KR101302787B1 - High energy density lithium secondary battery and method of preparation of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고에너지 밀도의 리튬 이차전지용 전극 및 이를 적용한 고에너지 밀도 이차전지에 대한 것으로, 리튬 이온전지에서 리튬 이온의 추가적인 공급을 위해 음극 표면에 리튬 금속 분말을 포함하는 고분자 필름을 삽입함으로써 전지의 용량 증가의 효과를 가져오는 것이다.
본 발명에 의하면, 전지에 함유된 음극 및 양극 재료의 리튬 저장 및 방출 능력을 최대한 활용함으로써 활성화 이후 리튬의 가역적인 용량을 획기적으로 증대시킬 수 있다.The present invention relates to a high energy density lithium secondary battery electrode and a high energy density secondary battery using the same, by inserting a polymer film containing a lithium metal powder on the surface of the negative electrode for additional supply of lithium ions in a lithium ion battery The effect is to increase the dose.
According to the present invention, it is possible to dramatically increase the reversible capacity of lithium after activation by fully utilizing the lithium storage and release capability of the negative electrode and positive electrode materials contained in the battery.
Description
본 발명은 고에너지 밀도의 리튬이차전지에 대한 것으로, 리튬이차전지의 음극 비가역 보정 및 양극 용량 보강을 위한 추가적인 리튬 소스로서 리튬 금속 분말을 포함한 고분자 필름층을 구비하는 리튬이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery having a high energy density, and a lithium secondary battery having a polymer film layer including lithium metal powder as an additional lithium source for negative electrode irreversibility correction and positive electrode capacity reinforcement of a lithium secondary battery and a method of manufacturing the same. It is about.
근래, 휴대전화, PDA, 랩탑 컴퓨터 등 휴대 전자기기의 소형화 및 경량화가 추진되고 있는 가운데 이들의 구동 전원으로 사용되는 이차전지의 고에너지 밀도를 위한 연구가 계속되고 있다. Recently, miniaturization and weight reduction of portable electronic devices such as mobile phones, PDAs, and laptop computers are being promoted, and researches for high energy density of secondary batteries used as driving power sources thereof continue.
고에너지 밀도를 달성하기 위한 이차전지로는, 음극재료로서 탄소재료와 같이, 리튬을 전기화학적 반응에 의해 흡장 및 탈리 시키는 것이 가능하도록 하는 재료를 이용한 리튬 이온 이차전지가 있다. 이러한 리튬 이온 이차전지는 음극재료 중에 흡장된 리튬이 반드시 이온상태일 것을 가정하고 설계된 것이다. 따라서 에너지 밀도는 음극재료 중에 흡장이 가능한 리튬 이온 수에 의존된다. 그러므로, 리튬 이온 이차전지에서는 리튬 이온의 흡장량을 높이는 것으로 에너지 밀도를 한층 향상시키는 것이 가능하다. 그러나 현재 리튬 이온을 최대한 효율적으로 흡장 및 탈리시키는 것이 가능한 재료로 알려져 있는 흑연의 리튬 이온 흡장량은 1g당 전기량 환산으로 372mAh에 불과하여 이론적인 한계가 있다. As a secondary battery for achieving high energy density, there is a lithium ion secondary battery using a material capable of occluding and detaching lithium by an electrochemical reaction, such as a carbon material as a negative electrode material. The lithium ion secondary battery is designed assuming that lithium occluded in the negative electrode material is necessarily an ionic state. Therefore, the energy density depends on the number of lithium ions that can be occluded in the negative electrode material. Therefore, in a lithium ion secondary battery, energy density can be improved further by increasing the occlusion amount of lithium ion. However, the lithium ion occlusion amount of graphite, which is currently known as a material capable of occluding and desorbing lithium ions as efficiently as possible, is only 372 mAh in terms of electrical capacity per gram, which has a theoretical limit.
고에너지 밀도를 얻기 위한 또 다른 예로서는 음극에 리튬금속을 구비함으로써 음극반응으로 리튬금속의 석출 및 용해반응을 이용하는 리튬 이차전지가 있다. 이러한 리튬 이차전지에서는 리튬금속의 이론전기적 화학 당량이 2054mAh/cm3으로, 리튬 이온 이차전지에서의 흑연 용량의 2.5배에 해당한다. 그러나, 이러한 리튬 이차전지는 충·방전을 반복할 때 방전용량의 노화가 크다는 문제가 있다. 이것은 음극의 체적이 리튬 석출시에 크게 팽창하고, 리튬 용해시에는 반대로 크게 수축하기 때문이다. Another example for obtaining a high energy density is a lithium secondary battery using the precipitation and dissolution reaction of lithium metal in the negative electrode reaction by providing a lithium metal in the negative electrode. In this lithium secondary battery, the theoretical electrical chemical equivalent of lithium metal is 2054 mAh / cm 3 , which corresponds to 2.5 times the graphite capacity of the lithium ion secondary battery. However, such a lithium secondary battery has a problem in that aging of the discharge capacity is large when charging and discharging are repeated. This is because the volume of the negative electrode greatly expands during the precipitation of lithium, and conversely greatly shrinks when dissolving lithium.
최근에는 리튬의 흡장 및 탈리에 의한 용량 성분과 리튬의 석출 및 용해에 의한 용량 성분을 동시에 이용하기 위한 이차전지가 개발되었다. 여기서는 음극재료로 리튬의 흡장 및 탈리가 가능한 흑연재료를 사용하고, 충전 중에 탄소재료의 표면에 리튬을 석출시킨다. 그러나, 이러한 이차전지에서는 석출된 리튬의 반응성이 크고, 치우쳐 있기 때문에 석출된 리튬과 전해액의 반응이 일어나기 쉽고, 석출된 리튬이 용해할 때 물리적으로 구부러지는 현상으로 말미암아 음극으로부터 탈락되므로 충분한 충·방전 효율 및 충·방전 사이클 특성을 얻을 수 없다. Recently, a secondary battery has been developed for simultaneously using a capacity component by occlusion and desorption of lithium and a capacity component by precipitation and dissolution of lithium. Here, a graphite material capable of occluding and desorbing lithium is used as the negative electrode material, and lithium is deposited on the surface of the carbon material during filling. However, in such secondary batteries, the precipitated lithium has a high reactivity and is biased, so that the reaction of the precipitated lithium with the electrolyte is likely to occur, and when the precipitated lithium is dissolved, it is physically bent due to the phenomenon of dropping from the negative electrode. Efficiency and charge / discharge cycle characteristics cannot be obtained.
한편, 최초 충전시의 전지의 용량을 결정하는 것은 양극의 용량이므로, 양극과 음극 사이를 이동하는 리튬의 양보다 많은 리튬을 음극에 저장시킴으로써 사이클 특성을 개선하고자 하는 노력도 계속되고 있다. 음극에 리튬을 저장하기 위한 방법으로, 알칼리 금속을 용해시킨 것에 탄소 입자 또는 섬유를 접촉시켜 반응시키는 방법, 리튬 금속층을 음극에 롤 전사 등의 방법으로 붙이는 방법, 음극 탄소재료에 리튬 금속박을 붙이는 방법, 리튬 금속과 착체를 형성하는 방향족 탄화수소를 이용하여 리튬 착체와 음극을 접촉시키는 방법, 전기화학적으로 리튬을 도입하는 방법 등이다. 이러한 방법들은 방전용량이 크거나, 최초 비가역 용량이 큰 음극에서의 리튬 손실을 보충하는 것을 목적으로 한다. On the other hand, since it is the capacity of the positive electrode to determine the capacity of the battery at the time of initial charge, efforts to improve cycle characteristics by storing more lithium in the negative electrode than the amount of lithium moving between the positive electrode and the negative electrode are also continued. As a method for storing lithium in a negative electrode, a method in which carbon particles or fibers are brought into contact with and reacted with an alkali metal dissolved therein, a method of attaching a lithium metal layer to the negative electrode by a roll transfer method, or a method of attaching lithium metal foil to a negative electrode carbon material , A method of contacting a lithium complex with a negative electrode using an aromatic hydrocarbon forming a complex with a lithium metal, a method of introducing lithium electrochemically, and the like. These methods aim to compensate for the loss of lithium in the negative electrode with large discharge capacity or large initial irreversible capacity.
본 발명은 리튬 이차전지의 전극에 리튬 금속을 추가적으로 공급함으로써 전지의 용량을 증대시키는 것을 목적으로 한다. 즉, 전지에 함유된 음극 및 양극 재료의 리튬 저장 방출 능력을 최대한 활용하여 활성화 이후의 가역적인 용량을 획기적으로 증대시키는 것이다. An object of the present invention is to increase the capacity of a battery by additionally supplying lithium metal to an electrode of a lithium secondary battery. That is, by utilizing the lithium storage release ability of the negative electrode and the positive electrode material contained in the battery to the maximum, it remarkably increases the reversible capacity after activation.
본 발명은 리튬 금속 분말을 포함하는 고분자 필름층이 전극 및 분리막 사이에 구비된 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지를 제공한다.The present invention provides a lithium secondary battery, wherein a polymer film layer including lithium metal powder is provided between an electrode and a separator.
상기 고분자 필름층은 고분자 바인더 용액에 리튬 금속 분말을 분산시킨 용액을 전극 활물질 상에 도포하고 건조시킴으로써 제조되는 것이다.The polymer film layer is prepared by applying and drying a solution in which lithium metal powder is dispersed in a polymer binder solution on an electrode active material.
상기 고분자 바인더 용액은 불소계 고분자, Acryl계 고분자, SBR계 고무, 및 PAN계 고분자로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상을 비수계 용매에 용해시킨 것일 수 있다.The polymer binder solution may be a solution of one or more selected from the group consisting of fluorine-based polymers, Acryl-based polymers, SBR-based rubbers, and PAN-based polymers in a non-aqueous solvent.
바람직하게, 상기 고분자 필름층에 포함되는 리튬 금속 분말의 양은 하기 [식 1]으로 정해진다:
Preferably, the amount of lithium metal powder included in the polymer film layer is determined by the following [Formula 1]:
[식 1][Formula 1]
(양극의 리튬 저장능력-초기 양극에 함유된 리튬 용량) < 리튬 금속 분말의 양 ≤ (양극의 리튬 저장능력-초기 양극에 함유된 리튬 용량+음극에서의 초기 비가역 소비용량)
(Lithium storage capacity of the positive electrode-lithium capacity contained in the initial positive electrode) <amount of lithium metal powder ≤ (Lithium storage capacity of the positive electrode-lithium capacity contained in the initial positive electrode + initial irreversible consumption capacity at the negative electrode)
본 발명의 리튬이차전지는 특히 음극, 고분자 필름층, 분리막 및 양극의 순으로 적층되는 것을 특징으로 한다.In particular, the lithium secondary battery of the present invention is characterized by being laminated in the order of a negative electrode, a polymer film layer, a separator and a positive electrode.
상기 고분자 필름층에는 도전재가 추가로 포함될 수 있다.The polymer film layer may further include a conductive material.
본 발명은 불소계 고분자, Acryl계 고분자, SBR계 고무, 및 PAN계 고분자로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상을 비수계 용매에 용해시킨 고분자 바인더 용액에 하기 [식 1]으로 표시되는 리튬 금속 분말을 분산 시킨 후, 이를 전극 활물질 표면에 도포하고, 건조시킴으로써 전극 표면에 리튬 금속 분말이 포함된 고분자 필름층을 형성하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 제조방법을 제공한다.
The present invention provides a lithium metal powder represented by the following [Formula 1] to a polymer binder solution in which at least one selected from the group consisting of a fluorine-based polymer, an acryl-based polymer, an SBR-based rubber, and a PAN-based polymer is dissolved in a non-aqueous solvent. After dispersing, it is applied to the surface of the electrode active material and dried to provide a method for manufacturing a lithium secondary battery, characterized in that to form a polymer film layer containing lithium metal powder on the surface of the electrode.
[식 1][Formula 1]
(양극의 리튬 저장능력-초기 양극에 함유된 리튬 용량) < 리튬 금속 분말의 양 ≤ (양극의 리튬 저장능력-초기 양극에 함유된 리튬 용량+음극에서의 초기 비가역 소비용량)
(Lithium storage capacity of the positive electrode-lithium capacity contained in the initial positive electrode) <amount of lithium metal powder ≤ (Lithium storage capacity of the positive electrode-lithium capacity contained in the initial positive electrode + initial irreversible consumption capacity at the negative electrode)
본 발명의 리튬이차전지는 전지에 함유된 음극 및 양극 재료의 리튬 저장 방출 능력을 최대한 활용하여 활성화 이후의 가역적인 용량을 획기적으로 증대시킬 수 있다.
The lithium secondary battery of the present invention can greatly increase the reversible capacity after activation by utilizing the lithium storage release ability of the negative electrode and the positive electrode material contained in the battery to the maximum.
도 1은 실시예 및 비교예에 따른 전지의 충ㆍ방전 용량을 양극의 이론적인 초기 리튬 방출 용량에 대비하여 나타낸 그래프이다. 1 is a graph showing charge and discharge capacities of batteries according to Examples and Comparative Examples in comparison with theoretical initial lithium release capacities of positive electrodes.
본 발명은 리튬 이차전지의 음극 비가역 보정 및 양극 용량 보강을 위한 추가적인 리튬 소스로서 리튬 금속 분말을 포함한 고분자 필름 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다. The present invention relates to a polymer film including lithium metal powder and a lithium secondary battery including the same as an additional lithium source for negative electrode irreversibility correction and positive electrode capacity reinforcement of a lithium secondary battery.
전지의 용량 증가를 위해서는 기존의 전지계에 추가적으로 리튬 이온을 공급하는 것(리튬 도핑 또는 리튬이온의 도핑)이 필요한데, 본 발명은 이를 위해 전극 표면에 금속 리튬 분말을 포함하는 고분자 필름층을 추가적으로 구비하는 방법을 제시한다.
In order to increase the capacity of the battery, it is necessary to additionally supply lithium ions (lithium doping or lithium ion doping) to the existing battery system, and the present invention further includes a polymer film layer including metal lithium powder on the electrode surface. How to do it.
이하 이에 대해 구체적으로 설명한다. This will be described in detail below.
본 발명에서 양극은 가역적으로 리튬의 흡장 및 방출이 가능한 전이 금속 산화물로 구성된 것으로, 전체 가역적인 리튬 저장 능력이 초기 함유된(처음부터 저장되어 있으면서 방출될 수 있는) 리튬 용량보다 큰 것을 특징으로 한다. In the present invention, the positive electrode is composed of a transition metal oxide capable of reversibly occluding and releasing lithium, and is characterized in that the total reversible lithium storage capacity is larger than the initially contained lithium capacity (which can be released while being stored from the beginning). .
본 발명은 이러한 양극의 가역적인 리튬 저장 능력과 함유 리튬 용량과의 차이보다는 크고 이 차이와 음극에서의 초기 비가역 용량 손실의 합보다는 같거나 작은 용량을 전지계에 공급하기 위하여, 그에 해당되는 양의 리튬 금속 분말을 고분자 필름 형태로 포함하도록 하여, 전극 표면에 구비시키는 것을 특징으로 한다. The present invention provides a battery having a capacity that is greater than or equal to the difference between the reversible lithium storage capacity of the positive electrode and the containing lithium capacity and equal to or smaller than the sum of the difference and the initial irreversible capacity loss at the negative electrode. It is characterized by including the lithium metal powder in the form of a polymer film, provided on the electrode surface.
이로 인해, 전지에 함유되어 있는 활물질이 가지고 있는 리튬의 저장 및 방출 능력을 최대한 발휘하여 전지의 용량을 획기적으로 증대시키는 것이다. For this reason, the capacity | capacitance of a battery can be remarkably increased by fully exhibiting the storage and releasing ability of lithium which the active material contained in a battery has.
본 발명은 상기와 같이, 전지에 함유된 음극 및 양극 재료의 리튬 저장 방출 능력을 최대한 활용함으로써 활성화 이후의 가역적인 용량을 획기적으로 증대시킬 수 있는 리튬이차전지 및 리튬이차전지에 리튬 도입의 효과를 극대화시키는 방법을 제공한다. As described above, the present invention provides the effect of introducing lithium into a lithium secondary battery and a lithium secondary battery that can dramatically increase the reversible capacity after activation by fully utilizing the lithium storage release ability of the negative electrode and the positive electrode material contained in the battery. Provide a way to maximize.
본 발명에서 금속의 리튬을 공급하는 방법으로는 과량의 금속 리튬을 함유한 입자를 소정의 바인더 고분자에 분산하여 전극에 도포하는 방법을 사용한다. 본 발명은 특히, 금속 리튬을 포함하는 조성물을 연속 롤 공정에 의해 전극 활물질의 표면에 도포하고 이를 건조시킴으로써 전극 표면에 금속 리튬 분말을 포함하는 고분자 필름을 형성하는 방법을 사용한다. In the present invention, as a method of supplying lithium of a metal, a method of dispersing particles containing excess metal lithium in a predetermined binder polymer and applying the same to an electrode is used. In particular, the present invention uses a method of forming a polymer film containing metal lithium powder on the electrode surface by applying a composition containing metal lithium to the surface of the electrode active material by a continuous roll process and drying it.
따라서, 본 발명은 활물질이 도포 되어 있는 전극 표면에 직접 금속 리튬을 포함하는 고분자 필름층을 형성하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 전극의 제조방법을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a method for producing a lithium secondary battery electrode, characterized in that to form a polymer film layer containing a metal lithium directly on the electrode surface to which the active material is applied.
상기 고분자 필름층이 형성되는 전극은 양극 또는 음극을 의미할 수 있으며, 바람직하게는 음극의 표면에 고분자 필름층이 형성되도록 한다. 이는 일반적으로 양극에 비해 음극에서의 비가역이 크게 일어나기 때문에, 이러한 음극에서의 비가역 리튬의 양을 보완해 주기 위해서는 상기 리튬 금속 분말을 포함하는 고분자 필름층을 음극의 표면에 형성하는 것이 바람직하기 때문이다. The electrode on which the polymer film layer is formed may mean an anode or a cathode, and preferably, a polymer film layer is formed on the surface of the cathode. This is because irreversibility at the negative electrode is generally greater than that of the positive electrode, and in order to compensate for the amount of irreversible lithium at the negative electrode, it is preferable to form a polymer film layer including the lithium metal powder on the surface of the negative electrode. .
본 발명에 따른 리튬 이차전지의 음극으로는 구리 등을 이용한 금속 집전판에, 음극 활물질로서 기존의 탄소계 재료뿐만 아니라, 탄소계 재료에 비해 고용량이며, 또한 초기 비가역 용량 손실이 큰 리튬 합금 형성 재료, 예를 들면, Si, Sn, Al, 및 상기 활성 원소의 합금, 또는 이들의 산화물을 사용한다. As a negative electrode of the lithium secondary battery according to the present invention, a lithium current collector having a high capacity and a large initial irreversible capacity loss as well as a conventional carbon-based material as a negative electrode active material as a negative electrode active material in a metal current collector plate using copper or the like. For example, Si, Sn, Al, and alloys of the active elements, or oxides thereof are used.
본 발명은 양극이 가역적으로 저장할 수 있는 능력을 100% 활용하고, 이것과 초기 함유된 리튬량의 차이를 충분히 활용하는 것에 특징이 있다. 이러한 양극으로는 알루미늄 등을 이용한 금속 집전판에, 양극 활물질로서, 가역적인 리튬 흡장·방출이 가능한 리튬 비함유 전이 금속 산화물, 리튬 함유 전이 금속 산화물 또는 이들을 혼합해서 코팅한 것을 사용한다. The present invention is characterized by utilizing the ability of the positive electrode to reversibly store 100% and fully utilizing the difference between this and the amount of lithium initially contained. As such a positive electrode, a lithium current-containing transition metal oxide, a lithium-containing transition metal oxide capable of reversibly occluding and releasing lithium, or a mixture of these and coated with a metal current collector plate made of aluminum or the like is used as the positive electrode active material.
상기 리튬 비함유 양극 활물질의 비제한적인 예로는, MnO2, MoO3, VO2, V2O5, V6O13, Cr3O8, CrO2이 있다. Non-limiting examples of the lithium-free positive electrode active material is MnO 2 , MoO 3 , VO 2 , V 2 O 5 , V 6 O 13 , Cr 3 O 8 , CrO 2 .
또한, 상기 리튬 함유 전이 금속 산화물의 비제한적인 예로는, 층상구조를 갖는 LiMO2조성의 물질(금속 M 원소는 Co, Ni, Mn, 또는 이들의 혼합물인 것), 스피넬 구조의 LiMn2O4, 올리빈 구조의 LiFePO4 등이 있다. In addition, non-limiting examples of the lithium-containing transition metal oxide, the material of the LiMO 2 composition having a layer structure (metal M element is Co, Ni, Mn, or a mixture thereof), LiMn 2 O 4 of the spinel structure And LiFePO 4 having an olivine structure.
본 발명은 리튬 이차전지의 전극 표면에 금속 리튬층을 형성하여 전극을 제조하는 것을 특징으로 한다. 일 실시예로서, 금속 리튬층은 고분자 바인더상에 금속 리튬 분말을 분산시킨 것을 전극 표면에 코팅시키는 방법으로 형성된 고분자 필름층으로 형성될 수 있다. The present invention is characterized in that to produce an electrode by forming a metal lithium layer on the electrode surface of the lithium secondary battery. As an example, the metal lithium layer may be formed of a polymer film layer formed by coating a surface of an electrode with a metal lithium powder dispersed on a polymer binder.
이는 리튬이 과량 함유되어 있는 입자를 소정의 바인더 용액에 분산하여, 전극 표면에 연속 도포하고 이를 연속 롤 프레스를 통과하여 리튬 도포막을 형성하는 것이다. This disperse | distributes the particle | grains which contain excessive lithium in a predetermined | prescribed binder solution, it apply | coats continuously to an electrode surface, and it passes through a continuous roll press, and forms a lithium coating film.
이 때, 리튬이 과량 함유되어 있는 입자로는, 표면에 안정화 층이 도포되어 있는 리튬 금속 파우더를 이용하는 것이 가능하다.At this time, it is possible to use the lithium metal powder in which the stabilization layer was apply | coated to the surface as particle | grains which contain excessive lithium.
상기 고분자 바인더 용액으로는 PVDF와 같은 불소계 고분자, Acryl계 고분자, SBR계 고무, 및 PAN계 고분자를 비수계 용매에 분산한 것을 이용할 수 있으며, 상기 비수계 용매로서 본 발명의 하기 실시예에서는 p-xylene을 사용하고 있으나, 본 발명에 사용되는 비수계 용매의 종류는 특별히 한정되지 아니하며, 다만 수분이 전혀 함유되어 있지 않은 유기 용매 계열의 비수계 용매라면 만족 될 수 있다.
The polymer binder solution may be a dispersion of a fluorine-based polymer such as PVDF, an Acryl-based polymer, an SBR-based rubber, and a PAN-based polymer in a non-aqueous solvent. As the non-aqueous solvent, p- Although xylene is used, the type of non-aqueous solvent used in the present invention is not particularly limited, but may be satisfied as long as the organic solvent-based non-aqueous solvent does not contain any moisture.
상기와 같은 고분자 바인더 용액에 하기 [식 1]로 표시되는 양의 리튬 금속 분말을 분산시킨다:A lithium metal powder in an amount represented by the following [Formula 1] is dispersed in the polymer binder solution as described above:
[식 1][Formula 1]
(양극의 리튬 저장능력-초기 양극에 함유된 리튬 용량) < 리튬 금속 분말의 양 ≤ (양극의 리튬 저장능력-초기 양극에 함유된 리튬 용량+음극에서의 초기 비가역 소비용량)
(Lithium storage capacity of the positive electrode-lithium capacity contained in the initial positive electrode) <amount of lithium metal powder ≤ (Lithium storage capacity of the positive electrode-lithium capacity contained in the initial positive electrode + initial irreversible consumption capacity at the negative electrode)
상기 [식 1]에 의한 양의 리튬 금속 분말을 전극에 포함시키는 것으로 인해, 리튬의 음극 비가역 보정과 양극 용량을 최대한 활용하고, 리튬 금속 분말의 양이 과다할 경우에도 리튬의 석출로 인한 성능 저하를 최소화할 수 있다. By including the lithium metal powder of the amount according to [Equation 1] in the electrode, the negative electrode irreversible correction of the lithium and the positive electrode capacity are utilized to the maximum, and even if the amount of the lithium metal powder is excessive, performance deterioration due to precipitation of lithium Can be minimized.
한편, 상기 고분자 바인더 용액에는 도전재가 포함될 수 있다. 상기 도전재는, 필름 형성을 위하여 고분자를 첨가할 경우 저하되는 전도성을 보완하고, 리튬 금속 분말이 충분히 반응할 수 있도록 전도성 경로를 형성하는 역할을 한다. Meanwhile, the polymer binder solution may include a conductive material. The conductive material complements the conductivity deteriorated when the polymer is added to form a film, and serves to form a conductive path so that the lithium metal powder can sufficiently react.
상기 도전재의 종류는 특별히 한정되지 아니하며, 카본 블랙(carbon black)과 같은 공지의 도전성 탄소계 재료를 이용할 수 있다. 이러한 도전재 입자의 입경이나 재질, 배합량 또한 특별히 제한하지 아니한다. The kind of the conductive material is not particularly limited, and a known conductive carbon-based material such as carbon black can be used. The particle diameter, material, and compounding amount of such conductive material particles are not particularly limited.
리튬 금속 분말을 포함하는 고분자 바인더 용액의 도포의 방법으로는 스프레이 분사, 롤 코팅, 딥 코팅 등의 연속 코팅 방법을 사용할 수 있다. As a method of application | coating of the polymeric binder solution containing lithium metal powder, continuous coating methods, such as spray injection, roll coating, dip coating, can be used.
다음으로 도포 된 고분자 바인더 용액으로부터 용매를 증발시키고, 고분자 수지의 경화를 위해 열을 가하면서 건조시킴으로써 고분자 필름층을 형성한다.Next, the solvent is evaporated from the applied polymer binder solution, and a polymer film layer is formed by drying while applying heat to cure the polymer resin.
상기 고분자 필름층의 두께는 특별히 제한되지 아니하나, 바람직하게는 총 전극 두께를 100㎛ 전후로 할 때, 30 ㎛ 내지 40 ㎛ 정도이며, 이는 0.83 mA/cm2의 용량의 증가를 가져오는 양에 해당된다. 단, 상기 고분자 필름층 두께 및 전류밀도의 증가량은 일 실시예일 뿐이며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. The thickness of the polymer film layer is not particularly limited, but preferably, when the total electrode thickness is about 100 μm, about 30 μm to 40 μm, which corresponds to an amount resulting in an increase in capacity of 0.83 mA / cm 2 . do. However, the increase amount of the polymer film layer thickness and current density is only one embodiment and the present invention is not limited thereto.
상기 고분자 필름층의 두께를 너무 얇게 하는 경우에는 본 발명에 따른 효과를 기대하기 어려우며 반대로 리튬을 함유하는 고분자 필름층의 두께가 너무 두꺼운 경우에는 전지의 두께가 두꺼워지고 리튬 이온 등의 교환이 어려워지는 문제가 발생할 수 있다. When the thickness of the polymer film layer is too thin, it is difficult to expect the effect according to the present invention. On the contrary, when the thickness of the polymer film layer containing lithium is too thick, the thickness of the battery becomes thick and the exchange of lithium ions is difficult. Problems may arise.
본 발명은 상기 고분자 필름층을 포함하는 전극을 통상의 리튬이차전지의 조립방법에 의해 조립함으로써, 활성화 이후의 가역적인 용량이 획기적으로 증대된 리튬 이차전지를 제공한다. The present invention provides a lithium secondary battery in which the reversible capacity after activation is dramatically increased by assembling an electrode including the polymer film layer by a conventional lithium secondary battery assembly method.
또한, 본 발명의 전극 제조방법에 있어서 전극의 집전체로서 특별히 제한하지 아니하며, 통상적으로 이용되는 금속박 집전체를 사용하는 것이 가능하여 전극의 기계적 강도가 우수하고, 전극 제조 공정에 있어서도 종래의 공정을 그대로 적용할 수 있고, 다만 전극 표면에 금속 리튬층을 구비시키는 공정을 추가하는 것이어서 발명의 실시가 용이하다.
In addition, the electrode manufacturing method of the present invention is not particularly limited as the current collector of the electrode, and it is possible to use a metal foil current collector which is usually used, and thus the mechanical strength of the electrode is excellent, and the conventional process is also used in the electrode manufacturing process. The present invention can be applied as it is, but it is easy to carry out the invention by adding a step of providing a metal lithium layer on the electrode surface.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되지는 아니한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited only to these examples.
실시예Example
하기 방법으로 리튬이차전지의 양극 및 음극을 제조하였다.
A positive electrode and a negative electrode of a lithium secondary battery were manufactured by the following method.
(1) 음극의 제조 (1) Preparation of Cathode
20㎛ 두께의 구리 집전판에 음극 활물질로서, 단위 무게당 용량이 1950 mAh/g 이며, 초기 비가역 용량이 520 mAh/g 인 것을 특징으로 하는 SiO/C 가 45 중량%, 용량이 약 300 mAh/g 이며 초기 비가역 용량이 30 mAh/g 인 Soft Carbon 이 45 중량%, 바인더로서 기능하는 PVDF 이 10 중량% 인 코팅층을 단면에 갖는 음극판을 제조하였다. 코팅층의 가역적인 리튬 저장 방출 능력은 2.5mAh/cm2 가 되도록 조절하였다.
As a negative electrode active material on a 20 μm thick copper current collector, the capacity per unit weight is 1950 mAh / g, and the initial irreversible capacity is 520 mAh / g, with 45 wt% SiO / C and a capacity of about 300 mAh / A negative electrode plate having a coating layer having a coating layer of 45 wt% of Soft Carbon having an initial irreversible capacity of 30 mAh / g and 10 wt% of PVDF serving as a binder was prepared. The reversible lithium storage release capacity of the coating layer was adjusted to be 2.5 mAh / cm 2 .
그런 다음, 비수계 용매 p-xylene 에 경화성 고분자 수지인 폴리에틸렌(polystylene)을 용해시킨 후, 리튬 금속 분말(용량 3625 mAh/g)의 양이 0.23mg/cm2(상기 [식 1]에 따라 계산)이 되도록 분산시켜 리튬 금속 분말을 포함하는, 농도 약 1.9%의 고분자 바인더 용액을 제조하였다.
Then, after dissolving polyethylene (polystylene) as a curable polymer resin in the non-aqueous solvent p-xylene, the amount of lithium metal powder (capacity 3625 mAh / g) is 0.23 mg / cm 2 (calculated according to [Equation 1] above) And a polymer binder solution having a concentration of about 1.9% including lithium metal powder was prepared.
이를 상기 제조된 음극 활물질 표면에 드랍 캐스팅(drop casting) 방법으로 도포한 후 건조시킴으로써 리튬 금속 분말을 포함하는 고분자 필름층을 음극 활물질 표면에 형성하였다. A polymer film layer containing lithium metal powder was formed on the surface of the negative electrode active material by applying it to the surface of the prepared negative electrode active material by a drop casting method and then drying.
(2) 양극의 제조(2) production of anode
20㎛ 두께 알루미늄 집전판에, 양극 활물질로서 초기 방출 용량이 115mAh/g, 가역적인 리튬 저장 용량이 110mAh/g인 LiMn2O4가 88 중량%, 도전성 탄소 아세틸렌 블랙(Acetylene black)이 5.5 중량%, PVDF가 6.5 중량%인 코팅층을 갖는 양극을 제조하였다. 이때 코팅층의 가역적인 리튬 저장, 방출 능력은 1.2mAh/cm2가 되도록 조절하였다.
In the 20 탆 thick aluminum current collector, 88 wt% of LiMn 2 O 4 with an initial emission capacity of 115 mAh / g, reversible lithium storage capacity of 110 mAh / g as a positive electrode active material, and 5.5 wt% of conductive carbon acetylene black , A positive electrode having a coating layer having a PVDF of 6.5% by weight was prepared. The reversible lithium storage, release capacity of the coating layer was adjusted to 1.2mAh / cm 2 .
(3) 전지의 조립(3) battery assembly
상기 음극 및 양극, 폴리에틸렌(Polyethylene) 분리막, LiPF6를 염으로 하는 EC/EMC/첨가제가 함유된 유기 전해액을 조립하여 전극 면적인 약 12.6cm2인 알루미늄 라미네이트 패키지(Aluminum laminate package)형 소형 셀을 제작하였다.
An aluminum laminate package-type small cell having an electrode area of about 12.6 cm 2 was assembled by assembling the organic electrolyte solution containing the cathode and the anode, the polyethylene separator, and the EC / EMC / additive containing LiPF 6 as a salt. Produced.
비교예Comparative Example
상기 실시예의 음극활물질과 동일한 조성물로 구성된 상기 음극에, 리튬 금속 분말을 포함하는 고분자 필름층을 도포하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예와 동일한 방법으로 음극 및 양극을 제조하여 조합하였고 기타 상기 실시예와 동일한 방법으로 비교용 셀을 제조하였다.
A negative electrode and a positive electrode were prepared and combined in the same manner as in the above example, except that the polymer film layer including the lithium metal powder was not applied to the negative electrode composed of the same composition as the negative electrode active material of the above embodiment, and the above-mentioned other implementations Comparative cells were prepared in the same manner as in Example.
전지의 용량 평가Battery capacity evaluation
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 전지를 활성화하고, 그 후 4.2~ 1.5 V의 범위에서 충ㆍ방전시켰다. 이 후 전지의 충ㆍ방전 사이클 특성을 조사하였으며, 이에 대한 결과는 [표 1] 및 [도 1]에 기재하였다.The batteries produced in the above Examples and Comparative Examples were activated, and then charged and discharged in the range of 4.2 to 1.5V. After that, the charge / discharge cycle characteristics of the battery were investigated, and the results are shown in [Table 1] and [FIG. 1].
그 결과, 전지의 용량 평가에 있어서, 하기 [표 1]에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 리튬 금속 분말이 함유된 고분자 필름층을 포함하는 음극을 구비하고 있는 리튬이차전지가 충ㆍ방전 용량 및 효율에 있어서도 비교예에 의한 전지보다 우수한 결과가 나타났다. As a result, in the capacity evaluation of the battery, as shown in the following [Table 1], the lithium secondary battery having a negative electrode including the polymer film layer containing the lithium metal powder according to the present invention has a charge and discharge capacity and Also in efficiency, the result superior to the battery by a comparative example was shown.
또한, 도 1에 기재된 그래프와 같이 본 발명에 따른 실시예의 전지의 경우, 음극의 비가역 용량을 완전히 상쇄하였으며, 잉여의 리튬 용량이 저전압 MnO2 소재로 방전이 되는 것을 확인할 수 있다. In addition, in the battery of the embodiment according to the present invention as shown in the graph of Figure 1, the irreversible capacity of the negative electrode completely canceled, the excess lithium capacity is low voltage MnO 2 It can be seen that the material is discharged.
[표 1][Table 1]
Claims (10)
양극의 리튬 저장능력이 초기 양극에 함유된 리튬 용량보다 큰 양극활물질을 포함하며,
상기 고분자 필름층에 포함되는 리튬 금속 분말의 양은 하기 [식 1]로 정해지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
[식 1]
(양극의 리튬 저장능력-초기 양극에 함유된 리튬 용량) < 리튬 금속 분말의 양 ≤ (양극의 리튬 저장능력-초기 양극에 함유된 리튬 용량+음극에서의 초기 비가역 소비용량)
A polymer film layer comprising a lithium metal powder is included between the electrode and the separator,
The lithium storage capacity of the positive electrode contains a positive electrode active material larger than the lithium capacity contained in the initial positive electrode,
Lithium secondary battery, characterized in that the amount of the lithium metal powder contained in the polymer film layer is determined by the following [formula 1].
[Formula 1]
(Lithium storage capacity of the positive electrode-lithium capacity contained in the initial positive electrode) <amount of lithium metal powder ≤ (Lithium storage capacity of the positive electrode-lithium capacity contained in the initial positive electrode + initial irreversible consumption capacity at the negative electrode)
상기 전극은 음극인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
The method of claim 1,
The electrode is a lithium secondary battery, characterized in that the negative electrode.
상기 고분자 필름층은 고분자 바인더 용액에 리튬 금속 분말을 분산시킨 용액을 전극 활물질 상에 도포하고 건조시킴으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
The method of claim 1,
The polymer film layer is a lithium secondary battery, characterized in that produced by applying a solution in which the lithium metal powder dispersed in a polymer binder solution on the electrode active material and dried.
상기 고분자 바인더 용액은 불소계 고분자, Acryl계 고분자, SBR계 고무, 및 PAN계 고분자로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상을 비수계 용매에 용해시킨 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method of claim 3,
The polymer binder solution is a lithium secondary battery, characterized in that one or more selected from the group consisting of fluorine-based polymer, Acryl-based polymer, SBR-based rubber, and PAN-based polymer in a non-aqueous solvent.
상기 리튬 이차전지는 음극, 고분자 필름층, 분리막 및 양극의 순으로 적층되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
The method of claim 1,
The lithium secondary battery is a lithium secondary battery, characterized in that laminated in the order of a negative electrode, a polymer film layer, a separator and a positive electrode.
상기 고분자 필름층에는 도전재가 추가로 포함된 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
The method of claim 1,
Lithium secondary battery, characterized in that the polymer film layer further comprises a conductive material.
상기 단계의 결과물을 전극 활물질 표면에 도포하고, 건조시킴으로써 전극 표면에 리튬 금속 분말이 포함된 고분자 필름층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 고분자 바인더 용액에 분산되는 리튬 금속 분말의 양은 하기 [식 2]로 정해지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 제조방법.
[식 2]
(양극의 리튬 저장능력-초기 양극에 함유된 리튬 용량) < 리튬 금속 분말의 양 ≤ (양극의 리튬 저장능력-초기 양극에 함유된 리튬 용량+음극에서의 초기 비가역 소비용량)
Dispersing lithium metal powder in a polymer binder solution in which at least one selected from the group consisting of a fluorine-based polymer, an acryl-based polymer, an SBR-based rubber, and a PAN-based polymer is dissolved in a non-aqueous solvent;
Forming a polymer film layer containing lithium metal powder on the surface of the electrode by applying the resultant of the above step to the surface of the electrode active material and drying it;
The amount of the lithium metal powder dispersed in the polymer binder solution is determined by the following [formula 2].
[Formula 2]
(Lithium storage capacity of the positive electrode-lithium capacity contained in the initial positive electrode) <amount of lithium metal powder ≤ (Lithium storage capacity of the positive electrode-lithium capacity contained in the initial positive electrode + initial irreversible consumption capacity at the negative electrode)
상기 전극 활물질 표면은 음극 활물질의 표면인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 제조방법.9. The method of claim 8,
The electrode active material surface is a surface of the negative electrode active material manufacturing method of a lithium secondary battery.
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