KR100576221B1 - Negative active material for large capacity rechargeable lithium battery and large capacity rechargeable lithium battery comprising thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대용량 리튬 2차 전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 대용량 리튬 2차 전지에 관한 것으로, 특히 결정질 탄소계 화합물 및 비정질 탄소계 화합물을 포함하는 음극 활물질 및 상기 음극 활물질을 음극에 포함하여 출력 밀도가 우수한 동시에 에너지 밀도가 현저히 향상된 대용량 리튬 2차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a large-capacity lithium secondary battery negative electrode active material and a large-capacity lithium secondary battery including the same, in particular, a negative electrode active material containing a crystalline carbon compound and an amorphous carbon-based compound and the negative electrode active material in the negative electrode output density is high The present invention relates to a large capacity lithium secondary battery which is excellent in energy density and significantly improved.
전기 소자, 대용량 리튬 2차 전지, 음극 활물질, 결정질 탄소계 화합물, 비정질 탄소계 화합물, 고출력 밀도, 고에너지 밀도Electric element, large capacity lithium secondary battery, negative electrode active material, crystalline carbon compound, amorphous carbon compound, high power density, high energy density
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 음극내의 비정질 탄소 분말의 양을 증가시켜가면서 전지의 대전류 및 저전류 방전용량을 나타낸 그래프이다.1 is a graph showing a large current and a low current discharge capacity of a battery while increasing the amount of amorphous carbon powder in a negative electrode according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 음극내의 비정질 탄소 분말의 양을 증가시켜가면서 전지의 방전출력 밀도 및 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.Figure 2 is a graph showing the discharge power density and energy density of the battery while increasing the amount of amorphous carbon powder in the negative electrode according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명에서 사용한 음극 활물질인 인조흑연 분말과 비정질 탄소 분말의 반쪽전지 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the half-cell results of the artificial graphite powder and the amorphous carbon powder of the negative electrode active material used in the present invention.
본 발명은 대용량 리튬 2차 전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 대용량 리튬 2차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 출력 밀도가 우수한 동시에 에너지 밀도가 현저히 향상된 대용량 리튬 2차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material for a large capacity lithium secondary battery, and a large capacity lithium secondary battery including the same. More particularly, the present invention relates to a large capacity lithium secondary battery having an excellent output density and a markedly improved energy density.
리튬 2차 전지는 종래의 Ni/Cd 전지나 Ni/MH 전지에 비하여 높은 에너지밀도의 장점을 가지고 있기 때문에 주로 휴대폰이나 노트북 등의 전원으로 사용되고 있 다. Lithium secondary batteries have a high energy density advantage compared to conventional Ni / Cd batteries or Ni / MH batteries, and thus are mainly used as power sources for mobile phones and laptops.
한편 미국, 유럽 등에서의 자동차 배기가스에 대한 규제가 강화되면서 전기자동차의 개발 및 내연기관과 전지를 동력원으로 하는 하이브리드 전기자동차의 개발이 가속화되고 있으며, 일부는 상용화 단계에 있다. 전기자동차용 전원으로서의 2차 전지는 고출력과 고에너지 밀도를 동시에 얻을 수 있는 특성이 요구되며, 이를 충족할 수 있는 전지로 리튬 2차 전지가 주목을 받고 있다. Meanwhile, with the tightening regulations on automobile exhaust in the United States and Europe, the development of electric vehicles and the development of hybrid electric vehicles powered by internal combustion engines and batteries are accelerating, and some are in the commercialization stage. A secondary battery as an electric vehicle power source is required to obtain a high power and high energy density at the same time, a lithium secondary battery is attracting attention as a battery that can satisfy this.
리튬 2차 전지가 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차용 전지로 사용되기 위해서는 출력 특성이 매우 중요하다. 또한 자동차 내의 탑재성을 고려할 경우 전지의 부피와 무게를 최소화시킬 수 있도록 높은 에너지 밀도를 요구된다.Output characteristics are very important for lithium secondary batteries to be used as batteries for electric vehicles or hybrid electric vehicles. In addition, considering the mountability in the car, a high energy density is required to minimize the volume and weight of the battery.
또한 종래의 휴대폰이나 노트북에 사용되는 전지의 경우 소규모의 전력을 장시간에 걸쳐서 공급하는 고에너지 밀도의 전지임에 반하여, 하이브리드 전기자동차의 경우 단시간에 대규모의 전력을 공급하는 고출력 밀도의 전지가 요구된다. 따라서, 종래의 소형 휴대폰용 리튬 2차 전지로는 고출력 밀도를 요구하는 하이브리드 전기자동차를 충족시킬 수 없다.In addition, a battery used in a conventional mobile phone or a notebook is a high energy density battery that supplies a small amount of power over a long time, while a hybrid electric vehicle requires a high power density battery that supplies a large amount of power in a short time. . Therefore, conventional lithium secondary batteries for small cellular phones cannot satisfy hybrid electric vehicles requiring high power density.
종래 소형의 리튬 2차 전지의 경우 일반적으로 천연흑연, 인조흑연(예를 들어, 괴상, 구상 등) 등과 같은 결정질 탄소계 화합물을 음극 소재로 사용하여 전지를 제조하였다. 이와 같은 흑연계 화합물은 방전용량이 310∼350 mAh/g으로 크며, 비가역 용량이 작고, 전압 특성이 평탄하여 현재 소형 리튬 2차 전지의 소재로 널리 사용되고 있다. 그러나 대전류에 대한 충·방전 특성이 매우 나쁘므로 고출력을 요구하는 대용량 리튬 2차 전지의 음극 소재로 사용하기 부적절하다는 문제점이 있다.In the case of the conventional small lithium secondary battery, a battery was manufactured using a crystalline carbon-based compound such as natural graphite, artificial graphite (eg, lumps, spheres, etc.) as a negative electrode material. Such graphite compounds have a large discharge capacity of 310 to 350 mAh / g, small irreversible capacity, and flat voltage characteristics, and thus are widely used as materials for small lithium secondary batteries. However, since the charging and discharging characteristics of the large current are very bad, there is a problem that it is not suitable for use as a negative electrode material of a large capacity lithium secondary battery requiring high output.
반면, 비정질 탄소계 화합물은 방전용량이 280∼450 mAh/g으로 매우 높은데 반하여, 비가역 용량이 크기 때문에 초기 효율이 75∼85 % 정도로 매우 낮아 소형 리튬 2차 전지의 소재로 실용화되지 못하고 있는 실정이다. On the other hand, the amorphous carbon-based compound has a very high discharge capacity of 280 to 450 mAh / g, but due to the large irreversible capacity, the initial efficiency is very low, such as 75 to 85%, which is not practical for small lithium secondary batteries. .
유럽특허 EP1052719A는 비정질 탄소계 화합물을 포함하는 하이브리드 전기자동차용 전지에 대하여 개시하고 있으나, 비흑연계 탄소계 화합물의 높은 비가역 용량으로 인하여 전지의 단위 부피당 에너지 밀도가 낮아진다는 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 전지의 충전 상태에 따라 전지가 제공할 수 있는 출력이 크게 변화한다는 문제점이 있다.European Patent EP1052719A discloses a battery for a hybrid electric vehicle including an amorphous carbon compound, but has a problem in that energy density per unit volume of the battery is low due to the high irreversible capacity of the non-graphite carbon compound. In addition, there is a problem that the output that the battery can provide greatly changes depending on the state of charge of the battery.
따라서, 고출력 밀도 및 고에너지 밀도를 동시에 만족하는 대용량 리튬 2차 전지에 대한 연구가 더욱 요구되고 있는 실정이다.Therefore, there is a need for further research on a large capacity lithium secondary battery that satisfies a high power density and a high energy density simultaneously.
상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명은 고출력 및 고에너지 밀도를 갖는 대용량 리튬 2차 전지용 음극 활물질을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a negative electrode active material for a large capacity lithium secondary battery having a high output and a high energy density.
본 발명의 다른 목적은 상기 음극 활물질을 음극에 포함하여 전기자동차 및 하이브리드 전기자동차에 적용 가능한 고출력 및 고에너지 밀도를 갖는 대용량 리튬 2차 전지를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a large capacity lithium secondary battery having a high power and high energy density applicable to electric vehicles and hybrid electric vehicles by including the negative electrode active material in the negative electrode.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 대용량 리튬 2차 전지용 음극 활물질에 있어서, 결정질 탄소계 화합물 및 비정질 탄소계 화합물을 포함하는 음극 활 물질을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a negative electrode active material comprising a crystalline carbon-based compound and an amorphous carbon-based compound in the negative electrode active material for large capacity lithium secondary battery.
또한 본 발명은 상기 음극 활물질을 음극에 포함하는 대용량 리튬 2차 전지 등의 전기 소자를 제공한다.The present invention also provides an electrical device such as a large capacity lithium secondary battery including the negative electrode active material in the negative electrode.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명자들은 고출력 및 고에너지 밀도를 갖는 대용량 리튬 2차 전지에 대하여 연구하던 중, 음극의 활물질로 사용되는 결정질 탄소계 화합물의 일부를 일정 비율의 비정질 탄소계 화합물로 치환한 결과, 고출력 밀도 및 고에너지 밀도의 향상에 우수한 효과가 있음을 확인하고, 이를 토대로 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors studied a large-capacity lithium secondary battery having a high power and a high energy density, and replaced a part of the crystalline carbon compound used as an active material of the negative electrode with a certain ratio of amorphous carbon compound, resulting in high power density and high energy. It was confirmed that there is an excellent effect on the improvement of the energy density, the present invention was completed based on this.
본 발명의 대용량 리튬 2차 전지용 음극 활물질은 결정질 탄소계 화합물 및 비정질 탄소계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명은 상기 음극 활물질을 음극으로 포함하는 대용량 리튬 2차 전지를 제공하는 것이다.The negative electrode active material for a large capacity lithium secondary battery of the present invention is characterized by including a crystalline carbon compound and an amorphous carbon compound. In another aspect, the present invention to provide a large capacity lithium secondary battery comprising the negative electrode active material as a negative electrode.
본 발명에 사용되는 상기 결정질 탄소계 화합물은 결정화도가 높은 구형으로 평균입경이 6 내지 20 ㎛인 흑연계 결정질 탄소계 화합물을 사용하는 것이 바람직하다. 그 예로는 흑연화도가 큰 천연흑연 또는 인조흑연의 흑연계 결정질 탄소계가 있다.As the crystalline carbon compound used in the present invention, it is preferable to use a graphite crystalline carbon compound having a high crystallinity and an average particle diameter of 6 to 20 μm. Examples thereof include graphite-based crystalline carbon of natural graphite or artificial graphite having a high graphitization degree.
본 발명에 사용되는 상기 비정질 탄소계 화합물은 평균입경이 8 내지 25 ㎛인 것이 바람직하며, 그 예로는 페놀수지 또는 퓨란수지를 열분해한 비정질 탄소계(hard carbon계), 코크스(cokes) 또는 니들 코크스를 탄소화한 비정질 탄소계(soft carbon계) 등이 있다.The amorphous carbon-based compound used in the present invention preferably has an average particle diameter of 8 to 25 ㎛, for example, amorphous carbon-based (hard carbon), cokes (cokes) or needle coke decomposed phenol resin or furan resin And carbonaceous amorphous carbon (soft carbon).
본 발명에서 결정질 탄소계 화합물과 비정질 탄소계 화합물은 80:20 내지 20:80의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 비정질 탄소계 화합물의 함량을 음극 활물질의 55 내지 65 중량%로 포함되는 것이다. 비정질 탄소계 화합물의 함량이 상기 범위 내인 경우 출력 밀도와 전기용량을 모두 만족시킬 수 있는 장점이 있다.In the present invention, the crystalline carbon compound and the amorphous carbon compound are preferably mixed in a weight ratio of 80:20 to 20:80. More preferably, the content of the amorphous carbonaceous compound is 55 to 65% by weight of the negative electrode active material. If the content of the amorphous carbon-based compound is within the above range there is an advantage that can satisfy both the output density and the capacitance.
또한 본 발명은 상기 결정질 탄소계 화합물과 비정질 탄소계 화합물을 포함하는 음극 활물질을 포함하는 대용량 리튬 2차 전지를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a large capacity lithium secondary battery comprising a negative electrode active material containing the crystalline carbon compound and the amorphous carbon compound.
본 발명의 대용량 리튬 2차 전지는 얇은 필름(film) 형태의 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 서로 밀착되어 있고, 이 밀착 형태로 감긴 적층식 전극 집합체가 전지내부에 장착되어 있다. 전지외관 케이스로는 종래 리튬 폴리머 전지에 사용되는 알루미늄 박층판(laminated sheet)을 사용한다.In the large-capacity lithium secondary battery of the present invention, a positive electrode and a negative electrode in a thin film form are in close contact with each other with a separator therebetween, and a stacked electrode assembly wound in this close form is mounted inside the battery. As the battery exterior case, a laminated sheet of aluminum, which is conventionally used for a lithium polymer battery, is used.
상기 양극은 양극 활물질, 도전재, 및 결착제를 혼합한 슬러리를 집전체 위에 도포 및 건조하여 제조할 수 있다. 상기 양극 활물질은 리튬을 가역적으로 충·방전할 수 있는 물질인 금속산화물, 금속황화물, 또는 특정 고분자 화합물 등을 사용하는 것이 바람직하며, 그 예로는 LiNiO2, LiNiCoO2, LiCoO2, LiMn 2O4, TiS2, 또는 MoS2 등이 있다.The positive electrode may be prepared by applying and drying a slurry mixed with a positive electrode active material, a conductive material, and a binder on a current collector. The cathode active material may be a metal oxide, a metal sulfide, or a specific polymer compound, which is a material capable of reversibly charging and discharging lithium, and examples thereof include LiNiO 2 , LiNiCoO 2 , LiCoO 2 , and LiMn 2 O 4. , TiS 2 , or MoS 2 .
또한 상기 음극은 결정질 탄소계 화합물과 비정질 탄소계 화합물을 포함하는 대용량 리튬 2차 전지용 음극 활물질에 도전재와 결착재를 첨가하여 혼합한 슬러리(slurry)를 얇은 집전체(Cu foil, Ni foil 등) 위에 도포 및 건조하여 제조할 수 있다.In addition, the negative electrode is a thin current collector (Cu foil, Ni foil, etc.) of a slurry mixed by adding a conductive material and a binder to a negative electrode active material for a large capacity lithium secondary battery including a crystalline carbon compound and an amorphous carbon compound. It can be prepared by applying and drying on the top.
상기 도전재로는 2차 전지에 통상적으로 사용되는 도전재가 사용될 수 있음은 물론이며, 특히 카본 블랙이 바람직하다. 또한, 상기 결착제도 2차 전지에 통상적으로 사용되는 결착제가 사용될 수 있음은 물론이며, 바람직하게는 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene dechloride, PVDF)를 사용하는 것이 좋다.Of course, the conductive material commonly used in secondary batteries may be used as the conductive material, and carbon black is particularly preferable. In addition, the binder may be used as a binder commonly used in secondary batteries, and preferably, polyvinylidene dechloride (PVDF) may be used.
본 발명의 대용량 리튬 2차 전지의 전해액은 유기용매에 리튬염을 용해한 것이다. 상기 유기용매는 N-메틸피롤리돈(NMP, N-methylpyrrolidone), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 감마-뷰틸로락톤(GBL), 디에틸카보네이트(DEC), 또는 디메틸 카보네이트(DMC) 등의 혼합 용매를 사용할 수 있고, 리튬염은 LiClO4, LiAsF6, LiPF6, LiBF4, 또는 CF 3SO3Li 등을 사용할 수 있다.The electrolyte of the large capacity lithium secondary battery of this invention melt | dissolves lithium salt in the organic solvent. The organic solvent may be N-methylpyrrolidone (NMP, N-methylpyrrolidone), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), gamma-butylolactone (GBL), diethyl carbonate (DEC), or dimethyl carbonate ( A mixed solvent such as DMC) may be used, and lithium salt may be LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , CF 3 SO 3 Li, or the like.
또한 본 발명의 대용량 리튬 2차 전지는 양극과 음극을 적층한 형태, 권취한 형태 등으로 적용할 수 있다.In addition, the large-capacity lithium secondary battery of the present invention can be applied in a form in which a positive electrode and a negative electrode are stacked, and in a wound form.
본 발명에 따른 대용량 리튬 2차 전지는 상기의 결정질 탄소계 화합물과 비정질 탄소계 화합물을 적절한 비율로 혼합하여 사용함으로써 고출력 밀도와 고에너지 밀도를 동시에 만족하는 우수한 전지 특성을 갖는다.The large-capacity lithium secondary battery according to the present invention has excellent battery characteristics satisfying both high power density and high energy density by using a mixture of the above crystalline carbon compound and amorphous carbon compound in an appropriate ratio.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to help understanding of the present invention, but the following examples are merely to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.
[실시예]EXAMPLE
실시예 1Example 1
(양극 제조)(Anode manufacturing)
리튬 이온을 삽입/탈리(intercalation/deintercalation)할 수 있는 평균입경 20 ㎛의 리튬 망간 산화물(LiMn2O4)과 도전재로 카본 블랙과 결착제로 폴리비닐리덴 디클로라이드(PVDF)를 유기 용매인 N-메틸피롤리돈(NMP)과 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이를 20 ㎛ 두께의 알루미늄 포일(Al foil) 위에 도포한 후, 건조하고 일정 두께로 롤 프레스(roll press)하여 양극을 제조하였다.Lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ) with an average particle diameter of 20 µm capable of intercalation / deintercalation of lithium ions and carbon black and a polyvinylidene dichloride (PVDF) as a binder as an organic solvent A slurry was prepared by mixing with methylpyrrolidone (NMP). It was coated on an aluminum foil (Al foil) of 20 ㎛ thickness, dried and roll press (roll press) to a predetermined thickness to prepare a positive electrode.
(음극 제조)(Cathode production)
음극 활물질로 결정화도가 높은 구형의 평균입경이 20 ㎛인 인조흑연 분말 및 평균입경이 10 ㎛인 열분해한 플레이트(flake)형의 비정질 탄소 분말을 9:1의 무게비율로 혼합한 후, 여기에 적정량의 도전제로 카본 블랙을 첨가하였다. 이 혼합 분말을 결착제인 폴리비닐리덴 디클로라이드와 유기용매인 N-메틸피롤리돈에 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이를 10 ㎛ 두께의 구리 포일(Cu foil) 위에 도포한 후, 건조하고 일정 두께로 롤 프레스(roll press)하여 음극을 제조하였다.The negative active material was mixed with artificial graphite powder having a high crystallization degree of spherical average particle diameter of 20 μm and pyrolyzed plate-shaped amorphous carbon powder having an average particle diameter of 10 μm in a weight ratio of 9: 1, and then added to an appropriate amount. Carbon black was added as a conductive agent. This mixed powder was mixed with polyvinylidene dichloride as a binder and N-methylpyrrolidone as an organic solvent to prepare a slurry. It was coated on a copper foil (Cu foil) of 10 ㎛ thickness, dried and roll press (roll press) to a predetermined thickness to prepare a negative electrode.
(전지 제조)(Battery manufacturing)
상기 제조한 양극 및 음극을 사용하여 일정한 크기의 적층형 전지를 제조하였다. 이 때 전해액으로 1M LiPF6 in EC/DMC(1:1 by vol%)를 사용하였다.Using a positive electrode and a negative electrode prepared above to produce a stacked battery of a constant size. At this time, 1M LiPF 6 in EC / DMC (1: 1 by vol%) was used as the electrolyte.
실시예 2Example 2
상기 실시예 1에서 음극 활물질로 인조흑연 분말과 비정질 탄소 분말을 8:2의 무게비율로 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였 다.Except for mixing artificial graphite powder and amorphous carbon powder in a weight ratio of 8: 2 as a negative electrode active material in Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1.
실시예 3Example 3
상기 실시예 1에서 음극 활물질로 인조흑연 분말과 비정질 탄소 분말을 6:4의 무게비율로 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.Except for mixing artificial graphite powder and amorphous carbon powder in a weight ratio of 6: 4 as a negative electrode active material in Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1.
실시예 4Example 4
상기 실시예 1에서 음극 활물질로 인조흑연 분말과 비정질 탄소 분말을 4:6의 무게비율로 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.Except that the artificial graphite powder and the amorphous carbon powder as a negative electrode active material in Example 1 was mixed in a weight ratio of 4: 6 was carried out in the same manner as in Example 1.
실시예 5Example 5
상기 실시예 1에서 음극 활물질로 인조흑연 분말과 비정질 탄소 분말을 2:8의 무게비율로 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.Except for mixing artificial graphite powder and amorphous carbon powder in a weight ratio of 2: 8 as the negative electrode active material in Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1.
비교예 1Comparative Example 1
상기 실시예 1에서 음극 활물질로 평균입경 20 ㎛의 인조흑연 분말만을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.Except for using only artificial graphite powder having an average particle diameter of 20 ㎛ as the negative electrode active material in Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1.
비교예 2Comparative Example 2
상기 실시예 1에서 음극 활물질로 평균입경 8 ㎛의 열분해한 비정질 탄소 분말만을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.Except that in Example 1, only the thermally decomposed amorphous carbon powder having an average particle diameter of 8 ㎛ as a negative electrode active material was carried out in the same manner as in Example 1.
실험예 1. 방전용량Experimental Example 1. Discharge Capacity
상기 실시예 1∼5, 및 비교예 1 또는 2에서 제조한 전지를 이용하여 4.2V~2.5V까지 0.5C~30C의 전류 밀도량을 변화시켜가면서 전지의 방전용량을 평가하고, 그 결과를 하기 표 1, 및 도 1에 나타내었다.The discharge capacity of the battery was evaluated by varying the amount of current density of 0.5 C to 30 C from 4.2 V to 2.5 V using the batteries prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 or 2. Table 1 and FIG. 1.
상기 표 1을 통하여, 본 발명에 따라 인조흑연 분말과 비정질 탄소 분말을 포함하는 실시예 1 내지 5의 전지가 인조흑연 분말만 사용한 비교예 1의 전지와 비교하여 비정질 탄소 분말의 함량이 증가할수록 대전류 방전시의 용량이 증가함을 알 수 있다.Through the above Table 1, the battery of Examples 1 to 5 including the artificial graphite powder and the amorphous carbon powder according to the present invention is increased compared to the battery of Comparative Example 1 using only the artificial graphite powder as the content of the amorphous carbon powder increases It can be seen that the capacity during discharge increases.
도 1에 나타낸 바와 같이, 대전류 방전시의 방전용량과 저전류 방전시의 방전용량의 차이가 작을수록 하이브리드 전기자동차용 전지로써의 성능이 우수하기 때문에 비정질 탄소의 치환을 통해서 전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명에 따른 실시예 1 내지 5의 전지는 비정질 탄소 분말만 사용한 비교예 2의 전지와 비교하여 대전류 방전특성이 우수함을 알 수 있다. As shown in FIG. 1, the smaller the difference between the discharge capacity at the time of high current discharge and the discharge capacity at the time of low current discharge, the better the battery performance for the hybrid electric vehicle is, thereby greatly improving the performance of the battery through substitution of amorphous carbon. You can. In addition, it can be seen that the battery of Examples 1 to 5 according to the present invention has excellent high current discharge characteristics compared to the battery of Comparative Example 2 using only amorphous carbon powder.
실험예 2. 출력 밀도 및 에너지 밀도Experimental Example 2. Power Density and Energy Density
상기 실시예 1 내지 5, 및 비교예 1 또는 2에서 제조한 전지의 용량을 50 %까지 충전한 상태에서 10 초간 10 C의 방전 전류펄스를 가하여 측정하고, 그 결과 를 하기 표 2, 및 도 2에 나타내었다.In the state of charging the battery prepared in Examples 1 to 5, and Comparative Examples 1 or 2 to 50% charged by applying a discharge current pulse of 10 C for 10 seconds, the results are shown in Table 2, and Figure 2 Shown in
상기 표 2를 통하여, 본 발명에 따라 인조흑연 분말과 비정질 탄소 분말을 포함하는 실시예 1 내지 5의 전지는 인조흑연 분말만을 사용한 비교예 1보다 방전출력이 30 % 이상 향상되었으며, 충전출력의 경우 최고 80 % 이상 증가하였다.Through Table 2, the battery of Examples 1 to 5 including the artificial graphite powder and the amorphous carbon powder according to the present invention improved the discharge output by more than 30% compared to Comparative Example 1 using only artificial graphite powder, Increased by more than 80%.
도 2는 인조 흑연계 화합물에 대하여 비정질 탄소계 화합물을 치환하여 가면서 출력 밀도와 에너지 밀도를 고찰한 그림이다. 인조흑연에 대하여 비정질 탄소계 화합물의 치환량이 20 % 보다 적을 경우에는 전지의 출력밀도의 개선효과는 미미하였고, 비정질 탄소계 화합물의 치환량이 80 % 이상인 경우에는 전지의 비가역 용량이 증가하여 에너지 밀도가 크게 감소하므로, 인조흑연과 비정질 탄소계 화합물의 함량비는 80:20~20:80의 범위가 바람직함을 알 수 있었다.FIG. 2 is a diagram illustrating power density and energy density by substituting an amorphous carbon compound for an artificial graphite compound. When the amount of substitution of the amorphous carbonaceous compound was less than 20% with respect to the artificial graphite, the effect of improving the power density of the battery was insignificant. When the amount of substitution of the amorphous carbonaceous compound was 80% or more, the irreversible capacity of the battery was increased to increase the energy density Since greatly reduced, the content ratio of the artificial graphite and the amorphous carbon-based compound was found to be in the range of 80:20 ~ 20:80.
실시예 6Example 6
상기 실시예 1에서 음극 활물질로 결정화도가 높은 구형의 평균입경이 6 ㎛인 인조흑연 분말 및 평균입경이 22 ㎛인 열분해한 플레이트(flake)형의 비정질 탄소 분말을 9:1의 무게비율로 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.In Example 1, artificial graphite powder having a high crystallization degree of spherical average particle diameter of 6 μm and pyrolyzed flake amorphous carbon powder having an average particle diameter of 22 μm were mixed at a weight ratio of 9: 1. Except that was carried out in the same manner as in Example 1.
실시예 7Example 7
상기 실시예 6에서 음극 활물질로 인조흑연 분말과 비정질 탄소 분말을 8:2의 무게비율로 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일한 방법으로 실시하였다.Example 6 was carried out in the same manner as in Example 6, except that artificial graphite powder and amorphous carbon powder were mixed at a weight ratio of 8: 2 as the negative electrode active material.
실시예 8Example 8
상기 실시예 6에서 음극 활물질로 인조흑연 분말과 비정질 탄소 분말을 6:4의 무게비율로 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일한 방법으로 실시하였다.Example 6 was carried out in the same manner as in Example 6, except that artificial graphite powder and amorphous carbon powder were mixed at a weight ratio of 6: 4 as the negative electrode active material.
실시예 9Example 9
상기 실시예 6에서 음극 활물질로 인조흑연 분말과 비정질 탄소 분말을 4:6의 무게비율로 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일한 방법으로 실시하였다.Example 6 was carried out in the same manner as in Example 6, except that artificial graphite powder and amorphous carbon powder were mixed at a weight ratio of 4: 6 as the negative electrode active material.
실시예 10Example 10
상기 실시예 6에서 음극 활물질로 인조흑연 분말과 비정질 탄소 분말을 2:8의 무게비율로 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일한 방법으로 실시하였다.Example 6 was carried out in the same manner as in Example 6, except that artificial graphite powder and amorphous carbon powder were mixed at a weight ratio of 2: 8 as the negative electrode active material.
비교예 3Comparative Example 3
상기 실시예 6에서 음극 활물질로 평균입경 6 ㎛의 인조흑연 분말만을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일한 방법으로 실시하였다.The same process as in Example 6 was carried out except that only artificial graphite powder having an average particle diameter of 6 μm was used as the anode active material in Example 6.
비교예 4Comparative Example 4
상기 실시예 6에서 음극 활물질로 평균입경 22 ㎛의 열분해한 비정질 탄소 분말만을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일한 방법으로 실시하였다.Example 6 was carried out in the same manner as in Example 6, except that only the thermally decomposed amorphous carbon powder having an average particle diameter of 22 ㎛ as the negative electrode active material.
실험예 3Experimental Example 3
상기 실험예 1, 또는 실험예 2의 방법과 동일하게 실시하여 상기 실시예 6 내지 10, 및 비교예 3 또는 4에서 제조한 전지의 방전용량, 출력 밀도, 및 에너지 밀도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.The discharge capacity, the output density, and the energy density of the batteries prepared in Examples 6 to 10 and Comparative Examples 3 or 4 were measured in the same manner as in Experimental Example 1 or Experimental Example 2, and the results were measured. It is shown in Table 3 below.
상기 표 3을 통하여, 전지내의 비정질 탄소 분말의 함량이 60 %까지는 전지의 출력밀도가 향상되나, 60 % 이상의 비율에서는 비정질 탄소 분말의 함량 증가로 인해 전지의 용량의 감소효과가 나타나며, 80 % 이상에서는 전지의 용량감소가 더욱 크게 나타나므로, 전지내 비정질 탄소계 화합물의 함량은 최대 80 %로 하는 것이 더욱 바람직함을 알 수 있었다.Through Table 3, the output density of the battery is improved up to 60% of the content of the amorphous carbon powder in the battery, but at 60% or more, the capacity of the battery is reduced due to the increase of the content of the amorphous carbon powder, and more than 80% In the battery, the capacity decrease of the battery was much greater, and it was found that the content of the amorphous carbonaceous compound in the battery was more preferably at most 80%.
또한 상기 비교예 1과 비교예 3을 통하여, 음극에 사용된 인조흑연의 평균입경을 20 ㎛에서 6 ㎛으로 감소시킬 경우, 전지의 출력밀도가 10 % 이상 향상됨을 알 수 있었다.In addition, through Comparative Example 1 and Comparative Example 3, it was found that when the average particle diameter of the artificial graphite used for the negative electrode is reduced from 20 μm to 6 μm, the power density of the battery is improved by 10% or more.
이상의 결과로부터 본 발명에 따라 인조흑연 분말과 비정질 탄소 분말을 80:20 내지 20:80의 비율로 포함하는 대용량 리튬 2차 전지는 하이브리드 자동차처럼 짧은 시간 동안 대전류 조건 하에서 많은 충·방전 싸이클을 반복하는 시스템에 적합한 전지를 제공할 수 있음을 알 수 있었다.From the above results, the high-capacity lithium secondary battery including the artificial graphite powder and the amorphous carbon powder in a ratio of 80:20 to 20:80 according to the present invention repeats many charge and discharge cycles under high current conditions for a short time like a hybrid vehicle. It was found that a battery suitable for the system can be provided.
실험예 4Experimental Example 4
상기 실시예 1에서 사용한 인조흑연 분말과 비정질 탄소 분말을 이용하여 반쪽전지 실험을 하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.Half cell experiments were performed using the artificial graphite powder and the amorphous carbon powder used in Example 1, and the results are shown in FIG. 3.
도 3에 나타낸 바와 같이 인조흑연 분말의 초기효율은 약 91 % 정도이고, 방전용량은 310 mAh/g이였다. 또한 비정질 탄소 분말의 방전용량은 약 370 mAh/g이상으로 인조흑연 분말보다 높으나, 초기효율은 약 82 % 정도로 인조흑연 분말보다 매우 낮음을 알 수 있었다.As shown in FIG. 3, the initial efficiency of the artificial graphite powder was about 91%, and the discharge capacity was 310 mAh / g. In addition, the discharge capacity of the amorphous carbon powder was about 370 mAh / g or more, higher than the artificial graphite powder, the initial efficiency was about 82% was found to be much lower than the artificial graphite powder.
본 발명에 따라 결정질 탄소계 화합물 및 비정질 탄소계 화합물을 포함하는 음극 활물질을 포함하여 대용량 리튬 2차 전지는 고출력 밀도와 고에너지 밀도를 동시에 만족하는 우수한 전지 특성을 갖는 효과가 있다.According to the present invention, a large-capacity lithium secondary battery including a negative active material including a crystalline carbon compound and an amorphous carbon compound has an effect of having excellent battery characteristics satisfying both high power density and high energy density.
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