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KR20220037986A - 음극 활물질, 이를 포함하는 음극 및 이차전지 - Google Patents

음극 활물질, 이를 포함하는 음극 및 이차전지 Download PDF

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KR20220037986A
KR20220037986A KR1020210123196A KR20210123196A KR20220037986A KR 20220037986 A KR20220037986 A KR 20220037986A KR 1020210123196 A KR1020210123196 A KR 1020210123196A KR 20210123196 A KR20210123196 A KR 20210123196A KR 20220037986 A KR20220037986 A KR 20220037986A
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KR
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negative
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KR1020210123196A
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이창주
우상욱
노석인
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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Abstract

본 발명은 인조흑연 입자를 포함하며, 특정 방법에 의해 측정된 열팽창 계수가 108 × 10-6/K 내지 150 × 10-6/K인 음극 활물질을 제공한다. 본 발명의 음극 활물질은 전극에 대한 접착력이 우수하며, 이로 인해 공정성이 우수하고 장기 사이클 수명 특성이 우수하며, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극은 높은 용량을 가지고, 초기 효율이 우수하다.

Description

음극 활물질, 이를 포함하는 음극 및 이차전지{NEGATIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL, NEGATIVE ELECTRODE AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 음극 활물질, 이를 포함하는 음극 및 이차전지에 관한 것이다.
화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경오염의 관심이 증폭되면서, 친환경 대체 에너지원이 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 친환경 대체 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다.
또한, 최근에는 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로는 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지가 주로 연구, 사용되고 있다.
상기 이차전지는 음극으로 종래 리튬 금속이 사용되었으나, 덴드라이트(dendrite) 형성에 따른 전지 단락과, 이에 의한 폭발의 위험성이 문제가 되면서, 가역적인 리튬 이온의 삽입(intercalation) 및 탈리가 가능하고, 구조적 및 전기적 성질을 유지하는 탄소계 활물질의 사용 대두되고 있다.
상기 탄소계 활물질로는 인조흑연, 천연흑연, 하드카본 등의 다양한 형태의 탄소계 재료가 적용되어 왔으며, 이 중에서도 뛰어난 가역성으로 리튬 이차전지의 수명 특성을 보장할 수 있는 흑연계 활물질이 가장 널리 사용되고 있다. 상기 흑연계 활물질은 리튬 대비 방전 전압이 -0.2V로 낮기 때문에, 흑연계 활물질을 이용한 전지는 3.6V의 높은 방전 전압을 나타낼 수 있으므로, 리튬 전지의 에너지 밀도면에서 많은 이점을 제공하고 있다.
이 중에서도, 인조흑연은 천연흑연에 비해 스웰링 방지 효과가 우수하며, 고온 특성이 우수하다는 장점이 있다. 다만, 인조흑연은 천연흑연에 비해 공극이 적어 출력 특성이 낮다는 문제가 있으므로, 출력 특성을 향상시키고, 입자 내의 공극 형성을 위해, 인조흑연을 1차 입자들이 응집 또는 결합된 2차 입자 형태로 사용하는 것이 알려져 있다.
그러나, 2차 입자로 조립된 인조흑연은 1차 입자들의 형상, 이들의 조립에 따라 불규칙하고 매끄럽지 않은 형상을 가지게 될 가능성이 높다. 이러한 인조흑연은 음극에 사용될 때 전극 접착력이 좋지 않은 문제가 있으며, 전극 접착력의 저하로 인해 공정성이 저하되며, 음극 구동 시 활물질 탈리 현상이 발생하여 장기 사이클 특성이 저하되는 문제가 있다.
일본 특허등록공보 제4403327호는 리튬이온 이차전지 음극용 흑연 분말에 관해 개시하고 있으나, 전술한 문제에 대한 대안을 제시하지 못하였다.
일본 특허등록공보 제4403327호
본 발명의 일 과제는 2차 입자 형태의 인조흑연을 포함하는 음극 활물질에 있어서, 접착력이 우수함과 동시에 용량 및 초기 효율이 높은 음극 활물질을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 과제는 전술한 음극 활물질을 포함하는 음극을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 과제는 전술한 음극을 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명은 복수의 1차 인조흑연 입자가 결합된 2차 입자 형태인 인조흑연 입자를 포함하며, 하기 단계를 포함하는 방법에 의해 측정된 열팽창 계수가 108 × 10-6/K 내지 150 × 10-6/K인 음극 활물질을 제공한다.
(a) 상기 음극 활물질 및 피치 바인더를 90:10의 중량비로 혼합하고, 1.5g/cc 내지 2.0g/cc의 밀도를 갖는 혼합물 펠렛을 제조하는 단계; (b) 상기 혼합물 펠렛을 열기계 분석하여 상기 혼합물 펠렛의 열팽창 계수를 얻는 단계; (c) 상기 피치 바인더를 1.5g/cc 내지 2.0g/cc의 밀도를 갖는 피치 바인더 펠렛으로 제조하고, 열기계 분석하여 상기 피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수를 얻는 단계; 및 (d) 하기 수학식 1을 통해 상기 음극 활물질의 열팽창 계수를 얻는 단계:
[수학식 1]
A = {C - (B × 0.1)}/0.9.
상기 수학식 1에서 A는 음극 활물질의 열팽창 계수이고, B는 피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수이고, C는 혼합물 펠렛의 열팽창 계수이다.
또한, 본 발명은 음극 집전체; 및 상기 음극 집전체 상에 배치된 음극 활물질층;을 포함하고, 상기 음극 활물질층은 전술한 음극 활물질을 포함하는 음극을 제공한다.
또한, 본 발명은 전술한 음극; 상기 음극에 대향하는 양극; 상기 음극 및 상기 양극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질;을 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 발명의 음극 활물질은 2차 입자 형태의 인조흑연 입자를 포함하며, 상기 방법에 의해 측정된 열팽창 계수가 특정 범위를 만족하는 것을 특징으로 한다. 상기 열팽창 계수 범위를 만족하는 음극 활물질은 음극 내에서의 접착력이 우수함과 동시에 용량 및 초기 효율 향상이 가능하다.
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.
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.
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.
본 명세서에서 평균 입경(D50)은 입자의 입경 분포 곡선에 있어서, 체적 누적량의 50%에 해당하는 입경으로 정의할 수 있다. 상기 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.
이하, 본 발명에 대해 구체적으로 설명한다.
음극 활물질
본 발명은 음극 활물질에 관한 것으로, 구체적으로 리튬 이차전지용 음극 활물질에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명에 따른 음극 활물질은 복수의 1차 인조흑연 입자가 결합된 2차 입자 형태인 인조흑연을 포함하며, 하기 단계를 포함하는 방법에 의해 측정된 열팽창 계수가 108 × 10-6/K 내지 150 × 10-6/K이다.
(a) 상기 음극 활물질 및 피치 바인더를 90:10의 중량비로 혼합하고, 1.5g/cc 내지 2.0g/cc의 밀도를 갖는 혼합물 펠렛을 제조하는 단계;
(b) 상기 혼합물 펠렛을 열기계 분석하여 상기 혼합물 펠렛의 열팽창 계수를 얻는 단계;
(c) 상기 피치 바인더를 1.5g/cc 내지 2.0g/cc의 밀도를 갖는 피치 바인더 펠렛으로 제조하고, 열기계 분석하여 상기 피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수를 얻는 단계; 및
(d) 하기 수학식 1을 통해 상기 음극 활물질의 열팽창 계수를 얻는 단계.
[수학식 1]
A = {C - (B × 0.1)}/0.9
(상기 수학식 1에서 A는 음극 활물질의 열팽창 계수이고, B는 피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수이고, C는 혼합물 펠렛의 열팽창 계수임)
종래, 인조흑연은 천연흑연에 비해 스웰링의 발생 정도가 적고, 저장 특성이 우수하지만, 출력 특성은 열위인 것으로 알려져 있다. 인조흑연의 출력 특성을 향상시키기 위해 인조흑연을 복수의 1차 입자를 응집 또는 결합시켜 2차 입자 형태로 제조하고, 1차 입자들 사이의 공극을 마련하는 방법이 연구되고 있지만, 이러한 2차 입자 형태로 조립된 인조흑연은 형상이 불규칙하고, 복잡하여 전극 접착력이 매우 저하되는 문제가 있으며, 이에 따라 공정성이 저하되고, 음극 구동 시 활물질 탈리 현상이 발생하여 장기 수명 특성을 저하시키는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 음극 활물질은 상기 방법에 의해 측정된 열팽창 계수를 특정 범위로 조절하는 것을 특징으로 한다. 상기 범위의 열팽창 계수를 만족하는 음극 활물질은 활물질 내의 1차 입자의 구조가 랜덤한 것으로 평가되며, 이러한 랜덤한 1차 입자들이 결합되어 형성된 2차 입자는 전체적으로 표면이 완만하고, 형상의 불규칙함이 완화되어 전극 접착력이 향상될 수 있고, 이에 따라 높은 공정성 및 수명 특성을 가질 수 있다. 또한, 상기 범위의 열팽창 계수를 만족하는 음극 활물질은 전극 접착력이 향상될 수 있음과 동시에 우수한 용량 및 초기 효율을 가질 수 있다.
상기 음극 활물질은 인조흑연 입자를 포함한다.
상기 인조흑연 입자는 복수의 1차 인조흑연 입자가 결합된 2차 입자 형태의 인조흑연 입자일 수 있다. 구체적으로, 상기 인조흑연 입자는 복수의 1차 인조흑연 입자의 결합체일 수 있다. 상기 인조흑연 입자가 2차 입자 형태의 인조흑연 입자일 경우, 1차 인조흑연 입자들 사이에 공극이 형성되므로, 이러한 공극 확보를 통해 인조흑연 입자의 출력 특성이 더욱 향상될 수 있다.
상기 2차 입자 형태의 인조흑연 입자의 경우, 상기 2차 입자는 복수의 1차 인조흑연 입자의 결합체일 수 있으며, 구체적으로 상기 2차 입자 형태의 인조흑연 입자에서, 상기 1차 인조흑연 입자는 반데르발스 힘에 의해 서로 결합된 것이 아니며, 피치 등의 수지 바인더에 의해 복수의 1차 인조흑연 입자들이 결합 또는 응집되어 2차 입자를 형성한 것일 수 있다.
상기 1차 인조흑연 입자는 탄소 전구체를 분체화한 후 형성된 것일 수 있다. 상기 탄소 전구체는 석탄계 중질유, 섬유계 중질유, 타르류, 피치류 및 코크스류로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 분체화된 탄소 전구체로 형성된 1차 인조흑연 입자는 응집성이 향상될 수 있어, 경도가 높은 1차 인조흑연 입자의 형성이 가능하다.
상기 2차 입자 형태의 인조흑연 입자는 반응기에 분체 형태의 탄소 전구체를 투입하고 상기 반응기를 작동시켜 상기 분체들을 원심력에 의해 결합시켜 1차 입자들이 결합된 2차 입자를 형성하고, 2,500℃ 내지 3,500℃의 온도, 바람직하게는 2,700℃ 내지 3,200℃의 온도에서 흑연화를 수행함으로써 형성될 수 있다. 상기 흑연화 공정에서, 상기 1차 입자 및 2차 입자의 흑연화가 동시에 수행될 수 있다. 상기 분체들을 결합시키는 과정에서, 피치 등과 같은 수지 바인더를 함께 반응기에 투입하고, 약 400℃ 내지 800℃의 온도에서 열처리를 수행할 수 있다.
상기 1차 인조흑연 입자의 평균 입경(D50)은 5㎛ 내지 15㎛, 바람직하게는 8㎛ 내지 12㎛, 보다 바람직하게는 8.5㎛ 내지 9.5㎛일 수 있다. 상기 1차 인조흑연 입자가 상기 범위의 평균 입경(D50)을 가질 때, 입경이 지나치게 큼에 따른 비표면적 증가, 접착력 저하 문제가 방지되고, 입경이 지나치게 큼에 따른 배향성 증가의 문제, 출력 특성 저하의 문제가 방지될 수 있으므로, 음극 활물질의 전극 접착력, 출력 특성 및 용량 특성의 구현이 용이할 수 있다.
상기 음극 활물질은 상기 1차 인조흑연 입자에 분포된 황(S)을 포함할 수 있다.
일반적으로 상기 황은 불순물로 취급되어, 인조흑연 제조 시 흑연화, 탈철 공정 등에서 제거될 수 있으며, 예를 들어 인조흑연 제조 시 원재료(코크스 등)를 분쇄하기 전에 1,000℃ 내지 1,500℃의 높은 온도로 열처리하여 이러한 불순물을 제거하는 공정을 수행한다. 그러나, 상기 황이 적정 함량으로 원재료 내에 포함될 경우, 상기 원재료에 분쇄 등의 공정을 수행하여 제조된 1차 인조흑연 입자의 결정 구조를 랜덤화하는 역할을 수행할 수 있고, 이에 따라 분쇄된 1차 인조흑연 입자 형상의 랜덤성이 향상될 수 있다. 따라서, 상기 황이 적정 함량으로 포함된 1차 인조흑연 입자들이 서로 결합되어 2차 입자를 형성하면, 완만하고 매끄러운 표면을 갖는 2차 입자 형태의 인조흑연 입자의 제조가 가능하며, 상술한 열팽창 계수를 갖는 음극 활물질의 구현이 가능하며, 전극 접착력이 향상될 수 있다.
상기 황은 상기 음극 활물질 내에 바람직하게 15ppm 내지 40ppm, 바람직하게 18ppm 내지 35ppm, 보다 더 바람직하게 23ppm 내지 25ppm으로 포함될 수 있으며, 상술한 범위에 있을 때 본 발명의 음극 활물질의 열팽창 계수의 구현이 용이하고, 전극 접착력, 수명 특성이 향상되면서도, 과도한 황의 함유로 인한 전해액 부반응 증가, 초기 효율의 저하, 및 용량 감소가 방지되어 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 황의 함량은 인조흑연 입자의 제조 시 흑연화, 탈철 공정의 열처리 조건 등을 조절하거나, 인조흑연의 제조 시 일반적으로 수행되는 하소(Calcination) 공정을 수행하지 않거나, 하소 조건을 조절하거나, 인조흑연 원재료를 적절히 선택하는 등의 방법에 의해 구현될 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 상기 황의 함량은, 인조흑연 입자의 제조 공정에 있어서, 인조흑연 원재료(코크스 등)의 분쇄 전 수행되는 하소 공정을 수행하지 않거나, 하소 공정을 500℃ 이하, 바람직하게는 300℃ 이하의 저온에서 수행함에 의해 구현될 수 있다.
상기 황의 함량의 측정은 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP) 분석법에 의해 측정될 수 있다.
상기 음극 활물질은 상기 인조흑연 입자 상에 위치하는 탄소 코팅층을 더 포함할 수 있다. 상기 탄소 코팅층은 인조흑연 입자의 구조적 안정성을 향상시키고 음극 활물질과 전해액의 부반응을 방지하는데 기여할 수 있다.
상기 탄소 코팅층은 상기 음극 활물질 내에 0.1중량% 내지 5중량%, 바람직하게는 1중량% 내지 4중량%로 포함될 수 있다. 상기 탄소 코팅층의 존재는 음극 활물질의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있지만, 탄소 코팅층의 과도한 형성은 음극 압연 시 비표면적 증가로 인한 초기 효율 감소를 야기하고 고온 저장 성능이 저하될 우려가 있으므로, 상술한 범위의 함량으로 탄소 코팅층을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 탄소 코팅층은 비정질 탄소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 코팅층은 석탄계 중질유, 섬유계 중질유, 타르류, 피치류 및 코크스류로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 탄소 코팅층 전구체를 상기 인조흑연 입자에 제공한 후, 열처리하여 형성될 수 있다. 상기 탄소 코팅층을 형성하기 위한 열처리 공정은 탄소 코팅층의 균일한 형성을 도모하는 측면에서 1,000℃ 내지 1,500℃에서 실시할 수 있다.
상기 음극 활물질의 평균 입경(D50)은 10㎛ 내지 30㎛, 바람직하게는 14㎛ 내지 25㎛, 보다 바람직하게는 15㎛ 내지 20㎛, 보다 더 바람직하게는 16㎛ 내지 17㎛일 수 있다. 특히, 상기 음극 활물질이 2차 입자 형태의 인조흑연 입자를 포함하고, 상기 범위의 평균 입경을 가질 경우, 2차 입자의 조립이 원활히 이루어진 것으로 평가할 수 있으며, 추가적으로 전극 접착력의 향상이 가능하고, 음극 제조의 공정성이 향상될 수 있다.
상기 음극 활물질의 BET 비표면적은 0.3m2/g 내지 2.5m2/g, 바람직하게는 0.5m2/g 내지 1m2/g일 수 있으며, 상기 범위에 있을 때 전해액과의 부반응을 방지하여 초기 효율을 더욱 향상시킬 수 있다는 측면에서 바람직하다.
상기 2차 입자 형태의 인조흑연 입자의 X-ray 회절 분석법(XRD)에 의해 측정된 결정면의 간격 d002는 0.3357nm 내지 0.3361nm, 바람직하게는 0.33575nm 내지 0.33585nm일 수 있으며, 상기 범위일 때 상술한 범위의 열팽창 계수 구현이 용이하여 전극 접착력이 향상되고, 흑연층 및 이의 적층 구조의 결정화가 잘 이루어져 음극 활물질의 용량 확보, 초기 효율 및 에너지 밀도 향상이 가능하여 바람직하다.
상기 2차 입자 형태의 인조흑연 입자의 c축 방향의 결정자 크기 Lc는 45nm 내지 75nm, 바람직하게는 60nm 내지 70nm일 수 있다. 상기 범위일 때 상술한 범위의 열팽창 계수 구현이 용이하여 전극 접착력이 향상되고, 흑연층 및 이의 적층 구조의 결정화가 잘 이루어져 음극 활물질의 용량 확보, 초기 효율 및 에너지 밀도 향상이 가능하여 바람직하다.
상기 음극 활물질의 탭 밀도는 0.88g/cc 내지 1.20g/cc, 바람직하게는 0.92 g/cc 내지 1.15g/cc, 보다 바람직하게는 1.04g/cc 내지 1.10g/cc일 수 있으며, 상기 열팽창 계수 범위와 함께 상기 탭 밀도 범위를 만족할 경우 표면이 완만하고 균일한 음극 활물질의 구현이 가능하여 높은 전극 접착력을 구현할 수 있어 바람직하다.
상기 음극 활물질의 하기 단계(단계 (a) 내지 단계 (d))를 포함하는 방법에 의해 측정된 열팽창 계수는 108 × 10-6/K 내지 150 × 10-6/K이다.
(a) 상기 음극 활물질 및 피치 바인더를 90:10의 중량비로 혼합하고, 1.5g/cc 내지 2.0g/cc의 밀도를 갖는 혼합물 펠렛을 제조하는 단계;
(b) 상기 혼합물 펠렛을 열기계 분석(thermomechnical analysis)하여 상기 혼합물 펠렛의 열팽창 계수를 얻는 단계;
(c) 상기 피치 바인더를 1.5g/cc 내지 2.0g/cc의 밀도를 갖는 피치 바인더 펠렛으로 제조하고, 열기계 분석하여 상기 피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수를 얻는 단계; 및
(d) 하기 수학식 1을 통해 상기 음극 활물질의 열팽창 계수를 얻는 단계:
[수학식 1]
A = {C - (B × 0.1)}/0.9
(상기 수학식 1에서 A는 음극 활물질의 열팽창 계수이고, B는 피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수이고, C는 혼합물 펠렛의 열팽창 계수임).
상기 열팽창 계수 측정 방법 중 (a) 단계의 경우, 본 발명의 음극 활물질은 이에 포함된 인조흑연 입자에 휘발분이 없고, 점성이 없어 펠렛의 형태로 제조하기 어려우므로, 음극 활물질과 점성을 갖는 피치 바인더를 혼합하여 혼합물 펠렛을 제조하는 단계이다. 후술하는 바와 같이, 혼합물 펠렛의 열팽창 계수를 측정한 후, 수학식 1에 따라 음극 활물질의 열팽창 계수를 평가할 수 있다.
상기 혼합물 펠렛은 평가의 객관성 확보를 위해 1.5g/cc 내지 2.0g/cc, 구체적으로 1.8g/cc의 밀도를 갖도록 제조될 수 있다.
상기 혼합물 펠렛의 지름은 10mm 내지 15mm, 구체적으로 13mm일 수 있다.
상기 열팽창 계수 측정 방법 중 (b) 단계의 경우, 상기 혼합물 펠렛의 열팽창 계수를 열기계 분석을 통해 측정하는 단계이다. 상기 열기계 분석 및 열팽창 계수의 측정은 TMA 기기(Thermomechanical analyser)를 이용할 수 있으며, 구체적으로 승온 속도를 10℃/분으로 설정하고, 30℃ 내지 100℃의 온도 구간에서의 열팽창 계수를 측정하는 것일 수 있다.
상기 열팽창 계수 측정 방법 중 (c) 단계의 경우, 상기 피치 바인더 펠렛을 제조하여 피치 바인더 자체의 열팽창 계수를 측정하는 단계이다. 상기 피치 바인더는 상기 혼합물 펠렛과 동일한 형상, 밀도, 및 지름을 갖도록 제조될 수 있다.
상기 피치 바인더 펠렛은 평가의 객관성 확보를 위해 1.5g/cc 내지 2.0g/cc, 구체적으로 1.8g/cc의 밀도를 갖도록 제조될 수 있으며, 구체적으로 상기 (a) 단계에서 제조된 혼합물 펠렛과 동일한 밀도, 형상, 및 지름을 갖도록 제조될 수 있다.
상기 피치 바인더 펠렛은 지름이 10mm 내지 15mm, 구체적으로 13mm가 되도록 제조될 수 있다.
상기 열팽창 계수 측정 방법 중 (d) 단계의 경우, (a) 단계에서의 음극 활물질과 피치 바인더의 혼합 중량비(90:10)를 고려하여, 음극 활물질 자체의 열팽창 계수를 구하는 단계이다. 구체적으로, 혼합물 펠렛에서 음극 활물질과 피치 바인더는 각각의 열팽창 계수를 가질 것이고, 이들의 중량비에 따라 혼합물 펠렛의 열팽창 계수에 기여하게 될 것이며, 이를 고려할 때 혼합물 펠렛의 열팽창 계수(C), 피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수(B) 및 음극 활물질의 열팽창 계수(A)의 관계는 아래 수학식 2로 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
C = {(A × 90) + (B × 10)}/100
상기 수학식 2를 음극 활물질의 열팽창 계수(A)에 관한 식으로 변환하면, 수학식 1을 얻을 수 있으며, 이를 통해 음극 활물질 자체의 열팽창 계수를 예측하고, 평가할 수 있다.
상기 음극 활물질이 상기 범위의 열팽창 계수를 가질 경우, 높은 전극 접착력, 이를 통해 공정성 및 수명 특성의 향상이 이루어질 수 있을 뿐만 아니라, 높은 용량 및 초기 효율을 갖는 음극 활물질의 구현이 가능하다.
만일, 상기 음극 활물질의 열팽창 계수가 108 × 10-6/K 미만일 경우 1차 인조흑연 입자들이 랜덤한 구조를 갖는다고 보기 어렵고, 1차 인조흑연 입자들의 조립체인 2차 입자 형태의 인조흑연 입자의 표면이 매끄럽지 않아 전극 접착력의 향상이 어려우며, 공정성이 저하되고 음극 작동 시 음극 활물질의 탈리가 발생할 가능성이 높아 장기 사이클 수명 특성이 저하될 우려가 있다. 만일, 상기 음극 활물질의 열팽창 계수가 150 × 10-6/K를 초과할 경우, 1차 인조흑연 입자들이 과도하게 랜덤한 구조를 갖게 되어 흑연화도가 낮고, 지나치게 용량이 저하되며, 초기 효율이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.
상기 음극 활물질의 열팽창 계수는 바람직하게 110 × 10-6/K 내지 140 × 10-6/K, 보다 바람직하게 112 × 10-6/K 내지 120 × 10-6/K일 수 있으며, 상기 범위에 있을 때 전극 접착력, 수명 특성, 용량 및 초기 효율의 동시 향상 효과가 바람직하게 구현될 수 있어 좋다.
상기 음극 활물질의 열팽창 계수는 1차 인조흑연 입자의 랜덤성, 2차 입자 형태의 인조흑연 입자의 형상을 적절히 조절함에 의해 구현될 수 있다. 구체적으로, 상기 음극 활물질의 열팽창 계수는 1차 인조흑연 입자 내의 황 등 불순물의 함량, 1차 인조흑연 입자의 크기, 2차 입자의 크기, 조립 정도 등을 적절히 조절하여 구현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
음극
또한, 본 발명은 전술한 음극 활물질을 포함하는 음극, 보다 구체적으로는 리튬 이차전지용 음극을 제공한다.
상기 음극은 음극 집전체; 및 상기 음극 집전체 상에 배치된 음극 활물질층;을 포함한다. 상기 음극 활물질층은 전술한 음극 활물질을 포함한다.
상기 음극 집전체는 당분야에서 일반적으로 사용되는 음극 집전체가 제한 없이 사용될 수 있고, 예를 들면 리튬 이차전지의 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면 상기 음극 집전체는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 및 알루미늄-카드뮴 합금에서 선택된 적어도 1종, 바람직하게는 구리를 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체는 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체 상에 적층되며, 전술한 음극 활물질을 포함한다.
상기 음극 활물질은 음극 활물질층 내에 80중량% 내지 99중량%, 바람직하게는 93중량% 내지 98중량%로 포함될 수 있다.
상기 음극 활물질층은 전술한 음극 활물질 외에, 바인더, 도전재 및/또는 증점제를 더 포함할 수 있다.
상기 바인더는 활물질 및/또는 집전체 간의 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 음극 활물질층 내에 1중량% 내지 30중량%, 바람직하게는 1중량% 내지 10중량%로 포함될 수 있다.
상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무 및 불소 고무로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종, 바람직하게는 폴리비닐리덴플루오라이드 및 스티렌-부타디엔 고무 중에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 증점제로는 종래 리튬 이차전지에 사용되는 모든 증점제가 사용될 수 있으며, 한 예로는 카르복시메틸셀룰로오즈(CMC) 등이 있다.
상기 도전재는 음극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 음극 활물질층 내에 1중량% 내지 30중량%, 바람직하게는 1중량% 내지 10중량%로 포함될 수 있다.
상기 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(Denka Singapore 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.
상기 음극 활물질층은 전술한 음극 활물질과 바인더, 도전재 및 증점제에서 선택된 적어도 1종을 용매에 혼합하여 음극 슬러리를 제조하고, 상기 음극 슬러리를 상기 음극 집전체에 도포, 압연, 건조하여 제조될 수 있다.
상기 용매는 물 또는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 등의 유기용매를 포함할 수 있으며, 상기 음극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재 등을 포함할 때 바람직한 점도가 되는 양으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 음극 활물질, 및 선택적으로 바인더, 증점제 및 도전재에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 고형분의 농도가 50 중량% 내지 95 중량%, 바람직하게 70중량% 내지 90 중량%가 되도록 포함될 수 있다.
상기 음극의 X선 회절 분석 시 면적비 I(004)/I(110) (배향지수)는 7 내지 14, 보다 바람직하게는 7.5 내지 9.5일 수 있다. 상술한 범위에 있을 때 활물질들이 리튬 이온의 확산 경로를 최소화할 수 있도록 입자 배열될 수 있어, 리튬 이온 확산 저항이 저감될 수 있다. 상기 배향 지수의 달성은 전술한 음극 활물질을 상기 음극에 사용함에 의해 구현될 수 있다.
이차전지
또한, 본 발명은 전술한 음극을 포함하는 이차전지, 보다 구체적으로는 리튬 이차전지를 제공한다.
상기 이차전지는 전술한 음극; 상기 음극에 대향하는 양극; 상기 음극 및 상기 양극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질을 포함할 수 있다.
상기 양극은 양극 집전체; 및 상기 양극 집전체 상에 배치된 양극 활물질층을 포함할 수 있다.
상기 양극 집전체는 당분야에서 일반적으로 사용되는 음극 집전체가 제한 없이 사용될 수 있고, 예를 들면 이차전지의 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면 상기 양극 집전체는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 및 알루미늄-카드뮴 합금에서 선택된 적어도 1종, 바람직하게는 알루미늄을 포함할 수 있다.
상기 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.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 양극 활물질층은 양극 활물질을 포함할 수 있다.
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.
상기 양극 활물질은 상기 양극 활물질층 내에 80 중량% 내지 99중량%로 포함될 수 있다.
상기 양극 활물질층은 상기 양극 활물질과 함께 바인더, 및 도전재로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 더 포함할 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 합제의 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 및 불소 고무로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 바인더는 상기 양극 활물질층 내에 1중량% 내지 30중량%로 포함될 수 있다.
상기 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 덴카 블랙(Denka Singapore 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.
상기 도전재는 상기 양극 활물질층 내에 1중량% 내지 30 중량%로 첨가될 수 있다.
상기 분리막은 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬 이차전지에서 분리막으로 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 2층 이상의 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 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
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.
구체적으로, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.
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 히드로퓨란 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논 등의 케톤계 용매; 벤젠, 플루오로벤젠 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 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.
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.
상기와 같이 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 우수한 방전 용량, 급속 충전 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.
이러한 중대형 전지모듈은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전력저장장치 등과 같이 고출력, 대용량이 요구되는 동력원에 바람직하게 적용될 수 있다.
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.
실시예
1. 음극 활물질의 제조
실시예 1: 음극 활물질의 제조
<음극 활물질의 제조>
황 함량이 2,916ppm인 석유계 코크스를 임팩트 밀을 이용해 분쇄하여 평균 입경(D50)이 10㎛인 분체를 수득하였다. 이러한 코크스의 분쇄에는 별도의 하소(Calcination) 공정이 수행되지 않았다. 상기 분체를 수직식 조립기를 이용하여 불활성 가스(N2) 분위기에서 550℃에서 열처리하여 복수의 1차 입자들이 결합된 2차 입자를 제조하였다.
다음으로 불활성 가스 분위기 하에 3,000℃에서 20 시간 이상 열처리하여 상기 2차 입자를 흑연화하여 2차 입자 형태의 인조흑연 입자를 제조하였다.
상기 2차 입자 형태의 인조흑연 입자 및 석유계 핏치를 혼합하고, 롤러 하스 킬른(Roller hearth kiln)에서 1,300℃로 열처리하여 상기 2차 입자 상에 비정질 탄소 코팅층을 형성하였다.
상기에서 제조된 음극 활물질의 황 함량은 29.4ppm이었으며, 1차 인조흑연 입자의 평균 입경(D50)은 11㎛이었고, 음극 활물질의 평균 입경(D50)은 19.4㎛이고, XRD에 의해 측정된 d002는 0.3360nm이며, c축 방향의 결정자 크기 Lc는 63.9nm이며, BET 비표면적은 0.7m2/g이며, 탭 밀도는 0.95g/cc이고, 음극 활물질 내의 비정질 탄소 코팅층의 함량은 3중량%였다.
이때, 탭 밀도는 상기 음극 활물질 40g을 용기에 충전한 후, 1,000회 위 아래로 진동시켜 얻어지는 최종 부피를 측정하여 겉보기 밀도를 측정함에 의해 구하였다.
상기 음극 활물질의 BET 비표면적은 음극 활물질을 130℃로 전처리하고, 질소 기체를 이용하여 BEL JAPAN사의 BELSORP (BET 장비)를 이용하는 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 측정법에 의해 측정되었다.
<열팽창 계수의 측정>
상기에서 제조된 음극 활물질과 피치 바인더를 90:10의 중량비로 혼합하고, 밀도가 1.8g/cc이고, 지름이 13mm인 혼합물 펠렛을 제조하였다.
상기 혼합물 펠렛 1g을 TMA 기기(제조사: Mettler Toledo, 기기명: SDTA840)에 넣고, 승온 속도를 10℃/분으로 설정하고, 30℃ 내지 100℃ 온도 구간에서의 혼합물 펠렛의 열팽창 계수(128 × 10-6/K)를 측정하였다.
상기에서 사용된 피치 바인더와 동일한 피치 바인더를 준비한 후, 밀도가 1.8g/cc이고, 지름이 13mm이며, 상기 혼합물 펠렛과 동일한 형상의 피치 바인더 펠렛을 제조하였다. 상기 피치 바인더 펠렛 1g을 TMA 기기에 넣고, 상기 혼합물 펠렛의 열팽창 계수 측정 조건과 동일한 조건으로 피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수(56 × 10-6/K)를 측정하였다.
다음으로, 아래 수학식 1에 의해 음극 활물질의 열팽창 계수(136 × 10-6/K)를 계산하였다.
[수학식 1]
A = {C - (B × 0.1)}/0.9
(A: 음극 활물질의 열팽창 계수, B: 피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수, C: 혼합물 펠렛의 열팽창 계수)
실시예 2: 음극 활물질의 제조
<음극 활물질의 제조>
황 함량이 2,531ppm인 석유계 코크스를 임팩트 밀을 이용해 분쇄하여 평균 입경(D50)이 10㎛인 분체를 수득한 것, 상기 분체를 수평식 조립기를 이용하여 2차 입자화한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
상기에서 제조된 음극 활물질의 황 함량은 22.4ppm이었으며, 1차 인조흑연 입자의 평균 입경(D50)은 10㎛이었고, 음극 활물질의 평균 입경(D50)은 18.1㎛이고, XRD에 의해 측정된 d002는 0.3359nm이며, c축 방향의 결정자 크기 Lc는 66.7nm이며, BET 비표면적은 0.7m2/g이며, 탭 밀도는 1.03g/cc이고, 음극 활물질 내의 비정질 탄소 코팅층의 함량은 3중량%였다.
<열팽창 계수의 측정>
상기에서 제조된 음극 활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질의 열팽창 계수를 측정하였다.
혼합물 펠렛의 열팽창 계수: 119 × 10-6/K
피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수: 56 × 10-6/K
음극 활물질의 열팽창 계수: 126 × 10-6/K
실시예 3: 음극 활물질의 제조
<음극 활물질의 제조>
황 함량이 2,008ppm인 석유계 코크스를 임팩트 밀을 이용해 분쇄하여 평균 입경(D50)이 10㎛인 분체를 수득한 것, 상기 분체를 수평식 조립기를 이용하여 2차 입자화한 것, 음극 활물질 내의 비정질 탄소 코팅층의 함량이 2중량%가 되도록 2차 입자 형태의 인조흑연 입자와 석유계 피치의 혼합 중량비를 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
상기에서 제조된 음극 활물질의 황 함량은 23.6ppm이었으며, 1차 인조흑연 입자의 평균 입경(D50)은 9㎛이었고, 음극 활물질의 평균 입경(D50)은 16.5㎛이고, XRD에 의해 측정된 d002는 0.3358nm이며, c축 방향의 결정자 크기 Lc는 73.1nm이며, BET 비표면적은 0.6m2/g이며, 탭 밀도는 1.05g/cc이고, 음극 활물질 내의 비정질 탄소 코팅층의 함량은 2중량%였다.
<열팽창 계수의 측정>
상기에서 제조된 음극 활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질의 열팽창 계수를 측정하였다.
혼합물 펠렛의 열팽창 계수: 110 × 10-6/K
피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수: 56 × 10-6/K
음극 활물질의 열팽창 계수: 116 × 10-6/K
실시예 4: 음극 활물질의 제조
<음극 활물질의 제조>
분체를 이용하여 복수의 1차 입자들이 결합된 2차 입자를 제조할 때, 수직식 조립기 대신 수평식 조립기를 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
상기에서 제조된 음극 활물질의 황 함량은 26.7ppm이었으며, 1차 인조흑연 입자의 평균 입경(D50)은 11㎛이었고, 음극 활물질의 평균 입경(D50)은 22.4㎛이고, XRD에 의해 측정된 d002는 0.3360nm이며, c축 방향의 결정자 크기 Lc는 64.1nm이며, BET 비표면적은 0.7m2/g이며, 탭 밀도는 0.89g/cc이고, 음극 활물질 내의 비정질 탄소 코팅층의 함량은 3중량%였다.
<열팽창 계수의 측정>
상기에서 제조된 음극 활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질의 열팽창 계수를 측정하였다.
혼합물 펠렛의 열팽창 계수: 123 × 10-6/K
피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수: 56 × 10-6/K
음극 활물질의 열팽창 계수: 약 130 × 10-6/K
비교예 1: 음극 활물질의 제조
<음극 활물질의 제조>
황 함량이 1,671ppm인 석유계 니들 코크스를 25℃/분의 승온 속도로 1,000℃까지 열처리한 후, 임팩트 밀을 이용해 분쇄하여 평균 입경(D50)이 10㎛인 분체를 수득하였다. 상기 분체와 석유계 핏치를 87:13의 중량비로 혼합하고, 수직식 조립기를 이용하여 불활성 가스(N2) 분위기에서 550℃에서 10시간 열처리하여 복수의 1차 입자들이 응집된 2차 입자를 제조하였다(평균 입경(D50): 22.8㎛).
다음으로 불활성 가스 분위기 하에 3,000℃에서 20 시간 이상 열처리하여 상기 2차 입자를 흑연화하여 2차 입자 형태의 인조흑연 입자를 제조하였다.
상기 2차 입자 형태의 인조흑연 입자 및 석유계 핏치를 혼합하고, 롤러 하스 킬른에서 1,300℃로 열처리하여 상기 2차 입자 상에 비정질 탄소 코팅층을 형성하였다.
상기에서 제조된 음극 활물질의 황 함량은 10ppm 미만이었으며, 1차 인조흑연 입자의 평균 입경(D50)은 10㎛이었고, 음극 활물질의 평균 입경(D50)은 21.8㎛이고, XRD에 의해 측정된 d002는 0.3361nm이며, c축 방향의 결정자 크기 Lc는 67.7nm이며, BET 비표면적은 0.7m2/g이며, 탭 밀도는 0.86g/cc이고, 음극 활물질 내의 비정질 탄소 코팅층의 함량은 3중량%였다.
<열팽창 계수의 측정>
상기에서 제조된 음극 활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질의 열팽창 계수를 측정하였다.
혼합물 펠렛의 열팽창 계수: 97 × 10-6/K
피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수: 56 × 10-6/K
음극 활물질의 열팽창 계수: 약 102 × 10-6/K
비교예 2: 음극 활물질의 제조
<음극 활물질의 제조>
황 함량이 1,513ppm인 석유계 니들 코크스를 임팩트 밀을 이용해 분쇄하여 평균 입경(D50)이 9㎛인 분체를 수득한 것, 코크스의 분쇄에 별도의 하소 공정(calcination)을 수행하지 않은 것, 상기 분체와 석유계 핏치를 90:10의 중량비로 혼합하고, 수직식 조립기를 이용하여 2차 입자를 조립한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
상기에서 제조된 음극 활물질의 황 함량은 12.2ppm이었으며, 1차 인조흑연 입자의 평균 입경(D50)은 9㎛이었고, 음극 활물질의 평균 입경(D50)은 13.4㎛이고, XRD에 의해 측정된 d002는 0.3359nm이며, c축 방향의 결정자 크기 Lc는 69.4nm이며, BET 비표면적은 0.9m2/g이며, 탭 밀도는 1.00g/cc이고, 음극 활물질 내의 비정질 탄소 코팅층의 함량은 3중량%였다.
<열팽창 계수의 측정>
상기에서 제조된 음극 활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질의 열팽창 계수를 측정하였다.
혼합물 펠렛의 열팽창 계수: 98 × 10-6/K
피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수: 56 × 10-6/K
음극 활물질의 열팽창 계수: 약 103 × 10-6/K
비교예 3: 음극 활물질의 제조
<음극 활물질의 제조>
황 함량이 1,236ppm인 석유계 니들 코크스를 사용한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
상기에서 제조된 음극 활물질의 황 함량은 10.8ppm이었으며, 1차 인조흑연 입자의 평균 입경(D50)은 10㎛이었고, 음극 활물질의 평균 입경(D50)은 15.6㎛이고, XRD에 의해 측정된 d002는 0.3357nm이며, c축 방향의 결정자 크기 Lc는 75.7nm이며, BET 비표면적은 0.8m2/g이며, 탭 밀도는 1.05g/cc이고, 음극 활물질 내의 비정질 탄소 코팅층의 함량은 3중량%였다.
<열팽창 계수의 측정>
상기에서 제조된 음극 활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질의 열팽창 계수를 측정하였다.
혼합물 펠렛의 열팽창 계수: 94 × 10-6/K
피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수: 56 × 10-6/K
음극 활물질의 열팽창 계수: 약 98 × 10-6/K
비교예 4: 음극 활물질의 제조
<음극 활물질의 제조>
황 함량이 4,000ppm 이상인 석유계 코크스를 임팩트 밀을 이용해 분쇄하여 평균 입경(D50)이 10㎛인 분체를 수득한 것, 2차 입자 형태의 인조흑연에 비정질 탄소 코팅층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
상기에서 제조된 음극 활물질의 황 함량은 64.0ppm이었으며, 1차 인조흑연 입자의 평균 입경(D50)은 10㎛이었고, 음극 활물질의 평균 입경(D50)은 15.2㎛이고, XRD에 의해 측정된 d002는 0.3371nm이며, c축 방향의 결정자 크기 Lc는 29nm이며, BET 비표면적은 0.9m2/g이며, 탭 밀도는 0.86g/cc이었다.
<열팽창 계수의 측정>
상기에서 제조된 음극 활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질의 열팽창 계수를 측정하였다.
혼합물 펠렛의 열팽창 계수: 158 × 10-6/K
피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수: 56 × 10-6/K
음극 활물질의 열팽창 계수: 약 169 × 10-6/K
2. 음극의 제조
실시예 1에서 제조된 음극 활물질, 도전재로서 카본블랙, 바인더로서 스티렌-부타디엔 고무, 및 증점제로서 카르복시메틸셀룰로오스를 95.3: 1.0: 1.2: 2.5의 중량비로 혼합하고, 물을 첨가하여 음극 슬러리를 제조하였다.
상기 음극 슬러리를 구리 음극 집전체(두께: 15㎛)에 도포하고, 약 130℃에서 8시간 동안 진공 건조 및 압연하여 음극 활물질층(두께: 84㎛)을 형성하여 실시예 1의 음극을 제조하였다. 이때 음극의 로딩은 3.6mAh/cm2이 되도록 제조하였다.
실시예 2~4, 비교예 1~4에서 제조된 음극 활물질을 각각 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 2~4, 비교예 1~4의 음극을 제조하였다.
실시예 및 비교예들의 음극의 배향지수는 (004)면과 (110)면을 XRD로 측정하고, 각각의 측정된 XRD 피크를 적분하여 얻어진 면적비 I(004)/I(110)로 얻어졌다.
음극 활물질 음극
열팽창 계수(×10-6/K) 황 함량(ppm) 1차 입자의 평균 입경(D50)(㎛) 음극 활물질의 평균 입경(D50)(㎛) d002(nm) Lc(nm) 비표면적(m2/g) 탭 밀도(g/cc) 배향지수
(I(004)/I(110))
실시예 1 136 29.4 11 19.4 0.3360 63.9 0.7 0.95 10.0
실시예 2 126 22.4 10 18.1 0.3359 66.7 0.7 1.03 12.2
실시예 3 116 23.6 9 16.5 0.3358 73.1 0.6 1.05 8.4
실시예 4 130 26.7 11 22.4 0.3360 64.1 0.7 0.89 7.4
비교예 1 102 < 10 10 21.8 0.3361 67.7 0.7 0.86 12.5
비교예 2 103 12.2 9 13.4 0.3359 69.4 0.9 1.00 11.2
비교예 3 98 10.8 10 15.6 0.3357 75.7 0.8 1.05 12.6
비교예 4 169 64.0 10 15.2 0.3371 29.0 0.9 0.86 5.1
실험예
실험예 1: 접착력 평가
실시예 1의 음극을 20mm×150mm의 크기로 타발하고, 25mm×75mm 슬라이드 글라스 중앙부에 양면 테이프를 사용하여 고정시킨 후, UTM(제조사: LLOYD Instrument LTD., 기기명: LF Plus)를 사용하여 음극 집전체로부터 음극 활물질층을 벗겨 내면서 90도 벗김 강도를 측정하였다. 실시예 1의 음극을 동일한 것으로 5개 준비하여, 동일한 방법으로 5회의 90도 벗김 강도를 측정하였으며, 이의 평균 값을 실시예 1의 음극의 접착력(단위: gf/10mm)으로 하였다.
실시예 1의 경우와 동일한 방법으로 실시예 2 내지 4, 비교예 1 내지 4의 90도 벗김 강도를 측정하였다.
실험예 2: 방전 용량 및 초기 효율 평가
<이차전지의 제조>
양극으로서 리튬 금속 대극을 준비하였다.
실시예 1~4, 비교예 1~4에서 제조된 각각의 음극과 양극 사이에 폴리올레핀 분리막을 개재시킨 후, 전해액을 주입하여 실시예 및 비교예들의 이차전지를 제조하였다. 상기 전해액은 에틸렌 카보네이트(EC)와 에틸 메틸 카보네이트(EMC)를 2:8의 부피비로 혼합한 비수 전해액 용매에 비닐렌 카보네이트(VC)를 용매에 대하여 0.5중량%로 첨가하고, LiPF6를 1M로 용해시킨 것을 사용하였다.
<초기 방전 용량 및 초기 효율 평가>
상기에서 제조된 실시예 및 비교예들의 이차전지에 대하여 충전 용량 및 방전 용량을 측정하고, 아래와 같은 식에 의해 초기 효율을 계산하여 그 결과를 표 2에 나타내었다. 충전 및 방전 조건은 아래와 같다.
충전 조건: CCCV 모드, 0.1C 충전, 5mV 및 1/200C에서 cut-off
방전 조건: CC 모드, 0.1C 방전, 1.5V cut-off
초기 효율= (1번째 사이클에서의 방전 용량/충전 용량) × 100
실험예 1 실험예 2
접착력(단위: gf/10mm) 방전 용량(mAh/g) 초기 효율(%)
실시예 1 18 350 93.0
실시예 2 17 350 93.0
실시예 3 19 353 93.1
실시예 4 16 350 93.0
비교예 1 13 350 93.0
비교예 2 10 350 92.7
비교예 3 13 353 93.0
비교예 4 22 329 92.4
표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 4의 음극 활물질을 포함하는 음극 및 이차전지는 전극 접착력이 우수하면서도, 초기 효율과 방전 용량이 모두 향상된 것을 확인할 수 있다.
비교예 1 내지 3의 음극 활물질의 경우, 음극 활물질의 열팽창 계수가 낮고, 이에 따라 2차 입자 형태의 인조흑연 입자의 표면이 매끄럽지 못하고, 접착력이 매우 낮은 것을 확인할 수 있다.
또한, 비교예 4의 경우, 음극 활물질의 열팽창 계수가 지나치게 커 방전 용량이 매우 낮고, 초기 효율이 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
실험예 3: 수명 특성 평가
<이차전지의 제조>
양극 활물질로서 Li[Ni0.6Mn0.2Co0.2]O2, 도전재로서 카본 블랙, 바인더로서 PVdF를 94:4:2의 중량비로 혼합하고, 용매로서 N-메틸피롤리돈을 첨가하여 양극 슬러리를 제조하고, 이를 상기 양극 슬러리를 알루미늄 호일에 도포하고, 약 130℃에서 8시간 동안 진공 건조 및 압연하여 양극을 제조하였다. 이때 양극의 로딩은 3.34mAh/cm2이 되도록 제조하였다.
실시예 1~4, 비교예 1~2에서 제조된 각각의 음극과 양극 사이에 폴리올레핀 분리막을 개재시킨 후, 전해액을 주입하여 실시예 및 비교예들의 이차전지를 제조하였다. 상기 전해액은 에틸렌 카보네이트(EC)와 에틸 메틸 카보네이트(EMC)를 2:8의 부피비로 혼합한 비수 전해액 용매에 비닐렌 카보네이트(VC)를 용매에 대하여 0.5중량%로 첨가하고, LiPF6를 1M로 용해시킨 것을 사용하였다.
<사이클 용량 유지율 평가>
실시예 1~4, 비교예 1~2의 이차전지에 대해 45℃에서의 300 사이클 용량 유지율을 평가하였다.
구체적으로, 실시예 1~4 및 비교예 1~2의 이차전지를 충전(CC/CV 모드, 1.0C 충전, 4.2V, 0.05C에서 cut-off) 및 방전(CC 모드, 1.0C 방전, 3.0V에서 cut-off)조건으로 300번째 사이클까지 충전 및 방전을 수행하였다.
300 사이클 용량 유지율은 아래 식으로 평가되었으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다.
300 사이클 용량 유지율(%) = {(300번째 사이클에서의 방전 용량)/(첫번째 사이클에서의 방전 용량)} × 100
300 사이클 용량 유지율(%)
실시예 1 90.0
실시예 2 89.8
실시예 3 90.1
실시예 4 89.5
비교예 1 85.7
비교예 2 79.9
표 3을 참조하면, 음극 활물질의 열팽창 계수가 본 발명 범위를 만족하는 실시예 1 내지 4의 이차전지는 그렇지 않은 비교예 1, 2의 이차전지에 비해 현저히 향상된 용량 유지율을 나타냄을 확인할 수 있다.

Claims (14)

  1. 복수의 1차 인조흑연 입자가 결합된 2차 입자 형태인 인조흑연 입자를 포함하며,
    하기 단계를 포함하는 방법에 의해 측정된 열팽창 계수가 108 × 10-6/K 내지 150 × 10-6/K인 음극 활물질:
    (a) 상기 음극 활물질 및 피치 바인더를 90:10의 중량비로 혼합하고, 1.5g/cc 내지 2.0g/cc의 밀도를 갖는 혼합물 펠렛을 제조하는 단계;
    (b) 상기 혼합물 펠렛을 열기계 분석하여 상기 혼합물 펠렛의 열팽창 계수를 얻는 단계;
    (c) 상기 피치 바인더를 1.5g/cc 내지 2.0g/cc의 밀도를 갖는 피치 바인더 펠렛으로 제조하고, 열기계 분석하여 상기 피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수를 얻는 단계; 및
    (d) 하기 수학식 1을 통해 상기 음극 활물질의 열팽창 계수를 얻는 단계:
    [수학식 1]
    A = {C - (B × 0.1)}/0.9
    상기 수학식 1에서 A는 음극 활물질의 열팽창 계수이고, B는 피치 바인더 펠렛의 열팽창 계수이고, C는 혼합물 펠렛의 열팽창 계수이다.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 1차 인조흑연 입자의 평균 입경(D50)은 5㎛ 내지 15㎛인 음극 활물질.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 2차 입자 형태의 인조흑연 입자의 XRD에 의한 (002) 면의 면각격 d002가 0.3357nm 내지 0.3361nm인 음극 활물질.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 음극 활물질의 BET 비표면적은 0.3m2/g 내지 2.5m2/g인 음극 활물질.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 인조흑연 입자의 c축 방향의 결정자 크기 Lc는 45nm 내지 75nm인 음극 활물질.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 음극 활물질은 상기 1차 인조흑연 입자에 분포된 황을 15ppm 내지 40ppm으로 포함하는 음극 활물질
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 음극 활물질의 탭 밀도는 0.88g/cc 내지 1.20g/cc인 음극 활물질.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 음극 활물질의 평균 입경(D50)은 10㎛ 내지 30㎛인 음극 활물질.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 인조흑연 입자 상에 위치하는 탄소 코팅층을 더 포함하는 음극 활물질.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 탄소 코팅층은 상기 음극 활물질 내에 0.1중량% 내지 5중량%로 포함되는 음극 활물질.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 탄소 코팅층은 비정질 탄소를 포함하는 음극 활물질.
  12. 음극 집전체; 및
    상기 음극 집전체 상에 배치된 음극 활물질층;을 포함하고,
    상기 음극 활물질층은 청구항 1에 따른 음극 활물질을 포함하는 음극.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 음극의 X선 회절 분석 시 면적비 I(004)/I(110)는 7 내지 14인 음극.
  14. 청구항 12에 따른 음극;
    상기 음극에 대향하는 양극;
    상기 음극 및 상기 양극 사이에 개재되는 분리막; 및
    전해질;을 포함하는 이차전지.
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