KR101096936B1 - 리튬 이차 전지용 음극 활물질, 그 제조 방법 및 그를 포함하는 리튬 이차 전지 - Google Patents

리튬 이차 전지용 음극 활물질, 그 제조 방법 및 그를 포함하는 리튬 이차 전지 Download PDF

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Abstract

리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 그를 포함하는 리튬 이차 전지가 개시된다. 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 비정질 탄소재료로 이루어지며, 탭밀도가 0.7 내지 1.5 g/cm3이고, 안식각이 15 내지 55도이다.

Description

리튬 이차 전지용 음극 활물질, 그 제조 방법 및 그를 포함하는 리튬 이차 전지 {NEGATIVE ACTIVE MATERIAL FOR RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY, METHOD OF MANUFACTURING THE SAME AND RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY HAVING THE SAME}
본 발명은 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리튬 이차 전지용 음극 활물질, 그 제조 방법 및 그를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
휴대 전화나 노트북 컴퓨터 등의 휴대용 전자기기가 발달함에 따라 그 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 최근에는, 하이브리드 전기자동차(HEV), 전기자동차(EV)의 동력원으로서 이차 전지의 사용이 현실화되고 있다. 그에 따라, 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차 전지에 대해 많은 연구가 행해지고 있고, 특히, 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력을 가지는 리튬 이차 전지에 대한 수요가 높아지는 추세이다.
전기자동차 등에 사용되는 리튬 이차 전지는 고에너지 밀도와 단시간에 고출력을 발휘할 수 있는 특성을 가져야 함과 아울러 대전류에 의한 충방전이 단시간에 반복되는 가혹한 조건하에서 10년 이상 사용될 수 있어야 하므로, 기존의 소형 리튬 이차 전지보다 월등히 우수한 출력 특성 및 장기 수명 특성이 필연적으로 요구 된다.
그런데, 이차 전지의 음극으로 리튬 금속을 사용할 때는, 리튬 금속의 가역성이 떨어지는 문제점이 나타났다. 구체적으로, 충전과정을 통해 전해질에 존재하는 리튬 이온이 음극인 리튬 금속에 전착된 후, 상기 전착된 리튬 이온 중에서 일부만이 방전과정을 통해 다시 전해질로 용해된다. 즉, 충전과정을 통해 전착된 리튬 중에서 일부만이 방전과정에 다시 사용될 수 있기 때문에 용량감소를 막기 위해서는 상대적으로 많은 양의 리튬이 필요하다. 또한, 리튬은 충전시 수지상 또는 침상의 표면 구조로 리튬 금속 표면에 전착된다. 그 중에서, 수지상으로 성장한 리튬은 분리막을 뚫고 양극과 접촉하여 내부 단락을 발생시킬 수 있다. 이때 발생된 단락은 급격한 반응을 유발시켜 전지의 폭발을 초래할 수도 있다. 또한, 리튬의 수지상 성장은 전류 밀도가 클수록 활발해지므로 고속 충전이 필요한 전지에서는 리튬 금속을 사용할 수 없다는 단점이 있다.
본 발명의 일 실시예는 고수명 및 고출력을 구현할 수 있는 리튬 이차 전지용 음극 활물질, 그 제조 방법 및 그를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 비정질 탄소재료로 이루어진 물질로서, 탭밀도가 0.7 내지 1.5 g/cm3이고, 안식각이 15 내지 55도이며 리튬 이차 전지의 출력을 개선하기 위한 음극 활물질을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지는 음극 및 양극, 및 상기 음극 및 양극 사이에 위치하는 전해질을 포함한다. 이때, 상기 음극이 상기 음극 활물질을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 석유 코크스, 석탄 코크스, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이즈 피치, 메조카본 마이크로 비즈, 염화비닐계 수지를 500 내지 2500℃에서 탄화하여 수득한 비정질 탄소 분말을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법은 석유 코크스, 석탄 코크스, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이즈 피치, 메조카본 마이크로 비즈 및 염화비닐계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원료 전구체를 분말 형태로 분쇄하는 단계; 및 상기 분쇄된 원료 전구체를 500 내지 2500℃에서 가열하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 음극 활물질의 탭밀도가 높기 때문에 리튬 이차 전지의 출력을 향상시킬 수 있다. 또한, 음극 활물질의 안식각이 작으므로 리튬 이차 전지의 출력 및 수명 특성이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질, 그 제조 방법 및 그를 포함하는 리튬 이차 전지에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 비정질 탄소재료로 이루어진다. 상기 비정질 탄소재료는 고속충전특성, 사이클(cycle) 특성이 우수한 리튬 이차 전지를 얻을 수 있다.
상기 비정질 탄소재료는 이흑연화성 탄소재료(소프트 카본) 및 난흑연화성 탄소재료(하드 카본) 중에서 어느 것을 사용하여도 무방하나, 이흑연화성 탄소재료를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 이흑연화성 탄소재료는 원료 전구체의 흑연화 과정 중에 존재하는 탄소재료이며, 부분적으로 육방정의 규칙적인 배열(육각망면 구조배열)을 갖는다. 상기 이흑연화성 탄소재료는 상기 원료 전구체를 공기 또는 불활성 가스 분위기하 및 소정의 온도 조건에서 열처리하여 상기 원료 전구체를 부분적으로 흑연화함으로써 얻을 수 있다. 이 과정 중 필요에 따라 분쇄 및/또는 해쇄 과정이 도입될 수 있다. 일 예로, 상기 음극 활물질은 원료 전구체를 분말 형태로 분쇄하는 단계; 및 상기 분쇄된 원료 전구체를 500 내지 2500℃에서 가열하는 단계를 거쳐 제조될 수 있다.
상기 분쇄 및/또는 해쇄는 볼밀(ball mill), 어트리션 밀(attrition mill), 진동 밀(vibration mill), 디스크 밀(disk mill), 제트 밀(jet mill), 로터 밀(rotor mill) 등과 같은 밀링기를 이용하여 상기 원료 전구체를 밀링함으로써 수행될 수 있다. 상기 밀링은 건식 공정, 또는 습식 공정, 또는 건식 및 습식이 조합된 공정으로 진행될 수 있다. 분쇄 및/또는 해쇄 공정에서 분쇄 속도, 압력, 시간 등으로 입자의 평균 입경 및 입도 분포도를 조절할 수 있다. 따라서, 상기 음극 활물질의 평균 입경 및 입도 분포도는 상기 분쇄 및/또는 해쇄 과정에 의해 결정될 수 있다.
상기 이흑연화성 탄소재료의 원료 전구체로는 특별히 한정되지는 않으나, 예를 들어, 석유 코크스, 석탄 코크스, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이즈 피치, 메조카본 마이크로 비즈, 염화비닐계 수지 등을 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
상기 음극 활물질은 탭밀도(tap density)가 0.7 내지 1.5 g/cm3일 수 있다. 상기 탭밀도란 입자들로 이루어진 파우더의 부피당 질량으로, 일정하게 두드리거나 진동을 주어 입자간 공극을 채운 밀도를 말한다. 상기 탭밀도에 영향을 미치는 요소들로는 입자 크기 분포도, 수분 함량, 입자 형상, 응집성(cohesiveness) 등이 있다. 상기 탭밀도를 통해 물질의 유동성 및 압축률(compressibility)을 예측할 수 있다. 상기 탭밀도는 ASTM D4781에 근거하여 측정할 수 있으며, TD=W/V(TD: 탭밀 도, W: 시료중량(g), V: 탭핑후 시료 부피)의 식을 이용하여 산출할 수 있다. 상기 탭밀도가 0.7 g/cm3 이상이면 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 음극에서 같은 부피의 기존 전지에 비해 다량의 상기 음극 활물질을 확보할 수 있으며, 아울러 비수계 전해액이 상기 음극 활물질에 고루 침투할 수 있다. 상기 탭밀도가 0.7 g/cm3 보다 작으면 상기 리튬 이차 전지 부피당 상기 음극 활물질 함량이 상대적으로 감소되어 상기 리튬 이차 전지 부피당 용량이 감소될 수 있다. 상기 탭밀도가 1.5 g/cm3 보다 크면 전극제조에 있어서 압축이 잘 되지 않아 집전체로부터 박리현상이 발생하고, 전해액 주입 시간이 길어지고 어려워지는 공정상의 문제점과 고속충방전 특성이 떨어지는 문제점이 있다.
상기 음극 활물질은 안식각(angle of repose)이 15 내지 55도일 수 있다. 상기 안식각이란 정지한 분체 퇴적층의 자유표면이 수평과 이루는 각도를 말하며, 구성 입자의 입도가 클수록, 모난것일수록, 수분 함량이 높을수록, 응집성이 클수록, 미분이 적을수록 상기 안식각은 크다. 상기 안식각이 작으면 분체의 흐름성이 좋다. 상기 안식각은, 예를 들어, 반경이 r인 샬레 위에 상기 음극 활물질을 여두로부터 유출시켜 퇴적시킨 후 직접 측정하거나, 또는 그 퇴적층의 높이를 측정한 후 상기 퇴적층의 높이를 이용하여 측정할 수 있다. 상기 안식각이 55도 이하이면 음극 합제를 음극 집전체에 도착시킬 때 음극 활물질의 젖는 성질이 적정화될 수 있다. 이 때문에, 상기 음극 활물질이 분리 또는 침강하는 현상 없이 음극 합제를 균등하게 도착시킬 수 있다. 또한, 음극 합제의 박리가 방지되는 것과 동시에 전극 반응의 부분적인 집중이 억제되기 때문에, 리튬 이차 전지의 출력, 수명의 저하를 억제할 수 있다. 그러나, 상기 안식각이 15도 미만이면, 음극 합제시 상기 음극 활물질, 도전재, 바인더간의 응집성이 낮아 활물질과 도전재가 고루 섞이지 않아 출력 저하되는 문제점이 있다.
상기 음극 활물질은 카르 지수(Carr’s index)가 15 내지 30 일 수 있다. 상기 카르 지수는 C=100*((V0-Vf)/V0)(C: 카르 지수, V0: 탭핑 전 시료 부피, Vf: 탭핑 후 시료 부피)의 식으로부터 산출되는 값을 의미한다. 리튬 이차 전지의 음극 제조시, 예를 들어, 음극 활물질, 도전재, 바인더의 혼합 공정에 있어서, 자유 유동성 입자는 서로 독립적으로 움직이는데 반해 비자유 유동성 입자는 인력을 가진채 움직인다. 이때, 인력이 중력보다 크면 중력에 의한 믹싱 과정에서 입자들의 분리 현상이 일어나지 않는다. 입자의 크기가 다양한 혼합물에서는 중력에 의한 분리 현상이 크게 일어나므로 음극 활물질의 제조에 있어서 비자유 유동성 입자가 유리하다. 상기 카르 지수가 15 미만이면, 음극 활물질, 도전재, 바인더 사이의 인력이 약해 믹싱이 균일하게 되지 않는 문제점이 있다. 상기 카르 지수가 30을 초과하면, 믹싱후 방치만으로 서서히 정극 합제 입자의 침강 현상이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 집전체에 도포하는 때에, 교반하는 도포 용액중에서 입자들이 응집되고, 평탄한 도포를 하기 어려우며, 전극 표면에는 부분적으로 요철이 발생하는 문제점이 있다.
상기 음극 활물질은 마찰계수가 0.03 내지 1.0일 수 있다. 바람직하게는 0.20 이상 0.90 이하이며, 더욱 바람직한 것은 0.50 이상 0.85 이하인 것이다. 일반적으로, 입자 표면의 거칠기, 모양의 불규칙함 등이 마찰계수에 영향을 미치는데, 음극 활물질의 거친 표면은 전해액과의 반응시 원하지 않는 부반응이 발생할 수 있는 면적을 증가시켜 비가역 용량이 커져 용량 특성을 악화시킨다. 또한, 전극 제조시 강한 수직 하중이 걸리는 압착 공정에서 마찰계수가 1.0을 초과하면, 균일한 도포가 이루어지지 않고 박리현상이 발생할 수 있다. 상기 마찰계수가 0.03 미만이면, 음극 활물질이 매우 둥글며 마이크로 기공이 존재하지 않으므로 리튬 이온이 결합할 기공이 매우 적어 용량이 적어지는 문제점이 있다.
상기 음극 활물질은 진밀도(true density)가 1.7 내지 2.3 g/cm3일 수 있다. 상기 진밀도가 1.7 g/cm3 보다 작으면, 음극 활물질 내부에 빈틈이 많고, 표면적도 크기 때문에 양이온이 음극 활물질 표면 및 내부에 인터칼레이션되지 않고 석출될 수 있다. 이때, 석출된 양이온은 용량 및 사이클 특성을 저하시킨다. 이에 반해, 상기 진밀도가 2.3 g/cm3 보다 크면, 음극 활물질 내부에 빈틈이 적기 때문에, 오히려 전해액이 전극 내부에 침투하지 않아 리튬 이차 전지의 용량이 저하될 수 있다.
상기 음극 활물질은 XRD 분석 결과 음극 활물질의 d(002) 방향의 결정 길이(Lc)가 10 내지 100 Å일 수 있다. 상기 d(002) 방향의 결정 길이가 길다는 것은 상기 비정질 탄소재료의 흑연화가 많이 진행된 것을 의미하며, 상기 C축 방향의 결정 길이가 짧다는 것은 상기 비정질 탄소재료의 흑연화가 적게 진행되어 비정질화가 강한 것을 의미한다. 상기 음극 활물질의 d(002) 방향의 결정 길이가 10 Å 보 다 작으면, 상기 음극 활물질의 전기전도도가 낮아 전극 제조시 더 많은 전도성 물질을 필요로하기 때문에, 고용량의 음극 활물질로서는 적합하지 않는 면이 있다. 상기 음극 활물질의 d(002) 방향의 결정 길이가 100 Å 보다 크면, 전기전도성이 좋아 수명특성은 좋으나, 리튬 이온이 흑연 단원자층(graphene layer)의 양면에 결합(bonding)을 이루게 되는 면적이 매우 적어져, 층(layer)간의 인터칼레이션/디인터칼레이션 만으로 충방전 특성이 나타나므로 용량이 낮아지는 문제점이 있다.
상기 음극 활물질은 구상 또는 타원상의 입자를 포함한다. 상기 구상 또는 타원상의 입자를 포함하는 음극 활물질은 비늘 조각 모양의 흑연에 비하여 비표면적이 작다는 특성이 있다. 따라서, 상기 음극 활물질 및 전해액의 반응성이 낮아져 1차 사이클 효율 특성이 향상될 수 있다.
상기 음극 활물질은 평균 입경이 5 내지 15 ㎛일 수 있다. 입자의 평균 입경이 커지면, 음극을 고밀도화하기 어렵고, 고출력을 얻기 힘들다는 문제가 있다. 상기 음극 활물질의 입도 분포에서 그 입경이 2 ㎛ 이하인 미분이 음극 활물질 총량의 5 % 이하일 수 있다. 이는 상기 음극 활물질 중에 상기 미분이 많을수록 안식각이 커지기 때문이다. 상기 음극 활물질의 입도 분포에서 d(0.9)의 입경이 15 내지 25 ㎛일 수 있다. 상기 탭밀도는 음극 활물질의 형상, 형상 분포도, 입경, 입경 분포도, 흐름도, 기공율, 수분함량, 표면특성에 따라 달라지는데 d(0.9)의 입경이 25 ㎛ 를 초과하면 탭밀도가 작아진다.
전술한 바와 같이,상기 음극 활물질이 비정질 탄소재료로 이루어지므로, 상기 리튬 이차 전지의 용량, 사이클 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 음극 활 물질의 탭밀도가 높기 때문에 리튬 이차 전지의 출력을 향상시킬 수 있다. 또한, 음극 활물질의 안식각이 작으므로 리튬 이차 전지의 출력 및 수명 특성이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 상기 음극 활물질의 카르 지수, 마찰계수, 진밀도, d(002) 방향의 결정 길이, 입자 형상, 평균 입경 및 입도 분포도 등이 최적화될 수 있으므로 리튬 이차 전지의 고수명 및 고출력 특성이 더욱 배가될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지는 기재 상에 위치하는 음극, 양극 및 전해질을 포함한다. 상기 리튬 이차 전지는 기재 상에 위치하는 음극 집전체 및 양극 집전체를 더 포함할 수 있다. 이 외에도, 상기 리튬 이차 전지는 분리막을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 리튬 이차 전지가 제대로 작동하는 한 그 구성 요소들의 적층 순서는 특별히 한정되지 않는다.
상기 음극은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질, 도전재 및 바인더를 혼합하여 음극 제조용 슬러리를 제조한 다음, 상기 음극 제조용 슬러리를 상기 음극 집전체 상에 도포 및 건조하여 제조될 수 있다. 상기 음극이 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질을 포함하므로, 상기 리튬 이차 전지는 고수명 및 고출력 특성을 가질 수 있다.
상기 양극은 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 혼합하여 양극 제조용 슬러리를 제조한 다음, 상기 양극 제조용 슬러리를 상기 양극 집전체 상에 도포 및 건조하여 제조될 수 있다.
상기 양극 활물질로는 본 기술 분야에서 알려진 것을 사용할 수 있으므로, 특별히 한정되지는 않으나, 예를 들어, 리튬을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼 레이션 할 수 있는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiFePO4, LiNiVO4, LiCoMnO4, LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2, V2O5, MnO2, MoO3 등을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
상기 음극 및 양극 제조시 사용되는 도전재로는 본 기술 분야에서 알려진 것을 사용할 수 있으므로, 특별히 한정되지는 않으나, 예를 들어, 카본 블랙(carbon black), 아세틸렌블랙(acetylene black), 서멀블랙(thermal black), 채널블랙(channel black), 퍼니스블랙(furnace black), 흑연 등의 탄소류나 금속분말들을 사용할 수 있다. 상기 음극 및 양극 제조시 사용되는 바인더 역시 본 기술 분야에서 알려진 것을 사용할 수 있으므로, 특별히 한정되지는 않으나, 예를 들어, 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene dechloride, PVDF)를 사용할 수 있다.
상기 전해질은 양극 및 음극 사이에 위치하여 양극 및 음극 사이에서 리튬 이온을 운송하는 매질의 역할을 한다. 상기 전해질로서는 특별히 한정되지는 않으나, 예를 들어, 비수계 전해액을 사용할 수 있다. 상기 비수계 전해액의 예로서는 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 클로로에틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 1,1-디메톡시에탄, 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, γ-부티로락톤, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1,3-디옥소란, 4-메틸-1,3-디옥소란, 아니솔, 디에틸에테르, 술포란, 메틸술포란, 아세트니트릴, 클로로니트릴, 프로피오니트릴, 붕산트리메틸, 규산테트라메틸, 니트로메탄, 디메틸포름아미드, N-메틸피롤리돈, 아세트산에틸, 트 리메틸오르토포르메이트, 니트로벤젠, 염화벤조일, 취화벤조일, 테트라히드로티오펜, 디메틸설폭사이드, 3-메틸-2-옥사졸리돈, 에틸렌글리콜, 설파이트, 디메틸설파이트 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상 조합되어 사용될 수 있다. 한편, 상기 전해질로서 무기 고체 전해질 또는 유기 고체 전해질을 사용하여도 무방하다. 상기 무기 고체 전해질의 예로서는 Li2O-B2O3, Li2O-V2O5-SiO2, Li2SO4-Li2O-B2O3, Li3PO4, LiPON, LiBON 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상이 조합되어 사용될 수 있다. 상기 유기 고체 전해질의 예로서는 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상이 조합되어 사용될 수 있다.
상기 음극 집전체는 상기 음극과 전기적으로 연결된다. 상기 음극 집전체는 리튬 이차 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 음극 집전체로 백금(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 하스텔로이(Hastelloy), ITO 등과 같은 귀금속류, 내열강 및 전도성 산화물막 등이 사용될 수 있다. 상기 음극 집전체의 표면에 필요에 따라 미세 요철을 형성하여 음극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 집전체는 상기 양극과 전기적으로 연결된다. 상기 양극 집전체는 박막 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 양극 집전체로 백금(Pt), 금(Au), 구리(Cu) 하스텔로이(Hastelloy), ITO 등과 같은 귀금속류, 내열강 및 전도성 산화물막 등이 사용될 수 있다. 상기 양극 집전체의 표면에 필요에 따라 미세 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 리튬 이차 전지를 구성하는 각 구성 요소에 의해 1개의 단위 셀이 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지는 상기 1개의 단위 셀로 형성될 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니며, 상기 1개의 단위 셀이 복수개 적층됨으로써 형성될 수 있다. 상기 리튬 이차 전지는 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등 중에서 임의적인 형태를 가질 수 있다.
이하, 하기 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 그에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 하기 실시예에서는 그 실시 형태에 따라 탄화 조건, 입도 크기, 모양 제어를 통해 탭밀도, 안식각, 카르지수 및 마찰계수를 바꾸어 음극 활물질을 제작하였다.
[실시예]
1. 음극 활물질 제조
실시예 1
비정질계 탄소 원료로 석유계 코크스를 사용하였으며, 상기 석유계 코크스를 분말 형태로 분쇄하여 상기 석유계 코크스의 평균 입경이 10 ㎛가 되도록 하였다. 이때, 최대 입도의 크기를 26 ㎛ 이하로 제어하였으며, 백필터로 최소 입도의 크기를 0.8 ㎛로 제어하였다. 이어, 분말화된 석유계 코크스를 승온속도 2.5℃/분으로 1100℃의 온도까지 승온했다. 이어, 최고 온도에서 3시간 동안 유지한 뒤 5℃/분의 냉각속도로 서냉했다.
실시예 2
비정질계 탄소 원료로 석유계 코크스를 사용하였으며, 상기 석유계 코크스를 분말 형태로 분쇄하여 상기 석유계 코크스의 평균 입경이 10 ㎛가 되도록 하였다. 이때, 분급기로 최대 입도의 크기를 40 ㎛ 이하로 제어하였으며, 백필터로 최소 입도의 크기를 0.3 ㎛로 제어하였다. 이어, 분말화된 석유계 코크스를 승온속도 2.5℃/분으로 1100℃의 온도까지 승온했다. 이어, 최고 온도에서 3시간 동안 유지한 뒤 5℃/분의 냉각속도로 서냉했다.
실시예 3
비정질계 탄소 원료로 석유계 코크스를 사용하였으며, 상기 석유계 코크스를 분말 형태로 분쇄하여 상기 석유계 코크스의 평균 입경이 12 ㎛가 되도록 하였다. 이때, 분급기로 최대 입도의 크기를 40 ㎛ 이하로 제어하였으며, 백필터로 최소 입도의 크기를 0.5 ㎛로 제어하였다. 이어, 분말화된 석유계 코크스를 승온속도 2.5℃/분으로 1100℃의 온도까지 승온했다. 이어, 최고 온도에서 3시간 동안 유지한 뒤 5℃/분의 냉각속도로 서냉했다.
실시예 4
비정질계 탄소 원료로 석유계 코크스를 사용하였으며, 상기 석유계 코크스를 분말 형태로 분쇄하여 상기 석유계 코크스의 평균 입경이 11 ㎛가 되도록 하였다. 이때, 분급기로 최대 입도의 크기를 25 ㎛ 이하로 제어하였으며, 백필터로 최소 입도의 크기를 0.8 ㎛로 제어하였다. 이어, 분말화된 석유계 코크스를 승온속도 2.5℃/분으로 1100℃의 온도까지 승온했다. 이어, 최고 온도에서 3시간 동안 유지한 뒤 5℃/분의 냉각속도로 서냉했다.
비교예 1
비정질계 탄소 원료로 석유계 코크스를 사용하였으며, 상기 석유계 코크스를 분말 형태로 분쇄하여 상기 석유계 코크스의 평균 입경이 10 ㎛가 되도록 하였다. 이때, 분급기로 최대 입도의 크기를 40 ㎛ 이하로 제어하였으며, 최소 입도의 크기를 1 ㎛로 제어하였다. 이어, 분말화된 석유계 코크스를 승온속도 2.5℃/분으로 1100℃의 온도까지 승온했다. 이어, 최고 온도에서 3시간 동안 유지한 뒤 5℃/분의 냉각속도로 서냉했다.
비교예 2
비정질계 탄소 원료로 석유계 코크스를 사용하였으며, 상기 석유계 코크스를 분말 형태로 분쇄하여 상기 석유계 코크스의 평균 입경이 9 ㎛가 되도록 하였다. 이때, 분급기로 최대 입도의 크기를 25 ㎛ 이하로 제어하였으며, 백필터로 최소 입도의 크기를 0.8 ㎛로 제어하였다. 이어, 분말화된 석유계 코크스를 승온속도 2.5℃/분으로 1100℃의 온도까지 승온했다. 이어, 최고 온도에서 3시간 동안 유지한 뒤 5℃/분의 냉각속도로 서냉했다.
비교예 3
비정질계 탄소 원료로 석유계 코크스를 사용하였으며, 상기 석유계 코크스를 분말 형태로 분쇄하여 상기 석유계 코크스의 평균 입경이 15 ㎛가 되도록 하였다. 이때, 분급기로 최대 입도의 크기를 40 ㎛ 이하로 제어하였으며, 백필터로 최소 입도의 크기를 0.5 ㎛로 제어하였다. 이어, 분말화된 석유계 코크스를 승온속도 2.5℃/분으로 1100℃의 온도까지 승온했다. 이어, 최고 온도에서 3시간 동안 유지한 뒤 5℃/분의 냉각속도로 서냉했다.
비교예 4
비정질계 탄소 원료로 석유계 코크스를 사용하였으며, 상기 석유계 코크스를 분말 형태로 분쇄하여 상기 석유계 코크스의 평균 입경이 10 ㎛가 되도록 하였다. 이때, 분급기로 최대 입도의 크기를 40 ㎛ 이하로 제어하였으며, 백필터로 최소 입도의 크기를 0.3 ㎛로 제어하였다. 이어, 분말화된 석유계 코크스를 승온속도 2.5℃/분으로 1100℃의 온도까지 승온했다. 이어, 최고 온도에서 3시간 동안 유지한 뒤 5℃/분의 냉각속도로 서냉했다.
2. 리튬 이차 전지 제조
실시예 5 내지 8, 비교예 5 내지 8
실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4 각각의 음극 활물질을 사용하였다는 것을 제외하고는 기존에 공지된 방법으로 실시예 5 내지 8, 비교예 5 내지 8 각각에 따른 리튬 이차 전지를 제조하였다.
3. 음극 활물질 특성 측정
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4를 통해 제조된 음극 활물질의 탭 밀도, 안식각, 카르 지수 및 마찰계수를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 이때, 실시예 1 및 2, 비교예 1에 대해서는 탭밀도 및 안식각을 측정하지 않았으며, 아울러 실시예 3 및 4, 비교예 2 내지 4에 대해서는 카르 지수 및 마찰계수를 측정하지 않았다.
상기 탭밀도는 콴타크롬(Quatachrome)사의 탭밀도 미터(Autotap)를 이용하여, 상기 음극 활물질을 100 ml 눈금 실린더에 90 ml 넣고, 0.1 g 단위까지 질량을 측정한 다음, 스트로크 길이를 3.2 mm로, 회전속도를 250 r/min으로 하여 3000회 탭핑한 후, 부피를 1 ml 눈금까지 측정한 다음, 이러한 측정치 및 탭밀도를 산출하는 식을 이용하여 얻었다. 상기 안식각은 호소카와 미크론(Hosokawa micron)의 PT-S로 측정하였다. 상기 카르 지수는 상기 탭밀도시의 측정치 및 카르 지수를 산출하는 식으로부터 얻었다. PT-S는 분체의 카르지수를 측정하는 ASTM D6393-99를 만족시킨다. 상기 마찰계수는 분말 무더기의 표면과 수평면 사이의 가능한 최대각(φ)의 탄젠트로, 호소카와 미크론(Hosokawa micron)의 PT-S로 안식각을 측정한 후, tan(φ)=μ(마찰계수) 식으로부터 얻었다.
탭밀도 (g/cm3) 안식각 (°) 카르 지수 마찰계수
실시예 1 - - 17 0.79
실시예 2 - - 21 0.68
실시예 3 0.8 30.7 - -
실시예 4 1.1 42.0 - -
비교예 1 - - 12 1.05
비교예 2 1.0 59.0 - -
비교예 3 0.8 60.0 - -
비교예 4 0.65 40.3 - -
4. 리튬 이차 전지 특성 평가
상기 실시예 5 내지 8, 비교예 5 내지 8 각각의 리튬 이차 전지에 관해서, 이하의 실험을 실시했다. 우선, 실온(25℃) 분위기하에 5시간율(0.2C)로 정전류 정전압 충전후, 5시간율(0.2C)로 방전 종지 전압 1.5V에 이를 때까지 방전하고, 재차 같은 조건으로 충전했다. 또한 충방전 사이클에 의한 출력 저하를 측정하기 위해 실온에서 24시간 정지한 뒤, 25℃ 분위기하에 설정전압 5mV 까지 정전류 충전을 한 뒤, 2시간율(0.5C)로 방전 종지 전압 1.5V에 이르기까지 충방전을 되풀이 하였다. 100 사이클 경과후, 초기 출력의 측정과 마찬가지로 전지의 출력을 측정하고, 초기 출력에 대한 100 사이클 후의 출력의 비율을 백분율으로 구하고 이를 용량 유지율(사이클 유지율)이라고 했다. 실온 분위기에서 출력 및 유지율의 측정 결과를 아래 표 2, 표 3에 나타내었다.
카르 지수 마찰계수 1st 사이클 효율(%)
실시예 5 17 0.79 85.2
실시예 6 21 0.68 84.5
비교예 5 12 1.05 74.8
표 2를 참조하면, 실시예 5 및 6은 비교예 5보다 1st 사이클 효율이 우수하였다. 한편, 비교예 1에 따른 리튬 이차 전지 제조시 전극을 코팅하고 압연하는 과정에서 요철이 발생하여 평탄한 도포가 어려웠다.
탭밀도
(g/ml)		 안식각
(degree)		 초기용량
(mAh/ml)		 100 사이클 유지율
(%)
실시예 7 0.8 30.7 200 93
실시예 8 1.1 42.0 264 89.8
비교예 6 1.0 59.0 227 74.8
비교예 7 0.8 60.0 180 77.8
비교예 8 0.65 40.3 156 88.9
표 3을 참조하면, 같은 탭밀도를 갖는 실시예 7 및 비교예 7을 비교하였을 경우, 실시예 7의 초기용량이 비교예 7의 초기용량보다 20 mAh/g 더 높았으며, 아울러 실시예 7의 100 사이클 유지율이 비교예 7의 100 사이클 유지율보다 컸음을 알 수 있었다. 또한, 안식각이 유사한 실시예 8 및 비교예 8을 비교하였을 경우, 실시예 8의 초기용량이 비교예 8의 초기용량보다 108 mAh/ml 만큼 높았음을 알 수 있었다. 따라서, 소형 전지에 비하여 대형전지에서 부피당 출력의 차이는 더욱 크게 나타날 것으로 예측할 수 있다. 안식각이 55도를 넘는 음극 활물질을 이용한 비교예 6, 7에서는 100 사이클 유지율이 각각 74.8% 및 77.8%로 음극 활물질이 전해액이 불균일하게 분포되어 출력의 저하가 현저하며, 일부 전해액이 존재하는 부분에 전극 반응이 집중되어 비가역용량이 지속적으로 늘어나 전지의 사이클 특성을 저하시키고 있는 것이 확인 되었다.
이상 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

Claims (11)

  1. 비정질 탄소재료로 이루어지는 물질로서, 탭밀도가 0.7 내지 1.5 g/cm3이고, 안식각이 15 내지 55도이며, 카르 지수가 15 내지 30인 리튬 이차 전지의 출력을 개선하기 위한 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    마찰계수가 0.03 내지 1.0인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
  4. 제1항에 있어서,
    진밀도가 1.7 내지 2.3 g/cm3인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
  5. 제1항에 있어서,
    d(002)축 방향의 결정 길이가 10 내지 100 Å인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
  6. 제1항에 있어서,
    평균 입경이 5 내지 15 ㎛인 구상 또는 타원상 입자를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
  7. 제1항에 있어서,
    입도 분포에서 d(0.9)의 입경이 15 내지 25 ㎛인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 비정질 탄소재료가 이흑연화성 탄소재료인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이흑연화성 탄소재료의 원료 전구체가 석유 코크스, 석탄 코크스, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이즈 피치, 메조카본 마이크로 비즈 및 염화비닐계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
  10. 음극 및 양극, 및 상기 음극 및 양극 사이에 위치하는 전해질을 포함하되, 상기 음극이 제1항에 기재된 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지.
  11. 삭제
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