KR102672237B1 - Anode for lithium secondary battery and methode of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 예시적인 실시예들은 자기장에 의해 상기 집전체 평명에 수직 방향으로 배열된 인조 흑연을 포함하며, 상기 집전체 상에 코팅된 음극 활물질 층을 포함한다. 상기 리튬 이차전지용 음극은 적용 시 수명 및 고온저장 특성의 저하 없이 충방전 출력, 급속 충전과 같은 전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있다.Exemplary embodiments of the present invention include artificial graphite arranged in a direction perpendicular to the current collector plate by a magnetic field, and a negative electrode active material layer coated on the current collector. When applied, the negative electrode for lithium secondary batteries can improve battery output characteristics such as charge/discharge output and rapid charging without deteriorating lifespan and high-temperature storage characteristics.
Description
본 발명은 리튬 이차 전지용 음극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary battery and a method of manufacturing the same.
이차 전지는 충전 및 방전이 반복 가능한 전지로서, 정보 통신 및 디스플레이 산업의 발전에 따라, 캠코더, 휴대폰, 노트북PC 등과 같은 휴대용 전자통신 기기들의 동력원으로 널리 적용되고 있다. 또한, 최근에는 하이브리드 자동차와 같은 친환경 자동차의 동력원으로서도 이차 전지를 포함한 전지 팩이 개발 및 적용되고 있다.Secondary batteries are batteries that can be repeatedly charged and discharged, and with the development of the information and communication and display industries, they are widely used as a power source for portable electronic communication devices such as camcorders, mobile phones, and laptop PCs. Additionally, recently, battery packs including secondary batteries have been developed and applied as a power source for eco-friendly vehicles such as hybrid vehicles.
이차 전지로서 예를 들면, 리튬 이차 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지 등을 들 수 있으며, 이들 중 리튬 이차 전지가 작동 전압 및 단위 중량당 에너지 밀도가 높으며, 충전 속도 및 경량화에 유리하다는 점에서 활발히 연구 개발이 진행되고 있다.Examples of secondary batteries include lithium secondary batteries, nickel-cadmium batteries, and nickel-hydrogen batteries. Among these, lithium secondary batteries have high operating voltage and energy density per unit weight, and are advantageous for charging speed and weight reduction. In this regard, active research and development is underway.
리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 분리막(세퍼레이터)을 포함하는 전극 조립체, 및 상기 전극 조립체를 함침시키는 전해질을 포함할 수 있다. 상기 리튬 이차 전지는 상기 전극 조립체 및 전해질을 수용하는 예를 들면, 파우치 형태의 외장재를 더 포함할 수 있다.A lithium secondary battery may include an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator, and an electrolyte impregnating the electrode assembly. The lithium secondary battery may further include an exterior material, for example in the form of a pouch, that accommodates the electrode assembly and the electrolyte.
예를 들면, 리튬 이차전지는 리튬이온을 흡장 및 방출할 수 있는 탄소재 등의 음극, 리튬 함유 산화물 등으로 된 양극 및 혼합 유기용매에 리튬염이 적당량 용해된 비수 전해액을 포함할 수 있다.For example, a lithium secondary battery may include a negative electrode made of a carbon material capable of storing and releasing lithium ions, a positive electrode made of a lithium-containing oxide, and a non-aqueous electrolyte solution in which an appropriate amount of lithium salt is dissolved in a mixed organic solvent.
한편, 음극에 쓰이는 음극 활물질로는 비정질 탄소 또는 결정질 탄소가 사용되고 있으며, 이 중에서도 결정질 탄소가 용량이 높아 주로 사용되고 있다. 이러한 결정질 탄소로는 천연흑연, 인조 흑연 등이 있다. Meanwhile, amorphous carbon or crystalline carbon is used as the negative electrode active material used in the negative electrode, and among these, crystalline carbon is mainly used because of its high capacity. Such crystalline carbon includes natural graphite and artificial graphite.
인조 흑연의 경우 구조적 안정성 및 수명 안정성에 유리하지만, 판상형 입자들이 기재와 수평방향으로 랜덤하게 배열되어 리튬 이온의 이동거리를 증가시켜 전지의 충전 및 방전 성능에는 불리한 경향이 있다.In the case of artificial graphite, it is advantageous for structural stability and lifetime stability, but the plate-shaped particles are randomly arranged in a horizontal direction with the substrate, increasing the movement distance of lithium ions, which tends to be disadvantageous for the charging and discharging performance of the battery.
예를 들면, 한국공개특허 제10-2005-0004930호는 인조 흑연을 포함하는 음극 활물질에 관한 기술을 개시하고 있으나, 방전용량이나 출력 등의 개선에는 한계가 있을 수 있다.For example, Korea Patent Publication No. 10-2005-0004930 discloses technology regarding a negative electrode active material containing artificial graphite, but there may be limitations in improving discharge capacity or output.
본 발명은 전지에 적용 시 용량 및 수명 특성의 저하 없이 충방전 성능이 우수한 리튬 이차 전지용 음극을 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a negative electrode for lithium secondary batteries that has excellent charge and discharge performance without deterioration in capacity and lifespan characteristics when applied to batteries.
또한, 본 발명은 상기 리튬 이차 전지용 음극을 포함하는 리튬 이차 전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Additionally, the present invention aims to provide a lithium secondary battery including the negative electrode for the lithium secondary battery and a method for manufacturing the same.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 음극은 집전체 및 상기 집전체 상에 코팅되며 자기장에 의해 상기 집전체 평면에 수직 방향으로 배열된 인조 흑연을 포함하는 음극 활물질 층을 포함하며, 상기 음극 활물질 층의 색차계 값이 50 내지 70일 수 있다.A negative electrode for a lithium secondary battery according to exemplary embodiments of the present invention includes a current collector and a negative electrode active material layer including artificial graphite coated on the current collector and arranged in a direction perpendicular to the plane of the current collector by a magnetic field, The colorimetric value of the negative electrode active material layer may be 50 to 70.
일부 실시예들에 있어서, 상기 자기장은 그 자기력선이 상기 음극 활물질 층을 수직방향으로 관통하도록 배치될 수 있다.In some embodiments, the magnetic field may be arranged so that the magnetic field lines penetrate the anode active material layer in a vertical direction.
일부 실시예들에 있어서, 상기 인조 흑연은 하기 식 1로 나타낸 방위 배열 값이 0.05 내지 0.5 이하일 수 있다.In some embodiments, the artificial graphite may have an orientation value expressed in Equation 1 below of 0.05 to 0.5.
[식 1] [Equation 1]
(위 식 1에서, Ah는 방위 배열 값이고, R0는 타원체 축의 비율로 R0값이 1일 때 방위 배열이 없으며, θ는 X선 회절 분석법에 의해 측정된 상기 집전체와 상기 인조 흑연이 이루는 각도(radian)이며, M은 다중도 인자이고 n은 시행 횟수임).(In Equation 1 above, Ah is the orientation arrangement value, R 0 is the ratio of the ellipsoid axis, and when R 0 is 1, there is no orientation arrangement, and θ is the ratio of the current collector and the artificial graphite measured by X-ray diffraction analysis. is the angle (radians) formed, M is the multiplicity factor and n is the number of trials.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법은 인조 흑연 입자를 포함하는 음극 슬러리를 제조하는 공정, 상기 음극 슬러리를 집전체 상에 도포하여 음극 슬러리 포함 집전체를 형성하는 공정, 및 상기 음극 슬러리 포함 집전체를 자기장에 도입하여 상기 인조 흑연 입자의 (002)면을 상기 집전체에 수직으로 배향시키는 공정을 포함할 수 있다.A method of manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery according to exemplary embodiments of the present invention includes a process of producing a negative electrode slurry containing artificial graphite particles, and a process of forming a current collector containing the negative electrode slurry by applying the negative electrode slurry onto a current collector. , and a process of introducing the current collector containing the negative electrode slurry into a magnetic field to orient the (002) plane of the artificial graphite particles perpendicular to the current collector.
일부 실시예들에 있어서, 상기 음극 슬러리 포함 집전체의 자기장 도입 전 측정된 색차계 값은 56.5 이하일 수 있다.In some embodiments, a colorimeter value measured before introducing a magnetic field to the current collector containing the negative electrode slurry may be 56.5 or less.
일부 실시예들에 있어서, 상기 배향시키는 공정 후 측정된 색차계 값은 50 이상일 수 있다.In some embodiments, the colorimeter value measured after the orientation process may be 50 or more.
일부 실시예들에 있어서, 상기 배향시키는 공정 후 가압하는 공정을 더 포함할 수 있다.In some embodiments, a pressurizing process may be further included after the orientation process.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차전지는 상기 리튬 이차 전지용 음극, 양극 및 상기 리튬 이차 전지 음극과 양극 사이에 개재된 분리막을 포함할 수 있다.Lithium secondary batteries according to exemplary embodiments of the present invention may include a negative electrode for a lithium secondary battery, a positive electrode, and a separator interposed between the negative electrode and the positive electrode of the lithium secondary battery.
본 발명에 따른 리튬 이차 전지용 음극은 전지에 적용 시 충방전 출력, 급속 충전 특성과 같은 전지의 출력 특성을 개선한다.The anode for a lithium secondary battery according to the present invention improves battery output characteristics such as charge/discharge output and fast charging characteristics when applied to a battery.
또한, 본 발명에 따른 리튬 이차 전지용 음극은 전지에 적용 시 전지의 수명 및 고온저장 특성이 우수하다.In addition, the anode for a lithium secondary battery according to the present invention has excellent battery life and high-temperature storage characteristics when applied to a battery.
도 1은 예시적인 리튬 이차 전지용 음극의 구조를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 2는 음극 활물질의 배향 공정을 수행한 리튬 이차 전지용 음극의 주사 전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 음극 활물질의 배향 공정을 수행하지 않은 리튬 이차 전지용 음극의 주사 전자현미경(SEM) 사진이다.1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an exemplary negative electrode for a lithium secondary battery.
Figure 2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a negative electrode for a lithium secondary battery that has undergone an orientation process of the negative electrode active material.
Figure 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a negative electrode for a lithium secondary battery without performing an orientation process of the negative electrode active material.
본 발명의 예시적인 실시예들은 집전체, 및 상기 집전체 상에 코팅되며 자기장에 의해 상기 집전체 평면에 수직 방향으로 배열된 인조 흑연을 포함하는 음극 활물질 층을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다. 상기 리튬 이차전지용 음극은 전지에 적용 시 수명 및 고온저장 특성의 저하 없이 충방전 출력, 급속 충전 특성과 같은 전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있다.Exemplary embodiments of the present invention provide a negative electrode for a lithium secondary battery including a current collector and a negative electrode active material layer including artificial graphite coated on the current collector and aligned in a direction perpendicular to the plane of the current collector by a magnetic field. . When applied to a battery, the negative electrode for a lithium secondary battery can improve battery output characteristics such as charge/discharge output and fast charging characteristics without deteriorating lifespan and high-temperature storage characteristics.
이하, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described. However, this is only an example and the present invention is not limited thereto.
<음극><Cathode>
천연흑연을 음극 활물질로 사용하게 될 경우 혼합과정에서 필터 막힘을 유발하거나 슬러리 분산성을 저하시키는 등 전극 공정상 문제가 발생할 수 있는데 반해, 인조 흑연은 이러한 문제가 적으며 천연흑연에 비해 수명, 고온저장 특성이 우수하다.When natural graphite is used as a negative electrode active material, problems may occur in the electrode process, such as causing filter clogging during the mixing process or reducing slurry dispersibility. However, artificial graphite has fewer such problems and has a longer lifespan and higher temperature than natural graphite. Excellent storage characteristics.
일반적으로, 리튬 이온 이차 전지용 음극의 활물질에 사용되는 인조 흑연의 경우 복수의 층을 가지는 층구조를 포함하고 그 복수의 층 사이로 리튬 이온이 삽입, 탈리되면서 충방전이 수행될 수 있는데, 이 경우에는 주로 흑연의 층 방향으로 리튬 이온의 삽입, 탈리가 이루어질 수 있어 출력 특성에 제한이 있을 수 있다.In general, artificial graphite, which is used as an active material for negative electrodes for lithium-ion secondary batteries, has a layer structure with a plurality of layers, and charging and discharging can be performed as lithium ions are inserted and desorbed between the plurality of layers. Insertion and desorption of lithium ions may occur mainly in the direction of the graphite layer, which may limit output characteristics.
흑연 입자의 (002)면 혹은 층면이 집전체 면에 평행한 방향으로 배향될 경우, 집전체의 면에 수직인 방향으로 삽입, 탈리 되는 리튬이온의 이동 경로가 길어질 수 있다. 따라서, 충방전시 음극 합제층에서 리튬 이온의 확산이 저하될 수 있으며 충방전 속도 및 용량이 감소할 수 있다.If the (002) plane or layer plane of the graphite particle is oriented in a direction parallel to the plane of the current collector, the movement path of lithium ions that are inserted and desorbed in the direction perpendicular to the plane of the current collector may be long. Therefore, during charging and discharging, the diffusion of lithium ions in the negative electrode mixture layer may be reduced, and the charging and discharging speed and capacity may be reduced.
도 1은 예시적인 리튬 이차 전지용 음극의 구조를 나타내는 개략적인 평면도이다. 예를 들면, 도 1에 나타난 붉은 선은 리튬 이온이 삽입, 탈리될 수 있는 이동 경로를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 흑연 입자의 (002)면이 집전체 면에 수직인 방향으로 배향될 경우, 리튬 이온이 삽입 및 탈리되는 경로가 단축될 수 있다.1 is a schematic plan view showing the structure of an exemplary negative electrode for a lithium secondary battery. For example, the red line shown in Figure 1 represents the movement path through which lithium ions can be inserted and desorbed. Referring to FIG. 1, when the (002) plane of the graphite particle is oriented in a direction perpendicular to the current collector plane, the path through which lithium ions are inserted and desorbed may be shortened.
이에 본 발명은 흑연 입자의 (002)면을 집전체 면에 수직인 방향으로 배향시키며, 음극 내부의 흑연의 배향도를 측정하는 수단으로 색차계값을 도입한다. Accordingly, the present invention orients the (002) plane of the graphite particles in a direction perpendicular to the current collector plane, and introduces a colorimetric value as a means of measuring the degree of orientation of the graphite inside the negative electrode.
본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 음극은, 자기장에 의해 상기 집전체 평면에 수직 방향으로 배열된 인조 흑연을 포함하는 음극 활물질 층을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 음극 활물질 층의 색차계 값은 50 내지 70일 수 있다. 바람직하게는, 상기 색차계 값이 50 내지 65일 수 있다. 상기 색차계 값이 50 이하일 경우, 상기 흑연 재료의 표면 구조가 불규칙한 형상을 나타낼 수 있으며 반복되는 충방전 시 상기 음극의 변형을 유발할 수 있다. 상기 색차계 값이 65이상일 경우, 판상구조를 갖는 인조 흑연이 상기 집전체 평면 방향에 수평방향으로 누워있는 배향을 가질 수 있으며 이에 따라 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 방해되므로 상기 음극을 전지에 적용 시 충방전 효율이 감소할 수 있다.The negative electrode for a lithium secondary battery according to embodiments of the present invention may include a negative electrode active material layer including artificial graphite arranged in a direction perpendicular to the current collector plane by a magnetic field. In this case, the colorimetric value of the negative electrode active material layer may be 50 to 70. Preferably, the colorimeter value may be 50 to 65. If the colorimeter value is 50 or less, the surface structure of the graphite material may have an irregular shape and may cause deformation of the cathode during repeated charging and discharging. When the colorimeter value is 65 or more, the artificial graphite having a plate-like structure may have an orientation lying horizontally in the direction of the current collector plane, and as a result, insertion and desorption of lithium ions are hindered when applying the negative electrode to a battery. Charging and discharging efficiency may decrease.
그 측정된 색차계 값이 50 내지 65일 수 있다.The measured colorimetric value may be 50 to 65.
이상임으로써, 전지에 적용 시 수명 및 고온저장 특성의 저하 없이 출력 특성이 우수할 수 있다. By being above this, when applied to a battery, output characteristics can be excellent without deterioration in lifespan and high-temperature storage characteristics.
상기 인조 흑연은 리튬 이온을 흡장 및 탈리하는 기능을 할 수 있는 형상이면 별다른 제한 없이 사용될 수 있으나, 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 기능 개선 측면에서 통상적으로 가로세로비(aspect ratio)가 20 이상일 수 있다. 따라서, 후술하는 본 발명의 제조 공정에 의해 타원형의 상기 인조 흑연 입자의 (002)면을 상기 집전체의 면에 수직한 방향으로 배향시킬 수 있다.The artificial graphite can be used without particular limitations as long as it has a shape capable of inserting and desorbing lithium ions. However, in terms of improving the function of the anode active material for lithium secondary batteries, the aspect ratio may typically be 20 or more. . Therefore, the (002) plane of the oval-shaped artificial graphite particle can be oriented in a direction perpendicular to the plane of the current collector by the manufacturing process of the present invention described later.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 자기장은 한 쌍의 자기장 발생 수단 사이에 상기 음극 활물질층을 배치하여 인가될 수 있다. 예를 들면, 각각의 인조 흑연 입자마다 불규칙적인 방향을 한 상태인 음극 슬러리를 자기장 내의 자력선 방향에 배치하면, 상기 자기력선의 방향 분포에 따라 상기 인조 흑연의 배향 분포가 나타나므로 상기 인조 흑연의 배향 방향을 컨트롤할 수 있다.In exemplary embodiments, the magnetic field may be applied by disposing the negative active material layer between a pair of magnetic field generating means. For example, if a cathode slurry with an irregular orientation for each artificial graphite particle is placed in the direction of the magnetic field lines in a magnetic field, the orientation distribution of the artificial graphite appears according to the direction distribution of the magnetic field lines, so the orientation direction of the artificial graphite can be controlled.
본 발명의 리튬 이차 전지용 음극은 전술한 본 인조 흑연에 용매, 필요에 따라 바인더, 도전재, 분산재 등을 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조한 후 이를 금속 재료의 집전체에 도포(코팅)하고 압축하여 제조할 수 있다.The negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention is prepared by mixing and stirring the above-described artificial graphite with a solvent, a binder, a conductive material, a dispersant, etc. as necessary to prepare a slurry, and then applying (coating) the slurry to a current collector of a metal material and compressing it. It can be manufactured.
용매로는 통상적으로 비수계 용매가 사용될 수 있다. 비수계 용매로는 예를 들면, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, N,N-디메틸아미노프로필아민, 에틸렌옥사이드, 테트라히드로퓨란 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Non-aqueous solvents can typically be used as solvents. Non-aqueous solvents include, for example, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, N,N-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, tetrahydrofuran, etc. , but is not limited to this.
바인더로는 당분야에서 사용되는 것이 별다른 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate) 등의 유기계 바인더, 또는 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 등의 수계 바인더를 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 같은 증점제와 함께 사용할 수 있다. As a binder, those used in the art can be used without particular limitation, for example, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylidene fluoride (PVDF), Organic binders such as polyacrylonitrile and polymethylmethacrylate, or aqueous binders such as styrene-butadiene rubber (SBR) can be used together with a thickener such as carboxymethyl cellulose (CMC).
바인더의 함량은 전극을 형성하는데 필요한 양으로 설정될 수 있고 별다른 제한이 없으나, 전극 내에서의 저항 특성을 개선하기 위해서 음극 활물질 및 바인더의 총 중량 중 3중량% 이하일 수 있다. 한편, 바인더 함량의 하한은 특별히 한정하지 않으나 전극의 기능을 유지할 수 있을 정도이면 되고, 예를 들면, 음극 활물질 및 바인더의 총 중량 중 0.5중량% 또는 1중량%일 수 있다.The content of the binder can be set to the amount necessary to form the electrode and is not particularly limited, but may be 3% by weight or less of the total weight of the negative electrode active material and binder in order to improve the resistance characteristics within the electrode. Meanwhile, the lower limit of the binder content is not particularly limited, but can be sufficient to maintain the function of the electrode. For example, it may be 0.5% by weight or 1% by weight of the total weight of the negative electrode active material and binder.
도전재로는 통상적인 도전성 탄소재가 별다른 제한 없이 사용될 수 있다.As a conductive material, a typical conductive carbon material can be used without any restrictions.
금속 재료의 집전체는 전도성이 높고 상기 양극 또는 음극 활물질의 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로서, 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 음극 집전체로는 구리 또는 구리 합금이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않고, 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄 또는 이들의 합금, 구리 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등이 사용될 수도 있다.The current collector made of a metal material is a metal that has high conductivity and to which the slurry of the positive or negative electrode active material can easily adhere, and any metal that is non-reactive within the voltage range of the battery can be used. Copper or a copper alloy can be used as the negative electrode current collector, but is not limited to this, and is not limited to stainless steel, nickel, copper, titanium or alloys thereof, or surface treatment of carbon, nickel, titanium, or silver on the surface of copper or stainless steel. etc. may also be used.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 리튬 이차 전지용 음극은 상기 음극 슬러리를 제조하는 공정, 상기 음극 슬러리를 집전체 상에 도포하여 음극 슬러리 포함 집전체를 형성하는 공정 및 상기 음극 슬러리 포함 집전체를 자기장에 도입하여 상기 인조 흑연 입자의 (002)면을 상기 집전체에 수직으로 배향시키는 공정을 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the negative electrode for a lithium secondary battery includes a process of manufacturing the negative electrode slurry, a process of applying the negative electrode slurry on a current collector to form a current collector containing the negative electrode slurry, and applying the current collector containing the negative electrode slurry to a magnetic field. It may include a process of orienting the (002) plane of the artificial graphite particle perpendicularly to the current collector.
예를 들면, 상기 자기장은 한 쌍의 자기장 발생 수단 사이에 상기 음극 활물질 층을 배치하여 인가될 수 있다. 예를 들면, 상기 자기장은 그 자기력선이 상기 음극 활물질 층을 수직방향으로 관통하도록 배치될 수 있다. 따라서, 리튬 이차 전지의 전지 용량을 유지하면서 대전류 특성을 향상시킬 수 있다.For example, the magnetic field may be applied by disposing the anode active material layer between a pair of magnetic field generating means. For example, the magnetic field may be arranged so that the magnetic field lines penetrate the anode active material layer in a vertical direction. Therefore, high current characteristics can be improved while maintaining the battery capacity of the lithium secondary battery.
일부 실시예들에 있어서, 상기 자기장은 서로 평행하고 균일한 자기장일 수 있다. 이 경우, 자기력선의 변화하는 방향 분포에 의해 인조 흑연 입자의 배열 방향이 함께 흐트러지는 것을 방지할 수 있으며 상기 인조 흑연의 (002)면을 상기 집전체에 수직인 방향으로 균일하게 배향할 수 있다.In some embodiments, the magnetic fields may be parallel and uniform. In this case, the arrangement direction of the artificial graphite particles can be prevented from being disturbed due to the changing direction distribution of the magnetic force lines, and the (002) plane of the artificial graphite can be uniformly oriented in the direction perpendicular to the current collector.
상기 자기장 발생 수단은 자기장을 발생시킬 수 있는 수단이면 제한이 없으나, 바람직하게는 전자석 및 초전도자석 등을 사용할 수 있다.The magnetic field generating means is not limited as long as it can generate a magnetic field, but electromagnets and superconducting magnets are preferably used.
상기 음극 슬러리 포함 집전체가 상기 자기장을 통과하는 속도는 제한이 없으나, 예를 들면 0.1m/분 내지 50m/분일 수 있다. 상기 통과하는 속도가 느릴수록 자기장 내에 상기 음극 슬러리가 체류하는 시간이 길어지며, 상기 인조 흑연의 배향 효과가 증가할 수 있다.The speed at which the current collector containing the negative electrode slurry passes through the magnetic field is not limited, but may be, for example, 0.1 m/min to 50 m/min. The slower the passing speed, the longer the cathode slurry stays in the magnetic field, and the alignment effect of the artificial graphite may increase.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 배향시키는 공정 후 건조하는 공정을 더 포함할 수 있으며, 상기 건조하는 공정 후 가압하는 공정을 더 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, a drying process may be further included after the aligning process, and a pressurizing process may be further included after the drying process.
상기 건조하는 공정은 배향된 상기 인조 흑연 입자를 고정시킬 수 있다. 예를 들면, 자연 건조, 가열 건조, 감압 건조 및 송풍 건조 등 다양한 건조 방법을 사용할 수 있으며 여러 단계로 이루어질 수 있다.The drying process can fix the oriented artificial graphite particles. For example, various drying methods such as natural drying, heat drying, reduced pressure drying, and blow drying can be used and can be performed in several steps.
상기 건조하는 공정에 의해 상기 음극 활물질 층이 집전체 상에 형성될 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 음극 슬러리 포함 집전체의 자기장 도입 전 색차계 값은 56.5이하 일 수 있다. 따라서, 상기 배향시키는 공정 및 상기 건조 공정을 통해 상기 집전체의 법선 방향을 따라 배열된 상기 인조 흑연 입자들이 배열되기 전 보다 어둡게 보이는 것을 확인할 수 있으며, 자기 배향 후 색차계 값이 감소하는 것을 확인할 수 있다.The negative active material layer may be formed on the current collector through the drying process. In exemplary embodiments, a colorimeter value of the current collector containing the negative electrode slurry before introducing a magnetic field may be 56.5 or less. Therefore, through the aligning process and the drying process, it can be confirmed that the artificial graphite particles arranged along the normal direction of the current collector appear darker than before being arranged, and it can be confirmed that the colorimetric value decreases after self-orientation. there is.
본 발명에 사용된 용어 '색차계의 값'은 L*a*b*와 같은 색좌표에서, 명도를 나타내는 L값을 의미할 수 있다. 상기 L값은 0 에서 100까지 표시되고, 0에 가까울수록 흰색을 나타내며 100에 가까울수록 검정색을 나타내는 값일 수 있다. 후술하는 음극 제조 공정에 따라, 자기장에 의해 상기 인조 흑연이 집전체 면에 수직으로 배향될수록 상기 색차계의 값이 증가할 수 있다.The term 'colorimetric value' used in the present invention may refer to the L value representing brightness in color coordinates such as L*a*b*. The L value is displayed from 0 to 100, and the closer it is to 0, the whiter it is, and the closer it is to 100, the blacker it is. According to the negative electrode manufacturing process described later, the value of the color difference meter may increase as the artificial graphite is oriented perpendicular to the current collector surface by a magnetic field.
상기 색차계를 측정하는 장비에는 제한이 없으나, 예를 들면, 분광측색계, 색채색차계, 컬러리더 및 색채조도계 등의 장비를 사용할 수 있다. 예를 들면, Chroma meter CR-410 KONIKA MINOLTA 측정기를 사용하여 상기 색차계를 측정할 수 있다.There is no limitation to the equipment for measuring the colorimeter, but for example, equipment such as a spectrophotometer, colorimeter, color reader, and colorimeter can be used. For example, the colorimeter can be measured using a Chroma meter CR-410 KONIKA MINOLTA meter.
본원발명에 있어서, 측정된 색차계 값이 50 이상일 수 있다. 한편, 자기장에 의해 집전체에 수직방향으로 배열된 상기 인조 흑연이 가압 공정에 의해 눌리면서 상기 코팅 후 측정된 색차계 값보다 감소할 수 있다.In the present invention, the measured colorimeter value may be 50 or more. Meanwhile, as the artificial graphite arranged in a vertical direction on the current collector by a magnetic field is pressed by a pressurizing process, the colorimetric value measured after the coating may decrease.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면 상기 음극 슬러리 포함 집전체를 자기장에 도입하여 상기 인조 흑연 입자의 (002)면을 상기 집전체에 수직으로 배향시킬 수 있다. As described above, according to embodiments of the present invention, the current collector containing the negative electrode slurry can be introduced into a magnetic field to orient the (002) plane of the artificial graphite particle perpendicular to the current collector.
인조 흑연의 1차 입자들 각각의 배향이 랜덤(random)하게 분포될수록 인조 흑연으로 리튬 이온들이 드나드는데 불리할 수 있는데, 본 실시예에 있어서, 집전체 평명에 수직 방향으로 입자를 배향하여 전지에 적용 시 전지의 출력 특성을 보다 개선할 수 있다.The more randomly the orientation of each primary particle of artificial graphite is distributed, the more disadvantageous it may be for lithium ions to enter and exit the artificial graphite. In this embodiment, the particles are oriented in a direction perpendicular to the current collector plate to form a battery. When applied, the output characteristics of the battery can be further improved.
상기 인조 흑연 입자의 배향성은 XRD 분석법(X-ray diffraction)에 따라 판정될 수도 있다. 구체적으로, 조사된 특정 파장(λ)의 X선이 특정 입사각(θ) 또는 회절각(2θ)에서 강도가 다른 회절 피크(peak)들을 나타낼 수 있고, 그 중 (002)면의 피크를 분석하여 흑연 입자의 배향성을 판정할 수 있다.The orientation of the artificial graphite particles may be determined according to XRD analysis (X-ray diffraction). Specifically, the irradiated The orientation of graphite particles can be determined.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 인조 흑연은 하기 식 1로 나타낸 방위 배열 값이 0.05 내지 0.5일 수 있다.According to exemplary embodiments, the artificial graphite may have an orientation array value of 0.05 to 0.5, expressed in Equation 1 below.
[식 1][Equation 1]
(위 식 1에서, Ah는 방위 배열 값이고, R0는 타원체 축의 비율로 R0값이 1일 때 방위 배열이 없으며, θ는 X선 회절 분석법에 의해 측정된 상기 집전체와 상기 인조 흑연이 이루는 각도(radian)이며, M은 다중도 인자이고 n은 시행 횟수임).(In Equation 1 above, Ah is the orientation arrangement value, R 0 is the ratio of the ellipsoid axis, and when R 0 is 1, there is no orientation arrangement, and θ is the ratio of the current collector and the artificial graphite measured by X-ray diffraction analysis. is the angle in radians, M is the multiplicity factor and n is the number of trials).
상기 방위 배열 값이 0에 가까울수록 상기 인조 흑연의 (002)면이 상기 집전체에 수직으로 배열되어 있는 것을 의미하며, 상기 방위 배열 값이 1에 가까울수록 상기 인조 흑연의 (002)면이 상기 집전체에 수평방향으로 배향되어 있는 것을 의미 한다. 상기 방위 배열의 측정은 예를 들면 XRD 분석법(X-ray diffraction)을 사용할 수 있으며, 흑연 입자의 (002)면 피크의 강도를 분석하여 상기 인조 흑연 및 상기 집전체가 이루는 각도를 측정할 수 있고 상술한 식 1에 따라 상기 방위 배열 값을 계산할 수 있다.The closer the orientation array value is to 0, the closer the (002) plane of the artificial graphite is to the current collector. The closer the orientation array value is to 1, the closer the (002) plane of the artificial graphite is to the current collector. This means that the current collector is oriented horizontally. The orientation arrangement can be measured, for example, by using The orientation array value can be calculated according to Equation 1 described above.
상기 인조 흑연의 상기 방위 배열 값이 0.05 이하일 경우, 리튬 이온이 흑연층 평면에 층간 삽입되기 어려우며 이에 따라 낮은 리튬 이온 저장 용량을 나타낼 수 있다. 상기 인조 흑연의 상기 방위 배열 값이 0.5 이상일 경우, 불규칙한 구조로 인해 표면적이 크고 엣지(edge)면이 그대로 노출될 수 있으므로 전해질의 침투나 분해 반응에 의한 파괴가 발생할 수 있다.When the orientation value of the artificial graphite is 0.05 or less, it is difficult for lithium ions to be intercalated in the plane of the graphite layer, which may result in low lithium ion storage capacity. When the orientation value of the artificial graphite is greater than 0.5, the surface area is large and the edge surface may be exposed due to the irregular structure, so destruction may occur due to electrolyte penetration or decomposition reaction.
XRD 분석법(X-ray diffraction)에 있어서, XRD 측정 조건은 당분야에 공지된 XRD 측정 조건이 별다른 제한 없이 사용될 수 있으나, 예를 들면, In the XRD analysis method (X-ray diffraction), XRD measurement conditions known in the art can be used without any restrictions, for example
X-ray: Cu K alphaX-ray: Cu K alpha
K-Alpha1 wavelengt: 1.540598 Å K-Alpha1 wave length: 1.540598 Å
Generator voltage: 40kVGenerator voltage: 40kV
Tube current: 30mA Tube current: 30mA
Scan Range: 10~80Scan Range: 10~80
Scan Step Size: 0.026 Scan Step Size: 0.026
Ni filter, Sollar slit (0.04rad, 2ea), Diffracted antiscatter slit 7.5mm Ni filter, Solar slit (0.04rad, 2ea), Diffracted antiscatter slit 7.5mm
Divergence slit: 1/4˚Divergence slit: 1/4˚
Antiscatter slit: 1/2˚Antiscatter slit: 1/2˚
Time per step: 100sTime per step: 100s
와 같은 XRD 측정 조건일 수 있다.It may be the same XRD measurement conditions.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음극 활물질층 전극 밀도는, 예를 들면, 전극 밀도가 1.45g/cm3 이상일 수 있고, 상한은 특별히 제한되지 않는다. 음극의 전극 밀도가 상기 범위를 만족하는 경우 전극 제조 시 출력, 수명 및 고온저장 특성이 개선될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the electrode density of the negative electrode active material layer may be, for example, 1.45 g/cm 3 or more, and the upper limit is not particularly limited. When the electrode density of the cathode satisfies the above range, output, lifespan, and high-temperature storage characteristics can be improved when manufacturing the electrode.
<양극><Anode>
본 발명에 따른 양극 활물질 및 이를 포함하는 양극은 당 분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.The positive electrode active material according to the present invention and the positive electrode containing the same may be used without particular limitation as long as they are commonly used in the art.
양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질을 코팅하여 제조할 수 있다.The positive electrode can be manufactured by coating the positive electrode active material on the positive electrode current collector.
양극 집전체로는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않고, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄 또는 이들의 합금, 알루미늄 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등이 사용될 수도 있다. Aluminum or aluminum alloy can be used as the positive electrode current collector, but is not limited to this, and is not limited to stainless steel, nickel, aluminum, titanium or alloys thereof, or surface treatment of aluminum or stainless steel with carbon, nickel, titanium, or silver. etc. may also be used.
상기 양극 활물질로는 특별히 한정되지 않고 양극 활물질로 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있다. 구체적인 예를 들면, 코발트, 망간, 니켈에서 선택되는 최소한 1종 및 리튬의 복합산화물 중 1종 이상의 것이 바람직하고, 그 대표적인 예로는 하기에 기재된 리튬 함유 화합물이 바람직하게 사용될 수 있다.The positive electrode active material is not particularly limited, and commonly used positive electrode active materials can be used. For a specific example, at least one type selected from cobalt, manganese, nickel and at least one type of complex oxide of lithium are preferable, and representative examples include the lithium-containing compounds described below.
LixMn1-yMyA2 Li x Mn 1-y M y A 2
LixMn1-yMyO2-zXz Li x Mn 1-y M y O 2- z
LixMn2O4-zXz Li x Mn 2 O 4- z
LixMn2-yMyM'zA4 Li x Mn 2-y M y M'z A 4
LixCo1-yMyA2 Li x Co 1-y M y A 2
LixCo1-yMyO2-zXz Li x Co 1-y M y O 2- z
LixNi1-yMyA2 Li x Ni 1-y M y A 2
LixNi1-yMyO2-zXz Li x Ni 1-y M y O 2- z
LixNi1-yCoyO2-zXz Li x Ni 1-y Co y O 2- z
LixNi1-y-zCoyMzAα Li x Ni 1-yz Co y M z A α
LixNi1-y-zCoyMzO2-αXα Li x Ni 1-yz Co y M z O 2- α
LixNi1-y-zMnyMzAα Li x Ni 1-yz Mn y M z A α
LixNi1-y-zMnyMzO2-αXLi x Ni 1-yz Mn y M z O 2-α
식 중에서, 0.9≤x≤1.1, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.5, 0≤α≤2이고, M과 M'은 동일하거나 서로 다르며, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, Sn, V, Ge, Ga, B, As, Zr, Mn, Cr, Fe, Sr, V 및 희토류 원소로 이루어진 군에서 선택되며, A는 O, F, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되고, X는 F, S 및 P로 이루어진 군에서 선택된다.In the formula, 0.9≤x≤1.1, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.5, 0≤α≤2, M and M' are the same or different, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, A is selected from the group consisting of Si, Ti, Sn, V, Ge, Ga, B, As, Zr, Mn, Cr, Fe, Sr, V and rare earth elements, and A is selected from the group consisting of O, F, S and P. and X is selected from the group consisting of F, S and P.
본 발명에 있어서, 양극 집전체 상에 양극 활물질을 코팅하는 방법은 당업계에서 통상적으로 쓰이는 방식이라면 특별한 제한은 없으며 전술한 탄소 나노 튜브 시트 상에 음극 슬러리를 코팅하는 방법을 사용할 수 있다 In the present invention, the method of coating the positive electrode active material on the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it is a method commonly used in the art, and the method of coating the negative electrode slurry on the carbon nanotube sheet described above can be used.
구체적으로, 본 발명에 따른 양극은 양극 활물질에 용매, 필요에 따라 바인더, 도전재, 분산재 등을 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조한 후 이를 금속 재료의 집전체에 도포(코팅)하고 압축한 뒤 건조하여 제조할 수 있다.Specifically, the positive electrode according to the present invention is prepared by mixing and stirring the positive electrode active material with a solvent and, if necessary, a binder, a conductive material, a dispersant, etc. to prepare a slurry, which is then applied (coated) to a current collector of a metal material, compressed, and then dried. It can be manufactured.
용매로는 통상적으로 비수계 용매가 사용될 수 있다. 비수계 용매로는 예를 들면, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, N,N-디메틸아미노프로필아민, 에틸렌옥사이드, 테트라히드로퓨란 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Non-aqueous solvents can typically be used as solvents. Non-aqueous solvents include, for example, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, N,N-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, tetrahydrofuran, etc. , but is not limited to this.
바인더로는 당분야에서 사용되는 것이 별다른 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate) 등의 유기계 바인더, 또는 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 등의 수계 바인더를 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 같은 증점제와 함께 사용할 수 있다. As a binder, those used in the art can be used without particular limitation, for example, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylidene fluoride (PVDF), Organic binders such as polyacrylonitrile and polymethylmethacrylate, or aqueous binders such as styrene-butadiene rubber (SBR) can be used together with a thickener such as carboxymethyl cellulose (CMC).
도전재로는 통상적인 도전성 탄소재가 별다른 제한 없이 사용될 수 있다.As a conductive material, a typical conductive carbon material can be used without any restrictions.
<분리막><Separator>
분리막으로는 종래에 분리막으로 사용된 통상적인 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 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 또는 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 분리막을 전지에 적용하는 방법으로는 일반적인 방법인 권취(winding) 이외에도 분리막과 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 등이 가능하다.Separators include typical porous polymer films conventionally used as separators, such as polyolefin-based polymers such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer. The porous polymer film produced can be used alone or by laminating them, or a conventional porous nonwoven fabric, for example, a nonwoven fabric made of high melting point glass fiber, polyethylene terephthalate fiber, etc., can be used, but is not limited thereto. . Methods for applying the separator to a battery include lamination, stacking, and folding of the separator and electrode, in addition to the general winding method.
<비수전해액><Non-aqueous electrolyte>
비수 전해액은 전해질인 리튬염과 유기 용매를 포함할 수 있다.The non-aqueous electrolyte solution may include lithium salt as an electrolyte and an organic solvent.
리튬염은 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있으며, Li+X-로 표현할 수 있다. Lithium salts commonly used in electrolytes for lithium secondary batteries can be used without limitation, and can be expressed as Li +
이러한 리튬염의 음이온으로는 특별히 제한되지 않으나, F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- , CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N- 등을 예시할 수 있다.The anions of this lithium salt are not particularly limited, but include F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , PF 6 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - , Examples include SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - .
유기 용매는 리튬 이차 전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 대표적으로 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 플루오로 에틸렌카보네이트(FEC), 디메틸설퍼옥사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌 카보네이트, 설포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌 설파이트 및 테트라하이드로푸란으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 사용될 수 있다.Organic solvents commonly used in electrolytes for lithium secondary batteries can be used without limitation, and representative examples include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), and dimethyl. Carbonate (dimethyl carbonate, DMC), ethylmethyl carbonate (EMC), methylpropyl carbonate, dipropyl carbonate, fluoroethylene carbonate (FEC), dimethyl sulfuroxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, vinylene carbonate, Any one selected from the group consisting of sulfolane, gamma-butyrolactone, propylene sulfite, and tetrahydrofuran, or a mixture of two or more of these, may be used.
전술한 비수 전해액은 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막으로 이루어진 전극 구조체에 주입하여 리튬 이차 전지로 제조된다.The above-mentioned non-aqueous electrolyte solution is manufactured into a lithium secondary battery by injecting it into an electrode structure consisting of a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
<리튬 이차 전지><Lithium secondary battery>
본 발명의 리튬 이차 전지는 전술한 음극 활물질을 포함하는 음극, 양극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함한다.The lithium secondary battery of the present invention includes a negative electrode containing the above-described negative electrode active material, a positive electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
본 발명의 리튬 이차 전지는 양극과 본 발명에 따른 음극 사이에 분리막을 개재시킨 전극 구조체로 제조된 후 전지 케이스에 수납하고, 여기에 전해액을 주입하여 제조된다.The lithium secondary battery of the present invention is manufactured with an electrode structure in which a separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode according to the present invention, and then stored in a battery case and injected into the electrolyte solution.
본 발명의 리튬 이차 전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.The external shape of the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, but may be cylindrical, prismatic, pouch-shaped, or coin-shaped using a can.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments are presented to aid understanding of the present invention, but these examples are only illustrative of the present invention and do not limit the scope of the appended claims, and are examples within the scope and technical idea of the present invention. It is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications are possible, and it is natural that such changes and modifications fall within the scope of the appended patent claims.
실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples
실시예 1Example 1
<음극><Cathode>
인조 흑연 입자를 음극 활물질로 준비한 뒤, 음극 활물질, 스티렌 부타디엔 러버(SBR), 및 증점제로서 카르복시메틸셀룰로즈(CMC)를 97.8:1.2:1.0의 질량비로 혼합한 이후 이온이 제거된 증류수에 분산시켜 음극 슬러리를 준비하고 상기 슬러리를을 Cu-호일 집전체의 일면에 도포하였다.After preparing artificial graphite particles as a negative electrode active material, the negative electrode active material, styrene butadiene rubber (SBR), and carboxymethylcellulose (CMC) as a thickener were mixed in a mass ratio of 97.8:1.2:1.0 and then dispersed in deionized distilled water to form the negative electrode. A slurry was prepared and applied to one side of the Cu-foil current collector.
상기 음극 슬러리가 도포된 집전체를 상기 음극 활물질 층을 수직방향으로 관통하도록 자기장을 배치하여 4m/분의 속도로 이동시키며 자기장에 의한 음극 활물질의 배향 공정을 수행하였다. 도 2는 음극 활물질의 배향 공정을 수행한 리튬 이차 전지용 음극의 주사 전자현미경(SEM) 사진이다.The current collector on which the negative electrode slurry was applied was moved at a speed of 4 m/min by placing a magnetic field so that it penetrated the negative electrode active material layer in the vertical direction, and an orientation process of the negative electrode active material by the magnetic field was performed. Figure 2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a negative electrode for a lithium secondary battery that has undergone an orientation process of the negative electrode active material.
배향 공정 후 건조 및 가압하여 10cm×10cm×50㎛ 크기의 음극 활물질층을 형성함으로써 전극 밀도 1.50±0.05g/cm3의 음극을 제작하였다.After the orientation process, drying and pressurization were performed to form a negative electrode active material layer with a size of 10 cm × 10 cm × 50 μm, thereby producing a negative electrode with an electrode density of 1.50 ± 0.05 g/cm 3 .
<양극><Anode>
양극활물질로 Li1.0Ni0.6Co0.2Mn0.2O2, 도전재로 Denka Black, 바인더로 PVDF를 사용하고, 용매로 N-메틸 피롤리돈(N-Methyl pyrrolidone)을 사용하여 46: 2.5: 1.5: 50의 각각의 질량비 조성으로 양극 슬러리를 제조한 후, 이를 알루미늄 기재 위에 코팅, 건조, 프레스를 실시하여 양극을 제조하였다.Li 1.0 Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 as the positive electrode active material, Denka Black as the conductive material, PVDF as the binder, and N-Methyl pyrrolidone as the solvent, 46: 2.5: 1.5: After preparing the positive electrode slurry with each mass ratio composition of 50, the positive electrode was manufactured by coating, drying, and pressing it on an aluminum substrate.
<전지><battery>
상기 제조된 양극과 음극을 각각 적당한 사이즈로 Notching하여 적층하고 양극 극판과 음극 극판사이에 분리막(폴리에틸렌, 두께 25㎛)를 개재하여 전지를 구성하고, 양극의 탭부분과 음극의 탭부분을 각각 용접을 하였다. 용접된 양극/분리막/음극의 조합체를 파우치 안에 넣고, 탭이 있는 부분은 실링 부위에 포함시켜 전해액 주액부면을 제외한 3면을 실링하였다. 나머지 한 부분으로 전해액을 주액하고 남은 한 면을 실링한 후, 12시간 이상 함침시켰다. 전해액은 에틸렌카보네이트(EC)/에틸메틸카보네이트(EMC)/디에틸렌카보네이트(DEC) (25/45/30; 부피비)의 혼합 용매로 1M LiPF6 용액을 제조한 후, 비닐렌 카보네이트(VC) 1wt%, 1,3-프로펜설톤(PRS) 0.5wt% 및 리튬 비스(옥살레이토)보레이트(LiBOB) 0.5wt%를 첨가한 것을 사용하였다.The manufactured positive and negative electrodes are notched and laminated to appropriate sizes, and a battery is constructed by interposing a separator (polyethylene, 25㎛ thick) between the positive and negative electrode plates, and the tab portion of the positive electrode and the negative electrode are welded, respectively. did. The welded anode/separator/cathode combination was placed in a pouch, and the part with the tab was included in the sealing area to seal three sides excluding the electrolyte injection surface. Electrolyte was injected into the remaining part, the remaining side was sealed, and then impregnated for more than 12 hours. The electrolyte was prepared by preparing a 1M LiPF 6 solution with a mixed solvent of ethylene carbonate (EC)/ethylmethyl carbonate (EMC)/diethylene carbonate (DEC) (25/45/30; volume ratio), and then adding 1 wt of vinylene carbonate (VC). %, 0.5 wt% of 1,3-propenesultone (PRS) and 0.5 wt% of lithium bis(oxalato)borate (LiBOB) were added.
이후, 0.25C에 해당하는 전류(2.5A)로 36분 동안 Pre-charging을 실시하였다. 1시간 후에 Degasing을 하고 24시간 이상 에이징한 후, 화성충방전을 실시하였다(충전조건 CC-CV 0.2C 4.2V 0.05C CUT-OFF, 방전조건 CC 0.2C 2.5V CUT-OFF). 그 후, 표준충방전을 실시하였다(충전조건 CC-CV 0.5 C 4.2V 0.05C CUT-OFF, 방전조건 CC 0.5C 2.5V CUT-OFF). Afterwards, pre-charging was performed for 36 minutes with a current (2.5A) equivalent to 0.25C. After degassing for 1 hour and aging for more than 24 hours, chemical charging and discharging was performed (charge conditions CC-CV 0.2C 4.2V 0.05C CUT-OFF, discharge conditions CC 0.2C 2.5V CUT-OFF). After that, standard charging and discharging was performed (charging conditions CC-CV 0.5 C 4.2V 0.05C CUT-OFF, discharging conditions CC 0.5C 2.5V CUT-OFF).
실시예 2Example 2
상기 배향 공정에서 음극 슬러리가 도포된 집전체의 이동 속도를 8m/분으로 변경한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner, except that the moving speed of the current collector on which the negative electrode slurry was applied in the orientation process was changed to 8 m/min.
실시예 3Example 3
상기 배향 공정에서 음극 슬러리가 도포된 집전체의 이동 속도를 12m/분으로 변경한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner, except that the moving speed of the current collector on which the negative electrode slurry was applied in the orientation process was changed to 12 m/min.
비교예 1Comparative Example 1
상기 배향 공정을 수행하지 않은 것을 제외하고는 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다. 도 3은 음극 활물질의 배향 공정을 수행하지 않은 리튬 이차 전지용 음극의 주사 전자현미경(SEM) 사진이다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner, except that the orientation process was not performed. Figure 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a negative electrode for a lithium secondary battery without performing an orientation process of the negative electrode active material.
실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 대하여 집전체의 배향 공정 후 색차계, 가압 공정 후 색차계를 하기 표 1에 나타내었다. 다만, 비교예 1의 배향 공정 후 색차계의 값은 배향 공정을 수행하지 않고 슬러리를 집전체에 도포한 상태의 색차계를 나타낸 것이다.For Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, the color difference meter after the current collector orientation process and the color difference meter after the pressurization process are shown in Table 1 below. However, the value of the colorimeter after the alignment process in Comparative Example 1 represents the colorimeter in the state in which the slurry was applied to the current collector without performing the alignment process.
실험예 Experiment example
실시예 및 비교예들에 따라 제조된 리튬 이차 전지들에 대해 급속 충전 특성 실험을 수행하였다.Fast charging characteristics experiments were performed on lithium secondary batteries manufactured according to Examples and Comparative Examples.
<급속 충전 특성><Fast charging characteristics>
실시예 및 비교예들에 따라 제조된 음극 및 모두 동일한 양극을 사용하여 10Ah 이상의 대용량을 가진 셀(cell)을 제작한 후, 1.4C 충전/ 1C 방전 c-rate로 DOD90 범위 내에서 설정한 정온(25℃) 유지되는 챔버에서 급속 충전 평가를 진행하였다. After manufacturing a cell with a large capacity of 10 Ah or more using the cathode manufactured according to the examples and comparative examples and all the same anode, the cell was manufactured at a constant temperature ( Rapid charging evaluation was conducted in a chamber maintained at 25°C.
<방위 배열 값 측정><Measurement of azimuth array value>
실시예 및 비교예들에 따라 제조된 음극을 XRD분석에서 (002) 피크 강도를 측정하고 상기 식 1에 따라 방위 배열 값을 측정하였다.The (002) peak intensity of the cathode manufactured according to the Examples and Comparative Examples was measured in XRD analysis, and the orientation value was measured according to Equation 1 above.
구체적으로, 다음 실험 조건에 따라 방위 배열 값을 측정 하였다.Specifically, the orientation alignment values were measured according to the following experimental conditions.
XRD(X-Ray Diffractometer) X’Pert PROXRD(X-Ray Diffractometer)
Maker: PANalyticalMaker: PANalytical
Anode material: CuAnode material: Cu
K-Alpha1 wavelength: 1.540598 ÅK-Alpha1 wavelength: 1.540598 Å
Generator voltage: 40kVGenerator voltage: 40kV
Tube current: 30mATube current: 30mA
Scan Range: 10~80˚Scan Range: 10~80˚
Scan Step Size: 0.026˚Scan Step Size: 0.026˚
Divergence slit: 1/4˚Divergence slit: 1/4˚
Antiscatter slit: 1/2˚Antiscatter slit: 1/2˚
Time per step: 100sTime per step: 100s
상기 표 2를 참조하면, 자기장에 의해 인조 흑연을 배향하는 공정을 포함하는 실시예들이 비교예들에 비해 단축된 급속 충전 시간을 나타내는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 2, it can be seen that the examples including the process of orienting the artificial graphite by a magnetic field showed a shortened rapid charging time compared to the comparative examples.
또한, 상기 배향하는 공정에서 자기장의 인가 시간이 길어질수록 인조 흑연 입자가 더욱 균일하게 배향되므로 상기 음극 활물질 층의 색차계 값이 크게 나타나는 것을 알 수 있으며 그 값이 50이상일 때 리튬 이차 전지의 출력 특성이 향상되는 것이 나타나있다.In addition, the longer the magnetic field application time in the orientation process, the more uniformly the artificial graphite particles are oriented, so it can be seen that the colorimetric value of the negative electrode active material layer appears larger, and when the value is 50 or more, the output characteristics of the lithium secondary battery This improvement appears to be occurring.
100: 인조 흑연 200: 집전체100: Artificial graphite 200: Current collector
Claims (8)
상기 집전체 상에 코팅되며 자기장에 의해 장축이 상기 집전체 평면에 수직 방향으로 배열된 인조 흑연을 포함하는 음극 활물질 층을 포함하며,
상기 인조 흑연은 타원형 형상을 갖고,
상기 음극 활물질 층의 색차계 값이 50 내지 65이고, 하기 식 1로 나타낸 방위 배열 값이 0.05 내지 0.5인, 리튬 이차 전지용 음극:
[식 1]
(위 식 1에서, Ah는 방위 배열 값이고, R0는 타원체 축의 비율로 R0값이 1일 때 방위 배열이 없으며, θ는 X선 회절 분석법에 의해 측정된 상기 집전체와 상기 인조 흑연이 이루는 각도(radian)이며, M은 다중도 인자이고 n은 시행 횟수임).
house collector; and
A negative electrode active material layer is coated on the current collector and includes artificial graphite whose long axis is aligned perpendicular to the plane of the current collector by a magnetic field,
The artificial graphite has an oval shape,
A negative electrode for a lithium secondary battery, wherein the colorimeter value of the negative electrode active material layer is 50 to 65 and the orientation value expressed by the following equation 1 is 0.05 to 0.5:
[Equation 1]
(In Equation 1 above, Ah is the orientation arrangement value, R 0 is the ratio of the ellipsoid axis, and when R 0 is 1, there is no orientation arrangement, and θ is the ratio of the current collector and the artificial graphite measured by X-ray diffraction analysis. is the angle in radians, M is the multiplicity factor, and n is the number of trials).
The anode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the magnetic field lines penetrate the anode active material layer in a vertical direction.
상기 음극 슬러리를 집전체 상에 도포하여 음극 슬러리 포함 집전체를 형성하는 공정;
상기 음극 슬러리 포함 집전체를 자기장에 도입하여 상기 인조 흑연 입자의 장축을 상기 집전체에 수직으로 배향시키는 공정; 및
상기 음극 슬러리 포함 집전체를 가압하여 음극 활물질 층을 형성하는 공정을 포함하며,
상기 음극 활물질 층의 색차계 값은 50 내지 65이고, 하기 식 1로 나타낸 방위 배열 값이 0.05 내지 0.5인, 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법:
[식 1]
(위 식 1에서, Ah는 방위 배열 값이고, R0는 타원체 축의 비율로 R0값이 1일 때 방위 배열이 없으며, θ는 X선 회절 분석법에 의해 측정된 상기 집전체와 상기 인조 흑연이 이루는 각도(radian)이며, M은 다중도 인자이고 n은 시행 횟수임).
A process for producing a cathode slurry containing artificial graphite particles having an oval shape;
A process of forming a current collector containing the negative electrode slurry by applying the negative electrode slurry onto a current collector;
A process of introducing the current collector containing the negative electrode slurry into a magnetic field to orient the long axis of the artificial graphite particles perpendicular to the current collector; and
A process of forming a negative electrode active material layer by pressurizing the current collector containing the negative electrode slurry,
A method of producing a negative electrode for a lithium secondary battery, wherein the colorimeter value of the negative electrode active material layer is 50 to 65 and the orientation value expressed by the following equation 1 is 0.05 to 0.5:
[Equation 1]
(In Equation 1 above, Ah is the orientation arrangement value, R 0 is the ratio of the ellipsoid axis, and when R 0 is 1, there is no orientation arrangement, and θ is the ratio of the current collector and the artificial graphite measured by X-ray diffraction analysis. is the angle in radians, M is the multiplicity factor, and n is the number of trials).
The method of claim 4, wherein the colorimeter value measured before introduction of the magnetic field of the current collector containing the negative electrode slurry is 56.5 or less.
The method of claim 4, wherein the colorimeter value measured after the orientation process is 50 or more.
양극; 및
상기 리튬 이차 전지용 음극과 양극 사이에 개재된 분리막을 포함하고,
상기 리튬 이차 전지용 음극은
집전체 및, 상기 집전체 상에 코팅되며 자기장에 의해 장축이 상기 집전체 평면에 수직 방향으로 배열된 인조 흑연을 포함하는 음극 활물질 층을 포함하며, 상기 인조 흑연은 타원형 형상을 갖고,
상기 음극 활물질 층의 색차계 값은 50 내지 65이고, 하기 식 1로 나타낸 방위 배열 값이 0.05 내지 0.5인, 리튬 이차 전지:
[식 1]
(위 식 1에서, Ah는 방위 배열 값이고, R0는 타원체 축의 비율로 R0값이 1일 때 방위 배열이 없으며, θ는 X선 회절 분석법에 의해 측정된 상기 집전체와 상기 인조 흑연이 이루는 각도(radian)이며, M은 다중도 인자이고 n은 시행 횟수임).
Negative electrode for lithium secondary battery;
anode; and
It includes a separator interposed between the negative electrode and the positive electrode for the lithium secondary battery,
The negative electrode for the lithium secondary battery is
A negative electrode active material layer comprising a current collector and artificial graphite coated on the current collector and having a long axis aligned perpendicular to the plane of the current collector by a magnetic field, wherein the artificial graphite has an oval shape,
A lithium secondary battery in which the colorimetric value of the negative electrode active material layer is 50 to 65 and the orientation value expressed by the following equation 1 is 0.05 to 0.5:
[Equation 1]
(In Equation 1 above, Ah is the orientation arrangement value, R 0 is the ratio of the ellipsoid axis, and when R 0 is 1, there is no orientation arrangement, and θ is the ratio of the current collector and the artificial graphite measured by X-ray diffraction analysis. is the angle in radians, M is the multiplicity factor, and n is the number of trials).
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