KR20220076640A - Negative electrode and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로, 본 발명의 음극은, 흑연을 포함하는 코어 및 상기 코어 상에 배치된 비정질 탄소를 포함하는 쉘로 이루어진 음극 재료를 포함하고, 상기 비정질 탄소의 함량은, 상기 음극 재료의 총 중량을 기준으로 1 내지 10 중량% 이며, 전리튬화된 음극이다. The present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery comprising the same, wherein the negative electrode of the present invention includes a negative electrode material comprising a core containing graphite and a shell containing amorphous carbon disposed on the core, The content of amorphous carbon is 1 to 10% by weight based on the total weight of the negative electrode material, and is a prelithiated negative electrode.
Description
본 발명은 리튬 이차전지용 음극 및 리튬 이차전지에 관한 것으로, 구체적으로는 급속충전 성능 및 초기 효율이 우수한 리튬 이차전지용 음극 및 리튬 이차전지에 관한 것이다. The present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery, and more particularly, to an anode for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery having excellent fast charging performance and initial efficiency.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.As technology development and demand for mobile devices increase, the demand for secondary batteries as an energy source is rapidly increasing. Among such secondary batteries, lithium secondary batteries exhibiting high energy density and operating potential, long cycle life, and low self-discharge rate. Batteries have been commercialized and widely used.
상기 이차전지는 음극으로 종래 리튬 금속이 사용되었으나, 덴드라이트(dendrite) 형성에 따른 전지 단락과, 이에 의한 폭발의 위험성이 문제가 되면서, 가역적인 리튬이온의 삽입(intercalation) 및 탈리가 가능하고, 구조적 및 전기적 성질을 유지하는 탄소계 활물질의 사용 대두되고 있다.The secondary battery has conventionally used lithium metal as the negative electrode, but as the battery short-circuit due to the formation of dendrites and the risk of explosion due to this become a problem, reversible intercalation and desorption of lithium ions are possible, The use of carbon-based active materials that maintain structural and electrical properties is emerging.
상기 탄소계 활물질로는 인조흑연, 천연흑연, 하드 카본 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, 저렴한 비용, 구조적 안정성, 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.As the carbon-based active material, various types of carbon-based materials such as artificial graphite, natural graphite, and hard carbon have been applied. have. Since the graphite-based active material has a low cost, structural stability, and a discharge voltage as low as -0.2V compared to lithium, a battery using the graphite-based active material can exhibit a high discharge voltage of 3.6V, so it is a lot in terms of energy density of lithium batteries. provides advantages.
그러나, 흑연은 복잡한 고체 전해질 계면(solid electrolyte interphase, SEI) 형성 및 부피 팽창으로 인한 문제가 발생하고 있다. 리튬 이온화된 탄소 전극, 전해질 및 바인더 사이의 물리적인 장벽을 나타내는 SEI 층은 비가역적인 전하 손실을 초래할 뿐만 아니라, 리튬 이차전지의 장기 사이클 안정성에도 영향을 미칠 수 있다. However, graphite has problems due to the formation of complex solid electrolyte interphase (SEI) and volume expansion. The SEI layer, which represents a physical barrier between the lithium ionized carbon electrode, the electrolyte, and the binder, not only causes irreversible charge loss, but can also affect the long-term cycle stability of the lithium secondary battery.
흑연은 자연에서 생성되어 채굴되는 천연흑연과 석탄계 및 석유계 피치 등을 2,500 이상으로 열처리하여 제조되는 인조흑연이 있다. 천연흑연은 인조흑연에 비해 흑연화도가 높고 저가이며, 높은 리튬이온 저장용량을 나타낸다. 반면 인조흑연은, 장기 수명과 고출력 특성이 요구되는 제품에 여전히 사용되고 있다. Graphite is produced in nature and mined from natural graphite, coal-based and petroleum-based pitch, etc. There is artificial graphite manufactured by heat treatment as described above. Compared to artificial graphite, natural graphite has a high degree of graphitization, is low cost, and exhibits high lithium ion storage capacity. On the other hand, artificial graphite is still used in products requiring long life and high output characteristics.
한편, 이러한 흑연계 음극 재료에 있어서, 급속 충전 성능을 향상시키기 위해, 흑연 표면에 비정질 탄소로 코팅된 흑연계 음극 재료가 검토되고 있는데, 이 같은 음극 재료는, 표면의 비정질 탄소층으로 인해 초기 비가역 용량 손실이 많아 초기 효율이 떨어지는 문제가 있을 수 있다.On the other hand, in this graphite-based negative electrode material, in order to improve the fast charging performance, a graphite-based negative electrode material coated with amorphous carbon on the graphite surface is being studied, and such a negative electrode material is initially irreversible due to the surface amorphous carbon layer There may be a problem that the initial efficiency is lowered due to a large capacity loss.
한국공개특허 10-2019-0117633호는 음극의 초기 비가역 용량손실을 최소화하기 위해 리튬 이차전지의 제작 전에 전리튬화를 실시하여 초기 비가역을 감소시키는 기술을 개시하고 있다. 그러나 상기 문헌은, 흑연을 코어로 하는 음극 재료에 관한 것이 아니고, 급속 충전 성능 향상 효과를 언급하고 있지 않다. Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2019-0117633 discloses a technique for reducing initial irreversibility by performing prelithiation before manufacturing a lithium secondary battery in order to minimize the initial irreversible capacity loss of the negative electrode. However, the said document does not relate to the negative electrode material which has graphite as a core, and does not mention the effect of improving rapid charging performance.
이에 급속 충전 성능을 향상시키면서도, 초기 효율의 저하를 방지하는 기술 개발이 필요한 실정이다. Accordingly, there is a need to develop a technology for improving the fast charging performance and preventing a decrease in initial efficiency.
본 발명은 급속 충전 성능을 향상시키면서도, 수명 특성 및 압연 성능이 우수한 음극과 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an anode having excellent lifespan characteristics and rolling performance while improving fast charging performance, and a lithium secondary battery including the same.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극은, 흑연을 포함하는 코어 및 상기 코어 상에 배치된 비정질 탄소를 포함하는 쉘로 이루어진 음극 재료를 포함하고, 상기 비정질 탄소의 함량은, 상기 음극 재료의 총 중량을 기준으로 1 내지 10 중량% 이며, 전리튬화된 음극이다.The negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention includes a negative electrode material consisting of a core containing graphite and a shell containing amorphous carbon disposed on the core, and the content of the amorphous carbon is based on the total weight of the negative electrode material 1 to 10% by weight, and it is a pre-lithiated negative electrode.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 비정질 탄소는 상기 음극 재료의 총 중량을 기준으로 1.5 내지 7 중량%로 포함된다.In an embodiment of the present invention, the amorphous carbon is included in an amount of 1.5 to 7% by weight based on the total weight of the negative electrode material.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 음극 재료는, 하나 이상의 1차 입자가 응집되어 형성된 2차 입자를 포함한다. In one embodiment of the present invention, the negative electrode material includes secondary particles formed by agglomeration of one or more primary particles.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 음극 재료의 흑연은, 천연흑연일 수 있다. In an embodiment of the present invention, the graphite of the negative electrode material may be natural graphite.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 음극 재료의 흑연은, 인조흑연일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the graphite of the negative electrode material may be artificial graphite.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 음극 재료는 평균 입경(D50)이 7 내지 20㎛인 구형 또는 유사 구형 입자이다. In an embodiment of the present invention, the negative electrode material is a spherical or similar spherical particle having an average particle diameter (D 50 ) of 7 to 20 μm.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명의 음극은, 상기 음극 재료 외에 추가로 미코팅 흑연을 더 포함하고, 집전체 상에 배치된 제 1 음극활물질층의 제 1 음극활물질은 미코팅 흑연으로 구성되고, 상기 제 1 음극활물질층 상에 배치된 제 2 음극활물질층의 제 2 음극활물질은 상기 음극 재료로 구성된 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the negative electrode of the present invention further comprises uncoated graphite in addition to the negative electrode material, and the first negative active material of the first negative active material layer disposed on the current collector is composed of uncoated graphite and the second anode active material of the second anode active material layer disposed on the first anode active material layer may be composed of the anode material.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 미코팅 흑연과 상기 음극재료의 중량비는, 음극활물질 총 중량을 기준으로 4:6 내지 6:4이다. In one embodiment of the present invention, the weight ratio of the uncoated graphite to the negative electrode material is 4:6 to 6:4 based on the total weight of the negative electrode active material.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 미코팅 흑연의 평균 입경(D50)은 10㎛ 내지 22㎛이다. In one embodiment of the present invention, the average particle diameter (D 50 ) of the uncoated graphite is 10㎛ to 22㎛.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 미코팅 흑연은 인조흑연이다.In one embodiment of the present invention, the uncoated graphite is artificial graphite.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 음극은 0.5 내지 5중량%의 바인더를 포함한다.In one embodiment of the present invention, the negative electrode includes 0.5 to 5% by weight of the binder.
또한 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 상기 음극을 포함한다. In addition, the lithium secondary battery according to the present invention includes the negative electrode.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극은, 음극활물질로서 흑연을 포함하는 코어 및 상기 코어 상에 배치된 비정질 탄소를 포함하는 쉘로 이루어진 음극 재료를 채용해 급속 충전 성능을 향상시키고, 전리튬화 기술을 적용함으로써 초기 효율 이 개선되고, 음극 재료에 포함되는 비정질 탄소의 함량을 최적화하여 우수한 수명 특성을 나타낸다. The negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention improves rapid charging performance by adopting a negative electrode material consisting of a core containing graphite as an anode active material and a shell containing amorphous carbon disposed on the core, and applying pre-lithiation technology This improves the initial efficiency and optimizes the content of amorphous carbon contained in the anode material to exhibit excellent lifespan characteristics.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 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.Hereinafter, the present invention will be described in detail. Prior to this, the terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to conventional or dictionary meanings, and the inventor should properly understand the concept of the term in order to best describe his invention. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined in
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or a combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It is to be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. Also, when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” another part, it includes not only the case where the other part is “directly on” but also the case where there is another part in between. Conversely, when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “under” another part, it includes not only cases where it is “directly under” another part, but also cases where another part is in between.
이하 본 발명에 대해 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극은, 흑연을 포함하는 코어 및 상기 코어 상에 배치된 비정질 탄소를 포함하는 쉘로 이루어진 음극 재료를 포함하고, 상기 비정질 탄소의 함량은, 상기 음극 재료의 총 중량을 기준으로 1 내지 10 중량% 이며, 전리튬화된 리튬 이차전지용 음극이다. The negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention includes a negative electrode material consisting of a core containing graphite and a shell containing amorphous carbon disposed on the core, and the content of the amorphous carbon is based on the total weight of the negative electrode material 1 to 10% by weight, and is an anode for a lithium secondary battery that has been pre-lithiated.
본 발명의 발명자들은, 본 발명의 음극 재료에 포함되는 비정질 탄소로 인한 초기 비가역 용량의 손실은 전리튬화에 의해 보상이 가능하나, 상기 비정질 탄소의 함량이 일정 수준 이상일 경우에는 압연 성능에 부정적 영향을 미칠 수 있으므로, 본 발명의 음극 재료에 포함되는 비정질 탄소의 함량을 최적화하여 전극 밀도가 우수한 음극을 개발하였다. The inventors of the present invention, the loss of initial irreversible capacity due to the amorphous carbon contained in the negative electrode material of the present invention can be compensated for by prelithiation, but when the content of the amorphous carbon is above a certain level, the rolling performance is negatively affected Therefore, an anode having excellent electrode density was developed by optimizing the content of amorphous carbon included in the anode material of the present invention.
본 발명의 음극 재료는, 흑연을 포함하는 코어 및 상기 코어 상에 배치된 비정질 탄소를 포함하는 쉘로 이루어져 있고, 쉘을 구성하는 비정질 탄소의 함량은 음극 재료 총 중량을 기준으로 1 내지 10중량 %, 바람직하게는 1.5 내지 7 중량%, 더욱 바람직하게는 2 내지 5 중량% 이다. 비정질 탄소의 함량이 상기 수치 범위 내일 때, 압연 성능 및 급속 충전 성능이 우수한 효과가 있다. The negative electrode material of the present invention consists of a core containing graphite and a shell containing amorphous carbon disposed on the core, and the content of the amorphous carbon constituting the shell is 1 to 10% by weight based on the total weight of the negative electrode material, Preferably it is 1.5 to 7 weight%, More preferably, it is 2 to 5 weight%. When the content of the amorphous carbon is within the above numerical range, there is an excellent effect of rolling performance and rapid charging performance.
본 발명의 음극 재료는, 흑연 코어 상에 비정질 탄소 재료가 배치되어 쉘을 구성하는 탄소재로, 본 명세서에서 "배치된"은 하나의 구성요소를 다른 구성요소(에 부착 또는 그 위에 두는 것을 포함하는) 옆에 또는 인접하게 두는 임의의 방법을 나타내도록 사용되었다. 상기 음극 재료는 복합체일 수 있고 단일체일 수도 있다. 여기서 복합체란 일 요소와 다른 요소가 복합화된 것을 의미하고, 단일체란 단일 요소로 이루어진 것으로, 단일 요소는 동일한 성분으로 이루어졌으나, 표면 개질과 같은 처리를 통해 일 부분에 있어서 기계적 물성 또는 화학적 물성에 변화가 있음을 나타낸다. The negative electrode material of the present invention is a carbon material in which an amorphous carbon material is disposed on a graphite core to constitute a shell, and “disposed” herein includes attaching one component to (or placing it on) another component ) is used to indicate any method of placing next to or adjacent to. The negative electrode material may be a composite or a single body. Here, the composite means that one element and another element are complexed, and the single element is made up of a single element, and the single element is made of the same component, but changes in mechanical properties or chemical properties in one part through a treatment such as surface modification indicates that there is
본 발명의 음극 재료의 코어를 구성하는 흑연은, 천연흑연, 인조흑연, 또는 이들의 혼합 물질을 포함할 수 있다. The graphite constituting the core of the anode material of the present invention may include natural graphite, artificial graphite, or a mixture thereof.
상기 천연흑연은 인편상의 천연흑연 입자가 개질되어 형성된 구형 또는 구형에 가까운 천연흑연일 수 있다. 구체적으로, 상기 천연흑연은 상기 인편상 천연흑연 입자가 뭉쳐서 형성된 것일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 천연흑연은 인편상의 천연흑연 입자가 기계적 공정을 거쳐 말리거나 마모되어 형성될 수 있다.The natural graphite may be spherical or near-spherical natural graphite formed by modifying flaky natural graphite particles. Specifically, the natural graphite may be formed by agglomeration of the flaky natural graphite particles. More specifically, the natural graphite may be formed by drying or abrading natural graphite particles in the form of scales through a mechanical process.
상기 인조흑연은 블록 흑연화 인조 흑연, 분체 흑연화 인조 흑연 또는 이들의 혼합물일 수 있다.The artificial graphite may be block graphitized artificial graphite, powder graphitized artificial graphite, or a mixture thereof.
상기 블록 흑연화 인조흑연은 흑연으로 이루어진 복수의 1차 입자(initial particle)가 집합 또는 결합하여 구형의 2차 입자(secondary paricles)구조를 가지게 된 것을 의미한다. 이때, 상기 2차 입자구조는 상기 복수의 1차 입자가 서로 비평행적으로 집합, 결합 또는 조립화된 것일 수 있다.The block graphitized artificial graphite means that a plurality of primary particles made of graphite are aggregated or combined to have a spherical secondary particle structure. In this case, the secondary particle structure may be one in which the plurality of primary particles are aggregated, combined, or assembled non-parallel to each other.
상기 블록 흑연화 인조흑연의 1차 입자는 니들 코크스(needle cokes), 모자이크 코크스(mosaic cokes) 및 콜타르 피치(coaltar pitch)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 탄소 원료를 소성하여 결정화시킨 인조 흑연일 수 있고, 구체적으로 비침상의 석유계/석탄계 피치 코크스, 수지계 피치를 원료로 해서 합성된 등방성 또는 이방성의 결정 구조를 갖는 것일 수 있다.The primary particles of the block graphitized artificial graphite may be artificial graphite crystallized by calcining one or more carbon raw materials selected from the group consisting of needle cokes, mosaic cokes and coal tar pitch. and specifically, may have an isotropic or anisotropic crystal structure synthesized using non-acicular petroleum/coal-based pitch coke or resin-based pitch as a raw material.
상기 블록 흑연화 인조흑연은 리튬 이차전지의 음극 활물질에 적용시, 활성화시의 비가역 용량이 적고, 급속 방전 특성이 우수하며, 사이클 특성이 우수하다. 상기 블록 흑연화 인조흑연은 상기 2차 입자구조 내에 공극을 가지는 것일 수 있다.When the block graphitized artificial graphite is applied to the negative active material of a lithium secondary battery, the irreversible capacity at the time of activation is small, the rapid discharge characteristic is excellent, and the cycle characteristic is excellent. The block graphitized artificial graphite may have voids in the secondary particle structure.
상기 분체(분말, powder) 흑연화 인조흑연은 흑연으로 이루어진 복수의 1차 입자가 집합, 결합 또는 조립화되어 있는 것으로, 괴상(塊狀)을 이루는 것일 수 있다. 상기 분체 흑연화 인조흑연의 1차 입자는 니들 코크스(needle cokes), 모자이크 코크스(mosaic cokes) 및 콜타르 피치(coaltar pitch)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 탄소 원료를 소성하여 결정화시킨 인조 흑연일 수 있고, 구체적으로 비침상의 석유계/석탄계 피치 코크스, 수지계 피치를 원료로 해서 합성된 등방성 또는 이방성의 결정 구조를 갖는 것일 수 있으며, 높은 결정성을 갖는 것일 수 있다. 상기 분체 흑연화 인조흑연은 내부에 미세 공극을 가지는 것일 수 있고, 상기 미세 공극에 의하여 우수한 압연성, 전해액 함침성을 가질 수 있다.The powder (powder) graphitized artificial graphite is a plurality of primary particles made of graphite are aggregated, combined, or granulated, and may form a mass. The primary particles of the powder graphitized artificial graphite may be artificial graphite crystallized by calcining at least one carbon raw material selected from the group consisting of needle cokes, mosaic cokes, and coal tar pitch. and specifically, may have an isotropic or anisotropic crystal structure synthesized using non-acicular petroleum/coal-based pitch coke or resin-based pitch as a raw material, and may have high crystallinity. The powder graphitized artificial graphite may have micropores therein, and may have excellent rollability and electrolyte impregnation property due to the micropores.
본 발명의 명세서에서 사용되는 용어 "1차 입자"는 어떤 입자로부터 다른 종류의 입자가 형성될 때 원래의 입자를 의미하며, 복수의 1차 입자가 집합, 결합 또는 조립화하여 2차 입자를 형성할 수 있다.As used herein, the term “primary particle” refers to an original particle when a different type of particle is formed from a certain particle, and a plurality of primary particles are aggregated, combined, or granulated to form secondary particles. can do.
본 발명에서 사용되는 용어 "2차 입자"는 개개의 1차 입자가 집합, 결합 또는 조립화하여 형성된, 물리적으로 분별할 수 있는 큰 입자를 의미한다.As used herein, the term “secondary particles” refers to physically separable large particles formed by aggregation, bonding, or granulation of individual primary particles.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 상기 음극 재료는 미피복 인조흑연에 비정질 탄소 재료가 코팅된 것일 수 있다. 인조흑연에 대한 탄소 코팅은, 균일한 SEI 층 형성 및 부피 팽창을 막아주는 역할을 하며, 리튬 이차전지에서 충방전 성능을 향상시키는데 효과적임이 알려져 있기는 하나, 본 발명의 비정질 탄소 코팅층은, 인조흑연 입자에 있어 리튬 이온의 출입을 용이하게 하고, 리튬 이온의 전하 이동저항을 낮추는 효과를 가질 수 있고, 천연흑연 등 다른 탄소계 입자에 비해 구조적 안정성을 향상시킬 수 있으며, 전지의 급속 충전 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the negative electrode material may be an amorphous carbon material coated on uncoated artificial graphite. Carbon coating on artificial graphite serves to prevent uniform SEI layer formation and volume expansion, and is known to be effective in improving charge and discharge performance in lithium secondary batteries, but the amorphous carbon coating layer of the present invention is artificial graphite It can facilitate the entry and exit of lithium ions in the particles, can have the effect of lowering the charge transfer resistance of lithium ions, can improve structural stability compared to other carbon-based particles such as natural graphite, and further improve the fast charging performance of the battery. can be improved
상기 비정질 탄소 코팅층은 비정질 탄소를 포함할 수 있으며, 구체적으로 소프트카본 및 하드카본으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는 소프트 카본을 포함할 수 있다. The amorphous carbon coating layer may include amorphous carbon, specifically, may include at least one selected from the group consisting of soft carbon and hard carbon, and may preferably include soft carbon.
상기 비정질 탄소 코팅층은 피치, 레이온 및 폴리아크릴로니트릴계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질 또는 상기 물질의 전구체를 상기 인조흑연 입자 표면에 제공한 후, 이를 열분해함으로써 형성될 수 있다. 상기 비정질 탄소 코팅층을 형성하기 위한 열처리 공정은 1000℃ 내지 4000℃의 온도 범위에서 실시할 수 있다. 이 때 상기 열처리 공정을 1000℃ 미만에서 실시하는 경우, 균일한 탄소 코팅층 형성이 어려울 수 있고, 4000℃ 초과하는 온도에서 실시하는 경우, 공정 과정에서 탄소 코팅층이 과다하게 형성되는 문제가 있다. The amorphous carbon coating layer may be formed by providing one or more materials selected from the group consisting of pitch, rayon, and polyacrylonitrile-based resins or a precursor of the materials to the surface of the artificial graphite particles, and then pyrolyzing them. The heat treatment process for forming the amorphous carbon coating layer may be performed in a temperature range of 1000°C to 4000°C. At this time, when the heat treatment process is carried out at less than 1000°C, it may be difficult to form a uniform carbon coating layer, and when it is carried out at a temperature exceeding 4000°C, there is a problem in that the carbon coating layer is excessively formed during the process.
본 발명의 음극 재료는, 구형 또는 유사 구형 입자로서, 평균 입경(D10)이 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 구체적으로 5 ㎛ 내지 15 ㎛, 더욱 구체적으로 8 ㎛ 내지 12 ㎛일 수 있고, 평균입경(D50)이 7 ㎛ 내지 30 ㎛, 구체적으로 10 ㎛ 내지 25 ㎛, 더욱 구체적으로 15 ㎛ 내지 22 ㎛일 수 있으며, 평균입경(D90)이 20 ㎛ 내지 45 ㎛, 구체적으로 25 ㎛ 내지 40 ㎛, 더욱 구체적으로 30 ㎛ 내지 36 ㎛일 수 있으며, 최대 입경(Dmax)이 75㎛ 이하일 수 있다.The negative electrode material of the present invention is a spherical or similar spherical particle, and may have an average particle diameter (D 10 ) of 1 μm to 20 μm, specifically 5 μm to 15 μm, more specifically 8 μm to 12 μm, and the average particle diameter ( D 50 ) may be 7 µm to 30 µm, specifically 10 µm to 25 µm, more specifically 15 µm to 22 µm, and the average particle diameter (D 90 ) is 20 µm to 45 µm, specifically 25 µm to 40 µm , more specifically, may be 30 μm to 36 μm, and the maximum particle diameter (D max ) may be 75 μm or less.
상기 음극 재료가 상기 범위의 평균입경(D10), 평균입경(D50) 및 평균입경(D90)을 만족할 경우, 우수한 출력과 초기 효율을 적절히 조화시킬 수 있고, 우수한 탭 밀도를 나타내며, 전극 코팅시 우수한 로딩량을 나타낼 수 있다.When the negative electrode material satisfies the average particle diameter (D 10 ), average particle diameter (D 50 ) and average particle diameter (D 90 ) in the above ranges, excellent output and initial efficiency can be properly balanced, and excellent tap density is exhibited, and the electrode An excellent loading amount can be exhibited at the time of coating.
상기 음극 재료의 입경이 지나치게 작으면 비표면적 증가에 따른 초기 효율 감소 문제가 발생할 수 있고, 상기 인조 흑연이 입경이 지나치게 크면 초기 효율은 증가하지만 출력 특성 및 분산 안정성이 저해될 수 있다. 따라서, 상기 인조 흑연은 상기 범위의 평균입경(D10), 평균입경(D50) 및 평균입경(D90)을 만족하여 출력 특성과 초기 효율을 적절히 조화시킬 수 있다.If the particle diameter of the negative electrode material is too small, a problem of a decrease in initial efficiency may occur due to an increase in specific surface area, and if the particle diameter of the artificial graphite is excessively large, the initial efficiency may increase, but output characteristics and dispersion stability may be impaired. Accordingly, the artificial graphite satisfies the average particle diameter (D 10 ), the average particle diameter (D 50 ), and the average particle diameter (D 90 ) in the above ranges, so that the output characteristics and the initial efficiency can be appropriately harmonized.
본 발명에 있어서, 상기 평균입경(D10)은 입경 분포의 10% 기준에서의 입경으로 정의할 수 있고, 평균입경(D50)은 입경 분포의 50% 기준에서의 입경으로 정의할 수 있으며, 평균입경(D90)은 입경 분포의 90% 기준에서의 입경으로 정의할 수 있으며, 최대 입경(Dmax)은 입경 분포의 최대값 기준에서의 입경으로 정의할 수 있다. 상기 평균입경은 특별히 제한되지 않지만, 예컨대 레이저 회절법(laser diffraction method) 또는 주사전자현미경(SEM) 사진을 이용하여 측정할 수 있다. 상기 레이저 회절법은 일반적으로 서브미크론(submicron) 영역에서부터 수 mm 정도의 입경의 측정이 가능하며, 고 재현성 및 고 분해성을 가지는 결과를 얻을 수 있다.In the present invention, the average particle diameter (D 10 ) may be defined as a particle size based on 10% of the particle size distribution, and the average particle size (D 50 ) may be defined as a particle size based on 50% of the particle size distribution, The average particle size (D 90 ) may be defined as a particle size based on 90% of the particle size distribution, and the maximum particle size (D max ) may be defined as a particle size based on the maximum value of the particle size distribution. The average particle diameter is not particularly limited, but may be measured using, for example, a laser diffraction method or a scanning electron microscope (SEM) photograph. In general, the laser diffraction method can measure a particle diameter of several mm from a submicron region, and can obtain a result having high reproducibility and high resolution.
이와 같은 본 발명의 음극 재료의 이론 용량은 340mAh/g 이상, 바람직하게는 345 내지 360 mAh/g, 더욱 바람직하게는 348 내지 355mAh/g일 수 있다.The theoretical capacity of the negative electrode material of the present invention as described above may be 340 mAh/g or more, preferably 345 to 360 mAh/g, and more preferably 348 to 355 mAh/g.
하나의 구체적 예에서, 본 발명의 음극은, 2층의 다층 구조일 수 있고, 음극활물질로서 상기 음극 재료에 추가로 미코팅 흑연을 더 포함할 수 있다. 2층 구조의 음극은, 집전체 상에 배치된 제 1 음극활물질층 및 상기 제 2 음극활물질층 상에 배치된 제 2 음극활물질층을 포함하는 구조이고, 상기 제 1 음극활물질층의 제 1 음극활물질은 미코팅 흑연으로 구성하고, 제 2 음극활물질층의 제 2 음극활물질은 전술한 음극 재료인 비정질 탄소가 코팅된 흑연으로 구성한 것이다. In one specific example, the negative electrode of the present invention may have a multilayer structure of two layers, and may further include uncoated graphite in addition to the negative electrode material as an anode active material. The anode of the two-layer structure has a structure including a first anode active material layer disposed on a current collector and a second anode active material layer disposed on the second anode active material layer, and the first anode of the first anode active material layer The active material is composed of uncoated graphite, and the second negative active material of the second negative electrode active material layer is composed of graphite coated with amorphous carbon, which is the above-described negative electrode material.
제 1 음극활물질층을 미코팅 흑연으로 구성하여 고로딩 전극의 제조를 용이하게 하고, 양극으로부터 가까운 거리에 있는 제 2 음극활물질층을 비정질 탄소가 코팅된 흑연으로 구성함으로써, 양극으로부터 방출되는 리튬 이온이 음극의 제 2 음극활물질층에 빠르게 흡장되어 급속 충전 성능이 향상되고, 제 2 음극활물질층에 흡장된 리튬 이온이 제 1 음극활물질층에 전달되어 제 1 음극활물질층과 제 2 음극활물질층에 리튬 이온이 고르게 분포되도록 하는 효과를 기대할 수 있다. Lithium ions emitted from the positive electrode by composing the first negative electrode active material layer with uncoated graphite to facilitate the manufacture of the high-loading electrode, and by configuring the second negative electrode active material layer close to the positive electrode with graphite coated with amorphous carbon It is quickly occluded in the second anode active material layer of the anode to improve the fast charging performance, and lithium ions stored in the second anode active material layer are transferred to the first anode active material layer to form the first anode active material layer and the second anode active material layer. The effect of allowing lithium ions to be evenly distributed can be expected.
하나의 구체적 예에서, 상기 음극 재료와 상기 미코팅 흑연의 중량비는, 음극활물질 총 중량을 기준으로 4:6 내지 6:4일 수 있고, 바람직하게는 45:55~55:45일수 있다. 상기 수치 범위를 만족할 때에 급속 충전 성능 및 압연 성능이 조화롭게 향상될 수 있어 바람직하다. In one specific example, the weight ratio of the negative electrode material to the uncoated graphite may be 4:6 to 6:4 based on the total weight of the negative electrode active material, preferably 45:55 to 55:45. When satisfying the above numerical range, it is preferable that the rapid charging performance and the rolling performance can be harmoniously improved.
상기 미코팅 흑연의 평균 입경(D50)은 10㎛ 내지 22㎛일 수 있고, 바람직하게는 12 내지 18㎛일 수 있다. 또한 상기 흑연은 인조흑연인 것이 더욱 바람직하다. The average particle diameter (D 50 ) of the uncoated graphite may be 10 μm to 22 μm, preferably 12 to 18 μm. In addition, the graphite is more preferably artificial graphite.
본 발명의 음극은, 상기 음극 재료를 포함하는 음극 슬러리를 음극 집전체상에 도포하고 건조 및 압연하여 제조될 수 있다. The negative electrode of the present invention may be prepared by coating the negative electrode slurry including the negative electrode material on the negative electrode current collector, drying and rolling.
상기 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 되고, 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 집전체로는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 구체적으로는, 구리, 니켈과 같은 탄소를 잘 흡착하는 전이 금속을 집전체로 사용할 수 있다. 상기 집전체의 두께는 6㎛ 내지 20㎛일 수 있으나, 상기 집전체의 두께가 이에 제한되는 것은 아니다.The current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, as the current collector, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, or a surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. on the surface of aluminum or stainless steel may be used. Specifically, a transition metal that adsorbs carbon well, such as copper or nickel, may be used as the current collector. The thickness of the current collector may be 6 μm to 20 μm, but the thickness of the current collector is not limited thereto.
상기 음극 슬러리는 상기 음극활물질을 음극 슬러리의 고형분 총 중량을 기준으로 77.5 중량% 내지 99 중량%, 구체적으로 80 중량% 내지 98.5 중량% 포함할 수 있다. The negative electrode slurry may include 77.5 wt% to 99 wt%, specifically 80 wt% to 98.5 wt%, of the negative electrode active material based on the total solids weight of the negative electrode slurry.
상기 음극 슬러리는, 전술한 음극 재료에 추가로 도전재, 바인더를 더 포함할 수 있다. The negative electrode slurry may further include a conductive material and a binder in addition to the negative electrode material described above.
상기 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, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 상기 음극 활물질 슬러리의 고형분 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 9 중량%의 양으로 사용될 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change 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, Farness black, lamp black, and thermal black; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; conductive tubes such as carbon nanotubes; metal powders such as fluorocarbon, aluminum, and nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used. The conductive material may be used in an amount of 0.1 wt% to 9 wt% based on the total solids weight of the negative electrode active material slurry.
상기 바인더는 음극 슬러리 제조 시 사용되는 통상적인 바인더라면 특별히 제한되지 않으나, 예컨대 수계 바인더인 아크릴로나이트릴-부타디엔고무, 스티렌-부타디엔 고무 및 아크릴 고무로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 바인더는 상기 음극 활물질 슬러리 음극 활물질 슬러리의 고형분 총 중량을 기준으로 10 중량% 이하로 포함될 수 있으며, 구체적으로 0.1 중량% 내지 10 중량%, 더욱 구체적으로 0.5 중량% 내지 5 중량% 포함될 수 있다. 상기 바인더의 함량이 0.1 중량% 미만이면 바인더의 사용에 따른 효과가 미미하여 바람직하지 않고, 10 중량%를 초과하면 바인더의 함량 증가에 따른 활물질의 상대적인 함량 감소로 인해 체적당 용량이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.The binder is not particularly limited as long as it is a conventional binder used in preparing the negative electrode slurry, but for example, any one or two of the water-based binders selected from the group consisting of acrylonitrile-butadiene rubber, styrene-butadiene rubber, and acrylic rubber. A mixture of the above may be used. The binder may be included in an amount of 10% by weight or less based on the total solids content of the negative electrode active material slurry, and specifically 0.1 to 10% by weight, more specifically 0.5 to 5% by weight. If the content of the binder is less than 0.1% by weight, the effect of the use of the binder is insignificant, which is not preferable. Not desirable.
상기 음극 슬러리는 추가적으로 증점제를 포함할 수 있다.The negative electrode slurry may additionally include a thickener.
상기 음극 슬러리는 상기 증점제를 상기 음극 슬러리의 고형분의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 3 중량% 포함할 수 있고, 구체적으로 0.2 중량% 내지 2 중량%, 더욱 구체적으로 0.5 중량% 내지 1.5 중량% 포함할 수 있다. The negative electrode slurry may include 0.1% to 3% by weight of the thickener based on the total weight of the solid content of the negative electrode slurry, specifically 0.2% to 2% by weight, more specifically 0.5% to 1.5% by weight may include
상기 음극 슬러리가 상기 증점제를 상기 범위로 포함할 경우, 적절한 증점 효과를 발휘하여 슬러리의 저장 안정성을 확보할 수 있고, 상기 증점제가 상기 음극 활물질 슬러리에 일정 함량 이내로 포함되어 전지의 성능을 저하시키지 않는다.When the negative electrode slurry contains the thickener in the above range, storage stability of the slurry can be ensured by exhibiting an appropriate thickening effect, and the thickener is included within a certain amount in the negative electrode active material slurry, so that the performance of the battery is not reduced. .
상기 증점제는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히드록시프로필셀룰로오스, 및 재생 셀룰로오스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 구체적으로 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)일 수 있다. The thickener may be at least one selected from the group consisting of carboxymethyl cellulose (CMC), hydroxypropyl cellulose, and regenerated cellulose, and specifically carboxymethyl cellulose (CMC).
또한 본 발명은, 상기 음극을 포함하는 전기화학소자를 제공한다. 상기 전기화학소자는 구체적으로 전지, 커패시터 등일 수 있으며, 보다 구체적으로는 리튬 이차전지일 수 있다. The present invention also provides an electrochemical device including the negative electrode. The electrochemical device may specifically be a battery, a capacitor, or the like, and more specifically, may be a lithium secondary battery.
상기 리튬 이차전지는 구체적으로, 음극과 대향하여 위치하는 양극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막 및 전해질을 포함하며, 상기 음극은 앞서 설명한 바와 같다. Specifically, the lithium secondary battery includes a positive electrode positioned to face the negative electrode, a separator and an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the negative electrode is as described above.
또한, 상기 리튬 이차전지는 상기 음극, 양극, 분리막의 전극 조립체를 수납하는 전지 케이스, 및 상기 전지 케이스를 밀봉하는 밀봉 부재를 선택적으로 더 포함할 수 있다.In addition, the lithium secondary battery may optionally further include a battery case for accommodating the electrode assembly of the negative electrode, the positive electrode, and the separator, and a sealing member for sealing the battery case.
또한 본 발명의 양극은, 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 형성되며, 상기 양극활물질을 포함하는 양극활물질층을 포함할 수 있다.In addition, the positive electrode of the present invention may include a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector and including the positive electrode active material.
상기 양극에 있어서, 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 양극 집전체는 통상적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.In the positive electrode, the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, for example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or carbon on the surface of aluminum or stainless steel. , nickel, titanium, silver, etc. may be used. In addition, the positive electrode current collector may typically have a thickness of 3 μm to 500 μm, and may increase the adhesion of the positive electrode active material by forming fine irregularities on the surface of the current collector. For example, it may be used in various forms, such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, a non-woven body.
상기 양극활물질은 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 - 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, y = 0.01 - 0.3임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-yMyO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, y = 0.01 - 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn임)으로 표현되는 삼성분계 리튬 망간복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1)인 삼성분계 리튬 전이금속 복합산화물 등을 들 수 있다. 본 발명의 음극은 고출력 전지의 급속충전 성능을 향상시키기 위한 것이므로, 양극활물질에 있어서 고출력에 유리한 리튬 코발트 산화물을 선택할 때 본 발명의 효과가 더욱 극대화될 것이다. The cathode active material may include a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a compound substituted with one or more transition metals; lithium manganese oxides such as Formula Li 1+y Mn 2-y O 4 (where y is 0 - 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 , V 2 O 5 , and Cu 2 V 2 O 7 ; Ni site-type lithium nickel oxide represented by the formula LiNi 1-y M y O 2 (wherein M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, and y = 0.01 - 0.3); Formula LiMn 2-y M y O 2 (wherein M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta and y = 0.01 - 0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 (where M = Fe, Co, ternary 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; Ternary lithium with Fe 2 (MoO 4 ) 3 , Li(Ni a Co b Mn c )O 2 (0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1) Transition metal composite oxide, etc. are mentioned. Since the negative electrode of the present invention is for improving the rapid charging performance of a high-output battery, the effect of the present invention will be further maximized when lithium cobalt oxide advantageous for high output is selected in the positive electrode active material.
상기 양극활물질층은 앞서 설명한 양극활물질과 함께, 양극 도전재 및 양극 바인더를 포함할 수 있다.The positive electrode active material layer may include a positive electrode conductive material and a positive electrode binder together with the above-described positive electrode active material.
이때, 상기 양극 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용 가능하다. 구체적인 예로는 천연흑연이나 인조흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.In this case, the positive electrode conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and in the configured battery, it can be used without any particular limitation as long as it has electronic conductivity without causing chemical change. Specific examples include graphite such as natural graphite and artificial graphite; carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, and carbon fiber; metal powders or metal fibers, such as copper, nickel, aluminum, and silver; conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; or conductive polymers such as polyphenylene derivatives, and the like, and one or a mixture of two or more thereof may be used.
또, 상기 양극 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 양극 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.In addition, the positive electrode binder serves to improve adhesion between the positive electrode active material particles and the adhesion between the positive electrode active material and the positive electrode current collector. Specific examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, carboxymethyl cellulose (CMC) ), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, or various copolymers thereof, and any one of them or a mixture of two or more thereof may be used.
한편, 상기 리튬 이차전지에 있어서, 분리막은 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬 이차전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하며, 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 세퍼레이터가 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.On the other hand, in the lithium secondary battery, the separator separates the negative electrode and the positive electrode and provides a passage for lithium ions to move, and as long as it is used as a separator in a lithium secondary battery, it can be used without any particular limitation, especially for the movement of ions in the electrolyte It is preferable to have a low resistance to respect and an excellent electrolyte moisture content. Specifically, a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of a polyolefin-based polymer such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer, or these A laminate structure of two or more layers of may be used. In addition, a conventional porous nonwoven fabric, for example, a nonwoven fabric made of high melting point glass fiber, polyethylene terephthalate fiber, etc. may be used. In addition, a coated separator containing a ceramic component or a polymer material may be used to secure heat resistance or mechanical strength, and may optionally be used in a single-layer or multi-layer structure.
또, 본 발명에서 사용되는 전해질로는 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.In addition, examples of the electrolyte used in the present invention include organic liquid electrolytes, inorganic liquid electrolytes, solid polymer electrolytes, gel polymer electrolytes, solid inorganic electrolytes, molten inorganic electrolytes, and the like, which can be used in the manufacture of lithium secondary batteries, and are limited to these. it is not going to be
구체적으로, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.Specifically, the electrolyte may include an organic solvent and a lithium salt.
상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, 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 9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다.The organic solvent may be used without any particular limitation as long as it can serve as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move. Specifically, as the organic solvent, ester solvents such as methyl acetate, ethyl acetate, γ-butyrolactone, ε-caprolactone; ether solvents such as dibutyl ether or tetrahydrofuran; ketone solvents such as cyclohexanone; aromatic hydrocarbon-based solvents such as benzene and fluorobenzene; dimethylcarbonate (DMC), diethylcarbonate (DEC), methylethylcarbonate (MEC), ethylmethylcarbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, carbonate-based solvents such as PC); alcohol solvents such as ethyl alcohol and isopropyl alcohol; nitriles such as R-CN (R is a C 2 to C 20 linear, branched or cyclic hydrocarbon group, which may include a double bond aromatic ring or an ether bond); amides such as dimethylformamide; dioxolanes such as 1,3-dioxolane; Or sulfolane may be used. Among them, a carbonate-based solvent is preferable, and a cyclic carbonate (eg, ethylene carbonate or propylene carbonate, etc.) having high ionic conductivity and high dielectric constant capable of increasing the charge/discharge performance of the battery, and a low-viscosity linear carbonate-based compound ( For example, a mixture of ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate or diethyl carbonate) is more preferable. In this case, when the cyclic carbonate and the chain carbonate are mixed in a volume ratio of about 1:1 to 9, the electrolyte may exhibit excellent performance.
상기 리튬염은 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, 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 0.1M 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.The lithium salt may be used without particular limitation as long as it is a compound capable of providing lithium ions used in a lithium secondary battery. Specifically, the lithium salt is LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAl0 4 , LiAlCl 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN(C 2 F 5 SO 3 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 . LiCl, LiI, or LiB(C 2 O 4 ) 2 , etc. may be used. The concentration of the lithium salt is preferably used within the range of 0.1M to 2.0M. When the concentration of the lithium salt is included in the above range, since the electrolyte has appropriate conductivity and viscosity, excellent electrolyte performance may be exhibited, and lithium ions may move effectively.
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로에틸렌 카보네이트 등과 같은 할로알킬렌 카보네이트계 화합물; 또는 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다. 이때 상기 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1중량% 내지 5중량%로 포함될 수 있다.The electrolyte may include, in addition to the electrolyte components, haloalkylene carbonate-based compounds such as difluoroethylene carbonate for the purpose of improving battery life characteristics, suppressing battery capacity reduction, and improving battery discharge capacity; or pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphoric acid triamide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N,N One or more additives such as -substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxyethanol or aluminum trichloride may be further included. In this case, the additive may be included in an amount of 0.1 wt% to 5 wt% based on the total weight of the electrolyte.
상기와 같이 본 발명에 따른 음극을 포함하는 리튬 이차전지는 급속 충전 성능이 우수하고, 압연 성능이 향상되어 고로딩 전극의 제조가 용이하며, 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 유용하다.As described above, the lithium secondary battery including the negative electrode according to the present invention has excellent fast charging performance and improved rolling performance, so that it is easy to manufacture a high-loading electrode, and since it shows a stable capacity retention rate, a mobile phone, a notebook computer , a portable device such as a digital camera, and an electric vehicle field such as a hybrid electric vehicle (HEV).
이에 따라, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 리튬 이차전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩이 제공된다.Accordingly, according to another embodiment of the present invention, a battery module including the lithium secondary battery as a unit cell and a battery pack including the same are provided.
상기 전지모듈 또는 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차, 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.The battery module or battery pack is a power tool (Power Tool); electric vehicles, including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles, and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); Alternatively, it may be used as a power source for any one or more medium-to-large devices in a system for power storage.
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 of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.
비교예 1Comparative Example 1
평균 입경(D50)은 16㎛ 내지 17㎛이고 미코팅된 인조흑연을 준비하였다. 상기 인조흑연, 도전재인 카본 블랙, 바인더인 스티렌 부타디엔 고무(Styrene butadiene rubber, SBR)를, 98.7:0.5:0.8의 중량비로 혼합하여 음극 슬러리를 제조하였다.The average particle diameter (D 50 ) was 16 μm to 17 μm, and uncoated artificial graphite was prepared. The artificial graphite, carbon black as a conductive material, and styrene butadiene rubber (SBR) as a binder were mixed in a weight ratio of 98.7:0.5:0.8 to prepare a negative electrode slurry.
두께가 10㎛인 음극 집전체인 구리(Cu) 금속 박막에, 상기 음극 슬러리를 도포하고, 압연 및 건조하여 음극을 제조하였다. The negative electrode slurry was applied to a 10 μm-thick copper (Cu) metal thin film, which is a negative electrode current collector, and rolled and dried to prepare a negative electrode.
비교예 2Comparative Example 2
코어가 될 인조흑연과 피치(Pitch)를 N2 분위기 하에서 1100℃에서 열처리하여 피치를 탄화시킴으로써, 비정질 탄소로 코팅된 인조흑연을 준비하였다. 이때, 상기 비정질 탄소가 코팅된 인조흑연의 평균 입경(D50)은 16㎛ 내지 17㎛이고, 비정질 탄소의 함량은 0.3 중량%이다. Artificial graphite to be a core and pitch were heat-treated at 1100° C. under N 2 atmosphere to carbonize the pitch, thereby preparing artificial graphite coated with amorphous carbon. In this case, the average particle diameter (D 50 ) of the artificial graphite coated with the amorphous carbon is 16 μm to 17 μm, and the content of the amorphous carbon is 0.3 wt %.
음극 슬러리의 제조시, 상기 비교예 1에서 사용된 미코팅 인조흑연 대신, 상기 코팅 인조흑연을 사용한 것을 제외하고는, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 음극을 제조하였다. An anode was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that the coated artificial graphite was used instead of the uncoated artificial graphite used in Comparative Example 1 when preparing the negative electrode slurry.
비교예 3Comparative Example 3
상기 비교예 2와 같이 피치의 탄화 과정을 거쳐 제조되고, 평균 입경(D50)이 16㎛ 내지 17㎛이며, 비정질 탄소의 함량이 3 중량%인 인조흑연을 준비하였다. As in Comparative Example 2, artificial graphite having an average particle diameter (D 50 ) of 16 μm to 17 μm and an amorphous carbon content of 3 wt % was prepared through the carbonization process of the pitch.
음극 슬러리의 제조시, 상기 비교예 1에서 사용된 미코팅 인조흑연 대신, 상기 코팅 인조흑연을 사용한 것을 제외하고는, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 음극을 제조하였다. An anode was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that the coated artificial graphite was used instead of the uncoated artificial graphite used in Comparative Example 1 when preparing the negative electrode slurry.
비교예 4Comparative Example 4
상기 비교예 2와 같이 피치의 탄화 과정을 거쳐 제조되고, 평균 입경(D50)이 16㎛ 내지 17㎛이며, 비정질 탄소의 함량이 20 중량%인 인조흑연을 준비하였다. As in Comparative Example 2, artificial graphite having an average particle diameter (D 50 ) of 16 μm to 17 μm and an amorphous carbon content of 20 wt % was prepared through the carbonization process of the pitch.
음극 슬러리의 제조시, 상기 비교예 1에서 사용된 미코팅 인조흑연 대신, 상기 코팅 인조흑연을 사용한 것을 제외하고는, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 음극을 제조하였다. An anode was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that the coated artificial graphite was used instead of the uncoated artificial graphite used in Comparative Example 1 when preparing the negative electrode slurry.
실험예 1: 급속충전에 의한 리튬-플레이팅 SOCExperimental Example 1: Lithium-plated SOC by rapid charging
비교예 1-4의 리튬 이차전지용 음극의 급속 충전 특성을 확인하기 위하여 Liplating 실험을 수행하였다.In order to confirm the rapid charging characteristics of the negative electrode for a lithium secondary battery of Comparative Example 1-4, a liplating experiment was performed.
먼저, 상기에서 제조된 리튬 이차전지용 음극을 코인셀 크기로 타발 후 대극인 리튬 포일 사이에 폴리올레핀 분리막을 개재시킨 후, 에틸렌 카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(DEC)를 50:50의 부피비로 혼합한 용매에 1M LiPF6가 용해된 전해액을 주입하여 코인형 반쪽셀을 제조하였다.First, after punching the prepared negative electrode for a lithium secondary battery to the size of a coin cell, a polyolefin separator was interposed between the lithium foil as a counter electrode, and then ethylene carbonate (EC) and ethylmethyl carbonate (DEC) were mixed in a volume ratio of 50:50 A coin-type half cell was prepared by injecting an electrolyte in which 1M LiPF 6 was dissolved in one solvent.
이후, 상기 비교예들의 음극을 포함하는 각 코인형 반쪽셀들을 각각 1.5 V 내지 0.005 V 전압 구간을 0.1 C-rate의 전류 밀도로 3 사이클 충방전을 진행하여 활성화 공정을 실시하였다. 이와 같이 활성화 공정을 마친 반쪽셀에 대해 3C-Rate의 전류밀도로 SOC 60%까지 CC(Constant current) 충전하여 전압(SOC)-용량 프로파일 그래프에서 1차 미분해, dQ/dV 의 변곡점을 확인하여 음극 표면에 리튬 석출이 일어나는 시점의 SOC인 Li-plating SOC(%)를 정량화하여 그 결과를 표 1에 나타내었다. 변곡점의 SOC가 클수록 급속충전 성능이 우수한 것으로 평가할 수 있다. Thereafter, the activation process was performed by charging and discharging each of the coin-type half cells including the negative electrode of the comparative examples in 3 cycles at a current density of 0.1 C-rate in a voltage range of 1.5 V to 0.005 V, respectively. In this way, the half-cell that has completed the activation process is CC (constant current) charged up to SOC 60% with a current density of 3C-Rate, and the inflection point of dQ/dV is checked in the voltage (SOC)-capacity profile graph. Table 1 shows the results of quantifying Li-plating SOC (%), which is the SOC at the point in time when lithium precipitation occurs on the surface of the anode. As the SOC of the inflection point increases, it can be evaluated that the rapid charging performance is excellent.
실험예 2: 전극 두께 변화율Experimental Example 2: Electrode thickness change rate
비교예 1-4의 리튬 이차전지용 음극에 대해 압연 성능을 평가하기 위해, 압연 전/후의 음극 두께를 측정하고, 압연 전의 두께와 대비해 두께 감소량의 비율을 아래의 식 (1)에 대입해 그 결과를 표 1에 나타내었다. In order to evaluate the rolling performance of the negative electrode for lithium secondary batteries of Comparative Example 1-4, the thickness of the negative electrode before and after rolling was measured, and the ratio of the thickness decrease compared to the thickness before rolling was substituted into the following formula (1), and the result is shown in Table 1.
식 (1) 두께 변화율(%)= (압연 전 두께-압연 후 두께)*100/(압연 전 두께)Equation (1) Thickness change rate (%) = (thickness before rolling - thickness after rolling)*100/(thickness before rolling)
상기 표 1을 참고하면, 또한 음극 재료의 비정질 탄소 함량이 높을수록, 리튬 플레이팅 SOC가 큰 것으로 나타나는바, 이를 통해 비정질 탄소 함량이 높은 음극 재료가 급속 충전 성능면에서 우수한 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 음극 재료 내 비정질 탄소의 함량이 커질수록, 두께 변화율이 작게 나타나는바 이는 고로딩 전극 제조에 불리한 것을 의미한다. Referring to Table 1, the higher the amorphous carbon content of the negative electrode material, the greater the lithium plating SOC. Through this, it was confirmed that the negative electrode material having a high amorphous carbon content was excellent in fast charging performance. However, as the content of the amorphous carbon in the negative electrode material increases, the thickness change rate is small, which means that it is disadvantageous for manufacturing a high-loading electrode.
실시예 1Example 1
상기 비교예 2와 동일한 비정질 탄소가 코팅된 인조흑연을 준비하였다(비정질 탄소의 함량이 0.3 중량%). 상기 인조흑연, 도전재인 카본 블랙, 바인더인 스티렌 부타디엔 고무(Styrene butadiene rubber, SBR)를, 98.7:0.5:0.8의 중량비로 혼합하여 음극 슬러리를 제조하였다.Artificial graphite coated with the same amorphous carbon as in Comparative Example 2 was prepared (the content of amorphous carbon was 0.3% by weight). The artificial graphite, carbon black as a conductive material, and styrene butadiene rubber (SBR) as a binder were mixed in a weight ratio of 98.7:0.5:0.8 to prepare a negative electrode slurry.
두께가 10㎛인 음극 집전체인 구리(Cu) 금속 박막에, 상기 음극 슬러리를 도포하고, 압연 및 건조하여 음극을 제조하였다. 에틸렌 카보네이트(EC) 및 디에틸 카보네이트(DEC)를 30:70의 부피비로 혼합한 용매에 1M LiPF6가 용해된 전해질 용액에, 상기 제조된 음극을 2시간 동한 침지한 후, 상기 전해액 중에서 리튬 금속 박막을 상기 음극 상에 적층하고, 6시간 동안 가압하여 전리튬화를 진행해 음극의 제조를 완료하였다. The negative electrode slurry was applied to a 10 μm-thick copper (Cu) metal thin film, which is a negative electrode current collector, and rolled and dried to prepare a negative electrode. After immersing the prepared negative electrode in an electrolyte solution in which 1M LiPF 6 is dissolved in a solvent mixed with ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of 30:70 for 2 hours, lithium metal in the electrolyte solution A thin film was laminated on the negative electrode and pressurized for 6 hours to complete lithiation to complete the preparation of the negative electrode.
실시예 2Example 2
상기 실시예 1에서 음극 슬러리의 제조시, 음극활물질로서 비교예 3의 비정질 탄소가 코팅된 인조흑연(비정질 탄소의 함량이 3 중량%)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 음극의 제조를 완료하였다. In the same manner as in Example 1, except that the artificial graphite coated with the amorphous carbon of Comparative Example 3 (the content of amorphous carbon was 3 wt%) was used as the negative electrode active material in the preparation of the negative electrode slurry in Example 1 Preparation of the negative electrode was completed.
실시예 3Example 3
상기 실시예 1에서 음극 슬러리의 제조시, 음극활물질로서 인조흑연 코어에 비정질 탄소가 코팅되어 있고, 비정질 탄소의 함량이 5 중량%인 음극 재료를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 음극의 제조를 완료하였다. In the preparation of the negative electrode slurry in Example 1, the amorphous carbon is coated on the artificial graphite core as the negative electrode active material, and the negative electrode material having an amorphous carbon content of 5 wt% was used, except for the same method as in Example 1 to complete the preparation of the negative electrode.
비교예 5Comparative Example 5
상기 실시예 1에서 음극 슬러리의 제조시, 음극활물질로서 인조흑연 코어에 비정질 탄소가 코팅되어 있고, 비정질 탄소의 함량이 13중량%인 음극 재료를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 음극의 제조를 완료하였다.In the preparation of the negative electrode slurry in Example 1, the amorphous carbon is coated on the artificial graphite core as the negative electrode active material, and the negative electrode material having an amorphous carbon content of 13% by weight was used, except for the same method as in Example 1 to complete the preparation of the negative electrode.
비교예 6Comparative Example 6
상기 실시예 1에서 음극 슬러리의 제조시, 음극활물질로서 비교예 4의 비정질 탄소가 코팅된 인조흑연(비정질 탄소의 함량이 20 중량%)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 음극의 제조를 완료하였다. In the same manner as in Example 1, except that the artificial graphite coated with the amorphous carbon of Comparative Example 4 (amorphous carbon content of 20% by weight) was used as the negative electrode active material in the preparation of the negative electrode slurry in Example 1 Preparation of the negative electrode was completed.
실험예 3: 초기 효율Experimental Example 3: Initial Efficiency
상기 실시예 1-3 및 비교예 1-6의 음극을 포함하는 코인형 반쪽셀을 제작하였다. 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 제작한 코인형 반쪽셀을 전기화학 충방전기를 이용하여 충방전 가역성 테스트를 하였다. 충전 시 0.005 V (vs. Li/Li+)의 전압까지 0.2C-rate의 전류밀도로 전류를 가하여 충전해 주었고, 방전 시 같은 전류밀도로 1.5 V의 전압까지 방전을 실시해 주었다. 초기 효율은 하기 식(2)에 대입해 계산하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다. A coin-type half cell including the negative electrode of Examples 1-3 and Comparative Examples 1-6 was prepared. The coin-type half cell manufactured in the same manner as in Experimental Example 1 was tested for charging/discharging reversibility using an electrochemical charging/discharging device. During charging, a current was applied at a current density of 0.2 C-rate up to a voltage of 0.005 V (vs. Li/Li+), and during discharging, a voltage of 1.5 V was performed with the same current density. The initial efficiency was calculated by substituting the formula (2) below, and the results are shown in Table 2.
식 (2) 초기효율(%)= 1ST 사이클에서의 방전용량*100/1ST 사이클에서의 충전용량Equation (2) Initial efficiency (%) = Discharge capacity at 1 ST cycle * 100/1 Charge capacity at ST cycle
실험예 4: 용량 유지율Experimental Example 4: Capacity retention rate
LiCoO2 양극활물질, 도전재인 카본 블랙, 바인더인 PVDF를 97:1.5:1.5의 중량비로 N-메틸-2 피롤리돈 용매에 혼합하여 양극 슬러리를 제조하였다. 제조된 양극 슬러리를 두께가 10㎛인 알루미늄 금속 박막에 도포하고 건조 및 압연하였다. A positive electrode slurry was prepared by mixing LiCoO 2 positive electrode active material, carbon black as a conductive material, and PVDF as binder in N-methyl-2 pyrrolidone solvent in a weight ratio of 97:1.5:1.5. The prepared positive electrode slurry was applied to an aluminum metal thin film having a thickness of 10 μm, dried and rolled.
상기 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 내지 6에서 제조된 음극과 상기 양극 사이에 폴리올레핀 분리막을 개재시킨 후, 에틸렌 카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(DEC)를 50:50의 부피비로 혼합한 용매에 1M LiPF6가 용해된 전해액을 주입하여 풀셀을 제조하였다. 상기 풀셀에 대하여 수명 특성을 측정하였다. 구체적으로 25℃에서, 0.5C/4.2V 정전류/정전압(CC/CV) 4.2V/0.05C 조건으로 충전하고 0.33C/3V 정전류로 방전하고, PNE-0506 충방전기(제조사: (주)PNE 솔루션, 5V, 6A)를 사용하여 방전 용량을 측정하였다.After interposing a polyolefin separator between the negative electrode and the positive electrode prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6, ethylene carbonate (EC) and ethylmethyl carbonate (DEC) were mixed in a volume ratio of 50:50 A full cell was prepared by injecting an electrolyte in which 1M LiPF 6 was dissolved in one solvent. Lifespan characteristics were measured for the full cell. Specifically, at 25°C, 0.5C/4.2V constant current/constant voltage (CC/CV) 4.2V/0.05C conditions and discharges at 0.33C/3V constant current, PNE-0506 charger/discharger (Manufacturer: PNE Solution) , 5V, 6A) was used to measure the discharge capacity.
이를 1사이클로 하여, 100사이클, 500 사이클을 반복하였으며, 하기 식 (3)에 따라 용량 유지율을 계산해 그 결과를 표 2에 나타내었다. As 1 cycle, 100 cycles and 500 cycles were repeated, and the capacity retention rate was calculated according to the following formula (3), and the results are shown in Table 2.
식 (3) 용량 유지율(%) = {(해당 사이클에서의 방전 용량)/(첫번째 사이클에서의 방전 용량)} Х 100Equation (3) Capacity retention rate (%) = {(discharge capacity in the corresponding cycle)/(discharge capacity in the first cycle)} Х 100
상기 표 2를 참조하면, 비교예 1 내지 4의 음극이 적용된 반쪽셀은, 음극 재료 내에 비정질 탄소의 함량이 높을수록 비가역 용량이 커서 초기 효율이 낮아지는 경향을 나타내나, 실시예 1 내지 실시예 3의 음극이 적용된 반쪽셀은, 전리튬화에 의해 초기 비가역 용량 감소가 보상되어 비정질 탄소의 함량과 상관 없이 초기 효율이 우수한 것으로 나타나고 있다. Referring to Table 2, the half cells to which the negative electrode of Comparative Examples 1 to 4 are applied, the higher the content of amorphous carbon in the negative electrode material, the greater the irreversible capacity is, so the initial efficiency tends to be lowered. The half cell to which the negative electrode of 3 is applied is shown to have excellent initial efficiency regardless of the content of amorphous carbon because the initial irreversible capacity decrease is compensated for by all-lithiation.
그리고, 실시예 2의 전리튬화된 음극이 적용된 전지는 전리튬화를 수행하지 않은 비교예 3의 음극이 적용된 전지와 비교해, 장기 사이클 후 용량 유지율이 훨씬 우수한 것으로 나타나는데, 이는 전리튬화에 의한 초기 비가역 보상에 의한 효과인 것이다. In addition, the battery to which the pre-lithiated negative electrode of Example 2 was applied showed much better capacity retention after a long cycle compared to the battery to which the negative electrode of Comparative Example 3 was not subjected to pre-lithiation, which was This is the effect of the initial irreversible compensation.
또한, 비정질 탄소의 함량이 상대적으로 높은 흑연이 적용된 비교예 5 내지 비교예 6은, 전리튬화에 의해 비가역 용량이 보상되었음에도, 실시예 1 내지 실시예 3과 비교해 용량 유지율이 떨어지는 것으로 나타났다. 따라서 급속 충전 성능을 향상시키기 위해 음극에 비정질 탄소가 코팅된 흑연을 도입함에 있어서, 수명 특성의 저하를 방지하기 위해서는 비정질 탄소의 함량이 10 중량% 이하인 흑연을 선택하는 것이 바람직하다. In addition, in Comparative Examples 5 to 6 to which graphite having a relatively high content of amorphous carbon was applied, even though the irreversible capacity was compensated by prelithiation, the capacity retention rate was lower than that of Examples 1 to 3. Therefore, in introducing graphite coated with amorphous carbon to the negative electrode to improve fast charging performance, it is preferable to select graphite having an amorphous carbon content of 10 wt% or less in order to prevent deterioration of lifespan characteristics.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical spirit of the present invention, and various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains. Accordingly, the drawings disclosed in the present invention are for explanation rather than limiting the technical spirit of the present invention, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these drawings. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
Claims (12)
상기 비정질 탄소의 함량은, 상기 음극 재료의 총 중량을 기준으로 1 내지 10 중량% 이며,
전리튬화된 리튬 이차전지용 음극.
A negative electrode material comprising a core including graphite and a shell including amorphous carbon disposed on the core,
The content of the amorphous carbon is 1 to 10% by weight based on the total weight of the negative electrode material,
Anode for pre-lithiated lithium secondary batteries.
The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the amorphous carbon is included in an amount of 1.5 to 7% by weight based on the total weight of the negative electrode material.
The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode material comprises secondary particles formed by agglomeration of one or more primary particles.
The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the graphite is natural graphite.
The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the graphite is artificial graphite.
The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode material is a spherical or similar spherical particle having an average particle diameter (D 50 ) of 7 to 20 μm.
집전체 상에 배치된 제 1 음극활물질층의 제 1 음극활물질은 미코팅 흑연으로 구성되고,
상기 제 1 음극활물질층 상에 배치된 제 2 음극활물질층의 제 2 음극활물질은 상기 음극 재료로 구성된 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극.
According to claim 1, further comprising uncoated graphite in the negative electrode material,
The first negative electrode active material of the first negative electrode active material layer disposed on the current collector is composed of uncoated graphite,
The second negative electrode active material of the second negative electrode active material layer disposed on the first negative electrode active material layer is a negative electrode for a lithium secondary battery, characterized in that composed of the negative electrode material.
The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 7, wherein a weight ratio of the uncoated graphite to the negative electrode material is 4:6 to 6:4 based on the total weight of the negative electrode active material.
The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 7, wherein the average particle diameter (D 50 ) of the uncoated graphite is 10 μm to 22 μm.
The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 7, wherein the uncoated graphite is artificial graphite.
The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the binder is contained in an amount of 0.5 to 5% by weight.
A lithium secondary battery comprising the negative electrode of claim 1.
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