invention cannot be secured due to the absence of the spaced portion.
보다 나은 효과를 확보하기 위해, 음극 활물질(11) 입자, 수계 바인더 입자, 이들의 함량비 및 코팅층(13)의 두께 등이 한정될 수 있다.In order to ensure a better effect, the particles of the negative electrode active material 11, the water-based binder particles, their content ratio, and the thickness of the coating layer 13 may be limited.
본 발명에 있어서, 입자의 평균 입경은 입자의 입경 분포의 50% 기준에서의 입경으로 정의할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 입자의 평균 입경(D50)은 예를 들어, 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 상기 레이저 회절법은 일반적으로 서브미크론(submicron) 영역에서부터 수 mm 정도의 입경의 측정이 가능하며, 고 재현성 및 고 분해성의 결과를 얻을 수 있다.In the present invention, the average particle diameter of particles can be defined as the particle size based on 50% of the particle size distribution. The average particle diameter (D50) of the particles according to an embodiment of the present invention can be measured using, for example, a laser diffraction method. The laser diffraction method is generally capable of measuring particle diameters ranging from the submicron region to several millimeters, and can obtain results with high reproducibility and high resolution.
본 발명에서 사용하는 음극 활물질(11)의 평균 입경(D50)은 0μm 초과 20μm 미만이고, 구체적으로 0.01 μm 이상, 0.05 μm 이상, 0.1 μm 이상, 0.15 μm 이상, 0.2 μm 이상, 0.5 μm 이상, 1 μm 이상, 1.2 μm 이상, 1.5 μm 이상, 2.0 μm 이상, 2.5 μm 이상, 3.0 μm 이상, 3.5 μm 이상, 4.0 μm 이상, 4.5 μm 이상, 5.0 μm 이상, 5.5 μm 이상, 6.0 μm 이상, 6.5 μm 이상, 7.0 μm 이상, 7.5 μm 이상, 8.0 μm 이상, 8.5 μm 이상, 9.0 μm 이상, 9.5 μm 이상, 10.0 μm 이상, 10.5 μm 이상, 11.0 μm 이상, 11.5 μm 이상, 12.0 μm 이상, 12.5 μm 이상, 13.0 μm 이상, 13.5 μm 이상, 14.0 μm 이상, 14.5 μm 이상, 15.0 μm 이상, 15.5 μm 이상, 16.0 μm 이상, 16.5 μm 이상, 17.0 μm 이상, 17.5 μm 이상, 18.0 μm 이상, 18.5 μm 이상, 19.0 μm 이상, 19.5 μm 이상이다. 또한, 20μm 미만, 19.5μm 이하, 19.0μm 이하, 18.5μm 이하, 18.0μm 이하, 17.5μm 이하, 17.0μm 이하, 16.5μm 이하, 16.0μm 이하, 15.5μm 이하, 15.0μm 이하, 14.5μm 이하, 14.0μm 이하, 13.5μm 이하, 13.0μm 이하, 12.5μm 이하, 12.0μm 이하, 11.5μm 이하, 11.0μm 이하, 10.5μm 이하, 10.0μm 이하, 9.5μm 이하, 9.0μm 이하, 8.5μm 이하, 8.0μm 이하, 7.5μm 이하, 7.0μm 이하, 6.5μm 이하, 6.0μm 이하, 5.5μm 이하, 5.0μm 이하, 4.5μm 이하, 4.0μm 이하, 3.5μm 이하, 3.0μm 이하, 2.5μm 이하, 2.0μm 이하, 1.5μm 이하, 1.2μm 이하, 1.0μm 이하, 0.5μm 이하, 0.2μm 이하, 0.15μm 이하, 0.1μm 이하, 0.05μm 이하, 0.02μm 이하의 범위를 갖는다. The average particle diameter (D50) of the negative electrode active material 11 used in the present invention is more than 0 μm and less than 20 μm, specifically 0.01 μm or more, 0.05 μm or more, 0.1 μm or more, 0.15 μm or more, 0.2 μm or more, 0.5 μm or more, 1 More than μm, more than 1.2 μm, more than 1.5 μm, more than 2.0 μm, more than 2.5 μm, more than 3.0 μm, more than 3.5 μm, more than 4.0 μm, more than 4.5 μm, more than 5.0 μm, more than 5.5 μm, more than 6.0 μm, more than 6.5 μm , 7.0 μm or more, 7.5 μm or more, 8.0 μm or more, 8.5 μm or more, 9.0 μm or more, 9.5 μm or more, 10.0 μm or more, 10.5 μm or more, 11.0 μm or more, 11.5 μm or more, 12.0 μm or more, 12.5 μm or more, 13.0 More than μm, more than 13.5 μm, more than 14.0 μm, more than 14.5 μm, more than 15.0 μm, more than 15.5 μm, more than 16.0 μm, more than 16.5 μm, more than 17.0 μm, more than 17.5 μm, more than 18.0 μm, more than 18.5 μm, more than 19.0 μm , is more than 19.5 μm. Also, less than 20μm, 19.5μm or less, 19.0μm or less, 18.5μm or less, 18.0μm or less, 17.5μm or less, 17.0μm or less, 16.5μm or less, 16.0μm or less, 15.5μm or less, 15.0μm or less, 14.5μm or less, 14.0μm or less μm or less, 13.5μm or less, 13.0μm or less, 12.5μm or less, 12.0μm or less, 11.5μm or less, 11.0μm or less, 10.5μm or less, 10.0μm or less, 9.5μm or less, 9.0μm or less, 8.5μm or less, 8.0μm or less , 7.5μm or less, 7.0μm or less, 6.5μm or less, 6.0μm or less, 5.5μm or less, 5.0μm or less, 4.5μm or less, 4.0μm or less, 3.5μm or less, 3.0μm or less, 2.5μm or less, 2.0μm or less, 1.5μm or less It ranges from μm or less, 1.2μm or less, 1.0μm or less, 0.5μm or less, 0.2μm or less, 0.15μm or less, 0.1μm or less, 0.05μm or less, and 0.02μm or less.
상기 음극 활물질(11)의 평균 입경이 지나치게 작을 경우 전해액과 부반응이 커지며 수명성능이 저하될 수 있고, 평균 입경이 지나치게 클 경우 충방전시 부피팽창이 커서 입자 크랙(crack)이 발생할 수 있으므로 수명 성능이 저하될 수 있다. 상기 음극 활물질(11)이 상기 범위를 만족할 경우, 우수한 출력과 초기 효율을 적절히 조화시킬 수 있고, 우수한 탭 밀도를 나타내며, 전극 코팅시 우수한 로딩량을 나타낼 수 있다.If the average particle diameter of the negative electrode active material 11 is too small, side reactions with the electrolyte may increase and lifespan performance may be reduced, and if the average particle diameter is too large, volume expansion may be large during charging and discharging, which may cause particle cracks, thus causing lifespan performance. This may deteriorate. When the negative electrode active material 11 satisfies the above range, excellent output and initial efficiency can be appropriately balanced, excellent tap density can be exhibited, and excellent loading amount can be exhibited during electrode coating.
수계 바인더의 평균 입경이 상기 범위 미만일 경우 제조 과정에서의 응집이 발생할 수 있고, 반대로 상기 범위를 초과할 경우 리튬과의 균일한 반응이 어려워 수명 특성 및 두께 팽창 억제 특성이 크게 감소될 수 있다.If the average particle diameter of the water-based binder is less than the above range, agglomeration may occur during the manufacturing process, and conversely, if it exceeds the above range, uniform reaction with lithium is difficult, and the lifespan characteristics and thickness expansion inhibition characteristics may be greatly reduced.
본 발명의 일 실시예에 따른, 상기 수계 바인더 코팅층(13)의 두께는 0.01μm 이상 20μm 이하일 수 있다. 구체적으로, 0.01 μm 이상, 0.05 μm 이상, 0.1 μm 이상, 0.15 μm 이상, 0.2 μm 이상, 0.5 μm 이상, 1 μm 이상, 1.2 μm 이상, 1.5 μm 이상, 2.0 μm 이상, 2.5 μm 이상, 3.0 μm 이상, 3.5 μm 이상, 4.0 μm 이상, 4.5 μm 이상, 5.0 μm 이상, 5.5 μm 이상, 6.0 μm 이상, 6.5 μm 이상, 7.0 μm 이상, 7.5 μm 이상, 8.0 μm 이상, 8.5 μm 이상, 9.0 μm 이상, 9.5 μm 이상, 10.0 μm 이상, 10.5 μm 이상, 11.0 μm 이상, 11.5 μm 이상, 12.0 μm 이상, 12.5 μm 이상, 13.0 μm 이상, 13.5 μm 이상, 14.0 μm 이상, 14.5 μm 이상, 15.0 μm 이상, 15.5 μm 이상, 16.0 μm 이상, 16.5 μm 이상, 17.0 μm 이상, 17.5 μm 이상, 18.0 μm 이상, 18.5 μm 이상, 19.0 μm 이상, 19.5 μm 이상이다. 또한, 20μm 미만, 19.5μm 이하, 19.0μm 이하, 18.5μm 이하, 18.0μm 이하, 17.5μm 이하, 17.0μm 이하, 16.5μm 이하, 16.0μm 이하, 15.5μm 이하, 15.0μm 이하, 14.5μm 이하, 14.0μm 이하, 13.5μm 이하, 13.0μm 이하, 12.5μm 이하, 12.0μm 이하, 11.5μm 이하, 11.0μm 이하, 10.5μm 이하, 10.0μm 이하, 9.5μm 이하, 9.0μm 이하, 8.5μm 이하, 8.0μm 이하, 7.5μm 이하, 7.0μm 이하, 6.5μm 이하, 6.0μm 이하, 5.5μm 이하, 5.0μm 이하, 4.5μm 이하, 4.0μm 이하, 3.5μm 이하, 3.0μm 이하, 2.5μm 이하, 2.0μm 이하, 1.5μm 이하, 1.2μm 이하, 1.0μm 이하, 0.5μm 이하, 0.2μm 이하, 0.15μm 이하, 0.1μm 이하, 0.05μm 이하, 0.02μm 이하의 범위를 갖는다. According to an embodiment of the present invention, the thickness of the water-based binder coating layer 13 may be 0.01 μm or more and 20 μm or less. Specifically, 0.01 μm or more, 0.05 μm or more, 0.1 μm or more, 0.15 μm or more, 0.2 μm or more, 0.5 μm or more, 1 μm or more, 1.2 μm or more, 1.5 μm or more, 2.0 μm or more, 2.5 μm or more, 3.0 μm or more , 3.5 μm or more, 4.0 μm or more, 4.5 μm or more, 5.0 μm or more, 5.5 μm or more, 6.0 μm or more, 6.5 μm or more, 7.0 μm or more, 7.5 μm or more, 8.0 μm or more, 8.5 μm or more, 9.0 μm or more, 9.5 More than μm, more than 10.0 μm, more than 10.5 μm, more than 11.0 μm, more than 11.5 μm, more than 12.0 μm, more than 12.5 μm, more than 13.0 μm, more than 13.5 μm, more than 14.0 μm, more than 14.5 μm, more than 15.0 μm, more than 15.5 μm , 16.0 μm or more, 16.5 μm or more, 17.0 μm or more, 17.5 μm or more, 18.0 μm or more, 18.5 μm or more, 19.0 μm or more, 19.5 μm or more. Also, less than 20μm, 19.5μm or less, 19.0μm or less, 18.5μm or less, 18.0μm or less, 17.5μm or less, 17.0μm or less, 16.5μm or less, 16.0μm or less, 15.5μm or less, 15.0μm or less, 14.5μm or less, 14.0μm or less μm or less, 13.5μm or less, 13.0μm or less, 12.5μm or less, 12.0μm or less, 11.5μm or less, 11.0μm or less, 10.5μm or less, 10.0μm or less, 9.5μm or less, 9.0μm or less, 8.5μm or less, 8.0μm or less , 7.5μm or less, 7.0μm or less, 6.5μm or less, 6.0μm or less, 5.5μm or less, 5.0μm or less, 4.5μm or less, 4.0μm or less, 3.5μm or less, 3.0μm or less, 2.5μm or less, 2.0μm or less, 1.5μm or less It ranges from μm or less, 1.2μm or less, 1.0μm or less, 0.5μm or less, 0.2μm or less, 0.15μm or less, 0.1μm or less, 0.05μm or less, and 0.02μm or less.
수계 바인더의 코팅층(13)의 두께가 상기 범위 미만이면 음극 활물질(11)의 부피 팽창을 충분히 억제할 수 없다. 반대로, 상기 범위를 초과할 경우 리튬 이온의 이동성이 장애가 되어 저항이 증가할 수 있다.If the thickness of the coating layer 13 of the water-based binder is less than the above range, the volume expansion of the negative electrode active material 11 cannot be sufficiently suppressed. Conversely, if the above range is exceeded, the mobility of lithium ions may be impaired and resistance may increase.
일 구현예에 따르면, 본 발명의 음극 활물질(11) 및 수계 바인더 코팅층(13)을 포함하는 음극 활물질 입자(10)는 평균 입경(D50)이 0.02μm 이상 30μm 미만의 크기를 갖는다. 구체적으로, 0.02μm 이상, 0.05μm 이상, 0.1μm 이상, 0.15 μm 이상, 0.2 μm 이상, 0.5 μm 이상, 1 μm 이상, 1.2 μm 이상, 1.5 μm 이상, 2.0 μm 이상, 2.5 μm 이상, 3.0 μm 이상, 3.5 μm 이상, 4.0 μm 이상, 4.5 μm 이상, 5.0 μm 이상, 5.5 μm 이상, 6.0 μm 이상, 6.5 μm 이상, 7.0 μm 이상, 7.5 μm 이상, 8.0 μm 이상, 8.5 μm 이상, 9.0 μm 이상, 9.5 μm 이상, 10.0 μm 이상, 10.5 μm 이상, 11.0 μm 이상, 11.5 μm 이상, 12.0 μm 이상, 12.5 μm 이상, 13.0 μm 이상, 13.5 μm 이상, 14.0 μm 이상, 14.5 μm 이상, 15.0 μm 이상, 15.5 μm 이상, 16.0 μm 이상, 16.5 μm 이상, 17.0 μm 이상, 17.5 μm 이상, 18.0 μm 이상, 18.5 μm 이상, 19.0 μm 이상, 19.5 μm 이상, 20.0 μm 이상, 20.5 μm 이상, 21.0 μm 이상, 21.5 μm 이상, 22.0 μm 이상, 22.5 μm 이상, 23.0 μm 이상, 23.5 μm 이상, 24.0 μm 이상, 24.5 μm 이상, 25.0 μm 이상, 25.5 μm 이상, 26.0 μm 이상, 26.5 μm 이상, 27.0 μm 이상, 27.5 μm 이상, 28.0 μm 이상, 28.5 μm 이상, 29.0 μm 이상, 29.5 μm 이상이다. 또한, 30 μm 이하, 29.5 μm 이하, 29.0μm 이하, 28.5 μm 이하, 28.0 μm 이하, 27.5μm 이하, 27.0 μm 이하, 26.5 μm 이하, 26.0 μm 이하, 25.5 μm 이하, 25.0 μm 이하, 24.5 μm 이하, 24.0 μm 이하, 23.5 μm 이하, 23.0 μm 이하, 22.5 μm 이하, 22.0 μm 이하, 21.5 μm 이하, 21.0 μm 이하, 20.5 μm 이하, 20 μm 이하, 19.5 μm 이하, 19.0 μm 이하, 18.5 μm 이하, 18.0 μm 이하, 17.5 μm 이하, 17.0 μm 이하, 16.5μm 이하, 16.0 μm 이하, 15.5 μm 이하, 15.0 μm 이하, 14.5 μm 이하, 14.0 μm 이하, 13.5 μm 이하, 13.0 μm 이하, 12.5 μm 이하, 12.0 μm 이하, 11.5 μm 이하, 11.0 μm 이하, 10.5 μm 이하, 10.0 μm 이하, 9.5 μm 이하, 9.0 μm 이하, 8.5 μm 이하, 8.0 μm 이하, 7.5 μm 이하, 7.0 μm 이하, 6.5 μm 이하, 6.0 μm 이하, 5.5 μm 이하, 5.0 μm 이하, 4.5 μm 이하, 4.0 μm 이하, 3.5 μm 이하, 3.0 μm 이하, 2.5 μm 이하, 2.0 μm 이하, 1.5 μm 이하, 1.2 μm 이하, 1.0 μm 이하, 0.5 μm 이하, 0.2 μm 이하, 0.15 μm 이하, 0.1 μm 이하, 0.05 μm 이하, 0.02 μm 이하의 범위를 갖는다. According to one embodiment, the negative electrode active material particles 10 including the negative electrode active material 11 and the water-based binder coating layer 13 of the present invention have an average particle diameter (D50) of 0.02 μm or more and less than 30 μm. Specifically, 0.02 μm or more, 0.05 μm or more, 0.1 μm or more, 0.15 μm or more, 0.2 μm or more, 0.5 μm or more, 1 μm or more, 1.2 μm or more, 1.5 μm or more, 2.0 μm or more, 2.5 μm or more, 3.0 μm or more , 3.5 μm or more, 4.0 μm or more, 4.5 μm or more, 5.0 μm or more, 5.5 μm or more, 6.0 μm or more, 6.5 μm or more, 7.0 μm or more, 7.5 μm or more, 8.0 μm or more, 8.5 μm or more, 9.0 μm or more, 9.5 More than μm, more than 10.0 μm, more than 10.5 μm, more than 11.0 μm, more than 11.5 μm, more than 12.0 μm, more than 12.5 μm, more than 13.0 μm, more than 13.5 μm, more than 14.0 μm, more than 14.5 μm, more than 15.0 μm, more than 15.5 μm , 16.0 μm or more, 16.5 μm or more, 17.0 μm or more, 17.5 μm or more, 18.0 μm or more, 18.5 μm or more, 19.0 μm or more, 19.5 μm or more, 20.0 μm or more, 20.5 μm or more, 21.0 μm or more, 21.5 μm or more, 22.0 More than μm, more than 22.5 μm, more than 23.0 μm, more than 23.5 μm, more than 24.0 μm, more than 24.5 μm, more than 25.0 μm, more than 25.5 μm, more than 26.0 μm, more than 26.5 μm, more than 27.0 μm, more than 27.5 μm, more than 28.0 μm , 28.5 μm or more, 29.0 μm or more, and 29.5 μm or more. In addition, 30 μm or less, 29.5 μm or less, 29.0 μm or less, 28.5 μm or less, 28.0 μm or less, 27.5 μm or less, 27.0 μm or less, 26.5 μm or less, 26.0 μm or less, 25.5 μm or less, 25.0 μm or less, 24.5 μm or less, 24.0 μm or less, 23.5 μm or less, 23.0 μm or less, 22.5 μm or less, 22.0 μm or less, 21.5 μm or less, 21.0 μm or less, 20.5 μm or less, 20 μm or less, 19.5 μm or less, 19.0 μm or less, 18.5 μm or less, 18.0 μm or less or less, 17.5 μm or less, 17.0 μm or less, 16.5 μm or less, 16.0 μm or less, 15.5 μm or less, 15.0 μm or less, 14.5 μm or less, 14.0 μm or less, 13.5 μm or less, 13.0 μm or less, 12.5 μm or less, 12.0 μm or less, 11.5 μm or less, 11.0 μm or less, 10.5 μm or less, 10.0 μm or less, 9.5 μm or less, 9.0 μm or less, 8.5 μm or less, 8.0 μm or less, 7.5 μm or less, 7.0 μm or less, 6.5 μm or less, 6.0 μm or less, 5.5 μm or less 5.0 μm or less, 4.5 μm or less, 4.0 μm or less, 3.5 μm or less, 3.0 μm or less, 2.5 μm or less, 2.0 μm or less, 1.5 μm or less, 1.2 μm or less, 1.0 μm or less, 0.5 μm or less, 0.2 μm or less, It has a range of 0.15 μm or less, 0.1 μm or less, 0.05 μm or less, and 0.02 μm or less.
음극 활물질 입자(10)가 상기 범위의 평균입경을 가질 경우 우수한 전극 제조 공정 효율과 전극 밀도를 얻을 수 있다.When the negative electrode active material particles 10 have an average particle diameter within the above range, excellent electrode manufacturing process efficiency and electrode density can be obtained.
일 구현예에 따르면, 본 발명의 음극 활물질 입자(10)는 음극 활물질(11) 100 중량부 대비 수계 바인더 0.1 중량부 이상 50 중량부 이하의 함량을 포함한다. 구체적으로, 0.1 중량부 이상, 0.2 중량부 이상, 0.5 중량부 이상, 1.0 중량부 이상, 5.0 중량부 이상, 10.0 중량부 이상, 15.0 중량부 이상, 20.0 중량부 이상, 25.0 중량부 이상, 30.0 중량부 이상, 35.0 중량부 이상, 40.0 중량부 이상, 45.0 중량부 이상, 47.0 중량부 이상이다. 또한, 50 중량부 이하, 49 중량부 이하, 45 중량부 이하, 40 중량부 이하, 35 중량부 이하, 30 중량부 이하, 25 중량부 이하, 20 중량부 이하, 15 중량부 이하, 10 중량부 이하, 5.0 중량부 이하, 1.0 중량부 이하, 0.5 중량부 이하, 0.3 중량부 이하이다. 상기 수계 바인더의 함량이 상기 범위 미만이면 코팅층(13)의 두께가 얇아 음극 활물질(11)의 팽창을 효과적으로 잡아주지 못한다. 반대로, 상기 범위 이상으로 사용할 경우 코팅층(13)의 두께가 증가하여 리튬 이온의 이동에 장애가 되어 전지 저항이 증가할 수 있다.According to one embodiment, the negative electrode active material particles 10 of the present invention contain an aqueous binder of 0.1 parts by weight to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode active material 11. Specifically, 0.1 parts by weight or more, 0.2 parts by weight or more, 0.5 parts by weight or more, 1.0 parts by weight or more, 5.0 parts by weight or more, 10.0 parts by weight or more, 15.0 parts by weight or more, 20.0 parts by weight or more, 25.0 parts by weight or more, 30.0 parts by weight or more. parts or more, 35.0 parts by weight or more, 40.0 parts by weight or more, 45.0 parts by weight or more, and 47.0 parts by weight or more. Also, 50 parts by weight or less, 49 parts by weight or less, 45 parts by weight or less, 40 parts by weight or less, 35 parts by weight or less, 30 parts by weight or less, 25 parts by weight or less, 20 parts by weight or less, 15 parts by weight or less, 10 parts by weight or less. Hereinafter, it is 5.0 parts by weight or less, 1.0 parts by weight or less, 0.5 parts by weight or less, and 0.3 parts by weight or less. If the content of the water-based binder is less than the above range, the thickness of the coating layer 13 is too thin to effectively prevent the expansion of the negative electrode active material 11. Conversely, when used beyond the above range, the thickness of the coating layer 13 may increase, which may impede the movement of lithium ions and increase battery resistance.
음극용 슬러리 조성물Slurry composition for cathode
본 발명의 리튬 이차전지용 음극은 리튬 이온을 흡장 및 방출하면서 부피가 팽창 및 수축하는 음극 활물질(11) 및 상기 음극 활물질(11)을 수계 바인더로 건식 코팅한 코팅층(13)을 포함하는 이차전지용 음극 활물질 입자(10); 도전재; 및 바인더를 포함하는 슬러리 조성물을 이용하여 제조된다. The negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention includes a negative electrode active material 11 whose volume expands and contracts while inserting and releasing lithium ions, and a coating layer 13 obtained by dry coating the negative electrode active material 11 with an aqueous binder. Active material particles (10); conductive material; and a binder.
음극 활물질 입자(10)는 전술한 바의 음극 활물질 입자(10)가 사용될 수 있다.The negative electrode active material particles 10 described above may be used as the negative electrode active material particles 10.
도전재는 음극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위해 사용된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 시판되고 있는 도전재의 구체적인 예로는 아세틸렌 블랙 계열인 쉐브론 케미칼 컴퍼니(Chevron Chemical Company)나 덴카 블랙(DenkaSingapore Private Limited), 걸프 오일 컴퍼니(Gulf Oil Company) 제품 등), 케트젠블랙(Ketjenblack), EC 계열(아르막 컴퍼니(Armak Company) 제품), 불칸(Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼(Super) P(Timcal 사 제품) 등이 있다.Conductive materials are used to further improve the conductivity of the negative electrode active material. These conductive materials are not particularly limited as long as they have conductivity without causing chemical changes in the battery, and examples include graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used. Specific examples of commercially available conductive materials include acetylene black (Chevron Chemical Company, Denka Black (Denka Singapore Private Limited), Gulf Oil Company products, etc.), Ketjenblack, and EC series. (from Armak Company), Vulcan XC-72 (from Cabot Company), and Super P (from Timcal).
바인더는 수계 바인더가 사용될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 수계 바인더는 음극 활물질 입자(10)에서 언급된 수계 바인더 내에서 사용되며, 서로 같거나 다른 수계 바인더가 사용될 수 있다. 바람직하기로, 결합력을 높이기 위해 음극 활물질에 사용된 것과 동일한 수계 바인더를 사용할 수 있다.The binder may be a water-based binder, but is not limited thereto. The water-based binder is used in the water-based binder mentioned in the negative electrode active material particles 10, and the same or different water-based binders may be used. Preferably, the same water-based binder used in the negative electrode active material may be used to increase bonding strength.
바인더의 분자량은 습식 코팅이 가능하도록 상기 음극 활물질 입자(10)에 사용된 수계 바인더 대비 낮은 분자량을 갖는 것을 사용한다. The binder has a lower molecular weight than the water-based binder used in the negative electrode active material particles 10 to enable wet coating.
바인더는 중량평균분자량이 15만 g/mol 이상, 17만 g/mol 이상, 20만 g/mol 이상, 25만 g/mol 이상, 30만 g/mol 이상, 35만 g/mol 이상, 40만 g/mol 이상, 45만 g/mol 이상, 50만 g/mol 이상, 55만 g/mol 이상, 60만 g/mol 이상, 65만 g/mol 이상, 70만 g/mol 이상이다. 또한, 75만 g/mol 이하, 70만 g/mol 이하, 65만 g/mol 이하, 60만 g/mol 이하, 55만 g/mol 이하, 50만 g/mol 이하, 45만 g/mol 이하, 40만 g/mol 이하, 35만 g/mol 이하, 30만 g/mol 이하, 25만 g/mol 이하, 20만 g/mol 이하이다. 바람직하기로, 15만 g/mol 이상, 17만 g/mol 이상, 20만 g/mol 이상, 25만 g/mol 이상, 30만 g/mol 이상, 35만 g/mol 이상, 40만 g/mol 이상, 45만 g/mol 이상, 50만 g/mol 이상, 75만 g/mol 이하, 70만 g/mol 이하, 65만 g/mol 이하, 60만 g/mol 이하의 범위를 갖는다. 더욱 바람직하기로, 30만 g/mol 이상, 35만 g/mol 이상, 40만 g/mol 이상, 70만 g/mol 이하, 65만 g/mol 이하, 60만 g/mol 이하의 범위를 갖는다. 이러한 범위 내의 바인더는 높은 분산력을 나타내 음극 활물질 입자(10)와 도전재를 균일하게 분산시킬 수 있다. 또한, 음극 활물질 입자(10) 코팅층(13)의 수계 고분자와 상용성이 뛰어나 접착력을 높일 수 있어, 음극 활물질 입자(10)와 집전체와의 접착력을 높여 계면 박리를 방지한다.The binder has a weight average molecular weight of 150,000 g/mol or more, 170,000 g/mol or more, 200,000 g/mol or more, 250,000 g/mol or more, 300,000 g/mol or more, 350,000 g/mol or more, or 400,000 g/mol or more. g/mol or more, 450,000 g/mol or more, 500,000 g/mol or more, 550,000 g/mol or more, 600,000 g/mol or more, 650,000 g/mol or more, and 700,000 g/mol or more. Also, less than 750,000 g/mol, less than 700,000 g/mol, less than 650,000 g/mol, less than 600,000 g/mol, less than 550,000 g/mol, less than 500,000 g/mol, less than 450,000 g/mol , 400,000 g/mol or less, 350,000 g/mol or less, 300,000 g/mol or less, 250,000 g/mol or less, 200,000 g/mol or less. Preferably, 150,000 g/mol or more, 170,000 g/mol or more, 200,000 g/mol or more, 250,000 g/mol or more, 300,000 g/mol or more, 350,000 g/mol or more, 400,000 g/mol or more. mol or more, 450,000 g/mol or more, 500,000 g/mol or less, 750,000 g/mol or less, 700,000 g/mol or less, 650,000 g/mol or less, and 600,000 g/mol or less. More preferably, it has a range of 300,000 g/mol or more, 350,000 g/mol or more, 400,000 g/mol or more, 700,000 g/mol or less, 650,000 g/mol or less, and 600,000 g/mol or less. . A binder within this range exhibits high dispersing power and can uniformly disperse the negative electrode active material particles 10 and the conductive material. In addition, the negative electrode active material particles 10 have excellent compatibility with the water-based polymer of the coating layer 13, thereby increasing adhesion, thereby increasing the adhesion between the negative electrode active material particles 10 and the current collector to prevent interfacial peeling.
리튬 이차전지용 음극 슬러리 조성물은 공지된 바의 방법에 의해 제조될 수 있다. 일 구현예에 따른 슬러리 조성물은 수계 용매에 음극 활물질 입자(10), 도전재, 바인더를 첨가 후 균일하게 혼합하여 제조될 수 있다. An anode slurry composition for a lithium secondary battery can be prepared by a known method. The slurry composition according to one embodiment may be prepared by adding the negative electrode active material particles 10, a conductive material, and a binder to an aqueous solvent and then uniformly mixing them.
음극 슬러리 조성물 내 음극 활물질 입자(10)는 음극 슬러리의 고형분의 총 중량을 기준으로 80 중량% 내지 99 중량%이며, 구체적으로 80 중량% 이상, 85 중량% 이상, 90 중량% 이상, 95 중량% 이상, 97 중량% 이상, 98 중량% 이상이고, 99 중량% 이하, 98 중량% 이하, 97 중량% 이하, 95 중량% 이하, 90 중량% 이하, 85 중량% 이하, 82 중량% 이하의 범위를 갖는다. 이때 상기 음극 활물질 입자(10)의 함량이 상기 범위 미만일 경우 리튬 이차전지의 용량 및 수명특성이 현저히 감소할 수 있다. 반대로 상기 범위를 초과할 경우 상대적으로 도전재 및 바인더의 함량이 감소하여 상기 음극 활물질 입자(10)를 포함하는 음극의 도전성 및 음극 활물질 입자(10)와 음극집전체 간의 접착력이 감소할 수 있다.The negative electrode active material particles 10 in the negative electrode slurry composition are 80% to 99% by weight based on the total weight of the solid content of the negative electrode slurry, and specifically, 80% by weight or more, 85% by weight or more, 90% by weight or more, and 95% by weight. 97% by weight or more, 98% by weight or more, 99% by weight or less, 98% by weight or less, 97% by weight or less, 95% by weight or less, 90% by weight or less, 85% by weight or less, 82% by weight or less. have At this time, if the content of the negative electrode active material particles 10 is less than the above range, the capacity and lifespan characteristics of the lithium secondary battery may be significantly reduced. Conversely, if the above range is exceeded, the content of the conductive material and binder may be relatively reduced, thereby reducing the conductivity of the negative electrode containing the negative electrode active material particles 10 and the adhesion between the negative electrode active material particles 10 and the negative electrode current collector.
음극 슬러리 조성물 내 도전재는 음극 슬러리의 고형분의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 20.0 중량%이며, 구체적으로 0.1 중량% 이상, 0.5 중량% 이상, 1.0 중량% 이상, 3.0 중량% 이상, 5.0 중량% 이상, 10.0 중량% 이상, 15.0 중량% 이상, 17.0 중량% 이상, 19.0 중량% 이상, 19.5 중량% 이상이다. 또한, 20 중량% 이하, 19.5 중량% 이하, 19.0 중량% 이하, 17.0 중량% 이하, 15.0 중량% 이하, 10.0 중량% 이하, 5.0 중량% 이하, 3.0 중량% 이하, 1.0 중량% 이하, 0.5 중량% 이하, 0.2 중량% 이하의 범위를 갖는다. 이때 상기 도전재의 함량이 상기 범위 미만일 경우 도전재의 양이 미비하여 상기 음극 활물질 입자(10)와 음극 집전체 간에 도전성을 부여하기에 어려움이 있을 수 있다. 반대로, 상기 범위를 초과할 경우 상대적으로 음극 활물질 입자(10)의 함량이 감소하여 리튬 이차전지의 용량 및 수명 특성이 저하될 수 있다.The conductive material in the anode slurry composition is 0.1% to 20.0% by weight based on the total weight of the solid content of the anode slurry, specifically 0.1% by weight or more, 0.5% by weight or more, 1.0% by weight or more, 3.0% by weight or more, 5.0% by weight or more. or more, 10.0% by weight or more, 15.0% by weight or more, 17.0% by weight or more, 19.0% by weight or more, and 19.5% by weight or more. In addition, 20% by weight or less, 19.5% by weight or less, 19.0% by weight or less, 17.0% by weight or less, 15.0% by weight or less, 10.0% by weight or less, 5.0% by weight or less, 3.0% by weight or less, 1.0% by weight or less, 0.5% by weight or less. Hereinafter, the range is 0.2% by weight or less. At this time, if the content of the conductive material is less than the above range, there may be difficulty in providing conductivity between the negative electrode active material particles 10 and the negative electrode current collector due to the insufficient amount of the conductive material. Conversely, if the above range is exceeded, the content of the negative electrode active material particles 10 may be relatively reduced, thereby deteriorating the capacity and lifespan characteristics of the lithium secondary battery.
음극 슬러리 조성물 내 바인더는 음극 슬러리의 고형분의 총 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 5.0 중량%이며, 구체적으로 0.5 중량% 이상, 0.7 중량% 이상, 1.0 중량% 이상, 1.5 중량% 이상, 2.0 중량% 이상, 2.5 중량% 이상, 3.0 중량% 이상, 3.5 중량% 이상, 4.0 중량% 이상, 4.5 중량% 이상이다. 또한, 5.0 중량% 이하, 4.5 중량% 이하, 4.0 중량% 이하, 3.5 중량% 이하, 3.0 중량% 이하, 2.5 중량% 이하, 2.0 중량% 이하, 1.5 중량% 이하, 1.0 중량% 이하, 0.7 중량% 이하의 범위를 갖는다. 이때 상기 바인더의 함량이 상기 범위 미만일 경우 상기 음극 활물질 입자(10) 및 도전재의 결합과 집전체에 대한 결합력이 저하될 수 있다. 반대로 상기 범위를 초과할 경우 상대적으로 음극 활물질 입자(10)의 함량이 감소하여 리튬 이차전지의 용량 및 수명 특성이 저하될 수 있다. The binder in the negative electrode slurry composition is 0.5% to 5.0% by weight based on the total weight of solids of the negative electrode slurry, specifically 0.5% by weight or more, 0.7% by weight or more, 1.0% by weight or more, 1.5% by weight or more, 2.0% by weight or more. or more, 2.5% by weight or more, 3.0% by weight or more, 3.5% by weight or more, 4.0% by weight or more, and 4.5% by weight or more. In addition, 5.0% by weight or less, 4.5% by weight or less, 4.0% by weight or less, 3.5% by weight or less, 3.0% by weight or less, 2.5% by weight or less, 2.0% by weight or less, 1.5% by weight or less, 1.0% by weight or less, 0.7% by weight. It has the following range. At this time, if the content of the binder is less than the above range, the bonding strength between the negative electrode active material particles 10 and the conductive material and the bonding force to the current collector may be reduced. Conversely, if the above range is exceeded, the content of the negative electrode active material particles 10 may be relatively reduced, thereby deteriorating the capacity and lifespan characteristics of the lithium secondary battery.
용매는 수계 용매를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 수계 용매는 물 뿐만 아니라, 이소프로필알코올(Isopropyl alcohol), 메틸알코올(Methyl alcohol), 에틸알코올(Ethyl alcohol), 및 t-부틸알코올(t-Butyl alcohol) 등의 알코올류와 N-메틸 피롤리돈(N-Methyl pyrrolidone) 등의 환상 아미드류 등의 첨가제를 물에 대해 40 중량% 이하로 혼합한 용매가 사용될 수 있다. The solvent may be an aqueous solvent, but is not limited thereto. The aqueous solvent includes not only water but also alcohols such as isopropyl alcohol, methyl alcohol, ethyl alcohol, and t-butyl alcohol, and N-methyl alcohol. A solvent mixed with 40% by weight or less of additives such as cyclic amides such as N-Methyl pyrrolidone based on water may be used.
또한, 수계 용매는 금속염이 첨가된 용매일 수 있다. 상기 금속 염이 상기 수계 용매 내에서 용해되어 적절히 상기 음극 활물질의 외부 표면을 둘러싸며 피막을 형성할 때, 상기 피막에는 Li2CO3, LiOCH3, LiOC2H5, 또는 Li2O 등과 같은 상기 SEI를 이루는 성분들이 포함될 수 있다. 상기 SEI를 이루는 성분들은 수용성이므로 상기 음극 슬러리 조성물 내에서 상기 음극 활물질 입자(10)의 외부 표면에 위치하는 피막에 균일하게 포함되어 피막 형태로 함께 존재하여 SEI와 같거나 유사한 기능을 수행함으로써 음극의 초기 비가역을 최소화할 수 있다.Additionally, the aqueous solvent may be a solvent to which a metal salt is added. When the metal salt is dissolved in the aqueous solvent to form a film appropriately surrounding the outer surface of the negative electrode active material, the film includes the above-mentioned substances such as Li 2 CO 3 , LiOCH 3 , LiOC 2 H 5 , or Li 2 O. Components that make up SEI may be included. Since the components constituting the SEI are water-soluble, they are uniformly included in the film located on the outer surface of the negative electrode active material particles 10 in the negative electrode slurry composition and exist together in the form of a film to perform the same or similar function as SEI, thereby forming the negative electrode. Initial irreversibility can be minimized.
수계 용매는 음극 슬러리의 점도, 코팅성, 분산성 등을 고려하여, 음극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 포함하는 고형분의 농도가 15 중량% 이상, 20 중량% 이상, 25 중량% 이상, 30 중량% 이상, 35 중량% 이상, 40 중량% 이상, 42 중량% 이상이다. 또한, 45 중량% 이하, 42 중량% 이하, 40 중량% 이하, 35 중량% 이하, 30 중량% 이하, 25 중량% 이하, 20 중량% 이하, 17 중량% 이하의 범위를 갖는다. 바람직하기로, 20 중량% 이상, 23 중량% 이상, 30 중량% 이하, 27 중량% 이하의 범위를 갖는다. Considering the viscosity, coating properties, and dispersibility of the anode slurry, the aqueous solvent has a solid concentration of 15% by weight or more, 20% by weight, 25% by weight, or 30% by weight, including the anode active material, binder, and optionally a conductive material. It is % by weight or more, 35% by weight or more, 40% by weight or more, and 42% by weight or more. In addition, it has a range of 45% by weight or less, 42% by weight or less, 40% by weight or less, 35% by weight or less, 30% by weight or less, 25% by weight or less, 20% by weight or less, and 17% by weight or less. Preferably, it has a range of 20% by weight or more, 23% by weight or more, 30% by weight or less, and 27% by weight or less.
한편, 음극 슬러리 조성물은 추가로 증점제를 포함할 수 있다. 상기 증점제는 셀룰로오스계 화합물일 수 있으며, 예를 들어 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 하이드록시메틸셀룰로오스, 하이드록시에틸셀룰로오스 및 하이드록시프로필셀룰로오스로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 구체적으로 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)일 수 있다Meanwhile, the negative electrode slurry composition may additionally include a thickener. The thickener may be a cellulose-based compound, for example, one or more selected from the group consisting of carboxymethylcellulose (CMC), hydroxymethylcellulose, hydroxyethylcellulose, and hydroxypropylcellulose, and specifically carboxymethylcellulose. (CMC) can be
상기 음극 슬러리 조성물은 상기 증점제를 상기 음극 슬러리의 고형분의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 3 중량%이며, 구체적으로 0.1 중량% 이상, 0.5 중량% 이상, 1.0 중량% 이상, 1.5 중량% 이상, 2.0 중량% 이상, 2.5 중량% 이상이다. 또한, 3.0 중량% 이하, 2.5 중량% 이하, 2.0 중량% 이하, 1.5 중량% 이하, 1.0 중량% 이하, 0.5 중량% 이하이다. 바람직하기로 0.5 중량% 이상, 1.0 중량% 이상이고, 2.5 중량% 이하, 2.0 중량% 이하이다. 상기 음극 슬러리 조성물이 상기 증점제를 상기 범위로 포함할 경우, 적절한 증점 효과를 발휘하여 음극 슬러리 조성물의 저장 안정성을 확보할 수 있으며, 상기 증점제가 전지의 성능에 영향을 미치지 않는 함량으로 음극 슬러리에 포함될 수 있다.The negative electrode slurry composition contains the thickener in an amount of 0.1% to 3% by weight based on the total weight of solids of the negative electrode slurry, specifically 0.1% by weight or more, 0.5% by weight or more, 1.0% by weight or more, 1.5% by weight or more, It is 2.0% by weight or more, 2.5% by weight or more. Additionally, it is 3.0% by weight or less, 2.5% by weight or less, 2.0% by weight or less, 1.5% by weight or less, 1.0% by weight or less, and 0.5% by weight or less. Preferably, it is 0.5% by weight or more, 1.0% by weight or more, and 2.5% by weight or less, and 2.0% by weight or less. When the negative electrode slurry composition contains the thickener in the above range, an appropriate thickening effect can be achieved to ensure storage stability of the negative electrode slurry composition, and the thickener is included in the negative electrode slurry in an amount that does not affect the performance of the battery. You can.
또한, 상기 음극 슬러리 조성물을 추가로 분산제를 포함할 수 있고, 상기 분산제는 구체적으로 수계 분산제일 수 있다.Additionally, the negative electrode slurry composition may further include a dispersant, and the dispersant may specifically be an aqueous dispersant.
상기 분산제로는 셀룰로오스계 화합물, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세탈, 폴리비닐에테르, 폴리비닐설폰산, 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐리덴플루오라이드, 키토산류, 전분, 아밀로즈(amylose), 폴리아크릴아마이드, 폴리-N-이소프로필아크릴아미드, 폴리-N,N-디메틸아크릴아미드, 폴리에틸렌이민, 폴리옥시에틸렌, 폴리(2-메톡시에톡시에틸렌), 폴리(아크릴아마이드-코-디알릴디메틸암모늄 클로라이드), 아크릴로니트릴/부타디엔/스티렌(ABS) 폴리머, 아크릴로니트릴/스티렌/아크릴에스테르(ASA) 폴리머, 아크릴로니트릴/스티렌/아크릴에스테르(ASA) 폴리머와 프로필렌 카보네이트의 혼합물, 스티렌/아크릴로니트릴(SAN) 코폴리머, 또는 메틸메타크릴레이트/아크릴로니트릴/부타디엔/스티렌(MABS) 폴리머 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.The dispersing agent includes cellulose-based compounds, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl acetal, polyvinyl ether, polyvinyl sulfonic acid, polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride, chitosan, starch, and amyl. Rose (amylose), polyacrylamide, poly-N-isopropylacrylamide, poly-N,N-dimethylacrylamide, polyethyleneimine, polyoxyethylene, poly(2-methoxyethoxyethylene), poly(acrylamide) -co-diallyldimethylammonium chloride), acrylonitrile/butadiene/styrene (ABS) polymer, acrylonitrile/styrene/acrylic ester (ASA) polymer, acrylonitrile/styrene/acrylic ester (ASA) polymer and propylene carbonate. A mixture of styrene/acrylonitrile (SAN) copolymer, or methyl methacrylate/acrylonitrile/butadiene/styrene (MABS) polymer may be used, and any one or a mixture of two or more of these may be used.
상기 음극 슬러리는 상기 분산제를 상기 음극 슬러리의 고형분 총 중량을 기준으로 0.01 중량% 내지 0.5 중량%이며, 구체적으로 0.01 중량% 이상, 0.05 중량% 이상, 0.1 중량% 이상, 0.2 중량% 이상, 0.3 중량% 이상, 0.4 중량% 이상, 0.45 중량% 이상이다. 또한, 0.5 중량% 이하, 0.45 중량% 이하, 0.4 중량% 이하, 0.3 중량% 이하, 0.2 중량% 이하, 0.1 중량% 이하, 0.05 중량% 이하이다. 바람직하기로, 0.05 중량% 이상, 0.1 중량% 이상이고, 0.5 중량% 이하, 0.3 중량% 이하이다. 상기 음극 슬러리가 상기 분산제를 상기 범위로 포함할 경우, 상기 분산제가 적절히 상기 음극 활물질의 분산성을 향상시킬 수 있으면서도, 상기 분산제가 상기 음극 슬러리에 일정 함량 이내로 포함되어 전지의 성능을 저하시키지 않는다.The anode slurry contains the dispersant in an amount of 0.01% to 0.5% by weight based on the total weight of solids of the anode slurry, specifically 0.01% by weight or more, 0.05% by weight or more, 0.1% by weight or more, 0.2% by weight or more, 0.3% by weight. % or more, 0.4% by weight or more, or 0.45% by weight or more. Additionally, it is 0.5% by weight or less, 0.45% by weight or less, 0.4% by weight or less, 0.3% by weight or less, 0.2% by weight or less, 0.1% by weight or less, and 0.05% by weight or less. Preferably, it is 0.05% by weight or more, 0.1% by weight or more, and 0.5% by weight or less, or 0.3% by weight or less. When the negative electrode slurry contains the dispersant within the above range, the dispersant can appropriately improve the dispersibility of the negative electrode active material, and the dispersant is included in the negative electrode slurry within a certain amount and does not deteriorate battery performance.
경우에 따라서, 상기 수계 음극슬러리에 충진제 등이 추가로 포함될 수 있다In some cases, fillers, etc. may be additionally included in the water-based cathode slurry.
상기 충진제는 음극의 팽창을 억제하는 성분으로서 사용될 수 있으며, 이차전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용될 수 있다.The filler can be used as a component to suppress expansion of the negative electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material that does not cause chemical changes in the secondary battery. For example, olipine polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials such as glass fiber and carbon fiber may be used.
음극cathode
도 2는 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극(100)을 보여주는 단면도이다.Figure 2 is a cross-sectional view showing the negative electrode 100 for a lithium secondary battery according to the present invention.
도 2를 보면, 리튬 이차전지용 음극(100)은 집전체(50); 및 집전체(50)의 상면에 적층되는 음극 활물질층(60)을 포함한다.Referring to Figure 2, the negative electrode 100 for a lithium secondary battery includes a current collector 50; and a negative electrode active material layer 60 laminated on the upper surface of the current collector 50.
상기 음극 활물질층(60)은 전술한 바의 음극 슬러리 조성물로 제조되며, 바인더 및 도전재를 포함하는 기재(20) 내에 음극 활물질 입자(10)가 분산된 형태를 갖는다. The negative electrode active material layer 60 is manufactured from the negative electrode slurry composition described above, and has negative electrode active material particles 10 dispersed in a substrate 20 containing a binder and a conductive material.
구체적으로, 음극(100)은 전술한 바의 음극 슬러리 조성물을 음극 집전체(50)의 상면에 코팅한 다음, 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.Specifically, the negative electrode 100 may be manufactured by coating the upper surface of the negative electrode current collector 50 with the negative electrode slurry composition described above, followed by drying and rolling.
음극 집전체(50)는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대 구리, 금, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. 이때 상기 음극 집전체는 일반적으로 3μm 내지 500μm의 두께를 가진다. The negative electrode current collector 50 is not particularly limited as long as it is conductive without causing chemical changes in the battery, and may be made of, for example, copper, gold, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, copper, or stainless steel. Surface treatment with carbon, nickel, titanium, silver, etc., aluminum-cadmium alloy, etc. can be used. In addition, the bonding power of the negative electrode active material can be strengthened by forming fine irregularities on the surface, and it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics. At this time, the negative electrode current collector generally has a thickness of 3 μm to 500 μm.
음극 활물질층(60)은 상술한 음극 활물질의 부피 팽창을 억제할 수 있으며, 음극 활물질 입자(10)간 결착력이 우수하고 높은 에너지 밀도를 갖는 박막 음극의 구현이 가능할 수 있다. 구체적으로, 상기 음극 활물질층(60)의 두께는 10μm 이상, 15μm 이상, 20μm 이상, 25μm 이상, 30μm 이상, 35μm 이상, 40μm 이하, 35μm 이하, 30μm 이하, 25μm 이하, 20μm 이하, 15μm 이하이고, 바람직하기로 20μm 이상, 25μm 이상, 35μm 이하, 30μm 이하이다.The negative electrode active material layer 60 can suppress the volume expansion of the negative electrode active material described above, and it may be possible to implement a thin film negative electrode having excellent adhesion between the negative electrode active material particles 10 and high energy density. Specifically, the thickness of the negative active material layer 60 is 10 μm or more, 15 μm or more, 20 μm or more, 25 μm or more, 30 μm or more, 35 μm or more, 40 μm or less, 35 μm or less, 30 μm or less, 25 μm or less, 20 μm or less, 15 μm or less, Preferably, it is 20μm or more, 25μm or more, 35μm or less, and 30μm or less.
리튬 이차전지Lithium secondary battery
또한, 본 발명은 음극과, 양극, 상기 음극과 양극 사이에 개재된 세퍼레이터 및 전해질을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. Additionally, the present invention provides a lithium secondary battery including a negative electrode, a positive electrode, a separator interposed between the negative electrode and the positive electrode, and an electrolyte.
이때 음극은 전술한 바의 음극이 사용될 수 있다. At this time, the cathode described above may be used as the cathode.
본 발명의 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터로 이루어진 전극 구조체에 본 발명의 비수 전해액을 주입하여 제조할 수 있다. 이때, 전극 구조체를 이루는 양극, 음극 및 세퍼레이터는 리튬 이차전지 제조에 통상적으로 사용되던 것들이 모두 사용될 수 있다.The lithium secondary battery of the present invention can be manufactured by injecting the non-aqueous electrolyte solution of the present invention into an electrode structure consisting of a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode. At this time, the positive electrode, negative electrode, and separator that make up the electrode structure can all be used as those commonly used in manufacturing lithium secondary batteries.
이때, 상기 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질 및 선택적으로 바인더, 도전재 및 용매 등을 포함하는 양극 활물질 슬러리를 코팅한 다음, 건조 및 압연하여 제조할 수 있다.At this time, the positive electrode can be manufactured by coating a positive electrode active material slurry containing a positive electrode active material and optionally a binder, a conductive material, and a solvent on a positive electrode current collector, followed by drying and rolling.
상기 양극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다.The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it is conductive without causing chemical changes in the battery. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or carbon on the surface of aluminum or stainless steel. , surface treated with nickel, titanium, silver, etc. can be used.
상기 양극 활물질은 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물로서, 구체적으로는 코발트, 망간, 니켈 또는 알루미늄과 같은 1종 이상의 금속과 리튬을 포함하는 리튬 복합금속 산화물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 리튬 복합금속 산화물은 리튬-망간계 산화물(예를 들면, LiMnO2, LiMn2O4 등), 리튬-코발트계 산화물(예를 들면, LiCoO2 등), 리튬-니켈계 산화물(예를 들면, LiNiO2 등), 리튬-니켈-망간계 산화물(예를 들면, LiNi1-YMnYO2(여기에서, 0<Y<1), LiMn2-zNizO4(여기에서, 0<Z<2) 등), 리튬-니켈-코발트계 산화물(예를 들면, LiNi1-Y1CoY1O2(여기에서, 0<Y1<1) 등), 리튬-망간-코발트계 산화물(예를 들면, LiCo1-Y2MnY2O2(여기에서, 0<Y2<1), LiMn2-z1Coz1O4(여기에서, 0<Z1<2) 등), 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물(예를 들면, Li(NipCoqMnr1)O2(여기에서, 0<p<1, 0<q<1, 0<r1<1, p+q+r1=1) 또는 Li(Nip1Coq1Mnr2)O4(여기에서, 0<p1<2, 0<q1<2, 0<r2<2, p1+q1+r2=2) 등), 또는 리튬-니켈-코발트-전이금속(M) 산화물(예를 들면, Li(Nip2Coq2Mnr3MS2)O2(여기에서, M은 Al, Fe, V, Cr, Ti, Ta, Mg 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되고, p2, q2, r3 및 s2는 각각 독립적인 원소들의 원자분율로서, 0<p2<1, 0<q2<1, 0<r3<1, 0<s2<1, p2+q2+r3+s2=1이다) 등) 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 화합물이 포함될 수 있다. 이중에서도 전지의 용량 특성 및 안정성을 높일 수 있다는 점에서 상기 리튬 복합금속 산화물은 LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2, 리튬 니켈망간코발트 산화물(예를 들면, Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2, Li(Ni0.5Mn0.3Co0.2)O2, 또는 Li(Ni0.8Mn0.1Co0.1)O2 등), 또는 리튬 니켈코발트알루미늄 산화물(예를 들면, Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2 등) 등일 수 있으며, 리튬 복합금속 산화물을 형성하는 구성원소의 종류 및 함량비 제어에 따른 개선 효과의 현저함을 고려할 때 상기 리튬 복합금속 산화물은 Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2, Li(Ni0.5Mn0.3Co0.2)O2, Li(Ni0.7Mn0.15Co0.15)O2 또는 Li(Ni0.8Mn0.1Co0.1)O2 등일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.The positive electrode active material is a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium, and may specifically include a lithium composite metal oxide containing lithium and one or more metals such as cobalt, manganese, nickel, or aluminum. there is. More specifically, the lithium composite metal oxide is lithium-manganese-based oxide (for example, LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , etc.), lithium-cobalt-based oxide (for example, LiCoO 2 , etc.), lithium-nickel-based oxide. (e.g., LiNiO 2 , etc.), lithium-nickel-manganese oxide (e.g., LiNi 1-Y Mn Y O 2 (here, 0<Y<1), LiMn 2-z Ni z O4 (here , 0<Z<2), etc.), lithium-nickel-cobalt oxide (for example, LiNi 1-Y1 Co Y1 O 2 (where 0<Y1<1), etc.), lithium-manganese-cobalt oxide Oxide (for example, LiCo 1-Y2 Mn Y2 O 2 (where 0<Y2<1), LiMn 2-z 1Co z1 O 4 (where 0<Z1<2), etc.), lithium-nickel- Manganese-cobalt-based oxide (e.g., Li(Ni p Co q Mn r1 )O2 (where 0<p<1, 0<q<1, 0<r1<1, p+q+r1=1) or Li(Ni p1 Co q1 Mn r2 )O4 (where 0<p1<2, 0<q1<2, 0<r2<2, p1+q1+r2=2), etc.), or lithium-nickel-cobalt. -Transition metal (M) oxide (for example, Li(Ni p2 Co q2 Mn r3 MS 2 )O 2 (where M is selected from the group consisting of Al, Fe, V, Cr, Ti, Ta, Mg and Mo) is selected, and p2, q2, r3 and s2 are each independent atomic fractions of elements, 0<p2<1, 0<q2<1, 0<r3<1, 0<s2<1, p2+q2+r3+ s2 = 1), etc., and any one or two or more of these compounds may be included. Among these, in that the capacity characteristics and stability of the battery can be improved, the lithium composite metal oxide is LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , lithium nickel manganese cobalt oxide (for example, Li(Ni 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 )O 2 , Li(Ni 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 )O 2 , or Li(Ni 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 )O 2 etc.), or lithium nickel cobalt aluminum oxide (for example, Li(Ni 0.8 Co 0.15 Al 0.05 )O 2 etc.), etc., and considering the significant improvement effect due to control of the type and content ratio of the constituent elements forming the lithium composite metal oxide, the lithium composite metal oxide is Li(Ni 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 )O 2 , Li (Ni 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 )O 2 , Li(Ni 0.7 Mn 0.15 Co 0.15 )O 2 or Li(Ni 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 )O 2 , etc., and any one or a mixture of two or more of these may be used. .
상기 양극 활물질은 각각의 양극 합제의 전체 중량을 기준으로 80 중량% 내지 99 중량%로 포함될 수 있다.The positive electrode active material may be included in an amount of 80% to 99% by weight based on the total weight of each positive electrode mixture.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 합제의 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.The binder is a component that assists in the bonding of the active material and the conductive material and the bonding to the current collector, and is usually added in an amount of 1% to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode mixture. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, Examples include polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene-butadiene rubber, fluorine rubber, and various copolymers.
상기 도전재는 통상적으로 양극 합제의 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 30 중량%로 첨가된다.The conductive material is typically added in an amount of 1% to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode mixture.
이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 그라파이트; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 탄소계 물질; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 시판되고 있는 도전재의 구체적인 예로는 아세틸렌 블랙 계열인 쉐브론 케미칼 컴퍼니(Chevron Chemical Company)나 덴카블랙(Denka Singapore Private Limited), 걸프 오일 컴퍼니(Gulf Oil Company) 제품 등), 케첸블랙(Ketjenblack), EC 계열(아르막 컴퍼니(Armak Company) 제품), 불칸(Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼(Super) P(Timcal 사 제품) 등이 있다.These conductive materials are not particularly limited as long as they have conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, graphite; Carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used. Specific examples of commercially available conductive materials include acetylene black (Chevron Chemical Company, Denka Singapore Private Limited, Gulf Oil Company products, etc.), Ketjenblack, and EC series. (from Armak Company), Vulcan XC-72 (from Cabot Company), and Super P (from Timcal).
상기 용매는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 등의 유기용매를 포함할 수 있으며, 상기 양극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재 등을 포함할 때 바람직한 점도가 되는 양으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 양극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함하는 고형분의 농도가 50 중량% 내지 95 중량%, 바람직하게 70 중량% 내지 90 중량%가 되도록 포함될 수 있다.The solvent may include an organic solvent such as NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), and may be used in an amount that provides a desirable viscosity when including the positive electrode active material, and optionally a binder and a conductive material. For example, the solid concentration including the positive electrode active material, and optionally the binder and the conductive material may be included such that the concentration is 50% by weight to 95% by weight, preferably 70% by weight to 90% by weight.
상기 리튬 이차전지에 있어서, 세퍼레이터는 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬 이차전지에서 세퍼레이터로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 세퍼레이터가 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.In the lithium secondary battery, the separator separates the negative electrode and the positive electrode and provides a passage for lithium ions to move. It can be used without particular restrictions as long as it is normally used as a separator in a lithium secondary battery, and in particular, it has low resistance to ion movement in the electrolyte. It is desirable to have excellent resistance and electrolyte moisturizing ability. Specifically, porous polymer films, for example, porous polymer films made of polyolefin polymers such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer, or these. A laminated structure of two or more layers may be used. In addition, conventional porous non-woven fabrics, for example, non-woven fabrics made of high melting point glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, etc., may be used. Additionally, a coated separator containing a ceramic component or polymer material may be used to ensure heat resistance or mechanical strength, and may optionally be used in a single-layer or multi-layer structure.
또, 본 발명에서 사용되는 전해질로는 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.In addition, electrolytes used in the present invention include organic liquid electrolytes, inorganic liquid electrolytes, solid polymer electrolytes, gel-type polymer electrolytes, solid inorganic electrolytes, and molten inorganic electrolytes that can be used in the production of lithium secondary batteries, and are limited to these. It doesn't work.
구체적으로, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.Specifically, the electrolyte may include an organic solvent and a lithium salt.
상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 감마-부티로락톤, ε-카프로락톤 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르 또는 테트라히드로퓨란 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논 등의 케톤계 용매; 벤젠, 플루오로벤젠 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 메틸에틸카보네이트(MEC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이중에서도 카보네이트계 용매가 바람직하고, 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카보네이트(예를 들면, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트 등)와, 저점도의 선형 카보네이트계 화합물(예를 들면, 에틸메틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트 등)의 혼합물이 보다 바람직하다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 약 1:1 내지 약 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다.The organic solvent may be used without particular limitation as long as it can serve as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move. Specifically, the organic solvent includes ester solvents such as methyl acetate, ethyl acetate, gamma-butyrolactone, and ε-caprolactone; Ether-based solvents such as dibutyl ether or tetrahydrofuran; Ketone-based solvents such as cyclohexanone; Aromatic hydrocarbon-based solvents such as benzene and fluorobenzene; Carbonate-based solvents such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), methyl ethyl carbonate (MEC), ethyl methyl carbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), and propylene carbonate (PC); Alcohol-based solvents such as ethyl alcohol and isopropyl alcohol; nitriles such as R-CN (R is a C 2 to C 20 straight-chain, branched or ring-structured hydrocarbon group, and may include a double bond aromatic ring or ether bond); Amides such as dimethylformamide; Dioxolanes such as 1,3-dioxolane; Alternatively, sulfolane, etc. may be used. Among these, carbonate-based solvents are preferable, and cyclic carbonates (e.g., ethylene carbonate or propylene carbonate, etc.) with high ionic conductivity and high dielectric constant that can improve the charging and discharging performance of the battery, and low-viscosity linear carbonate-based compounds ( For example, ethylmethyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, etc.) are more preferable. In this case, excellent electrolyte performance can be obtained by mixing cyclic carbonate and chain carbonate in a volume ratio of about 1:1 to about 1:9.
상기 리튬염은 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 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 can be used without particular restrictions as long as it is a compound that can provide lithium ions used in lithium secondary batteries. Specifically, the lithium salt is LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN(C 2 F 5 SO 3 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , LiCl, LiI, or LiB(C 2 O 4 ) 2 , etc. may be used. The concentration of the lithium salt is preferably used within the range of 0.1 to 2.0M. When the concentration of lithium salt is within the above range, the electrolyte has appropriate conductivity and viscosity, so excellent electrolyte performance can be achieved and lithium ions can move effectively.
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다. 이때 상기 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1 중량% 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.In addition to the electrolyte components, the electrolyte includes, for example, haloalkylene carbonate-based compounds such as difluoroethylene carbonate, pyridine, and trifluoroethylene for the purpose of improving battery life characteristics, suppressing battery capacity reduction, and improving battery discharge capacity. Ethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexanoic acid triamide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N,N-substituted imida. One or more additives such as zolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy ethanol, or aluminum trichloride may be further included. At this time, the additive may be included in an amount of 0.1% to 5% by weight based on the total weight of the electrolyte.
상기와 같이 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 우수한 방전 용량, 출력 특성 및 용량 유지율을 안정적으로 나타내기 때문에, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기, 및 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 등의 전기 자동차 분야 등에 유용하며, 특히 중대형 전지모듈의 구성 전지로서 바람직하게 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 또한 상기와 같은 이차전지를 단위 전지로 포함하는 중대형 전지모듈을 제공한다.As described above, the lithium secondary battery according to the present invention stably exhibits excellent discharge capacity, output characteristics, and capacity maintenance rate, and is therefore widely used in portable devices such as mobile phones, laptop computers, digital cameras, and hybrid electric vehicles (HEV). ), etc., and is useful in the field of electric vehicles, etc., and can be particularly preferably used as a component battery of medium to large-sized battery modules. Accordingly, the present invention also provides a medium to large-sized battery module including the above secondary battery as a unit cell.
이러한 중대형 전지모듈은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전력저장장치 등과 같이 고출력, 대용량이 요구되는 동력원에 바람직하게 적용될 수 있다.These medium-to-large battery modules can be preferably applied to power sources that require high output and large capacity, such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, and power storage devices.
[실시예][Example]
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예를 기재한 것으로, 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described. However, the following example describes a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited by the following example.
[음극 활물질 입자 제조][Manufacture of negative electrode active material particles]
(방법1) 음극 활물질 입자 제조: MF 건식 코팅(Method 1) Preparation of negative electrode active material particles: MF dry coating
입자 상의 음극 활물질 100 중량부 대비 입자 상의 수계 바인더 2 중량부를 메카노퓨전 설비에 투입하고, 저속 1000rpm으로 10분 회전한 후, 2000rpm에서 5분을 회전하는 메카노퓨전 공정을 실시하였다. 상기 메카노퓨전 공정에 따라, 실리콘계 음극 활물질 입자 표면에 수계 바인더가 코팅된 음극 활물질 입자(평균 입경(D50): 3.5μm )를 제조하였다.2 parts by weight of the water-based binder on the particles were added to the mechanofusion facility relative to 100 parts by weight of the negative electrode active material on the particles, and the mechanofusion process was performed by rotating at a low speed of 1000 rpm for 10 minutes and then rotating at 2000 rpm for 5 minutes. According to the mechanofusion process, negative electrode active material particles (average particle diameter (D50): 3.5 μm) coated with a water-based binder on the surface of the silicon-based negative electrode active material particles were manufactured.
(방법2) 음극 활물질 입자 제조:용매 코팅(Method 2) Preparation of negative electrode active material particles: Solvent coating
수계 바인더 2 중량부를 물 500 중량부에 용해시킨 후, 음극 활물질 100 중량부를 첨가하여 2000rpm에서 20분 동안 교반하였다. 이어, 여과 후 120℃의 진공 오븐에서 10시간 동안 건조하여 수계 바인더가 코팅된 음극 활물질 입자를 제조하였다.After dissolving 2 parts by weight of the water-based binder in 500 parts by weight of water, 100 parts by weight of the negative electrode active material was added and stirred at 2000 rpm for 20 minutes. Then, after filtration, it was dried in a vacuum oven at 120°C for 10 hours to prepare negative electrode active material particles coated with an aqueous binder.
(방법3) 음극 활물질 입자 제조: 분무 코팅(Method 3) Manufacturing negative active material particles: Spray coating
물 500 중량부에 수계 바인더 2 중량부를 첨가 후 교반하여 코팅액을 제조하였다. 상기 코팅액을 음극 활물질 100 중량부에 분사한 후, 120℃의 진공 오븐에서 10시간 동안 건조하여 수계 바인더가 코팅된 음극 활물질 입자를 제조하였다. A coating solution was prepared by adding 2 parts by weight of an aqueous binder to 500 parts by weight of water and stirring. The coating solution was sprayed onto 100 parts by weight of the negative electrode active material, and then dried in a vacuum oven at 120°C for 10 hours to prepare negative electrode active material particles coated with an aqueous binder.
이때 수계 바인더로는 PAA(MW 350만 g/mol, 평균입경(D50) 0.5μm) 및 PVA(MW 300만 g/mol, 평균입경(D50) 0.4μm)를 사용하였다. At this time, PAA (MW 3.5 million g/mol, average particle size (D50) 0.5 μm) and PVA (MW 3 million g/mol, average particle size (D50) 0.4 μm) were used as water-based binders.
또한, 음극 활물질의 평균입경(D50)은 2.5μm인 것을 사용하였다.In addition, the average particle diameter (D50) of the negative electrode active material was 2.5 μm.
[음극 제조용 슬러리 조성물 및 음극 제조][Slurry composition for anode production and anode production]
상기에서 제조된 음극 활물질 입자, 도전재로서 카본블랙(제품명: Super C65, 제조사: Timcal), 바인더를 80:10:10의 중량비로 음극 슬러리 형성용 용매로서 증류수에 첨가하여 슬러리 조성물을 제조하였다. A slurry composition was prepared by adding the negative electrode active material particles prepared above, carbon black (product name: Super C65, manufacturer: Timcal) as a conductive material, and a binder as a solvent for forming a negative electrode slurry at a weight ratio of 80:10:10 to distilled water.
음극 집전체로서 구리 집전체(두께: 8μm )의 일면에 상기 음극 슬러리를 코팅하고, 압연(roll press)하고, 130℃의 진공 오븐에서 10시간 동안 건조하여 음극 활물질층을 형성함으로써, 이를 음극으로 하였다.The negative electrode slurry is coated on one side of a copper current collector (thickness: 8 μm) as a negative electrode current collector, rolled, and dried in a vacuum oven at 130°C for 10 hours to form a negative electrode active material layer, which is used as a negative electrode. did.
[리튬 이차전지 제조: Half cell][Lithium secondary battery manufacturing: Half cell]
상대(counter) 전극으로 Li 금속을 사용하였고, 상기에서 제조된 각각의 음극과 Li 금속 사이에 폴리올레핀 세퍼레이터를 개재시킨 후, 에틸렌 카보네이트(EC) 및 디에틸 카보네이트(DEC)를 30:70의 부피비로 혼합한 용매에 1 중량%의 비닐렌카보네이트 (VC), 12.5중량%의 플루오르에틸렌 카보네이트 (FEC) 및 1M LiPF6가 용해된 전해질을 주입하여 각각 코인형 반쪽전지를 제조하였다.Li metal was used as a counter electrode, and a polyolefin separator was interposed between each cathode prepared above and Li metal, and then ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were added at a volume ratio of 30:70. Coin-type half-cells were manufactured by injecting an electrolyte containing 1% by weight of vinylene carbonate (VC), 12.5% by weight of fluoroethylene carbonate (FEC), and 1M LiPF 6 dissolved in the mixed solvent.
[시험 방법][Test Methods]
(1) 분산성 : 제조된 음극 슬러리를 40ml 바이알 용기에 절반 이상 담고 경시 변화를 측정하였다. 이때 침강 속도가 빠른 경우 분산성 낮은 것이며, 침강 속도가 높은 경우 분산성이 좋은 것이다.(1) Dispersibility: More than half of the prepared negative electrode slurry was placed in a 40ml vial container and changes over time were measured. At this time, if the sedimentation rate is fast, the dispersibility is low, and if the sedimentation rate is high, the dispersibility is good.
(2) 50회 용량 유지율(%) : 50사이클에서의 용량유지율은 하기 수학식 1로 정의된다.(2) Capacity maintenance rate at 50 cycles (%): The capacity retention rate at 50 cycles is defined by the following equation (1).
<수학식 1><Equation 1>
용량유지율(%) = 50회 사이클에서의 방전용량 / 1회 사이클에서의 방전용량 X 100Capacity maintenance rate (%) = Discharge capacity in 50 cycles / Discharge capacity in 1 cycle
(3) 50회 충방전 효율(%) : (3) 50 charge/discharge efficiency (%):
50사이클에서의 충방전 효율은 수학식 2로 정의된다.The charge/discharge efficiency at 50 cycles is defined by Equation 2.
<수학식 2><Equation 2>
충방전 효율(%) = 50회 사이클에서의 방전용량 / 50회 사이클에서의 충전용량 X 100Charge/discharge efficiency (%) = Discharge capacity in 50 cycles / Charge capacity in 50 cycles
(4) 팽창률(%) : 음극을 충전 후 코인하프셀을 해체하여 음극의 두께를 측정한다. 이때 팽창률은 수학식 3으로 정의된다.(4) Expansion rate (%): After charging the cathode, disassemble the coin half cell and measure the thickness of the cathode. At this time, the expansion rate is defined by Equation 3.
<수학식 3><Equation 3>
팽창율(%) = 충전 후 음극 합제의 두께 / 충전 전 음극 합제의 두께 X 100Expansion rate (%) = Thickness of anode mixture after charging / Thickness of anode mixture before charging
시험예 1Test example 1
코팅 방식에 따른 전지의 물성을 측정하기 위해 하기 표 1의 조성으로 수행한 후, 결과를 나타내었다.In order to measure the physical properties of the battery according to the coating method, the composition was performed using the composition shown in Table 1 below, and the results are shown.
상기 표를 보면, MF 건식 코팅 방법에 의해 제조된 음극 활물질 입자를 사용한 이차전지의 경우 습식 코팅 방식인 비교예 2 및 3 대비 분산성이 우수하고, 전지 특성에서 우수한 결과를 나타내었다. 특히, 팽창률을 비교해보면, 건식 코팅을 수행한 경우 수계 고분자인 PAA 및 PVA의 사용으로 인해 전지의 부피 팽창을 효과적으로 억제함을 알 수 있다.Looking at the table above, the secondary battery using the negative active material particles manufactured by the MF dry coating method had superior dispersibility and showed excellent results in battery characteristics compared to Comparative Examples 2 and 3, which were wet coating methods. In particular, when comparing the expansion rates, it can be seen that when dry coating is performed, the volume expansion of the battery is effectively suppressed due to the use of water-based polymers, PAA and PVA.
시험예 2Test example 2
수계 바인더의 분자량에 따른 전지의 물성을 측정하기 위해 하기 표 2의 조성으로 수행한 후, 결과를 나타내었다. 이때 음극 활물질 입자의 코팅은 모두 MF 건식 방법으로 수행하였다.In order to measure the physical properties of the battery according to the molecular weight of the water-based binder, the composition was performed using the composition shown in Table 2 below, and the results are shown. At this time, all coatings of the negative electrode active material particles were performed using the MF dry method.
상기 표를 보면, 음극 활물질 입자의 PAA의 분자량이 높을수록 충방전 용량 유지율이 향상되는 경향을 나타내었으며, 분자량이 750만이상 클 경우 코팅 균일성이 떨어져 용량 유지율이 떨어지는 경향을 나타내었다. 하지만, 참조예 1 및 2의 전지 대비 고분자량을 사용한 실시예 6 내지 8의 전지의 특성이 우수함을 알 수 있다. Looking at the table above, the higher the molecular weight of the PAA of the negative electrode active material particle, the higher the charge/discharge capacity maintenance rate, and when the molecular weight was greater than 7.5 million, the coating uniformity tended to decrease and the capacity retention rate tended to decrease. However, it can be seen that the batteries of Examples 6 to 8 using high molecular weight have superior characteristics compared to the batteries of Reference Examples 1 and 2.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 음극 활물질, 그 제조방법 및 음극 활물질을 포함하는 이차전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.What has been described above is only one example for carrying out the negative electrode active material, its manufacturing method, and a secondary battery containing the negative electrode active material according to the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the following patent claims As claimed in the scope, it is included in the technical idea of the present invention to the extent that anyone skilled in the art can make various changes without departing from the gist of the present invention.
10: 음극 활물질 입자
11: 음극 활물질
13: 코팅층
20: 기재
50: 음극 집전체
60: 음극 활물질층
100: 음극10: Negative active material particles
11: Negative active material
13: Coating layer
20: Description
50: cathode current collector
60: Negative active material layer
100: cathode
Claims (22)
상기 음극 활물질을 수계 바인더로 건식 코팅한 코팅층을 포함하는 이차전지용 음극 활물질 입자이되,
상기 건식 코팅은 솔벤트 프리(solvent-free) 및 메카노퓨전 공정으로 수행되어, 입자 상태의 음극 활물질의 표면에 입자 상태의 수계 바인더가 전단응력에 의한 열에너지에 의해 코팅된, 이차전지용 음극 활물질 입자.A negative electrode active material whose volume expands and contracts while inserting and releasing lithium ions; and
Negative active material particles for secondary batteries comprising a coating layer obtained by dry coating the negative active material with an aqueous binder,
The dry coating is performed by a solvent-free and mechanofusion process, and the surface of the particle-state anode active material is coated with a particle-state aqueous binder by thermal energy from shear stress. Negative active material particles for secondary batteries.
상기 음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬금속의 합금, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질 및 전이 금속 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인, 이차전지용 음극 활물질 입자.According to paragraph 1,
The negative electrode active material is one or more selected from the group consisting of materials capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions, lithium metal, alloys of lithium metal, materials capable of doping and dedoping lithium, and transition metal oxides. , negative active material particles for secondary batteries.
상기 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질은 탄소계 활물질, 실리콘계 활물질, 및 Sn계 활물질로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인, 이차전지용 음극 활물질 입자.According to paragraph 2,
The material capable of doping and dedoping lithium is at least one selected from the group consisting of a carbon-based active material, a silicon-based active material, and a Sn-based active material, an anode active material particle for a secondary battery.
상기 실리콘계 활물질은 Si, SiOx(0<x<2), Si-C 복합체, Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님) 중 어느 하나 이상인, 이차전지용 음극 활물질 입자.According to paragraph 3,
The silicon-based active material is Si, SiOx (0<x<2), Si-C composite, Si-Q alloy (where Q is an alkali metal, alkaline earth metal, Group 13 element, Group 14 element, Group 15 element, Group 16 element, Negative active material particles for secondary batteries, which are at least one element selected from the group consisting of transition metals, rare earth elements, and combinations thereof, but not Si.
상기 수계 바인더는 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴 아미드, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에피클로로히드린, 폴리포스파젠, 폴리비닐피리딘, 클로로설폰화폴리에틸렌, 폴리에스테르수지, 아크릴수지, 페놀수지, 에폭시 수지, 아라비아 고무, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴로나이트릴-부타디엔 러버, 아크릴 고무, 부틸고무, 불소고무, 에틸렌프로필렌디엔공중합체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인, 이차전지용 음극 활물질 입자.According to paragraph 1,
The aqueous binder is polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyacrylonitrile, polyacryl amide, carboxymethyl cellulose, polyvinylpyrrolidone, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polyvinylpyridine, and chlorosulfonated Polyethylene, polyester resin, acrylic resin, phenol resin, epoxy resin, gum arabic, styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, acrylic rubber, butyl rubber, fluorine rubber, ethylene propylene. Negative active material particles for secondary batteries, which are at least one selected from the group consisting of diene copolymers and combinations thereof.
상기 수계 바인더는 중량평균분자량(Mw)이 200만 g/mol 내지 750만 g/mol인, 이차전지용 음극 활물질 입자.According to paragraph 1,
The aqueous binder is a negative electrode active material particle for a secondary battery having a weight average molecular weight (Mw) of 2 million g/mol to 7.5 million g/mol.
상기 코팅층은 음극 활물질 표면에 연속적으로 커버하는 층상(layer-type) 또는 불연속적으로 위치하는 아일랜드상(island-type)으로 존재하는, 이차전지용 음극 활물질 입자.According to paragraph 1,
The coating layer is a negative electrode active material particle for a secondary battery that exists in a layer-type or discontinuously located island-type that continuously covers the surface of the negative electrode active material.
상기 음극 활물질 입자 100 중량부 대비 수계 바인더 0.1 중량부 내지 50 중량부로 포함되는, 이차전지용 음극 활물질 입자.According to paragraph 1,
Negative active material particles for a secondary battery, comprising 0.1 to 50 parts by weight of an aqueous binder based on 100 parts by weight of the negative electrode active material particles.
도전재; 및 바인더를 포함하는 이차전지용 음극 슬러리 조성물이되,
상기 건식 코팅은 솔벤트 프리(solvent-free) 및 메카노퓨전 공정으로 수행되어, 입자 상태의 음극 활물질의 표면에 입자 상태의 수계 바인더가 전단응력에 의한 열에너지에 의해 코팅된, 이차전지용 음극 슬러리 조성물.Negative active material particles for a secondary battery including a negative electrode active material that expands and contracts while inserting and releasing lithium ions, and a coating layer obtained by dry coating the negative electrode active material with an aqueous binder;
conductive material; A negative electrode slurry composition for a secondary battery comprising a binder,
The dry coating is performed by a solvent-free and mechanofusion process, and the surface of the particle-state anode active material is coated with a particle-state aqueous binder using heat energy from shear stress. A negative electrode slurry composition for a secondary battery.
상기 음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬금속의 합금, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질 및 전이 금속 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인, 이차전지용 음극 슬러리 조성물.According to clause 10,
The negative electrode active material is one or more selected from the group consisting of materials capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions, lithium metal, alloys of lithium metal, materials capable of doping and dedoping lithium, and transition metal oxides. , Negative slurry composition for secondary batteries.
상기 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질은 탄소계 활물질, 실리콘계 활물질, 및 Sn계 활물질로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인, 이차전지용 음극 슬러리 조성물.According to clause 11,
The material capable of doping and dedoping lithium is a negative electrode slurry composition for a secondary battery, wherein the material is at least one selected from the group consisting of a carbon-based active material, a silicon-based active material, and a Sn-based active material.
상기 실리콘계 활물질은 Si, SiOx(0<x<2), Si-C 복합체, Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님) 중 어느 하나 이상인, 이차전지용 음극 슬러리 조성물.According to clause 12,
The silicon-based active material is Si, SiOx (0<x<2), Si-C composite, Si-Q alloy (where Q is an alkali metal, alkaline earth metal, Group 13 element, Group 14 element, Group 15 element, Group 16 element, A negative electrode slurry composition for a secondary battery, which is at least one element selected from the group consisting of transition metals, rare earth elements, and combinations thereof, but not Si.
상기 수계 바인더는 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴 아미드, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에피클로로히드린, 폴리포스파젠, 폴리비닐피리딘, 클로로설폰화폴리에틸렌, 폴리에스테르수지, 아크릴수지, 페놀수지, 에폭시 수지, 아라비아 고무, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴로나이트릴-부타디엔 러버, 아크릴 고무, 부틸고무, 불소고무, 에틸렌프로필렌디엔공중합체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인, 이차전지용 음극 슬러리 조성물.According to clause 10,
The aqueous binder is polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyacrylonitrile, polyacryl amide, carboxymethyl cellulose, polyvinylpyrrolidone, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polyvinylpyridine, and chlorosulfonated Polyethylene, polyester resin, acrylic resin, phenol resin, epoxy resin, gum arabic, styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, acrylic rubber, butyl rubber, fluorine rubber, ethylene propylene. A negative electrode slurry composition for a secondary battery, which is at least one selected from the group consisting of diene copolymers and combinations thereof.
상기 수계 바인더는 중량평균분자량(Mw)이 200만 g/mol 내지 750만 g/mol인, 이차전지용 음극 슬러리 조성물.According to clause 10,
The water-based binder has a weight average molecular weight (Mw) of 2 million g/mol to 7.5 million g/mol, a negative electrode slurry composition for a secondary battery.
상기 코팅층은 음극 활물질 표면에 연속적으로 커버하는 층상(layer-type) 또는 불연속적으로 위치하는 아일랜드상(island-type)으로 존재하는, 이차전지용 음극 슬러리 조성물.According to clause 10,
The coating layer is a negative electrode slurry composition for a secondary battery that exists in a layer-type or discontinuously located island-type that continuously covers the surface of the negative electrode active material.
음극 슬러리의 고형분 총 중량을 기준으로 음극 활물질 입자 80 중량% 내지 99 중량%, 도전재 0.1 중량% 내지 20.0 중량% 및 바인더 0.5 중량% 내지 5.0 중량%로 포함되는, 이차전지용 음극 슬러리 조성물.According to clause 10,
A negative electrode slurry composition for a secondary battery comprising 80% to 99% by weight of negative electrode active material particles, 0.1% to 20.0% by weight of a conductive material, and 0.5% to 5.0% by weight of a binder, based on the total weight of solids of the negative electrode slurry.
집전체의 상면에 적층되는 음극 활물질층을 포함하는 이차전지용 음극이되,
상기 음극 활물질층은 제1항에 따른 음극 활물질 입자를 포함하는 이차전지용 음극. house collector; and
A negative electrode for a secondary battery including a negative electrode active material layer laminated on the upper surface of the current collector,
The negative electrode active material layer is a negative electrode for a secondary battery including the negative electrode active material particles according to claim 1.
상기 음극은 제1항에 따른 음극 활물질 입자를 포함하는 이차 전지.A secondary battery containing a cathode, anode, separator, and electrolyte,
The negative electrode is a secondary battery comprising the negative electrode active material particles according to claim 1.
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