KR20130117006A - Cathode slurry comprising novel binder and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은, 신규한 바인더를 포함하는 양극 슬러리 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 리튬 이온을 흡장 및 탈리하는 이차전지용 양극 활물질로서 하기 화학식 1로 표시되는 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극재를 유기용매에 혼합한 양극 슬러리로서, 상기 바인더는 무기 금속에 적어도 2 종류의 반응성이 다른 관능기가 결합된 물질(결합제)을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 슬러리 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다. The present invention relates to a positive electrode slurry comprising a novel binder and a lithium secondary battery including the same, and more particularly, a spinel structure lithium represented by the following Chemical Formula 1 as a positive electrode active material for secondary batteries that occludes and desorbs lithium ions: A cathode slurry in which a cathode material including a manganese oxide, a conductive material, and a binder is mixed with an organic solvent, wherein the binder includes a material (binder) in which at least two kinds of different functional groups are bonded to an inorganic metal. It relates to a positive electrode slurry and a lithium secondary battery comprising the same.
LixMyMn2-yO4-zAz (1)Li x M y Mn 2 - y O 4 - z z (1)
상기 식에서, 0≤x≤0.1; 0<y≤0.5; 0≤z≤0.2이고; M은 +2가의 산화수를 가지는 전이금속 양이온이며; A는 산화수 -1가 또는 -2가의 음이온이다.Wherein 0 ≦ x ≦ 0.1; 0 <y ≦ 0.5; 0 ≦ z ≦ 0.2; M is a transition metal cation having an oxidation number of +2; A is an anion of oxidation number -1 or -2.
화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.The increase in the price of energy sources due to the depletion of fossil fuels, the increase of interest in environmental pollution, and the demand for environmentally friendly alternative energy sources are becoming indispensable factors for future life. Various researches on power generation technologies such as nuclear power, solar power, wind power, and tidal power have been continuing, and electric power storage devices for more efficient use of such generated energy have also been attracting much attention.
특히, 리튬 이차전지의 경우, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV)의 동력원으로서의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있다.Particularly, in the case of a lithium secondary battery, the demand for an energy source is rapidly increasing due to an increase in technology development and demand for a mobile device. Recently, the use of a lithium secondary battery as a power source for an electric vehicle (EV) and a hybrid electric vehicle , And the area of use is also expanding for applications such as power assisted power supply through gridization.
종래의 리튬 이온 이차전지는 양극에 층상 구조(layered structure)의 LiCoO2와 같은 리튬-함유 코발트 산화물을 사용하는 것이 일반적이나, 그 외에 층상 결정 구조의 LiNiO2와 같은 리튬-함유 니켈 산화물, 스피넬 결정구조의 LiMn2O4와 같은 리튬-함유 망간 산화물의 사용도 고려되고 있다.Conventional lithium ion secondary batteries generally use lithium-containing cobalt oxides such as LiCoO 2 in a layered structure for the positive electrode, but lithium-containing nickel oxides and spinel crystals such as LiNiO 2 in a layered crystal structure. The use of lithium-containing manganese oxides such as LiMn 2 O 4 in structure is also contemplated.
상기 스피넬 결정구조의 리튬-함유 망간 산화물은 넓은 표면적으로 인하여 종래의 리튬-함유 코발트 산화물 등의 양극 활물질에 비해 많은 양의 바인더가 요구되는 문제가 있다. The lithium-containing manganese oxide of the spinel crystal structure has a problem of requiring a larger amount of binder than a cathode active material such as a lithium-containing cobalt oxide due to the large surface area.
전극의 접착력은 전극 공정성 및 전극 성능 안정성에 영향을 끼친다. The adhesion of the electrode affects the electrode processability and the stability of the electrode performance.
충분치 않은 접착력은 전극 건조, 압연(pressing) 등의 공정에서 전극 박리 현상을 유발하여 전극 불량률을 높인다. 또한, 전지의 외부 충격에 의해서도 접착력이 낮은 전극의 박리는 전지 수명 특성 등의 안정성에 악영향을 줄 수 있고, 이러한 전극 박리는 전극 물질과 집전체 간 접촉 저항을 키워, 전극 출력 성능 저하의 원인이 된다. Inadequate adhesion force induces electrode peeling phenomenon in electrode drying, pressing, etc., and improves the electrode defect rate. In addition, peeling of an electrode with low adhesive force even by an external impact of the battery can adversely affect stability such as battery life characteristics. Such electrode peeling increases the contact resistance between the electrode material and the current collector, do.
그러나, 접착력 문제 해결을 위해 바인더 비율을 늘릴 경우, 활물질 비율이 줄어드는 단점뿐만 아니라 바인더가 전극 내의 저항 요소로 작용하여 성능을 감소시키는 문제가 있다. However, when the binder ratio is increased to solve the adhesive force problem, there is a problem in that the binder acts as a resistance element in the electrode as well as a disadvantage that the active material ratio is reduced, thereby decreasing the performance.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-described problems of the prior art and the technical problems required from the past.
따라서, 본 발명의 목적은, 전극 집전체 및 유기 화합물과 동시에 결합할 수 있는 물질을 포함하여 전극의 박리 현상을 향상시킴으로써 전지의 수명특성 및 출력 특성을 향상시키는 양극 슬러리 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to include a positive electrode slurry and a lithium secondary battery including the same to improve the lifespan and output characteristics of a battery by improving a peeling phenomenon of an electrode including a material capable of simultaneously bonding with an electrode current collector and an organic compound. To provide.
따라서, 본 발명에 따른 양극 슬러리는, 리튬 이온을 흡장 및 탈리하는 이차전지용 양극 활물질로서 하기 화학식 1로 표시되는 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극재를 유기용매에 혼합한 양극 슬러리로서, 상기 바인더는 무기 금속에 적어도 2 종류의 반응성이 다른 관능기가 결합된 물질(결합제)을 포함하는 것을 특징으로 한다. Therefore, the positive electrode slurry according to the present invention is a positive electrode active material for storing and detaching lithium ions, and a positive electrode material containing a lithium manganese oxide, a conductive material, and a binder having a spinel structure represented by the following Chemical Formula 1 in an organic solvent: As one positive electrode slurry, the binder is characterized in that it comprises a substance (binder) in which at least two kinds of different functional groups are bonded to an inorganic metal.
LixMyMn2-yO4-zAz (1)Li x M y Mn 2 - y O 4 - z z (1)
상기 식에서, 0≤x≤0.1; 0<y≤0.5; 0≤z≤0.2이고; M은 +2가의 산화수를 가지는 전이금속 양이온이며; A는 산화수 -1가 또는 -2가의 음이온이다.Wherein 0 ≦ x ≦ 0.1; 0 <y ≦ 0.5; 0 ≦ z ≦ 0.2; M is a transition metal cation having an oxidation number of +2; A is an anion of oxidation number -1 or -2.
상기 식에서, 0≤x≤0.1; 0<y≤0.5; 0≤z≤0.2이고; M은 +2가의 산화수를 가지는 전이금속 양이온이며; A는 산화수 -1가 또는 -2가의 음이온이다.Wherein 0 ≦ x ≦ 0.1; 0 <y ≦ 0.5; 0 ≦ z ≦ 0.2; M is a transition metal cation having an oxidation number of +2; A is an anion of oxidation number -1 or -2.
상기 화학식 1로 표시되는 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물은 망간(Mn)의 일부를 +2 가의 산화수를 가지는 전이금속 양이온으로 치환한 것으로서, 본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 M은 니켈(Ni)일 수 있고, 니켈의 최대 치환량은 0.5 몰%일 수 있다. 이 경우, 상기 화학식 1로 표시되는 리튬 망간계 산화물은 LiNi0.5Mn1.5O4 이다.The spinel-structure lithium manganese oxide represented by Chemical Formula 1 is a part of manganese (Mn) that is substituted with a transition metal cation having an oxidation number of +2, and in a specific embodiment of the present invention, M is nickel (Ni) And the maximum substitution amount of nickel may be 0.5 mol%. In this case, the lithium manganese oxide represented by Chemical Formula 1 is LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 .
한편, 상기 화학식 1에서 산소원소는 산화수 -1가 또는 -2가의 음이온으로 일부 치환될 수 있고, 최대 치환량은 0.2 몰%미만일 수 있으며, 본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 음이온은, F, Cl, Br, I 과 같은 할로겐, S 및 N으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 음이온일 수 있다. Meanwhile, in Chemical Formula 1, the oxygen element may be partially substituted with an anion of -1 or -divalent oxidation number, and the maximum substitution amount may be less than 0.2 mol%. In a specific embodiment of the present invention, the anion is F, Cl It may be at least one anion selected from the group consisting of halogen, such as Br, I, S and N.
이러한 음이온들의 치환에 의해 전이금속과의 결합력이 우수해지고 화합물의 구조 전이가 방지되기 때문에, 전지의 수명을 향상시킬 수 있다. 반면에, 음이온 A의 치환량이 너무 많으면(t≥0.2) 불완전한 결정구조로 인해 오히려 수명 특성이 저하되므로 바람직하지 않다.By substituting these anions, the binding force with the transition metal is improved and the structural transition of the compound is prevented, so that the lifetime of the battery can be improved. On the other hand, if the amount of substitution of the anion A is too large (t ≧ 0.2), it is not preferable because the life characteristics are lowered due to the incomplete crystal structure.
상기 리튬 망간계 산화물은, 상기 화학식 1로 표시되는 양극 활물질 이외의 양극 활물질들을 더 포함할 수 있다. 즉, 리튬 망간계 산화물은 전체 양극 활물질의 중량 대비 50 중량% 이상 내지 100 중량% 이하로 포함되어 있을 수 있다. The lithium manganese oxide may further include cathode active materials other than the cathode active material represented by Formula 1 above. That is, the lithium manganese oxide may be included in more than 50% by weight to 100% by weight relative to the total weight of the positive electrode active material.
리튬 망간계 산화물의 함량이 전체 양극 활물질 중량 대비 100 중량% 인 경우는, 리튬 망간계 산화물만으로 양극 활물질이 구성되어 있는 경우를 의미한다. When the content of the lithium manganese oxide is 100% by weight based on the total weight of the positive electrode active material, it means a case in which the positive electrode active material is composed of only lithium manganese oxide.
상기한 바인더 또는 결합제의 함량은, 상기 양극재의 전체 중량 대비 0.1 내지 10 중량%일 수 있다. The content of the binder or the binder may be 0.1 to 10% by weight based on the total weight of the cathode material.
상기 결합제의 함량이 양극재 전체 중량 대비 0.1 중량% 미만인 경우에는, 소망하는 양극 집전체 및 양극 활물질들 간의 결착력을 기대할 수 없고, 10중량% 이상인 경우에는, 저항요소로 작용하므로 바람직하지 않다. When the content of the binder is less than 0.1% by weight based on the total weight of the positive electrode material, the binding force between the desired positive electrode current collector and the positive electrode active materials cannot be expected, and when the content of the binder is 10% by weight or more, it is not preferable because it acts as a resistance element.
따라서, 상기한 이유에서 상기 바인더의 함량은 0.1 중량% 이상 내지 5 중량%이하인 것이 더욱 바람직하다. Therefore, for the above reason, the content of the binder is more preferably 0.1 wt% or more and 5 wt% or less.
상기한 무기 금속은, 실란(Si), 티탄(Ti), 아연(Zn), 크롬(Cr)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있고, 상기 결합제는, 유기 화합물 표면에 존재하는 프로톤(H+)과 반응하는 작용기 -OR(R은 H 또는 알킬기)를 포함하고 있는 것이 바람직하다. The inorganic metal may be one or two or more selected from the group consisting of silane (Si), titanium (Ti), zinc (Zn), and chromium (Cr), and the binder may be a proton present on the surface of the organic compound. It is preferable to include the functional group -OR (R is H or an alkyl group) which reacts with (H + ).
상기 유기 화합물은, 예를 들어, 카본 블랙, 탄산칼슘, 그라파이트, 아라미드 또는 섬유 등일 수 있다. The organic compound may be, for example, carbon black, calcium carbonate, graphite, aramid or fiber.
본 발명은 또한, 상기한 양극 슬러리가 양극 집전체에 도포되어 있는 양극 및 상기 양극 및 상기 양극을 포함하는 리튬 이차전지, 그리고, 하기 화학식 2로 표시되는 음극 활물질을 포함하는 음극 슬러리가 음극 집전체에 도포되어 있는 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지를 제공한다. The present invention also provides a cathode current collector comprising a cathode coated with the cathode slurry and a lithium secondary battery comprising the cathode and the anode, and a cathode slurry including an anode active material represented by the following Formula 2 It provides a lithium secondary battery comprising a negative electrode applied to.
LixTiyO4 (0.5≤x≤3; 1≤y≤2.5) (2)Li x Ti y O 4 (0.5≤x≤3; 1≤y≤2.5) (2)
상기 화학식 2로 표시되는 음극 활물질은, 예를 들어, Li0.8Ti2.2O4, Li2.67Ti1.33O4, LiTi2O4, Li1.33Ti1.67O4, Li1.14Ti1.71O4 등 일 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. For example, the negative electrode active material represented by Chemical Formula 2 may be Li 0.8 Ti 2.2 O 4 , Li 2.67 Ti 1.33 O 4 , LiTi 2 O 4 , Li 1.33 Ti 1.67 O 4 , Li 1.14 Ti 1.71 O 4, or the like. It is not limited only to these.
더욱 바람직하게는, 충방전시 결정 구조의 변화가 적고 가역성이 우수한 스피넬 구조를 갖는 것으로서, Li1.33Ti1.67O4일 수 있다. More preferably, Li 1.33 Ti 1.67 O 4 , which has a spinel structure with little change in crystal structure and excellent reversibility during charge and discharge, may be used.
상기 화학식 2로 표시되는 리튬 티타늄 산화물을 제조하는 방법은 당업계에 공지되어 있는 바, 예를 들어, 리튬 소스로서 수산화 리튬, 산화 리튬, 탄산 리튬 등의 리튬염을 물에 용해시킨 용액에 리튬과 티탄의 원자비에 따라 티탄 소스로서 산화 티탄 등을 투입한 다음, 교반 및 건조시켜 전구체를 제조한 후 이를 소성하여 제조할 수 있다.The method for producing lithium titanium oxide represented by Chemical Formula 2 is well known in the art, for example, lithium and a lithium salt in a solution in which lithium salts such as lithium hydroxide, lithium oxide, lithium carbonate and the like are dissolved in water. According to the atomic ratio of titanium, titanium oxide or the like is added as a titanium source, followed by stirring and drying to prepare a precursor and then firing it.
상기 음극 슬러리에는, 상기한 결합제가, 음극재 전체 중량 대비 0.1 중량% 이상 내지 10중량% 이하로 포함되어 있는 것이 바람직하다. In the negative electrode slurry, the binder is preferably contained in an amount of 0.1 wt% to 10 wt%, based on the total weight of the negative electrode material.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.The lithium secondary battery according to the present invention can be used not only in a battery cell used as a power source of a small device but also as a unit cell in a middle- or large-sized battery module including a plurality of battery cells.
또한, 본 발명은 상기 전지모듈을 중대형 디바이스의 전원으로 포함하는 전지팩을 제공하고, 상기 중대형 디바이스는 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차 및 전력 저장장치 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Also, the present invention provides a battery pack including the battery module as a power source of a middle- or large-sized device, wherein the middle- or large-sized device is an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV) An electric vehicle including a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV), a power storage device, and the like, but the present invention is not limited thereto.
상기 전지모듈 및 전지팩의 구조 및 그것들의 제작 방법은 당업계 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.The structure of the battery module and the battery pack and the method of manufacturing the battery module and the battery pack are well known in the art, so a detailed description thereof will be omitted herein.
이상의 설명과 같이 상기와 같이, 본 발명에 따른 양극 슬러리는, 상기와 같이 한 분자 내에 2 종류의 반응성이 다른 관능기를 포함하는 물질을 바인더로 포함하고 있으므로, 이에 따라 공정성이 개선되고 전극의 기계적 특성 향상을 통한 전지의 안정성 개선의 효과를 발휘한다. As described above, as described above, the positive electrode slurry according to the present invention contains a substance containing two kinds of different functional groups as a binder in the molecule as described above, thereby improving processability and mechanical properties of the electrode. The effect of improving the stability of the battery through improvement.
또한, 바인더의 비율 감소로 활물질 비율 증가 및 바인더에 의한 저항 요소 감소로 전지의 성능을 향상시키는 효과를 발휘한다. In addition, the ratio of the active material is increased by decreasing the ratio of the binder and the resistance element is reduced by the binder, thereby improving the performance of the battery.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
본 발명에 따른 양극 활물질에는, 상기 화학식 1의 리튬 망간계 산화물 이외에, 기타 리튬 함유 전이금속 산화물이 추가로 포함될 수도 있다.In addition to the lithium manganese oxide of Chemical Formula 1, the positive electrode active material according to the present invention may further include other lithium-containing transition metal oxides.
상기 기타 리튬 함유 전이금속 산화물의 예로는, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+yMn2-yO4 (여기서, y 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, y = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-yMyO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, y = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.Examples of the other lithium-containing transition metal oxides include layered compounds such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or compounds substituted with one or more transition metals; Lithium manganese oxides such as Li 1 + y Mn 2-y O 4 (where y is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 and LiMnO 2 ; Lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 and Cu 2 V 2 O 7 ; Formula LiNi 1-y M y O 2 ( where, the M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, y = 0.01 ~ 0.3 Im) Ni site type lithium nickel oxide which is represented by; Formula LiMn 2-y M y O 2 , wherein M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta and y = 0.01 to 0.1, or Li 2 Mn 3 MO 8 , where M = Fe, Co, Lithium manganese composite oxide represented by Ni, Cu or Zn); LiMn 2 O 4 in which a part of Li in the formula is substituted with an alkaline earth metal ion; Disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 , and the like. However, the present invention is not limited to these.
상기 양극은, 상기한 양극 활물질을 포함하는 양극 합제를 NMP 등의 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.The positive electrode may be prepared by applying a slurry prepared by mixing a positive electrode mixture containing the positive electrode active material with a solvent such as NMP, coating the positive electrode collector, followed by drying and rolling.
상기 양극 합제는 상기 양극 활물질 이외에 선택적으로 도전재, 바인더, 충진제 등이 포함될 수 있다.In addition to the cathode active material, the cathode mixture may optionally include a conductive material, a binder, a filler, and the like.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 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. 양극 집전체는, 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The cathode current collector generally has a thickness of 3 to 500 mu m. Such a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery, and examples thereof include copper, stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like, aluminum-cadmium alloy, or the like can be used. The positive electrode current collector may be formed into various shapes such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, a nonwoven fabric, or the like by forming fine irregularities on the surface to enhance the bonding force of the positive electrode active material.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 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. The conductive material is usually added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the mixture including the cathode active material. Such a conductive material is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing chemical changes in the battery, for example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer 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 and the like can be used.
상기 바인더는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합제 등을 들 수 있다.The binder is added to the binder in an amount of 1 to 30% by weight, based on the total weight of the mixture containing the cathode active material, as a component that assists in bonding between the active material and the conductive agent and bonding to the current collector. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, and various copolymers.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.The filler is optionally used as a component for suppressing expansion of the anode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing a chemical change in the battery. Examples of the filler include olefin-based polymerizers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials such as glass fibers and carbon fibers are used.
상기 분산액으로는 대표적으로 이소프로필 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤 등이 사용될 수 있다.Typical examples of the dispersion include isopropyl alcohol, N-methyl pyrrolidone (NMP), and acetone.
전극 재료의 페이스트를 금속 재료에 고르게 도포하는 방법은 재료의 특성 등을 감안하여 공지 방법 중에서 선택하거나 새로운 적절한 방법으로 행할 수 있다. 예를 들어, 페이스트를 집전체 위에 분배시킨 후 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 사용하여 균일하게 분산시킬 수 있다. 경우에 따라서는, 분배와 분산 과정을 하나의 공정으로 실행하는 방법을 사용할 수도 있다. 이 밖에도, 다이 캐스팅(die casting), 콤마 코팅(comma coating), 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법을 택할 수도 있으며, 또는 별도의 기재(substrate) 위에 성형한 후 프레싱 또는 라미네이션 방법에 의해 집전체와 접합시킬 수도 있다. The method of evenly applying the paste of the electrode material to the metal material can be selected from known methods or performed by a new suitable method in consideration of the properties of the material. For example, the paste can be uniformly dispersed by using a doctor blade or the like after being distributed on the current collector. In some cases, a method of performing the distribution and dispersion processes in a single process may be used. In addition, a die casting method, a comma coating method, a screen printing method, or the like may be used. Alternatively, the resin may be formed on a separate substrate, and then pressed or laminated by a pressing or laminating method. .
금속판 위에 도포된 페이스트의 건조는 50 내지 200℃의 진공오븐에서 1일 이내로 건조시키는 것이 바람직하다. Drying of the paste applied on the metal plate is preferably dried within one day in a vacuum oven at 50 to 200 ℃.
상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 도전제, 바인더 및 충진제 등의 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.The negative electrode may be formed by coating a negative electrode active material on a negative electrode collector and drying the negative electrode active material. If necessary, the negative electrode may further include components such as a conductive agent, a binder, and a filler as described above.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 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, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode collector is generally made to have a thickness of 3 to 500 mu m. Such an anode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and may be formed of a material such as copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, surface of copper or stainless steel A surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like, an aluminum-cadmium alloy, or the like can be used. In addition, like the positive electrode collector, fine unevenness can be formed on the surface to enhance the bonding force of the negative electrode active material, and it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams and nonwoven fabrics.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 더 포함할 수 있다. The negative electrode active material may include, for example, carbon such as non-graphitized carbon or graphite carbon; Li x Fe 2 O 3 (0≤x≤1 ), Li x WO 2 (0≤x≤1), Sn x Me 1-x Me 'y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me' : Metal complex oxides such as Al, B, P, Si, Group 1, Group 2, Group 3 elements of the periodic table, Halogen, 0 < x < Lithium metal; Lithium alloy; Silicon-based alloys; Tin alloy; SnO, SnO 2, PbO, PbO 2, Pb 2 O 3, Pb 3 O 4, Sb 2 O 3, Sb 2 O 4, Sb 2 O 5, GeO, GeO 2, Bi 2 O 3, Bi 2 O 4, Bi 2 O 5 and the like; Conductive polymers such as polyacetylene; Li-Co-Ni-based material, and the like.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포; 크라프트지 등이 사용된다. 현재 시판중인 대표적인 예로는 셀가드 계열(CelgardR 2400, 2300(Hoechest Celanese Corp. 제품), 폴리프로필렌 분리막(Ube Industries Ltd. 제품 또는 Pall RAI사 제품), 폴리에틸렌 계열(Tonen 또는 Entek) 등이 있다. The separation membrane is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. The pore diameter of the separator is generally 0.01 to 10 mu m and the thickness is generally 5 to 300 mu m. Such separation membranes include, for example, olefinic polymers such as polypropylene, which are chemically resistant and hydrophobic; A sheet or nonwoven fabric made of glass fiber, polyethylene or the like; Kraft paper and the like are used. Representative examples currently on the market include the Celgard R 2400, 2300 (from Hoechest Celanese Corp.), polypropylene separator (from Ube Industries Ltd. or Pall RAI), and polyethylene series (from Tonen or Entek).
경우에 따라서, 상기 분리막 위에는 전지의 안정성을 높이기 위하여 겔 폴리머 전해질이 코팅될 수 있다. 이러한 겔 폴리머의 대표적인 예로는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐리덴플루라이드, 폴리아크릴로나이트릴 등을 들 수 있다. In some cases, a gel polymer electrolyte may be coated on the separation membrane to increase the stability of the cell. Representative examples of such a gel polymer include polyethylene oxide, polyvinylidene fluoride, and polyacrylonitrile.
전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.When a solid electrolyte such as a polymer is used as an electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separation membrane.
상기 리튬염 함유 비수계 전해질은, 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. The lithium salt-containing non-aqueous electrolyte is composed of a nonaqueous electrolyte and lithium. As the non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte, a solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte and the like are used.
상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.Examples of the nonaqueous electrolyte include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate , Gamma -butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, Diethyl ether, formamide, dimethyl formamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane A non-protonic organic solvent such as an ether, a methyl pyrophosphate, or an ethyl propionate is used as the solvent, a sulfone, a methyl sulfolane, a 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, a propylene carbonate derivative, a tetrahydrofuran derivative, .
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include a polymer electrolyte such as a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, an agitation lysine, a polyester sulfide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene fluoride, Polymers containing ionic dissociation groups, and the like can be used.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides, sulfates, and the like of Li, such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , and the like, may be used.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.The lithium salt is a material that is readily soluble in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4, LiBF 4, LiB 10 Cl 10, LiPF 6, LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, LiSCN, LiC (CF 3 SO 2) 3, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, 4-phenylborate, imide, and the like can be used.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(fluoro-ethylene carbonate), PRS(propene sultone), FPC(fluoro-propylene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.For the purpose of improving the charge / discharge characteristics and the flame retardancy, the electrolytic solution is preferably mixed with an organic solvent such as pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, glyme, Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxyethanol, . In some cases, halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further added to impart nonflammability. In order to improve the high-temperature storage characteristics, carbon dioxide gas may be further added. FEC (fluoro-ethylene carbonate, PRS (propene sultone), FPC (fluoro-propylene carbonate), and the like.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims.
Claims (15)
LixMyMn2-yO4-zAz (1)
상기 식에서, 0≤x≤0.1; 0<y≤0.5; 0≤z≤0.2이고; M은 +2가의 산화수를 가지는 전이금속 양이온이며; A는 산화수 -1가 또는 -2가의 음이온이다.As a cathode active material for secondary batteries that occludes and desorbs lithium ions, a cathode slurry including a lithium manganese oxide having a spinel structure represented by Formula 1 below, a conductive material, and a binder, mixed with an organic solvent, and the binder is an inorganic metal. A cathode slurry comprising a substance (binder) in which at least two kinds of reactive groups with different reactivity are bonded.
Li x M y Mn 2 - y O 4 - z z (1)
Wherein 0 ≦ x ≦ 0.1; 0 <y ≦ 0.5; 0 ≦ z ≦ 0.2; M is a transition metal cation having an oxidation number of +2; A is an anion of oxidation number -1 or -2.
LixTiyO4 (0.5≤x≤3; 1≤y≤2.5) (2)The lithium secondary battery according to claim 10, wherein the negative electrode is coated with a negative electrode slurry including a negative electrode active material represented by Formula 2 below.
Li x Ti y O 4 (0.5≤x≤3; 1≤y≤2.5) (2)
A device comprising the battery pack according to claim 14 as a power source.
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