KR100553737B1 - Electrode active material composition and separator composition for lithium ion polymer battery, and manufactring method of lithium ion polymer battery using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이온 폴리머 전지의 전극 활물질 조성물, 세퍼레이타 조성물 및 이를 이용한 리튬 이온 폴리머 전지의 제조방법을 개시한다. 상기 전극 활물질 조성물은 활물질, 도전제, 결합제, 가소제 및 용매를 포함하며, 용매가 N-메틸피롤리돈과 아세톤의 혼합용매 또는 N-메틸피롤리돈과 메틸에틸케톤의 혼합용매인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 리튬 이온 폴리머 전지의 전극 활물질 조성물 및 세퍼레이타 조성물 제조시 아세톤 단일 용매를 사용한 경우에 비하여 점도 조절하기가 보다 용이해져서 코팅성이 개선된다. 그리고 집전체의 양 면에 전극 활물질 조성물을 직접적으로 코팅할 수 있을 뿐만 아니라 전극 상부에 세퍼레이타 조성물을 직접적으로 코팅할 수 있게 되어 제조 공정 단계수가 대폭적으로 감소된다. 그리고 집전체와 활물질층간의 접착력과 전극과 세퍼레이타간의 접착력이 개선된다.The present invention discloses an electrode active material composition, a separator composition of a lithium ion polymer battery and a method of manufacturing a lithium ion polymer battery using the same. The electrode active material composition includes an active material, a conductive agent, a binder, a plasticizer and a solvent, and the solvent is a mixed solvent of N-methylpyrrolidone and acetone or a mixed solvent of N-methylpyrrolidone and methyl ethyl ketone. do. According to the present invention, it is easier to control the viscosity compared to the case where acetone single solvent is used to prepare the electrode active material composition and the separator composition of the lithium ion polymer battery, thereby improving the coating property. In addition, the electrode active material composition may be directly coated on both sides of the current collector, and the separator composition may be directly coated on the electrode, thereby greatly reducing the number of manufacturing process steps. The adhesion between the current collector and the active material layer and the adhesion between the electrode and the separator are improved.
Description
도 1은 통상적인 리튬 이온 폴리머 전지의 일예를 나타낸 도면이고,1 is a view showing an example of a conventional lithium ion polymer battery,
도 2는 통상적인 리튬 이온 폴리머 전지에서, 전극 조립체의 바이셀 구조를 나타낸 도면이다.2 is a view illustrating a bicell structure of an electrode assembly in a typical lithium ion polymer battery.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
11... 전극 조립체 12... 케이스11
13... 전극 탭 13a... 연결 탭13
21... 애노드 22, 22'... 세퍼레이타21 ...
23, 23'... 캐소드23, 23 '... cathode
본 발명은 리튬 이온 폴리머 전지의 전극 활물질 조성물, 세퍼레이타 조성물 및 이를 이용한 리튬 이온 폴리머 전지의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하 기로는 전극 집전체상의 활물질층과 전극 상부의 세퍼레이타를 각각의 형성용 조성물을 직접적으로 코팅하여 형성할 수 있는 리튬 이온 폴리머 전지의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode active material composition, a separator composition of a lithium ion polymer battery and a method of manufacturing a lithium ion polymer battery using the same. More specifically, the active material layer on the electrode current collector and the separator on the electrode, respectively It relates to a method for producing a lithium ion polymer battery which can be formed by directly coating a composition for forming a.
리튬 이온 폴리머 전지는 고체형 전해질을 사용하므로 전해액이 누출될 염려가 적고, 가공성이 우수하여 배터리팩으로 만들 수 있다. 그리고 무게가 가볍고 부피가 적으며 자체 방전율도 아주 작다. 이와 같은 특성으로 말미암아 리튬 이온 폴리머 전지는 리튬 이온 전지에 비하여 안전할 뿐만 아니라 각형 및 대형 전지로 제작하기가 용이하다. Since the lithium ion polymer battery uses a solid electrolyte, there is little risk of leakage of the electrolyte solution, and excellent workability can be made into a battery pack. It is light in weight, low in volume, and has a very small self-discharge rate. Due to these characteristics, lithium ion polymer batteries are not only safer than lithium ion batteries, but also easy to manufacture in square and large sized batteries.
도 1은 통상적인 리튬 이온 폴리머 전지의 일예를 나타낸 도면이다.1 is a view showing an example of a conventional lithium ion polymer battery.
이를 참조하면,이 리튬 이차전지는 캐소드, 애노드 및 세퍼레이터(separator)가 적층되어 이루어진 전극조립체 (11)와, 이 전극조립체 (11)를 감싸서 밀봉하는 케이스 (12)를 구비하여 이루어진다. 그리고 상기 전극조립체 (11)와 외부의 전기적 통로 역할을 하는 전극탭 (13)은 캐소드 및 애노드에 마련된 연결탭(13a)에 연결되며, 이 전극탭 (13)은 케이스 (12) 밖으로 소정 길이 노출된다. Referring to this, the lithium secondary battery includes an
상기 전극 조립체에서, 캐소드와 애노드는 각각의 전극 집전체 상부에 각각의 전극 활물질 조성물로 된 활물질층을 라미네이션(lamination)하여 형성하는 것이 통상적이다. 이 때 상기 전극 활물질 조성물은 전극 활물질, 결합제, 도전제, 가소제 및 용매를 함유하고 있고, 용매로는 주로 아세톤을 사용한다. 그리고 캐소드 상부에 세퍼레이타를 라미네이션하고, 애노드 상부에 세퍼레이타를 라미네이션 하여 도 2의 바이셀 구조를 형성하는 것이 통상적이다. 여기에서 상기 캐소드, 애노드 및 세퍼레이터는 가소제가 취출된 공간에 전해액이 함침 된다. In the electrode assembly, the cathode and the anode are typically formed by laminating an active material layer of each electrode active material composition on top of each electrode current collector. At this time, the electrode active material composition contains an electrode active material, a binder, a conductive agent, a plasticizer and a solvent, and acetone is mainly used as the solvent. Then, the separator is laminated on the cathode and the separator is laminated on the anode to form the bicell structure of FIG. 2. Herein, the cathode, the anode, and the separator are impregnated with an electrolyte in the space where the plasticizer is taken out.
그런데, 리튬 이온 폴리머 전지는 상술한 바와 같이 활물질 및 세퍼레이타 형성시 라미네이션 공정 등으로 인하여 그 제조공정수가 많아서 제조원가가 높다는 문제점이 있다. However, as described above, the lithium ion polymer battery has a problem in that the manufacturing cost is high due to the number of manufacturing processes due to the lamination process or the like when forming the active material and the separator.
따라서, 전극 제조시 전극 집전체 및 전극 상부에 각각의 활물질 조성물 및 세퍼레이타 조성물을 직접적으로 코팅하는 방법에 대하여 많은 연구가 시작되었다. 이와 같이 직접적으로 코팅하기 위해서는 종래의 용매로 사용되는 아세톤은 더 이상 사용하기가 곤란하다. 그 이유는 아세톤이 건조속도가 너무 빨라서 집전체 및 전극에 대한 활물질 조성물 및 세퍼레이타 조성물의 코팅이 원할하게 이루어지지 않아서 활물질층 및 세퍼레이타의 두께가 불균일해지는 문제점이 있기 때문이다.Therefore, a lot of research has been started on the method of directly coating the respective active material composition and the separator composition on the electrode current collector and the upper electrode during electrode production. In order to directly coat the acetone used as a conventional solvent it is difficult to use any more. The reason is that acetone has a problem that the thickness of the active material layer and the separator becomes uneven because the acetone is too fast to dry the coating of the active material composition and the separator composition on the current collector and the electrode.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하여 집전체상에 직접적으로 코팅할 수 있는 리튬 이온 폴리머 전지용 전극 활물질 조성물을 제공하는 것이고,The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a lithium ion polymer battery electrode active material composition that can be directly coated on the current collector to solve the above problems,
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 전극에 직접적으로 코팅할 수 있는 리튬 이온 폴리머 전지용 세퍼레이타 조성물을 제공하는 것이고,Another technical object of the present invention is to provide a separator composition for a lithium ion polymer battery that can be directly coated on an electrode,
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 전극 활물질 조성물과 세퍼레이타 조성물을 이용하여 리튬 이온 폴리머 전지를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a lithium ion polymer battery using the electrode active material composition and the separator composition.
상기 첫번째 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는, 활물질, 도전제, 결합제, 가소제 및 용매를 포함하는 리튬 이온 폴리머 전지용 전극 활물질 조성물에 있어서,In order to achieve the first technical problem, in the present invention, in the electrode active material composition for a lithium ion polymer battery comprising an active material, a conductive agent, a binder, a plasticizer and a solvent,
상기 용매가 아세톤과 N-메틸피롤리돈의 혼합용매 또는 N-메틸피롤리돈과 메틸에틸케톤의 혼합용매인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지용 전극 활물질 조성물을 제공한다.The solvent is a mixed solvent of acetone and N-methylpyrrolidone or a mixed solvent of N-methylpyrrolidone and methyl ethyl ketone, to provide an electrode active material composition for a lithium ion polymer battery.
본 발명의 두번째 기술적 과제는 고분자 수지, 가소제 및 용매를 포함하는 리튬 이온 폴리머 전지용 세퍼레이타 조성물에 있어서,The second technical problem of the present invention is a separator composition for a lithium ion polymer battery comprising a polymer resin, a plasticizer and a solvent,
상기 용매가 아세톤과 N-메틸피롤리돈의 혼합용매 또는 N-메틸피롤리돈과 메틸에틸케톤의 혼합용매인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지용 세퍼레이타 조성물에 의하여 이루어진다.The solvent is a separator composition for a lithium ion polymer battery, characterized in that a mixed solvent of acetone and N-methylpyrrolidone or a mixed solvent of N-methylpyrrolidone and methyl ethyl ketone.
본 발명의 세번째 기술적 과제는 (a) 전극 집전체 상부에 활물질, 도전제, 결합제, 가소제 및 용매를 포함하는 전극 활물질 조성물을 직접 코팅 및 건조하여 애노드 및 캐소드를 각각 제조하는 단계;The third technical problem of the present invention is to prepare an anode and a cathode by directly coating and drying an electrode active material composition including an active material, a conductive agent, a binder, a plasticizer and a solvent on the electrode current collector;
(b) 상기 애노드 상부에 고분자 수지, 가소제 및 용매를 포함하는 세퍼레이타 조성물을 직접 코팅 및 건조하여 세퍼레이타를 형성하는 단계:(b) directly coating and drying the separator composition including a polymer resin, a plasticizer, and a solvent on the anode to form a separator;
(c) 상기 (b) 단계로부터 얻은 결과물 상부에 캐소드를 밀착시켜서 바이셀 구조체를 형성하는 단계;(c) forming a bi-cell structure by bringing the cathode in close contact with the upper part of the resultant obtained from step (b);
(d) 상기 바이셀 구조체로부터 가소제를 제거한 다음, 건조하는 단계;(d) removing plasticizer from the bicell structure and then drying;
(e) 건조된 바이셀 구조체에 전해액을 주입하는 단계;를 포함하며,(e) injecting an electrolyte into the dried bicell structure;
상기 전극 활물질 조성물과 세퍼레이타 조성물의 용매가, 아세톤과 N-메틸피롤리돈의 혼합 용매 또는 N-메틸피롤리돈과 메틸에틸케톤의 혼합 용매인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지의 제조방법에 의하여 이루어진다.The solvent of the electrode active material composition and the separator composition is a mixed solvent of acetone and N-methylpyrrolidone or a mixed solvent of N-methylpyrrolidone and methyl ethyl ketone. Is made by.
상기 전극 집전체중 캐소드 집전체는 익스팬디드 메탈(expanded metal) 또는 펀치드 메탈(punched metal)인 것이 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다.The cathode current collector of the electrode current collector is preferably an expanded metal or a punched metal, for the following reason.
본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머 전지의 전지 조립체는 도 2의 바이셀 구조를 갖는 것이 바람직하다. 도 2를 참조하면, 애노드 (21)의 양 면에 세퍼레이타 (22) 및 (22')가 위치해있고, 이 세퍼레이타의 상, 하부면에 캐소드 (23) 및 (23')가 위치해있다. 이러한 구조의 전지 조립체로부터 가소제를 추출하는 공정을 한 번으로 처리하기 위해서는 캐소드의 집전체안에 틈이 있어서 가소제 추출 용매가 애노드까지 도달되어야만 한다. 따라서 캐소드 집전체가 익스팬디드 메탈이거나 또는 펀치드 메탈이면 에테르, 메탄올 등의 유기용매를 이용한 가소제 추출공정을 단 한 번으로 처리가능하므로 제조공정수가 줄어드는 잇점이 있다.The battery assembly of the lithium ion polymer battery according to the present invention preferably has a bicell structure of FIG. 2. 2,
본 발명은, 전극 활물질 조성물 및 세퍼레이타 조성물을 각각 전극의 집전체 및 전극 상부에 직접 코팅하기에 적합한 건조속도를 갖고 있는 동시에 집전체와 전극 집전체에 대한 활물질층의 접착력과 전극에 대한 세퍼레이타의 접착력을 우수하게 유지할 수 있는 용매 시스템을 제공하는 데 그 특징이 있다. 또한, 이러한 용매를 이용하면 전극 활물질 조성물과 세퍼레이타 조성물의 점도를 조절하기가 보다 용이해지는 장점이 있다.The present invention has a drying speed suitable for coating the electrode active material composition and the separator composition directly on the current collector of the electrode and the upper part of the electrode, respectively, and the adhesion of the active material layer to the current collector and the electrode current collector and the adhesion to the electrode. It is a feature of the present invention to provide a solvent system that can maintain a good adhesion of the peretta. In addition, the use of such a solvent has an advantage that it is easier to control the viscosity of the electrode active material composition and the separator composition.
상기 용매 시스템은 N-메틸피롤리돈(NMP)과 아세톤의 혼합용매 또는 N-메틸피롤리돈(NMP)과 메틸에틸케톤(MEK)의 혼합용매이다. 여기에서, 상기 아세톤과 N-메틸피롤리돈의 혼합 중량비가 8:2∼6:4이고, 메틸에틸케톤과 N-메틸피롤리돈의 혼합 중량비가 7:3∼6:4인 것이 바람직하다. 상기 아세톤에 대한 NMP의 함량이 상기 범위 미만인 경우에는 건조속도가 빨라서 결합제와 도전제의 분포가 불균일하고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 건조속도가 느려서 바람직하지 못하다. 그리고 메틸에틸케톤에 대한 NMP의 함량이 상기 범위 미만인 경우에는 건조속도가 빨라서 결합제와 도전제의 분포가 불균일하고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 건조속도가 느려서 바람직하지 못하다.The solvent system is a mixed solvent of N-methylpyrrolidone (NMP) and acetone or a mixed solvent of N-methylpyrrolidone (NMP) and methyl ethyl ketone (MEK). Here, it is preferable that the mixed weight ratio of the said acetone and N-methylpyrrolidone is 8: 2-6: 4, and the mixed weight ratio of methyl ethyl ketone and N-methylpyrrolidone is 7: 3-6: 4. . When the content of NMP to the acetone is less than the above range, the drying rate is fast, so that the distribution of the binder and the conductive agent is uneven, and when it exceeds the above range, the drying rate is not preferable, which is not preferable. If the content of NMP in the methyl ethyl ketone is less than the above range, the drying rate is high, and the distribution of the binder and the conductive agent is nonuniform, and if it exceeds the above range, the drying rate is low, which is not preferable.
본 발명에 따른 전극 활물질 조성물과 세퍼레이타 형성용 조성물에 대하여 보다 상세하게 살펴보기로 한다.The electrode active material composition and the composition for forming the separator according to the present invention will be described in more detail.
본 발명의 전극 활물질 조성물은 전극 활물질, 도전제, 결합제, 가소제 및 용매를 포함한다. 여기에서 전극 활물질, 도전제, 결합제, 가소제는 리튬 이온 폴리머 전지에서 통상적으로 사용되는 물질이며, 그 사용함량또한, 통상적인 수준이다. 전극 활물질의 구체적인 예로는 LiCoO2, LiMn2O3, 등과 같은 캐소드 활물질, 그래파이트, 흑연 등과 같은 애노드 활물질이 있다. 그리고 도전제로는 카본블랙 등이 있고 결합제의 예로는 비닐리덴플루오라이드(VdF)-헥사플루오로프로필렌(HFP) 코폴리머 등이 있고, 가소제의 예로는 디부틸 프탈레이트 등이 있다. The electrode active material composition of the present invention contains an electrode active material, a conductive agent, a binder, a plasticizer and a solvent. Herein, the electrode active material, the conductive agent, the binder, and the plasticizer are materials commonly used in lithium ion polymer batteries, and their content is also at a normal level. Specific examples of the electrode active material include a cathode active material such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 3 , and the like, and an anode active material such as graphite and graphite. Examples of the conductive agent include carbon black and the like, and examples of the binder include vinylidene fluoride (VdF) -hexafluoropropylene (HFP) copolymer. Examples of the plasticizer include dibutyl phthalate.
그리고 세퍼레이타 조성물은 고분자 수지, 가소제 및 용매를 포함한다. 여기 에서 고분자 수지, 가소제는 리튬 이온 폴리머 전지에서 통상적으로 사용되는 물질이라면 모두 다 사용가능하고, 그 사용함량도 통상적인 수준이다. 상기 고분자 수지의 예로는 VdF-HFP 코폴리머, 폴리비닐리덴 플루오라이드 등이 있고, 가소제의 예는 전극의 경우와 동일하다. 경우에 따라서는 세퍼레이타의 기계적 강도를 높이기 위하여 세퍼레이타 조성물에 충진제를 더 부가하기도 한다. 여기에서 충진제의 예는 실리카, 카올린 등이 있다.And the separator composition comprises a polymer resin, a plasticizer and a solvent. Herein, the polymer resin and the plasticizer may be used as long as they are materials commonly used in lithium ion polymer batteries, and the amount of their use is also normal. Examples of the polymer resin include VdF-HFP copolymer, polyvinylidene fluoride, and the like, and examples of the plasticizer are the same as those of the electrode. In some cases, a filler may be further added to the separator composition in order to increase the mechanical strength of the separator. Examples of the filler here include silica, kaolin and the like.
상시 전극 활물질 조성물 및 세퍼레이타 조성물에서 사용하는 용매는 이미 언급한 바와 같이 N-메틸피롤리돈(NMP)과 아세톤의 혼합용매 또는 N-메틸피롤리돈과 메틸에틸케톤의 혼합용매를 사용한다. As the solvent used in the constant electrode active material composition and the separator composition, a mixed solvent of N-methylpyrrolidone (NMP) and acetone or a mixed solvent of N-methylpyrrolidone and methyl ethyl ketone, as mentioned above, is used. .
한편, 상기 전극 활물질 조성물과 세퍼레이타 조성물을 이용하여 리튬 이온 폴리머 전지를 제조하는 방법을 살펴보면 다음과 같다.Meanwhile, a method of manufacturing a lithium ion polymer battery using the electrode active material composition and the separator composition will be described below.
먼저, 애노드 집전체상에 애노드 활물질, 가소제, 결합제, 도전제 및 용매를 함유하여 된 애노드 활물질 조성물을 직접적으로 코팅 및 건조하여 애노드 집전체의 상부에 애노드 활물질층을 형성하여 애노드를 제조한다. 이 때 건조온도는 50 내지 100℃에서 이루어진다. 여기에서 건조온도가 50℃ 미만인 경우에는 N-메틸피롤리돈 등과 같은 용매가 충분하게 건조되지 않고 100℃를 초과하는 경우에는 전극 활물질 조성물내의 가소제 등과 같은 유기물이 열에 의하여 변화를 일으키므로 바람직하지 못하다. 그리고 애노드 집전체는 구리 포일, 익스팬디드 메탈, 펀치드 메탈 등이 모두 다 가능하며, 특별히 제한되지 않는다.First, the anode active material composition containing an anode active material, a plasticizer, a binder, a conductive agent, and a solvent is directly coated and dried on the anode current collector to form an anode active material layer on top of the anode current collector to manufacture an anode. At this time, the drying temperature is made from 50 to 100 ℃. If the drying temperature is less than 50 ° C, solvents such as N-methylpyrrolidone and the like are not sufficiently dried. If the temperature is above 100 ° C, organic substances such as plasticizers in the electrode active material composition change due to heat, which is not preferable. . The anode current collector may be a copper foil, an expanded metal, a punched metal, or the like, and is not particularly limited.
이와 별도로, 캐소드 집전체에 캐소드 활물질, 가소제, 결합제, 도전제 및 용매를 함유하여 된 캐소드 활물질 조성물을 직접적으로 코팅 및 건조하여 캐소드 집전체의 양면에 캐소드 활물질층을 형성하여 캐소드를 제조한다. 이 때 건조온도는 애노드의 경우와 마찬가지로 50 내지 100℃에서 이루어진다. 그리고 캐소드집전체는 알루미늄 익스팬디드 메탈 또는 알루미늄 펀치드 메탈인 것이 바람직하며, 이는 이미 언급한 바와 같이 후속의 전극 조립체로부터의 가소제 추출공정을 한 번으로 처리하기 위해서이다.Separately, a cathode is prepared by directly coating and drying a cathode active material composition containing a cathode active material, a plasticizer, a binder, a conductive agent, and a solvent on the cathode current collector to form cathode active material layers on both sides of the cathode current collector. At this time, the drying temperature is made at 50 to 100 ℃ as in the case of the anode. And the cathode current collector is preferably aluminum expanded metal or aluminum punched metal, as already mentioned for the purpose of treating the plasticizer extraction process from subsequent electrode assemblies in one step.
이어서, 상기 애노드의 양 면에, 고분자 수지, 가소제, 및 용매를 함유하여된 세퍼레이타 조성물을 직접적으로 코팅 및 건조한다. 이 때 건조온도는 전극의 경우와 마찬가지로 50 내지 100℃에서 이루어지는 것이 바람직하다.Then, on both sides of the anode, the separator composition containing the polymer resin, the plasticizer, and the solvent is directly coated and dried. At this time, the drying temperature is preferably made at 50 to 100 ℃ as in the case of the electrode.
그 후, 상기 결과물 상부에 상기 캐소드를 밀착시킨다음, 건조하였다. 이어서, 얻어진 전극판을 소정 크기로 절단하여 도 2에 도시된 바와 같은 바이셀(bicell) 구조체를 형성한다.Thereafter, the cathode was brought into close contact with the upper portion of the resultant and then dried. Subsequently, the obtained electrode plate is cut to a predetermined size to form a bicell structure as shown in FIG. 2.
가소제 추출용매로서 메탄올이나 에테르 등의 유기용매를 이용하여 상기 바이셀로부터 가소제를 완전히 제거한 다음, 건조한다.The plasticizer is completely removed from the bicell using an organic solvent such as methanol or ether as a plasticizer extraction solvent and then dried.
그 후, 얻어진 셀을 진공조건, 상온에서 건조하고 나서, 이를 열에 의하여 실링될 수 있는 플라스틱 백에 넣는다. 이후, 아르곤 가스 분위기하에서 상기 결과물에 전해액을 주입함으로써 리튬 이온 폴리머 전지를 완성한다. 여기에서 전해액은 유기용매와 리튬염으로 구성되는데, 유기용매로는 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate: PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate: EC), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), 1,3-디옥소란(1,3-dioxolane), 디메톡시에 탄(dimethoxyethane), 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate: DMC) 및 디에틸카보네이트(diethylcarbonate: DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate: MEC), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran: THF), 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide) 및 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르(polyethyleneglycol dimethylether)중에서 선택된 적어도 1종의 용매를 사용한다. 그리고 용매의 함량은 리튬 이온 폴리머 전지에서 사용하는 통상적인 수준이다.Thereafter, the obtained cell is dried under vacuum conditions and room temperature, and then placed in a plastic bag that can be sealed by heat. Thereafter, an electrolyte is injected into the resultant product under an argon gas atmosphere to complete a lithium ion polymer battery. Here, the electrolyte is composed of an organic solvent and a lithium salt. The organic solvent includes propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), γ-butyrolactone, 1,3- Dioxolane (1,3-dioxolane), dimethoxyethane, dimethylcarbonate (DMC) and diethylcarbonate (DEC), methylethylcarbonate (MEC), tetrahydrofuran (tetrahydrofuran) THF), at least one solvent selected from dimethylsulfoxide and polyethyleneglycol dimethylether is used. And the content of the solvent is the usual level used in lithium ion polymer battery.
리튬염으로는 유기용매중에서 해리되어 리튬 이온을 내는 리튬 화합물이라면 특별히 제한되지는 않으며, 그 구체적인 예로서 과염소산 리튬(lithium perchlorate, LiClO4), 사불화붕산 리튬(lithium tetrafluoroborate, LiBF4), 육불화인산 리튬(lithium hexafluorophosphate, LiPF6), 삼불화메탄술폰산 리튬(lithium trifluoromethansulfonate, LiCF3SO3) 및 리튬 비스트리플루오로메탄술포닐아미드(lithium bistrifluoromethansulfonylamide. LiN(CF3SO2)2)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 이온성 리튬염을 사용하고 그 함량은 리튬 이온 폴리머 전지에서 사용하는 통상적인 수준이다. 이러한 무기염을 함유하는 유기전해액이 전극 구조체안에 투입되면 전류의 방향에 따라 리튬 이온을 이동시키는 경로로서 작용하게 된다. The lithium salt is not particularly limited as long as it is a lithium compound that dissociates in an organic solvent to give lithium ions. Specific examples thereof include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), and hexafluoride. Group consisting of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium trifluoromethansulfonate (LiCF 3 SO 3 ) and lithium bistrifluoromethansulfonylamide.LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ) At least one ionic lithium salt selected from is used and its content is at a typical level used in lithium ion polymer cells. When the organic electrolyte solution containing such an inorganic salt is introduced into the electrode structure, it acts as a path for moving lithium ions in the direction of the current.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the following examples, but the present invention is not limited only to the following examples.
실시예 1Example 1
캐소드 활물질 조성물은, LiCoO2 200g, 슈퍼피(SP)(MMM. carbon. Belglurn) 10g 및 그래파이트 10g을 혼합한 다음, 여기에 카이나 플렉스 2801(Kynar Flex 2801)(Elf-Atochem사) 24.6g, 8:2 중량비의 아세톤과 NMP의 혼합용매 221.39g 및 디부틸프탈레이트 46.2g의 혼합물을 부가하여 충분히 혼합하여 제조하였다. 이를 알루미늄 익스팬디드 메탈의 양면에 직접 스프레이 코팅한 다음, 상온, 50℃ 또는 90℃에서 건조하여 캐소드를 제조하였다. 이 때 코팅된 활물질 조성물의 건조 시간을 측정하고, 캐소드 활물질 조성물의 점도와 알루미늄 익스팬디드 메탈과 캐소드 활물질층의 접착력 상태를 조사하였다.The cathode active material composition was mixed with 200 g of LiCoO 2 , 10 g of Superfine (SP) (MMM.carbon.Belglurn) and 10 g of graphite, followed by 24.6 g of Kynar Flex 2801 (Elf-Atochem). A mixture of 221.39 g of a mixed solvent of acetone and NMP in an 8: 2 weight ratio and 46.2 g of dibutyl phthalate was added to prepare a sufficiently mixed solution. It was directly spray-coated on both sides of the aluminum expanded metal, and then dried at room temperature, 50 ℃ or 90 ℃ to prepare a cathode. At this time, the drying time of the coated active material composition was measured, and the viscosity of the cathode active material composition and the adhesion state between the aluminum expanded metal and the cathode active material layer were investigated.
실시예 2Example 2
아세톤과 NMP의 중량비가 8:2 대신 7:3인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was conducted except that the weight ratio of acetone and NMP was 7: 3 instead of 8: 2.
실시예 3Example 3
아세톤과 NMP의 중량비가 8:2 대신 6:4인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that the weight ratio of acetone and NMP was 6: 4 instead of 8: 2.
실시예 4Example 4
8:2 중량비의 아세톤과 NMP 대신 중량비가 3:7인 NMP와 MEK를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was conducted except that NMP and MEK having a weight ratio of 3: 7 were used instead of acetone and NMP at an 8: 2 weight ratio.
실시예 5Example 5
8:2 중량비의 아세톤과 NMP 대신 중량비가 4:6인 NMP와 MEK를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that NMP and MEK having a weight ratio of 4: 6 were used instead of acetone and NMP at an 8: 2 weight ratio.
실시예 6Example 6
8:2 중량비의 아세톤과 NMP 대신 중량비가 8:2인 아세톤과 NMP를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was conducted except that acetone and NMP having a weight ratio of 8: 2 were used instead of acetone and NMP at an 8: 2 weight ratio.
실시예 7Example 7
MCMB 200g과 카이나 플렉스 2801(Kynar Flex 2801) 24.6g을 8:2 중량비의 아세톤과 NMP의 혼합용매 221.39g 및 디부틸 프탈레이트 46.2g과 혼합하였다. 이 혼합물에 슈퍼피 10g과 그래파이트 10g 부가하고 나서 이를 충분히 혼합하여 애노드 활물질 조성물을 제조하였다.200 g of MCMB and 24.6 g of Kynar Flex 2801 were mixed with 221.39 g of a mixed solvent of acetone and NMP in an 8: 2 weight ratio and 46.2 g of dibutyl phthalate. 10 g of superpies and 10 g of graphite were added to the mixture, followed by sufficient mixing to prepare an anode active material composition.
상기 애노드 활물질 조성물을 구리 익스팬디드 메탈의 양면에 스프레이 코팅 및 60℃에서 건조하여 애노드를 제조하였다.The anode active material composition was spray coated on both sides of the copper expanded metal and dried at 60 ° C. to produce an anode.
카이나 플렉스 2801(Kynar Flex 2801) 24.6g을 8:2 중량비의 아세톤과 NMP의 혼합용매 221.39g 및 디부틸 프탈레이트 46.2g과 혼합하였다. 이 혼합물에 슈퍼피 10g과 그래파이트 10과 LiCoO2 200g를 부가하고 나서 이를 충분히 혼합하여 캐소드 활물질 조성물을 제조하였다.24.6 g of Kynar Flex 2801 was mixed with 221.39 g of a mixed solvent of acetone and NMP in an 8: 2 weight ratio and 46.2 g of dibutyl phthalate. 10 g of SuperP, graphite 10, and 200 g of LiCoO 2 were added to the mixture, followed by sufficient mixing to prepare a cathode active material composition.
상기 캐소드 활물질 조성물을 알루미늄 익스팬디드 메탈의 양면에 스프레이 코팅 및 60℃에서 건조하여 캐소드를 제조하였다. The cathode active material composition was spray coated on both sides of aluminum expanded metal and dried at 60 ° C. to prepare a cathode.
이와 별도로, 88:12 VdF:HFP 코폴리머(Solvay 51216) 60g을 8:2 중량비의 아세톤과 NMP의 혼합용매 394g 및 디부틸 프탈레이트 80g과 혼합하여 세퍼레이타 조 성물을 제조하였다.Separately, 60 g of 88:12 VdF: HFP copolymer (Solvay 51216) was mixed with 394 g of a mixed solvent of acetone and NMP in an 8: 2 weight ratio and 80 g of dibutyl phthalate to prepare a separator composition.
상기 세퍼레이타 조성물을 상기 애노드의 양면에 코팅 및 건조하였다. The separator composition was coated and dried on both sides of the anode.
이 결과물 상부에 세퍼레이타 조성물을 재코팅하고 그 위에 상기 캐소드를 밀착시킨 다음, 건조하였다. 이어서, 얻어진 전극판을 소정 크기로 절단하여 바이셀(bicell)을 제조하였다.The separator composition was recoated on top of the resultant, the cathode was brought into close contact therewith, and dried. Subsequently, the obtained electrode plate was cut to a predetermined size to produce a bicell.
가소제 추출용매로서 에테르를 이용하여 상기 바이셀로부터 디부틸 프탈레이트를 완전히 제거한 다음, 건조하였다.Dibutyl phthalate was completely removed from the bicell using ether as a plasticizer extraction solvent and then dried.
그 후, 얻어진 셀을 진공조건, 50℃의 온도에서 1시간동안 건조하고 나서, 이를 열에 의하여 실링될 수 있는 플라스틱 백에 넣었다. 이후, 아르곤 가스 분위기하에서 상기 결과물에 전해액(Merck사, 1M LiPF6 in EC:DMC:DEC=1:1:1)을 주입함으로써 리튬 이온 폴리머 전지를 완성하였다.Thereafter, the obtained cell was dried for 1 hour at a temperature of 50 ° C. under vacuum, and then placed in a plastic bag that can be sealed by heat. Thereafter, an electrolyte solution (Merck, 1M LiPF 6 in EC: DMC: DEC = 1: 1: 1) was injected into the resultant under argon gas atmosphere to complete a lithium ion polymer battery.
실시예 8Example 8
캐소드 활물질 조성물, 애노드 활물질 조성물 및 세퍼레이타 조성물에 있어서, 용매로서 7:3 중량비의 아세톤과 NMP의 혼합용매가 사용된 것을 제외하고는, 실시예 7과 동일한 방법에 따라 리튬 이온 폴리머 전지를 완성하였다.In the cathode active material composition, the anode active material composition, and the separator composition, a lithium ion polymer battery was completed in the same manner as in Example 7, except that a mixed solvent of acetone and NMP in a 7: 3 weight ratio was used as the solvent. It was.
실시예 9Example 9
캐소드 활물질 조성물, 애노드 활물질 조성물 및 세퍼레이타 조성물에 있어서, 용매로서 6:4 중량비의 아세톤과 NMP의 혼합용매가 사용된 것을 제외하고는, 실시예 7과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬 이온 폴리머 전지를 완성하였다.In the cathode active material composition, the anode active material composition and the separator composition, a lithium ion polymer battery was carried out in the same manner as in Example 7 except that a mixed solvent of acetone and NMP in a 6: 4 weight ratio was used as the solvent. To complete.
실시예 10Example 10
캐소드 활물질 조성물, 애노드 활물질 조성물 및 세퍼레이타 조성물에 있어서, 용매로서 중량비가 3:7인 NMP와 MEK의 혼합용매가 사용된 것을 제외하고는, 실시예 7과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬 이온 폴리머 전지를 완성하였다.In the cathode active material composition, the anode active material composition and the separator composition, a lithium ion polymer was prepared in the same manner as in Example 7 except that a mixed solvent of NMP and MEK having a weight ratio of 3: 7 was used as the solvent. The cell was completed.
실시예 11Example 11
캐소드 활물질 조성물, 애노드 활물질 조성물 및 세퍼레이타 조성물에 있어서, 용매로서 중량비가 4:6인 NMP와 MEK의 혼합용매가 사용된 것을 제외하고는, 실시예 7과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬 이온 폴리머 전지를 완성하였다.In the cathode active material composition, the anode active material composition and the separator composition, a lithium ion polymer was prepared in the same manner as in Example 7 except that a mixed solvent of NMP and MEK having a weight ratio of 4: 6 was used as a solvent. The cell was completed.
실시예 12Example 12
캐소드 활물질 조성물, 애노드 활물질 조성물 및 세퍼레이타 조성물에 있어서, 용매로서 중량비가 8:2인 아세톤과 NMP의 혼합용매가 사용된 것을 제외하고는, 실시예 7과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬 이온 폴리머 전지를 완성하였다.In the cathode active material composition, the anode active material composition, and the separator composition, a lithium ion polymer was prepared in the same manner as in Example 7 except that a mixed solvent of acetone and NMP having a weight ratio of 8: 2 was used as the solvent. The cell was completed.
비교예 1Comparative Example 1
8:2 중량비의 아세톤과 NMP 대신 아세톤 단일용매를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that acetone single solvent was used instead of acetone in an 8: 2 weight ratio and NMP.
비교예 2Comparative Example 2
8:2 중량비의 아세톤과 NMP 대신 5:5 중량비의 아세톤:MEK를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was conducted except that 5: 5 weight ratio of acetone: MEK was used instead of 8: 2 weight ratio of acetone and NMP.
비교예 3Comparative Example 3
8:2 중량비의 아세톤과 NMP 대신 6:4 중량비의 NMP:MEK를 사용하는 것을 제 외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that 6: 4 weight ratio of NMP: MEK was used instead of 8: 2 weight ratio of acetone and NMP.
비교예 4Comparative Example 4
8:2 중량비의 아세톤과 NMP 대신 NMP 단일 용매를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that an NMP single solvent was used instead of acetone and NMP in an 8: 2 weight ratio.
비교예 5Comparative Example 5
8:2 중량비의 아세톤과 NMP 대신 7:3 중량비의 아세톤과 MIBK의 혼합용매를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that a mixed solvent of acetone and MIBK in a 7: 3 weight ratio was used instead of the acetone and NMP in a 8: 2 weight ratio.
비교예 6Comparative Example 6
8:2 중량비의 아세톤과 NMP 대신 3:7 중량비의 아세톤과 NMP의 혼합용매를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that a mixed solvent of acetone and NMP in a 3: 7 weight ratio was used instead of the acetone and NMP in a 8: 2 weight ratio.
상기 실시예 1-6 및 비교예 1-6에 있어서, 코팅된 캐소드 활물질 조성물의 건조시간과, 캐소드 활물질 조성물의 점도 특성과, 캐소드 활물질 조성물층의 접착력 상태를 하기 표 1에 나타내었다.In Examples 1-6 and Comparative Examples 1-6, the drying time of the coated cathode active material composition, the viscosity characteristics of the cathode active material composition, and the adhesion state of the cathode active material composition layer are shown in Table 1 below.
상기 표 1의 결과로부터, NMP만을 사용하는 경우(비교예 5)에는 건조속도가 느려서 일 면의 코팅 영역을 용해하면서 건조되어 코팅후 극판 표면에 미세한 구멍이 파이는 현상이 나타나며, 아세톤만을 사용하는 경우(비교예 1)에는 코팅성은 양호하나 건조후 활물질층이 알루미늄 익스팬디드 메탈로부터 박리되는 현상이 발생되었다. From the results of Table 1, when only NMP is used (Comparative Example 5), the drying speed is slow, and the coating area on one side is dried while being dried, so that fine pores are formed on the surface of the electrode plate after coating, and only acetone is used. In the case (Comparative Example 1), the coating property was good, but after drying, a phenomenon in which the active material layer was peeled from the aluminum expanded metal occurred.
반면, 아세톤과 NMP 혼합용매가 6:4인 경우(실시예 3), 7:3인 경우 (실시예 2) 그리고 8:2인 경우(실시예 6), 모두 코팅성은 양호하지만, 아세톤과 NMP의 중량비가 6:4인 경우에는 건조속도가 느리고, 8:2인 경우에는 결합력이 아세톤과 NMP 혼합용매의 중량비가 7:3인 경우에 비하여 저하되었다. 따라서 아세톤과 NMP의 중량비가 7:3인 경우가 가장 바람직한 결과를 나타냈다.On the other hand, when the acetone and NMP mixed solvent is 6: 4 (Example 3), 7: 3 (Example 2) and 8: 2 (Example 6), both have good coating properties, but acetone and NMP When the weight ratio is 6: 4, the drying rate is slow, and when the weight ratio is 8: 2, the bonding strength is lower than when the weight ratio of the acetone and NMP mixed solvent is 7: 3. Therefore, the best ratio was obtained when the weight ratio of acetone and NMP was 7: 3.
또한, 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 상기 실시예 1-6 및 비교예 1-6에 따라 제조된 활물질층의 표면상태를 조사하였다. In addition, the surface state of the active material layer prepared according to Example 1-6 and Comparative Example 1-6 was examined using a scanning electron microscope (SEM).
그 결과, 용매로서 아세톤 단일 용매를 사용한 경우(비교예 1), 5:5 중량비의 아세톤과 MEK의 혼합용매(비교예 2), 7:3 중량비의 아세톤과 MIBK를 사용한 경 우(비교예 5)에는 결합제가 불균일하게 분포됨을 알 수 있었다. 그리고 용매로서 NMP 단일용매를 사용한 경우(비교예 4)와 3:7 중량비의 아세톤과 NMP의 혼합용매(비교예 5), 6:4 중량비의 NMP와 MEK의 혼합용매를 사용한 경우(비교예 3)에는 건조속도가 느려서 알루미늄 익스팬디드 메탈의 양면에 활물질 조성물이 골고루 코팅되어 있고 결합제도 균일하게 골고루 분산되어 있는 반면, 건조속도가 너무 느려서 양산하기가 부적합하였다. As a result, when acetone single solvent was used (Comparative Example 1), a mixed solvent of acetone and MEK in a 5: 5 weight ratio (Comparative Example 2), and acetone and MIBK in a 7: 3 weight ratio were used (Comparative Example 5 ), It was found that the binder is unevenly distributed. And when NMP single solvent was used (Comparative Example 4) and a mixed solvent of acetone and NMP in a 3: 7 weight ratio (Comparative Example 5), and a mixed solvent of NMP and MEK in a 6: 4 weight ratio (Comparative Example 3) ), The active material composition is uniformly coated on both sides of the aluminum expanded metal and the binder is evenly dispersed evenly, while the drying speed is too slow to produce mass.
반면, 아세톤과 NMP가 중량비가 7:3인 경우(실시예 2)에는 직접 코팅에 필요한 건조속도를 가지고 있고 결합제가 알루미늄 익스팬디드 메탈의 양면에 골고루 분산되어 있음을 확인할 수 있었다.On the other hand, when the weight ratio of acetone and NMP is 7: 3 (Example 2), it has a drying rate required for direct coating, it was confirmed that the binder is evenly distributed on both sides of the aluminum expanded metal.
한편, 상기 실시예 8-12에 있어서, 전극 상부에 세퍼레이타 조성물을 코팅하고, 코팅된 세퍼레이타 조성물의 건조시간을 측정한 결과, 실시예 1-7의 경우와 거의 유사한 결과를 나타냈다. 그리고 세퍼레이타 조성물의 점도와 전극과 세퍼레이타간의 접착력을 각각 측정하였고, 그 결과 또한 전극 형성시와 거의 동일한 결과를 나타낸다는 것을 확인할 수 있었다.On the other hand, in Example 8-12, the separator composition was coated on the electrode, and the drying time of the coated separator composition was measured. The results were almost similar to those of Example 1-7. And the viscosity of the separator composition and the adhesion between the electrode and the separator were measured, respectively, and the results also confirmed that the results were almost the same as when forming the electrode.
본 발명에 따르면, 리튬 이온 폴리머 전지의 전극 활물질 조성물 및 세퍼레이타 조성물 제조시 아세톤 단일 용매를 사용한 경우에 비하여 조성물의 점도 조절하기가 보다 용이해져서 코팅성을 개선시킬 수 있다. 그리고 집전체의 양 면에 전극 활물질 조성물을 직접적으로 코팅할 수 있을 뿐만 아니라 전극 상부에 세퍼레이타 조성물을 직접적으로 코팅할 수 있게 되어 제조 공정 단계수가 대폭적으로 감소 된다. 그리고 집전체와 활물질층간의 접착력과 전극과 세퍼레이타간의 접착력이 개선된다.According to the present invention, it is easier to control the viscosity of the composition compared to the case where acetone single solvent is used to prepare the electrode active material composition and the separator composition of the lithium ion polymer battery, thereby improving coating property. In addition, the electrode active material composition may be directly coated on both sides of the current collector, and the separator composition may be directly coated on the electrode, thereby greatly reducing the number of manufacturing process steps. The adhesion between the current collector and the active material layer and the adhesion between the electrode and the separator are improved.
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