JP2021518988A - リチウム二次電池用負極スラリー、及びこの製造方法 - Google Patents

リチウム二次電池用負極スラリー、及びこの製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、リチウムチタン酸化物(Lithium titanium oxide、LTO)、カルボン酸含有高分子分散剤、バインダー及び水系溶媒を含み、前記カルボン酸含有高分子分散剤は、2,500から500,000g/molの重量平均分子量(Mw)を有し、前記リチウムチタン酸化物100重量部に対して1.5から20重量部の量で含まれる、負極スラリー及びこの製造方法に関する。

Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、2018年6月8日付韓国特許出願第10−2018−0066079号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は、本明細書の一部として含まれる。
本発明は、リチウム二次電池用負極スラリー、及びその製造方法に関し、さらに詳しくはリチウムチタン酸化物(Lithium titanium oxide、LTO)を含む水系負極スラリーのスラリー粘度が高くなるという問題点を解決した、固形分含量の高い水系負極スラリー及びこの製造方法に関する。
モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するに伴い、エネルギー源としての二次電池に対する需要が急激に増加しており、そのような二次電池の中でも高いエネルギー密度と作動電位を示し、サイクル寿命が長く、自己放電率が低いリチウム二次電池が常用化されて広く用いられる。
また、最近、環境問題に対する関心が大きくなるにつれ、大気汚染の主要原因の一つであるガソリン車両、ディーゼル車両など、化石燃料を用いる車両を代替できる電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)などに対する研究が多く進められている。
このような電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)などは動力源としてニッケル水素金属(Ni−MH)二次電池、または高いエネルギー密度、高い放電電圧及び出力安定性のリチウム二次電池を用いているが、リチウム二次電池を電気自動車に用いる場合には、高いエネルギー密度と短時間に大きい出力を発揮できる特性とともに、厳しい条件下で10年以上使用され得なければならないので、既存の小型リチウム二次電池より遥かに優れた安全性及び長期寿命特性が必然的に要求される。また、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)などに用いられる二次電池は、車両の作動条件によって優れたレート(rate)特性とパワー(power)特性が要求される。
リチウム二次電池の活物質として、最近、Li吸蔵放出電位の高いリチウムチタン酸化物が注目されている。リチウムチタン酸化物は、リチウム吸蔵放出電位では金属リチウムが析出されないため、急速充電や低温性能に優れるという長所がある。しかし、リチウムチタン酸化物は、黒鉛などの炭素材に比べ、材料自体の電気伝導度が低く、リチウムイオンの拡散速度が遅いため、実質的に高い出力を得るためには粒子の粒径を小さくする必要性があるが、リチウムチタン酸化物の粒子の粒径を小さくする場合、これを含む負極スラリーの粘度が高くなるという問題がある。また、前記負極スラリーの粘度の問題を解決するためには、負極スラリーの固形分含量を下げなければならないので、電池の容量が減少するようになるという短所を有している。
このような負極スラリーの粘度の問題は、溶媒として水系溶媒を含む負極スラリーでは、非水系溶媒を含む負極スラリーに比べてさらに大きくなるが、環境保護及び製造コストの低減の必要性を勘案するとき、負極スラリーに水系溶媒を適用するための持続的な努力が要求されている状況である。
したがって、リチウムチタン酸化物を含む水系負極スラリーとして高い固形分含量を有しながらも、負極集電体上に適宜負極活物質層を形成するように適した粘度を有する負極スラリーの開発を必要とする。
本発明が解決しようとする課題は、高い固形分含量を有しながらも適した粘度を示す負極スラリーを提供することである。
本発明の他の解決しようとする課題は、前記負極スラリーの製造方法を提供することである。
本発明のまた他の解決しようとする課題は、前記負極スラリーを含むリチウム二次電池用負極、及び前記負極を含むリチウム二次電池を提供することである。
本発明は、前記課題を解決するために、リチウムチタン酸化物(Lithium titanium oxide、LTO)、カルボン酸含有高分子分散剤、バインダー及び水系溶媒を含み、前記カルボン酸含有高分子分散剤は、2,500から500,000g/molの重量平均分子量(Mw)を有し、前記リチウムチタン酸化物100重量部に対して1.5から20重量部の量で含まれる、負極スラリーを提供する。
本発明は、前記他の課題を解決するために、(1)リチウムチタン酸化物(LTO)、カルボン酸含有高分子分散剤、バインダー及び水系溶媒を混合して予備混合スラリーを製造する段階;及び(2)前記分散剤が添加された予備混合スラリーを撹拌して分散させる段階を含み、前記カルボン酸含有高分子分散剤は、2,500から500,000g/molの重量平均分子量(Mw)を有し、前記リチウムチタン酸化物100重量部に対して1.5から20重量部の量で含まれる、前記負極スラリーの製造方法を提供する。
本発明は、前記また他の課題を解決するために、前記負極スラリーを含むリチウム二次電池用負極、及び前記負極を含むリチウム二次電池を提供する。
本発明に係る負極スラリーは、高い固形分含量を有することで高い負極ローディング量を達成できながらも、負極スラリーが適した粘度を示してリチウムチタン酸化物(LTO)を含む水系負極スラリーの高い粘度による負極製造工程上の問題点を解決することができる。
以下、本発明に対する理解を助けるために本発明をさらに詳しく説明する。
本明細書及び特許請求の範囲に用いられた用語や単語は、通常的且つ辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自身の発明を最良の方法で説明するために用語の概念を適宜定義することができるという原則に即して、本発明の技術的思想に適合する意味と概念に解釈されなければならない。
負極スラリー
本発明の負極スラリーは、リチウム二次電池用水系負極スラリーであって、リチウムチタン酸化物(Lithium titanium oxide、LTO)、カルボン酸含有高分子分散剤、バインダー及び水系溶媒を含むものであって、前記カルボン酸含有高分子分散剤は、2,500から500,000g/molの重量平均分子量(Mw)を有し、前記リチウムチタン酸化物100重量部に対して1.5から20重量部の量で含まれるものである。
本発明の一例による負極スラリーが含むリチウムチタン酸化物(Lithium titanium oxide、LTO)は、リチウムチタン酸化物を含む1次粒子が集合して形成された2次粒子であってよい。
前記1次粒子は、ナノレベルの粒径を有する粒子であってよく、このようにナノレベルの粒径を有する粒子は、負極スラリーに含まれる時、負極スラリーの粘度を適正水準以上に増加させ、また、ナノレベルの粒径の粒子は水分に敏感なので、空気への露出時、多量の水分を粒子の表面に吸着することになるので、電極の製造工程性及び電池の特性を阻害し得る。したがって、本発明の一例による負極スラリーは、前記1次粒子が集合して形成された2次粒子であるリチウムチタン酸化物を含んでよい。
前記リチウムチタン酸化物は、結晶構造が安定的で且つ充放電による体積変化が少なく、サイクル特性に優れ、酸化還元電位が高いので、固体電解質界面(Solid Electrolyte Interface;SEI)膜の形成の絶対量、及びそれによる内部抵抗が減少されることにより、高レート特性及び高電流特性が向上し得る。また、LTOは、それ自体で酸化還元サイトで反応に参加できるので、電池の容量低下を最小化することができる。
前記2次粒子の平均粒径(D50)は、0.01μmから1μmであってよく、具体的には0.1μmから0.95μmであってよく、さらに具体的には0.3μmから0.9μmであってよい。
前記リチウムチタン酸化物2次粒子の平均粒径(D50)が前記範囲である場合、粒子が小さいことによって相対的に比表面積が増加し、リチウムイオンの移動距離を短くすることができ、拡散速度を高めることができるので、これを含むリチウム二次電池が高い出力を示すことができる。前記リチウムチタン酸化物2次粒子の平均粒径(D50)が前記範囲より小さい場合には、負極スラリーの粘度を適正水準以上に増加させ、負極スラリーが追加的な溶媒を必要として負極スラリーの固形分含量が減少することができ、前記リチウムチタン酸化物2次粒子の平均粒径(D50)が前記範囲より大きい場合には、前記リチウムチタン酸化物粒子が適した程度の比表面積を確保できず、リチウムイオンの移動距離が増加することになるので、これを含むリチウム二次電池の出力が低下し得る。
本発明の明細書で用いられる用語「1次粒子」は、ある粒子から他の種類の粒子が形成される際の元の粒子を意味し、複数の1次粒子が集合、結合または造粒化して2次粒子を形成することができる。
本発明で用いられる用語「2次粒子」は、個々の1次粒子が集合、結合または造粒化して形成された、物理的に分別可能な大きい粒子を意味する。
前記リチウムチタン酸化物は、BET(Brunauer−Emmett−Teller;BET)法で測定した比表面積が0.1m/gから50m/gであってよく、具体的には0.5m/gから20m/g、さらに具体的には1m/gから10m/gであってよい。前記リチウムチタン酸化物の比表面積が前記範囲である場合、リチウムチタン酸化物の低い電気電導度を補完し、リチウムイオンの低い拡散速度によるリチウム二次電池の出力低下の問題を補完することができる。
本発明において、平均粒径(D50)は、粒径分布の50%基準における粒径と定義することができる。前記平均粒径は、特に制限されないが、例えば、レーザー回折法(laser diffraction method)または走査電子顕微鏡(SEM)写真を用いて測定することができる。前記レーザー回折法は、一般的にサブミクロン(submicron)領域から数mm程度の粒径の測定が可能であり、高再現性及び高分解性を有する結果を得ることができる。
前記リチウムチタン酸化物は、例えば、下記化学式1で表されてよい。
[化学式1]
LiTi
前記化学式1において、0.5≦x≦3、1≦y≦2.5であってよく、具体的には0.8≦x≦2.8、1.3≦y≦2.3であってよい。前記リチウムチタン酸化物の具体的な例としては、Li0.8Ti2.2、Li2.67Ti1.33、LiTi、Li1.33Ti1.67及びLi1.14Ti1.71からなる群から選択されたいずれか一つまたはこれらのうち2種以上の混合物などであってよいが、これらだけに限定されるものではない。
前記カルボン酸含有高分子分散剤は、前記分散剤の分子構造内にカルボン酸構造を含むものであって、前記カルボン酸構造が前記リチウムチタン酸化物が適宜前記水系溶媒に分散され得るようにして、負極活物質としてリチウムチタン酸化物(LTO)を含む水系負極スラリーの粘度増加の問題を解決することができる。また、負極スラリーの粘度が低くなり得るので、前記負極スラリーは増加された固形分含量を有し得る。
このために本発明の負極スラリーは、前記カルボン酸含有高分子分散剤として特定の範囲の重量平均分子量(Mw)を満たすものを前記リチウムチタン酸化物の含量に対して特定の含量範囲で含む。
前記カルボン酸含有高分子分散剤は、2,500から500,000g/molの重量平均分子量(Mw)を有し、具体的には3,000から500,000g/mol、さらに具体的には3,000から250,000g/molの重量平均分子量(Mw)を有することができる。前記カルボン酸含有高分子分散剤が前記範囲の重量平均分子量(Mw)を満たす場合、前記負極スラリーの粘度が抑制され、負極スラリーに含まれるスラリー粒子の大きさの増大(粗大化)が抑制され得る。
また、これと共に前記負極スラリーは、前記カルボン酸含有高分子分散剤を前記リチウムチタン酸化物100重量部を基準に、1.5から20重量部、具体的には2から15重量部、さらに具体的には2から10重量部の量で含んでよい。前記負極スラリーに含まれる前記カルボン酸含有高分子分散剤の含量は、前記リチウムチタン酸化物の含量に比例して定められ、前記含量範囲を満たす場合、前記負極スラリーの粘度が抑制され、負極スラリーに含まれるスラリー粒子の大きさの増大が抑制され得る。前記カルボン酸含有高分子分散剤が一定含量を超過して含まれる場合、追加の分散性向上の効果を期待し難く、前記カルボン酸含有高分子分散剤が必要以上の固形分分率を占めることになるので、電池の容量確保に不利であり得る。
本発明の一例による負極スラリーは、前記カルボン酸含有高分子分散剤の重量平均分子量範囲及び含量を共に満たすので、負極スラリーに含まれるスラリー粒子の大きさの増大が抑制され、前記負極スラリーに含まれるスラリー粒子の大きさを減らすことができる。具体的には、本発明の一例による負極スラリーは、前記負極スラリーに含まれる前記リチウムチタン酸化物が凝集されずに均一に分散されることにより、前記負極スラリーに含まれる前記リチウムチタン酸化物の粒径を減らすことができる。
前記カルボン酸含有高分子分散剤としては、高分子鎖内にカルボン酸を含有し、前記分子量範囲を満たすものであれば特に制限されず、例えば、高分子鎖内にアクリル酸、マレイン酸、及びマレイン酸無水物から誘導された繰り返し単位を含むカルボン酸含有高分子分散剤であってよく、具体的にはポリアクリル酸、ポリ(アクリル酸−マレイン酸)共重合体、ポリ(マレイン酸−スチレン)共重合体、ポリ(無水マレイン酸−イソブチレン)共重合体、及びポリ(マレイン酸−ビニルエーテル)共重合体からなる群から選択された1種以上であってよく、さらに具体的にはポリアクリル酸及びポリ(アクリル酸−マレイン酸)共重合体からなる群から選択された1種以上であってよい。
本発明の一例による負極スラリーが前記したところのようなカルボン酸含有高分子分散剤を含む場合、追加の分散性向上の効果を発揮することができるが、前記カルボン酸含有高分子分散剤が前記カルボン酸を塩(salt)の形態で含む場合には、追加の分散性向上の効果を期待し難い。
前記バインダーは、負極スラリーの製造時に用いられる通常のバインダーであれば、特に制限されないが、例えば、ポリビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー(PVDF−co−HEP)、ポリビニリデンフルオライド(polyvinylidenefluoride)、ポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile)、ポリメチルメタクリレート(polymethylmethacrylate)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリビニルアルコール、澱粉、ヒドロキシプロピレンセルロース、ジアセチレンセルロース、ポリビニルクロリド、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリル酸、エチレン−プロピレン−ジエンモノマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム、多様な共重合体などの多様な種類のバインダー高分子が用いられてよい。
前記バインダーは、前記負極スラリーの固形分の総重量を基準に20重量%以下であってよく、具体的には0.1重量%から10重量%、さらに具体的には0.1重量%から4重量%であってよい。
前記水系溶媒としては、具体的には水を含んでよく、前記水系溶媒は、前記リチウムチタン酸化物、前記カルボン酸含有高分子分散剤もまた追加的に使用され得るその他の添加剤などを分散させ得るとともに、負極スラリーのコーティング性などを勘案して負極スラリー組成物が適した粘度を有し得る含量で含まれてよい。
前述したように、本発明の一例による負極スラリーは、粘度の増加が抑制されて相対的に低い粘度を有するので、高い固形分含量を有することができる。
これによって、本発明の一例による負極スラリーは、45重量%以上の固形分含量を有してよく、具体的には50重量%以上、さらに具体的には52重量%以上の固形分含量を有してよい。一方、固形分含量の上限は90重量%、具体的には87重量%、さらに具体的には85重量%であってよい。本発明の一例による負極スラリーは前記範囲の高い固形分含量を有するので、相対的に電池容量が増加し、またこれを用いて負極の製造時に圧延率を下げて負極スラリーの乾燥及び圧延の前・後の厚さの差を減らすことができ、これによって負極活物質を始めとした負極スラリー内部の成分の損傷を減少させ、電池の性能が相対的に向上することができる。
本発明の負極スラリーは、25℃で4.4Pa・s以下の粘度を有するものであってよく、具体的には0.05Pa・sから4Pa・s、さらに具体的には0.1Pa・sから4Pa・sの粘度を有するものであってよい。
本発明の一例による負極スラリーは、高い固形分含量にもかかわらず、相対的に低い粘度を示すことができる。例えば、前記負極スラリーは、25℃で前記リチウムチタン酸化物を45重量%以上含む際の粘度が4.4Pa・s以下であってよく、具体的には前記負極スラリーは、25℃で前記リチウムチタン酸化物を50重量%以上含む際の粘度が4.4Pa・s以下であってよく、さらに具体的には前記負極スラリーは、25℃で前記リチウムチタン酸化物を52重量%以上含む際の粘度が4.4Pa・s以下であってよい。
本発明の負極スラリーは、前記固形分含量範囲を満たしながら、前記粘度範囲を満たすことができる。本発明の負極スラリーが前記固形分含量範囲で前記のような低い粘度を有するという点は、負極スラリーに含まれる固形分含量を更に増加させることができるという可能性を示唆する。
すなわち、本発明の負極スラリーは、負極スラリーの粘度上昇が抑制され得るので、リチウムチタン酸化物を含む通常の負極スラリーに比べて相対的に固形分の比率を増加させることができる。すなわち、本発明の一例による負極スラリーは、特定の範囲の重量平均分子量(Mw)を有するカルボン酸含有高分子分散剤を前記リチウムチタン酸化物の含量に比例して特定の含量で含むので、負極スラリーの粘度上昇が抑制され、負極スラリーに含まれた固形分含量によって予測される粘度に比べて低い粘度を有することができ、追加量のリチウムチタン酸化物などを含ませるなどの方法で固形分含量を増加させることにより、負極のローディング量を増加させることができる。
本発明の一例による負極スラリーは、前記下限値以上の固形分含量を有し得るので、高い固形分含量による負極のローディング量の増加の効果を発揮することができる。前記固形分含量が前記上限値を超過する場合、負極スラリーの粒子の粗大化が発生することができ、特に負極スラリーの粘度が適正水準以上に増加することになるので、負極の製造時に工程性が落ちる可能性がある。
また、本発明の一例による負極スラリーは、前記範囲の粘度を満たすので、必要に応じて更に適宜固形分含量を増加させることができる。
一方、このような本発明の一例による負極スラリーが含む粒子の平均粒径(D50)、すなわち前記負極スラリーが含む前記リチウムチタン酸化物の平均粒径(D50)は0.2μmから1.5μmであってよい。具体的には、前記負極スラリーが含む前記リチウムチタン酸化物の平均粒径(D50)は、0.3μmから1.2μmであってよく、さらに具体的には0.5μmから1.1μmであってよい。
前記負極スラリーに含まれたリチウムチタン酸化物の平均粒径(D50)が増加するということは、前記リチウムチタン酸化物が前記負極スラリー内で分散されずに凝集されているということを意味する。このように負極活物質であるリチウムチタン酸化物が凝集する場合、負極活物質層内でイオンの拡散が低下してリチウム二次電池性能の低下をもたらすので、前記負極スラリーに含まれたリチウムチタン酸化物の平均粒径(D50)が減少されるようにすることが重要である。本発明の一例による負極スラリーは、前記負極スラリーが含む前記リチウムチタン酸化物の平均粒径(D50)が前記範囲に含まれるので、これを含むリチウム二次電池がさらに優れた充放電特性を示すことができる。
また、前記負極スラリーは、必要に応じて更に導電材を含んでよい。前記導電材は、当該電池に化学的変化を誘発することなく、導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、前記導電材の例としては、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛;アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック;炭素繊維、炭素ナノチューブ、金属繊維などの導電性繊維;フッ化カーボン;アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末;酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;またはグラフェン誘導体、ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などを挙げることができる。前記導電材は、前記負極スラリーの固形分の総重量を基準に0.1重量%から15重量%の量、具体的には1重量%から9重量%の量で用いられてよい。
前記負極スラリーは、必要に応じて更に増粘剤を含んでよい。
前記負極スラリーは、前記増粘剤を前記負極スラリーの固形分の総重量を基準に0.1重量%から3重量%含んでよく、具体的には0.2重量%から2重量%、さらに具体的には0.5重量%から1.5重量%含んでよい。
前記負極スラリーが前記増粘剤を前記範囲で含む場合、適した増粘効果を発揮してスラリーの貯蔵安定性を確保することができ、前記増粘剤が前記負極スラリーに一定含量以内に含まれて電池の性能を低下させない。
前記増粘剤は、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルセルロース、及び再生セルロースからなる群から選択された1種以上のものであってよく、具体的にはカルボキシメチルセルロース(CMC)であってよい。
負極スラリーの製造方法
次に、本発明に係る負極スラリーの製造方法に対して説明する。
本発明の一例による負極スラリーは、(1)リチウムチタン酸化物(LTO)、カルボン酸含有高分子分散剤及び水系溶媒を混合して予備混合スラリーを製造する段階;及び(2)前記分散剤が添加された予備混合スラリーを撹拌して分散させる段階を含む方法により製造され得る。
前述したように、前記カルボン酸含有高分子分散剤は、2,500から500,000の重量平均分子量(Mw)を有し、前記リチウムチタン酸化物100重量部に対して1.5から20重量部の量で含まれる。
段階(1)では、バインダー、リチウムチタン酸化物(LTO)、カルボン酸含有高分子分散剤及び水系溶媒を混合して予備混合スラリーを製造する。
前記予備混合スラリーの製造は、バインダー、リチウムチタン酸化物(LTO)、2,500から500,000g/molの重量平均分子量(Mw)を有するカルボン酸含有高分子分散剤及び水系溶媒を同時に混合して行われてよく、一部成分等を先に混合した後、残りの成分を混合する方法で行われてよい。
本発明の一例による負極スラリーの製造方法において、前記段階(1)の予備混合スラリーは、例えば(1−1)バインダー、リチウムチタン酸化物(LTO)、及び溶媒を混合する段階;及び(1−2)前記段階(1−1)で得られた混合物にカルボン酸含有高分子分散剤を添加し、予備混合スラリーを製造する段階を含む方法により行われてよい。
一方、前記段階(1)により製造される予備混合スラリーは、前記バインダー、リチウムチタン酸化物(LTO)及びカルボン酸含有高分子分散剤をそれぞれ水系溶媒に先に混合した以後、これらを全て混合する方法で製造されてよい。
前記混合は、通常の混合方法、ボールミル(ball mill)、ビーズミル(bead mill)、バスケットミル(basket mill)遊星ミル(planetary−mill)などのミリング(milling)方法、またはホモディスパーミキサー(Homo disper mixer)、ホモゲナイザ、ビーズミル、ボールミル、バスケットミル、アトリションミル、万能撹拌機、クリアミキサー、のこぎり形インペラ(saw type impeller)またはTKミキサーなどのような混合装置を用いた方法を介して行われてよい。
前記混合は、1,000rpmから10,000rpm、具体的には3,000rpmから7,000rpmの速度で、10分から1時間、具体的には20分から40分間混合する方法を介して行われてよい。
段階(2)では、前記分散剤が添加された予備混合スラリーを撹拌して分散させることになる。
段階(2)の撹拌に先立ち、前記予備混合スラリーに必要に応じて更に水系溶媒が添加されてよい。追加の水系溶媒の追加投入を介して予備混合スラリーの濃度を調節することで、製造される負極スラリーの固形分含量を調節することができる。段階(2)での分散を経て負極スラリーが製造され得る。
前記分散は、通常の混合方法、ボールミル(ball mill)、ビーズミル(bead mill)、バスケットミル(basket mill)遊星ミル(planetary−mill)などのミリング(milling)方法、またはホモディスパーミキサー(Homo disper mixer)、ホモゲナイザ、ビーズミル、ボールミル、バスケットミル、アトリションミル、万能撹拌機、クリアミキサー、のこぎり形インペラ(saw type impeller)またはTKミキサーなどのような混合装置を用いた方法を介して行われてよく、シェーカーによる混合により行われてよい。
本発明の一例による負極スラリーの製造方法において、前記撹拌を介した分散は、例えばシェーカーを用いて行われてよく、前記シェーカーを介した混合(振とう、shaking)は、混合しようとする前記分散剤が添加された予備混合スラリーにビーズ(bead)を添加して100rpmから1000rpm、具体的には200rpmから500rpmの速度で、5時間から24時間、具体的には12時間から18時間振る方法を介して行われてよい。
前記ビーズの大きさは、負極活物質及びバインダーの種類と量、そして分散剤の種類によって適宜決定されてよく、具体的には、前記ビーズミルの直径は0.5mmから5mmであってよい。
本発明は、前記負極スラリーを含むリチウム二次電池用負極を提供し、また本発明は、前記負極を含むリチウム二次電池を提供する。
前記リチウム二次電池は、正極、負極及び前記正極と負極の間に介在されたセパレータを含むものであってよい。
前記負極は、前述した負極スラリーの製造方法によって製造された負極スラリーを用いて当分野に知られている通常の負極の製造方法で製造されてよい。
本発明の一例による前記負極に用いられる負極集電体は、3μmから500μmの厚さを有するものであってよい。前記負極集電体は、当該電池に化学的変化を誘発することなく導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、銅、金、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅やステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、アルミニウム−カドミウム合金などが用いられてよい。また、表面に微細な凹凸を形成して負極活物質の結合力を強化させることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態で用いられてよい。
前記負極スラリーには、必要に応じて充填剤が含まれてよい。
前記充填剤は、電極の膨張を抑制する補助成分であって、当該電池に化学的変化を誘発することなく、繊維状材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系重合体、ガラス繊維、炭素繊維などの繊維状物質であってよい。
前記正極は、当分野に知られている通常の方法で製造してよい。例えば、正極活物質に溶媒、バインダー、導電材、分散剤を混合及び撹拌してスラリーを製造した後、これを金属材料の集電体に塗布(コーティング)して圧縮した後、乾燥して正極を製造してよい。
前記金属材料の集電体は、伝導性の高い金属であって、前記正極活物質のスラリーが容易に接着できる金属であり、電池の電圧範囲で当該電池に化学的変化を誘発することなく、高い導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、またはアルミニウムやステレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが用いられてよい。また、集電体表面に微細な凹凸を形成して正極活物質の接着力を高めることもできる。集電体は、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態で使用可能であり、3から500μmの厚さを有するものであってよい。
前記正極活物質は、例えば、リチウムコバルト酸化物(LiCoO);リチウムニッケル酸化物(LiNiO);Li[NiCoMn ]O(前記式において、Mは、Al、Ga及びInからなる群から選択されるいずれか一つまたはこれらのうち2種以上の元素であり、0.3≦a<1.0、0≦b≦0.5、0≦c≦0.5、0≦d≦0.1、a+b+c+d=1である);Li(Li f−e−f’ f’)O2−g(前記式において、0≦e≦0.2、0.6≦f≦1、0≦f’≦0.2、0≦g≦0.2であり、Mは、Mnと、Ni、Co、Fe、Cr、V、Cu、Zn及びTiからなる群から選択される1種以上を含み、Mは、Al、Mg及びBからなる群から選択される1種以上であり、Aは、P、F、S及びNからなる群から選択される1種以上である)などの層状化合物や1またはそれ以上の遷移金属で置換された化合物;Li1+hMn2−h(前記式において、0≦h≦0.33)、LiMnO、LiMn、LiMnOなどのリチウムマンガン酸化物;リチウム銅酸化物(LiCuO);LiV、V、Cuなどのバナジウム酸化物;化学式LiNi1−i (前記式において、Mは、Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、BまたはGaであり、0.01≦i≦0.3)で表現されるNiサイト型リチウムニッケル酸化物;化学式LiMn2−j (前記式において、Mは、Co、Ni、Fe、Cr、ZnまたはTaであり、0.01≦j≦0.1)またはLiMn(前記式において、Mは、Fe、Co、Ni、CuまたはZn)で表現されるリチウムマンガン複合酸化物;化学式のLi一部がアルカリ土類金属イオンで置換されたLiMn;ジスルフィド化合物;LiFe、Fe(MoOなどを挙げることができるが、これらだけに限定されるものではない。
前記正極活物質は、正極スラリーの固形分の総重量を基準に50重量%から99重量%、具体的には70重量%から98重量%含まれてよい。
前記正極を形成するための溶媒としては、NMP(N−メチルピロリドン)、DMF(ジメチルホルムアミド)、アセトン、ジメチルアセトアミドなどの有機溶媒または水などがあり、これら溶媒は単独でまたは2種以上を混合して用いてよい。溶媒の使用量は、スラリーの塗布厚さ、製造歩留まりを考慮して前記正極活物質、バインダー、導電材を溶解及び分散させることができる程度であれば十分である。
前記導電材は、当該電池に化学的変化を誘発することなく導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛;アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック;炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維;炭素ナノチューブなどの導電性チューブ;フルオロカーボン;アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末;酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;グラフェン誘導体、ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などが用いられてよい。前記導電材は、正極スラリーの固形分の総重量を基準に1重量%から20重量%の量で用いられてよい。
前記分散剤は、水系分散剤またはN−メチル−2−ピロリドンなどの有機分散剤を用いてよい。前記分散剤は、前記正極活物質スラリーの固形分の総重量を基準に0.01重量%から10重量%の量で用いられてよい。
一方、セパレータとしては、従来にセパレータとして用いられた通常の多孔性高分子フィルム、例えば、エチレン単独重合体、プロピレン単独重合体、エチレン−ブテン共重合体、エチレン−ヘキセン共重合体、及びエチレン−メタクリレート共重合体などのようなポリオレフィン系高分子で製造した多孔性高分子フィルムを単独でまたはこれらを積層して用いてよく、または通常の多孔性不織布、例えば、高融点のガラス繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維などからなる不織布を用いてよいが、これに限定されるものではない。
本発明で用いられる電解質として含まれ得るリチウム塩は、リチウム二次電池用電解質に通常用いられるものなどが制限なく用いられてよく、例えば前記リチウム塩の陰イオンとしては、F、Cl、Br、I、NO 、N(CN) 、BF 、ClO 、PF 、(CFPF 、(CFPF 、(CFPF 、(CFPF、(CF、CFSO 、CFCFSO 、(CFSO、(FSO、CFCF(CFCO、(CFSOCH、(SF、(CFSO、CF(CFSO 、CFCO 、CHCO 、SCN及び(CFCFSOからなる群から選択されたいずれか一つであってよい。
本発明で用いられる電解液において、電解液に含まれる有機溶媒としては、二次電池用電解液に通常用いられるものなどが制限なく用いられてよく、代表的にはプロピレンカーボネート(propylene carbonate、PC)、エチレンカーボネート(ethylene carbonate、EC)、ジエチルカーボネート(diethyl carbonate、DEC)、ジメチルカーボネート(dimethyl carbonate、DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、ビニレンカーボネート、スルホラン、ガンマ−ブチロラクトン、プロピレンサルファイト及びテトラヒドロフランからなる群から選択されるいずれか一つまたはこれらのうち2種以上の混合物などが代表的に用いられてよい。具体的には、前記カーボネート系有機溶媒のうち環形カーボネートであるエチレンカーボネート及びプロピレンカーボネートは、高粘度の有機溶媒として誘電率が高いため、電解質内のリチウム塩をよく解離させるので好ましく用いられ得、このような環形カーボネートにジメチルカーボネート及びジエチルカーボネートのような低粘度、低誘電率の線形カーボネートを適当な割合で混合して使用すれば、高い電気伝導率を有する電解液を作製することができるので、さらに好ましく用いられ得る。
選択的に、本発明によって貯蔵される電解液は、通常の電解液に含まれる過充電防止剤などのような添加剤をさらに含んでよい。
本発明のリチウム二次電池の外形は、特別な制限がないが、缶を用いた円筒状、角形、パウチ(pouch)型またはコイン(coin)型などになり得る。
本発明に係るリチウム二次電池は、小型デバイスの電源として使用される電池セルに用いられ得るだけでなく、多数の電池セルを含む中大型電池モジュールに単位電池としても好ましく使用され得る。
実施例
以下、本発明を具体的に説明するために実施例及び実験例を挙げてさらに詳しく説明するが、本発明がこれら実施例及び実験例によって制限されるものではない。本発明に係る実施例は、いくつか異なる形態に変形されてよく、本発明の範囲が下記で詳述する実施例に限定されるものと解釈されてはならない。本発明の実施例は、当業界で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されることである。
実施例1
<予備混合スラリーの製造>
カルボキシメチルセルロース(CMC、Daicel 1205、Daicel社製)3.56gを水200gに溶解させた溶液に粒径(D50)0.75μm、比表面積6.3m/gのLiTi12296.44gを添加し、直径80mmののこぎり形インペラ(saw type impeller)(VMA−GETZMANNGMBH社製、DISPERMAT CN20)を用いて5,000rpmで30分間ミキシングし、LTO予備混合スラリーを製造した。
<分散剤の適用>
125mLナルゲンチューブ(nalgene tube)に前記LTO予備混合スラリー44.7gを入れ、分散剤として重量平均分子量(Mw)5,000g/molのポリアクリル酸(wako pure chemical社製)及び水を添加して50gを合わせた。
<スラリーの分散>
前記分散剤が適用された予備混合スラリーに粒径3mmのジルコニアビーズ100gを添加し、シェーカーを用いて300rpmで2時間振とう(shaking)し、分散させて負極スラリーを製造した。
実施例2から7、比較例1から8
前記実施例1で分散剤として重量平均分子量(Mw)5,000g/molのポリアクリル酸の代わりにそれぞれ下記表1に示したような種類の分散剤を下記示したような含量で使用したことを除き、実施例1と同じ方法で負極スラリーを製造した。
Figure 2021518988
実験例
前記実施例1から7、及び比較例1及び8でそれぞれ製造された負極スラリーを1,000倍希釈した後、レーザー回折器(Malvern社製、Mastersizer 3000)を用いて負極スラリーに含まれた粒子の平均粒径(D50)を測定して下記表2に示した。
また、前記実施例1から7、及び比較例1から8でそれぞれ製造された負極スラリーに対して粘度計(TOKI社製、viscometer TV−22)を用いて25℃、1rpmで粘度を測定し、その結果を下記表2に示した。
Figure 2021518988
前記表2での含量は、リチウムチタン酸化物(LTO)100重量部に対する分散剤の重量部を示す。前記表2を参照すれば、実施例1から7の負極スラリーは、負極スラリー内に含まれたリチウムチタン酸化物粒子の平均粒径が小さく、スラリーの粘度が低い点が確認できる。
前記実施例1から6と比較例2及び比較例6の比較を介して、使用されるカルボン酸含有高分子分散剤の重量平均分子量が、分散性及び伝導に影響を及ぼすことが確認できた。具体的には、比較例2の結果をみれば、カルボン酸含有高分子分散剤の重量平均分子量が過小である場合、負極スラリー内に存在するリチウムチタン酸化物粒子の大きさの増加は抑制されるが、粘度は適正程度以上に増加し、比較例6の結果をみれば、カルボン酸含有高分子分散剤の重量平均分子量が過大である場合、分散が不可能な程度に粘度が増加した。
また、実施例1、2、5及び6と比較例3及び4の比較を介して、使用されるカルボン酸含有高分子分散剤の含量も一定範囲に制御される必要があることが確認できる。具体的には、実施例1、2、5及び6は、リチウムチタン酸化物100重量部に対して、それぞれカルボン酸含有高分子分散剤が2、2、5及び10重量部使用された例であって、全て負極スラリー内に存在するリチウムチタン酸化物粒子の平均粒径が小さく、粘度が低いことが確認できた。しかし、カルボン酸含有高分子分散剤の使用量が過小である比較例3及び4の場合、負極スラリーの粘度が上昇したことが確認できた。
比較例1の場合、分子内にカルボン酸を含有するが、高分子ではなく、分子量が166g/molであるイソフタル酸を分散剤として使用した例であって、負極スラリー内に存在するリチウムチタン酸化物粒子の平均粒径が大きく、高い粘度を示した。
比較例5は、ポリメタクリル酸のアンモニウム塩を分散剤として使用した例であって、分子量及び含量は、本発明の水系スラリー組成物の条件を満たすが、構造内にカルボン酸を含まないので、負極スラリー内に存在するリチウムチタン酸化物粒子の平均粒径が大きく、高い粘度を示した。

Claims (15)

  1. リチウムチタン酸化物(Lithium titanium oxide、LTO)、カルボン酸含有高分子分散剤、バインダー及び水系溶媒を含み、
    前記カルボン酸含有高分子分散剤は、2,500から500,000g/molの重量平均分子量(Mw)を有し、前記リチウムチタン酸化物100重量部に対して1.5から20重量部の量で含まれる、負極スラリー。
  2. 前記リチウムチタン酸化物は、リチウムチタン酸化物を含む1次粒子が集合して形成された2次粒子であり、
    前記2次粒子の平均粒径(D50)は、0.01μmから1μmである、請求項1に記載の負極スラリー。
  3. 前記リチウムチタン酸化物は、BET(Brunauer−Emmett−Teller;BET)法で測定した比表面積が0.1m/gから50m/gである、請求項1に記載の負極スラリー。
  4. 前記リチウムチタン酸化物は、下記化学式1で表される、請求項1に記載の負極スラリー。
    [化学式1]
    LiTi
    前記化学式1において、0.5≦x≦3、1≦y≦2.5である。
  5. 前記カルボン酸含有高分子分散剤は、高分子鎖内にアクリル酸、マレイン酸、及びマレイン酸無水物から由来した繰り返し単位を含むものである、請求項1に記載の負極スラリー。
  6. 前記カルボン酸含有高分子分散剤は、ポリアクリル酸、ポリ(アクリル酸−マレイン酸)共重合体、ポリ(マレイン酸−スチレン)共重合体、ポリ(無水マレイン酸−イソブチレン)共重合体、及びポリ(マレイン酸−ビニルエーテル)共重合体からなる群から選択された1種以上である、請求項5に記載の負極スラリー。
  7. 前記カルボン酸含有高分子分散剤は、3,000から250,000g/molの重量平均分子量(Mw)を有する、請求項1に記載の負極スラリー。
  8. 前記カルボン酸含有高分子分散剤は、前記リチウムチタン酸化物100重量部に対して2から10重量部の量で含まれる、請求項1に記載の負極スラリー。
  9. 前記負極スラリーは、50重量%から80重量%の固形分含量を有する、請求項1に記載の負極スラリー。
  10. 前記負極スラリーは、25℃で前記リチウムチタン酸化物を50重量%以上含む際の粘度が4.4Pa・s以下である、請求項1に記載の負極スラリー。
  11. 前記負極スラリーが含む前記リチウムチタン酸化物の平均粒径(D50)は、0.2μmから1.5μmである、請求項1に記載の負極スラリー。
  12. (1)リチウムチタン酸化物(LTO)、カルボン酸含有高分子分散剤、バインダー及び水系溶媒を混合して予備混合スラリーを製造する段階;及び
    (2)前記分散剤が添加された予備混合スラリーを撹拌して分散させる段階
    を含み、
    前記カルボン酸含有高分子分散剤は、2,500から500,000g/molの重量平均分子量(Mw)を有し、前記リチウムチタン酸化物100重量部に対して1.5から20重量部の量で含まれる、請求項1に記載の負極スラリーの製造方法。
  13. 前記段階(1)は、(1−1)バインダー、リチウムチタン酸化物(LTO)、及び水系溶媒を混合する段階;及び(1−2)前記段階(1−1)で得られた混合物にカルボン酸含有高分子分散剤を添加して予備混合スラリーを製造する段階を含む、請求項12に記載の負極スラリーの製造方法。
  14. 請求項1に記載の負極スラリーを用いて製造され、リチウムチタン酸化物(LTO)及びカルボン酸含有高分子分散剤を含む、リチウム二次電池用負極。
  15. 請求項14に記載の負極を含むリチウム二次電池。
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荒川 正文: "粒度測定入門", 粉体工学会誌, vol. 17, no. 6, JPN6021043986, 10 June 1980 (1980-06-10), JP, pages 299 - 307, ISSN: 0004633838 *

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