KR20200036177A - Binder composition for manufacturing positive electrode of lithium secondary battery, and positive electrode of lithium secondary battery manufactured thereby - Google Patents
Binder composition for manufacturing positive electrode of lithium secondary battery, and positive electrode of lithium secondary battery manufactured thereby Download PDFInfo
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Abstract
Description
본 발명은 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더 조성물, 및 이에 의해 제조된 리튬 이차전지의 양극에 관한 것이다.The present invention relates to a binder composition for preparing a positive electrode for a lithium secondary battery, and a positive electrode for a lithium secondary battery produced thereby.
친환경적인 전기자동차 및 하이브리드 자동차의 개발 필요성과, 스마트 IT 기기의 급속한 발전으로 인해 고용량 고출력 전지에 대한 요구가 급증하고 있다. 현재 상용화된 리튬 이온전지는 기술적 문제에 의해 제한된 에너지 밀도만이 이용되고 있기 때문에, 보다 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬 황 전지, 리튬 셀레늄 전지 또는 리튬 공기 전지에 대한 개발이 주목 받고 있다. 이 중에서도 리튬 황 전지 및 리튬 공기 전지에서의 양극 활물질인 황 및 산소는 유사한 물리화학적 특성을 가지며, 풍부한 자원 매장량으로 인해 상용화에 대한 기대를 더욱 높이고 있다.Due to the necessity of developing eco-friendly electric vehicles and hybrid vehicles and the rapid development of smart IT devices, the demand for high-capacity high-power batteries is rapidly increasing. Currently, commercially available lithium ion batteries are attracting attention for development of lithium sulfur batteries, lithium selenium batteries, or lithium air batteries having a higher energy density because only limited energy density is used due to technical problems. Among these, sulfur and oxygen, which are positive electrode active materials in lithium sulfur batteries and lithium air batteries, have similar physicochemical properties, and have increased expectations for commercialization due to abundant resource reserves.
높은 환원력과 전압 특성, 그리고 높은 가역성을 갖는 리튬 금속을 음극으로 사용하고, 공기 또는 황을 양극으로 사용하는 리튬 공기 전지 또는 리튬 황 전지는, 반응생성물인 Li2O2, LiOH, 그리고 Li2S에 저장된 무게당, 부피당 리튬 이온 양이 리튬 이온 전지의 양극으로 쓰이는 LiCoO2보다 훨씬 높고, 또 리튬 금속을 음극으로 사용함으로써 최대 Li 저장 한계가 LiC6인 흑연계 음극을 사용하는 리튬 이온 전지에 비해 더 많은 전하를 저장할 수 있기 때문에, 이론적 에너지밀도가 리튬 이온 전지보다도 훨씬 높은 이론적 에너지 밀도를 나타낼 수 있다. 그러나, 이러한 높은 이론적 에너지 밀도에도 불구하고 실제 에너지 밀도는 이론 값의 20 내지 45% 수준으로 낮기 때문에 리튬-공기 전지와 리튬-황 전지는 아직 상업화에 이르지 못하고, 개발 초기 단계에 있다.Lithium air batteries or lithium sulfur batteries that use lithium metal as a negative electrode and lithium or air as a positive electrode with high reducing power and voltage characteristics and high reversibility, are the reaction products Li 2 O 2 , LiOH, and Li 2 S The amount of lithium ions per weight and volume stored in is much higher than that of LiCoO 2 used as the anode of lithium ion batteries, and by using lithium metal as the cathode, compared to lithium ion batteries using graphite-based anodes with a maximum Li storage limit of LiC 6 Since more charge can be stored, the theoretical energy density can be much higher than the lithium ion battery. However, despite the high theoretical energy density, since the actual energy density is as low as 20 to 45% of the theoretical value, lithium-air batteries and lithium-sulfur batteries have not yet been commercialized and are in the early stages of development.
구체적으로 리튬 공기 전지의 경우, 충전 시 생성된 Li2O2와 Li2O 가 Li 이온과 O2로 분해되기 위해서는 높은 과전압이 필요하며, 리튬 이온 전지와는 다르게 외부의 공기가 드나들 수 있는 개방형 구조를 취하기 때문에 외부 공기의 불순물(수분 및 이산화탄소 등)의 유입으로 인해 부반응 및 전해질 휘발이 일어나기 쉽고, 그 결과 성능이 급격하게 저하된다.Specifically, in the case of a lithium-air battery, a high overvoltage is required for Li 2 O 2 and Li 2 O generated during charging to decompose into Li ions and O 2 , and unlike lithium-ion batteries, external air can enter or exit. Due to the open structure, side reactions and electrolyte volatilization are likely to occur due to the inflow of impurities (moisture and carbon dioxide, etc.) from the outside air, and as a result, performance deteriorates rapidly.
또, 리튬-황 전지의 경우, 양극을 이루고 있는 황과 반응 최종 생성물인 Li2S는 전기적으로 부도체 성격을 갖고 있다. 이에 따라 리튬-황 전지에서는 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르(tetraethylenglycol dimethylether, TEGDME) 계열의 유전율이 강한 전해질을 사용하게 되는데, 이로 인해 용해성 폴리설파이드가 양극에서 음극으로 이동하면서 더 낮은 단량체의 폴리설파이드로 환원되고, 이것이 양극으로 되돌아가 다시 음극으로 돌아오는 셔틀(shuttle) 메커니즘이 발생하게 된다. 그 결과, 이 불용성 Li2S와 Li2S2가 음극 표면과 그 외의 분리막 계면에 축적될 수 있다. 또 양극에서는 반응 중간 생성물인 리튬 폴리설파이드(Li2S8)가 유기전해액에 대한 용해도가 높아 방전 반응 중에 지속적으로 녹아나면서 양극 소재의 양이 감소하고, 이로 인해 사이클에 따른 급격한 용량 저하가 발생하게 된다. 또한 황 자체로는 전기전도도가 매우 낮기 때문에, 전도성 카본 또는 고분자 등과 합게 사용되고 있으나, 이 경우 황 함량의 감소로 셀 전체 에너지 밀도가 저하되게 된다.In addition, in the case of a lithium-sulfur battery, Li 2 S, which is the final product of the reaction with sulfur constituting the positive electrode, has an electrically non-conductive property. Accordingly, a lithium-sulfur battery uses an electrolyte having a high dielectric constant of tetraethylenglycol dimethylether (TEGDME), which reduces soluble polysulfide to a lower monomer polysulfide as it moves from the positive electrode to the negative electrode. , This causes a shuttle mechanism to return to the anode and back to the cathode. As a result, these insoluble Li 2 S and Li 2 S 2 can accumulate at the cathode surface and other separation membrane interfaces. In addition, in the positive electrode, lithium polysulfide (Li 2 S 8 ), which is a reaction intermediate product, has a high solubility in the organic electrolyte, and is continuously melted during the discharge reaction, thereby reducing the amount of the positive electrode material, thereby causing a rapid decrease in capacity due to cycles. do. In addition, since the electrical conductivity of sulfur itself is very low, it is used in combination with conductive carbon or polymer, but in this case, the energy density of the entire cell is reduced due to a decrease in sulfur content.
이 같은 문제를 해결하기 위하여 다공성의 양극 구조의 설계, 과전압 방지를 위한 첨가제 개발 또는 표면 처리층 형성 등의 다양한 방법들이 연구 개발되고 있다. 이중에서도 양극개발 관점에서, 리튬-공기 전지의 경우 방전생성물인 Li2O2가 치밀한 전도성 매트릭스 내부에 뭉치지 않고 균일하게 분산 분포하도록 함으로써, 원활한 전자전달과 함께 충전 시 리튬이온과 산소 발생 반응률을 극대화하여 충전 과전압을 낮추는 방법이 검토되고 있다. 또, 리튬-황 전지의 경우 구조적/조성적 최적 설계를 통해, 절연체인 Li2S가 치밀한 전도성 매트릭스에 균일하게 분산되어 분포되도록 함으로써, 전자와 리튬 이온의 전달을 용이하게 하여 충전 과전압을 낮추는 동시에, 양극에서의 리튬 폴리설파이드의 용출을 억제하는 방법이 검토되고 있다.In order to solve this problem, various methods such as designing a porous anode structure, developing additives for preventing overvoltage, or forming a surface treatment layer have been researched and developed. From the point of view of positive electrode development, lithium-air batteries dissipate and distribute uniformly without discharging Li 2 O 2 inside the dense conductive matrix, maximizing the reaction rate of lithium ions and oxygen during charging with smooth electron transfer. Therefore, a method of reducing the charging overvoltage has been studied. In addition, in the case of a lithium-sulfur battery, through the structural / compositional optimal design, the insulator Li 2 S is uniformly dispersed and distributed in a dense conductive matrix, thereby facilitating the transfer of electrons and lithium ions and lowering the charge overvoltage. , A method of suppressing the dissolution of lithium polysulfide at the positive electrode has been studied.
본 발명은 리튬 이차전지의 성능을 개선하기 위해, 기존의 바인더에 증점제로 검을 추가한 바인더 조성물을 리튬 이차전지의 양극 제조용으로 사용함으로써, 조성물의 보관 안정성, 및 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더 조성물을 제공하고자 한다.In order to improve the performance of a lithium secondary battery, the present invention can improve the storage stability of the composition and the life characteristics of the battery by using a binder composition in which a gum is added as a thickener to an existing binder for the positive electrode production of a lithium secondary battery. It is intended to provide a binder composition for producing a positive electrode of a lithium secondary battery.
본 발명의 제1 측면에 따르면,According to a first aspect of the invention,
본 발명은 바인더 및 검을 포함하는 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더 조성물을 제공한다.The present invention provides a binder composition for positive electrode production of a lithium secondary battery comprising a binder and gum.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 바인더는In one embodiment of the invention, the binder
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 검은 잔탄검, 구아검, 아라비아검, 로커스트빈검, 젤란검, 타라검, 아카시아검, 타마린드검 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.In one embodiment of the present invention, it is selected from the group consisting of the black xanthan gum, guar gum, gum arabic, locust bean gum, gellan gum, tara gum, acacia gum, tamarind gum and combinations thereof.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 검은 잔탄검, 구아검 또는 이의 조합이다.In one embodiment of the present invention, the black xanthan gum, guar gum or a combination thereof.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 검은 구아검과 잔탄검이 1:1 내지 4:1의 중량비로 혼합된 혼합물이다.In one embodiment of the present invention, the black guar gum and xanthan gum are mixtures mixed in a weight ratio of 1: 1 to 4: 1.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 검은 바인더를 기준으로 1 내지 70 중량%가 바인더 조성물에 포함된다.In one embodiment of the present invention, 1 to 70% by weight based on the black binder is included in the binder composition.
본 발명의 제2 측면에 따르면,According to the second aspect of the invention,
본 발명은 상술한 바인더 조성물, 양극 활물질 및 도전재를 포함하는 양극재를 집전체 상에 도포하여 형성된 리튬 이차전지의 양극을 제공한다.The present invention provides a positive electrode of a lithium secondary battery formed by applying a positive electrode material including the above-described binder composition, positive electrode active material, and conductive material on a current collector.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 양극재는 양극재 내 고형분 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 10 중량부의 바인더 조성물을 포함한다.In one embodiment of the present invention, the positive electrode material includes 0.01 to 10 parts by weight of a binder composition based on 100 parts by weight of solids in the positive electrode material.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 양극재는 양극재 내 고형분 100 중량부를 기준으로 30 내지 95 중량부의 양극 활물질을 포함한다.In one embodiment of the present invention, the positive electrode material includes 30 to 95 parts by weight of the positive electrode active material based on 100 parts by weight of solids in the positive electrode material.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 양극재는 양극재 내 고형분 100 중량부를 기준으로 2 내지 60 중량부의 도전재를 포함한다.In one embodiment of the present invention, the positive electrode material includes 2 to 60 parts by weight of the conductive material based on 100 parts by weight of solids in the positive electrode material.
본 발명의 제3 측면에 따르면,According to a third aspect of the invention,
본 발명은 상술한 양극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.The present invention provides a lithium secondary battery comprising the positive electrode described above.
본 발명에 따른 바인더 조성물은 층 분리 현상이 없이 장시간 동안 보관이 가능하다.The binder composition according to the present invention can be stored for a long time without layer separation.
또한, 리튬 이차전지, 특히 리튬 황 전지에서 전지의 수명을 열화시킬 수 있는 폴리설파이드를 흡착할 수 있어, 양극에서 폴리설파이드의 용출 문제를 해결할 수 있으며, 이에 따라 전지의 수명을 향상시킬 수 있다.In addition, a lithium secondary battery, particularly a lithium sulfur battery, can adsorb polysulfide capable of deteriorating the life of the battery, thereby solving the problem of elution of polysulfide at the positive electrode, thereby improving the life of the battery.
상기 바인더 조성물의 추가 성분인 검 중 구아검 등은 비 이온성 물질로 전지의 수명을 열화시킬 수 있는 나트륨과 같은 금속 이온을 함유하지 않아, 검의 첨가에 의해 전지의 수명이 저하될 가능성이 거의 없다.Guar gum and the like, which are additional components of the binder composition, do not contain metal ions, such as sodium, which can degrade the life of the battery with a non-ionic material, and thus the possibility that the life of the battery decreases by adding gum is almost impossible none.
본 발명에 따라 제공되는 구체예는 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아님을 이해해야 한다.The specific examples provided according to the present invention can all be achieved by the following description. It should be understood that the following description is to describe preferred embodiments of the invention, and it is to be understood that the invention is not necessarily limited thereto.
바인더 조성물Binder composition
종래에는 리튬 이차전지의 양극 제조 시 양극 활물질, 도전재 또는 양극 집전체와의 접착력을 증가시키기 위해 다양한 종류의 바인더를 사용하였다. 그러나, 별도의 증점제 없이 바인더만 사용하는 경우, 슬러리의 장기적인 보관성이 떨어지고, 제조된 전극의 장기적인 안정성이 떨어지는 문제가 발생하였다. 또한, 리튬 이차전지 중 리튬 황 전지의 경우 충/방전 시 발생하는 황 계열의 양극 활물질이 폴리설파이드 형태로 용출되어 수명 열화 현상이 발생하는데, 종래의 바인더로는 상기 폴리설파이드의 용출을 효율적으로 억제하기 어려웠다. Na 등의 금속 이온의 경우에도 전극 내 존재 시 장기적인 수명 열화 현상을 일으킬 수 있는데, 이 또한 종래의 바인더로는 제어하기 어려웠다. 이에 본 발명은 상술한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 바인더 조성물을 제공하고자 한다.Conventionally, various kinds of binders have been used to increase the adhesion of a positive electrode active material, a conductive material, or a positive electrode current collector when manufacturing a positive electrode for a lithium secondary battery. However, when only a binder is used without a separate thickener, there is a problem in that long-term storage of the slurry is poor and long-term stability of the prepared electrode is poor. In addition, in the case of a lithium sulfur battery among lithium secondary batteries, a sulfur-based positive electrode active material generated during charging / discharging is eluted in the form of polysulfide, resulting in deterioration of life, and the conventional binder effectively suppresses the elution of the polysulfide. It was difficult to do. Even in the case of metal ions such as Na, long-term life deterioration may occur in the presence of the electrode, which is also difficult to control with a conventional binder. Accordingly, the present invention is to provide a new binder composition that can solve the above-mentioned problems.
본 발명은 바인더 및 검(gum)을 포함하는 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더 조성물을 제공한다. 상기 검은 다수의 식물과 수목에서 나오는 비휘발성과 점성의 분비물이다. 이 물질은 다당류 물질일 수 있는데, 이러한 다당류 물질은 분자량이 높으면서, 친수성 또는 하이드로콜로이드성 일 수 있다. 본 발명에서 바인더 조성물에 포함되는 검은 증점제의 역할을 하며, 리튬 이차전지의 양극 제조용 슬러리의 물성 및 전지에서의 수명 특성을 개선한다. 또한, 상기 검은 흡착성을 가지고 있어, 전지의 수명을 저하시킬 수 있는 폴리설파이드를 효과적으로 제어하여 전지의 수명을 향상시킬 수 있다. 상기 검은 비이온성 물질로 전지의 수명을 열화시킬 수 있는 나트륨과 같은 금속 이온 등의 불순물을 거의 함유하지 않는다. 상기 검은 수용성 용매에 균일하게 분산시켜 바인더 조성물에 포함될 수 있다.The present invention provides a binder composition for preparing a positive electrode of a lithium secondary battery including a binder and gum. The black is a non-volatile and viscous secretion from many plants and trees. The material may be a polysaccharide material, and the polysaccharide material may have a high molecular weight and be hydrophilic or hydrocolloidal. In the present invention, it serves as a black thickener included in the binder composition, and improves the physical properties of the slurry for preparing a positive electrode of a lithium secondary battery and the lifespan characteristics of the battery. In addition, it has the black adsorption property, it is possible to effectively control the polysulfide that can reduce the life of the battery can improve the life of the battery. The black non-ionic material hardly contains impurities such as metal ions such as sodium, which can degrade the life of the battery. The black water-soluble solvent may be uniformly dispersed to be included in the binder composition.
본 발명에 따른 바인더 조성물에 포함되는 검은 잔탄검, 구아검, 아라비아검, 로커스트빈검, 젤란검, 타라검, 아카시아검, 타마린드검 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있지만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 검은 잔탄검, 구아검 또는 이의 조합일 수 있다. 상기 잔탄검과 구아검은 6탄당 구조의 곁사슬을 갖는데, 이러한 곁사슬에 의해 분자들 간에 추가적인 네트워크를 형성할 수 있어 바인더 조성물의 기능성을 향상시킬 수 있다. 경우에 따라, 상기 검은 2 이상의 검을 혼합하여 사용할 수 있는데, 구아검과 잔탄검은 서로의 작용기 간의 상호작용을 통해 더 단단하게 결합할 수 있기 때문에, 구아검과 잔탄검의 조합이 바람직할 수 있다. 상기 구아검과 잔탄검을 조합할 때, 구아검:잔탄검의 중량비가 1:1 내지 4:1, 바람직하게는 2:1 내지 3:1이 되도록 조합하여 사용할 수 있다.Black xanthan gum, guar gum, gum arabic, locust bean gum, gellan gum, tara gum, acacia gum, tamarind gum, and combinations thereof, which are included in the binder composition according to the present invention, may be selected from, but not limited to, It is not. According to an embodiment of the present invention, it may be the black xanthan gum, guar gum or a combination thereof. The xanthan gum and guar gum have a side chain of a six-carbon structure, and by these side chains, an additional network can be formed between molecules, thereby improving the functionality of the binder composition. In some cases, the black two or more gums may be used in combination, and a combination of guar gum and xanthan gum may be preferable because guar gum and xanthan gum can be more tightly bonded through interaction between functional groups of each other. When combining the guar gum and xanthan gum, it can be used in combination such that the weight ratio of guar gum: xanthan gum is 1: 1 to 4: 1, preferably 2: 1 to 3: 1.
상기 검은 바인더를 기준으로 1 내지 20 중량%, 바람직하게는 2 내지 15 중량%, 보다 바람직하게는 3 내지 10 중량%가 바인더 조성물에 포함될 수 있다.1 to 20% by weight, preferably 2 to 15% by weight, more preferably 3 to 10% by weight based on the black binder may be included in the binder composition.
상기 바인더는 양극을 형성하는 슬러리 조성물을 집전체에 유지시키기 위하여 포함하는 물질로서, 용매에 잘 용해되고 전술한 양극 활물질 복합체 및 도전재와의 도전 네트워크를 안정적으로 형성할 수 있는 물질을 사용한다. 특별한 제한이 없는 한 당해 업계에서 공지된 모든 바인더를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVdF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는 불소 수지계 바인더; 스티렌-부타디엔 고무(styrene butadiene rubber, SBR), 아크릴로니트릴-부티디엔 고무, 스티렌-이소프렌 고무를 포함하는 고무계 바인더; 카르복시메틸셀룰로우즈(carboxyl methyl cellulose, CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로오스를 포함하는 셀룰로오스계 바인더; 폴리알코올계 바인더; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌을 포함하는 폴리올레핀계 바인더; 폴리이미드계 바인더; 폴리에스테르계 바인더; 및 실란계 바인더;로 이루어진 군으로부터 선택된 1종, 2종 이상의 혼합물 또는 공중합체를 사용할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 바인더는 폴리올레핀계 바인더, 폴리알코올계 바인더, 또는 이의 조합이 바람직할 수 있다.The binder is a material that is included to maintain the slurry composition forming the positive electrode in the current collector, and is a material that is well soluble in a solvent and can stably form a conductive network with the positive electrode active material composite and a conductive material described above. Any binder known in the art can be used, unless otherwise specified. For example, the binder may include a fluorine resin-based binder comprising polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE); Rubber-based binders including styrene-butadiene rubber (SBR), acrylonitrile-butadiene rubber, and styrene-isoprene rubber; Cellulose-based binders including carboxyl methyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, and regenerated cellulose; Polyalcohol-based binders; Polyolefin-based binders including polyethylene and polypropylene; Polyimide-based binders; Polyester-based binders; And silane-based binder; may be used a mixture or copolymer of one, two or more selected from the group consisting of. According to one embodiment of the present invention, the binder may be preferably a polyolefin-based binder, a polyalcohol-based binder, or a combination thereof.
양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지Anode and lithium secondary battery comprising the same
본 발명은 상술한 바인더 조성물에 의해 제조된 리튬 이차전지용 양극을 제공한다. 구체적으로, 상기 리튬 이차전지용 양극은 리튬 공기 전지, 리튬 황 전지, 리튬 셀레늄 전지, 리튬 텔루륨 전지 또는 리튬 플로늄 전지 등에 있어서의 양극일 수 있으며, 상술한 바인더 조성물을 사용하여 제조되는 것을 제외하고는 통상의 리튬 이차전지용 양극의 제조방법에 따라 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 바인더 조성물은 리튬 황 전지의 문제점인 폴리설파이드의 용출 문제를 폴리설파이드의 흡착을 통해 해결할 수 있기 때문에, 특히 리튬 황 전지에서 보다 바람직하게 활용될 수 있다. 이하에서, 상술한 바인더 조성물을 이용하여 리튬 이차전지용 양극을 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.The present invention provides a positive electrode for a lithium secondary battery prepared by the above-described binder composition. Specifically, the positive electrode for the lithium secondary battery may be a positive electrode in a lithium air battery, a lithium sulfur battery, a lithium selenium battery, a lithium tellurium battery, or a lithium flonium battery, except that it is manufactured using the above-described binder composition. Can be manufactured according to a conventional method for manufacturing a lithium secondary battery positive electrode. Since the binder composition according to the present invention can solve the problem of elution of polysulfide, which is a problem of lithium sulfur batteries, through adsorption of polysulfides, it can be more preferably used in lithium sulfur batteries. Hereinafter, a method of manufacturing a positive electrode for a lithium secondary battery using the above-described binder composition will be described in detail.
본 발명에 따른 양극은 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극재를 도포하여 형성된다. 상기 양극재는 상술한 바인더 조성물, 양극 활물질 및 도전재를 포함한다.The positive electrode according to the present invention is formed by applying a positive electrode material to one or both surfaces of the positive electrode current collector. The positive electrode material includes the above-described binder composition, positive electrode active material, and conductive material.
상기 바인더 조성물은 상술한 내용과 같다. 상기 양극재에서 바인더 조성물의 비율은 목적하는 전지의 성능을 고려하여 선택할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 양극재는 양극재 내 고형분 100 중량부에 대하여 0.01 내지 10 중량부, 바람직하게는 2 내지 9 중량부, 보다 바람직하게는 4 내지 8 중량부의 바인더 조성물을 포함한다.The binder composition is as described above. The proportion of the binder composition in the positive electrode material may be selected in consideration of the performance of the desired battery. According to an embodiment of the present invention, the positive electrode material comprises 0.01 to 10 parts by weight, preferably 2 to 9 parts by weight, more preferably 4 to 8 parts by weight of a binder composition with respect to 100 parts by weight of solids in the positive electrode material. .
상기 양극 집전체는 양극 활물질의 지지를 위한 것으로, 일반적으로 3 내지 500㎛의 두께로 만들어지며 우수한 도전성을 가지고 리튬 이차전지의 전압 영역에서 전기화학적으로 안정한 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 양극 집전체는 구리, 알루미늄, 스테인리스스틸, 티타늄, 은, 팔라듐, 니켈, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속일 수 있고, 상기 스테인리스스틸은 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면 처리될 수 있으며, 상기 합금으로는 알루미늄-카드뮴 합금을 바람직하게 사용할 수 있고, 그 외에도 소성 탄소, 도전재로 표면 처리된 비전도성 고분자, 또는 전도성 고분자 등을 사용할 수도 있다.The positive electrode current collector is for supporting the positive electrode active material, and is generally made of a thickness of 3 to 500 μm, and has excellent conductivity and is not particularly limited as long as it is electrochemically stable in the voltage range of the lithium secondary battery. For example, the positive electrode current collector may be any metal selected from the group consisting of copper, aluminum, stainless steel, titanium, silver, palladium, nickel, alloys thereof, and combinations thereof, and the stainless steel is carbon , May be surface-treated with nickel, titanium, or silver, and an aluminum-cadmium alloy may be preferably used as the alloy, and in addition, calcined carbon, a non-conductive polymer surface-treated with a conductive material, or a conductive polymer may be used. have.
상기 양극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질과의 결합력을 강화시킬 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 메쉬, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태를 사용할 수 있다.The positive electrode current collector can form a fine unevenness on its surface to enhance the bonding force with the positive electrode active material, and various forms such as a film, sheet, foil, mesh, net, porous body, foam, and nonwoven fabric may be used.
상기 양극 활물질은 리튬 이차전지용으로 당해 기술분야에서 이용 가능한 모든 양극 활물질이 사용 가능하다. 이러한 양극 활물질의 구체적인 예로서, 리튬 금속; LiCoO2 등의 리튬 코발트계 산화물; Li1 + xMn2 - xO4(여기서, x는 0 내지 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간계 산화물; Li2CuO2등의 리튬 구리산화물; LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; LiNi1 - xMxO2 (여기서, M=Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x=0.01 내지 0.3임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; LiMn2 - xMxO2(여기서, M=Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x=0.01 내지 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M=Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합산화물; Li(NiaCobMnc)O2(여기에서, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1)으로 표현되는 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물; LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 황 또는 디설파이드 화합물; LiFePO4, LiMnPO4, LiCoPO4, LiNiPO4 등의 인산염; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The positive electrode active material may be any positive electrode active material available in the art for lithium secondary batteries. Specific examples of the positive electrode active material, lithium metal; Lithium cobalt oxides such as LiCoO 2 ; Lithium manganese oxides such as Li 1 + x Mn 2 - x O 4 (where x is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , and LiMnO 2 ; Lithium copper oxide such as Li 2 CuO 2 ; Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 and Cu 2 V 2 O 7 ; Lithium nickel-based oxide represented by LiNi 1 - x M x O 2 (where M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, or Ga, and x = 0.01 to 0.3); LiMn 2 - x MxO 2 (where M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta, x = 0.01 to 0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 (where M = Fe, Co, Ni, Cu Or Zn); Li-Ni-manganese-expressed as Li (Ni a Co b Mn c ) O 2 (where 0 <a <1, 0 <b <1, 0 <c <1, a + b + c = 1) Cobalt oxide; Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 and Cu 2 V 2 O 7 ; Sulfur or disulfide compounds; Phosphates such as LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiCoPO 4 and LiNiPO 4 ; Fe 2 (MoO 4 ) 3 and the like, but are not limited to these.
특히, 리튬 이차전지가 리튬 황 전지인 경우, 상기 양극 활물질은 상기 양극 활물질은 황 원소(Elemental sulfur, S8), 황 계열 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 황 계열 화합물은 구체적으로, Li2Sn(n≥1), 유기 황 화합물 또는 탄소-황 폴리머((C2Sx)n: x=2.5∼50, n≥2) 등일 수 있다. 상기 양극 활물질은 리튬 폴리설파이드의 용출을 효과적으로 억제하기 위하여 황(S) 계열 물질과 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile: PAN)의 화합물(S-PAN)을 적용할 수도 있다. In particular, when the lithium secondary battery is a lithium sulfur battery, the positive electrode active material may include the elemental sulfur (S 8 ), a sulfur-based compound, or a mixture thereof. Specifically, the sulfur-based compound may be Li 2 S n (n≥1), an organic sulfur compound, or a carbon-sulfur polymer ((C 2 S x ) n : x = 2.5-50, n≥2). For the positive electrode active material, a compound (S-PAN) of sulfur (S) -based material and polyacrylonitrile (PAN) may be applied to effectively suppress the dissolution of lithium polysulfide.
상기 양극재에서 양극 활물질의 비율은 목적하는 전지의 성능을 고려하여 선택할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 양극재는 양극재 내 고형분 100 중량부에 대하여 30 내지 95 중량부, 바람직하게는 50 내지 93 중량부, 보다 바람직하게는 70 내지 90 중량부의 양극 활물질을 포함한다.The proportion of the positive electrode active material in the positive electrode material may be selected in consideration of the performance of the desired battery. According to one embodiment of the present invention, the positive electrode material contains 30 to 95 parts by weight, preferably 50 to 93 parts by weight, more preferably 70 to 90 parts by weight of the positive electrode active material with respect to 100 parts by weight of solids in the positive electrode material. .
상기 도전재는 양극 활물질과 전해질을 전기적으로 연결시켜 주어 집전체로부터 전자가 활물질까지 이동하는 경로의 역할을 하는 물질로서 다공성 및 도전성을 갖고 구성되는 전지에 있어서 화학변화를 야기하지 않는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 다공성을 갖는 탄소계 물질을 사용할 수 있으며, 이와 같은 탄소계 물질로는 카본 블랙, 흑연 미립자, 천연흑연, 인조흑연, 그라파이트, 그래핀, 활성탄, 탄소 섬유 등이 있고, 금속 메쉬 등의 금속성 섬유; 폴리페닐렌 유도체와 같은 전도성 고분자; 구리, 은, 니켈, 알루미늄 등의 금속성 분말; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 유기 도전성 재료가 있다. 상기 도전성 재료들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.The conductive material is a material that electrically connects the positive electrode active material and the electrolyte to serve as a path for electrons to pass from the current collector to the active material, and can be used without limitation as long as it does not cause a chemical change in a battery composed of porosity and conductivity. . For example, a carbon-based material having porosity may be used, and examples of the carbon-based material include carbon black, graphite fine particles, natural graphite, artificial graphite, graphite, graphene, activated carbon, carbon fiber, metal mesh, and the like. Metallic fibers; Conductive polymers such as polyphenylene derivatives; Metallic powders such as copper, silver, nickel, and aluminum; Or organic conductive materials such as polyphenylene derivatives. The conductive materials may be used alone or in combination.
현재 도전재로 시판되고 있는 상품으로는 아세틸렌 블랙계열(쉐브론 케미컬 컴퍼니(Chevron Chemical Company) 또는 걸프 오일 컴퍼니(Gulf Oil Company) 제품 등), 케트젠 블랙(Ketjen Black) EC 계열 (아르막 컴퍼니(Armak Company) 제품), 불칸(Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품), 수퍼C 및 수퍼P(엠엠엠(MMM)사 제품) 등이 있다.Currently, commercially available products include acetylene black (such as Chevron Chemical Company or Gulf Oil Company), and Ketjen Black EC series (Armak Company (Armak Company) Company)), Vulcan XC-72 (manufactured by Cabot Company), Super C and Super P (manufactured by MMM).
상기 양극재에서 도전재의 비율은 목적하는 전지의 성능을 고려하여 선택할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 양극재는 양극재 내 고형분 100 중량부에 대하여 2 내지 60 중량부, 바람직하게는 3 내지 40 중량부, 보다 바람직하게는 4 내지 20 중량부의 도전재를 포함한다.The proportion of the conductive material in the positive electrode material can be selected in consideration of the performance of the desired battery. According to one embodiment of the present invention, the positive electrode material contains 2 to 60 parts by weight, preferably 3 to 40 parts by weight, more preferably 4 to 20 parts by weight of the conductive material with respect to 100 parts by weight of solids in the positive electrode material. .
본 발명은 상술한 양극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. 상기 리튬 이차전지를 제조함에 있어서, 상술한 양극을 제외한 나머지 구성에 대하여 이하에서 구체적으로 설명한다.The present invention provides a lithium secondary battery comprising the positive electrode described above. In manufacturing the lithium secondary battery, the rest of the configuration except for the positive electrode will be described in detail below.
본 발명에 따른 음극은 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극재를 도포하여 형성된다. 상기 음극재는 음극 활물질과 선택적으로 도전재 및 바인더를 포함한다.The negative electrode according to the present invention is formed by applying a negative electrode material to one or both surfaces of the negative electrode current collector. The negative electrode material includes a negative electrode active material and optionally a conductive material and a binder.
상기 음극 활물질은 해당 기술 분야에서 리튬 이차전지의 음극 활물질로 사용될 수 있는 것이면, 그 종류는 특별히 한정되지 않는다. 상기 음극 활물질은 예를 들어 리튬 금속, 리튬 합금, 전이 금속 산화물, 실리콘계 물질 및 탄소계 물질로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것 일 수 있다. 또한, 음극 활물질은 예를 들어, 리튬 이온 (Li+)을 가역적으로 흡장(Intercalation) 또는 방출(Deintercalation)할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함할 수 있다.If the negative electrode active material can be used as a negative electrode active material of a lithium secondary battery in the art, the type is not particularly limited. The negative active material may include, for example, one or more selected from the group consisting of lithium metal, lithium alloy, transition metal oxide, silicon-based material, and carbon-based material. In addition, the negative electrode active material is, for example, a material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions (Li + ), a material capable of reversibly reacting with lithium ions to form a lithium-containing compound, lithium Metal or lithium alloy.
상기 리튬과 합금가능한 금속은 Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Sn-Y1 합금(상기 Y1는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님) 등일 수 있다. 상기 원소 Y1로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다.The lithium alloyable metal is Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Sn-Y1 alloy (Y1 is an alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal, rare earth element, or combinations thereof) Element, and not Sn). The elements Y1 include Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, or a combination thereof.
상기 전이 금속 산화물은 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등일 수 있다.The transition metal oxide may be lithium titanium oxide, vanadium oxide, lithium vanadium oxide, or the like.
상기 실리콘계 물질은 실리콘, 실리콘과 탄소의 블렌드, 실리콘과 탄소의 복합체, 및 실리콘 합금으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 또한 상기 실리콘은 실리콘 입자, 실리콘 나노와이어, 실리콘 나노막대, 실리콘 나노튜브, 실리콘 나노리본 또는 이들의 조합으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다.The silicon-based material may include one or more selected from silicon, a blend of silicon and carbon, a complex of silicon and carbon, and a silicon alloy. In addition, the silicon may include silicon particles, silicon nanowires, silicon nanorods, silicon nanotubes, silicon nanoribbons, or a combination thereof.
상기 탄소계 물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 결정질 탄소는 무정형, 판상, 인편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연흑연 또는 인조흑연과 같은 흑연일 수 있으며, 상기 비정질 탄소는 소프트카본(soft carbon: 저온 소성 탄소), 하드카본(hard carbon), 메조페이스 피치(mesophase pitch) 탄화물, 또는 소성된 코크스 등일 수 있다.The carbon-based material may be crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof. The crystalline carbon may be amorphous, plate, flake, spherical or fibrous natural graphite or graphite such as artificial graphite, and the amorphous carbon is soft carbon (soft carbon: low temperature calcined carbon), hard carbon (hard carbon) carbon), mesophase pitch carbide, or calcined coke.
음극 집전체, 도전재 및 바인더는 해당 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 물질이 사용되며, 상술한 양극에서 대응되는 구성을 바탕으로 음극에 맞게 변경하여 사용할 수 있다.The negative electrode current collector, the conductive material, and the binder are materials commonly used in the related art, and may be used by changing them to suit the negative electrode based on the corresponding configuration in the positive electrode.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 상술한 양극 및 음극과 함께 분리막 및 전해질을 포함하며, 상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재된다.The lithium secondary battery according to the present invention includes a separator and an electrolyte together with the positive and negative electrodes described above, and the separator is interposed between the positive and negative electrodes.
상기 분리막은 본 발명의 리튬 이차전지에 있어서 양 전극을 물리적으로 분리하기 위한 것으로, 통상 리튬 이차전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해질의 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다.The separator is for physically separating both electrodes in the lithium secondary battery of the present invention, and is usually used as a separator in a lithium secondary battery, and can be used without particular limitation. It is preferable that it has excellent moisture permeability.
상기 분리막은 다공성 기재로 이루어질 수 있는데 상기 다공성 기재는 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.The separator may be formed of a porous substrate. The porous substrate may be any porous substrate used in electrochemical devices. For example, a polyolefin-based porous membrane or non-woven fabric may be used, but is not particularly limited thereto. .
상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.Examples of the polyolefin-based porous membrane include polyolefin-based polymers such as high-density polyethylene, linear low-density polyethylene, low-density polyethylene, and ultra-high molecular weight polyethylene, polypropylene, polybutylene, and polypentene, respectively, alone or as a mixture of these. One membrane is mentioned.
상기 부직포로는 폴리올레핀계 부직포 외에 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌 옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylenesulfide) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylenenaphthalate) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포를 들 수 있다. 상기 부직포의 구조는 장섬유로 구성된 스폰본드 부직포 또는 멜트 블로운 부직포일 수 있다.The nonwoven fabric includes, in addition to the polyolefin nonwoven fabric, for example, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, polycarbonate ), Polyimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenyleneoxide, polyphenylenesulfide, and polyethylenenaphthalate, respectively. Or the nonwoven fabric formed from the polymer which mixed these is mentioned. The structure of the nonwoven fabric may be a spunbond nonwoven fabric composed of long fibers or a melt blown nonwoven fabric.
상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 1 내지 100㎛, 바람직하게는 5 내지 50㎛일 수 있다.The thickness of the porous substrate is not particularly limited, but may be 1 to 100 μm, preferably 5 to 50 μm.
상기 다공성 기재에 존재하는 기공의 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.001 내지 50㎛ 및 10 내지 95%일 수 있다.The size and pores of the pores present in the porous substrate are also not particularly limited, but may be 0.001 to 50 μm and 10 to 95%, respectively.
상기 전해질은 리튬 이온을 포함하며, 이를 매개로 양극과 음극에서 전기 화학적인 산화 또는 환원 반응을 일으키기 위한 것이다.The electrolyte contains lithium ions, and is intended to cause an electrochemical oxidation or reduction reaction at the positive electrode and the negative electrode through this.
상기 전해질은 리튬 금속과 반응하지 않는 비수 전해액 또는 고체 전해질이 가능하나 바람직하게는 비수 전해질이고, 전해질 염 및 유기 용매를 포함한다.The electrolyte may be a non-aqueous electrolyte solution or a solid electrolyte that does not react with lithium metal, but is preferably a non-aqueous electrolyte, and includes an electrolyte salt and an organic solvent.
상기 비수 전해액에 포함되는 전해질 염은 리튬염이다. 상기 리튬염은 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, LiFSI, LiTFSI, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, LiN(SO2F)2, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬, 리튬 이미드 등이 사용될 수 있다.The electrolyte salt contained in the non-aqueous electrolyte solution is a lithium salt. The lithium salt may be used without limitation as long as it is commonly used in an electrolyte for a lithium secondary battery. For example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , LiFSI, LiTFSI, CH 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, LiN (SO 2 F) 2 , lithium chloroborane, lower aliphatic lithium carboxylate, lithium 4-phenyl borate, lithium imide, and the like can be used.
상기 비수 전해액에 포함되는 유기 용매로는 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들을 제한 없이 사용할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 유기 용매는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올 계 또는 비양자성 용매를 사용할 수 있다. 그 중에서 대표적으로는 에테르계 용매를 사용할 수 있다.As the organic solvent included in the non-aqueous electrolyte, those commonly used in the electrolyte for lithium secondary batteries can be used without limitation. According to one embodiment of the present invention, the organic solvent may be a carbonate-based, ester-based, ether-based, ketone-based, alcohol-based or aprotic solvent. Among them, an ether-based solvent can be typically used.
상기 카보네이트계 용매로는 구체적으로 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 디프로필카보네이트(DPC), 메틸프로필카보네이트(MPC), 에틸프로필카보네이트(EPC), 메틸에틸카보네이트(MEC), 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 또는 부틸렌 카보네이트(BC), 등이 사용될 수 있다. Specifically, the carbonate-based solvent is dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methyl propyl carbonate (MPC), ethyl propyl carbonate (EPC), methyl ethyl carbonate (MEC), ethylene Carbonate (EC), propylene carbonate (PC), or butylene carbonate (BC), and the like can be used.
상기 에스테르계 용매로는 구체적으로 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 1,1-디메틸에틸 아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(carprolactone) 등이 사용될 수 있다. Specifically, the ester-based solvent is methyl acetate, ethyl acetate, n-propyl acetate, 1,1-dimethylethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, γ-butyrolactone, decanolide, Valerolactone, mevalonolactone, carprolactone, and the like can be used.
상기 에테르계 용매로는 구체적으로 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르, 에틸프로필 에테르, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 메톡시에톡시에탄, 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 메틸에틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 메틸에틸 에테르, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 테트라에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 테트라에틸렌 글리콜 메틸에틸 에테르, 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 폴리에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 폴리에틸렌 글리콜 메틸에틸 에테르, 디글라임, 트리글라임, 테트라글라임, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 또는 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 등이 사용될 수 있다.Specifically, the ether-based solvent is dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methylethyl ether, methylpropyl ether, ethylpropyl ether, dimethoxyethane, diethoxyethane, methoxyethoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether , Diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol methylethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol methylethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol diethyl ether, tetraethylene Glycol methylethyl ether, polyethylene glycol dimethyl ether, polyethylene glycol diethyl ether, polyethylene glycol methylethyl ether, diglyme, triglyme, tetraglyme, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, or polyethylene glycol dimethyl ether It includes Le can be used.
상기 케톤계 용매로는 구체적으로 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다. 상기 알코올계 용매로는 구체적으로 에틸알코올, 이소프로필알코올 등이 사용될 수 있다. Specifically, cyclohexanone may be used as the ketone-based solvent. As the alcohol-based solvent, specifically, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, or the like can be used.
상기 비양자성 용매로는 구체적으로 아세토니트릴 등의 니트릴류, 디메틸포름아미드 등의 아미드류, 1,3-디옥솔란(DOL) 등의 디옥솔란류, 또는 술포란(sulfolane) 등이 사용될 수 있다.As the aprotic solvent, specifically, nitriles such as acetonitrile, amides such as dimethylformamide, dioxolanes such as 1,3-dioxolane (DOL), or sulfolane may be used.
상기 비수성 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용될 수 있고, 하나 이상 혼합하여 사용되는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있다.The non-aqueous organic solvent may be used alone or in combination of one or more, and the mixing ratio when used in combination with one or more may be appropriately adjusted according to the desired battery performance.
상기 전해질은 LiNO3를 추가로 포함할 수 있다. 상기 전해액이 상기 LiNO3를 포함하는 경우 셔틀 억제 효과를 향상시킬 수 있다. 상기 전해액은 상기 전해액 전체 중량에 대하여 상기 LiNO3를 1 내지 50중량%로 포함할 수 있다.The electrolyte may further include LiNO 3 . When the electrolyte solution includes the LiNO 3 , it is possible to improve the shuttle suppressing effect. The electrolyte may include LiNO 3 in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the electrolyte.
상기 전해질은 액체 전해질, 겔 중합체 전해질 및 고체 중합체 전해질로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 액체 상태의 전해질일 수 있다.The electrolyte may include one or more selected from the group consisting of a liquid electrolyte, a gel polymer electrolyte, and a solid polymer electrolyte. Preferably it may be a liquid electrolyte.
상기 비수 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전기화학소자의 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전기화학소자 조립 전 또는 전기화학소자 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.The injection of the non-aqueous electrolyte may be performed at an appropriate step in the manufacturing process of the electrochemical device, depending on the manufacturing process of the final product and the required properties. That is, it can be applied before the electrochemical device assembly or at the final stage of the electrochemical device assembly.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 분리막과 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 공정이 가능하다.The lithium secondary battery according to the present invention can perform lamination, stack, and folding processes of a separator and an electrode in addition to the general process of winding.
상기 이차 전지의 형상은 특별히 제한되지 않으며 원통형, 적층형, 코인형 등 다양한 형상으로 할 수 있다.The shape of the secondary battery is not particularly limited and may be various shapes such as a cylindrical shape, a stacked shape, and a coin shape.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to help understanding of the present invention, but the following examples are provided only to more easily understand the present invention and the present invention is not limited thereto.
실시예Example
실시예Example 1 One
1. 양극의 제조1. Preparation of anode
폴리알코올을 3:1 중량비의 구아검(Sigma-Aldrich 제품)과 잔탄검(Sigma-Aldrich 제품)의 혼합물과 혼합하여 바인더 조성물을 제조하였다. 상기 바인더 조성물에서 혼합물은 폴리알코올을 기준으로 30 중량%가 포함되었다. 또한, 황(Sigma-Aldrich 제품)을 CNT(Carbon Nanotube)와 함께 볼 밀을 사용하여 혼합 후 155℃에서 열처리하여 황-탄소 복합체의 양극 활물질을 제조하였다. 도전재로는 Super P를 준비하였다. 상술한 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 용매인 물에 첨가하고 믹서로 혼합하여 양극 활성층 형성용 조성물을 제조하였다. 이때, 혼합비율은 중량비로 양극 활물질 : 도전재 : 바인더 조성물이 90 : 5 : 5가 되도록 하였다. 제조한 양극 활물질층 형성용 조성물을 알루미늄 포일 집전체에 도포한 후 50℃에서 2시간 건조하여 양극을 제조하였다 (양극의 에너지 밀도: 5.5mAh/㎠).A binder composition was prepared by mixing polyalcohol with a mixture of guar gum (manufactured by Sigma-Aldrich) and xanthan gum (manufactured by Sigma-Aldrich) in a weight ratio of 3: 1. The mixture in the binder composition contained 30% by weight based on polyalcohol. In addition, sulfur (manufactured by Sigma-Aldrich) was mixed with CNT (Carbon Nanotube) using a ball mill, and then heat-treated at 155 ° C to prepare a positive electrode active material of a sulfur-carbon composite. Super P was prepared as a conductive material. The above-described positive electrode active material, conductive material and binder were added to water as a solvent and mixed with a mixer to prepare a composition for forming a positive electrode active layer. At this time, the mixing ratio was such that the positive electrode active material: conductive material: binder composition was 90: 5: 5 by weight ratio. The prepared positive electrode active material layer-forming composition was applied to an aluminum foil current collector and then dried at 50 ° C. for 2 hours to prepare a positive electrode (energy density of the positive electrode: 5.5 mAh / cm 2).
2. 리튬 이차전지의 제조2. Manufacturing of lithium secondary battery
상술한 방법에 의해 제조된 양극과 함께, 하기와 같이 음극, 분리막 및 전해액을 제조하여 리튬 이차전지를 조립하였다.A lithium secondary battery was assembled by preparing a negative electrode, a separator, and an electrolyte as described below, together with the positive electrode prepared by the above-described method.
(1) 음극(1) Cathode
음극으로서 리튬 호일을 사용하였다.Lithium foil was used as the negative electrode.
(2) 분리막(2) separator
분리막으로서 폴리에틸렌 막을 사용하였다A polyethylene membrane was used as the separator.
(3) 전해액(3) Electrolytic solution
전해액으로 디옥솔란(DOL) 및 디메틸에테르(DME)의 혼합용매에 LiTFSI를 0.1몰 농도로 혼합하고, LiNO3를 전해액 대비 1중량% 로 첨가한 전해질을 사용하였다.As an electrolyte, LiTFSI was mixed in a mixed solvent of dioxolane (DOL) and dimethyl ether (DME) at a concentration of 0.1 mol, and an electrolyte in which LiNO 3 was added at 1% by weight compared to the electrolyte was used.
실시예Example 2 2
양극의 제조 시, 폴리알코올을 구아검과 잔탄검의 혼합물 대신 구아검(폴리알코올 대비 30 중량%)과 혼합하여 바인더 조성물을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 및 리튬 이차전지를 제조하였다.When preparing the positive electrode, a positive electrode and a lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that a polyalcohol was mixed with guar gum (30% by weight compared to polyalcohol) instead of a mixture of guar gum and xanthan gum to prepare a binder composition. Was prepared.
실시예Example 3 3
양극의 제조 시, 폴리알코올을 구아검과 잔탄검의 혼합물 대신 잔탄검(폴리알코올 대비 30 중량%)과 혼합하여 바인더 조성물을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 및 리튬 이차전지를 제조하였다.In the preparation of the positive electrode, a positive electrode and a lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that a polyalcohol was mixed with xanthan gum (30% by weight compared to polyalcohol) instead of a mixture of guar gum and xanthan gum to prepare a binder composition. Was prepared.
비교예Comparative example 1 One
양극의 제조 시, 스티렌-부타디엔 고무(SBR, Sigma-aldrich 사 제품)를 카르복시메틸 셀룰로오즈(CMC, Daicel 사 제품)와 7:3의 중량비로 혼합하여 바인더 조성물을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 및 리튬 이차전지를 제조하였다.Example 1, except that a binder composition was prepared by mixing styrene-butadiene rubber (SBR, manufactured by Sigma-aldrich) with carboxymethyl cellulose (CMC, manufactured by Daicel) in a weight ratio of 7: 3 when preparing the positive electrode. A positive electrode and a lithium secondary battery were manufactured in the same manner as.
실험예Experimental example
실험예Experimental example 1 One
실시예 및 비교예에 따른 바인더 조성물 제조 후 초기 점도와 10일 보관 후 점도 및 침강 여부를 측정하여, 하기 표 1에 나타내었다. 점도는 Brookfield 점도계를 사용하였고, 침강 여부는 육안으로 층간 분리가 일어나는지 여부를 확인하였다.After preparing the binder composition according to Examples and Comparative Examples, the initial viscosity and the viscosity and sedimentation after storage for 10 days were measured and are shown in Table 1 below. For the viscosity, a Brookfield viscometer was used, and whether or not sedimentation occurred was visually confirmed.
상기 표 1에 따르면, 실시예 1 내지 3에 따른 바인더 조성물은 침강 없이 높은 점도로 유지되는 것을 확인할 수 있었다.According to Table 1, it was confirmed that the binder compositions according to Examples 1 to 3 were maintained at a high viscosity without sedimentation.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것이며, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications and variations of the present invention belong to the scope of the present invention, and the specific protection scope of the present invention will become apparent by the appended claims.
Claims (11)
상기 바인더는 폴리올레핀계 바인더, 폴리알코올계 바인더, 또는 이의 조합인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더 조성물.The method according to claim 1,
The binder is a binder composition for positive electrode production of a lithium secondary battery, characterized in that a polyolefin-based binder, a polyalcohol-based binder, or a combination thereof.
상기 검은 잔탄검, 구아검, 아라비아검, 로커스트빈검, 젤란검, 타라검, 아카시아검, 타마린드검 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더 조성물.The method according to claim 1,
The black xanthan gum, guar gum, gum arabic, locust bean gum, gellan gum, tara gum, acacia gum, tamarind gum and a binder composition for positive electrode production of a lithium secondary battery, characterized in that selected from the group consisting of a combination thereof.
상기 검은 잔탄검, 구아검 또는 이의 조합인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더 조성물.The method according to claim 3,
The black xanthan gum, guar gum or a binder composition for producing a positive electrode of a lithium secondary battery, characterized in that a combination thereof.
상기 검은 구아검과 잔탄검이 1:1 내지 4:1의 중량비로 혼합된 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더 조성물.The method according to claim 4,
The black guar gum and xanthan gum is a binder composition for producing a positive electrode of a lithium secondary battery, characterized in that a mixture in a weight ratio of 1: 1 to 4: 1.
상기 검은 바인더를 기준으로 1 내지 70 중량%가 바인더 조성물에 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더 조성물.The method according to claim 1,
A binder composition for positive electrode production of a lithium secondary battery, characterized in that 1 to 70% by weight based on the black binder is included in the binder composition.
상기 양극재는 양극재 내 고형분 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 10 중량부의 바인더 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 양극.The method according to claim 7,
The positive electrode material is a positive electrode of a lithium secondary battery, characterized in that it comprises a binder composition of 0.01 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of solids in the positive electrode material.
상기 양극재는 양극재 내 고형분 100 중량부를 기준으로 30 내지 95 중량부의 양극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 양극.The method according to claim 7,
The positive electrode material is a positive electrode of a lithium secondary battery, characterized in that it contains a positive electrode active material 30 to 95 parts by weight based on 100 parts by weight of solids in the positive electrode material.
상기 양극재는 양극재 내 고형분 100 중량부를 기준으로 2 내지 60 중량부의 도전재를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 양극.The method according to claim 7,
The positive electrode material is a positive electrode of a lithium secondary battery, characterized in that it comprises a conductive material of 2 to 60 parts by weight based on 100 parts by weight of solids in the positive electrode material.
Lithium secondary battery comprising the positive electrode according to claim 7.
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WO2022114650A1 (en) * | 2020-11-27 | 2022-06-02 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | Binder composition for manufacturing lithium-sulfur battery cathode, and lithium-sulfur battery cathode manufactured therefrom |
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-
2018
- 2018-09-28 KR KR1020180115447A patent/KR102700981B1/en active IP Right Grant
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