KR20170008479A - Secondary battery, and battery pack comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이차 전지 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery and a battery pack including the same.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지에 대한 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차 전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기 방전율이 낮은 리튬 이차 전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.As technology development and demand for mobile devices have increased, there has been a rapid increase in demand for secondary batteries as energy sources. Among such secondary batteries, lithium secondary batteries, which exhibit high energy density and operating potential, long cycle life, Batteries have been commercialized and widely used.
이러한 이차 전지의 성능은, 전극 코팅층 내에서의 리튬 이온의 원활한 이동 및 그로 인한 균일한 반응에 의해 영향을 받는다. The performance of such a secondary battery is affected by smooth movement of lithium ions in the electrode coating layer and uniform reaction thereof.
원활환 리튬 이온의 이동을 위해서는 전극 내 마이크로 기공까지 전해액이 빠르고 균일하게 침투되어야 하며, 전해액의 젖음성에 있어서는 주로 양극이 보틀 넥(bottle neck)으로 작용한다. In order to transfer lithium ions, the electrolyte must penetrate quickly and uniformly to the micropores in the electrode. In the wettability of the electrolyte, the anode mainly acts as a bottle neck.
양극의 경우, 전해액의 젖음성이 저하되면 국부적으로 불균일하게 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 진행될 수 있으며, 이 과정에서 국부적 과충전 및 과방전 영역이 형성될 수 있다. 이러한 과충전 과방전 영역은 전지 내에서 불필요한 부산물을 형성하거나, 가스를 발생시켜 전지의 성능을 퇴화시키고 심할 경우 전지 내의 안전 장치를 작동시키므로 전지의 구동이 불가능하게 되는 문제점이 발생할 수도 있다. When the wettability of the electrolyte is lowered in the case of the anode, insertion and desorption of lithium ions may locally and nonuniformly proceed, and local overcharge and overdischarge regions may be formed in this process. Such overcharging and overdischarging areas may cause problems such as formation of unnecessary byproducts in the battery, or deterioration of the performance of the battery by generating gas, and operation of the safety device in the battery may occur if the battery is severely damaged.
나아가, 불균일한 전해액 젖음성은 전반적으로 전극의 저항을 증가시키므로, 고율 방전을 요구하는 용도에 사용되는 리튬 이차 전지의 수명 초기에 급격한 용량 저하를 발생시킬 수도 있다. Furthermore, non-uniform electrolyte wettability generally increases the resistance of the electrode, so that rapid capacity decrease may occur at the beginning of the life of a lithium secondary battery used for applications requiring high rate discharge.
특히, 최근 리튬 이차 전지 시장이 증대되면서 급격한 물량 증가로 인한 양산 라인의 생산 속도 증가가 불가피하며, 전해액 주입 속도 또한 증가시켜야 하므로 전해액의 전극으로의 젖음성의 향상이 요구되고 있다. In particular, as the lithium secondary battery market has recently increased, the production rate of the mass production line is inevitably increased due to a rapid increase in the amount of water, and the rate of electrolyte injection must also be increased, so that the wettability of the electrolyte to the electrode is required to be improved.
본 발명의 해결하고자 하는 제1 기술적 과제는, 전해액에 대한 젖음성이 향상된 전극을 포함하는 이차 전지를 제공하는 것이다. A first object of the present invention is to provide a secondary battery including an electrode having improved wettability with respect to an electrolyte solution.
본 발명의 해결하고자 하는 제2 기술적 과제는, 상기 이차 전지를 포함하는 전지모듈 및 전지 팩을 제공하는 것이다.A second technical object of the present invention is to provide a battery module and a battery pack including the secondary battery.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 양극, 음극 및 전해액을 포함하고,In order to solve the above problems, the present invention provides a positive electrode comprising a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte,
상기 양극 및 음극 중 하나 이상은 디옥틸 소디움 설포석시네이트(dioctyl sodium sulfosuccinate)를 포함하는 이차 전지를 제공한다. Wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode comprises dioctyl sodium sulfosuccinate.
또한, 본 발명은 상기 이차 전지를 포함하는 전지모듈 및 전지 팩을 제공한다. The present invention also provides a battery module and a battery pack including the secondary battery.
본 발명에 따른 이차 전지는, 전극 내에 디옥틸 소디움 설포석시네이트를 포함하고, 상기 화합물이 비수성 유기 용매의 표면 장력을 낮춰줌으로써, 리튬염의 농도가 높은 전해액에 대하여도 전극과 젖음성이 우수하고, 리튬 니켈-망간-코발트 산화물을 고밀도로 압연한 양극에 대하여도 뛰어난 젖음성을 나타낼 수 있다. The secondary battery according to the present invention comprises dioctyl sodium sulfosuccinate in an electrode and the compound lowers the surface tension of the non-aqueous organic solvent, so that the electrode has excellent wettability with the electrode even in the case of an electrolyte having a high lithium salt concentration , And an anode obtained by rolling lithium-nickel-manganese-cobalt oxide at high density can exhibit excellent wettability.
따라서, 상기 이차 전지가 균일한 충방전 및 수명 특성을 나타내는 효과가 있다. Therefore, there is an effect that the secondary battery exhibits uniform charge / discharge and lifetime characteristics.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail in order to facilitate understanding of the present invention.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. The terminology used herein is for the purpose of describing exemplary embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this specification, the terms "comprising," "comprising," or "having ", and the like are intended to specify the presence of stated features, integers, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, components, or combinations thereof.
일반적으로 리튬 이차 전지의 비수성 전해액으로는 주로 에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 2-메틸 테트라하이드로퓨란 등의 비양자성 유기용매가 사용된다. 이러한 전해액은 전해질 염을 효과적으로 용해시키고 해리시킬 만큼의 극성을 가진 극성 용매임과 동시에, 활성수소를 갖고 있지 않은 비양자성 용매이며, 점성 및 표면장력이 높다. 따라서, 리튬 이차 전지의 비수성 전해액은 폴리 테트라플루오로에틸렌 및 폴리비닐리덴 플루오라이드 결합제 등을 포함하고 있는 전극 재료와 친화성이 적어서, 전극 재료를 쉽게 습윤화시키지 못한다. 나아가, 리튬염의 농도가 높은 전해액이나, 전극의 압축 밀도가 높은 경우 더욱 젖음성 특성이 저하될 수 있다. 이러한 젖음성 특성의 저하는 전지의 제조공정 시간을 비효율적으로 증가시키는 주요 원인 중의 하나이다.Generally, non-aqueous electrolytic solutions of lithium secondary batteries are mainly composed of nonconjugated organic solvents such as ethylene carbonate, diethyl carbonate, and 2-methyltetrahydrofuran. Such electrolytic solution is a polar solvent having a polarity enough to dissolve and dissolve an electrolyte salt, and is an aprotic solvent having no active hydrogen, and has high viscosity and surface tension. Therefore, the non-aqueous electrolytic solution of the lithium secondary battery has a low affinity with the electrode material including the polytetrafluoroethylene and the polyvinylidene fluoride binder or the like, so that the electrode material can not be easily wetted. Further, the wettability may be deteriorated when an electrolyte solution having a high lithium salt concentration or a high compression density of the electrode is used. Such deterioration of the wettability property is one of the main causes of inefficiently increasing the manufacturing process time of the battery.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 양극, 음극 및 전해액을 포함하고, 상기 양극 및 음극 중 하나 이상은 디옥틸 소디움 설포석시네이트(dioctyl sodium sulfosuccinate)를 포함하는 이차 전지를 제공한다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a secondary battery comprising a cathode, a cathode, and an electrolyte, wherein at least one of the anode and the cathode comprises dioctyl sodium sulfosuccinate.
전극 내에 포함된 디옥틸 소디움 설포석시네이트는 전해액의 표면장력을 낮춰주기 때문에 전해액이 전극 내로 빠르고 균일하게 침투할 수 있다.Dioctyl sodium sulfosuccinate contained in the electrode lowers the surface tension of the electrolytic solution, so that the electrolytic solution can penetrate into the electrode quickly and uniformly.
상기 디옥틸 소디움 설포석시네이트(dioctyl sodium sulfosuccinate)는 전해액과 접촉하여 디옥틸 설포석시네이트와 나트륨(Na+)으로 이온화되며, 디옥틸 설포석시네이트가 비수계 유기 용매와 정전기적으로 결합함으로써 비수계 유기 용매의 표면 장력이 낮아질 수 있다. 이에 따라 보다 빠르게 전극 내로 전해액이 침투할 수 있다. The dioctyl sodium sulfosuccinate is ionized with dioctyl sulfosuccinate and sodium (Na + ) in contact with the electrolytic solution, and dioctyl sulfosuccinate is electrostatically bound to the non-aqueous organic solvent The surface tension of the non-aqueous organic solvent can be lowered. As a result, the electrolyte can permeate into the electrode more quickly.
상기 양극은 디옥틸 소디움 설포석시네이트와 함께 양극 활물질 및 바인더 등을 포함할 수 있다. 상기 양극 활물질은 하기 화학식 1로 표현되는 리튬 니켈-망간-코발트 산화물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The anode may include a cathode active material and a binder together with dioctyl sodium sulfosuccinate. The cathode active material may be a lithium nickel-manganese-cobalt oxide represented by the following general formula (1), but is not limited thereto.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
LiNixCoyMnzO2 (여기서, 0.5<x<0.9, 0.01<y<0.2, 0.01<z<0.3, 및 x+y+z=1) LiNi x Co y Mn z O 2 (where 0.5 <x <0.9, 0.01 <y <0.2, 0.01 <z <0.3, and x + y + z = 1)
상기와 같은 조성의 리튬 니켈-망간-코발트 산화물을 양극 활물질로 사용하는 경우에는 전지 사이클의 초반(특히, 고율 방전 사이클 시)에 용량 감소 속도가 완화되는 효과가 있다. When the lithium nickel-manganese-cobalt oxide having the above composition is used as the cathode active material, the capacity reduction rate is alleviated in the early stage of the battery cycle (particularly at a high rate discharge cycle).
나아가, 상기 리튬 니켈-망간-코발트 산화물을 양극 활물질로 포함하는 경우에는, 전극 제조 시 강한 압연을 수행하여 제조되는 전극의 압축 밀도가 높아지는데, 이러한 높은 압축 밀도를 갖는 전극을 사용하는 경우 전극 내 전해액이 침투할 수 있는 공간이 더욱 작기 때문에 전해액의 침투가 더욱 어려울 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 전극 내의 디옥틸 소디움 설포석시네이트가 전해액의 표면 장력을 현저히 저하시키므로 고밀도의 전극 내로도 빠르고 균일하게 침투하여 전해액과 전극 간의 우수한 젖음성을 나타낼 수 있다. In addition, when the lithium nickel-manganese-cobalt oxide is used as the cathode active material, the compression density of the electrode manufactured by performing strong rolling at the time of manufacturing the electrode is increased. When such an electrode having a high compression density is used, Since the space through which the electrolyte can penetrate is smaller, penetration of the electrolyte solution may be more difficult. However, in the present invention, dioctyl sodium sulfosuccinate in the electrode remarkably lowers the surface tension of the electrolytic solution, so that it quickly and uniformly penetrates into the high-density electrode, thereby exhibiting excellent wettability between the electrolytic solution and the electrode.
이때, 상기 양극의 압축 밀도는 3.1 g/cc 내지 4.0 g/cc일 수 있다. 이는, 종래 이차 전지 내의 전극의 압축 밀도인 1 g/cc 내지 3 g/cc보다 높은 수치일 수 있다.At this time, the compression density of the anode may be 3.1 g / cc to 4.0 g / cc. This may be a value that is higher than the compression density of 1 g / cc to 3 g / cc of the electrode in the conventional secondary battery.
압축 밀도는 집전체 상에 양극 슬러리를 코팅한 후, 일정한 압력으로 압연(press)한 후의 양극의 밀도를 의미한다. 압축 밀도가 높다는 것은 동일한 부피 하에서 더 많은 양극 활물질이 집전체 상에 있다는 것을 의미한다. 상기 압축 밀도의 범위에서 이차 전지의 수명 특성이 더욱 향상될 수 있다. The compression density refers to the density of the anode after coating the anode slurry on the current collector and then pressing it at a constant pressure. Higher compression densities mean that more of the cathode active material is on the current collector under the same volume. The life characteristics of the secondary battery can be further improved in the range of the compression density.
상기 바인더는 폴리비닐리덴 풀루오라이드 (polyvinylidene fluoride, PVDF), 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulos) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 사용할 수 있다. 상기 바인더는 비수계 유기 용매 등과의 친화성이 저조하지만, 본 발명의 디옥틸 소디움 설포석시네이트와 함께 전극 내에 포함됨으로써, 비수계 유기 용매의 점도 및 표면장력이 낮아지므로 상기 바인더를 사용하더라도 전극과 전해액 간의 우수한 젖음성을 나타낼 수 있다. The binder may be selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride (PVDF), carboxyl methyl cellulos, and mixtures thereof. Although the binder has poor affinity with non-aqueous organic solvents and the like, it is contained in the electrode together with the dioctyl sodium sulfosuccinate of the present invention, thereby lowering the viscosity and surface tension of the non-aqueous organic solvent. And an excellent wettability between the electrolyte and the electrolyte.
상기 전해액은 리튬염 및 비수계 유기 용매를 포함한다. 이때, 비수계 유기 용매는, 리튬염을 효과적으로 용해시키고 해리시킬 만큼의 극성을 가진 극성 용매임과 동시에, 활성수소를 갖고 있지 않은 비양자성 용매이며, 점성 및 표면장력이 높다. 본 발명에서는 디옥틸 소디움 설포석시네이트를 전극 내에 포함시킴으로써, 보다 높은 농도의 리튬염이 포함된 비수계 유기 용매를 사용하더라도, 전해액의 점도가 저하되지 않고 전극과의 우수한 젖음성을 나타낼 수 있다. The electrolytic solution includes a lithium salt and a non-aqueous organic solvent. At this time, the non-aqueous organic solvent is a polar solvent having a polarity enough to dissolve and dissociate the lithium salt effectively, an aprotic solvent having no active hydrogen, and a high viscosity and surface tension. In the present invention, by incorporating dioctyl sodium sulfosuccinate into the electrode, even when a non-aqueous organic solvent containing a lithium salt having a higher concentration is used, the viscosity of the electrolytic solution is not lowered and excellent wettability with the electrode can be exhibited.
이때, 전해액에 대한 리튬염의 농도는 1.6 M 내지 3 M, 구체적으로는 1.7 내지 3 M일 수 있다. 이는, 종래 이차 전지 내의 전해액에 대한 리튬염의 농도인 0.5 M 내지 1.5 M 보다 높은 수치일 수 있다. At this time, the concentration of the lithium salt to the electrolytic solution may be 1.6 M to 3 M, specifically 1.7 to 3 M. This may be a value higher than 0.5 M to 1.5 M, which is the concentration of the lithium salt in the electrolytic solution in the conventional secondary battery.
상기 비수계 유기 용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다. 특히 에틸렌 카보네이트, 플루오로-에틸렌 카보네이트와 같이 고리형 카보네이트를 사용하는 경우, 전지 내에서 분해되지 않고 안정적일 뿐만 아니라, 디옥틸 소디움 설포석시네이트로 인해 표면 장력이 낮아지는 효과가 더욱 뛰어나므로 우수한 젖음성 향상효과를 나타낼 수 있다. Examples of the non-aqueous organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butylolactone, Tetrahydrofuran, tetrahydrofuran, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, Examples of the organic solvent include methyl acetate, phosphoric acid triester, trimethoxy methane, dioxolane derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, Propylenic organic solvents such as methylmethyl, ethylpropionate and the like can be used. Particularly, when a cyclic carbonate such as ethylene carbonate or fluoro-ethylene carbonate is used, it is not only decomposed in the cell but is stable, and also has an excellent effect of lowering the surface tension due to dioctyl sodium sulfosuccinate, The wettability can be improved.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (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, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide have.
상기 음극은 음극 활물질 및 상기 바인더 등을 포함할 수 있다. 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 may include a negative electrode active material, the binder, and the like. 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.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 화학식 1로 표현되는 양극 활물질, 폴리비닐리덴 풀루오라이드, 카르복실 메틸 셀룰로오스 및 이들의 혼합물인 바인더 및 디옥틸 소디움 설포석시네이트를 포함하는 표면 장력 조절제를 포함하는 양극 슬러리를 제공한다. According to one embodiment of the present invention, there is provided a surface tension modifier comprising a cathode active material represented by the following formula (1), polyvinylidene fluoride, carboxylmethyl cellulose and a mixture thereof, and dioctyl sodium sulfosuccinate Lt; RTI ID = 0.0 > slurry. ≪ / RTI >
[화학식 1][Chemical Formula 1]
LiNixCoyMnzO2 (여기서, 0.5<x<0.9, 0.01<y<0.2, 0.01<z<0.3, 및 x+y+z=1) LiNi x Co y Mn z O 2 (where 0.5 <x <0.9, 0.01 <y <0.2, 0.01 <z <0.3, and x + y + z = 1)
상기 양극 슬러리는 디옥틸 소디움 설포석시네이트가 포함된 표면 장력 조절제를 포함하므로, 비수성 유기 용매의 표면 장력을 낮춰줄 수 있어, 상기 양극 슬러리를 사용하여 제조된 양극은 전해액과의 젖음성 특성이 우수하다. Since the positive electrode slurry includes a surface tension regulator containing dioctyl sodium sulfosuccinate, the surface tension of the non-aqueous organic solvent can be lowered. Thus, the positive electrode prepared using the positive electrode slurry has a wettability characteristic with the electrolyte great.
이때, 상기 표면 장력 조절제는 에탄올, 물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 더 포함할 수 있고, 상기 표면 장력 조절제 전체 중량에 대하여 디옥틸 소디움 설포석시네이트가 70 내지 80 중량%로 포함된 것을 사용할 수 있다.The surface tension regulator may further include one selected from the group consisting of ethanol, water, and a mixture thereof. The surface tension regulator may include 70 to 80 wt% of dioctyl sodium sulfosuccinate based on the total weight of the surface tension regulator You can use the included.
한편, 상기 표면 장력 조절제는 양극 슬러리 전체 중량에 대하여 0.5 내지 5 중량%로 포함될 수 있다. 만약, 상기 표면 장력 조절제가 0.5 중량% 미만으로 포함된 경우에는 전극과 전해액간의 젖음성 향상 효과가 미미한 문제점이 있고, 5 중량%를 초과하는 양으로 포함되는 경우에는 전극의 에너지 밀도 감소 및 전극 전기 저항 증가의 문제점이 발생할 수 있다. On the other hand, the surface tension regulator may be included in an amount of 0.5 to 5% by weight based on the total weight of the cathode slurry. If the amount of the surface tension regulator is less than 0.5 wt%, the wetting property between the electrode and the electrolyte is insufficient. When the amount of the surface tension regulator is more than 5 wt%, the energy density of the electrode decreases, There may be a problem of increase.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양극 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 단계(단계 1); 상기 슬러리가 코팅된 집전체를 롤 프레싱하는 단계(단계 2); 및 상기 롤 프레싱된 슬러리가 코팅된 집전체를 60 ℃ 내지 80 ℃의 온도에서 건조하는 단계(단계 3);을 포함하는 양극 제조방법을 제공한다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a positive electrode slurry, comprising the steps of: (1) coating the positive electrode slurry on a current collector; Roll pressing the slurry-coated current collector (step 2); And drying the roll-pressed slurry-coated current collector at a temperature of 60 ° C to 80 ° C (Step 3).
본 발명에 따른 양극 제조방법에 있어서, 단계 1은 양극 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 단계이다. In the method for producing an anode according to the present invention, Step 1 is a step of coating a positive electrode slurry on a current collector.
단계 1에서는 상기와 같은 양극 슬러리를 소정 두께의 집전체에 얇게 코팅하는 것일 수 있다. 여기서, 상기 집전체의 두께는 대략 10 ㎛ 내지 100 ㎛ 정도일 수 있고, 상기 집전체는 알루미늄 포일, 알루미늄 메시, 구리 호일 중 선택된 어느 하나를 이용할 수 있으며, 상기 집전체에 코팅되는 양극 슬러리 즉, 코팅층의 두께는 50 내지 200㎛ 정도일 수 있으나, 이에 본 발명을 한정되는 것은 아니다. In step 1, the positive electrode slurry may be thinly coated on a current collector having a predetermined thickness. Here, the current collector may have a thickness of about 10 m to 100 m, and the current collector may be any one selected from aluminum foil, aluminum mesh, and copper foil, and the positive electrode slurry coated on the current collector, May have a thickness of about 50 to 200 mu m, but the present invention is not limited thereto.
본 발명에 따른 양극 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 슬러리가 코팅된 집전체를 롤 프레싱하는 단계이다. In the method for producing an anode according to the present invention, Step 2 is a step of roll pressing the current collector coated with the slurry.
상기 롤 프레싱 단계에서는 상기와 같이 활물질이 코팅된 집전체를 소정 온도로 가열된 롤러 사이로 통과시킴으로써, 활물질과 활물질 사이의 결착성, 활물질과 집전체 사이의 접착성이 향상될 수 있고, 또한 용량 밀도가 증가되도록 할 수 있다. 이때, 구체적으로 8 MPa 내지 15 MPa의 압력으로 롤 프레싱함으로써 제조된 상기 양극의 압축 밀도는 3.1 g/cc 내지 4.0 g/cc일 수 있다. In the roll pressing step, the current collector coated with the active material as described above is passed through the heated rollers so that the adhesion between the active material and the active material, the adhesion between the active material and the current collector can be improved, Can be increased. At this time, the compression density of the anode produced by roll-pressing at a pressure of 8 MPa to 15 MPa may be 3.1 g / cc to 4.0 g / cc.
다소 높은 압력으로 롤 프레싱을 수행하여, 높은 압축 밀도를 갖는 고용량의 양극을 제조하더라도, 양극 슬러리 내에 포함된 디옥틸 소디움 설포석시네이트로 인하여 상기 양극과 전해액은 높은 젖음성을 나타낼 수 있다. Even if a roll press is performed at a somewhat higher pressure to produce a high capacity positive electrode having a high compression density, the positive electrode and the electrolyte can exhibit high wettability due to dioctyl sodium sulfosuccinate contained in the positive electrode slurry.
본 발명에 따른 양극 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 롤 프레싱된 슬러리가 코팅된 집전체를 60 ℃ 내지 80 ℃의 온도에서 건조하는 단계이다. In the anode manufacturing method according to the present invention, step 3 is a step of drying the roll-pressed slurry-coated current collector at a temperature of 60 ° C to 80 ° C.
상기 양극 슬러리의 용매를 제거하고, 공정 중 혼입된 수분을 제거하기 위해 진공 분위기에서 건조를 수행할 수 있다. 이때, 양극 슬러리 내의 디옥틸 소디움 설포석시네이트로 인해 60 ℃ 내지 80 ℃의 온도에서 건조를 수행하여야 화합물의 변형을 막고 전극 내 잔유물로서 남게 할 수 있다.The solvent of the positive electrode slurry may be removed and drying may be carried out in a vacuum atmosphere to remove water entrained during the process. At this time, it is necessary to perform drying at a temperature of 60 ° C to 80 ° C due to dioctyl sodium sulfosuccinate in the cathode slurry to prevent deformation of the compound and to remain as residues in the electrode.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 이차전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공한다. 상기 전지 모듈 및 전지 팩은 전극 저항이 낮고, 균일한 충방전 및 수명 특성을 나타내는 상기 이차전지를 포함하므로, 파워 툴(Power Tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차, 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a battery module including the secondary battery as a unit cell and a battery pack including the same. Since the battery module and the battery pack include the secondary battery having a low electrode resistance and exhibiting uniform charge / discharge and lifetime characteristics, it is possible to use a power tool, an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle Vehicle, an electric vehicle including a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV), or a power storage system.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 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 carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
<실시예 1> ≪ Example 1 >
단계 1: 양극 슬러리의 제조Step 1: Preparation of positive electrode slurry
LiNi0 . 6Co0 . 2Mn0 . 2O2 92 중량%, 도전제로 카본 블랙(carbon black) 3 중량%, 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 3 중량%, 표면 장력 조절제로 BASF사의 WE3475(에탄올 5 중량%, 물 15 중량%, 디옥틸 소디움 설포석시네이트 80 중량% 포함) 2 중량% 및 용매로 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 혼합하여 양극 슬러리를 제조하였다.LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Mn 0 . 2 O 2 92% by weight, 3% by weight of the conductive agent of carbon black (carbon black), polyvinylidene fluoride (PVdF) 3% by weight of a binder, BASF's WE3475 (ethanol 5% by weight, a surface tension adjusting agent, water 15% by weight , 2% by weight of dioctyl sodium sulfosuccinate (including 80% by weight) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent were mixed to prepare a positive electrode slurry.
단계 2: 양극의 제조Step 2: Preparation of positive electrode
상기 양극 슬러리를 두께가 15 ㎛의 양극 집전체인 알루미늄(Al) 박막에 도포하고, 롤 프레스(roll press)를 4 MPa의 압력으로 수행하고, 70 ℃의 온도에서 건조하여 양극의 압축 밀도가 1.5 g/cc인 양극을 제조하였다. 이때, 양극의 압축 밀도는 특정 면적의 전극을 채취하여 전극의 질량과 두께를 측정하고, 집전체인 알루미늄 금속의 질량과 두께를 차감한 값을 이용하여 측정하였다.The positive electrode slurry was applied to an aluminum (Al) thin film as a positive electrode current collector having a thickness of 15 m, followed by performing a roll press at a pressure of 4 MPa and drying at a temperature of 70 캜 to obtain a negative electrode having a compression density of 1.5 g / cc. At this time, the compression density of the anode was measured by taking the electrode of a specific area, measuring the mass and thickness of the electrode, and subtracting the mass and thickness of the aluminum metal as the current collector.
단계 3: 이차 전지의 제조Step 3: Preparation of secondary battery
음극으로는 흑연을 사용하였다. 한편, 전해질로서 에틸렌 카보네이트 및 디에틸 카보네이트를 30:70의 부피비로 혼합하여 제조된 비수전해액 용매에 LiPF6를 첨가하여 1.5 M의 LiPF6 비수성 전해액을 제조하였다. 이와 같이 제조된 양극과 음극을 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 혼합 세퍼레이터를 개재시킨 후 젤리 롤 전지 제작 후, 제조된 상기 비수성 전해액을 주액하여 리튬 이차 18650 원형 전지를 제조하였다.Graphite was used as the cathode. On the other hand, LiPF 6 was added to a nonaqueous electrolyte solvent prepared by mixing ethylene carbonate and diethyl carbonate as electrolytes in a volume ratio of 30:70 to prepare a 1.5 M LiPF 6 nonaqueous electrolyte solution. After the positive electrode and the negative electrode thus prepared were interposed with a mixed separator of polyethylene and polypropylene, a jelly roll cell was fabricated, and the nonaqueous electrolytic solution thus prepared was injected to prepare a lithium secondary 18650 circular battery.
<비교예 1>≪ Comparative Example 1 &
상기 실시예 1의 단계 1에서 표면 장력 조절제를 포함하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 이차 전지를 제조하였다.A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the surface tension modifier was not included in the step 1 of Example 1.
<실시예 2 내지 7, 비교예 2 내지 7>≪ Examples 2 to 7 and Comparative Examples 2 to 7 >
상기 실시예 1에서, 하기 표 1의 조건과 같이 실험을 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 이차 전지를 제조하였다.In Example 1, a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the experiment was conducted in accordance with the conditions shown in Table 1 below.
<실험예 1> 젖음성 및 저항 특성 <Experimental Example 1> Wettability and Resistance Characteristics
상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 8에서 제조된 양극에, 에틸렌 카보네이트 및 디에틸 카보네이트를 30:70의 부피비로 혼합하여 제조된 비수전해액 용매에 LiPF6를 각각 상기 표 1에 해당하는 양으로 첨가하여 제조한 비수성 전해액을 1 ㎕ 적하시킨 후, 전극 내부로 전부 흡수되어 들어가는 시간을 측정하였다. 나아가, 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 전극의 저항을 저항 측정기로 측정하고, 그 결과를 표 2 및 표 3에 나타내었다.LiPF 6 was added to the nonaqueous electrolyte solvent prepared by mixing ethylene carbonate and diethyl carbonate at a volume ratio of 30:70 to the positive electrodes prepared in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 8, Aqueous electrolyte solution was dropwise added to the electrode, and then the time when all of the electrode was absorbed into the electrode was measured. Further, the resistances of the electrodes prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 were measured with a resistance meter, and the results are shown in Tables 2 and 3. [
표 2 및 표 3에 나타낸 바와 같이, 비교예들에 비해, 실시예들의 웨팅 타임이 낮으므로, 본 발명에 따른 전극의 젖음성이 향상되었음을 알 수 있다. As shown in Tables 2 and 3, the wetting time of the electrodes according to the present invention is improved because the wetting time of the embodiments is lower than that of the comparative examples.
구체적으로, 양극 압축밀도가 1.5 g/cc일 때, 비교예의 웨팅 타임이 실시예에 비해 1 % 가량 더 길게 소모되고, 2.5 g/cc에서는 1.01 %, 3.1 g/cc에서는 1.85 %, 4.0 g/cc에서는 3.09 % 더 길게 소모됨을 알 수 있다. Specifically, when the anode compaction density was 1.5 g / cc, the wetting time of the comparative example was consumed by 1% longer than that of the Example, 1.01% at 2.5 g / cc, 1.85% at 3.1 g / cc, 4.0 g / cc is consumed 3.09% longer.
리튬염 농도가 0.5 M일 때에는, 비교예의 웨팅 타임이 실시예에 비해 0.5 %가량 더 길게 소모되고, 1.0 M에서는 1 %, 1.6 M 에서는 5.24 %, 3.0 M 에서는 5.78 % 더 길게 소모됨을 알 수 있다.When the lithium salt concentration is 0.5 M, the wetting time of the comparative example is consumed by 0.5% longer than that of the comparative example, and it is consumed by 1% at 1.0 M, 5.24% at 1.6 M and 5.78% at 3.0 M .
이에 따라, 양극의 압축 밀도가 3.1 g/cc 이상이거나, 전해액의 리튬염 농도가 1.6 M이상인 경우, 특히 양극의 젖음성의 향상효과가 1.8 %, 5 % 이상으로 높게 나타남을 알 수 있다. Thus, when the compression density of the anode is 3.1 g / cc or more, or when the lithium salt concentration of the electrolyte is 1.6 M or more, the improvement effect of the wettability of the anode is particularly high at 1.8% and 5% or more.
더불어, 상기 양극의 저항은 디옥틸 소디움 설포석시네이트가 포함되는 경우, 양극 밀도가 높아져도 4 내지 5 %의 수준의 동등한 증가세를 보임을 알 수 있다. In addition, it can be seen that the resistance of the anode shows an equivalent increase in the level of 4 to 5% when the anode density is increased when dioctyl sodium sulfosuccinate is included.
이를 통해, 특히 압축 밀도가 3.1 g/cc 이상이거나, 전해액의 리튬염 농도가 1.6 M 이상인 경우 디옥틸 소디움 설포석시네이트의 첨가로 인한 양극의 저항 증가에 영향을 받지 않으면서도, 우수한 젖음성 향상효과가 있음을 알 수 있다. As a result, when the compression density is not less than 3.1 g / cc or the lithium salt concentration of the electrolyte is not less than 1.6 M, excellent wettability can be obtained without being affected by the increase in the resistance of the anode due to the addition of dioctyl sodium sulfosuccinate .
<실험예 2> 수명 특성≪ Experimental Example 2 > Life characteristics
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 이차 전지의 수명 특성을 알아보기 위해 하기와 같은 실험을 수행하였다. The following experiments were conducted to examine the life characteristics of the secondary batteries manufactured in Example 1 and Comparative Example 1. [
리튬 이차 전지의 수명 특성은 첫번째 사이클은 0.1 C로 충방전을 수행하고, 이후 사이클은 0.5 C로 충전, 2.0 C로 방전을 실시 하였다. 첫번째 사이클 방전 용량에 대한 49 번째 사이클 방전 용량의 비율을 측정하고 그 결과를 표 4에 나타내었다.The lifetime characteristics of the lithium secondary battery were evaluated by charging and discharging at 0.1 C for the first cycle, charging at 0.5 C and discharging at 2.0 C. The ratio of the 49th cycle discharge capacity to the first cycle discharge capacity was measured and the results are shown in Table 4.
-수명 특성: (49번째 사이클 방전 용량/첫번째 사이클 방전 용량)×100- Life characteristics: (49th cycle discharge capacity / first cycle discharge capacity) 100
상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1의 경우, 비교예 1에 비해 수명 특성이 6.6 % 향상되었음을 알 수 있다. 이를 통해, 본 발명에 따른 전극의 젖음성이 향상됨에 따라 이차 전지의 수명 특성이 증가함을 알 수 있다.As shown in Table 4, it can be seen that the lifetime characteristic of Example 1 was improved by 6.6% as compared with Comparative Example 1. As a result, the wettability of the electrode according to the present invention is improved, so that the lifetime characteristics of the secondary battery are increased.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 이하의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, And falls within the scope of the invention.
Claims (12)
상기 양극 및 음극 중 하나 이상은 디옥틸 소디움 설포석시네이트를 포함하는 이차 전지.
An anode, a cathode, and an electrolytic solution,
Wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode comprises dioctyl sodium sulfosuccinate.
상기 양극은 양극 활물질을 포함하며,
상기 양극 활물질은 하기 화학식 1로 표현되는 리튬 니켈-망간-코발트 산화물인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
[화학식 1]
LiNixCoyMnzO2 (여기서, 0.5<x<0.9, 0.01<y<0.2, 0.01<z<0.3, 및 x+y+z=1)
The method according to claim 1,
Wherein the anode comprises a cathode active material,
Wherein the cathode active material is a lithium nickel-manganese-cobalt oxide expressed by the following general formula (1).
[Chemical Formula 1]
LiNi x Co y Mn z O 2 (where 0.5 <x <0.9, 0.01 <y <0.2, 0.01 <z <0.3, and x + y + z = 1)
상기 양극의 압축 밀도는 3.1 g/cc 내지 4.0 g/cc인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
The method according to claim 1,
And the compression density of the anode is 3.1 g / cc to 4.0 g / cc.
상기 전해액은 리튬염 및 비수계 유기 용매를 포함하고,
상기 비수계 유기 용매는 고리형 카보네이트이며,
상기 전해액에 대한 리튬염의 농도는 1.6 M 내지 3.0 M인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the electrolyte solution comprises a lithium salt and a non-aqueous organic solvent,
Wherein the non-aqueous organic solvent is a cyclic carbonate,
Wherein the lithium salt has a concentration of 1.6 M to 3.0 M with respect to the electrolytic solution.
상기 양극 및 음극 중 하나 이상은 바인더를 포함하며,
상기 바인더는 폴리비닐리덴 풀루오라이드 (polyvinylidene fluoride, PVDF), 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulos) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
The method according to claim 1,
Wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode includes a binder,
Wherein the binder is one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride (PVDF), carboxyl methyl cellulos, and mixtures thereof.
상기 디옥틸 소디움 설포석시네이트는 전해액과 접촉하여 디옥틸 설포석시네이트와 나트륨(Na+)으로 이온화되며, 디옥틸 설포석시네이트가 비수계 유기 용매와 정전기적으로 결합하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
The method according to claim 1,
The dioctyl sodium sulfosuccinate is contacted with an electrolyte to be ionized with dioctyl sulfosuccinate and sodium (Na + ), and dioctyl sulfosuccinate is electrostatically bound to the non-aqueous organic solvent Secondary battery.
[화학식 1]
LiNixCoyMnzO2 (여기서, 0.5<x<0.9, 0.01<y<0.2, 0.01<z<0.3, 및 x+y+z=1)
A positive electrode slurry comprising a surface tension modifier comprising a positive electrode active material represented by the following formula (1), a binder that is polyvinylidene fluoride, carboxylmethyl cellulose, and a mixture thereof, and dioctyl sodium sulfosuccinate.
[Chemical Formula 1]
LiNi x Co y Mn z O 2 (where 0.5 <x <0.9, 0.01 <y <0.2, 0.01 <z <0.3, and x + y + z = 1)
상기 표면 장력 조절제 전체 중량에 대하여 디옥틸 소디움 설포석시네이트가 70 내지 80 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 양극 슬러리.
8. The method of claim 7,
Wherein the surface tension modifier comprises 70 to 80% by weight of dioctyl sodium sulfosuccinate based on the total weight of the surface tension modifier.
상기 표면 장력 조절제는 양극 슬러리 전체 중량에 대하여 0.5 내지 5 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 양극 슬러리.
8. The method of claim 7,
Wherein the surface tension regulator is contained in an amount of 0.5 to 5 wt% based on the total weight of the cathode slurry.
A battery module comprising the secondary battery of claim 1 as a unit cell.
A battery pack comprising the battery module of claim 10 and used as a power source of the device.
상기 디바이스는 모바일 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치인 것을 특징으로 하는 전지 팩.12. The method of claim 11,
Wherein the device is a mobile electronic device, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, or a power storage device.
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