KR101141060B1 - Composite Binder having Conductivity and Secondary Battery Employing the Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 합제용 바인더로서, 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈 및 도전성 입자를 포함하고, 상기 도전성 입자가 고분자 수지 내부에 균일하게 분포되어 있는 것으로 구성된 복합체 바인더와 이를 포함하는 이차전지를 제공하는 바, 접착력이 매우 강하면서도 연신율이 향상된 고분자 및 도전성 입자를 전극 합제의 바인더로 사용함으로써, 전기전도도가 우수하고 활물질 상호간 및 집전체와의 결합력이 안정적인 사이클 특성을 유지할 수 있으며, 충방전시 음극 활물질들의 부피 변화를 감소시킬 수 있다. 이를 바탕으로, 특히 규소 또는 주석계 음극 활물질 등을 사용하는 대용량 리튬 이차전지를 제조할 수 있다.The present invention provides a composite binder comprising a polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, and conductive particles, wherein the conductive particles are uniformly distributed in the polymer resin, and a secondary battery including the same. By using the polymer and the conductive particles, which have very high adhesive strength and improved elongation, as the binder of the electrode mixture, they have excellent electrical conductivity and can maintain stable cycle characteristics between the active materials and the current collector. It is possible to reduce the volume change of the active materials. Based on this, in particular, a large capacity lithium secondary battery using a silicon or tin-based negative electrode active material and the like can be manufactured.

Description

도전성을 부여한 복합체 바인더 및 이를 포함하고 있는 이차전지 {Composite Binder having Conductivity and Secondary Battery Employing the Same}Composite Binder with Conductivity and Secondary Battery Containing the Same {Composite Binder having Conductivity and Secondary Battery Employing the Same}

본 발명은 도전성을 부여한 복합체 바인더 및 이를 포함하고 있는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 이차전지의 전극 합제용 바인더로서, 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈 및 도전성 입자를 포함하고, 상기 도전성 입자가 고분자 수지 내부에 균일하게 분포되어 있는 것으로 구성된 복합체 바인더 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a composite binder imparting conductivity and a secondary battery comprising the same, and more particularly, as a binder for electrode mixture of a secondary battery, including polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, and conductive particles, The present invention relates to a composite binder and a secondary battery including the same, wherein the conductive particles are uniformly distributed in the polymer resin.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지는 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다. 이러한 리튬 이차전지는 일반적으로 리튬 전이금속 산화물을 양극 활물질로 사용하고 흑연계 물질을 음극 활물질로 사용하고 있다. As technology development and demand for mobile devices increase, the demand for secondary batteries as energy sources is rapidly increasing, and lithium secondary batteries having high energy density and voltage are commercially used in such secondary batteries. Such lithium secondary batteries generally use lithium transition metal oxides as positive electrode active materials and graphite-based materials as negative electrode active materials.

리튬 이차전지의 전극은 이러한 활물질과 바인더(binder) 수지 성분을 혼합하여 용매에 분산시켜 슬러리(slurry)를 만들고, 이것을 집전체 표면에 도포하여 건조 후 합제층을 형성시켜 제작된다. 그러나, 충방전시 리튬과의 반응에 의한 부피 변화가 발생하고, 계속적인 충방전시 음극 활물질이 집전체로부터 탈리되거나, 음극 활물질 상호간 접촉 계면의 변화에 따른 저항 증가로 인해, 충방전 사이클이 진행됨에 따라 용량이 급격하게 저하되어 사이클 수명이 짧아지는 문제점을 가지고 있다. The electrode of a lithium secondary battery is prepared by mixing such an active material and a binder resin component and dispersing it in a solvent to make a slurry, applying it to the surface of a current collector, and drying it to form a mixture layer. However, the charge and discharge cycle proceeds due to the volume change caused by the reaction with lithium during charge and discharge, the negative electrode active material is detached from the current collector during continuous charge and discharge, or the resistance increases due to the change of the contact interface between the negative electrode active materials. As a result, the capacity is drastically lowered, resulting in a shorter cycle life.

바인더는 활물질간 뿐만 아니라 활물질과 집전체 사이의 결착력을 주며, 전지의 충방전에 따른 부피 팽창을 억제하여 전지 특성에 중요한 영향을 끼친다. 그러나, 충방전시 부피변화를 줄이기 위하여 과량의 고분자를 바인더로 사용하게 되면, 집전체로부터 활물질의 탈리를 감소시킬 수는 있으나, 바인더의 전기절연성에 의해 음극의 전기 저항이 높아지며, 상대적으로 활물질의 양이 감소함으로 인해 용량 감소 등의 문제점이 대두된다. The binder gives a binding force between the active material as well as between the active material and the current collector, and has an important effect on battery characteristics by suppressing volume expansion caused by charging and discharging of the battery. However, when an excessive polymer is used as a binder to reduce the volume change during charging and discharging, it is possible to reduce the detachment of the active material from the current collector, but the electrical resistance of the negative electrode increases due to the electrical insulation of the binder, and relatively As the amount decreases, problems such as capacity reduction arise.

이러한 바인더 수지로서 폴리불화비닐리덴(PVdF)이 널리 사용되어 왔으나, 접착력이 떨어지고, 안전성에 문제가 있으며, 슬러리 제작시 유기 용매를 사용함으로써, 환경 오염 등의 문제를 발생시키고 있다. PVdF의 문제점을 해결하기 위하여, 스티렌-부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber: SBR)를 수상에서 중합하여 증점제 등과 혼합하여 사용하는 방법이 제시되었다. 이러한 바인더의 경우, 환경친화적이고 바인더 사용 함량을 줄여 전지 용량을 높일 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 이 경우에도 고무의 탄성에 의해 결착 지속력은 향상되나 결착력 자체에서는 큰 효과를 보지 못하고 있으며, 전지 특성의 향상도 요구되고 있는 실정이다. 이에 결착력이 우수하고, 전지 특성도 향상시킬 수 있는 방법들이 많이 제시되어 왔다. Polyvinylidene fluoride (PVdF) has been widely used as such a binder resin, but the adhesion is poor, there is a problem in safety, and by using an organic solvent during slurry production, problems such as environmental pollution are generated. In order to solve the problem of PVdF, a method of polymerizing styrene-butadiene rubber (SBR) in an aqueous phase and using a thickener and the like has been proposed. Such a binder has an advantage of being environmentally friendly and increasing battery capacity by reducing the amount of binder used. However, even in this case, the binding sustainability is improved by the elasticity of the rubber, but the binding force itself does not show a great effect, and the improvement of battery characteristics is also required. Many methods have been proposed to provide excellent binding power and to improve battery characteristics.

이와 관련하여, 일부 선행기술들은 SBR를 단독으로 바인더로 사용할 때의 문제점을 해결하기 위한 방안들을 제시하고 있는 바, 이들을 예시적으로 설명하면 다음과 같다.In this regard, some prior art has been proposed to solve the problem when using the SBR alone as a binder, which will be described as an example.

한국 특허출원공개 제2003-0033595호는 PVdF와 SBR의 혼합 바인더를 일정 비율로 혼합하여 사용하는 방법을 개시하고 있으며, 한국 특허등록 제0582518호는 화학 구조가 다른 2 이상의 폴리머가 이상구조를 형성하고 있는 복합 폴리머 입자를 함유하는 전지용 바인더에 관해 제시하고 있다. 한국 특허출원공개 제2004-0078927호는 전지 특성, 접착력 및 코팅 특성에 각각 관련되는 폴리머를 함유하는 2상 이상의 구조의 복합 폴리머 입자에 대해 개시하고 있다. 미국 특허등록 제6,773,838호는 개조된 SBR 바인더와 증점제를 일정 범위의 양만큼 사용하여 높은 충방전 효율과 안정성을 얻을 수 있음을 주장하고 있다. 또한, 미국 특허등록 제6,881,517호는 부타디엔 구조를 일정 비율로 함유하는 폴리머 바인더를 사용하는 방법을 개시하고 있으며, 미국 특허등록 제6,428,929호는 부타디엔 구조를 포함하는 바인더에 아크릴산 유도 공중합체를 첨가하는 방법을 개시하고 있다. Korean Patent Application Publication No. 2003-0033595 discloses a method of mixing a mixture of PVdF and SBR at a predetermined ratio, and Korean Patent Registration No. 0582518 describes an ideal structure in which two or more polymers having different chemical structures form an ideal structure. The present invention relates to a battery binder containing composite polymer particles. Korean Patent Application Publication No. 2004-0078927 discloses a composite polymer particle having a two-phase or more structure containing a polymer which is respectively related to battery characteristics, adhesion and coating characteristics. US Patent No. 6,773,838 claims that high charge and discharge efficiency and stability can be achieved by using modified SBR binders and thickeners in a range of amounts. In addition, US Patent No. 6,881,517 discloses a method of using a polymer binder containing a butadiene structure in a certain ratio, US Patent No. 6,428,929 discloses a method of adding an acrylic acid derivative copolymer to a binder containing a butadiene structure. Is starting.

또한, 바인더 제조에 사용되는 각각의 폴리머가 가지는 특성을 적절히 조합하면 바인더의 특성을 향상시킬 수 있다는 점에서 여러 가지 조성의 혼합물 바인더들이 제시되고 있다. 미국 특허등록 제5,380,606호는 폴리아믹 산을 포함하는 조성물을 개시하고 있고, 미국 특허등록 제6,399,246호는 폴리아크릴아미드와 함께 스티렌-부타디엔 공중합체 또는 스티렌-아크릴레이트 공중합체를 혼합하여 사용하 는 방법에 대해 개시하고 있다.In addition, mixture binders of various compositions have been proposed in that the properties of the binder can be improved by properly combining the properties of the respective polymers used in the preparation of the binder. U. S. Patent No. 5,380, 606 discloses a composition comprising a polyamic acid, and U. S. Patent No. 6,399, 246 discloses a method of mixing styrene-butadiene copolymer or styrene-acrylate copolymer with polyacrylamide. Is disclosed.

그러나, 이들 다양한 기술적 제안에도 불구하고, 아직 소망하는 수준의 물성을 발휘하는 바인더는 개발되지 못하고 있다. However, in spite of these various technical proposals, binders which still exhibit desired levels of physical properties have not been developed.

한편, 흑연계 물질로 이루어지는 음극이 그것의 이론적 최대 용량인 372 mAh/g(844 mAh/cc)에 거의 도달함에 따라, 빠르게 변모하는 차세대 모바일 기기의 에너지원으로서의 충분한 역할을 감당함에 한계를 들어내고 있다. 음극재료로서 검토되었던 리튬 금속은 에너지 밀도가 매우 높아 고용량을 구현할 수 있지만, 반복된 충방전시 수지상 성장(dendrite)에 의한 안전성 문제와 사이클 수명이 짧은 문제점이 있다. 이외에도 탄소 나노튜브를 음극 활물질로서 사용하는 시도가 있었으나, 탄소 나노튜브의 낮은 생산성, 높은 가격, 50% 이하의 낮은 초기 효율 등의 문제가 지적되었다. On the other hand, as the cathode made of graphite-based material almost reaches its theoretical maximum capacity of 372 mAh / g (844 mAh / cc), it is limiting its ability to play a sufficient role as an energy source for the rapidly changing next generation mobile devices. have. Lithium metal, which has been examined as a negative electrode material, has a very high energy density to realize a high capacity, but has a problem of safety due to dendrite growth and short cycle life during repeated charging and discharging. In addition, attempts have been made to use carbon nanotubes as negative electrode active materials, but problems such as low productivity, high price, and low initial efficiency of 50% or less have been pointed out.

이와 관련하여, 실리콘(silicon), 주석(tin), 또는 이들의 합금이 리튬과의 화합물 형성반응을 통해 다량의 리튬을 가역적으로 흡장 및 방출할 수 있음이 알려지면서, 이에 대한 많은 연구가 최근에 진행되고 있다. 예를 들어, 실리콘은 이론적 최대 용량이 약 4020 mAh/g(9800 mAh/cc, 비중 2.23)으로서 흑연계 물질에 비해서 매우 크기 때문에, 고용량 음극재료로서 유망하다. In this regard, many studies have recently been made, with silicon, tin, or alloys thereof known to be capable of reversibly occluding and releasing large amounts of lithium through compound formation reactions with lithium. It's going on. For example, silicon is promising as a high capacity cathode material because the theoretical maximum capacity is about 4020 mAh / g (9800 mAh / cc, specific gravity 2.23), which is much larger than graphite-based materials.

그러나, 실리콘, 주석, 또는 이들의 합금은, 충방전시 리튬과의 반응에 의한 부피 변화가 200 내지 300%로서 매우 크므로, 계속적인 충방전시 음극 활물질이 집전체로부터 탈리되거나 음극 활물질 상호간 접촉 계면의 큰 변화에 따른 저항 증가로 인해, 충방전 사이클이 진행됨에 따라 용량이 급격하게 저하되어 사이클 수명이 짧아지는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점으로 인해, 기존의 흑연계 음극 활물질용 바인더, 즉, PVdF, SBR 등을 실리콘계 또는 주석계 음극 활물질에 그대로 사용하는 경우에는 소망하는 효과를 얻을 수 없다. However, since silicon, tin, or alloys thereof have a large volume change of 200 to 300% due to reaction with lithium during charging and discharging, the negative electrode active material detaches from the current collector or contacts the negative electrode active materials during continuous charge and discharge. Due to the increase in resistance due to a large change in the interface, as the charge and discharge cycle proceeds, there is a problem that the capacity is drastically lowered and the cycle life is shortened. Due to these problems, when the conventional binder for graphite negative electrode active material, that is, PVdF, SBR, or the like is used as it is for a silicon-based or tin-based negative electrode active material, a desired effect cannot be obtained.

따라서, 기존의 흑연계 리튬 이차전지에 있어서, 바인더를 소량으로 사용하고도 활물질과 집전체 사이 및 활물질들 상호간 접착력을 확보하여 전지의 용량을 향상시킬 수 있는 기술과 함께, 실리콘 또는 주석계 음극 활물질을 사용하는 리튬 이차전지에서 충방전시 음극 활물질의 큰 부피 변화를 흡수하면서 집전체와의 접착력을 유지할 수 있는 우수한 바인더의 개발이 절실이 필요한 실정이다. Therefore, in the conventional graphite-based lithium secondary battery, a silicon or tin-based negative electrode active material with a technology that can improve the capacity of the battery by securing the adhesion between the active material and the current collector and the active materials even when using a small amount of binder, In the lithium secondary battery using the need to develop an excellent binder that can maintain the adhesive force with the current collector while absorbing a large volume change of the negative electrode active material during charge and discharge.

한편, 일반적으로 전극의 도전성 향상을 위해 종래 카본 블랙 등의 도전재를 리튬 이차전지의 전극 합제에 첨가하고 있다. 그러나, 도전재를 음극 합제에 포함시키는 경우 이러한 도전재는 절연체인 바인더의 내부로 침투될 수 없으므로 전기전도도를 향상시키는 데 한계가 있었다. On the other hand, in order to improve the electroconductivity of an electrode, conventionally, conductive materials, such as carbon black, are added to the electrode mixture of a lithium secondary battery. However, when the conductive material is included in the negative electrode mixture, such a conductive material cannot penetrate into the binder, which is an insulator, and thus has a limit in improving electrical conductivity.

이와 관련하여, 본 발명에서는 이하에서 설명하는 바와 같이, 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈 및 도전성 입자를 포함하는 것으로 구성된 복합체 바인더를 제시하고 있다. In this regard, the present invention proposes a composite binder comprising polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone and conductive particles, as described below.

이러한 도전성 입자를 바인더에 포함하는 기술이 일부 알려져 있는 바, 예를 들어, 일본 특허출원공개 제2002-134115호는 도전성 카본 미분체를 유기바인더에 분산시켜 도전성 바인더액을 제조하는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 종래의 폴리불화비닐리덴(PVdF)이나 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 등의 바인더에 도전성 카본 미분체를 투입함으로써, 충방전시 음극활물질의 부피변화에 효과적으로 대응하지 못함으로써 사이클 특성의 저하를 초래하는 등 전지의 전반적인 성능이 저하되는 문제점이 있다. 이러한 사실은, 이후 설명하는 종래 PVdF 바인더 조성물에 도전성 카본을 포함한 바인더와의 비교 실험예 등을 통해 더욱 명백히 확인할 수 있다. Some techniques for including such conductive particles in a binder are known. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-134115 discloses a technique for preparing a conductive binder liquid by dispersing conductive carbon fine powder in an organic binder. . However, the above technique does not effectively cope with the volume change of the negative electrode active material during charging and discharging by injecting conductive carbon fine powder into a binder such as polyvinylidene fluoride (PVdF) or styrene-butadiene rubber (SBR). There is a problem that the overall performance of the battery, such as to cause a decrease in. This fact can be more clearly confirmed through a comparative experiment with a binder including conductive carbon in the conventional PVdF binder composition described later.

또한, 일본 등록특허 제3567618호는 전지의 사이클 특성 향상을 위하여 부타디엔 결합 30 ~ 98 중량%, 겔 함량이 20 ~ 95 중량%인 카르복시 변성 스티렌 부타디엔 공중합체 라텍스와 50 중량% 이상의 1차 입자가 0.1 ㎛ 이하의 도전성 카본을 포함하는 이차전지 전극용 도전성 바인더 조성물을 개시하고 있다. 그러나, 이러한 바인더 조성물은 비교적 고가의 도전성 카본을 다량 포함함으로써 제조비용의 상승을 초래하고, 상대적으로 바인더 고분자의 함량이 줄어들게 되어 상기 언급한 바와 같은 접착력 및 사이클 특성의 저하 등의 전반적인 전지 성능의 저하의 문제를 여전히 가지고 있다. In addition, Japanese Patent No. 3567618 discloses 30 to 98% by weight of butadiene bond and 20 to 95% by weight of carboxy-modified styrene butadiene copolymer latex and 50% by weight or more of primary particles to improve cycle characteristics of the battery. The conductive binder composition for secondary battery electrodes containing the conductive carbon of micrometer or less is disclosed. However, such a binder composition contains a relatively expensive conductive carbon in a large amount, leading to an increase in manufacturing cost, and the content of the binder polymer is relatively reduced, resulting in a decrease in overall battery performance such as deterioration of adhesion and cycle characteristics as mentioned above. Still have the problem.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art and the technical problems required from the past.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험들을 계속한 끝에, 폴리비닐알콜과 폴리비닐피롤리돈이 물리적으로 혼합되어 있고, 여기에 도전성 입자가 균일하게 분포하도록 포함하는 복합체 바인더는, 접착력 및 연신율의 최적 조합과 우수한 전기전도도에 의해, 종래의 바인더들과 비교하여 전반적으로 우수한 전지 특성을 가짐을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventors of the present application, after continuing in-depth research and various experiments, the composite binder containing the polyvinyl alcohol and polyvinylpyrrolidone physically mixed, and the conductive particles are uniformly distributed, the adhesion and elongation By the optimum combination of and excellent electrical conductivity, it was confirmed that the overall battery characteristics compared to the conventional binders, and came to complete the present invention.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지의 전극 합제용 바인더는 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP) 및 도전성 입자를 포함하고, 상기 도전성 입자가 고분자 수지 내부에 균일하게 분포되어 있는 것으로 구성되어 있다.Accordingly, the binder for electrode mixture of the secondary battery according to the present invention includes polyvinyl alcohol (PVA), polyvinylpyrrolidone (PVP), and conductive particles, and the conductive particles are uniformly distributed in the polymer resin. Consists of.

상기 전극 합제에서 바인더를 구성하는 하나의 성분인 PVA는 그것의 높은 접착성에 의해 특히 충방전시 부피 변화가 큰 활물질들에 대해 우수한 결합력을 제공하며, 다른 성분인 PVP는 그것의 높은 연신율에 의해 충방전시 발생하는 응력이 누적되는 것을 방지하여 사이클 특성을 크게 향상시킨다. 한편, 앞서 설명한 바와 같이, 종래 도전재를 첨가한 경우 상당한 점도와 분자간의 결합력을 가지고, 전기적 절연성인 바인더의 내부로까지 도입될 수 없어 전기전도도를 충분히 향상시킬 수 없었다. 그러나, 본 발명에 따른 바인더는 상기 정의된 바와 같이, 도전성 입자를 포함하고 있으므로, 도전성 입자가 바인더 내부로까지 분포되어 있어서, 절연체인 PVA와 PVP 혼합물의 도전성을 향상시킴으로써, 결과적으로 전극의 전도성을 크게 증가시킬 수 있다. PVA, one component constituting the binder in the electrode mixture, provides an excellent binding force due to its high adhesiveness, especially for active materials having a large volume change during charging and discharging, and another component, PVP, is filled by its high elongation. By preventing the accumulation of stress generated during discharge, the cycle characteristics are greatly improved. On the other hand, as described above, when the conventional conductive material is added, it has considerable viscosity and intermolecular bonding force, and cannot be introduced into the electrically insulating binder, and thus electrical conductivity cannot be sufficiently improved. However, since the binder according to the present invention contains conductive particles, as defined above, the conductive particles are even distributed inside the binder, thereby improving the conductivity of the PVA and PVP mixture as the insulator, and consequently the conductivity of the electrode. It can increase greatly.

따라서, 본 발명에 따른 바인더를 포함하는 이차전지는 사이클 특성이 우수할 뿐만 아니라, 우수한 전기전도성을 가지므로 고용량이며 고속 충전이 가능한 바, 일반적으로 예상하는 물성 이상의 현저한 효과 상승이 얻어지는 것으로 확인되었다. Therefore, the secondary battery including the binder according to the present invention is not only excellent in cycle characteristics, but also has excellent electrical conductivity, so that high capacity and high-speed charging are possible, and it is confirmed that a significant effect increase over the expected physical properties is obtained.

상기 도전성 입자는 절연성 고분자 바인더의 도전성을 확보하기 위한 성분으로서, 바인더 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 20 중량%로 함유되어 있는 것이 바람직하며, 5 중량% 이하로 포함되는 것이 더욱 바람직하다. The conductive particles are a component for securing the conductivity of the insulating polymer binder, it is preferably contained in 0.01 to 20% by weight based on the total weight of the binder, more preferably contained in 5% by weight or less.

상기 도전성 입자의 함량이 너무 많을 경우에는 상대적으로 바인더 성분의 함량이 감소하게 되어, 전극 활물질 상호간 또는 전극 합제의 집전체에 대한 접착력이 약해질 수 있으며, 반대로 그 양이 너무 적을 경우에는 소망하는 전기전도성 향상의 효과를 얻기 어려우므로 바람직하지 않다.When the content of the conductive particles is too large, the content of the binder component is relatively reduced, and thus the adhesion between the electrode active materials or the current collector of the electrode mixture may be weakened. On the contrary, when the amount is too small, the desired electricity It is not preferable because the effect of improving conductivity is difficult to obtain.

상기 도전성 입자는 당해 전지나 바인더 내부에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 흑연계 물질, 도전성 섬유, 금속 분말, 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커, 도전성 금속 산화물, 그 외에 다양한 도전성 소재 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 카본계 입자일 수 있다. The conductive particles are not particularly limited as long as they have conductivity without causing chemical changes in the battery or binder. Examples of the conductive particles include conductive whiskers such as graphite-based materials, conductive fibers, metal powders, zinc oxide, and potassium titanate, and conductivity. Metal oxides and other various conductive materials may be used, and preferably carbon-based particles.

상기 카본계 입자는 바람직하게는 카본블랙, 아세틸렌 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유, 탄소 나노튜브 등일 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 한편, 본 발명에서 상기 도전성 입자는 형상 측면에서 구형 입자, 섬유상 입자 등 광의의 입자상 형태를 모두 포함하는 개념이다. The carbon-based particles are preferably carbon black such as carbon black and acetylene black; Carbon fibers, carbon nanotubes, and the like, but is not limited thereto. On the other hand, in the present invention, the conductive particles are a concept including all of the broad particulate form such as spherical particles, fibrous particles in terms of shape.

상기 도전성 입자는 예를 들어, 바인더의 제조과정에서 PVA과 PVP의 혼합물에 투입됨으로써 바인더 내부에 균일하게 분포할 수 있는 바, 그 자체로서 바인더 조성물에 첨가될 수도 있으나, 바람직하게는 UV 오존 또는 산(acid) 처리 등과 같은 전처리 공정을 거친 후 바인더 조성물에 분산될 수 있다. For example, the conductive particles may be uniformly distributed in the binder by being added to a mixture of PVA and PVP in the manufacturing process of the binder, and may be added to the binder composition as such, but are preferably UV ozone or acid. After the pretreatment process such as (acid) treatment may be dispersed in the binder composition.

이러한 전처리 공정을 거침으로써, 도전성 입자의 말단 또는 표면에 카르복실기와 같은 작용기가 도입되고 이러한 상태에서 바인더 성분과 혼합됨으로써, 고분자 바인더 성분과의 물리적 또는 화학적 결합을 유도할 수 있다. Through such a pretreatment process, a functional group such as a carboxyl group is introduced at the terminal or surface of the conductive particles and mixed with the binder component in this state, thereby inducing physical or chemical bonding with the polymer binder component.

상기 복합체 바인더의 제조 방법은 특별히 제한되지 않으며, 구체적인 예에서, 상기 전처리 공정을 거친 도전성 입자를, 예를 들어, 증류수, 디메틸포름알데히드, 디메틸설폭사이드, 메틸에틸케톤 등의 용매에 분산시킨 후 5 분 내지 2 시간, 바람직하게는 약 1 시간 동안 초음파 반응조에서 강제 환류시켜, 카본계 입자가 용매 내에 골고루 분산되도록 하고, 상기 제조된 용액에 PVA 및 PVP의 혼합물을 첨가하여 재차 1 시간 동안 환류시켜 제조할 수 있다. The method for producing the composite binder is not particularly limited. In a specific example, the conductive particles that have undergone the pretreatment process are dispersed in a solvent such as distilled water, dimethylformaldehyde, dimethylsulfoxide, methylethylketone, and the like. Prepared by forced reflux in an ultrasonic reactor for 2 minutes to 2 hours, preferably about 1 hour, so that the carbon-based particles are evenly dispersed in the solvent, and refluxed again for 1 hour by adding a mixture of PVA and PVP to the prepared solution. can do.

상기 PVA는 고분자 주쇄에 반복적으로 형성되어 있는 히드록시기에 의해 전극활물질 뿐만 아니라 집전체 표면과 우수한 접착력을 나타낸다. 따라서, 종래기술의 바인더와 비교하여 적은 양을 첨가하는 것으로도 전극활물질을 집전체 표면에 접착시키는 것이 가능하며, 전지의 충방전 사이클이 진행됨에 따라 전극활물질이 집전체 표면에서 이탈되는 것을 막음으로써, 상대적으로 높은 전지용량과 우수한 사이클 특성을 제공할 수 있다. 또한, 상기 폴리비닐알콜은 여타의 고분자들에 비하여 전기전도성이 높아 전극 내에서 동일 함량 대비 전기저항이 현저히 낮으므로, 우수한 고율 충방전 특성을 나타낸다.The PVA exhibits excellent adhesion to not only the electrode active material but also the surface of the current collector by the hydroxy group repeatedly formed in the polymer main chain. Therefore, it is possible to adhere the electrode active material to the surface of the current collector by adding a smaller amount as compared to the binder of the prior art, and by preventing the electrode active material from deviating from the surface of the current collector as the battery charge and discharge cycle proceeds. In addition, it can provide relatively high battery capacity and excellent cycle characteristics. In addition, since the polyvinyl alcohol has higher electrical conductivity than other polymers, the polyvinyl alcohol has a significantly lower electrical resistance compared to the same content in the electrode, thereby exhibiting excellent high rate charge / discharge characteristics.

상기 PVA는 기본적으로 중합도(DP, degree of polymerization)와 검화도(DS, degree of saponification)가 높은 것이 바람직하다. 중합도가 너무 낮은 경우에는 기계적 강도, 접착력, 내용제성 등이 떨어지기 문제점이 발생하기 때문이다. 한편, 높은 검화도의 폴리비닐알콜은 히드록시(OH) 관능기에 의해 금속 호일과 같은 집전체와 활물질간 접착력이 향상되므로, 용매에 대한 취급이 가능한 범위라면 검화도가 높을 수록 바람직하다.Preferably, the PVA has a high degree of polymerization (DP) and a degree of saponification (DS). This is because when the degree of polymerization is too low, problems such as mechanical strength, adhesive strength, solvent resistance, and the like fall. On the other hand, polyvinyl alcohol having a high degree of saponification improves the adhesion between the current collector and the active material such as a metal foil by a hydroxy (OH) functional group, and the higher the degree of saponification is preferable as long as it can handle the solvent.

이러한 점을 고려할 때, 3000 이상의 중합도 및 80% 이상의 검화도를 가진 폴리비닐알콜이 더욱 바람직하다. PVA의 중합도가 3000 미만인 경우, 전해액에 대한 내성이 낮고(즉, 전해액에 의해 용해되기 쉽고), 전지의 충방전 사이클이 진행되면서 부분적으로 전해액에 용해되어, 전해액의 저항 증가와 함께, 전극활물질이 집전체에서 박리되어 충방전 용량이 급격히 저하되는 문제점이 있다. 전해액에 대한 이러한 내성 저하는 특히 상온 이상의 고온에서 전지가 작동할 때 심화된다. In view of this point, polyvinyl alcohol having a degree of polymerization of at least 3000 and a degree of saponification of at least 80% is more preferable. When the degree of polymerization of PVA is less than 3000, the resistance to the electrolyte is low (i.e., it is easy to be dissolved by the electrolyte), and partially dissolved in the electrolyte during the charge / discharge cycle of the battery, thereby increasing the resistance of the electrolyte and forming an electrode active material. Peeling from the current collector has a problem that the charge and discharge capacity is sharply lowered. This lowering of resistance to electrolytes is especially acute when the battery is operated at high temperatures above room temperature.

또한, PVA의 검화도가 80% 보다 낮으면 PVA 고분자 주쇄에 반복적으로 형성되어 있는 히드록시기 수가 감소되어 접착력의 저하가 초래되므로 바람직하지 않다. In addition, when the saponification degree of PVA is lower than 80%, the number of hydroxy groups repeatedly formed in the PVA polymer main chain is reduced, leading to a decrease in adhesive force, which is not preferable.

일반적으로, PVA는 하기 반응식에서와 같이 비닐아세테이트(CH3COOCHCH2)를 중합하여 얻은 PVA 전구체(폴리비닐아세테이트)를 가수분해하여 제조되며, 가수분해되는 정도를 '검화도'로서 칭한다. In general, PVA is prepared by hydrolyzing a PVA precursor (polyvinylacetate) obtained by polymerizing vinyl acetate (CH 3 COOCHCH 2 ) as in the following reaction scheme, and the degree of hydrolysis is referred to as 'blackness'.

[반응식][Reaction Scheme]

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고중합도 및 고검화도의 PVA를 제조하는 기술은 본 출원인의 한국 특허출원 제2005-0136273호에 개시되어 있으며, 상기 출원의 내용은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다. 고중합도 및 고검화도 PVA의 제조방법을 예시적으로 설명하면 다음과 같다.Techniques for producing PVA of high degree of polymerization and high degree of blackness are disclosed in Korean Patent Application No. 2005-0136273 of the applicant, the contents of which are incorporated by reference in the present invention. Referring to the method of manufacturing a high degree of polymerization and high degree of blackening PVA as follows.

반응기에 증류수와 소정량의 PVA 현탁제(검화도 80%)를 넣고 교반한 후, 산소와 수분을 제거한 질소를 퍼징(purging)하고, 여기에 아조비스부티로니트릴 또는 아조비스디메틸발레로니트릴 등과 같은 라디칼 개시제와 비닐아세테이트 단량체를 용해시켜 투입한 뒤, 소정 온도까지 승온시켜 중합반응을 행하여 고중합도의 폴리비닐아세테이트를 제조한다. 이러한 폴리비닐아세테이트를 여과, 세척 및 건조한 후 메탄올 용액에 용해시키고 2회에 걸쳐 수산화나트륨의 강염기를 첨가하여 비누화 반응을 행하면 PVA가 제조된다. 제조된 PVA의 중합도는 개시제의 양과 반응 온도에 의해 상기 범위에서 소망하는 수준으로 조절될 수 있고, 99% 이상 검화된 PVA를 얻을 수 있다.After distilled water and a predetermined amount of PVA suspending agent (80% saponification) were added to the reactor, the mixture was stirred, and then purged with nitrogen from which oxygen and water were removed, followed by azobisbutyronitrile or azobisdimethylvaleronitrile. After dissolving and injecting the same radical initiator and vinyl acetate monomer, the temperature is raised to a predetermined temperature to carry out a polymerization reaction to prepare a polyvinylacetate having a high degree of polymerization. The polyvinylacetate is filtered, washed, and dried, dissolved in methanol, and subjected to saponification by adding a strong base of sodium hydroxide twice. The degree of polymerization of the prepared PVA can be adjusted to the desired level in the above range by the amount of the initiator and the reaction temperature, to obtain a PVA that is at least 99% saponified.

본 발명의 바인더를 구성하는 또 다른 성분인 PVP는 기본적으로 PVA와의 물리적 혼합을 통해 완전히 섞일 수 있어 두 고분자 혼합에 의한 전극의 불균일을 방지할 수 있으며, PVP의 고연신율 특성에 의하여 바인더의 연신율을 증가시켜 부피 변화시 완충 작용을 한다.PVP, which is another component constituting the binder of the present invention, can be thoroughly mixed through physical mixing with PVA, thereby preventing the non-uniformity of the electrode due to the mixing of the two polymers, and increasing the elongation of the binder by the high elongation characteristic of PVP. Increase to buffer the volume change.

상기 PVP의 분자량은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 분자량이 너무 작으면 바인더에서 PVP의 우수한 연신율을 발휘하기 어려울 수 있으므로, 1000 내지 1,000,000의 분자량을 갖는 것이 바람직하다.The molecular weight of the PVP is not particularly limited, but if the molecular weight is too small, it may be difficult to exhibit the excellent elongation of PVP in the binder, it is preferable to have a molecular weight of 1000 to 1,000,000.

상기 PVP의 함량은 바람직하게는 PVA 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 100 중량부, 더욱 바람직하게는 1 내지 50 중량부로 포함될 수 있다. 상기 PVP의 함량이 너무 적으면 바인더의 연신율이 불충분하여 설계 용량 및 충방전 효율이 감소될 수 있으며, 반대로 PVP 함량이 너무 많으면 수분과의 높은 친화성으로 인한 과량의 수분이 흡수, 팽윤되어 전극의 접착력 및 전지의 성능을 저하시킬 수 있기 때문이다. The content of the PVP may preferably be included in an amount of 0.1 to 100 parts by weight, more preferably 1 to 50 parts by weight, based on 100 parts by weight of PVA. If the content of PVP is too small, the elongation of the binder may be insufficient to reduce the design capacity and the charge / discharge efficiency. On the contrary, if the content of PVP is too large, excess moisture due to high affinity with water is absorbed and swelled. This is because the adhesion and the performance of the battery can be reduced.

본 발명은 또한, 전극 활물질과 상기 복합체 바인더, 및 선택적으로 도전재를 포함하는 것으로 구성된 전극 합제를 제공한다.The present invention also provides an electrode mixture comprising an electrode active material, the composite binder, and optionally a conductive material.

상기 전극활물질은 양극과 음극 합제용 활물질 모두가 가능하며, 특히, 충방전시 부피 변화가 큰 음극 활물질이 바람직하다. The electrode active material may be both an active material for a positive electrode and a negative electrode mixture, and a negative electrode active material having a large change in volume during charging and discharging is particularly preferable.

상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연재료; 리튬과 합금이 가능한 Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt, Ti 등의 금속 및 이러한 원소를 포함하는 화합물; 금속 및 그 화합물과 탄소 및 흑연재료의 복합물; 리튬 함유 질화물 등을 들 수 있다.Examples of the negative electrode active material include carbon and graphite materials such as natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, carbon fiber, non-graphitizable carbon, carbon black, carbon nanotube, fullerene, and activated carbon; Metals such as Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt and Ti which can be alloyed with lithium and compounds containing these elements; Complexes of metals and their compounds and carbon and graphite materials; Lithium-containing nitrides, and the like.

그 중에서도 탄소계 활물질, 규소계 활물질, 주석계 활물질, 또는 규소-탄소계 활물질이 더욱 바람직하며, 이들은 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다. Among them, a carbon-based active material, a silicon-based active material, a tin-based active material, or a silicon-carbon based active material is more preferable, and these may be used singly or in combination of two or more.

특히, 높은 이론 용량에도 불구하고 충방전시 부피 변화가 커서 실제 활물질로서의 사용에 한계가 있는 규소계 활물질, 주석계 활물질, 규소-탄소계 활물질 등을 음극 활물질로서 사용하는 경우에 더욱 바람직하다. In particular, a silicon-based active material, a tin-based active material, a silicon-carbon-based active material, or the like, which has a large volume change during charge and discharge despite its high theoretical capacity and is therefore limited in use as an active material, is more preferable.

상기 양극 활물질로는 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. The positive electrode active material may be a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a compound substituted with one or more transition metals; Li 1 + x Mn 2 - x O 4 (Where x is 0 to 0.33), lithium manganese oxides such as LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 and LiMnO 2 ; Lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 , Cu 2 V 2 O 7 and the like; Ni-site type lithium nickel oxide represented by the formula LiNi 1-x M x O 2 , wherein M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, or Ga, and x = 0.01 to 0.3; Formula LiMn 2-x M x O 2 (wherein M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta and x = 0.01 to 0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 (wherein M = Fe, Co, Lithium manganese composite oxide represented by Ni, Cu or Zn); LiMn 2 O 4 in which a part of Li in the formula is substituted with alkaline earth metal ions; Disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 , and the like. However, the present invention is not limited to these.

상기 도전재는 전극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위해 첨가되고, 통상적으로 전극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 다만, 본 발명에 따른 전극 합제에는 바인더 자체에 도전성 입자가 포함되어 있으므로 선택적으로 포함될 수 있다.The conductive material is added to further improve the conductivity of the electrode active material, and is typically added in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the mixture including the electrode active material. However, the electrode mixture according to the present invention may be selectively included since the binder itself contains conductive particles.

상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 시판되고 있는 도전재의 구체적인 예로는 아세틸렌 블랙 계열인 쉐브론 케미칼 컴퍼니(Chevron Chemical Company)나 덴카 블랙(Denka Singapore Private Limited), 걸프 오일 컴퍼니(Gulf Oil Company) 제품 등), 케트젠블랙(Ketjenblack), EC 계열(아르막 컴퍼니(Armak Company) 제품), 불칸(Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼(Super) P(Timcal 사 제품) 등이 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery. Examples of the conductive material include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used. Specific examples of commercially available conductive materials include Chevron Chemical Company, Denka Singapore Private Limited, Gulf Oil Company, Ketjenblack and EC, which are acetylene black series. Family (Armak Company), Vulcan XC-72 (manufactured by Cabot Company) and Super P (manufactured by Timcal).

상기 전극 합제에 포함되는 바인더는 전극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 바인더의 함량이 너무 적으면 충방전시 발생하는 부피 변화를 견디기 어려울 수 있고, 반대로 바인더의 함량이 너무 많으면 전극의 용량 감소 및 저항 증가를 유발할 수 있으므로 바람직하지 않다.The binder included in the electrode mixture is preferably included in 1 to 50% by weight based on the total weight of the electrode mixture. If the content of the binder is too small, it may be difficult to withstand the volume change generated during charging and discharging, and on the contrary, the content of the binder is too high, which may cause a decrease in the capacity of the electrode and an increase in resistance.

또한, 상기 전극 합제에는 전극 활물질과 상기 복합체 바인더 이외에도, 가교 촉진제, 점도 조절제, 충진제, 커플링제 및 접착 촉진제로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 물질이 추가로 포함될 수 있다. In addition to the electrode active material and the composite binder, the electrode mixture may further include one or two or more materials selected from the group consisting of a crosslinking accelerator, a viscosity regulator, a filler, a coupling agent, and an adhesion promoter.

상기 가교 촉진제는 바인더의 가교를 촉진시키는 물질로서 바인더 중량을 기 준으로 0 내지 50 중량%으로 첨가할 수 있다. 이러한 가교 촉진제로서 디에틸렌 트리아민(diethylene triamine), 트리에틸렌 테트라아민(triethylene tetramine), 디에틸아미노 프로필아민(diethylamino propylamine), 자일렌 디아민(xylene diamine), 이소포론 디아민(isophorone diamine) 등의 아민류, 도데실 섞시닉 안하이드리드(dodecyl succinic anhydride), 프탈릭 안하이드리드(phthalic anhydride) 등의 산무수물 등이 사용될 수 있다. 이외에도 폴리아미드 수지, 폴리셀파이트수지, 페놀수지 등이 사용될 수 있다.The crosslinking accelerator may be added in an amount of 0 to 50% by weight based on the weight of the binder as a material for promoting crosslinking of the binder. As such a crosslinking accelerator, amines such as diethylene triamine, triethylene tetramine, diethylamino propylamine, xylene diamine, and isophorone diamine , Acid anhydrides such as dodecyl succinic anhydride, phthalic anhydride and the like can be used. In addition, polyamide resin, polyselphite resin, phenol resin, or the like may be used.

상기 점도 조절제는 전극 합제의 혼합 공정과 그것의 집전체 상의 도포 공정이 용이할 수 있도록 전극 합제의 점도를 조절하는 성분으로서, 전극 합제 전체 중량을 기준으로 30 중량%까지 첨가될 수 있다. 이러한 점도 조절제의 예로는, 카르복시메틸셀룰로우즈, 폴리비닐리덴 플로라이드 등이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 앞서 설명한 용매가 점도 조절제로서의 역할을 병행할 수 있다.The viscosity adjusting agent may be added up to 30% by weight based on the total weight of the electrode mixture, so as to control the viscosity of the electrode mixture so that the mixing process of the electrode mixture and the coating process on the collector may be easy. Examples of such viscosity modifiers include carboxymethylcellulose, polyvinylidene fluoride and the like, but are not limited thereto. In some cases, the above-described solvent may play a role as a viscosity adjusting agent.

상기 충진제는 전극의 팽창을 억제하는 보조성분으로서, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.The filler is an auxiliary component that suppresses the expansion of the electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical changes in the battery. Examples of the filler include olefin polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials such as glass fibers and carbon fibers are used.

상기 커플링제는 전극활물질과 바인더 사이의 접착력을 증가시키기 위한 보조성분으로서, 두 개 이상의 관능기를 가지고 있는 것을 특징으로 하며, 바인더 중량을 기준으로 30 중량%까지 사용될 수 있다. 이러한 커플링제는, 예를 들어, 하 나의 관능기가 규소, 주석, 또는 흑연계 활물질 표면의 히드록실기나 카르복실기와 반응하여 화학적인 결합을 형성하고, 다른 관능기가 고분자 바인더와의 반응을 통하여 화학결합을 형성하는 물질일 수 있다. 커플링제의 구체적인 예로는, 트리에톡시실일프로필 테트라셀파이드(triethoxysilylpropyl tetrasulfide), 멀캡토프로필 트리에톡시실란(mercaptopropyl triethoxysilane), 아미노프로필 트리에톡시실란(aminopropyl triethoxysilane), 클로로프로필 트리에톡시실란(chloropropyl triethoxysilane), 비닐 트리에톡시실란(vinyl triethoxysilane), 메타아크릴옥시프로필 트리에톡시실란(methacryloxypropyl triethoxysilane), 글리시독시프로필 트리에톡시실란(glycidoxypropyl triethoxysilane), 이소시안아토프로필(isocyanatopropyl triethoxysilane), 시안아토프로필 트리에톡시실란(cyanatopropyl triethoxysilane) 등의 실란계 커플링제를 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The coupling agent is an auxiliary component for increasing the adhesion between the electrode active material and the binder, characterized in that it has two or more functional groups, it can be used up to 30% by weight based on the binder weight. Such coupling agents include, for example, one functional group reacting with a hydroxyl group or carboxyl group on the surface of a silicon, tin, or graphite-based active material to form a chemical bond, and the other functional group is chemically bonded through a reaction with a polymer binder. It may be a material forming a. Specific examples of the coupling agent include triethoxysilylpropyl tetrasulfide, mercaptopropyl triethoxysilane, aminopropyl triethoxysilane, and chloropropyl triethoxysilane ( chloropropyl triethoxysilane, vinyl triethoxysilane, methacryloxypropyl triethoxysilane, glycidoxypropyl triethoxysilane, isocyanatopropyl triethoxysilane, cyan Although silane coupling agents, such as atopropyl triethoxysilane, are mentioned, It is not limited only to these.

상기 접착 촉진제는 집전체에 대한 활물질의 접착력을 향상시키기 위해 첨가되는 보조성분으로서, 바인더 대비 10 중량% 이하로 첨가될 수 있으며, 예를 들어 옥살산 (oxalic acid), 아디프산(adipic acid), 포름산(formic acid), 아크릴산(acrylic acid) 유도체, 이타콘산(itaconic acid) 유도체 등을 들 수 있다.The adhesion promoter may be added in an amount of 10% by weight or less based on the binder, for example, oxalic acid, adipic acid, Formic acid, acrylic acid derivatives, itaconic acid derivatives, and the like.

본 발명은 또한, 상기 전극 합제가 집전체에 도포되어 있는 이차전지용 전극을 제공한다.The present invention also provides an electrode for secondary batteries in which the electrode mixture is coated on a current collector.

상기 전극에서 집전체는 활물질의 전기화학적 반응에서 전자의 이동이 일어나는 부위로서, 전극의 종류에 따라 음극 집전체와 양극 집전체가 존재한다.In the electrode, the current collector is a portion where electrons move in the electrochemical reaction of the active material, and a negative electrode current collector and a positive electrode current collector exist according to the type of electrode.

상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. The negative electrode collector is generally made to have a thickness of 3 to 500 mu m. Such an anode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and may be formed of a material such as copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, surface of copper or stainless steel A surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like, an aluminum-cadmium alloy, or the like can be used.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. The cathode current collector generally has a thickness of 3 to 500 mu m. Such a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, the surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel Surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like can be used.

이들 집전체들은 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 전극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.These current collectors may form fine concavities and convexities on the surface thereof to enhance the bonding strength of the electrode active material, and may be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics.

상기 이차전지용 전극은 음극과 양극에 모두 사용 가능하고, 그 중 음극이 더욱 바람직하다. 특히, 높은 용량을 가지지만 충방전시 부피 변화가 큰 규소계 활물질, 주석계 활물질, 규소-탄소계 활물질 등을 음극 활물질로서 사용하는 경우에 더욱 바람직하다.The secondary battery electrode can be used for both the negative electrode and the positive electrode, of which the negative electrode is more preferred. In particular, a silicon-based active material, a tin-based active material, a silicon-carbon-based active material, or the like having a high capacity but having a large volume change during charge and discharge is more preferable.

상기 음극 활물질들은 규소(Si) 입자, 주석(Sn) 입자, 규소-주석 합금, 이들 각각의 합금 입자, 복합체 등을 포함하는 의미이다. 상기 합금의 대표적인 예로는 규소 원소에 알루미늄(Al), 망간(Mn), 철(Fe), 티타늄(Ti) 등의 고용체, 금속간 화 합물, 공정합금 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 상기 복합체는 하나의 바람직한 예로서, 본 출원인의 국제특허출원 WO 2005/011030에 따른 실리콘/흑연 복합체가 사용될 수 있으며, 상기 출원의 내용은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다. 상기 흑연은 인조 흑연 및 천연 흑연을 사용할 수 있으며, 흑연의 형태는 특별히 제한되지 않고, 무정형상, 평판상, 박편 모양, 분립자상 등이 가능하다.The anode active materials are meant to include silicon (Si) particles, tin (Sn) particles, silicon-tin alloys, their respective alloy particles, composites, and the like. Representative examples of the alloy include a solid solution such as aluminum (Al), manganese (Mn), iron (Fe), titanium (Ti), intermetallic compounds, eutectic alloys, etc., but is not limited thereto. no. The composite can be used as a preferred example, a silicone / graphite composite according to the applicant's international patent application WO 2005/011030, the contents of which are incorporated by reference in the context of the present invention. Artificial graphite and natural graphite may be used as the graphite, and the shape of the graphite is not particularly limited, and may be amorphous, flat, flake, or granular.

이차전지용 전극은 전극 활물질과 바인더 및 선택적으로 도전재, 충진제 등을 혼합한 전극 합제를 집전체에 코팅하여 제조된다. 구체적으로, 전극 합제를 소정의 용매에 첨가하여 슬러리를 제조한 후 이를 금속 호일 등의 집전체 상에 도포하고 건조 및 압연하여 소정의 시트형 전극을 제조할 수 있다.The secondary battery electrode is manufactured by coating an electrode mixture, in which an electrode active material, a binder, and optionally a conductive material, a filler, and the like are mixed with a current collector. Specifically, the electrode mixture may be added to a predetermined solvent to prepare a slurry, and then coated on a current collector such as a metal foil, dried, and rolled to prepare a predetermined sheet-shaped electrode.

상기 전극 슬러리의 제조시에 사용되는 용매의 바람직한 예로는 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), N-메틸피리돈 (N-methyl pyrrolidon, NMP) 등을 들 수 있으며, 이러한 용매는 전극 합제 전체 중량을 기준으로 400 중량%까지 사용할 수 있고 건조 과정에서 제거된다.Preferred examples of the solvent used in the preparation of the electrode slurry include dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methyl pyrrolidon (NMP), and the like, and the solvent is the total weight of the electrode mixture. Up to 400% by weight can be used and removed during drying.

본 발명은 또한, 상기 전극을 포함하는 것으로 구성된 리튬 이차전지를 제공한다. 리튬 이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극조립체에 리튬염 함유 비수계 전해액이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다. The present invention also provides a lithium secondary battery comprising the electrode. The lithium secondary battery has a structure in which a lithium salt-containing non-aqueous electrolyte is impregnated into an electrode assembly having a separator interposed between a positive electrode and a negative electrode.

양극과 음극 중, 예를 들어, 음극에만 상기 바인더가 사용되는 경우, 양극에는 당업계에 공지되어 있는 일반적인 바인더가 사용될 수 있다. 그러한 바인더의 예로는 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히 드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체, 고분자 고검화 폴리비닐알콜 등을 들 수 있다.When the binder is used only in the positive electrode and the negative electrode, for example, the negative electrode, a general binder known in the art may be used for the positive electrode. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers, high polymer polyvinyl alcohol, and the like.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머, 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.The separator is an insulating thin film interposed between the anode and the cathode and having high ion permeability and mechanical strength. The pore diameter of the separator is generally 0.01 to 10 mu m and the thickness is generally 5 to 300 mu m. As such a separation membrane, for example, a sheet or a nonwoven fabric made of an olefin-based polymer such as polypropylene which is chemically resistant and hydrophobic, glass fiber, polyethylene or the like is used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.

리튬염 함유 비수계 전해액은 비수계 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수계 전해액으로는 액상의 용매, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. The lithium salt-containing non-aqueous electrolyte consists of a non-aqueous electrolyte and a lithium salt. As the non-aqueous electrolyte, a liquid solvent, a solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used.

상기 액상 용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 플로로 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용 매가 사용될 수 있다.As said liquid solvent, for example, N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, fluoro ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butylo lactone, 1, 2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolon, formamide, dimethylformamide, dioxoron, acetonitrile, nitromethane, Methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxoron derivative, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ether Aprotic organic solvents such as methyl pyroionate and ethyl propionate can be used.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐알콜, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polyedgetion lysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohols, polyvinylidene fluorides, Polymers containing ionic dissociating groups and the like can be used.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.As the inorganic solid electrolyte, for example, Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides, sulfates, and the like of Li, such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , and the like, may be used.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.The lithium salt is a material that is readily soluble in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4, LiBF 4, LiB 10 Cl 10, LiPF 6, LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide have.

또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.In addition, for the purpose of improving charge / discharge characteristics, flame retardancy, etc., the non-aqueous electrolyte solution includes, for example, pyridine, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, and hexaphosphate triamide. Nitrobenzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrroles, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride, etc. It may be. In some cases, in order to impart nonflammability, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further included, or carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics.

이하의 실시예, 비교예 및 실험예에서 본 발명의 내용을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.In the following Examples, Comparative Examples and Experimental Examples will be described in more detail, but the present invention is not limited thereto.

[제조예 1][Production Example 1]

배플(baffle)을 부착한 반응기에, 증류수 149 g 및 2 중량%로 용해된PVA 현탁제(검화도 88%) 1.13 g을 넣고 200 rpm으로 교반하였다. 산소와 수분을 제거한 질소를 1 시간 동안 증류수와 현탁제가 들어있는 반응기에 퍼징(purging) 하였다. 여기에 아조비스디메틸발레로니트릴 0.05 g을 비닐아세테이트 단량체 75 g에 용해시켜 투입하고 중합 온도 30℃까지 상승하여 반응시킨다. 최종 반응시간은 10 시간이었고, 그 때의 최종전환율은 89%였다. 중합된 중합체를 세척, 여과 및 건조하여 폴리비닐아세테이트를 얻었다. 제조된 폴리비닐아세테이트의 메탄올 용액(농도 10 wt%) 500 g에 수산화나트륨의 메탄올 용액(농도 3 wt%) 80 g을 더하고 40℃에서 1 시간 동안 비누화하였다. 이 용액을 여과하여 다시 460 g의 메탄올과 혼합하고, 수산화나트륨의 메탄올 용액(농도 3 wt%) 120 g을 더하여 40℃에서 1 시간 동안 2차 비누화하였다. 비누화된 폴리비닐알콜은 gel permeation chromatography (WATERS ultrahydrogelTM linear와 250의 직렬연결, pH 6.7 phosphate buffer, Polystyrenesulfonate standard)에 의하여 중량평균 중합도를 측정하고, 1H-NMR을 통하여 검화도를 확인할 수 있었다. 측정 결과 중합도는 4600 이었고, 검화도는 99 %이었다.In a reactor to which a baffle was attached, 1.149 g of PVA suspending agent (88% saponification) dissolved in 149 g of distilled water and 2% by weight was added and stirred at 200 rpm. Nitrogen from which oxygen and water were removed was purged in a reactor containing distilled water and suspending agent for 1 hour. Here, 0.05 g of azobisdimethylvaleronitrile is dissolved in 75 g of vinyl acetate monomer, added to the mixture, and the reaction is carried out by raising the polymerization temperature to 30 ° C. The final reaction time was 10 hours at which time the final conversion was 89%. The polymerized polymer was washed, filtered and dried to give polyvinylacetate. 80 g of a methanol solution of sodium hydroxide (concentration 3 wt%) was added to 500 g of a methanol solution of polyvinylacetate (concentration 10 wt%) and saponified at 40 ° C. for 1 hour. The solution was filtered and again mixed with 460 g of methanol, and 120 g of a methanol solution of sodium hydroxide (concentration 3 wt%) was added, followed by secondary saponification at 40 ° C for 1 hour. The saponified polyvinyl alcohol was measured by gel permeation chromatography (WATERS ultrahydrogel TM linear and 250 in series, pH 6.7 phosphate buffer, Polystyrenesulfonate standard) and the degree of saponification was confirmed by 1 H-NMR. As a result of the measurement, the degree of polymerization was 4600 and the degree of saponification was 99%.

[제조예 2] [Production Example 2]

상기 제조예 1에 의해 제조된 중합도 4600 및 검화 정도 99% 이상의 폴리비닐알콜이 5 중량%가 되도록 디메틸셀폭사이드(dimethyl sulfoxide: DMSO)에 용해하고, 분자량 300,000의 폴리비닐피롤리돈이 폴리비닐알콜의 30 중량%가 되도록 첨가한 후 장시간 동안 물리적으로 혼합하여 폴리비닐알콜-폴리비닐피롤리돈 고분자 용액을 제조하였다.A polyvinylpyrrolidone having a molecular weight of 300,000 was dissolved in dimethyl sulfoxide (DMSO) such that polyvinyl alcohol having a degree of polymerization of 4600 and saponification degree of 99% or more prepared by Preparation Example 1 was 5% by weight. The polyvinyl alcohol-polyvinylpyrrolidone polymer solution was prepared by adding 30% by weight of and physically mixing the mixture for a long time.

[실시예 1] Example 1

카본계 도전재로서 다중벽 탄소 나노튜브(multiwalled carbon nanotube)를 UV 오존(Ozone) 발생 장치를 이용하여 전처리 하였다. UV 오존 처리를 하는 동안 균일한 UV 접촉 효과를 위해서, 20 분간 접촉 후, 스파투라(spatula)로 탄소 나노튜브 시료를 재분산시키며, 상기와 같은 과정을 반복하여 180 분 동안 UV 오존 처리한 후, 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide)에 분산시켰다. As a carbon-based conductive material, multiwalled carbon nanotubes were pretreated using a UV ozone generator. In order to achieve a uniform UV contact effect during UV ozone treatment, after contacting for 20 minutes, the carbon nanotube sample was redispersed with a spatula, and the above procedure was repeated to UV ozone treatment for 180 minutes. It was dispersed in dimethyl sulfoxide.

상기 제조예 2에 의해 제조된 용액에 상기 다중벽 탄소 나노튜브를 포함한 용액을 섞어 탄소 나노튜브가 폴리비닐알콜과 폴리비닐피롤리돈 혼합물에 잘 분산되도록 하였다. 이 때, 상기 다중벽 탄소나노튜브는 폴리비닐알콜과 폴리비닐피롤리돈 혼합물의 중량 대비 1%가 되도록 하였다. 상기 용액을 구리 호일위에 닥터 블레이드를 이용하여 500 ㎛ 두께로 코팅한 후, 130℃에서 2 시간 동안 건조하였으며, 이후 구리 호일을 제거하여 고분자 복합체 필름을 제조하였다. The solution including the multi-walled carbon nanotubes was mixed with the solution prepared in Preparation Example 2 so that the carbon nanotubes were well dispersed in the polyvinyl alcohol and polyvinylpyrrolidone mixture. At this time, the multi-walled carbon nanotubes were 1% to the weight of the polyvinyl alcohol and polyvinylpyrrolidone mixture. The solution was coated on a copper foil with a doctor blade to a thickness of 500 μm, dried at 130 ° C. for 2 hours, and then the copper foil was removed to prepare a polymer composite film.

[실시예 2] [Example 2]

상기 다중벽 탄소 나노튜브를 폴리비닐알콜과 폴리비닐피롤리돈 혼합물의 중량 대비 5%가 되도록 첨가하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 고분자 복합체 필름을 제조하였다.A polymer composite film was prepared in the same manner as in Example 1, except that the multi-walled carbon nanotubes were added to 5% by weight of the polyvinyl alcohol and polyvinylpyrrolidone mixture.

[비교예 1] Comparative Example 1

상기 제조예 2에 의해 제조된 용액을 구리 호일 위에 닥터 블레이드를 이용하여 500 ㎛ 두께로 코팅한 후, 130℃에서 2 시간 동안 건조하였으며, 이후 구리 호일을 제거하여 고분자 필름을 제조하였다. The solution prepared in Preparation Example 2 was coated on a copper foil with a doctor blade to a thickness of 500 μm, and then dried at 130 ° C. for 2 hours, after which the copper foil was removed to prepare a polymer film.

[비교예 2] Comparative Example 2

상기 제조예 1에 의해 제조된 폴리비닐알콜에 상기 다중벽 탄소 나노튜브를 1 중량%가 되도록 혼합한 후 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자 복합체 필름을 제조하였다. After mixing the multi-walled carbon nanotubes to 1% by weight to the polyvinyl alcohol prepared in Preparation Example 1 to prepare a polymer composite film in the same manner as in Example 1.

[비교예 3] Comparative Example 3

분산매로서 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 기존 리튬 이차전지의 바인더로 사용되고 있는 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride)를 10 중량%로 용해하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자 복합체 필름을 제조하였다.A polymer composite film was prepared by dissolving polyvinylidene fluoride (polyvinylidene fluoride), which is used as a binder of a conventional lithium secondary battery in NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) as a dispersion medium, in 10% by weight. Prepared.

[실시예 3] Example 3

용매로서 디메틸설폭사이드(DMSO)에, 실리콘-흑연 복합활물질 88 g, 실시예 1의 복합체 바인더 13 g, 도전재로서 카본블랙 2 g을 혼합하고, 전체 고형분 함량이 30 중량%가 되도록 하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 닥터 블레이드를 이용하여 구리 호일에 100 ㎛ 두께로 코팅한 후, 130℃의 드라이 오븐에 넣고 30 분간 건조한 뒤, 적당한 두께로 압연하여 음극을 제조하였다. 88 g of the silicon-graphite composite active material, 13 g of the composite binder of Example 1, and 2 g of carbon black as the conductive material were mixed with dimethyl sulfoxide (DMSO) as a solvent, and the total solid content was 30% by weight so that the slurry was mixed. Prepared. The slurry was coated on a copper foil to a thickness of 100 μm using a doctor blade, then placed in a dry oven at 130 ° C., dried for 30 minutes, and then rolled to a suitable thickness to prepare a negative electrode.

[실시예 4] Example 4

실시예 1의 복합체 바인더 대신 실시예 2의 복합체 바인더를 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법을 수행하여 음극을 제조하였다. A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 3, except that the composite binder of Example 2 was used instead of the composite binder of Example 1.

[비교예 4] [Comparative Example 4]

실시예 1의 복합체 바인더 대신 상기 비교예 1의 바인더를 13 중량%로 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법을 수행하여 음극을 제조하였다. A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 3, except that 13 wt% of the binder of Comparative Example 1 was used instead of the composite binder of Example 1.

[비교예 5] [Comparative Example 5]

실시예 1의 복합체 바인더 대신 상기 비교예 2의 바인더를 13 중량%로 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법을 수행하여 음극을 제조하였다.A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 3, except that 13 wt% of the binder of Comparative Example 2 was used instead of the composite binder of Example 1.

[비교예 6] [Comparative Example 6]

용매로서 DMSO 대신 NMP를 사용하고, 실시예 1의 복합체 바인더 대신 상기 비교예 3의 바인더를 13 중량%로 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법을 수행하여 음극을 제조하였다. A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 3, except that NMP was used instead of DMSO as a solvent, and 13 wt% of the binder of Comparative Example 3 was used instead of the composite binder of Example 1.

[실시예 5][Example 5]

상기 실시예 3에서 제조된 음극 극판을 표면적 1.49 cm2 의 원형으로뚫어 이를 작용극으로 하고 표면적 1.77 cm2 원형으로 뚫은 금속 리튬박을 대박으로 하여 코인(coin)형 하프 셀(half cell)을 제작하였다. 작용극과 대극사이에 폴리올레핀 미세 다공막으로 만들어진 분리막을 개재시켰으며, 이후 EC(ethyl carbonate) : DEC(diethyl carbonate) : EMC(ethyl-metyl carbonate) = 4 : 3 :3 (체적비) 혼합용매를 사용하여 LiPF6 전해질을 1 M의 농도로 용해시킨 전해액을 투입하여 리튬 이차전지를 완성하였다. A negative electrode plate prepared in Example 3 was drilled in a circular shape with a surface area of 1.49 cm 2 to form a working electrode, and a coin-type half cell was produced using a metallic lithium foil drilled in a surface area of 1.77 cm 2 as a jackpot. It was. A separator made of a polyolefin microporous membrane was interposed between the working electrode and the counter electrode, and then EC (ethyl carbonate): DEC (diethyl carbonate): EMC (ethyl-metyl carbonate) = 4: 3: 3 (volume ratio) mixed solvent was used. An electrolyte solution in which a LiPF 6 electrolyte was dissolved at a concentration of 1 M was added thereto to complete a lithium secondary battery.

[실시예 6] [Example 6]

실시예 4에서 완성된 음극을 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 완성하였다.A lithium secondary battery was completed in the same manner as in Example 5, except that the negative electrode completed in Example 4 was used.

[비교예 7][Comparative Example 7]

비교예 4에서 제조된 음극을 사용하였다는 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 완성하였다. A lithium secondary battery was completed in the same manner as in Example 5, except that the negative electrode prepared in Comparative Example 4 was used.

[비교예 8] Comparative Example 8

비교예 5에서 제조된 음극을 사용하였다는 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 완성하였다.A lithium secondary battery was completed in the same manner as in Example 5, except that the negative electrode prepared in Comparative Example 5 was used.

[비교예 9] [Comparative Example 9]

비교예 6에서 제조된 음극을 사용하였다는 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 완성하였다.A lithium secondary battery was completed in the same manner as in Example 5, except that the negative electrode prepared in Comparative Example 6 was used.

본 발명에 따라 제조된 고분자 필름 및 전극의 특성들을 분석하고자 하기와 같은 실험들을 수행하였다.The following experiments were performed to analyze the properties of the polymer film and the electrode prepared according to the present invention.

[실험예 1] Experimental Example 1

상기 실시예 1 및 2와 비교예 1 및 2에 따른 고분자 필름들에 대한 연신율을 측정하기 위하여, ASTM D638 방법에 근거하여 실험을 수행하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 여기서, 평가는 5 개 이상의 시료에 대하여 탄성력을 측정한 후 평균값을 취하였다. In order to measure the elongation of the polymer films according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, an experiment was performed based on the ASTM D638 method, and the results are shown in Table 1 below. Here, the evaluation took the average value after measuring the elastic force with respect to five or more samples.

[실험예 2][Experimental Example 2]

상기 실시예 1 및 2와 비교예 1 및 2에 따른 고분자 필름들의 전기전도성을 비교하기 위하여, 제조된 필름들에 대한 표면 저항을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.In order to compare the electrical conductivity of the polymer films according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, the surface resistance of the prepared films was measured, and the results are shown in Table 1 below.

<표 1>TABLE 1

Figure 112006071923978-pat00003
Figure 112006071923978-pat00003

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 실시예 1 및 2에 따른 고분자 필름은 도전성 입자가 포함됨으로써, 비교예 1 및 3 의 고분자 필름에 비하여, 월등히 낮은 내부 저항을 가지는 바, 매우 우수한 전기전도성을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 폴리비닐피롤리돈을 포함하지 않은 비교예 2 및 3의 고분자 필름에 비해 크게 향상된 연신율을 가지므로 실시예 1 및 2에 따른 고분자 필름은 우수한 탄성력을 나타냄을 알 수 있다. As shown in Table 1, since the polymer films according to Examples 1 and 2 include conductive particles, the polymer films of Comparative Examples 1 and 3 have extremely low internal resistance, and thus exhibit very good electrical conductivity. Able to know. In addition, it can be seen that the polymer film according to Examples 1 and 2 exhibits excellent elasticity since it has a significantly improved elongation compared to the polymer films of Comparative Examples 2 and 3 that do not contain polyvinylpyrrolidone.

[실험예 3] [Experimental Example 3]

본 발명에 따른 고분자 필름이 리튬 이차 전지의 음극용 바인더로 사용하였을 때의 전극 활물질과 집전체 사이의 접착력을 측정하기 위하여, 제조된 전극 표면을 일정한 크기로 잘라 슬라이드 글라스에 고정시킨 후, 집전체를 벗겨 내며 180 벗김 강도를 측정하였으며 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다. 평가는 5 개 이상의 벗김 강도를 측정하여 평균값으로 정하였다.In order to measure the adhesive force between the electrode active material and the current collector when the polymer film according to the present invention was used as a negative electrode binder of a lithium secondary battery, the prepared electrode surface was cut to a fixed size and fixed to a slide glass, and then the current collector. Stripping strength was measured by peeling off 180 and the results are shown in Table 2 below. Evaluation was made as an average value by measuring 5 or more peeling strengths.

<표 2>TABLE 2

Figure 112006071923978-pat00004
Figure 112006071923978-pat00004

상기 표 2에서 보는 바와 같이, fresh 전극의 접착력을 측정하였을 때, 본 발명에 따른 복합체 바인더(실시예 3, 4)는 PVA만을 포함하는 경우(비교예 5)와 거의 대등한 정도의 접착력을 나타내는 바, 폴리비닐피롤리돈과의 물리적 혼합은 전극의 접착력에 거의 영향을 미치지 않는 특성을 보였다. 또한, 실시예 3의 바인더에 비해 도전성 입자의 함량을 증가시킨 실시예 4의 바인더의 접착력이 더욱 증가된 것으로 나타나는 바, 이는 전처리 과정을 거친 도전성 입자에 의해 바인더 성분과의 물리적 결합이 유도됨으로써 바인더 물질간의 결합력이 더욱 향상되었기 때문인 것으로 추측된다. 한편, 본 발명에 따른 복합체 바인더의 접착력은 기존에 사용되고 있는 PVdF 바인더를 사용한 전극(비교예 6)에 비해 2.5 배 이상 월등히 향상되었음을 알 수 있다. As shown in Table 2, when measuring the adhesive force of the fresh electrode, the composite binder (Examples 3 and 4) according to the present invention exhibits almost the same adhesive strength as the case containing only PVA (Comparative Example 5) Bar, the physical mixing with polyvinylpyrrolidone showed little effect on the adhesion of the electrode. In addition, the adhesive force of the binder of Example 4, which increased the content of the conductive particles compared to the binder of Example 3, appeared to be further increased, which was induced by physical bonding with the binder component by the conductive particles that had been pretreated. It is assumed that this is because the bonding force between materials is further improved. On the other hand, it can be seen that the adhesive strength of the composite binder according to the present invention is improved by 2.5 times or more compared to the electrode (Comparative Example 6) using the PVdF binder that is used in the past.

[실험예 4][Experimental Example 4]

코인형 타입 전지의 성능을 평가하기 위하여, 전지를 0.1 C 정전류/정전압법으로 2 사이클과 0.5 C 정전류/정전압법으로 50 사이클의 충방전을 반복하였으며, 이들의 충방전 속도, 사이클 후 효율, 부피팽창을 각각 비교하였다. 평가는 동일한 바인더 조성물에 대해 5 개 이상의 코인형 전지를 제작하여 평가한 후, 평균값으로 정하였다. 이들의 결과를 하기 표 3에 기재하였다. In order to evaluate the performance of the coin-type battery, the battery was repeatedly charged and discharged two times with 0.1 C constant current / constant voltage method and 50 cycles with 0.5 C constant current / constant voltage method. The expansions were compared respectively. Evaluation was made into the average value after evaluating five or more coin type batteries about the same binder composition. The results are shown in Table 3 below.

<표 3>TABLE 3

Figure 112006071923978-pat00005
Figure 112006071923978-pat00005

상기 표 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 복합체 바인더를 사용할 경우(실시예 5, 6) PVP를 포함함으로써 부피 팽창이 크게 감소하여, PVA에 도전성 입자를 포함한 바인더를 사용한 전지(비교예 8) 또는 기존의 PVdF에 도전성 입자를 포함한 바인더를 사용한 전지(비교예 9)에 비하여 전지의 설계용량을 크게 증가시킬 수 있으며, 전지의 사이클 특성 또한 현저히 향상된 것으로 나타났다. 이는, 앞서 설명한 바와 같이, 연신율이 우수한 폴리비닐피롤리돈(표 1 참조)을 접착력이 우수한 고중합 폴리비닐알콜(표 2 참조)과 물리적으로 혼합시켜서 충방전 사이클 동안에 전극의 접착력 유지 및 균열을 최소화시켰기 때문임을 상기 부피 팽창률로부터 알 수 있다. As shown in Table 3, when the composite binder according to the present invention is used (Examples 5 and 6), the volume expansion is greatly reduced by including PVP, and the battery using the binder containing conductive particles in PVA (Comparative Example 8) Alternatively, the design capacity of the battery can be significantly increased as compared with the battery (Comparative Example 9) using a binder containing conductive particles in the conventional PVdF, and the cycle characteristics of the battery were also significantly improved. As described above, it is possible to physically mix polyvinylpyrrolidone having excellent elongation (see Table 1) with high polymerization polyvinyl alcohol having good adhesion (see Table 2) to maintain adhesion and cracking of electrodes during charge and discharge cycles. It can be seen from the volume expansion rate that this is because it minimized.

또한, 본 발명의 전지는 도전성 입자를 포함함으로써, 전기전도도가 월등히 향상되는 것을 확인하였으며(표 1 참조), 이로 인하여 전지의 충방전 시간을 최대 0.5 시간 이상 크게 단축할 수 있으므로(표 3 참조) 고속 충전이 가능하다. In addition, it was confirmed that the battery of the present invention significantly improved the electrical conductivity by including the conductive particles (see Table 1), thereby significantly reducing the charge and discharge time of the battery up to 0.5 hours or more (see Table 3). Fast charging is possible.

따라서, 본 발명에 따른 바인더를 포함하는 이차전지는 사이클 특성 및 전기전도도가 향상되어 전반적으로 우수한 전지 특성을 가진다. Therefore, the secondary battery including the binder according to the present invention has excellent battery characteristics by improving cycle characteristics and electrical conductivity.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to perform various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 도전성 입자를 포함하는 폴리비닐알콜 및 폴리비닐피롤리돈의 복합체 바인더와 이를 포함하는 리튬 이차전지는 접착력이 매우 강하면서도 연신율이 향상된 고분자 바인더에 상기 도전성 입자를 첨가하여 전기전도도를 향상시킴으로써, 활물질 상호간 및 집전체와의 결합력으로 인해 안정적인 사이클 특성을 유지할 수 있으며, 충방전 속도를 개선하여 전반적으로 우수한 전지 특성을 가질 수 있다. As described above, the composite binder of polyvinyl alcohol and polyvinylpyrrolidone including the conductive particles according to the present invention, and a lithium secondary battery including the same, add the conductive particles to a polymer binder having a very high adhesive strength and an improved elongation. By improving the electrical conductivity, it is possible to maintain a stable cycle characteristics due to the bonding strength between the active material and the current collector, it is possible to improve the charge and discharge rate can have excellent overall battery characteristics.

Claims (15)

이차전지의 전극 합제용 바인더로서, 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈, 및 UV 오존 또는 산(acid)으로 전처리된 도전성 입자를 포함하고, 상기 도전성 입자가 고분자 수지 내부에 균일하게 분포되어 있는 것으로 구성된 복합체 바인더.A binder for mixing electrodes of a secondary battery, the binder comprising polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, and conductive particles pretreated with UV ozone or acid, wherein the conductive particles are uniformly distributed in the polymer resin. Composed composite binder. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 입자는 바인더 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 20 중량%로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 복합체 바인더.The composite binder according to claim 1, wherein the conductive particles are contained in an amount of 0.01 to 20% by weight based on the total weight of the binder. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 입자는 카본계 입자인 것을 특징으로 하는 복합체 바인더.The composite binder according to claim 1, wherein the conductive particles are carbon-based particles. 제 3 항에 있어서, 상기 카본계 입자는 카본블랙, 탄소섬유, 또는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 복합체 바인더. The composite binder of claim 3, wherein the carbon-based particles are carbon black, carbon fiber, or carbon nanotubes. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 폴리비닐알콜은 3000 이상의 중합도 및 80% 이상의 검화도를 가지는 것을 특징으로 하는 복합체 바인더.The composite binder of claim 1, wherein the polyvinyl alcohol has a degree of polymerization of at least 3000 and a degree of saponification of at least 80%. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리비닐피롤리돈은 1000 내지 1,000,000의 분자량을 가지는 것을 특징으로 하는 복합체 바인더.The composite binder of claim 1, wherein the polyvinylpyrrolidone has a molecular weight of 1000 to 1,000,000. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리비닐피롤리돈은 폴리비닐알콜 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 100 중량부로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 복합체 바인더.The composite binder of claim 1, wherein the polyvinylpyrrolidone is included in an amount of 0.1 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of polyvinyl alcohol. 전극 활물질, 제 1 항 내지 제 4 항 및 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 복합체 바인더, 및 선택적으로 도전재를 포함하는 것으로 구성된 전극 합제.An electrode mixture comprising an electrode active material, the composite binder according to any one of claims 1 to 4 and 6 to 8, and optionally a conductive material. 제 9 항에 있어서, 상기 바인더는 전극 합제의 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 전극 합제.10. The electrode mixture of claim 9, wherein the binder is included in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the electrode mixture. 제 9 항에 있어서, 상기 합제에는 가교 촉진제, 점도 조절제, 충진제, 커플링제 및 접착 촉진제로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 물질이 추가로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 합제. 10. The electrode mixture according to claim 9, wherein the mixture further comprises one or more substances selected from the group consisting of a crosslinking accelerator, a viscosity modifier, a filler, a coupling agent, and an adhesion promoter. 제 9 항에 따른 전극 합제가 집전체에 도포되어 있는 이차전지용 전극.The electrode for secondary batteries in which the electrode mixture of Claim 9 is apply | coated to the electrical power collector. 제 12 항에 있어서, 상기 전극은 음극인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전 극.The electrode of claim 12, wherein the electrode is a negative electrode. 제 13 항에 있어서, 상기 음극은 탄소계 활물질, 규소계 활물질, 주석계 활물질, 또는 규소-탄소계 활물질을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.The secondary battery electrode according to claim 13, wherein the negative electrode comprises a carbon-based active material, a silicon-based active material, a tin-based active material, or a silicon-carbon-based active material. 제 12 항에 따른 전극을 포함하는 것으로 구성된 리튬 이차전지.A lithium secondary battery comprising the electrode according to claim 12.
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