KR101256066B1 - Electrod and method of manufacturing the same and rechargeable battery including the same - Google Patents
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Abstract
금속 기재, 그리고 상기 금속 기재의 적어도 일면에 위치하며 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층를 포함하고, 상기 탄소나노튜브는 화학적 에칭되어 10㎛ 이하의 길이를 가지는 집전체 및 그 제조 방법과 상기 집전체를 포함하는 전극 및 이차 전지에 관한 것이다.A metal substrate and a coating layer disposed on at least one surface of the metal substrate and including carbon nanotubes, wherein the carbon nanotubes are chemically etched to have a current collector having a length of 10 μm or less, and a method of manufacturing the same and the current collectors It relates to an electrode and a secondary battery.
Description
전극 및 그 제조 방법과 상기 전극을 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.An electrode, a manufacturing method thereof, and a secondary battery including the electrode are provided.
전지는 내부에 들어 있는 화학 물질의 전기 화학적 산화 환원 반응시 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로, 전지 내부의 에너지가 모두 소모되면 폐기하여야 하는 일차 전지와 여러 번 충전할 수 있는 이차 전지로 나눌 수 있다. 이 중 이차 전지는 화학 에너지와 전기 에너지의 가역적 상호 변환을 이용하여 여러 번 충방전하여 사용할 수 있다.A battery is a device that converts chemical energy generated during the electrochemical redox reaction of chemical substances into electrical energy. A primary battery that needs to be discarded when all the energy inside the battery is exhausted, and a rechargeable battery that can be charged many times Can be divided into Among them, the secondary battery may be charged and discharged many times using reversible mutual conversion of chemical energy and electrical energy.
한편, 최근 첨단 전자산업의 발달로 전자 장비의 소형화 및 경량화가 가능하게 됨에 따라 휴대용 전자 기기의 사용이 증대되고 있다. 이러한 휴대용 전자 기기의 전원으로 높은 에너지 밀도를 가진 전지의 필요성이 증대되어 리튬 이차 전지의 연구가 활발하게 진행되고 있다.On the other hand, the recent development of the high-tech electronic industry is possible to reduce the size and weight of the electronic equipment is increasing the use of portable electronic devices. As a power source for such portable electronic devices, the necessity of a battery having a high energy density has been increased, and research on lithium secondary batteries has been actively conducted.
이러한 리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 세퍼레이터를 포함하고, 양극 및 음극은 각각 집전체 및 상기 집전체의 일면에 형성되어 있는 활물질 층을 포함한다.The lithium secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator, and the positive electrode and the negative electrode each include a current collector and an active material layer formed on one surface of the current collector.
이 때 집전체와 활물질 층 사이의 전기적 특성은 이차 전지의 특성에 영향을 미칠 수 있다. 특히 고출력용 전지의 경우 집전체와 활물질 층 사이에 저항이 높아져서 전극의 출력 특성이 저하될 수 있으므로 이를 보완할 필요가 있다.In this case, the electrical characteristics between the current collector and the active material layer may affect the characteristics of the secondary battery. In particular, in the case of a high output battery, the resistance between the current collector and the active material layer may be increased, and thus the output characteristics of the electrode may be deteriorated.
본 발명의 일 측면은 집전체와 활물질 층 사이의 전기적 특성을 개선할 수 있는 이차 전지용 전극을 제공한다.One aspect of the present invention provides an electrode for a secondary battery capable of improving electrical characteristics between a current collector and an active material layer.
본 발명의 다른 측면은 상기 전극의 제조 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a method of manufacturing the electrode.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 전극을 포함하는 이차 전지를 제공한다.Another aspect of the invention provides a secondary battery comprising the electrode.
본 발명의 일 측면에 따르면, 금속 기재, 그리고 상기 금속 기재의 적어도 일면에 위치하며 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층을 포함하고, 상기 탄소나노튜브는 화학적 에칭되어 약 10㎛ 이하의 길이를 가지는 것인 집전체; 그리고, 상기 집전체의 적어도 일면에 형성되어 있는 활물질 층;을 포함하는 전극을 제공한다.According to an aspect of the present invention, a metal substrate and a coating layer including carbon nanotubes located on at least one surface of the metal substrate, wherein the carbon nanotubes are chemically etched to have a length of about 10 ㎛ or less Current collector; And an active material layer formed on at least one surface of the current collector.
상기 탄소나노튜브는 표면에 다수의 화학적 작용기를 가질 수 있다.The carbon nanotubes may have a plurality of chemical functional groups on the surface.
상기 화학적 작용기는 적외선 분광 분석시에 약 1400 내지 1800 ㎝-1 범위의 피크, 약 3000 내지 3500 ㎝-1 범위의 피크 또는 이들의 조합이 관측될 수 있다.The chemical functional group may be observed in an infrared spectroscopic analysis in the range of about 1400 to 1800 cm -1 , a peak in the range of about 3000 to 3500 cm -1 or a combination thereof.
상기 화학적 작용기는 카르복실기, 카르보닐기 또는 그 조합을 포함할 수 있다.The chemical functional group may include a carboxyl group, a carbonyl group or a combination thereof.
상기 탄소나노튜브는 약 0.01 내지 5㎛의 길이를 가질 수 있다.The carbon nanotubes may have a length of about 0.01 to 5㎛.
상기 탄소나노튜브는 단일겹 나노튜브(single walled nanotubes), 다중겹 나노튜브(multi walled nanotubes) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The carbon nanotubes may include single walled nanotubes, multi walled nanotubes, or a combination thereof.
상기 금속 기재는 알루미늄 박, 구리 박, 니켈 박, 스테인레스 스틸 박, 티타늄 박, 은 박, 도전성 고분자 기재 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. The metal substrate may include aluminum foil, copper foil, nickel foil, stainless steel foil, titanium foil, silver foil, conductive polymer substrate, or a combination thereof.
상기 코팅층은 약 0.1 내지 1㎛의 두께를 가질 수 있다.The coating layer may have a thickness of about 0.1 to 1㎛.
상기 활물질 층은 상기 코팅층 상에 형성될 수 있다.The active material layer may be formed on the coating layer.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 탄소나노튜브를 준비하는 단계, 상기 탄소나노튜브를 화학적 에칭하여 10㎛ 이하의 길이를 가지는 탄소나노튜브를 형성하는 단계, 금속 기재 위에 상기 탄소나노튜브를 코팅하는 단계, 그리고 상기 집전체에 활물질을 도포하여 활물질층을 형성하는 단계를 포함하는 전극의 제조 방법을 제공한다. According to another aspect of the present invention, preparing a carbon nanotube, chemically etching the carbon nanotube to form a carbon nanotube having a length of 10 ㎛ or less, coating the carbon nanotube on a metal substrate And it provides a method for producing an electrode comprising the step of forming an active material layer by applying an active material to the current collector.
상기 탄소나노튜브를 화학적 에칭하는 단계는 상기 탄소나노튜브를 강산 용액에서 초음파 분해하는 단계를 포함할 수 있다.Chemically etching the carbon nanotubes may include ultrasonically decomposing the carbon nanotubes in a strong acid solution.
상기 탄소나노튜브는 약 0.01 내지 5㎛의 길이를 가질 수 있다.The carbon nanotubes may have a length of about 0.01 to 5㎛.
상기 탄소나노튜브를 화학적 에칭하는 단계에서 상기 탄소나노튜브의 표면에 화학적 작용기가 도입될 수 있다.In the chemical etching of the carbon nanotubes, a chemical functional group may be introduced to the surface of the carbon nanotubes.
상기 화학적 작용기는 적외선 분광 분석시에 약 1400 내지 1800 ㎝-1 범위의 피크, 약 3000 내지 3500 ㎝-1 범위의 피크 또는 이들의 조합이 관측될 수 있다.The chemical functional group may be observed in an infrared spectroscopic analysis in the range of about 1400 to 1800 cm -1 , a peak in the range of about 3000 to 3500 cm -1 or a combination thereof.
상기 화학적 작용기는 카르복실기, 카르보닐기 또는 그 조합을 포함할 수 있다.The chemical functional group may include a carboxyl group, a carbonyl group or a combination thereof.
상기 제조 방법은 상기 탄소나노튜브를 화학적 에칭하는 단계 전에 상기 탄소나노튜브를 정제하여 촉매 입자 및 불순물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include purifying the carbon nanotubes to remove catalyst particles and impurities before chemically etching the carbon nanotubes.
상기 금속 기재 위에 상기 탄소나노튜브를 코팅하는 단계는 슬러리법 또는 전기 영동 퇴적법으로 수행할 수 있다.Coating the carbon nanotubes on the metal substrate may be performed by a slurry method or an electrophoretic deposition method.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 전극을 포함하는 이차 전지를 제공한다.According to another aspect of the invention, there is provided a secondary battery comprising the electrode.
집전체의 전기적 특성을 개선하여 이차 전지의 성능을 개선할 수 있다.The performance of the secondary battery may be improved by improving electrical characteristics of the current collector.
도 1은 일 구현예에 따른 전극에 포함될 수 있는 집전체를 보여주는 단면도이고,
도 2는 다른 구현예에 따른 이차 전지를 도시한 개략도이고,
도 3은 도 2의 이차 전지에서 전극을 도시한 단면도이고,
도 4a 및 도 4b는 실시예 3에 따른 집전체 제조시 사용한 다중겹 탄소나노튜브의 화학적 에칭 전 및 후의 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM) 사진이고,
도 5a 및 도 5b는 실시예 6에 따른 집전체 제조시 사용한 다중겹 탄소나노튜브의 화학적 에칭 전 및 후의 투과전자현미경(TEM) 사진이고,
도 6은 실시예 1에 따른 집전체 제조시 화학적 에칭이 0, 5, 10 및 20 시간 진행됨에 따른 화학적 작용기의 생성 피크를 보여주는 적외선 분광 스펙트럼이고,
도 7은 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3에 따른 집전체를 사용하여 제조된 이차 전지 셀의 충방전 특성을 보여주는 그래프이다.1 is a cross-sectional view illustrating a current collector that may be included in an electrode according to an embodiment;
2 is a schematic view showing a secondary battery according to another embodiment;
3 is a cross-sectional view illustrating an electrode in the rechargeable battery of FIG. 2;
4A and 4B are transmission electron microscope (TEM) photographs before and after chemical etching of multi-ply carbon nanotubes used in manufacturing a current collector according to Example 3;
5A and 5B are transmission electron microscope (TEM) photographs before and after chemical etching of the multi-ply carbon nanotubes used in manufacturing the current collector according to Example 6;
FIG. 6 is an infrared spectral spectrum showing a production peak of chemical functional groups as the chemical etching proceeds for 0, 5, 10 and 20 hours in preparing the current collector according to Example 1,
7 is a graph showing charge and discharge characteristics of secondary battery cells manufactured using the current collectors according to Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3. FIG.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness is enlarged to clearly represent the layers and regions. Like parts are designated with like reference numerals throughout the specification. Whenever a portion of a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "on" another portion, it includes not only the case where it is "directly on" another portion, but also the case where there is another portion in between. Conversely, when a part is "directly over" another part, it means that there is no other part in the middle.
그러면 도 1을 참고하여 일 구현예에 따른 집전체를 설명한다.Next, a current collector according to one embodiment will be described with reference to FIG. 1.
도 1은 일 구현예에 따른 전극에 포함될 수 있는 집전체를 보여주는 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a current collector that may be included in an electrode according to an embodiment.
일 구현예에 따른 전극에 포함될 수 있는 집전체(110)는 금속 기재(110a) 및 금속 기재(110a)의 적어도 일면에 위치하는 코팅층(110b)을 포함한다. 상기 코팅층(110b)은 도 1에 도시된 바와 같이 금속 기재(110a)의 일면에 형성될 수도 있고, 금속 기재(110a)의 양면 모두에 형성될 수도 있다.The
금속 기재(110a)는 예컨대 알루미늄 박, 구리 박, 니켈 박, 스테인레스 스틸 박, 티타늄 박, 은 박, 도전성 고분자 기재 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있다.The
코팅층(110b)은 탄소나노튜브(carbon nanotubes)를 포함한다. The
탄소나노튜브는 단일겹 나노튜브(single walled nanotubes), 다중겹 나노튜브(multi walled nanotubes) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.Carbon nanotubes may include single walled nanotubes, multi walled nanotubes, or a combination thereof.
탄소나노튜브는 높은 도전성을 가진 도전체로서, 금속 기재(110a)의 일면에 형성되어 금속 기재(110a)와 집전체(110)의 상부에 형성되는 활물질 층(도시하지 않음) 사이의 저항을 낮추어 집전체(110)의 전기 전도도를 개선할 수 있다. Carbon nanotubes are conductors having high conductivity and are formed on one surface of the
또한 탄소나노튜브는 높은 강도 및 내산화성을 가지므로 외부의 충격 또는 반복적인 충방전에 의해 집전체가 변형되는 것을 방지하고 금속 기재의 표면이 산화되는 것을 방지할 수 있다.In addition, since carbon nanotubes have high strength and oxidation resistance, the current collector may be prevented from being deformed by external impact or repeated charging and discharging, and the surface of the metal substrate may be prevented from being oxidized.
탄소나노튜브를 포함하는 코팅층(110b)은 분산매에 분산된 용액 형태로 코팅될 수 있다. 이 때 탄소나노튜브의 분산 정도는 탄소나노튜브의 전기적 특성에 영향을 미칠 수 있다.The
본 구현예에 따르면, 탄소나노튜브는 화학적 에칭되어 약 10㎛ 이하의 짧은 길이를 가질 수 있다. 여기서 화학적 에칭이라 함은 강산과 같은 화학액을 사용하여 탄소나노튜브 표면의 일부를 제거하거나 절단하는 것을 말한다.According to the present embodiment, the carbon nanotubes may be chemically etched to have a short length of about 10 μm or less. Here, the chemical etching refers to removing or cutting a part of the surface of the carbon nanotubes using a chemical solution such as a strong acid.
이와 같이 약 10㎛ 이하의 짧은 길이의 탄소나노튜브를 포함함으로써 탄소나노튜브의 분산성을 높여 얇은 두께의 코팅층을 균일하게 형성할 수 있으며 코팅층의 접착성을 개선할 수 있다. 이에 따라 집전체(110)의 전기 전도도가 더욱 높아져 출력 특성을 개선할 수 있다.As such, by including carbon nanotubes having a short length of about 10 μm or less, the dispersibility of carbon nanotubes may be increased to uniformly form a thin coating layer, and the adhesion of the coating layer may be improved. As a result, the electrical conductivity of the
상기 탄소나노튜브는 약 0.001 내지 10㎛ 의 길이를 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 0.01 내지 5㎛ 의 길이를 가질 수 있다.The carbon nanotubes may have a length of about 0.001 to 10㎛, and may have a length of about 0.01 to 5㎛ within the above range.
한편, 상기 탄소나노튜브는 화학적 에칭되어 표면에 다수의 화학적 작용기를 가질 수 있다. 화학적 작용기는 에칭 정도에 따라 생성되는 양이 달라지며, 에칭 정도가 클수록 생성되는 화학적 작용기의 양이 많아질 수 있다.On the other hand, the carbon nanotubes may be chemically etched to have a plurality of chemical functional groups on the surface. The amount of chemical functional groups produced varies depending on the degree of etching, and the greater the degree of etching, the greater the amount of chemical functional groups generated.
화학적 작용기는 예컨대 카르복실기, 카르보닐기 등일 수 있다. The chemical functional group may be, for example, a carboxyl group, a carbonyl group, or the like.
화학적 작용기의 생성 여부는 적외선 분광(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR spectroscopy)에 의해 확인할 수 있으며, 예컨대 화학적 에칭에 의해 카르복실기가 생성된 경우 약 1400 내지 1800 ㎝-1 범위의 피크(C=O 결합), 약 3000 내지 3500 ㎝-1 범위의 피크(C-H 결합) 또는 이들의 조합이 관측될 수 있다.The production of chemical functional groups can be confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR spectroscopy). For example, when a carboxyl group is generated by chemical etching, a peak in the range of about 1400 to 1800 cm -1 (C = O bond ), Peaks in the range of about 3000 to 3500 cm −1 (CH bonds) or combinations thereof can be observed.
이러한 화학적 작용기는 금속 기재(110a)와의 접착성을 높일 뿐만 아니라 탄소나노튜브의 페르미 에너지 준위(Fermi energy level) 이상의 상태 밀도(density of states)를 증가시켜 전기 전도도를 높일 수 있다.The chemical functional group may increase the electrical conductivity by increasing the adhesion of the
코팅층(110b)은 약 0.1 내지 1㎛의 두께를 가질 수 있다.The
상기 금속 기재(110a)와 코팅층(110b)을 포함하는 집전체(110)의 적어도 일면에 활물질 층(111)이 형성되어 전극을 형성한다(후술되는 도 3 참조). 바람직하게는, 활물질 층(111)은 상기 코팅층(110b) 상에 형성된다. 도 3은 일면에 코팅층(110b)이 형성된 금속 기재(110a)를 포함하는 집전체(110)에서 코팅층(110b) 상부에 활물질 층(111)이 형성된 경우를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 조합이 가능하다. 다른 예를 들면, 금속 기재(110a)의 양면에 코팅층(110b)이 형성된 집전체(110)에서 다시 코팅층(110b) 상부의 양면 모두에 활물질 층(111)이 형성될 수도 있다.An
이하 상술한 집전체(110)는 이하 설명되는 제조 방법에 따라 제조될 수 있다.Hereinafter, the
먼저 탄소나노튜브를 합성한다. First, carbon nanotubes are synthesized.
탄소나노튜브는 예컨대 아크 방전을 이용하는 방법, 탄소 함유 기체를 이용하는 방법 또는 레이저를 이용하는 방법 등 다양한 방법으로 합성할 수 있다. 아크 방전을 이용하는 경우, 예컨대 두 개의 탄소 막대 사이에 전류를 흐르게 한 후 탄소를 기화시켜 탄소나노튜브 형태로 재응축하여 형성할 수 있다. 탄소 함유 기체를 이용하는 경우, 예컨대 약 600℃ 정도의 고온에서 촉매 입자가 형성되어 있는 기판 위에 탄소 함유 기체를 공급하고 상기 탄소 함유 기체가 열 분해되면서 탄소나노튜브를 형성할 수 있다. 탄소 함유 기체를 이용하는 방법으로는 예컨대 열 화학기상증착(thermal chemical vapor deposition)을 들 수 있다. 레이저를 이용하는 경우, 탄소 막대에 레이저 펄스를 주입한 후 빠져 나온 탄소 원자를 냉각시켜 탄소나노튜브를 형성할 수 있다.The carbon nanotubes can be synthesized by various methods such as a method using an arc discharge, a method using a carbon-containing gas, or a method using a laser. In the case of using an arc discharge, for example, a current may flow between two carbon rods, and then carbonized to form carbon nanotubes to recondense. In the case of using a carbon-containing gas, for example, carbon-containing gas may be supplied onto a substrate on which catalyst particles are formed at a high temperature of about 600 ° C., and the carbon-containing gas may be thermally decomposed to form carbon nanotubes. As a method of using a carbon-containing gas, for example, thermal chemical vapor deposition may be mentioned. In the case of using a laser, carbon nanotubes may be formed by cooling a carbon atom that is ejected after injecting a laser pulse into a carbon rod.
이어서 탄소나노튜브를 정제한다.Subsequently, carbon nanotubes are purified.
탄소나노튜브의 정제는 탄소나노튜브의 합성 과정에서 탄소나노튜브에 남아있는 촉매 입자 및 비정질 탄소와 같은 불순물을 제거하기 위한 단계로, 예컨대 강산을 사용하거나 공기 또는 불활성 분위기에서 산화시켜 수행할 수 있다.Purification of carbon nanotubes is a step for removing impurities such as catalyst particles and amorphous carbon remaining in the carbon nanotubes during the synthesis of carbon nanotubes, for example, by using a strong acid or oxidizing in an air or an inert atmosphere. .
정제된 탄소나노튜브는 탈이온수를 사용하여 세정한 후 건조한다.Purified carbon nanotubes are washed with deionized water and dried.
이어서 탄소나노튜브를 화학적 에칭한다.Subsequently, the carbon nanotubes are chemically etched.
화학적 에칭은 강산과 같은 화학액을 사용하여 탄소나노튜브 표면의 일부를 제거하거나 절단하는 것으로, 화학적 에칭에 의해 약 10㎛ 이하의 길이를 가지는 탄소나노튜브를 형성한다. 이 때 화학적 에칭은 탄소나노튜브를 질산, 황산, 염산과 같은 강산 용액에서 초음파 분해하여 수행할 수 있다.Chemical etching is to remove or cut a portion of the surface of the carbon nanotubes using a chemical solution such as a strong acid, and form a carbon nanotube having a length of about 10 μm or less by chemical etching. At this time, the chemical etching may be performed by ultrasonic decomposition of carbon nanotubes in a strong acid solution such as nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid.
상기 화학적 에칭에 의해 탄소나노튜브의 표면에는 예를 들면 카르복실기 및/또는 카르보닐기 등과 같은 다수의 화학적 작용기가 도입될 수 있다. 이 때 도입되는 화학적 작용기의 양은 화학적 에칭 정도에 따라 결정되며, 화학적 에칭 정도는 예컨대 강산과 같은 화학액의 농도, 에칭 시간, 에칭 온도 등에 따라 결정될 수 있다.By the chemical etching, a plurality of chemical functional groups such as, for example, a carboxyl group and / or a carbonyl group may be introduced to the surface of the carbon nanotubes. The amount of chemical functional groups introduced at this time is determined by the degree of chemical etching, and the degree of chemical etching may be determined by, for example, the concentration of a chemical liquid such as a strong acid, an etching time, an etching temperature, and the like.
화학적 작용기는 예컨대 카르복실기를 포함할 수 있으며, 적외선 분광 분석시에 약 1400 내지 1800 ㎝-1 범위의 피크(C=O 결합), 약 3000 내지 3500 ㎝-1 범위의 피크(C-H 결합) 또는 이들의 조합이 관측될 수 있다. Chemical functional groups may include, for example, carboxyl groups, peaks in the range of about 1400 to 1800 cm −1 (C═O bonds), peaks in the range of about 3000 to 3500 cm −1 (CH bonds) or their Combinations can be observed.
화학적 에칭된 탄소나노튜브는 탈이온수를 사용하여 세정한 후 건조한다.Chemically etched carbon nanotubes are washed with deionized water and dried.
이와 같은 방법으로 전술한 바와 같은 탄소나노튜브를 제조할 수 있다.In this way it is possible to produce the carbon nanotubes as described above.
상기와 같이 탄소나노튜브를 에칭하여 형성한 뒤, 금속 기재 등의 집전체 위에 상기 탄소나노튜브를 코팅하여 집전체를 제조할 수 있다. After forming the carbon nanotubes by etching as described above, the current collector may be prepared by coating the carbon nanotubes on a current collector such as a metal substrate.
상기 금속 기재 위에 상기 탄소나노튜브를 코팅하는 단계는 슬러리법(바인더를 녹인 유기용매에 탄소나노튜브를 분산하여 코팅하는 방법) 또는 전기 영동 퇴적법(Electrophoretic deposition: 챠저(charger: NaOH 또는 MgCl2)가 용해된 유기용매에 탄소나노튜브를 분산하여 전기를 인가하여 증착하는 방법임) 방법으로 수행할 수 있다.Coating the carbon nanotubes on the metal substrate may be performed by slurry method (dispersing and coating carbon nanotubes in an organic solvent in which a binder is dissolved) or electrophoretic deposition (charger: NaOH or MgCl 2 ). Is dispersed by dispersing carbon nanotubes in a dissolved organic solvent and applying electricity.
이와 같이 금속 기재 위에 상기 탄소나노튜브를 코팅하여 형성된 집전체에 활물질을 도포하여 활물질층을 형성하여 전극을 제조할 수 있다.As described above, an electrode may be manufactured by forming an active material layer by applying an active material to a current collector formed by coating the carbon nanotubes on a metal substrate.
이하 상술한 전극을 포함하는 이차 전지에 대하여 도 2 및 도 3을 도 1과 함께 참고하여 설명한다.Hereinafter, a rechargeable battery including the electrode described above will be described with reference to FIGS. 2 and 3 along with FIG. 1.
도 2는 일 구현예에 따른 이차 전지를 도시한 개략도이고, 도 3은 도 2의 집전체(110)를 포함하는 이차 전지에서 전극을 도시한 단면도이다.2 is a schematic view of a rechargeable battery according to an exemplary embodiment, and FIG. 3 is a cross-sectional view of an electrode in the rechargeable battery including the
도 2를 참고하면, 일 구현예에 따른 이차 전지(100)는 양극(114), 양극(114)과 대향하는 음극(112), 양극(114)과 음극(112) 사이에 배치되어 있는 세퍼레이터(113), 그리고 양극(114), 음극(112) 및 세퍼레이터(113)를 함침하는 전해액(도시하지 않음)을 포함하는 전지 셀과, 상기 전지 셀을 담고 있는 전지 용기(120) 및 상기 전지 용기(120)를 밀봉하는 밀봉 부재(140)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the
상기 음극(112), 양극(114) 또는 음극(112)과 양극(114) 모두가 상술한 집전체를 포함하여 형성될 수 있다. 예를 들면, Li4Ti5O12 또는 TiO2와 같은 산화물계 음극은 도전성이 매우 낮으므로 상술한 집전체의 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층(110b)을 도입함으로써 전기적 특성을 개선시킬 수 있다.The
도 3은 양극(114) 및/또는 음극(112)이 집전체(110) 및 집전체(110) 위에 형성되어 있는 활물질 층(111)을 포함하여 형성된 것을 도시한 것이다.3 illustrates that the
먼저 양극(114)에 대하여 설명한다.First, the
집전체(110)는 전술한 바와 같이 금속 기재(110a) 및 금속 기재(110a)의 일면에 위치하는 코팅층(110b)을 포함할 수 있다.As described above, the
금속 기재(110a)는 예컨대 알루미늄 박, 구리 박, 니켈 박, 스테인레스 스틸 박, 티타늄 박, 은 박, 도전성 고분자 기재 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있다.The
코팅층(110b)은 단일겹 탄소나노튜브, 다중겹 탄소나노튜브 또는 이들의 조합을 포함하는 탄소나노튜브를 포함한다.The
탄소나노튜브를 포함하는 코팅층(110b)은 분산매에 분산된 용액 형태로 코팅될 수 있으며, 예컨대 약 0.1 내지 1㎛의 두께로 형성될 수 있다.The
전술한 바와 같이, 탄소나노튜브는 화학적 에칭되어 약 10㎛ 이하의 짧은 길이를 가질 수 있다. 이와 같이 약 10㎛ 이하의 짧은 길이의 탄소나노튜브를 포함함으로써 탄소나노튜브의 분산성을 높여 얇은 두께의 코팅층을 균일하게 형성할 수 있으며 코팅층의 접착성을 개선할 수 있다. 이에 따라 집전체(110)의 전기 전도도가 더욱 높아져 출력 특성을 개선할 수 있다.As described above, the carbon nanotubes may be chemically etched to have a short length of about 10 μm or less. As such, by including carbon nanotubes having a short length of about 10 μm or less, the dispersibility of carbon nanotubes may be increased to uniformly form a thin coating layer, and the adhesion of the coating layer may be improved. As a result, the electrical conductivity of the
상기 탄소나노튜브는 약 0.001 내지 10㎛ 의 길이를 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 0.01 내지 5㎛ 의 길이를 가질 수 있다.The carbon nanotubes may have a length of about 0.001 to 10㎛, and may have a length of about 0.01 to 5㎛ within the above range.
한편, 상기 탄소나노튜브는 화학적 에칭되어 표면에 다수의 화학적 작용기를 가질 수 있다. 화학적 작용기는 에칭 정도에 따라 생성되는 양이 달라지며, 에칭 정도가 클수록 생성되는 화학적 작용기의 양이 많아질 수 있다.On the other hand, the carbon nanotubes may be chemically etched to have a plurality of chemical functional groups on the surface. The amount of chemical functional groups produced varies depending on the degree of etching, and the greater the degree of etching, the greater the amount of chemical functional groups generated.
화학적 작용기는 예컨대 카르복실기, 카르보닐기 등일 수 있다. The chemical functional group may be, for example, a carboxyl group, a carbonyl group, or the like.
화학적 작용기의 생성 여부는 적외선 분광(FT-IR spectroscopy)에 의해 확인할 수 있으며, 예컨대 화학적 에칭에 의해 카르복실기가 생성된 경우 약 1400 내지 1800 ㎝-1 범위의 피크(C=O 결합), 3000 내지 3500 ㎝-1 범위의 피크(C-H 결합) 또는 이들의 조합이 관측될 수 있다.The production of chemical functional groups can be confirmed by FT-IR spectroscopy, for example, when a carboxyl group is produced by chemical etching, a peak in the range of about 1400 to 1800 cm -1 (C = O bond), 3000 to 3500 Peaks in the range of cm −1 (CH bonds) or combinations thereof may be observed.
활물질 층(111)은 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함한다.The
양극 활물질은 리튬이 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 화합물이면 특히 제한되지 않으며, 구체적으로 리튬(Li)과 코발트(Co), 망간(Mn), 니켈(Ni) 및 이들의 조합에서 선택되는 금속의 복합 산화물일 수 있다. The positive electrode active material is not particularly limited as long as lithium is a compound capable of reversibly intercalating and deintercalating. Specifically, lithium (Li), cobalt (Co), manganese (Mn), nickel (Ni), and combinations thereof It may be a complex oxide of a metal selected from.
이들 화합물로는 예컨대 LiaA1 - bDbE2 (상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaG1 - bDbO2 - cJc (상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiG2 - bDbO4 - cJc (상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1-b-cCobDcEα (상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cCobDcO2 -αJα (상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cCobDcO2 -αJ2 (상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbDcEα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cMnbDcO2-αJα (상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbDcO2 -αJ2 (상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNibGcLdO2 (상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndLeO2 (상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiLbO2 (상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoLbO2 (상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnLbO2 (상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2LbO4 (상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiRO2; LiNiVO4; Li(3-f)Z2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); 및 LiFePO4 을 들 수 있다.These compounds include, for example, Li a A 1 - b D b E 2 (Wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8 and 0 ≦ b ≦ 0.5); Li a G 1 - b D b O 2 - c J c (Wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05); LiG 2 - b D b O 4 - c J c (Wherein 0 ≦ b ≦ 0.5 and 0 ≦ c ≦ 0.05); Li a Ni 1-bc Co b D c E α (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α ≦ 2); Li a Ni 1 -b - c Co b D c O 2 -α J α (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α <2); Li a Ni 1 -b- c Co b D c O 2 -α J 2 (Wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α <2); Li a Ni 1 -b - c Mn b D c E α (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α ≦ 2); Li a Ni 1-bc Mn b D c O 2-α J α (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α <2); Li a Ni 1 -b- c Mn b D c O 2 -α J 2 (Wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α <2); Li a Ni b G c L d O 2 (Wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.9, 0 ≦ c ≦ 0.5, and 0.001 ≦ d ≦ 0.1); Li a Ni b Co c Mn d L e O 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.9, 0 ≦ c ≦ 0.5, 0 ≦ d ≦ 0.5, and 0.001 ≦ e ≦ 0.1); Li a NiL b O 2 (Wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8 and 0.001 ≦ b ≦ 0.1); Li a CoL b O 2 (Wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8 and 0.001 ≦ b ≦ 0.1); Li a MnL b O 2 (Wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8 and 0.001 ≦ b ≦ 0.1); Li a Mn 2 L b O 4 (Wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8 and 0.001 ≦ b ≦ 0.1); QO 2; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiRO 2 ; LiNiVO 4; Li (3-f) Z 2 (PO 4 ) 3 (0 ≦ f ≦ 2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0? F? 2); And LiFePO 4 .
여기서, A는 Ni, Co, Mn 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; D는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; E는 O, F, S, P 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; G는 Co, Mn 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; J는 F, S, P 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; L는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; Q는 Ti, Mo, Mn 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; R는 Cr, V, Fe, Sc, Y 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되며; Z는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.Wherein A is selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, and combinations thereof; D is selected from the group consisting of Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, rare earth elements and combinations thereof; E is selected from the group consisting of O, F, S, P and combinations thereof; G is selected from the group consisting of Co, Mn and combinations thereof; J is selected from the group consisting of F, S, P and combinations thereof; L is selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V and combinations thereof; Q is selected from the group consisting of Ti, Mo, Mn and combinations thereof; R is selected from the group consisting of Cr, V, Fe, Sc, Y and combinations thereof; Z may be selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, and combinations thereof.
양극 활물질은 조성물의 총 함량에 대하여 약 60 내지 95중량%로 포함될 수 있다.The positive electrode active material may be included in an amount of about 60 to 95 wt% based on the total content of the composition.
바인더는 양극 활물질 입자들 사이의 응집력을 높이는 동시에 양극 활물질이 집전체 위에 잘 접착되도록 한다. 바인더는 양극 활물질의 화학적 특성에 영향을 미치지 않으면서 접착성을 가지는 물질이면 특히 한정되지 않는다. 이러한 바인더로는 예컨대 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필렌셀룰로즈, 디아세틸렌셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐디플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리(비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌)(P(VdF-HFP)), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지 및 나일론 따위를 들 수 있다. 이 중에서 폴리(비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌)(P(VdF-HFP))이 바람직하며, 이 때 헥사플루오로프로필렌(HFP)은 약 4 내지 20몰%로 함유되는 경우 양극 활물질의 접착성을 더욱 개선할 수 있다.The binder increases the cohesion between the positive electrode active material particles and at the same time allows the positive electrode active material to adhere well to the current collector. The binder is not particularly limited as long as it is an adhesive material without affecting the chemical properties of the positive electrode active material. Such binders include, for example, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropylene cellulose, diacetylene cellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinylchloride, polyvinyldifluoride, polymers including ethylene oxide, polyvinylpi Ralidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, poly (vinylidene fluoride-hexafluoropropylene) (P (VdF-HFP)), polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, acrylic Graded styrene-butadiene rubbers, epoxy resins and nylons. Of these, poly (vinylidene fluoride-hexafluoropropylene) (P (VdF-HFP)) is preferable, and when hexafluoropropylene (HFP) is contained in about 4 to 20 mol%, adhesion of the positive electrode active material Sex can be further improved.
바인더는 조성물의 총 함량에 대하여 약 0.1 내지 20중량%로 포함될 수 있다.The binder may be included in about 0.1 to 20% by weight relative to the total content of the composition.
도전재는 양극에 도전성을 부여하기 위하여 사용되는 것으로, 양극 활물질의 화학적 특성에 영향을 미치지 않으면서 전도성을 가지는 물질이면 특히 한정되지 않으며, 예컨대 폴리페닐렌 유도체, 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소 섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 따위를 들 수 있다. The conductive material is used to impart conductivity to the positive electrode, and is not particularly limited as long as it is a conductive material without affecting the chemical properties of the positive electrode active material. For example, polyphenylene derivatives, natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene And metal powders such as black, ketjen black, carbon fiber, copper, nickel, aluminum, silver, and the like.
도전재는 조성물의 총 함량에 대하여 약 0.1 내지 20중량%로 포함될 수 있다.The conductive material may be included in about 0.1 to 20% by weight based on the total content of the composition.
세퍼레이터(113)는 단일막 또는 다층막일 수 있으며, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 이들의 조합으로 만들어질 수 있다.The
음극(112)은 집전체(110) 및 집전체(110) 위에 형성되어 있는 활물질 층(111)을 포함한다.The
집전체(110)는 전술한 바와 같이 금속 기재(110a) 및 금속 기재(110a)의 일면에 위치하는 코팅층(110b)을 포함할 수 있다.As described above, the
금속 기재(110a)는 예컨대 알루미늄 박, 구리 박, 니켈 박, 스테인레스 스틸 박, 티타늄 박, 은 박, 도전성 고분자 기재 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있다.The
코팅층(110b)은 단일겹 탄소나노튜브, 다중겹 탄소나노튜브 또는 이들의 조합을 포함하는 탄소나노튜브를 포함한다.The
탄소나노튜브를 포함하는 코팅층(110b)은 분산매에 분산된 용액 형태로 코팅될 수 있으며, 예컨대 약 0.1 내지 1㎛의 두께로 형성될 수 있다.The
전술한 바와 같이, 탄소나노튜브는 화학적 에칭되어 약 10㎛ 이하의 짧은 길이를 가질 수 있다. 이와 같이 약 10㎛ 이하의 짧은 길이의 탄소나노튜브를 포함함으로써 탄소나노튜브의 분산성을 높여 얇은 두께의 코팅층을 균일하게 형성할 수 있으며 코팅층의 접착성을 개선할 수 있다. 이에 따라 집전체(110)의 전기 전도도가 더욱 높아져 출력 특성을 개선할 수 있다.As described above, the carbon nanotubes may be chemically etched to have a short length of about 10 μm or less. As such, by including carbon nanotubes having a short length of about 10 μm or less, the dispersibility of carbon nanotubes may be increased to uniformly form a thin coating layer, and the adhesion of the coating layer may be improved. As a result, the electrical conductivity of the
상기 탄소나노튜브는 약 0.001 내지 10㎛ 의 길이를 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 0.01 내지 5㎛ 의 길이를 가질 수 있다.The carbon nanotubes may have a length of about 0.001 to 10㎛, and may have a length of about 0.01 to 5㎛ within the above range.
한편, 상기 탄소나노튜브는 화학적 에칭되어 표면에 다수의 화학적 작용기를 가질 수 있다. 화학적 작용기는 에칭 정도에 따라 생성되는 양이 달라지며, 에칭 정도가 클수록 생성되는 화학적 작용기의 양이 많아질 수 있다.On the other hand, the carbon nanotubes may be chemically etched to have a plurality of chemical functional groups on the surface. The amount of chemical functional groups produced varies depending on the degree of etching, and the greater the degree of etching, the greater the amount of chemical functional groups generated.
화학적 작용기는 예컨대 카르복실기, 카르보닐기 등일 수 있다. The chemical functional group may be, for example, a carboxyl group, a carbonyl group, or the like.
화학적 작용기의 생성 여부는 적외선 분광(FT-IR spectroscopy)에 의해 확인할 수 있으며, 예컨대 화학적 에칭에 의해 카르복실기가 생성된 경우 약 1400 내지 1800 ㎝-1 범위의 피크(C=O 결합), 3000 내지 3500 ㎝-1 범위의 피크(C-H 결합) 또는 이들의 조합이 관측될 수 있다.The production of chemical functional groups can be confirmed by FT-IR spectroscopy, for example, when a carboxyl group is produced by chemical etching, a peak in the range of about 1400 to 1800 cm -1 (C = O bond), 3000 to 3500 Peaks in the range of cm −1 (CH bonds) or combinations thereof may be observed.
활물질 층(111)은 음극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함한다.The
음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 화합물이면 특히 제한되지 않으며, 구체적으로 탄소계 음극 활물질, 리튬과 합금화할 수 있는 화합물, 전이 금속 산화물, 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 화합물, 리튬과 가역적으로 반응할 수 있는 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a compound capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium ions, and specifically, a carbon-based negative electrode active material, a compound capable of alloying with lithium, a transition metal oxide, and a lithium It may be selected from the group consisting of dopeable compounds, compounds capable of reversibly reacting with lithium, and combinations thereof.
탄소계 음극 활물질에는 결정질 탄소, 비정질 탄소 및 이들의 조합에서 선택될 수 있으며, 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물 및 소성된 코크스 등을 들 수 있다.The carbon-based negative electrode active material may be selected from crystalline carbon, amorphous carbon, and combinations thereof, and examples of the crystalline carbon include graphite such as amorphous, plate, flake, spherical or fibrous natural graphite or artificial graphite. Examples of the amorphous carbon include soft carbon (low temperature calcined carbon) or hard carbon, mesophase pitch carbide, calcined coke, and the like.
상기 리튬과 합금화할 수 있는 화합물에는 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Ti, Ag, Zn, Cd, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 포함할 수 있다. Compounds that can be alloyed with lithium include Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Ti, Ag, Zn, Cd, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn , Pb, Sb, Bi and combinations thereof may include an element selected from the group.
상기 전이 금속 산화물, 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질 또는 리튬과 가역적으로 반응하여 화합물을 형성할 수 있는 물질로는 예컨대 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물, Si, SiOx(0<x<2), Sn, SnO2, 틴 합금 복합체(composite tin alloys) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.Examples of the transition metal oxide, a material capable of doping and undoping lithium, or a material capable of reversibly reacting with lithium to form a compound include vanadium oxide, lithium vanadium oxide, Si, SiO x (0 <x <2) , Sn, SnO 2 , composite tin alloys, and combinations thereof.
바인더 및 도전재는 전술한 바와 같다.The binder and the conductive material are as described above.
전해질은 비수성 유기 용매와 리튬염을 포함한다.The electrolyte contains a non-aqueous organic solvent and a lithium salt.
상기 비수성 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다. 상기 비수성 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 및 비양성자성 용매에서 선택될 수 있다. The non-aqueous organic solvent serves as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move. The non-aqueous organic solvent may be selected from carbonate, ester, ether, ketone, alcohol and aprotic solvents.
상기 카보네이트계 용매로는 예컨대 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디프로필 카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 메틸프로필 카보네이트(methylpropyl carbonate, MPC), 에틸프로필 카보네이트(ethylpropyl carbonate, EPC), 메틸에틸 카보네이트(methylethyl carbonate, MEC), 에틸메틸 카보네이트(ethylmethyl carbonate, EMC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 부틸렌 카보네이트(butylene carbonate, BC) 등이 사용될 수 있다. Examples of the carbonate solvent include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methylpropyl carbonate (MPC), and ethylpropyl carbonate ( ethylpropyl carbonate (EPC), methylethyl carbonate (MEC), ethylmethyl carbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate , BC) and the like can be used.
특히, 사슬형 카보네이트 화합물 및 환형 카보네이트 화합물을 혼합하여 사용하는 경우, 유전율을 높이는 동시에 점성이 작은 용매로 제조될 수 있어서 좋다. 이 경우 환형 카보네이트 화합물 및 사슬형 카보네이트 화합물은 약 1:1 내지 1:9의 부피비로 혼합하여 사용할 수 있다. In particular, when a mixture of the chain carbonate compound and the cyclic carbonate compound is used, the dielectric constant may be increased, and the solvent may be prepared with a low viscosity solvent. In this case, the cyclic carbonate compound and the chain carbonate compound may be mixed and used in a volume ratio of about 1: 1 to 1: 9.
또한 상기 에스테르계 용매로는 예컨대 n-메틸아세테이트, n-에틸아세테이트, n-프로필아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone) 등이 사용될 수 있다. 상기 에테르 용매로는 예컨대 디부틸에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있다. The ester solvent may be, for example, n-methyl acetate, n-ethyl acetate, n-propyl acetate, dimethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, γ-butyrolactone, decanolide, valerian Lolactone, mevalonolactone, caprolactone and the like can be used. As the ether solvent, for example, dibutyl ether, tetraglyme, diglyme, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran, etc. may be used. As the ketone solvent, cyclohexanone may be used. have. In addition, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, etc. may be used as the alcohol solvent.
상기 비수성 유기 용매는 단독 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있다.The non-aqueous organic solvents may be used alone or in combination of one or more, and the mixing ratio in the case of mixing one or more may be appropriately adjusted according to the desired battery performance.
상기 비수성 전해질은 에틸렌카보네이트, 피로카보네이트 등의 과충전 방지제와 같은 첨가제를 더 포함할 수도 있다.
The non-aqueous electrolyte may further include an additive such as an overcharge inhibitor such as ethylene carbonate and pyrocarbonate.
이하 실시예를 통하여 상술한 본 발명의 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
Through the following examples will be described in more detail the embodiment of the present invention. The following examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the invention.
집전체House 제조 Produce
제조예Manufacturing example 1 One
열 화학기상증착(thermal chemical vapor deposition) 방법으로 담지 촉매(supported catalysts)를 사용하여 다중겹 탄소나노튜브(MWNTs)를 합성하였다. 이어서 합성된 다중겹 탄소나노튜브의 표면에 남아있는 촉매 입자 및 불순물을 제거하기 위하여 정제 과정을 하기와 같이 수행하였다. 농축된 불산(HF, 50%)과 증류수가 1:3 로 혼합된 용액에 다중겹 탄소나노튜브를 넣고 18시간 동안 교반하여 촉매 입자를 용해시킨 후, 550℃의 15% 공기-아르곤 혼합물 속에서 1시간 동안 가스 상(gas phase) 산화시켜 비정질 탄소와 같은 불순물을 태워서 정제시켰다. 이어서 다중겹 탄소나노튜브를 농축된 염산(HCl, 37%)에서 10분 동안 초음파 분해하여 가스상 산화에 의해 형성된 금속 산화물과 촉매 입자를 용해시켰다. 이어서 탈염수로 수차례 세정 및 여과한 후 150℃에서 12시간 동안 건조하였다. 형성된 다중겹 탄소나노튜브는 약 10㎛ 길이를 가졌다.Multi-layered carbon nanotubes (MWNTs) were synthesized using supported catalysts by thermal chemical vapor deposition. Subsequently, a purification process was performed to remove catalyst particles and impurities remaining on the surface of the synthesized multi-ply carbon nanotubes. Into a solution of concentrated hydrofluoric acid (HF, 50%) and distilled water in a 1: 3 mixture and stirred for 18 hours to dissolve the catalyst particles, and then in a 15% air-argon mixture at 550 ° C. Purification by burning gas phase oxidation for 1 hour to burn impurities such as amorphous carbon. The multi-ply carbon nanotubes were then ultrasonically decomposed in concentrated hydrochloric acid (HCl, 37%) for 10 minutes to dissolve the metal oxide and catalyst particles formed by gas phase oxidation. Then washed and filtered several times with demineralized water and then dried at 150 ℃ for 12 hours. The formed multi-ply carbon nanotubes had a length of about 10 μm.
이어서 알루미늄 박 위에 상기 다중겹 탄소나노튜브를 PVDF바인더(10wt.%)가 용해된 NMP(N-메틸-2-피롤리돈)의 분산매에 분산한 코팅 용액을 도포한 후 120℃ 온도에서 4시간 동안 건조하여 집전체를 제조하였다.
Subsequently, after applying the coating solution in which the multi-ply carbon nanotubes were dispersed in a dispersion medium of NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) in which PVDF binder (10 wt.%) Was dissolved on aluminum foil, 4 hours at 120 ° C. Dry to prepare a current collector.
제조예Manufacturing example 2 2
열 화학기상증착(thermal chemical vapor deposition) 방법으로 담지 촉매(supported catalysts)를 사용하여 다중겹 탄소나노튜브(MWNTs)를 합성하였다. 이어서 합성된 다중겹 탄소나노튜브의 표면에 남아있는 촉매 입자 및 불순물을 제거하기 위하여 정제 과정을 하기와 같이 수행하였다. 농축된 불산(HF, 50%)과 증류수가 1:3 로 혼합된 용액에 다중겹 탄소나노튜브를 넣고 18시간 동안 교반하여 촉매 입자를 용해시킨 후, 550℃의 15% 공기-아르곤 혼합물 속에서 1시간 동안 가스 상(gas phase) 산화시켜 비정질 탄소와 같은 불순물을 태워서 정제시켰다. 이어서 다중겹 탄소나노튜브를 농축된 염산(HCl, 37%)에서 10분 동안 초음파 분해하여 가스상 산화에 의해 형성된 금속 산화물과 촉매 입자를 용해시켰다. 이어서 탈염수로 수차례 세정 및 여과한 후 150℃에서 12시간 동안 건조하였다. Multi-layered carbon nanotubes (MWNTs) were synthesized using supported catalysts by thermal chemical vapor deposition. Subsequently, a purification process was performed to remove catalyst particles and impurities remaining on the surface of the synthesized multi-ply carbon nanotubes. Into a solution mixed with concentrated hydrofluoric acid (HF, 50%) and distilled water 1: 3, mixed with multiple layers of carbon nanotubes and stirred for 18 hours to dissolve the catalyst particles, and then in a 15% air-argon mixture at 550 ° C. Purification by burning gas phase oxidation for 1 hour to burn impurities such as amorphous carbon. The multi-ply carbon nanotubes were then ultrasonically decomposed in concentrated hydrochloric acid (HCl, 37%) for 10 minutes to dissolve the metal oxide and catalyst particles formed by gas phase oxidation. Then washed and filtered several times with demineralized water and then dried at 150 ℃ for 12 hours.
상기 정제된 다중겹 탄소나노튜브를 농축된 황산(H2SO4, 96%)과 질산(70%)이 3:1로 혼합된 강산 혼합 용액에서 5시간 동안 초음파 분해하여 화학적 에칭을 수행하였다. 이어서 화학적 에칭된 다중겹 탄소나노튜브를 탈이온수로 수차례 세정 및 여과한 후 150℃에서 12시간 동안 건조하였다. 이어서 150℃, 5x10-6 Torr의 진공 하에서 5시간 동안 건조하였다. 형성된 다중겹 탄소나노튜브는 약 5㎛ 길이를 가졌다.remind Purified multi-ply carbon nanotubes were ultrasonically decomposed for 5 hours in a strong acid mixed solution of concentrated sulfuric acid (H 2 SO 4 , 96%) and nitric acid (70%) in a 3: 1 chemical etching process. Subsequently, the chemically etched multi-ply carbon nanotubes were washed and filtered several times with deionized water and then dried at 150 ° C. for 12 hours. Then dried at 150 ° C. under 5 × 10 −6 Torr vacuum for 5 hours. The formed multi-ply carbon nanotubes had a length of about 5 μm.
이어서 알루미늄 박 위에 상기 다중겹 탄소나노튜브를 PVDF바인더(10wt.%)가 용해된 NMP(N-메틸-2-피롤리돈)의 분산매에 분산한 코팅 용액을 도포한 후 120℃ 온도에서 4시간 동안 건조하여 집전체를 제조하였다.
Subsequently, after applying the coating solution in which the multi-ply carbon nanotubes were dispersed in a dispersion medium of NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) in which PVDF binder (10 wt.%) Was dissolved on aluminum foil, 4 hours at 120 ° C. Dry to prepare a current collector.
제조예Manufacturing example 3 3
열 화학기상증착(thermal chemical vapor deposition) 방법으로 담지 촉매(supported catalysts)를 사용하여 다중겹 탄소나노튜브(MWNTs)를 합성하였다. 이어서 합성된 다중겹 탄소나노튜브의 표면에 남아있는 촉매 입자 및 불순물을 제거하기 위하여 정제 과정을 하기와 같이 수행하였다. 농축된 불산(HF, 50%)과 증류수가 1:3 로 혼합된 용액에 다중겹 탄소나노튜브를 넣고 18시간 동안 교반하여 촉매 입자를 용해시킨 후, 550℃의 15% 공기-아르곤 혼합물 속에서 1시간 동안 가스 상(gas phase) 산화시켜 비정질 탄소와 같은 불순물을 태워서 정제시켰다. 이어서 다중겹 탄소나노튜브를 농축된 염산(HCl, 37%)에서 10분 동안 초음파 분해하여 가스상 산화에 의해 형성된 금속 산화물과 촉매 입자를 용해시켰다. 이어서 탈염수로 수차례 세정 및 여과한 후 150℃에서 12시간 동안 건조하였다.Multi-layered carbon nanotubes (MWNTs) were synthesized using supported catalysts by thermal chemical vapor deposition. Subsequently, a purification process was performed to remove catalyst particles and impurities remaining on the surface of the synthesized multi-ply carbon nanotubes. Into a solution mixed with concentrated hydrofluoric acid (HF, 50%) and distilled water 1: 3, mixed with multiple layers of carbon nanotubes and stirred for 18 hours to dissolve the catalyst particles, and then in a 15% air-argon mixture at 550 ° C. The gas phase was oxidized for 1 hour to purify the 순 ¶ pure product such as amorphous carbon by burning. The multi-ply carbon nanotubes were then ultrasonically decomposed in concentrated hydrochloric acid (HCl, 37%) for 10 minutes to dissolve the metal oxide and catalyst particles formed by gas phase oxidation. Then washed and filtered several times with demineralized water and then dried at 150 ℃ for 12 hours.
상기 정제된 다중겹 탄소나노튜브를 농축된 황산(H2SO4, 96%)과 질산(70%)이 3:1로 혼합된 강산 혼합 용액에서 10시간 동안 초음파 분해하여 화학적 에칭을 수행하였다. 이어서 화학적 에칭된 다중겹 탄소나노튜브를 탈이온수로 수차례 세정 및 여과한 후 150℃에서 12시간 동안 건조하였다. 이어서 150℃, 5x10-6 Torr의 진공 하에서 5시간 동안 건조하였다. 형성된 다중겹 탄소나노튜브는 약 1㎛ 길이를 가졌다.The purified multi-ply carbon nanotubes were ultrasonically decomposed for 10 hours in a strong acid mixed solution of concentrated sulfuric acid (H 2 SO 4 , 96%) and nitric acid (70%) in a 3: 1 chemical etching process. Subsequently, the chemically etched multi-ply carbon nanotubes were washed and filtered several times with deionized water and then dried at 150 ° C. for 12 hours. Then dried at 150 ° C. under 5 × 10 −6 Torr vacuum for 5 hours. The formed multi-ply carbon nanotubes had a length of about 1 μm.
이어서 알루미늄 박 위에 상기 다중겹 탄소나노튜브를 PVDF바인더(10wt.%)가 용해된 NMP(N-메틸-2-피롤리돈)의 분산매에 분산한 코팅 용액을 도포한 후 120℃ 온도에서 4시간 동안 건조하여 집전체를 제조하였다.
Subsequently, after applying the coating solution in which the multi-ply carbon nanotubes were dispersed in a dispersion medium of NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) in which PVDF binder (10 wt.%) Was dissolved on aluminum foil, 4 hours at 120 ° C. Dry to prepare a current collector.
제조예Manufacturing example 4 4
열 화학기상증착(thermal chemical vapor deposition) 방법으로 담지 촉매(supported catalysts)를 사용하여 다중겹 탄소나노튜브(MWNTs)를 합성하였다. 이어서 합성된 다중겹 탄소나노튜브의 표면에 남아있는 촉매 입자 및 불순물을 제거하기 위하여 정제 과정을 하기와 같이 수행하였다. 농축된 불산(HF, 50%)과 증류수가 1:3 로 혼합된 용액에 다중겹 탄소나노튜브를 넣고 18시간 동안 교반하여 촉매 입자를 용해시킨 후, 550℃의 15% 공기-아르곤 혼합물 속에서 1시간 동안 가스 상(gas phase) 산화시켜 비정질 탄소와 같은 불순물을 태워서 정제시켰다. 이어서 다중겹 탄소나노튜브를 농축된 염산(HCl, 37%)에서 10분 동안 초음파 분해하여 가스상 산화에 의해 형성된 금속 산화물과 촉매 입자를 용해시켰다. 이어서 탈염수로 수차례 세정 및 여과한 후 150℃에서 12시간 동안 건조하였다.Multi-layered carbon nanotubes (MWNTs) were synthesized using supported catalysts by thermal chemical vapor deposition. Subsequently, a purification process was performed to remove catalyst particles and impurities remaining on the surface of the synthesized multi-ply carbon nanotubes. Into a solution mixed with concentrated hydrofluoric acid (HF, 50%) and distilled water 1: 3, mixed with multiple layers of carbon nanotubes and stirred for 18 hours to dissolve the catalyst particles, and then in a 15% air-argon mixture at 550 ° C. Purification by burning gas phase oxidation for 1 hour to burn impurities such as amorphous carbon. The multi-ply carbon nanotubes were then ultrasonically decomposed in concentrated hydrochloric acid (HCl, 37%) for 10 minutes to dissolve the metal oxide and catalyst particles formed by gas phase oxidation. Then washed and filtered several times with demineralized water and then dried at 150 ℃ for 12 hours.
상기 정제된 다중겹 탄소나노튜브를 농축된 황산(H2SO4, 96%)과 질산(70%)이 3:1로 혼합된 강산 혼합 용액에서 20시간 동안 초음파 분해하여 화학적 에칭을 수행하였다. 이어서 화학적 에칭된 다중겹 탄소나노튜브를 탈이온수로 수차례 세정 및 여과한 후 150℃에서 12시간 동안 건조한다. 이어서 150℃, 5x10-6 Torr의 진공 하에서 5시간 동안 건조하였다. 형성된 다중겹 탄소나노튜브는 약 0.2㎛ 길이를 가졌다.The purified multi-ply carbon nanotubes were ultrasonically decomposed for 20 hours in a strong acid mixed solution of concentrated sulfuric acid (H 2 SO 4 , 96%) and nitric acid (70%) in a 3: 1 chemical etching process. Subsequently, the chemically etched multi-ply carbon nanotubes were washed and filtered several times with deionized water and then dried at 150 ° C. for 12 hours. Then dried at 150 ° C. under 5 × 10 −6 Torr vacuum for 5 hours. The formed multi-ply carbon nanotubes had a length of about 0.2 μm.
이어서 알루미늄 박 위에 상기 다중겹 탄소나노튜브를 PVDF바인더(10wt.%)가 용해된 NMP(N-메틸-2-피롤리돈)의 분산매에 분산한 코팅 용액을 도포한 후 120℃ 온도에서 4시간 동안 건조하여 집전체를 제조하였다.
Subsequently, after applying the coating solution in which the multi-ply carbon nanotubes were dispersed in a dispersion medium of NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) in which PVDF binder (10 wt.%) Was dissolved on aluminum foil, 4 hours at 120 ° C. Dry to prepare a current collector.
제조예Manufacturing example 5 5
열 화학기상증착(thermal chemical vapor deposition) 방법으로 담지 촉매(supported catalysts)를 사용하여 단일겹 탄소나노튜브(SWNTs)를 합성하였다. 이어서 합성된 단일겹 탄소나노튜브의 표면에 남아있는 촉매 입자 및 불순물을 제거하기 위하여 정제 과정을 하기와 같이 수행하였다. 농축된 불산(HF, 50%)과 증류수가 1:3 로 혼합된 용액에 단일겹 탄소나노튜브를 넣고 18시간 동안 교반하여 촉매 입자를 용해시킨 후, 550℃의 15% 공기-아르곤 혼합물 속에서 1시간 동안 가스 상(gas phase) 산화시켜 비정질 탄소와 같은 불순물을 태워서 정제시켰다. 이어서 단일겹 탄소나노튜브를 농축된 염산(HCl, 37%)에서 10분 동안 초음파 분해하여 가스상 산화에 의해 형성된 금속 산화물과 촉매 입자를 용해시켰다. 이어서 탈염수로 수차례 세정 및 여과한 후 150℃에서 12시간 동안 건조하였다. 형성된 단일겹 탄소나노튜브는 약 10㎛ 길이를 가졌다.Single layered carbon nanotubes (SWNTs) were synthesized using supported catalysts by thermal chemical vapor deposition. Subsequently, a purification process was performed as follows to remove catalyst particles and impurities remaining on the surface of the synthesized single-ply carbon nanotubes. Into a solution of concentrated hydrofluoric acid (HF, 50%) and distilled water 1: 3, single-ply carbon nanotubes were stirred for 18 hours to dissolve the catalyst particles, and then in a 15% air-argon mixture at 550 ° C. Purification by burning gas phase oxidation for 1 hour to burn impurities such as amorphous carbon. The single-ply carbon nanotubes were then ultrasonically decomposed in concentrated hydrochloric acid (HCl, 37%) for 10 minutes to dissolve the metal oxide and catalyst particles formed by gas phase oxidation. Then washed and filtered several times with demineralized water and then dried at 150 ℃ for 12 hours. The formed single-ply carbon nanotubes had a length of about 10 μm.
이어서 알루미늄 박 위에 상기 단일겹 탄소나노튜브를 PVDF바인더(10wt.%)가 용해된 NMP(N-메틸-2-피롤리돈)의 분산매에 분산한 코팅 용액을 도포한 후 120℃ 온도에서 4시간 동안 건조하여 집전체를 제조하였다.
Subsequently, the coating solution obtained by dispersing the single-ply carbon nanotubes on the aluminum foil in a dispersion medium of NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) in which PVDF binder (10 wt.%) Was dissolved was applied. Dry to prepare a current collector.
제조예Manufacturing example 6 6
열 화학기상증착(thermal chemical vapor deposition) 방법으로 담지 촉매(supported catalysts)를 사용하여 단일겹 탄소나노튜브(SWNTs)를 합성하였다. 이어서 합성된 단일겹 탄소나노튜브의 표면에 남아있는 촉매 입자 및 불순물을 제거하기 위하여 정제 과정을 하기와 같이 수행하였다. 농축된 불산(HF, 50%)과 증류수가 1:3 로 혼합된 용액에 단일겹 탄소나노튜브를 넣고 18시간 동안 교반하여 촉매 입자를 용해시킨 후, 550℃의 15% 공기-아르곤 혼합물 속에서 1시간 동안 가스 상(gas phase) 산화시켜 비정질 탄소와 같은 불순물을 태워서 정제시켰다. 이어서 단일겹 탄소나노튜브를 농축된 염산(HCl, 37%)에서 10분 동안 초음파 분해하여 가스상 산화에 의해 형성된 금속 산화물과 촉매 입자를 용해시켰다. 이어서 탈염수로 수차례 세정 및 여과한 후 150℃에서 12시간 동안 건조하였다.Single layered carbon nanotubes (SWNTs) were synthesized using supported catalysts by thermal chemical vapor deposition. Subsequently, a purification process was performed as follows to remove catalyst particles and impurities remaining on the surface of the synthesized single-ply carbon nanotubes. Into a solution of concentrated hydrofluoric acid (HF, 50%) and distilled water 1: 3, single-ply carbon nanotubes were stirred for 18 hours to dissolve the catalyst particles, and then in a 15% air-argon mixture at 550 ° C. Purification by burning gas phase oxidation for 1 hour to burn impurities such as amorphous carbon. The single-ply carbon nanotubes were then ultrasonically decomposed in concentrated hydrochloric acid (HCl, 37%) for 10 minutes to dissolve the metal oxide and catalyst particles formed by gas phase oxidation. Then washed and filtered several times with demineralized water and then dried at 150 ℃ for 12 hours.
상기 정제된 단일겹 탄소나노튜브를 농축된 황산(H2SO4, 96%)과 질산(70%)이 3:1로 혼합된 강산 혼합 용액에서 10시간 동안 초음파 분해하여 화학적 에칭을 수행하였다. 이어서 화학적 에칭된 탄소나노튜브를 탈이온수로 수차례 세정 및 여과한 후 150℃에서 12시간 동안 건조한다. 이어서 150℃, 5x10-6 Torr의 진공 하에서 5시간 동안 건조하였다. 형성된 단일겹 탄소나노튜브는 약 1㎛ 길이를 가졌다.The purified single-ply carbon nanotubes were ultrasonically decomposed for 10 hours in a strong acid mixed solution of concentrated sulfuric acid (H 2 SO 4 , 96%) and nitric acid (70%) in a 3: 1 chemical etching process. Subsequently, the chemically etched carbon nanotubes were washed and filtered several times with deionized water and then dried at 150 ° C. for 12 hours. Then dried at 150 ° C. under 5 × 10 −6 Torr vacuum for 5 hours. The formed single-ply carbon nanotubes had a length of about 1 μm.
이어서 알루미늄 박 위에 상기 단일겹 탄소나노튜브를 PVDF바인더(10wt.%)가 용해된 NMP(N-메틸-2-피롤리돈)의 분산매에 분산한 코팅 용액을 도포한 후 120℃ 온도에서 4시간 동안 건조하여 집전체를 제조하였다.
Subsequently, the coating solution obtained by dispersing the single-ply carbon nanotubes on the aluminum foil in a dispersion medium of NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) in which PVDF binder (10 wt.%) Was dissolved was applied. Dry to prepare a current collector.
리튬 이차 셀의 제조Fabrication of Lithium Secondary Cells
실시예Example 1 One
상기와 같이 제조된 제조예 1의 집전체 위에 LiCoO2 94중량%, 폴리(비닐리덴플루오라이드)(PVdF) 3 중량% 및 아세틸렌블랙 (도전재) 3중량%를 혼합한 양극 슬러리를 도포하여 양극을 준비하여 하프-코인 셀을 제조하였다.
On the current collector of Preparation Example 1 prepared as described above, a positive electrode slurry containing 94 wt% of LiCoO 2 , 3 wt% of poly (vinylidene fluoride) (PVdF), and 3 wt% of acetylene black (conductive material) was applied to the cathode. To prepare a half-coin cell.
실시예Example 2 내지 6 2 to 6
상기와 같이 제조된 제조예 2 내지 6의 집전체 위에 각각 실시예 1에서와 같이 LiCoO2 94중량%, 폴리(비닐리덴플루오라이드)(PVdF) 3 중량% 및 아세틸렌블랙 (도전재) 3중량%를 혼합한 양극 슬러리를 도포하여 양극을 준비하여 하프-코인 셀을 제조하였다.
94% by weight of LiCoO 2 , 3% by weight of poly (vinylidene fluoride) (PVdF) and 3% by weight of acetylene black (conductive material) as in Example 1 on the current collectors of Preparation Examples 2 to 6 prepared as described above, respectively The positive electrode slurry was mixed to prepare a positive electrode to prepare a half-coin cell.
비교예Comparative example 1 One
탄소나노튜브를 포함하는 코팅층을 형성하지 않고 알루미늄 박을 집전체로 사용하였다.Aluminum foil was used as the current collector without forming a coating layer containing carbon nanotubes.
상기 집전체 위에 LiCoO2 94중량%, 폴리(비닐리덴플루오라이드)(PVdF) 3 중량% 및 아세틸렌블랙 (도전재) 3중량%를 혼합한 양극 슬러리를 도포하여 양극을 준비하여 하프-코인 셀을 제조하였다.
A positive electrode slurry was prepared by mixing 94 wt% of LiCoO 2 , 3 wt% of poly (vinylidene fluoride) (PVdF), and 3 wt% of acetylene black (conductive material) on the current collector to prepare a positive electrode to prepare a half-coin cell. Prepared.
평가-1Evaluation-1
제조예 3 및 6의 집전체 제조시 사용한 탄소나노튜브의 화학적 에칭 전 및 후를 비교한다.Before and after the chemical etching of the carbon nanotubes used in the current collector production of Preparation Examples 3 and 6.
도 4a는 및 도 4b는 각각 제조예 1 및 제조예 3의 집전체 제조시 사용한 다중겹 탄소나노튜브의 화학적 에칭 전 및 후의 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM) 사진이고, 도 5a 및 도 5b는 각각 제조예 5 및 제조예 6의 집전체 제조시 사용한 다중겹 탄소나노튜브의 화학적 에칭 전 및 후의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.4A and 4B are transmission electron microscope (TEM) photographs before and after chemical etching of the multi-ply carbon nanotubes used in manufacturing the current collectors of Preparation Examples 1 and 3, respectively, and FIGS. 5A and 5B. Are transmission electron microscope (TEM) photographs before and after chemical etching of the multi-ply carbon nanotubes used in the preparation of the current collectors of Preparation Example 5 and Preparation Example 6, respectively.
도 4a 및 도 4b를 비교하면, 화학적 에칭 후에 다중겹 탄소나노튜브의 길이가 짧아진 것을 확인할 수 있다.4A and 4B, it can be seen that the length of the multi-ply carbon nanotubes is shortened after chemical etching.
마찬가지로, 도 5a 및 도 5b를 비교하면 화학적 에칭 후에 단일겹 탄소나노튜브의 길이가 짧아진 것을 확인할 수 있다. Similarly, comparing FIGS. 5A and 5B, it can be seen that the length of the single-ply carbon nanotubes is shortened after chemical etching.
이로부터 탄소나노튜브를 화학적 에칭함으로써 탄소나노튜브의 길이를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
It can be seen from this that the length of the carbon nanotubes can be controlled by chemically etching the carbon nanotubes.
평가-2Evaluation-2
제조예 1의 집전체 제조시 화학적 에칭이 진행됨에 따라 생성된 화학적 작용기를 확인한다.In the preparation of the current collector of Preparation Example 1, the chemical functional groups generated as the chemical etching progresses are confirmed.
도 6은 제조예 1의 집전체 제조시 화학적 에칭이 0, 5, 10 및 20 시간 진행됨에 따른 화학적 작용기의 생성 피크를 보여주는 적외선 분광 스펙트럼이다.6 is an infrared spectral spectrum showing a production peak of chemical functional groups as the chemical etching proceeds for 0, 5, 10, and 20 hours in preparing the current collector of Preparation Example 1. FIG.
도 6을 참고하면, 제조예 1의 집전체 제조시 화학적 에칭이 0시간(a), 5시간(b), 10시간(c) 및 20시간(d) 진행됨에 따라 약 1400 내지 1800 ㎝-1 범위의 피크(C=O 결합), 약 3000 내지 3500 ㎝-1 범위의 피크(C-H 결합)가 점점 증가하는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 6, when the current etching of the current collector of Preparation Example 1 was performed for 0 hours (a), 5 hours (b), 10 hours (c), and 20 hours (d), about 1400 to 1800 cm -1. It can be seen that the peak in the range (C═O bond), the peak in the range of about 3000 to 3500 cm −1 (CH bond) gradually increases.
이와 같이 화학적 에칭 정도에 따라 탄소나노튜브의 표면에 화학적 작용기가 더 많이 생성되는 것을 알 수 있고, 이로부터 화학적 작용기의 생성 정도를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
As such, it can be seen that more chemical functional groups are generated on the surface of the carbon nanotubes depending on the degree of chemical etching, from which the degree of generation of chemical functional groups can be controlled.
평가-3Evaluation-3
실시예 1 내지 6 및 비교예 1에서 제조된 이차 전지 셀의 충방전 특성을 표 1 및 도 7을 참고하여 확인한다.The charge and discharge characteristics of the secondary battery cells prepared in Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 are confirmed with reference to Table 1 and FIG. 7.
도 7은 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3의 이차 전지 셀의 충방전 특성을 보여주는 그래프이다.7 is a graph showing charge and discharge characteristics of the secondary battery cells of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3. FIG.
충방전 조건은 다음과 같다.Charge and discharge conditions are as follows.
충전: CC-CV mode 0.1C 4.2V 0.01C 컷오프(cut-off)Charging: CC-CV mode 0.1C 4.2V 0.01C cut-off
방전: CC mode 0.1/0.2/0.5/1/2C 3.0V 컷오프
Discharge: CC mode 0.1 / 0.2 / 0.5 / 1 / 2C 3.0V Cutoff
표 1 및 도 7을 참고하면, 실시예 1 내지 6의 이차 전지 셀은 비교예 1의 이차 전지 셀과 비교하여 충방전에 따른 효율이 높은 것을 알 수 있다. Referring to Table 1 and Figure 7, it can be seen that the secondary battery cells of Examples 1 to 6 have a higher efficiency according to the charge and discharge than the secondary battery cells of Comparative Example 1.
특히, 실시예 1 내지 4의 이차 전지 셀을 비교하면, 다중겹 탄소나노튜브의 길이가 짧은 순서, 즉 실시예 4, 실시예 3, 실시예 2 및 실시예 1의 순서로 충방전 효율이 높은 것을 알 수 있다. 마찬가지로 실시예 5 및 6의 이차 전지 셀을 비교하면, 단일겹 탄소나노튜브의 길이가 짧은 순서, 즉 실시예 6 및 실시예 5의 순서로 충방전 효율이 높은 것을 알 수 있다. In particular, when comparing the secondary battery cells of Examples 1 to 4, the charge and discharge efficiency is high in the order of shorter length of the multi-ply carbon nanotubes, that is, in the order of Examples 4, 3, 2 and 1 It can be seen that. Similarly, when comparing the secondary battery cells of Examples 5 and 6, it can be seen that the charge and discharge efficiency is high in the order of shorter length of the single-ply carbon nanotubes, that is, in the order of Examples 6 and 5.
이로부터 화학적 에칭된 탄소나노튜브의 길이가 짧을수록 충방전 효율이 개선되는 것을 알 수 있다.
From this, it can be seen that the shorter the length of the chemically etched carbon nanotubes, the better the charge and discharge efficiency.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of the invention.
100: 이차 전지 110: 집전체
110a: 금속 박막 110b: 코팅층
111: 활물질 층 112: 음극
113: 세퍼레이터 114: 양극
120: 전지 용기 140: 밀봉 부재100: secondary battery 110: current collector
110a: metal
111: active material layer 112: negative electrode
113: separator 114: anode
120: battery container 140: sealing member
Claims (18)
상기 금속 기재의 적어도 일면에 위치하며 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층
을 포함하고,
상기 탄소나노튜브는 화학적 에칭되어 10㎛ 이하의 길이를 가지고,
상기 코팅층은 0.1 내지 1 ㎛의 두께를 가지는 것인
집전체; 그리고,
상기 집전체의 적어도 일면에 형성되어 있는 활물질 층;
을 포함하는 전극.
Metal substrate, and
Located on at least one surface of the metal substrate and the coating layer comprising carbon nanotubes
Including,
The carbon nanotubes are chemically etched and have a length of 10 μm or less,
The coating layer will have a thickness of 0.1 to 1 ㎛
Current collector; And,
An active material layer formed on at least one surface of the current collector;
Electrode comprising a.
상기 탄소나노튜브는 표면에 다수의 화학적 작용기를 가지는 전극.
In claim 1,
The carbon nanotube electrode having a plurality of chemical functional groups on the surface.
상기 화학적 작용기는 적외선 분광 분석시에 1400 내지 1800 ㎝-1 범위의 피크, 3000 내지 3500 ㎝-1 범위의 피크 또는 이들의 조합이 관측되는 전극.
In claim 2,
Wherein the chemical functional group is observed at an infrared spectroscopic analysis in a peak in the range of 1400 to 1800 cm −1 , a peak in the range of 3000 to 3500 cm −1, or a combination thereof.
상기 화학적 작용기는 카르복실기, 카르보닐기 또는 그 조합을 포함하는 전극.
In claim 2,
The chemical functional group comprises a carboxyl group, a carbonyl group or a combination thereof.
상기 탄소나노튜브는 0.01 내지 5㎛ 의 길이를 가지는 전극.
In claim 1,
The carbon nanotubes have a length of 0.01 to 5㎛.
상기 탄소나노튜브는 단일겹 나노튜브(single walled nanotubes), 다중겹 나노튜브(multi walled nanotubes) 또는 이들의 조합을 포함하는 전극.
In claim 1,
The carbon nanotubes include single walled nanotubes, multi walled nanotubes, or a combination thereof.
상기 금속 기재는 알루미늄 박, 구리 박, 니켈 박, 스테인레스 스틸 박, 티타늄 박, 은 박, 도전성 고분자 기재 또는 이들의 조합을 포함하는 전극.
In claim 1,
The metal substrate comprises an aluminum foil, copper foil, nickel foil, stainless steel foil, titanium foil, silver foil, conductive polymer substrate or a combination thereof.
상기 활물질 층은 상기 코팅층 상에 형성된 것인 전극.
In claim 1,
And the active material layer is formed on the coating layer.
상기 탄소나노튜브를 화학적 에칭하여 10㎛ 이하의 길이를 가지는 탄소나노튜브를 형성하는 단계,
금속 기재 위에 상기 탄소나노튜브를 코팅하여 집전체를 형성하는 단계, 그리고
상기 집전체에 활물질을 도포하여 활물질층을 형성하는 단계
를 포함하는 전극의 제조 방법.
Preparing carbon nanotubes,
Chemically etching the carbon nanotubes to form carbon nanotubes having a length of 10 μm or less;
Coating a carbon nanotube on a metal substrate to form a current collector, and
Applying an active material to the current collector to form an active material layer
Method for producing an electrode comprising a.
상기 탄소나노튜브를 화학적 에칭하는 단계는
상기 탄소나노튜브를 강산 용액에서 초음파 분해하는 단계를 포함하는
전극의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Chemically etching the carbon nanotubes
Ultrasonic decomposition of the carbon nanotubes in a strong acid solution
Method of manufacturing the electrode.
상기 탄소나노튜브는 0.01 내지 5㎛의 길이를 가지는 전극의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The carbon nanotube is a method of manufacturing an electrode having a length of 0.01 to 5㎛.
상기 탄소나노튜브를 화학적 에칭하는 단계에서 상기 탄소나노튜브의 표면에 화학적 작용기가 도입되는 전극의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
A method of manufacturing an electrode in which a chemical functional group is introduced to the surface of the carbon nanotubes in the step of chemically etching the carbon nanotubes.
상기 화학적 작용기는 적외선 분광 분석시에 1400 내지 1800 ㎝-1 범위의 피크, 3000 내지 3500 ㎝-1 범위의 피크 또는 이들의 조합이 관측되는 전극의 제조 방법.
In claim 13,
The chemical functional group is a method for producing an electrode in which the peak in the range of 1400 to 1800 cm -1 , the peak in the range of 3000 to 3500 cm -1, or a combination thereof is observed during infrared spectroscopy.
상기 화학적 작용기는 카르복실기, 카르보닐기 또는 그 조합을 포함하는 전극의 제조 방법.
In claim 13,
Wherein said chemical functional group comprises a carboxyl group, a carbonyl group, or a combination thereof.
상기 탄소나노튜브를 화학적 에칭하는 단계 전에
상기 탄소나노튜브를 정제하여 촉매 입자 및 불순물을 제거하는 단계를 더 포함하는 전극의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Before chemical etching the carbon nanotubes
Purifying the carbon nanotubes to remove the catalyst particles and impurities further comprising the manufacturing method of the electrode.
상기 금속 기재 위에 상기 탄소나노튜브를 코팅하는 단계는
슬러리법 또는 전기 영동 퇴적법으로 수행하는 전극의 제조 방법.11. The method of claim 10,
Coating the carbon nanotubes on the metal substrate
The manufacturing method of the electrode performed by the slurry method or the electrophoretic deposition method.
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