KR100853888B1 - Anode material of secondary battery and secondary battery using the same - Google Patents

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KR100853888B1
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김종성
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Abstract

An anode material for a secondary battery is provided to protect decomposition of an electrolyte, thereby improving the efficiency and cycle characteristics of a secondary battery. An anode material for a secondary battery is obtained by coating low crystalline carbon onto a core carbon material, followed by baking. The anode has a porosity of 0.0025 or less as calculated by the following mathematical formula: P = Rpm/[Rp*10^-IDeltaEcorr/betaaI]. In the formula, P is the total porosity, Rpm is the polarization resistance of the electrode; Rp is the polarization resistance of the electrode coated with the mixture of the core carbon material and low crystalline carbon; delta Ecorr is a difference in potential between the electrode and the mixture of the core carbon material and low crystalline carbon; betaa is the Tafel constant of the cathode.

Description

2차 전지용 음극재 및 이를 음극으로 포함하는 2차 전지 {Anode material of secondary battery and secondary battery using the same}Anode material of secondary battery and secondary battery using the same}

본 발명은 2차 전지용 음극재 및 이를 음극으로 포함하는 2차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전해액 분해 반응에 대한 보호 기능을 향상시켜 2차 전지의 효율 및 사이클 용량을 향상시킬 수 있는 2차 전지용 음극재 및 이를 음극으로 포함하는 2차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode material for a secondary battery and a secondary battery including the same as a negative electrode. More specifically, a secondary battery capable of improving the efficiency and cycle capacity of a secondary battery by improving protection against electrolyte decomposition reactions. It relates to a battery negative electrode material and a secondary battery comprising the same as a negative electrode.

비디오 카메라, 무선전화기, 핸드폰, 노트북 컴퓨터 등 각종 휴대용 전자기기가 일상생활에 급속히 보급되면서 전원 공급원으로 사용되는 2차 전지의 수요가 크게 증가되었고, 그 중에서 리튬 2차 전지는 용량이 크고 에너지밀도가 높은 우수한 전지 특성 때문에 국내외적으로 활발한 연구개발이 진행되어, 현재 2차 전지 중에서 가장 광범위하게 사용되고 있다.As portable electronic devices such as video cameras, cordless phones, mobile phones, and notebook computers are rapidly spreading in daily life, the demand for secondary batteries used as a power source has increased greatly. Among them, lithium secondary batteries have high capacity and high energy density. Due to the high battery characteristics, active research and development has been carried out at home and abroad, and is currently the most widely used secondary battery.

리튬 2차 전지는 기본적으로 양극과 음극 및 전해질로 이루어지며, 따라서 리튬 2차 전지에 대한 연구개발은 크게 양극(cathode) 및 음극(anode) 재료, 전해질(electrolyte)에 관한 연구로 나눌 수 있다.A lithium secondary battery basically consists of a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte. Therefore, research and development of a lithium secondary battery can be largely divided into studies on a cathode, an anode material, and an electrolyte.

이 중에서 리튬 2차 전지의 음극재료로서 사용되고 있는 천연흑연은 초도 용 량은 우수하나 효율과 사이클 용량이 떨어지는 특성을 나타낸다. 이는 고결정성의 천연흑연 에지(edge) 부분에서의 전해액 분해반응이 원인으로 알려져 있다.Among these, natural graphite, which is used as a negative electrode material for lithium secondary batteries, has excellent initial capacity but poor efficiency and cycle capacity. This is known to be due to the electrolyte decomposition reaction in the highly crystalline natural graphite edge portion.

이러한 특성을 극복하기 위해, 천연흑연에 저결정성 탄소를 표면처리(피복)하고 이를 1,000 ℃ 이상에서 열처리하여 천연흑연 표면에 결정성이 낮은 탄화물을 피복함으로써 초도 용량은 소량 감소하나 효율과 사이클 용량 특성이 개선된 음극활물질을 얻을 수 있었다. 상기 음극활물질을 전극으로 사용하기 위해 구리 코일과 같은 전극 집전체에 코팅 후 압착하는 공정에서 피복된 탄화물이 깨지게 되고, 이 부분을 통해 고결정성의 천연흑연 에지 부분이 다시 전해액과 반응하게 되어 실제로 탄화물 피복 효과가 떨어지게 된다.In order to overcome this characteristic, the initial capacity is reduced by surface treatment (coating) of low-crystalline carbon on natural graphite and heat-treated at 1,000 ° C or higher to coat low crystalline carbide on the surface of natural graphite. An anode active material with improved characteristics was obtained. In order to use the negative electrode active material as an electrode, the coated carbide is broken in the process of coating and compressing the electrode current collector such as a copper coil, and through this portion, the highly crystalline natural graphite edge portion reacts with the electrolyte again, and actually carbides The coating effect is reduced.

일본공개특허공보 평11-111296호에는 2차 전지용 탄소 음극재료의 제조방법과 마이크로 포어 분포 양에 대하여 개시하고 있다. 그러나, 상기 특허는 전극과 탄소재료와 피치 혼합물의 기공(pore)에 대한 데이터를 제시하고 있지 않다.Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-111296 discloses a method for producing a carbon negative electrode material for a secondary battery and a micropore distribution amount. However, the patent does not present data on the pores of the electrode, the carbon material and the pitch mixture.

따라서, 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 노력이 관련 업계에서 지속되어 왔으며, 이러한 기술적 배경하에서 본 발명이 안출되었다.Accordingly, efforts to solve the above-mentioned problems of the prior art have been continued in the related art, and the present invention has been devised under such a technical background.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 전해액 분해 반응에 대한 보호 기능을 향상시켜 2차 전지의 효율 및 사이클 용량을 향상시키는데 있으며, 이러한 기술적 과제를 달성할 수 있는 2차 전지용 음극재 및 이를 음극으로 포함하는 2차 전지를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to improve the protection function against the electrolyte decomposition reaction to improve the efficiency and cycle capacity of the secondary battery, including the negative electrode material for a secondary battery and the negative electrode capable of achieving such a technical problem It is an object of the present invention to provide a secondary battery.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제를 달성하기 위한 2차 전지용 음극재는, 심재 탄소 재료에 저결정성 탄소를 피복하고 소성하여 제조된 2차 전지용 음극재에 있어서, 하기 수학식 1에 따른 음극재의 기공도가 0.0025 이하인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the technical problem to be achieved by the present invention, the secondary battery negative electrode material is a secondary battery negative electrode material manufactured by coating a low crystalline carbon on a core carbon material and firing the porosity of the negative electrode material according to Equation 1 below. Is 0.0025 or less.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112007032560681-pat00001
Figure 112007032560681-pat00001

상기 수학식 1에서, P는 전체 기공도이고, Rpm은 전극의 분극저항이고, Rp는 심재 탄소 재료와 저결정성 탄소 혼합물이 코팅된 전극의 분극저항이고, △Ecorr은 전극과 심재 탄소 재료와 저결정성 탄소 혼합물 사이의 전위 차이이고, βa는 전극의 양극 타펠(Tafel) 상수를 나타낸다.In Equation 1, P is the total porosity, R pm is the polarization resistance of the electrode, R p is the polarization resistance of the electrode coated with a mixture of core carbon material and low crystalline carbon, ΔEcorr is the electrode and core carbon The potential difference between the material and the low crystalline carbon mixture, βa represents the positive electrode Tafel constant of the electrode.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제를 달성하기 위한 2차 전지용 음극재는, 심재 탄소 재료에 저결정성 탄소를 피복하고 소성하여 제조된 2차 전지용 음극재에 있어서, 하기 수학식 2에 따른 전해액 분해 반응에 대한 음극재의 보호율이 90 % 이상인 것을 특징으로 한다.The negative electrode material for a secondary battery for achieving the technical problem to be achieved by the present invention is a secondary battery negative electrode material prepared by coating a low crystalline carbon on the core carbon material and calcined, the electrolyte solution decomposition reaction according to It is characterized in that the protection rate of the negative electrode material against.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112007032560681-pat00002
Figure 112007032560681-pat00002

상기 수학식 2에서, Pi는 전해액 분해반응에 대한 보호율이고, icorr은 심재 탄소 재료와 저결정성 탄소 혼합물이 피복된 전극의 전류밀도이고, i0corr은 전극의 전류밀도이다.In Equation 2, Pi is a protection rate against electrolyte decomposition reaction, i corr is the current density of the electrode coated with a core carbon material and a low crystalline carbon mixture, i 0corr is the current density of the electrode.

상기 2차 전지용 음극재는 파장 514.5 ㎚의 아르곤 레이저 라만 분광 측정에서 1360 ㎝-1 부근이 피크강도와 1580 ㎝-1 부근의 피크강도 비가 0.45 이하인 것이 바람직하다.In the negative electrode material for the secondary battery, it is preferable that the peak intensity ratio in the vicinity of 1360 cm −1 and the peak intensity in the vicinity of 1580 cm −1 be 0.45 or less in an argon laser Raman spectroscopic measurement having a wavelength of 514.5 nm.

상기 2차 전지용 음극재는 1580 ㎝-1 부근에서의 피크 반가폭이 16 내지 35 인 것이 바람직하다.It is preferable that the peak half width of the said negative electrode material for secondary batteries is 16-35 in the vicinity of 1580 cm <-1> .

상기 2차 전지용 음극재의 탭밀도는 0.7 g/㎤ 이상인 것이 바람직하다.It is preferable that the tap density of the said negative electrode material for secondary batteries is 0.7 g / cm <3> or more.

상기 2차 전지용 음극재의 비표면적은 4 ㎡/g 이하인 것이 바람직하다.It is preferable that the specific surface area of the said negative electrode material for secondary batteries is 4 m <2> / g or less.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제를 달성하기 위한 2차 전지는, 상기 음극재를 음극으로 구비하는 것을 특징으로 한다.A secondary battery for achieving the technical problem to be achieved by the present invention is characterized by including the negative electrode material as a negative electrode.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the exemplary embodiments described herein are only exemplary embodiments of the present invention and do not represent all of the technical ideas of the present invention, and various equivalents and modifications that may substitute them at the time of the present application may be used. It should be understood that there may be.

본 발명의 2차 전지용 음극재는, 그 기공도가 0.0025 이하인 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명의 2차 전지용 음극재는, 전해액 분해 반응에 대한 보호율이 90 % 이상인 것을 특징으로 한다.The negative electrode material for secondary batteries of the present invention is characterized in that its porosity is 0.0025 or less. Moreover, the negative electrode material for secondary batteries of this invention is characterized by 90% or more of protection rate against electrolyte solution decomposition reaction.

상기 2차 전지용 음극재는 당업계에서 실시하는 통상의 방법에 따라 심재 탄소 재료에 저결정성 탄소를 피복하고 소성하여 제조할 수 있다.The negative electrode material for the secondary battery may be prepared by coating a low crystalline carbon on the core carbon material and baking according to a conventional method performed in the art.

상기 심재 탄소 재료는 천연흑연, 인조흑연, 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 특히 천연흑연을 사용하는 것이 좋다.The core carbon material may be natural graphite, artificial graphite, a mixture thereof, and in particular, natural graphite may be used.

상기 심재 탄소 재료는 구형의 형상을 가지는 것이 좋으며, 특히 상기 심재 탄소 재료의 구형화는 분말 타입의 경우 15 이상인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 15 내지 60 정도인 것이다. 또한 상기 심재 탄소 재료는 탭밀도 향상을 위해 평균입경이 10 내지 20 ㎛인 것을 사용하는 것이 좋다.It is preferable that the core carbon material has a spherical shape, and in particular, the spheroidization of the core carbon material is preferably 15 or more, more preferably about 15 to 60 in the case of powder type. In addition, the core carbon material is preferably used having an average particle diameter of 10 to 20 ㎛ to improve the tap density.

상기 저결정성 탄소로는 탄소는, 피치(pitch), 타르(tar), 페놀수지, 퓨란수지 또는 풀푸릴알콜 등을 사용할 수 있다.As the low crystalline carbon, pitch, tar, phenol resin, furan resin, or furfuryl alcohol may be used as the carbon.

상기 심재 탄소 재료와 저결정성 탄소의 혼합 중량비는 85 내지 95 : 내지 15인 것이 바람직하며, 그 혼합 중량비가 상기 범위내일 경우에는 용량 및 충/방전 효율이 증가하여 바람직하다.It is preferable that the mixing weight ratio of the core carbon material and the low crystalline carbon is 85 to 95: -15, and when the mixing weight ratio is within the above range, the capacity and the charge / discharge efficiency are increased.

본 발명의 2차 전지용 음극재는 상기와 같은 저결정성 탄소와 심재 탄소 재료를 혼합하여 상압에서 2 시간 이상 습식 교반하고 건조한 다음, 150 내지 200 ℃의 온도에서 1 내지 4 시간 동안 소성하고, 분급하여 미분을 제거함으로써 제조할 수 있다. 이렇게 표면이 피복된 심재 탄소 재료는 심재 탄소 재료의 에지(edge) 부 분의 일부 또는 전부가 저결정성 탄소에 의하여 피복될 수 있다.The negative electrode material for the secondary battery of the present invention is mixed with the low crystalline carbon and the core carbon material as described above, wet stirred at normal pressure for 2 hours or more, dried, fired at a temperature of 150 to 200 ° C. for 1 to 4 hours, and classified. It can manufacture by removing fine powder. The surface-coated core carbon material may be covered by some or all of the edge portions of the core carbon material by low crystalline carbon.

상기 2차 전지용 음극재의 기공도(porosity)는 심재 탄소 재료가 저결정성 탄소로 피복되어 제조된 2차 전지용 음극재의 기공도로, 상기 기공도는 0.0025 이하인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 기공도가 낮을수록 바람직하다. 상기 기공도 범위에 있어서, 상기 하한가 미만일 경우에는 전극과 탄소계면 사이에 전해액 침투현상에 따른 전해액 분해반응이 발생하여 바람직하지 않다.The porosity of the negative electrode material for the secondary battery is a porosity of the negative electrode material for the secondary battery manufactured by coating the core carbon material with low crystalline carbon, and the porosity is preferably 0.0025 or less, and more preferably the porosity. Lower is preferable. In the above porosity range, when the lower limit is less than the lower limit, an electrolyte decomposition decomposition reaction occurs between the electrode and the carbon interface, which is not preferable.

또한 상기 2차 전지용 음극재의 전해액 분해 반응에 대한 보호율(protective efficiency)은 90 % 이상인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 95 % 이상인 것이다. 상기 전해액 분해 반응에 대한 보호율 범위에 있어서, 상기 하한가 미만일 경우에는 전해액 분해 반응에 따른 전지 특성이 저하하여 바람직하지 않다.In addition, the protective efficiency of the secondary battery negative electrode material for the electrolyte decomposition reaction (protective efficiency) is preferably at least 90%, more preferably at least 95%. In the protection rate range with respect to the said electrolyte solution decomposition reaction, when below the said lower limit, the battery characteristic by electrolyte solution decomposition reaction falls and it is unpreferable.

일반적으로 라만 스펙트럼에는 표층을 형성하는 탄소의 미세 구조가 기여한다. 따라서, 상기와 같은 기공도를 갖는 본 발명의 2차 전지용 음극재는 파장 514.5 ㎚의 아르곤 레이저 라만 분광 측정에서 1360 ㎝-1 부근이 피크강도와 1580 ㎝-1 부근의 피크강도 비가 0.45 이하인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.45인 것이다. 상기 라만강도비 범위에 있어서, 상기 하한가 미만이거나 상한가를 초과할 경우에는 충/방전 효율이 저하되어 바람직하지 않다.Raman spectra generally contribute to the microstructure of the carbon that forms the surface layer. Therefore, in the negative electrode material for secondary batteries of the present invention having the porosity as described above, it is preferable that the peak intensity ratio near 1360 cm −1 and the peak intensity ratio near 1580 cm −1 are 0.45 or less in argon laser Raman spectroscopic measurement of wavelength 514.5 nm. More preferably, it is 0.01-0.45. In the Raman strength ratio range, when the lower limit is less than or exceeds the upper limit, the charge / discharge efficiency is lowered, which is not preferable.

피크의 반가폭은 탄소의 고차원 구조가 균일할수록 좁게 나타내는데, 이러한 반가폭은 탄소의 특성을 규정짖는 구성 중 하나이며, 본 발명의 2차 전지용 음극재에 있어서 1580 ㎝-1 부근에서의 피크 반가폭은 16 내지 35 인 것이 바람직하다. 상기 피크 반가폭 범위에 있어서, 상기 하한가 미만이거나 상한가를 초과할 경우에는 충/방전 효율이 저하되어 바람직하지 않다.The half width of the peak is narrower as the high-dimensional structure of carbon is uniform, and this half width is one of the configurations that define the characteristics of carbon, and the peak half width at around 1580 cm −1 in the negative electrode material for secondary batteries of the present invention. Is preferably from 16 to 35. In the peak half-width range, when less than the said lower limit or exceeds the upper limit, charge / discharge efficiency falls and it is unpreferable.

또한, 탄소 재료의 탭밀도는 분말의 직경, 형상, 표면형상 등에 관계하고, 입자의 평균입경이 동일해도 입도분포에 따라 다르게 나타난다. 일반적으로, 탭밀도는 피복에 의하여 증가되며, 따라서 미늘 조각 형상의 입자가 많거나, 미분이 많으면 탭밀도는 높아지지 않게 된다.In addition, the tap density of the carbon material is related to the diameter, shape, surface shape, etc. of the powder, and appears different depending on the particle size distribution even if the average particle diameter of the particles is the same. In general, the tap density is increased by the coating, and therefore, the tap density does not increase when there are many particles of barbed or fine powder.

따라서, 본 발명에서는 심재 탄소 재료로 평균입경이 10 내지 20 ㎛인 탄소 재료를 사용하고, 이를 이용하여 제조된 2차 전지용 음극재의 탭밀도를 0.7 g/㎤ 이상으로 유지함으로써 전해액의 침투를 방해하지 않게 하여 충전밀도를 향상시킬 수 있다.Therefore, in the present invention, a carbon material having an average particle diameter of 10 to 20 µm is used as the core carbon material, and the penetration of the electrolyte solution is not prevented by maintaining the tap density of the negative electrode material for the secondary battery manufactured using the same as 0.7 g / cm 3 or more. The packing density can be improved.

상기 2차 전지용 음극재의 탭밀도는 0.7 g/㎤ 이상인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1.0 내지 1.3 g/㎤인 것이다. 상기 탭밀도의 범위에 있어서, 상기 하한가 미만이거나 상한가를 초과할 경우에는 전해액 침투를 방해하고, 충전밀도가 저하되어 바람직하지 않다.The tap density of the negative electrode material for the secondary battery is preferably 0.7 g / cm 3 or more, and more preferably 1.0 to 1.3 g / cm 3. In the range of the tap density, when the lower limit is less than the upper limit or exceeds the upper limit, penetration of the electrolyte is hindered and the packing density is lowered, which is not preferable.

또한 심재 탄소 재료로 천연흑연 등을 사용하는 경우 높은 비표면적을 가지며, 심재 탄소 재료의 세공이 저결정성 탄소로부터 유래되는 탄소의 부착 또는 피복에 의해 막히게 된다.In addition, when natural graphite or the like is used as the core carbon material, it has a high specific surface area, and pores of the core carbon material are blocked by adhesion or coating of carbon derived from low crystalline carbon.

따라서, 상기 2차 전지용 음극재의 비표면적은 4 ㎡/g 이하인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 2 ㎡/g 이하인 것이다. 상기 비표면적 범위에 있어서, 상기 상한가를 초과할 경우에는 전지 특성이 저하되어 바람직하지 않다.Therefore, it is preferable that the specific surface area of the said negative electrode material for secondary batteries is 4 m <2> / g or less, More preferably, it is 2 m <2> / g or less. In the said specific surface area range, when exceeding the said upper limit, battery property falls and it is unpreferable.

상기와 같은 기공도(0.0025 이하) 또는 보호율(90 % 이상), 라만강도 비(0.45 이하), 1580 ㎝-1 부근에서의 피크 반가폭(16 내지 35), 탭밀도(0.7 g/㎤ 이상) 및 비표면적(4 ㎡/g 이하)을 가지는 본 발명의 2차 전지용 음극재는 필요에 따라 선택적으로 도전제나 바인더를 소량으로 첨가하여 극판 제조용 슬러리를 제조할 수 있다.Porosity (0.0025 or less) or protection rate (90% or more), Raman strength ratio (0.45 or less), peak half width (16 to 35) at around 1580 cm -1 , tap density (0.7 g / cm 3 or more) ) And the negative electrode material for a secondary battery of the present invention having a specific surface area (4 m 2 / g or less) may optionally be added with a small amount of a conductive agent or a binder to prepare a slurry for producing a plate.

상기 도전제나 바인더의 사용함량은 당업계에서 통상적으로 사용되는 정도로 적절히 조절하여 사용할 수 있으며, 그 범위가 본 발명에 영향을 미치는 것은 아니다.The use amount of the conductive agent or binder can be appropriately adjusted and used to the extent commonly used in the art, the range does not affect the present invention.

상기 도전제는 구성된 전지 내에서 화학변화를 일으키지 않는 전자전도성 재료이면 무엇이든지 사용가능하다. 예를 들면, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 파네스블랙, 서멀블랙 등과 같은 카본블랙, 천연흑연, 인조흑연, 또는 도전성 낱소섬유 등이 있으며, 특히 카본블랙, 흑연분말, 또는 탄소섬유를 사용하는 것이 바람직하다.The conductive agent may be used as long as it is an electron conductive material that does not cause chemical change in the battery configured. For example, carbon black such as acetylene black, ketjen black, farnes black, thermal black, and the like, natural graphite, artificial graphite, or conductive fibrous fibers, and the like, and in particular, carbon black, graphite powder, or carbon fiber is preferably used. Do.

상기 바인더로는 열가소성 수지, 열경화성 수지, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 특히 폴리불화비닐리덴(PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 폴리불화비닐리덴을 사용하는 것이다.As the binder, a thermoplastic resin, a thermosetting resin, or a mixture thereof may be used, and in particular, polyvinylidene fluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) is preferably used, and more preferably polyvinyl fluoride. It is to use Leeden.

상기와 같이 음극재와 선택적으로 도전제 및 바인더 중 적어도 어느 하나를 포함하는 극판 제조용 슬러리는 이후 전극 집전체에 도포한 후, 건조시켜 용매나 분산매 등을 제거함으로써 집전체에 활물질을 결착시킴과 더불어 활물질간을 결착 시키게 된다.As described above, the slurry for preparing a cathode plate including the negative electrode material and optionally at least one of a conductive agent and a binder is then applied to an electrode current collector and then dried to remove a solvent or a dispersion medium, thereby binding the active material to the current collector. It binds between active materials.

상기 전극 집전체는 도전성 재료로 된 것이면 특별히 제한되지 않으나, 특히 구리, 금, 니켈, 구리합금, 또는 이들의 조합에 의해 제조된 호일을 사용하는 것이 바람직하다.The electrode current collector is not particularly limited as long as it is made of a conductive material, and it is particularly preferable to use a foil made of copper, gold, nickel, a copper alloy, or a combination thereof.

또한 본 발명은 양극, 음극, 양 전극 사이에 개재된 분리막 및 전해질을 포함하는 2차 전지에 있어서, 전술한 제조방법에 의하여 제조된 음극재를 음극으로 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized in that in the secondary battery comprising a separator and an electrolyte interposed between the positive electrode, the negative electrode, both electrodes, the negative electrode material prepared by the above-described manufacturing method as a negative electrode.

본 발명의 2차 전지는 당 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 넣고 전해질을 투입하여 제조할 수 있다.The secondary battery of the present invention can be prepared by inserting a porous separator between the positive electrode and the negative electrode in a conventional manner known in the art.

상기 전해질은 리튬염과 전해액 화합물을 포함하는 비수전해액으로서, 리튬염으로는 LiClO4, LiCF3SO3, LiPF6, LiBF4, LiAsF6 및 LiN(CF3SO2)2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 화합물이 바람직하다. 또한 전해액 화합물은 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 감마부티로락톤(GBL), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸메틸카보네이트(EMC) 및 메틸 프로필 카보네이트(MPC)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상인 것이 바람직하다.The electrolyte is a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt and an electrolyte compound, wherein the lithium salt is selected from the group consisting of LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 . Preference is given to compounds of species or more. In addition, the electrolyte solution is ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), gamma butyrolactone (GBL), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC) and methyl propyl carbonate (MPC). It is preferable that it is 1 or more types chosen from the group which consists of.

본 발명의 전지 제조시에는 분리막(seperator)으로서 다공성 분리막을 사용하는 것이 바람직하며, 비제한적인 예로는 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계 또는 폴리올레핀계 다공성 분리막 등이 있다.In manufacturing the battery of the present invention, it is preferable to use a porous separator as a separator, and non-limiting examples include a polypropylene-based, polyethylene-based or polyolefin-based porous separator.

본 발명의 2차 전지는 외형에 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파 우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.The secondary battery of the present invention is not limited in appearance, but may be cylindrical, square, pouch type, or coin type using a can.

상기와 같은 본 발명의 2차 전지는 충/방전 효율이 90 % 이상이고, 방전용량이 340 mAh/g 이상인 것이 바람직하다.As described above, the secondary battery of the present invention preferably has a charge / discharge efficiency of 90% or more and a discharge capacity of 340 mAh / g or more.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예와 이에 대비되는 비교예를 통하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, in order to help the understanding of the present invention will be described in more detail through preferred examples and comparative examples.

실시예 1Example 1

구상화 정도가 15∼60인 천연흑연 탄소재료에 테트라하이드로퓨란으로 녹인 피치를 9:1의 중량비로 상압에서 2 시간 동안 습식 교반하여 혼합하였다. 상기 혼합물을 1,100 ℃와 1,500 ℃에서 각각 1 시간 동안 1, 2차 소성하고, 분급하여 미분을 제거하여 음극재를 제조하였다.The pitch dissolved with tetrahydrofuran in a natural graphite carbon material having a spherical degree of 15 to 60 was mixed by wet stirring at atmospheric pressure for 2 hours at a weight ratio of 9: 1. The mixture was calcined first and second at 1,100 ° C. and 1,500 ° C. for 1 hour, and classified to remove fine powder to prepare a negative electrode material.

상기 제조된 음극재 100 g을 500 ㎖의 반응기에 넣고 소량의 N-메틸피롤리돈(NMP)과 바인더로 폴리불화비닐리덴(PVDF)을 투입한 다음 믹서(mixer)를 이용하여 혼련하여 극판 제조용 슬러리를 제조하였다. 그 다음 상기 제조한 극판 제조용 슬러리를 구일 메시상에 압착 건조하여 전극으로 사용하였다.100 g of the prepared negative electrode material was placed in a 500 ml reactor, a small amount of N-methylpyrrolidone (NMP) and polyvinylidene fluoride (PVDF) were added as a binder, and kneaded using a mixer to prepare a plate. Slurry was prepared. Then, the prepared electrode plate slurry was pressed and dried on a rolled mesh to be used as an electrode.

실시예 2Example 2

상기 실시예 1에서 사용한 구상의 천연흑연 탄소재료와 테트라하이드로퓨란에 녹인 피치의 중량비를 9.5:0.5로 달리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.The weight ratio of the spherical natural graphite carbon material used in Example 1 and the pitch dissolved in tetrahydrofuran was changed to 9.5: 0.5 in the same manner as in Example 1.

비교예 1Comparative Example 1

상기 실시예 1에서 사용한 음극재를 대신하여 구상화 정도가 10인 천연흑연 탄소재료를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.In the same manner as in Example 1 except that the spheroidizing degree of natural graphite carbon material was used instead of the negative electrode material used in Example 1.

비교예 2Comparative Example 2

상기 실시예 1에서 사용한 구상화 정도가 15∼60인 천연흑연 탄소재료를 대신하여 구상화 정도가 10인 천연흑연 탄소 재료를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that the spheroidizing degree of natural graphite carbon material having a spherical degree of 10 was used in place of the spheroidizing degree of natural graphite carbon material of 15 to 60.

상기 실시예 1 또는 2 및 비교예 1 또는 2에서 제조한 전극의 전해액에 대한 박리면적을 평가하기 이해 쌍극, 참조극에 LiCoO2 전극을 이용한 삼극 셀을 제작하였다. 전해액으로는 1 몰/ℓ의 LiPF6을 용해한 에틸렌카보네이트와 디에틸카보네이트의 혼합용액(체적비로 1:1)을 이용하였고, 상기 제작된 삼극 셀을 구성한 후 EG&G 273A 전기화학 측정장치를 이용하여 분극저항을 측정하였다.Samgeuk the cell using LiCoO 2 electrode in the example 1 or 2 and Comparative Example 1, or to evaluate the peeling area to the electrolyte of the electrode produced understood dipole, a reference electrode 2 was produced from. A mixed solution of ethylene carbonate and diethyl carbonate (1: 1 by volume) in which 1 mol / l of LiPF 6 was dissolved was used as an electrolyte solution. The resistance was measured.

또한, 상기 실시예 1 또는 2 및 비교예 1 또는 2에서 제조한 음극재의 비표면적, 탭밀도, 어스펙트 비, 라만강도비, 반가폭, 기공도, 보호율 및 충/방전 효율을 다음과 같은 방법으로 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.In addition, the specific surface area, tap density, aspect ratio, Raman strength ratio, half width, porosity, protection rate and charge / discharge efficiency of the negative electrode materials prepared in Examples 1 or 2 and Comparative Examples 1 or 2 are as follows. It measured by the method and the results are shown in Table 1 below.

가. 비표면적 - 마이쿠로메리텍스사제 ASAP2400/질소 흡착 BET 비표면적 측정장치를 이용하여 종류 표면적을 측정하였다.end. Specific surface area-Kinetic surface area was measured using an ASAP2400 / nitrogen adsorption BET specific surface area measuring apparatus manufactured by MICROMERITEX.

나. 탭밀도 - JIS-K5101에 의거하여 다음과 같은 순서로 측정하였다. 먼저, 호소카와마이크론(주)제 '파우더 테스터 PT-R'을 사용하였으며, 샘플이 통과하는 체에는 눈금간격 200 ㎛의 체를 사용하였다. 20 ㏄의 탭핑 셀에 흑연분말을 낙하시켜 셀이 가득히 충전시킨 후, 1회/초로 스트로크 길이가 18 ㎜인 탭핑을 3,000 회 실시하고, 이때의 탭밀도를 측정하였다.I. Tap density-It measured in the following procedure based on JIS-K5101. First, Hosokawa Micro Co., Ltd. 'Powder Tester PT-R' was used, and a sieve having a graduation interval of 200 μm was used as a sieve through which the sample passed. After the graphite powder was dropped into the tapping cell of 20 mm 3 and the cell was filled with a full amount, tapping with a stroke length of 18 mm was performed 3,000 times at one time / second, and the tap density at this time was measured.

다. 어스펙트 비 - (주)히타치세이사쿠쇼제의 주사식 전자현미경(S-2500)을 사용하여, 흑연입자(분말)의 배율 3000 배의 상을 얻었다. 이 중에서 무작위로 50 개의 흑연입자를 선택하여 (장경)/(단경)의 비를 측정하고, 그 평균값을 계산하였다.All. Aspect ratio-The image of 3000 times the magnification of the graphite particle (powder) was obtained using the scanning electron microscope (S-2500) by Hitachi Corporation. Among them, 50 graphite particles were randomly selected, and the ratio of (long diameter) / (short diameter) was measured, and the average value was calculated.

라. 라만 - 514.5 ㎚의 아르곤 레이저를 이용한 라만 분광 측정에 의하여 관찰되는 2 개의 피크(peak)로부터 R값을 1360 ㎝-1/1580 ㎝-1의 피크 강도 종류로서 구하였고, 피크 피트(peak fit) 프로그램을 이용하여 반가폭을 측정하였다.la. Raman-From the two peaks observed by Raman spectroscopic measurement using an argon laser of 514.5 nm, the R value was obtained as a peak intensity type of 1360 cm -1 / 1580 cm -1 , and a peak fit program Half width was measured using.

마. 기공도 - EG&G의 전기화학 분석 장비인 PAR 273A Potentiostat을 이용하여 측정하였다. 이때, 전극의 분극저항과 심재 탄소 재료와 저결정성 탄소의 혼합물이 코팅된 전극의 분극저항을 측정하여 상기 수학식 1에 따라 기공도를 도출하였다.hemp. Porosity-Measured using PAR 273A Potentiostat, an electrochemical analysis equipment of EG & G. At this time, the porosity was derived according to Equation 1 by measuring the polarization resistance of the electrode and the polarization resistance of the electrode coated with a mixture of the core carbon material and the low crystalline carbon.

바. 보호율 - EG&G사의 전기화학 분석 장비인 PAR 273A Potentiostat을 이용하여 측정하였다. 전극과 심재 탄소 재료와 저결정성 탄소가 코팅된 전극의 전류밀도를 측정하여 상기 수학식 2에 따라 보호율을 도출하였다.bar. Protection rate-Measured using PAR 273A Potentiostat, EG & G's electrochemical analysis equipment. The current density of the electrode, the core carbon material, and the electrode coated with low crystalline carbon was measured to derive a protection rate according to Equation 2 above.

사. 충/방전 특성 - 전위를 0∼1.5 V의 범위로 규제하여 충전 전류 0.5 ㎃/㎠로 0.01 V가 될 때까지 충전하고, 0.01 V의 전압을 유지하며 충전전류가 0.02 ㎃/㎠가 될 때까지 충전을 계속하였다. 그리고, 방전전류는 0.5 ㎃/㎠로 1.5 V까지의 방전을 행하였다. 하기 표 1에서 충/방전 효율은 충전한 전기용량에 대한 방전 한 전기용량의 비율을 나타낸 것이다.four. Charging / discharging characteristics-Charge the electric potential within the range of 0 to 1.5 V until the charging current is 0.5 V / cm 2 until it becomes 0.01 V, maintain the voltage of 0.01 V and until the charging current reaches 0.02 mA / cm 2 Charging continued. The discharge current was discharged up to 1.5 V at 0.5 mA / cm 2. In Table 1, the charge / discharge efficiency shows the ratio of the discharged capacity to the charged capacity.

방전용량이 340 mAh/g 이상, 충/방전 효율이 90 % 이상은 전지 성능의 고용량, 고효율 측면에 있어 기준이 된다.The discharge capacity of 340 mAh / g or more and the charge / discharge efficiency of 90% or more are the standards in terms of high capacity and high efficiency of battery performance.

구분division 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 비표면적 (㎡/g)Specific surface area (㎡ / g) 1.61.6 1.81.8 7.57.5 8.78.7 탭밀도 (g/㎤)Tap density (g / cm 3) 1.11.1 1.051.05 0.920.92 0.760.76 어스펙트 비Aspect ratio 1.4321.432 1.4971.497 1.7281.728 1.9981.998 라만강도비Raman intensity ratio 0.410.41 0.400.40 0.090.09 0.080.08 반가폭Half width 32.632.6 31.231.2 14.214.2 14.114.1 기공도Porosity 0.001540.00154 0.002340.00234 0.004130.00413 0.009390.00939 보호율 (%)Protection rate (%) 9393 9191 8585 7474 방전용량 (mAh/g)Discharge Capacity (mAh / g) 348.2348.2 342.5342.5 330.4330.4 321.7321.7 효율 (%)efficiency (%) 92.292.2 92.792.7 81.281.2 77.477.4

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 기공도가 0.0025 이하이거나 전해액 분해 반응에 대한 보호율이 90 % 이상인 음극재를 사용한 실시예 1 및 실시예 2의 경우 비교예 1 및 2와 비교하여 방전용량이 340 mAh/g 이상으로 우수하고, 효율 또한 90 % 이상으로 우수하게 나타남을 확인할 수 있었다.As shown in Table 1, in the case of Example 1 and Example 2 using the negative electrode material having a porosity of 0.0025 or less or 90% or more protection against electrolyte decomposition reaction according to the present invention compared to Comparative Examples 1 and 2 It was confirmed that the discharge capacity is excellent at 340 mAh / g or more, the efficiency is also excellent in more than 90%.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described by means of a limited embodiment, the present invention is not limited thereto and will be described below by the person skilled in the art and the technical spirit of the present invention. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of the claims.

본 발명에 따르면, 전해액 분해 반응에 대한 보호 기능을 향상시켜 2차 전지의 효율 및 사이클 용량을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, it is possible to improve the protection function against the electrolyte decomposition reaction to improve the efficiency and cycle capacity of the secondary battery.

Claims (13)

심재 탄소 재료에 저결정성 탄소를 피복하고 소성하여 제조된 2차 전지용 음극재에 있어서, 하기 수학식 1에 따른 음극재의 기공도가 0.0025 이하인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 음극재.A negative electrode material for a secondary battery prepared by coating a core carbon material with low crystalline carbon and firing, wherein the negative electrode material according to Equation 1 below has a porosity of 0.0025 or less. [수학식 1][Equation 1]
Figure 112007032560681-pat00003
Figure 112007032560681-pat00003
상기 수학식 1에서, P는 전체 기공도이고, Rpm은 전극의 분극저항이고, Rp는 심재 탄소 재료와 저결정성 탄소 혼합물이 코팅된 전극의 분극저항이고, △Ecorr은 전극과 심재 탄소 재료와 저결정성 탄소 혼합물 사이의 전위 차이이고, βa는 전극의 양극 타펠(Tafel) 상수를 나타낸다.In Equation 1, P is the total porosity, R pm is the polarization resistance of the electrode, R p is the polarization resistance of the electrode coated with a mixture of core carbon material and low crystalline carbon, ΔEcorr is the electrode and core carbon The potential difference between the material and the low crystalline carbon mixture, βa represents the positive electrode Tafel constant of the electrode.
심재 탄소 재료에 저결정성 탄소를 피복하고 소성하여 제조된 2차 전지용 음극재에 있어서, 하기 수학식 2에 따른 전해액 분해 반응에 대한 음극재의 보호율이 90 % 이상인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 음극재.In the negative electrode material for a secondary battery prepared by coating a low crystalline carbon on the core carbon material and calcining, the negative electrode for secondary battery, characterized in that the protection rate of the negative electrode material to the electrolyte decomposition reaction according to the following equation (2) is 90% or more ashes. [수학식 2][Equation 2]
Figure 112008020635165-pat00004
Figure 112008020635165-pat00004
상기 수학식 2에서, Pi는 전해액 분해반응에 대한 보호율이고, icorr은 심재 탄소 재료와 저결정성 탄소 혼합물이 피복된 전극의 전류밀도이고, i0corr은 전극의 전류밀도이다.In Equation 2, Pi is a protection rate against electrolyte decomposition reaction, i corr is the current density of the electrode coated with a core carbon material and a low crystalline carbon mixture, i 0corr is the current density of the electrode.
제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 2차 전지용 음극재는, 파장 514.5 ㎚의 아르곤 레이저 라만 분광 측정에서 1360 ㎝-1 부근의 피크 강도 I1360 와 1580 ㎝-1 부근의 피크 강도 I1580 의 비가 다음 수식과 같은 것을 특징으로 하는 2차 전지용 음극재.In the negative electrode material for secondary batteries, the ratio of the peak intensity I 1360 near 1360 cm −1 and the peak intensity I 1580 near 1580 cm −1 in an argon laser Raman spectroscopic measurement having a wavelength of 514.5 nm is as follows. Battery anode material.
Figure 112008020635165-pat00005
Figure 112008020635165-pat00005
제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 2차 전지용 음극재는, 1580 ㎝-1 부근에서의 피크 반가폭이 16 내지 35 인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 음극재.Said negative electrode material for secondary batteries has a peak half width in the vicinity of 1580 cm -1 of 16 to 35, wherein the negative electrode material for secondary batteries. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 2차 전지용 음극재는, 그 탭밀도가 0.7 g/㎤ 내지 1.3 g/㎤인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 음극재.The negative electrode material for the secondary battery has a tap density of 0.7 g / cm 3 to 1.3 g / cm 3. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 2차 전지용 음극재는, 그 비표면적이 4 ㎡/g 이하인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 음극재.Said negative electrode material for secondary batteries has a specific surface area of 4 m <2> / g or less, The negative electrode material for secondary batteries characterized by the above-mentioned. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 심재 탄소 재료는, 천연흑연 및 인조흑연으로 이루어진 군으로부터 선택된 단일물 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 음극재.The core carbon material is a negative electrode material for a secondary battery, characterized in that a single substance or a mixture of two or more selected from the group consisting of natural graphite and artificial graphite. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 심재 탄소 재료는, 그 구형화 정도가 15 내지 60인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 음극재.The core material carbon material is a spherical degree of 15 to 60, the negative electrode material for a secondary battery, characterized in that. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 심재 탄소 재료는, 그 평균입경이 10 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 음극재.The core material carbon material is a negative electrode material for a secondary battery, characterized in that the average particle diameter is 10 to 20 ㎛. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 저결정성 탄소는, 피치(pitch), 타르(tar), 페놀수지, 퓨란수지 및 풀푸릴알콜로 이루어지는 군으로부터 선택된 단일물 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 음극재.The low crystalline carbon is a negative electrode material for a secondary battery, characterized in that a single substance or a mixture of two or more selected from the group consisting of pitch, tar (tar), phenol resin, furan resin, and furfuryl alcohol. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 심재 탄소 재료와 저결정성 탄소는, 85 내지 95 : 5 내지 15 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 2차 전지용 음극재.The core carbon material and the low crystalline carbon are mixed in a weight ratio of 85 to 95: 5 to 15, characterized in that the secondary battery negative electrode material. 제1항 또는 제2항에 따른 음극재를 음극으로 구비하는 것을 특징으로 하는 2차 전지.A secondary battery comprising the negative electrode material according to claim 1 or 2 as a negative electrode. 제12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 2차 전지는, 충/방전 효율이 90 % 이상이고, 방전용량이 340 mAh/g 이상인 것을 특징으로 하는 2차 전지.The secondary battery has a charge / discharge efficiency of 90% or more and a discharge capacity of 340 mAh / g or more.
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