KR101499353B1 - Binder for anode in lithium ion battery, anode in lithium ion battery comprising the same, lithium ion battery comprising the same, and manufacturing method for the same - Google Patents

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최장욱
알리 조스쿤
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Abstract

In the present invention, provided is a binder for an anode in lithium ion batteries having a β-cyclodextrin polymer which is a hyperbranched net structure. Specifically, provided is the binder having the hyperbranched polymer net structure, which is originated from polymerization of a unique and large-sized structure of β-cyclodextrin (β-CD) and a three-dimensional structure of the unit β-cyclodextrin (β-CD). The binder facilitates interaction of Si-binder and self-healing ability and has an outstanding effect of improving mechanical stability on the film of electrodes, and can resolve chronic irregular cycle life of anode in Si.

Description

리튬 이온전지 음극용 바인더, 이를 포함하는 리튬 이온전지 음극, 리튬 이온전지 및 그 제조방법{Binder for anode in lithium ion battery, anode in lithium ion battery comprising the same, lithium ion battery comprising the same, and manufacturing method for the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a binder for a lithium ion battery anode, a lithium ion battery negative electrode including the same, a lithium ion battery including the same, and a method of manufacturing the lithium ion battery. for the same}

본 발명은 리튬 이온전지 음극용 바인더, 이를 포함하는 리튬 이온전지 음극, 리튬 이온전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 β-시클로덱스트린(β-CD)의 독특한 거대고리 구조와, 상기 단위 β-시클로덱스트린의 삼차원 구조로의 중합으로부터 기원하는 초분지화된 중합체 망구조의 리튬 이온전지 음극용 바인더, 이를 포함하는 리튬 이온전지 음극, 리튬 이온전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium ion battery negative electrode binder, a lithium ion battery negative electrode comprising the same, a lithium ion battery, and a method of preparing the same. More particularly, the present invention relates to a unique macrocyclic structure of? -Cyclodextrin (? The present invention relates to a binder for a lithium ion battery negative electrode having a hyperbranched polymer network structure originating from the polymerization of a unit? -Cyclodextrin into a three-dimensional structure, a lithium ion battery negative electrode comprising the same, a lithium ion battery and a method for producing the same.

많은 전지 회사들은 뛰어난 이론적 질량 용량(gravimetric capacity)(~4200 mAh g-1) 때문에 리튬 이온 전지(LIB) 애노드 재료로서 실리콘(Si)에 큰 관심을 기울이고 있는데, 실리콘의 이론적 질량 용량은 종래의 흑연(370 mAh g-1)의 대략 10배 이상이다.Many battery companies are paying a great deal of attention to silicon (Si) as a lithium-ion battery (LIB) anode material due to their excellent theoretical gravimetric capacity (~ 4200 mAh g -1 ). The theoretical mass capacity of silicon, (370 mAh g < -1 >).

Si의 높은 질량 용량은 많은 핵심 리튬 이온 전지(LIB) 목적들을 실현시키는 과정에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 이러한 관점에서의 좋은 예들은 높은 전력 소비를 요하는 향상된 휴대용 전자 장치들과, 각 충전마다 구동 거리가 긴 전기차이다.The high mass capacity of Si is expected to play an important role in the realization of many key lithium-ion battery (LIB) objectives. Good examples from this point of view are improved portable electronic devices that require high power consumption and electric vehicles that have a long drive distance for each charge.

유리한 질량 용량에도 불구하고 Si는 반복된 Li (탈)삽입 동안의 큰 부피 변화로부터 기원하는 짧은 사이클 수명(cycle life)이 단점이다. Li4.4Si 합금을 형성하는 리튬화에서는 Si가 그것의 초기 상태에 비해 ~300%의 부피 팽창을 겪는다.Despite the advantageous mass capacity, Si is a disadvantage of a short cycle life originating from a large volume change during repeated Li (de) insertion. In lithiation to form a Li 4.4 Si alloy, Si undergoes ~ 300% volume expansion compared to its initial state.

전지 작동 동안의 Si의 상당한 부피 변화는 활물질의 분쇄, Si와 탄소 도전제 사이의 느슨한 접촉, 집전체로부터 막 박리, 및 탈안정화된 고체-전해질 계면(SEI) 형성과 같은 치명적인 열화 메커니즘들을 촉발시킨다.A significant volume change of Si during battery operation triggers deadly deterioration mechanisms such as crushing of the active material, loose contact between the Si and the carbon conductive material, film separation from the current collector, and formation of a destabilized solid-electrolyte interface (SEI) .

나노구조화의 Si를 포함하는 다양한 스전극 설계들은 이러한 열화 메커니즘의 완화에 효과적인 것으로 증명되었지만, 이제는 바인더의 선택이 또한 전지 성능에 큰 영향을 미치게 되었다.Various electrode designs, including nanostructured Si, have been shown to be effective in mitigating such deterioration mechanisms, but now the choice of binder also has a significant impact on cell performance.

Si 전극을 위한 이상적인 바인더는 견고한 중합체 백본은 물론 Si 표면의 자생 산화실리콘층 및 Cu 집전체 상의 구리(Cu) 산화물들과의 효과적인 상호작용을 보유하는 것이 제안되었다.It has been proposed that the ideal binder for the Si electrode retains effective interactions with the native oxide silicon layer on the Si surface as well as the solid polymer backbone and copper (Cu) oxides on the Cu current collector.

특히, 후자의 측면에 집중하면, 반데르발스 상호작용에 주로 기초하여 작용하는 종래의 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(PVDF)와 비교해서, 카르복실산 및/또는 히드록실 관능기를 함유하는 중합체 바인더는 Si 활물질과의 수소 결합 상호작용을 활용하여 우수한 사이클링 성능을 가져올 수 있다는 것이 최근 조사에서 드러났다.In particular, focusing on the latter aspect, compared with conventional poly (vinylidene fluoride) (PVDF), which acts primarily on Van der Waals interactions, a polymeric binder containing carboxylic acid and / Recent research has shown that hydrogen bonding interaction with Si active material can be utilized to achieve excellent cycling performance.

수소 결합 능력을 지닌 대표적인 바인더로는 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 폴리아크릴산(PAA), 및 알기네이트(Alg)가 있다.Representative binders with hydrogen bonding capabilities include carboxymethylcellulose (CMC), polyacrylic acid (PAA), and alginate (Alg).

이들 일련의 바인더 중에서도 중합체의 주어진 분자량 당 카르복실레이트 자리의 수가, Si와의 상호작용 및 그로 인한 사이클 수명에 직접 영향을 미친다.Among these series of binders, the number of carboxylate sites per given molecular weight of the polymer directly affects the interaction with Si and hence the cycle life.

이들 중합체 바인더에 기초한 개선된 사이클 수명은 Si 애노드 연구에서 상당한 진전을 이루었지만, 이들 중합체의 일차원(1D)적 직선형 백본은 Si와의 상호작용을 점 또는 선 접촉으로만 제한한다. 따라서, 이러한 상호작용을 뛰어넘어 작용할 수 있는 새로운 중합체 바인더를 개발하는 것이 매우 바람직하다Although the improved cycle life based on these polymeric binders has made considerable progress in the Si anode studies, the one-dimensional (1D) linear backbone of these polymers limits the interaction with Si to only point or line contact. It is therefore highly desirable to develop a new polymeric binder that can act beyond this interaction

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 Si와의 상호작용을 확장시킬 수 있는 다차원 구조의 리튬이차전지 음극용 바인더 및 그 응용방법을 제공하는 것이다. Accordingly, a problem to be solved by the present invention is to provide a binder for a cathode of a lithium secondary battery having a multidimensional structure that can expand the interaction with Si and an application method thereof.

상기 과제를 해결하기 위하여, 초분지화된 망구조의 시클로덱스트린 중합체를 포함하는 리튬 이온전지 음극용 바인더를 제공한다. In order to solve the above problems, there is provided a binder for a lithium ion battery anode comprising a cyclodextrin polymer having a hyperbranched network structure.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 시클로덱스트린 중합체는 알파(α), 베타(β) 및 감마(γ) 시클로덱스트린으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이다. In one embodiment of the present invention, the cyclodextrin polymer is any one selected from the group consisting of alpha (alpha), beta (beta) and gamma (gamma) cyclodextrins.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 시클로덱스트린 중합체는 하기 구조식의 β- 시클로덱스트린 중합체이다.  In one embodiment of the invention, the cyclodextrin polymer is a? -Cyclodextrin polymer of the structure:

Figure 112013095269223-pat00001
Figure 112013095269223-pat00001

상기 n은 10 내지 10000의 정수이고, R은 하기 화학식 중 어느 하나인 화합물임Wherein n is an integer of 10 to 10000 and R is a compound of any one of the following formulas

Figure 112013095269223-pat00002
Figure 112013095269223-pat00002

본 발명의 일 실시예에서, 상기 β- 시클로덱스트린 중합체는, β- 시클로덱스트린 단량체를 에피클로로히드린와 반응시켜 제조된 것이며, 상기 β- 시클로덱스트린 단량체의 히드록실기와, 에피클로로히드린의 에테르기가 결합됨으로써, 상기 β- 시클로덱스트린 중합체가 중합된다 In one embodiment of the present invention, the? -Cyclodextrin polymer is prepared by reacting a? -Cyclodextrin monomer with epichlorohydrin, and the hydroxyl group of the? -Cyclodextrin monomer and the ether of epichlorohydrin Group is combined, whereby the? -Cyclodextrin polymer is polymerized

본 발명의 일 실시예에서, 상기 리튬 이온전지 음극용 바인더는, 알기네이트를 더 포함하며, 상기 알기네이트는 상기 바인더의 10 내지 15중량%이다. In one embodiment of the present invention, the lithium ion battery negative electrode binder further comprises alginate, and the alginate is 10 to 15% by weight of the binder.

본 발명은 또한 리튬 이온전지 음극용 바인더를 포함하는 리튬 이온전지 음극을 제공한다. The present invention also provides a lithium ion battery negative electrode comprising a binder for a lithium ion battery negative electrode.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 리튬 이온전지 음극은, 실리콘을 상기 음극의 활물질로 포함한다. In one embodiment of the present invention, the lithium ion battery negative electrode contains silicon as the negative electrode active material.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 리튬 이온전지 음극용 바인더는 초분지화된 망구조의 β- 시클로덱스트린 중합체를 포함하며, 상기 초분지화된 망구조의 β- 시클로덱스트린 중합체는 상기 실리콘과 수소결합을 한다. In one embodiment of the present invention, the binder for a lithium ion battery anode comprises a? -Cyclodextrin polymer having a hyperbranched network structure, and the? -Cyclodextrin polymer of the hyperbranched network structure is a mixture of the silicon and the hydrogen And the like.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 실리콘은 상기 리튬 이온전지 음극용 바인더와 복수 위치에서 수소결합을 하며, 상기 리튬 이온전지 음극용 바인더는 초분지화된 망구조의 β- 시클로덱스트린 중합체 및 알기네이트를 더 포함한다. In one embodiment of the present invention, the silicon is hydrogen bonded at a plurality of positions with the binder for the lithium ion battery negative electrode, and the binder for the lithium ion battery negative electrode is selected from the group consisting of a hyperbranched network structure? -Cyclodextrin polymer and alginate .

본 발명의 일 실시예에서, 상기 알기네이트에 의하여 상기 초분지화된 망구조의 β- 시클로덱스트린 중합체의 응집 현상은 감소하며, 상기 β- 시클로덱스트린 중합체에 의하여 상기 알기네이트간 정전기적 반발력은 감소한다. In one embodiment of the present invention, the agglomeration of the? -Cyclodextrin polymer of the hyperbranched network structure by the alginate is reduced, and the electrostatic repulsion between the alginates is reduced by the? -Cyclodextrin polymer do.

본 발명은 또한 상술한 리튬 이온전지 음극을 포함하는 리튬 이온전지를 제공한다. The present invention also provides a lithium ion battery including the above-described lithium ion battery negative electrode.

본 발명은, β-시클로덱스트린(β-CD)의 독특한 거대고리 구조와, 상기 단위 β-시클로덱스트린의 삼차원 구조로의 중합으로부터 기원하는 초분지화된 중합체 망구조의 바인더를 제공한다. 본 발명에 따른 바인더는, 향상된 Si-바인더 상호작용은 물론 자체-치유 능력을 용이하게 하며, 전극 막의 기계적 안정성을 개선하는데 있어서 상당한 효과를 달성하며, Si 음극의 만성적인 불충분한 사이클 수명을 해결할 수 있다. The present invention provides a binder of a hyperbranched polymer network structure originating from the polymerization of a unique macrocyclic structure of? -Cyclodextrin (? -CD) and a three-dimensional structure of the unit? -Cyclodextrin. The binder according to the present invention facilitates the self-healing ability as well as the improved Si-binder interactions, achieves a considerable effect in improving the mechanical stability of the electrode film, and can solve the chronic insufficient cycle life of the Si negative electrode have.

도 1a 알기네이트(Alg), 도 1b는 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp) 바인더의 구조식 및 그림이다.
도 1c는 Si(구체)의 리튬화/탈리튬화 동안 (c) SiAlg 에 대한 Si-바인더 모식도이고, 도 1d는 Siβ-CDp에 대한 Si-바인더 구조의 모식도이다.
도 2a는 물로 블렌드를 세척하기 전, 후에 TGA 분석에 기초하여 계산된 Si/바인더 블렌드에서 바인더 양의 비교 결과이고, 도 2b는 두 바인더에 기초한 Si/바인더 막에 대한 벌크 스케일 박리 특성화 분석 결과이다.
도 3a는 Siβ-CDp, Siβ-CD, 및 SiAlg의 최초 전압 프로파일, 삽도는 각 각 샘플에 대한 초기 쿨롱 효율(ICE)을 나타내는 결과이다.
도 3b는 1C(4200 mA g-1)에서 측정된 Siβ-CDp, Siβ-CD의 사이클 성능 그래프이다.
도 3c는 1C(4200 mA g-1)에서 측정되었을 때 흔히 사용되는 1D 바인더계 전극(Siβ-CDp, SiCMC, 및 SiAlg)과, 본 발명에 따른 Siβ-CDp 바인더 사용 전극의 사이클 성능 비교 결과이다.
도 3d는 상이한 비율의 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)와, 알기네이트(Alg)를 이용한 혼성체 바인더 접근법에 기초한 Si 전극들의 사이클 성능 결과이다.
도 4a는 분자내 수소 결합으로 인한 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)의 응집 특성, 도 4b는 카르복실레이트들 사이의 정전기적 반발력으로 인한 Alg의 신장된 특징부, 도 4c는 혼성체 바인더의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 5는 하나의 완전한 사이클 동안 상이한 단계들에서 Siβ-CDp 및 SiAlg의 SEM 이미지이다.
Fig. 1 (a) is an alginate (Alg), and Fig. 1 (b) is a structural formula and a diagram of a β-cyclodextrin polymer (β-CDp) binder.
Figure 1c is a schematic view Si- binder for the lithiated / de-lithiated (c) Si Alg for the Si (sphere), Fig. 1d is a schematic diagram of the structure of the binder Si- Si β-CDp.
Figure 2a is the result of a comparison of the amount of binder in the Si / binder blend calculated based on TGA analysis before and after washing the blend with water, and Figure 2b is the bulk scale stripping characterization analysis for the Si / binder film based on two binders .
Figure 3a is β-Si CDp, Si β-CD, and the first voltage profile, sapdo of Si Alg is a result showing the initial coulombic efficiency (ICE) for each respective sample.
FIG. 3B is a cycle performance graph of Si ? -CDp and Si ? -CD measured at 1C (4200 mA g -1 ).
Figure 3c is a 1D-based electrode binder (β-Si CDp, CMC Si, and Si Alg), a cycle of the β-Si CDp binder used in the electrode according to the present invention, which is commonly used as measured at 1C (4200 mA g -1) Performance comparison result.
Figure 3d is a cyclic performance result of Si electrodes based on a hybrid binder approach using different ratios of beta -cyclodextrin polymer (beta -CDp) and alginate (Alg).
FIG. 4A is a graph showing the aggregation characteristics of β-cyclodextrin polymer (β-CDp) due to intramolecular hydrogen bonding, FIG. 4B is an elongated feature of Alg due to electrostatic repulsion between carboxylates, FIG. Fig.
Figure 5 is a SEM image of a β-Si and Si CDp Alg at different steps during one complete cycle.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the width, length, thickness, etc. of components may be exaggerated for convenience. Like reference numerals designate like elements throughout the specification.

본 발명은 사이클 수명의 추가적 개선을 위하여 Si와 바인더 사이의 접촉 수를 증가시키는 구조의 바인더를 제공한다. The present invention provides a binder having a structure that increases the number of contacts between Si and the binder for further improvement in cycle life.

이러한 동기에 기초하여 본 발명자는 초분지화된(hyperbranched) 시클로덱스트린 중합체(CDp)를 새로운 실리콘 기반 음극(Anode)의 바인더로 제공한다. 본 발명에서 "초분지화된 구조"라 함은, 주쇄가 적어도 하나 복수의 분지에 의하여 연결되어, 전체적으로 그물과 같은 형태를 가지는 구조를 의미한다. 또한 상기 시클로덱스트리는 하기 설명되는 7개의 설탕분자로 이루어진 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp) 이외에 6개의 설탕분자로 이루어진 알파(α) 타입과, 8개이 설탕분자로 이루어진 감마(γ) 타입 사이클로덱스트린도 실리콘 음극 활물질과 적어도 둘 이상의 수소 결합을 이룰 수 있는 구조이므로, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다. Based on this motivation, we provide a hyperbranched cyclodextrin polymer (CDp) as a binder for a new silicon-based anode. In the present invention, the term " hyperbranched structure "refers to a structure in which the main chain is connected to at least one branch by a plurality of branches and has a net-like shape as a whole. Further, the cyclodextrins include alpha (alpha) type consisting of six sugar molecules and gamma (gamma) type cyclohexane type group consisting of eight sugar molecules in addition to beta -cyclodextrin polymer (beta -CDp) Since dextrin is also a structure capable of forming at least two hydrogen bonds with a silicon anode active material, this also falls within the scope of the present invention.

본 발명은 실리콘과 같은 음극 활물질과 수소결합을 할 수 있는 망구조 중합체를 사용하며, Si의 팽창-수축 과정에서도 안정된 Si-바인더간 결합을 유지하게 한다. The present invention uses a network structure polymer capable of hydrogen bonding with an anode active material such as silicon, and maintains a stable Si-binder bond even in the expansion-contraction process of Si.

본 발명의 일 실시예에 따른 바인더의 구조식은 하기 화학식 1과 같다. The structural formula of the binder according to one embodiment of the present invention is shown in the following chemical formula 1.

[화학식 1]
[Chemical Formula 1]

Figure 112013095269223-pat00003
Figure 112013095269223-pat00003

상기 n은 10 내지 10000의 정수이고, R은 하기 화학식 중 어느 하나인 화합물이다. Wherein n is an integer of 10 to 10000, and R is any one of the following formulas.

Figure 112013095269223-pat00004

Figure 112013095269223-pat00004

상기 화학식 1에서 알 수 있듯이 β-시클로덱스트린은 단량체 단위로서 글루코오스가 합체된 7-원 당 거대고리이며, β-시클로덱스트린 중합체는 이러한 7-원 당 거대고리가 연결된 형태이다. As can be seen from the above formula (1),? -Cyclodextrin is a 7-membered pericyclic ring in which glucose is incorporated as a monomer unit, and? -Cyclodextrin polymer is a form in which such 7-membered pericyclic ring is connected.

본 발명의 일 실시예에서 상기 β-시클로덱스트린 중합체의 바인더로서의 사용은, β-시클로덱스트린이 효소 과정들에 의해 보통 녹말로부터 쉽게 합성될 수 있기 때문에 산업적인 측면에서 의미가 있다. In one embodiment of the present invention, the use of the beta -cyclodextrin polymer as a binder is industrially meaningful because beta -cyclodextrin can be easily synthesized from starches by enzymatic processes.

일차 및 이차 알코올의 존재는 β-시클로덱스트린을, 에피클로로히드린(EPI)에 의한 추가 관능화를 위한 이상적인 백본(주쇄, back-bone)으로 만들며, 이로써 다양한 히드록실 기들을 지닌 초분지화된 형태의 β-시클로덱스트린이 형성된다. The presence of primary and secondary alcohols makes [beta] -cyclodextrin an ideal backbone for further functionalization with epichlorohydrin (EPI), thereby providing a hyperbranched Beta -cyclodextrin is formed.

도 1a 알기네이트(Alg), 도 1b는 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp) 바인더의 구조식 및 그림이다. Fig. 1 (a) is an alginate (Alg), and Fig. 1 (b) is a structural formula and a diagram of a β-cyclodextrin polymer (β-CDp) binder.

도 1a 및 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 바인더인 β-시클로덱스트린 중합체 측쇄는 단량체 또는 이량체 또는 삼량체 형태의 디히드록시프로필 부분일 수 있고, 브릿지들은 각 형태에서 글리세릴 부분일 수 있다. Referring to Figures 1A and 1B, the beta -cyclodextrin polymer side chain according to the present invention may be a dihydroxypropyl moiety in the monomeric or dimeric or trimer form, and the bridges may be glyceryl moieties in each form .

또한, 도 1c는 Si(구체)의 리튬화/탈리튬화 동안 (c) SiAlg 에 대한 Si-바인더 모식도이고, 도 1d는 Siβ-CDp에 대한 Si-바인더 구조의 모식도이다. Also, Figure 1c is a schematic view Si- binder for the lithiated / de-lithiated (c) Si Alg for the Si (sphere), Fig. 1d is a schematic diagram of the structure of the binder Si- Si β-CDp.

상기 도면을 참조하면, 종래의 1차원(1D) 중합체 바인더와는 달리 본 발명에 따른 분지된 형태의 β-시클로덱스트린은 Si의 국소 지점들에서 다수의 비-공유 상호작용을 나타낸다. 또한, 동시에 본 발명에 따른 바인더 중합체의 상호연결된 초분지화된 망구조는, 안정한 전극 막을 형성하여 전지 용량과 전지 사이클 수명 양쪽에서 현저한 개선을 가져오게 된다. Referring to the figure, unlike conventional one-dimensional (1D) polymeric binders, the branched form of the β-cyclodextrin according to the invention exhibits a large number of non-shared interactions at the localized sites of Si. In addition, at the same time, the interconnected hyperbranched network structure of the binder polymer according to the present invention forms a stable electrode film, which leads to remarkable improvement in both the battery capacity and the battery cycle life.

본 발명은 또한 혼성체 바인더의 효과를 증명했는데, 여기서는 최적량의 1D Alg 바인더의 첨가가 일련의 비-공유 상호작용으로 인한 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)의 감소된 응집과 두 바인더의 더욱 균일한 분포로 인해, 본 발명에 따른 바인더를 음극에 사용한 리튬 이온 전지의 전기화학적 성능을 더욱 개선한다.The present invention also demonstrates the effectiveness of a hybrid binder wherein the addition of an optimal amount of 1D Alg binder results in a reduced aggregation of the beta -cyclodextrin polymer (beta -CDP) due to a series of non-covalent interactions, Due to the more uniform distribution, the electrochemical performance of a lithium ion battery using the binder according to the present invention for a negative electrode is further improved.

본 발명에 따른 바인더인 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)는 강 염기성 조건에서 β-시클로덱스트린을 EPI와 반응시켜서 얻어질 수 있다. The? -Cyclodextrin polymer (? -CDp) according to the present invention can be obtained by reacting? -Cyclodextrin with EPI under strongly basic conditions.

초분지화된 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)는 측쇄에 다양한 히드록실 기들을 함유하는 β-시클로덱스트린 단량체들로 구성되고, β-시클로덱스트린의 히드록실 기들과 EPI의 무차별적인 반응으로 인해 다양한 형태의 분지 구조가 형성된다. The hyperbranched β-cyclodextrin polymer (β-CDp) is composed of β-cyclodextrin monomers containing various hydroxyl groups in the side chain, and because of the indiscriminate reaction of EPI with the hydroxyl groups of β-cyclodextrin Various types of branch structures are formed.

결과적으로, 중합 공정에 따라 일련의 히드록실과 에테르 기들이 합체된 초분지화된 β-시클로덱스트린 중합체의 독특한 분지 구조가 연결된 망구조가 획득될 수 있다. 그 결과, β-시클로덱스트린 중합체는 바인더로서 Si 입자들과 다차원적 접촉들을 생성할 수 있게 되어, 종래의 직선형 바인더와 비교했을 때 Si의 부피 팽창에 대항하며, 이로써 우수한 기계적 강도의 음극의 제조가 가능하다. As a result, depending on the polymerization process, a network structure can be obtained in which a unique branch structure of the hyper branched bis-cyclodextrin polymer, in which a series of hydroxyl and ether groups are combined, is connected. As a result, the? -Cyclodextrin polymer is capable of producing multidimensional contacts with Si particles as a binder, so as to counter the volume expansion of Si as compared to conventional linear binders, whereby the manufacture of a negative electrode of excellent mechanical strength It is possible.

또한, 초분지화된 중합체 망구조와 Si 입자들 사이의 수소 결합 상호작용은 초기 접촉을 상실한 Si 입자들에 대해 자체-치유 효과를 만들 수 있고, 이로써 전극의 개선된 주기성(cyclability)에 기여한다. In addition, the hydrogen bonding interaction between the hyperbranched polymer network structure and the Si particles can create a self-healing effect on the Si particles that lost initial contact, thereby contributing to the improved cyclability of the electrode .

더 나아가, β-시클로덱스트린 중합체는 탄산염계 전해액 용매에 불용성이며, 이는 가장 일반적으로 사용되는 LIB 전해액에서의 안정한 특성을 뒷받침한다.Furthermore, the? -Cyclodextrin polymer is insoluble in carbonate-based electrolyte solvents, which supports stable properties in the most commonly used LIB electrolytes.

구조적 관점에서 보면, Si 전극과 Alg 및 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)의 결합 메커니즘은 상이할 것으로 예상되는데, 이는 도 1c 및 d에 의하여 참조된다. From a structural point of view, the bonding mechanism of the Si electrode with Alg and the beta -cyclodextrin polymer (beta -CDp) is expected to be different, which is referred to in Figures 1c and d.

상기 도 1c 및 1d를 참조하면, Li 삽입 동안에 알기네이트(Alg) 스트랜드는 팽창된 Si 입자들에 의해 초기 상태에 비하여 강제로 신장되거나 이동된다. 이 지점까지는 Si-Alg 상호작용이 유지될 수 있다. 동일한 사이클에서 탈리튬화시에 Si 입자들은 원래 상태로 다시 수축하지만, Alg 바인더는 Si의 수축을 충분히 따를 수 없어서 두 성분 사이에 접촉 손실이 생긴다. 이 문제는 연장된 사이클링에 걸쳐 더욱 현저해진다. Referring to FIGS. 1C and 1D above, during Li insertion, Algin strands are forcibly elongated or moved relative to the initial state by the expanded Si particles. Up to this point, Si-Alg interaction can be maintained. At the same cycle, upon delithiation, the Si particles shrink again to their original state, but the Alg binder can not sufficiently follow the shrinkage of Si, resulting in a contact loss between the two components. This problem becomes even more pronounced over extended cycling.

반면, 본 발명에 따른 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)는 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)의 초분지화된 주 백본과, 상기 주 백본에 결합된 측면 기들이 서로 물리적으로 뒤엉켜 붙잡힌 중합체 망구조를 구성하며, 이것은 순전한 비-공유 상호작용, 예를 들어 수소 결합 및 반데르발스 힘을 통해 Si 입자들과의 결합력을 강화시킨다. 따라서, 상기 중합체 망구조에서 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp) 바인더는 뒤얽힌 측면 기들을 통해 Si 표면과의 다차원적 비-공유 상호작용을 제공한다(도 1d 참조). The β-cyclodextrin polymer (β-CDp) according to the present invention, on the other hand, is obtained by reacting a hyperbranched main backbone of β-cyclodextrin polymer (β-CDp) with side groups bonded to the main backbone physically entangled Polymer network structure, which enhances bonding forces with Si particles through pure non-covalent interactions, such as hydrogen bonding and van der Waals forces. Thus, in this polymer network structure, the beta -cyclodextrin polymer (beta -CDp) binder provides multidimensional non-sharing interactions with the Si surface through convoluted side groups (see FIG. 1d).

이들 상호작용은 리튬화 공정시 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp) 바인더가 Si의 매우 큰 부피 팽창을 수용할 수 있게 할 뿐만 아니라, 탈리튬화 동안에도 Si-바인더 상호작용을 유지할 수 있다. 즉, 탈리튬화의 특정 시점 및 이후의 사이클에서 바인더와의 접촉을 상실한 Si 입자들은 초분지화된 바인더 망구조의 다른 지점에서 상호작용을 회복할 수 있으며, 이로써, 자체-치유 효과가 전지 작동 내내 역할을 할 수 있고, 이것은 우수한 사이클링 성능을 가져온다.These interactions not only allow the beta -cyclodextrin polymer (beta -CDp) binder to accommodate the very large volume expansion of Si during the lithiation process, but also maintain Si-binder interactions during delithiation. That is, the Si particles that have lost contact with the binder at certain times of the de-lithiation and subsequent cycles can recover their interaction at other points in the hyperbranched binder network structure, thereby allowing the self- Can play a role throughout, which leads to excellent cycling performance.

도 2a는 물로 블렌드를 세척하기 전, 후에 TGA 분석에 기초하여 계산된 Si/바인더 블렌드에서 바인더 양의 비교 결과이고, 도 2b는 두 바인더에 기초한 Si/바인더 막에 대한 벌크 스케일 박리 특성화 분석 결과이다. Figure 2a is the result of a comparison of the amount of binder in the Si / binder blend calculated based on TGA analysis before and after washing the blend with water, and Figure 2b is the bulk scale stripping characterization analysis for the Si / binder film based on two binders .

도 2a 및 2b를 참조하면, Si 표면에 대한 본 발명에 따른 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp) 및 종래 기술에 따른 바인더인 Alg의 경우, 세척 후에는 Alg 바인더의 손실 효과가 매우 컸는데, 이것은 종래 기술에 따른 바인더인 Alg와 Si의 더 약한 상호작용을 반영한다. 2A and 2B, in the case of the β-cyclodextrin polymer (β-CDp) according to the present invention on the Si surface and Alg, which is a binder according to the prior art, the loss effect of Alg binder after washing was very large, This reflects weaker interactions of Alg and Si, which are prior art binders.

즉, 상기 결과를 참조하면, 열중량 분석(TGA)과 연계했을 때, 동일한 세척 단계 후 Si/β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp) 및 Si/알기네이트(Alg) 블렌드는 각각 바인더의 원래 양의 64.2% 및 19.9%를 보유하며, 이는 본 발명에 따른 Si/ β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)에서 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)와 Si 사이의 다차원적 비-공유 상호작용에 의한 증진된 Si-바인더 부착력을 뒷받침한다.That is, referring to the above results, it can be seen that the Si / β-cyclodextrin polymer (β-CDp) and the Si / Algin (Alg) blend, after the same washing step in conjunction with thermogravimetric analysis (TGA) 64.2% and 19.9% of the Si-β-cyclodextrin polymer (β-CDp) in the Si / β-cyclodextrin polymer (β-CDp) Lt; RTI ID = 0.0 > Si-binder. ≪ / RTI >

도 2b를 참조하면, Si, 바인더 및 구리 호일 사이의 부착력에 대한 표시인 힘 대 변위 그래프(도 2b)는 각 바인더의 경우마다 분명히 특징적인 거동을 나타냈으며, 최대 힘(*로 표시됨)은 Si/β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp) 및 Si/알기네이트(Alg) 막에 대해 각각 2.00 N 및 1.72 N인 것으로 측정되었다. Referring to Figure 2b, the force versus displacement graph (Figure 2b), which is an indication of the adhesion between Si, the binder and the copper foil, showed a distinctive behavior for each binder, the maximum force (denoted by *) being Si / 2.beta.-cyclodextrin polymer (.beta.-CDp) and Si / alginate (Alg) film were measured to be 2.00 N and 1.72 N, respectively.

또한, Si/ β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)막을 벗기는데 필요한 평균 힘(1.73 N)은, 비교예인 Si/Alg 막(1.01 N)과 비교했을 때 상당히 더 높았다. In addition, the average force (1.73 N) needed to peel the Si /? -Cyclodextrin polymer (? -CDp) film was significantly higher than the Si / Alg film (1.01 N) of the comparative example.

이들 값은, Si/Alg 막과 비교했을 때 본 발명에 따른 초분지화된 중합체 망구조에서의 다차원적 수소 결합 상호작용의 활용이 Si/β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp) 막에 더 높은 기계적 안정성을 부여한다는 추가적인 강력한 증거를 제공한다. These values indicate that utilization of the multidimensional hydrogen bonding interaction in the hyperbranched polymer network structure according to the present invention as compared to the Si / Alg film results in higher (higher) Si /? -Cyclodextrin polymer (? -CDp) Providing additional robust evidence of mechanical stability.

게다가, Si/Alg 막은 Si/β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp) 막과 비교해서 박리 테스트 후 전극의 최상부 표면에 Cu의 상당히 큰 부분이 노출되며, Cu 집전체에 전극 막의 부착은 Si/Alg 막의 전체적인 기계적 안정성에 장애가 된다는 결론을 내릴 수 있다. 반면에, Si/β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp) 막은 이러한 계면에서 증진된 부착력을 가졌으며, 동일한 박리 테스트 후 최상부 표면에 전극 막(Cu 대신)의 대부분이 유지되는바, 이는 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)가 전극 막 내에서의 Si 입자들과 바인더 사이의 부착력과 함께 전극과 Cu 집전체 사이의 부착력을 개선한다는 것을 분명히 뒷받침한다.
In addition, the Si / Alg film is exposed to a considerably large portion of Cu on the uppermost surface of the electrode after the peeling test as compared with the Si /? -Cyclodextrin polymer (? -CDp) It can be concluded that it is an obstacle to the overall mechanical stability of the membrane. On the other hand, the Si /? -Cyclodextrin polymer (? -CDp) film had an enhanced adhesion at this interface and most of the electrode film (instead of Cu) was retained on the top surface after the same peel test, It clearly supports that the dextrin polymer ([beta] -CDp) improves the adhesion between the electrode and the Cu current collector with the adhesion force between the Si particles and the binder in the electrode film.

또한, 전지 성능에 대한 바인더 효과가 일련의 정전류 방식(galvanostatic) 측정에 의해 조사되었다. 이 테스트를 위하여 기준 전극과 카운터 전극으로서 모두 Li 금속이 합체된 코인형 반쪽 전지들이 제조되었다. 리튬 헥사플루오로포스페이트가 에틸렌 카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(EMC) 및 디에틸 카보네이트(DEC)(3:5:2, v/v/v)의 공용매 혼합물에 용해되어(1.15M LiPF6) 전해액으로 사용되었다. 전해액은 또한 첨가제로서 5wt%의 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC)를 함유한다. In addition, the binder effect on cell performance was investigated by a series of galvanostatic measurements. For this test, coin-type half-cells were fabricated in which Li metal was incorporated both as a reference electrode and a counter electrode. Lithium hexafluorophosphate is ethylene carbonate (EC), ethylmethyl carbonate (EMC) and diethyl carbonate (DEC) is dissolved in a co-solvent mixture (3: 2, v / v / v: 5) (1.15M LiPF 6 ) Electrolyte solution. The electrolytic solution also contains 5 wt% of fluoroethylene carbonate (FEC) as an additive.

전형적인 테스트에서 전지들은 예비-사이클에서 C/10(420 mAg-1)로 순환되었고, 이후 후속 사이클에서 다양한 더 높은 C-레이트로 테스트되었다. 이 전류 연구에서 C-레이트는 모두 실제 충전/방전 기간이 아닌 1C 값(4200 mAg-1)에 기초하여 정의되었다. 또한, 초분지화된 망구조의 중요성을 명확히 설명하기 위하여 β-시클로덱스트린 자체(중합되지 않은)가 대조군 바인더로서 또한 테스트되었다. 하기 분석 결과에서 실시예인 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp), 비교예인 β-시클로덱스트린 (β-CD), 및 Alg에 기초한 Si 전극들은, 각각 Siβ-CDp, Siβ-CD, 및 SiAlg로 표시되며, 상기 전극의 제조방법은 하기와 같다.
In a typical test, the cells were cycled from pre-cycle to C / 10 (420 mAg- 1 ) and then tested at various higher C-rates in subsequent cycles. In this current study, all C-rates were defined based on the 1 C value (4200 mAg -1 ) rather than the actual charge / discharge period. In addition, to clearly illustrate the importance of the hyperbranched network structure, beta -cyclodextrin itself (not polymerized) was also tested as a control binder. The results of the following analysis show that the Si electrodes based on the β-cyclodextrin polymer (β-CDp), β-cyclodextrin (β-CD) and Alg based on the examples are Si β-CDp , Si β- Alg , and the method of manufacturing the electrode is as follows.

Siβ-CDp, SiAlg, 및 SiCMC제조를 위해, 탈이온수 중에서 60:20:20의 중량비로 Si 나노입자, 각 종류별 바인더 및 SuperP를 혼합해서 슬러리를 제조했다. 비교를 위해 SiPVDF용 슬러리를 용매로서 N-메틸-2-피롤리돈(NMP, Sigma-Aldrich)을 사용해서 동일한 과정에 의해 제조했다. Siβ-CDp와 Siβ-CD의 사이클링 성능을 비교하기 위해 조성은 Si:바인더:SuperP = 40:40:20(중량%)였다. Si ? -CDp , Si Alg , and Si CMC , slurries were prepared by mixing Si nanoparticles, binders of each kind, and SuperP in a weight ratio of 60:20:20 in deionized water. For comparison, a slurry for Si PVDF was prepared by the same procedure using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP, Sigma-Aldrich) as a solvent. In order to compare the cycling performance of Si β-CDp and Si β-CD , the composition was Si: Binder: SuperP = 40:40:20 (wt%).

모든 슬러리를 닥터 블레이드 기술을 사용해서 구리 호일 위에 주조했다. 다음에, 주조된 막을 6시간 동안 섭시 70도에서 진공 오븐에서 건조시켰다. Si의 질량 로딩은 0.3~0.6 mg cm-2였으며, 각 경우의 값은 도면 설명에 표시된다.
All slurries were cast onto copper foil using the Doctor blade technique. Next, the cast film was dried in a vacuum oven at 70 deg. C for 6 hours. The mass loading of Si was 0.3-0.6 mg cm -2 , and the value of each case is shown in the drawing.

도 3a는 Siβ-CDp, Siβ-CD, 및 SiAlg의 최초 전압 프로파일, 삽도는 각 각 샘플에 대한 초기 쿨롱 효율(ICE)을 나타내는 결과이다. 도 3a에서 0.01-1.0 V(Li/Li+ 대)의 전위 범위 내에서 C/10(420 mAg-1)에서 측정되었다.Figure 3a is β-Si CDp, Si β-CD, and the first voltage profile, sapdo of Si Alg is a result showing the initial coulombic efficiency (ICE) for each respective sample. Was measured at C / 10 (420 mAg -1 ) within the potential range of 0.01-1.0 V (Li / Li + band) in FIG.

도 3b는 1C(4200 mA g-1)에서 측정된 Siβ-CDp, Siβ-CD의 사이클 성능 그래프이다. 도 3b에서 전극의 조성은 Si:바인더:SuperP = 40:40:20(중량 기준)였고, Si의 로딩량은 0.3 mg cm-2였다. FIG. 3B is a cycle performance graph of Si ? -CDp and Si ? -CD measured at 1C (4200 mA g -1 ). 3B, the composition of the electrode was Si: binder: SuperP = 40:40:20 (by weight), and the loading amount of Si was 0.3 mg cm -2 .

도 3c는 1C(4200 mA g-1)에서 측정되었을 때 흔히 사용되는 1D 바인더계 전극(Siβ-CDp, SiCMC, 및 SiAlg)과, 본 발명에 따른 Siβ-CDp 바인더 사용 전극의 사이클 성능 비교 결과이다. Figure 3c is a 1D-based electrode binder (β-Si CDp, CMC Si, and Si Alg), a cycle of the β-Si CDp binder used in the electrode according to the present invention, which is commonly used as measured at 1C (4200 mA g -1) Performance comparison result.

도 3d는 상이한 비율의 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)와, 알기네이트(Alg)를 이용한 혼성체 바인더 접근법에 기초한 Si 전극들의 사이클 성능 결과이다. 도 3c 및 d에서 전극 조성은 Si:바인더:SuperP = 60:20:20 (중량 기준)였고, Si의 로딩량은 0.6 mg cm-2였다. Figure 3d is a cyclic performance result of Si electrodes based on a hybrid binder approach using different ratios of beta -cyclodextrin polymer (beta -CDp) and alginate (Alg). 3C and D, the electrode composition was Si: binder: SuperP = 60:20:20 (by weight), and the loading amount of Si was 0.6 mg cm -2 .

상기 결과들을 참조하면, 상기 세 샘플의 최초 정전류 프로파일은 리튬화 동안은 0.1V에서, 탈리튬화 동안은 0.45V에서 Si의 특징적인 평탄역을 나타냈지만(도 3a), 주어진 샘플들의 초기 쿨롱 효율(ICE)은 상이했고, Siβ-CDp, Siβ-CD, 및 SiAlg가 각각 85.9%, 75.6%, 및 84.7%를 나타냈다. Referring to the above results, the initial constant current profile of the three samples exhibited a characteristic flatness of Si at 0.1 V during lithiation and 0.45 V during delithiation (Fig. 3a), but the initial coulombic efficiency (ICE) are made different from each other, the β-Si CDp, Si β-CD, and Si Alg showed respectively 85.9%, 75.6%, and 84.7%.

나머지 두 전극과 비교해서 본 발명에 따른 바인더를 사용한 Siβ-CDp의 우수한 ICE는 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)의 초분지화된 중합체 망구조가 더욱 안정한 SEI 층을 형성함으로써 최초 (탈)리튬화 동안에 가역성을 촉진함을 나타내며, 상기 증진된 가역성은 사이클 수명에도 반영되었다. Compared with the other two electrodes, the excellent ICE of Si beta -CDp using the binder according to the present invention is superior to the first electrode due to the formation of a more stable SEI layer of the hyperbranched polymer network structure of the? -Cyclodextrin polymer (? -CDp) ) Promotes reversibility during lithiation, and the enhanced reversibility is also reflected in the cycle life.

도 3b 결과를 참조하면, 각 사이클에서 충전과 방전이 모두 1C에서 측정되었을 때 200 사이클에 걸쳐 Siβ-CDp, Siβ-CD의 사이클링 성능을 비슷하게 나타낸다. Referring to the results of FIG. 3b, the cycling performance of Si ? -CDp and Si ? -CD is similar over 200 cycles when both charging and discharging are measured at 1C in each cycle.

하지만, 비용량(specific capacity)과 사이클 수명은 모두 Siβ-CD에 비해 Siβ-CDp가 상당히 더 좋았는데, Siβ-CDp의 비용량은 최초 사이클에서 2142 mAg-1에서 시작해서 200번째 사이클에서 1471 mAg-1에서 종료했고, 이것은 68.7% 용량 보유율에 상응한다. 반면에, 초분지화된 망구조를 형성하지 않는 Siβ-CD는 1810 mAg-1의 낮은 용량에서 시작해서 동일한 횟수의 사이클 후 비용량이 460 mAg-1까지 심하게 하락했고, 이것은 25.4% 용량 보유율에 상응하는바, 안정한 사이클링에 대한 초분지화된 중합체 망구조와 자체-치유 능력의 중요성이 다시 확인된다. However, both specific capacity and cycle life were much better for Si β-CDp than for Si β-CD . The specific capacity of Si β-CDp starts at 2142 mAg -1 in the first cycle, At 1471 mAg -1 , which corresponds to a 68.7% capacity retention rate. On the other hand, Si β-CD not forming a hyperbranched network structure started at a low dose of 1810 mAg -1 and after the same number of cycles, the cost amount dropped drastically to 460 mAg -1 , Correspondingly, the importance of self-healing ability and hyperbranched polymer network structure for stable cycling is reaffirmed.

또한, 중합되지 않은 β-시클로덱스트린(β-CD)와 달리, β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)는 전해액에 불용성이었다. 이러한 용해성 차이는 이들 두 전극의 차별적인 사이클링 성능에서 중요한 역할을 할 수 있다. Siβ-CDp의 쿨롱 효율(CE)은 200번째 사이클에서 99.6%에 도달했고, 2~200의 사이클링 범위에서 평균 CE는 99.0%였다. Further, unlike the un polymerized? -Cyclodextrin (? -CD), the? -Cyclodextrin polymer (? -CDp) was insoluble in the electrolyte solution. This difference in solubility can play an important role in the differential cycling performance of these two electrodes. The coulombic efficiency (CE) of Si β-CDp reached 99.6% in the 200th cycle and the average CE in the cycling range of 2-200 was 99.0%.

도 3c에 도시된 바와 같이, Siβ-CDp의 사이클링 성능은 Alg, CMC, 및 PVDF(각각 SiAlg, SiCMC, 및 SiPVDF로 표시된다)와 같은 다른 종래의 1D 중합체 바인더를 합체한 동일한 Si 전극들과도 비교되었다. As shown in Figure 3c, the cycling performance of Si [ beta] -CDp is similar to that of other conventional 1D polymer binders incorporating Alg, CMC, and PVDF (denoted SiAlg , Si CMC , and Si PVDF , respectively) Electrodes were also compared.

상기 전극들은 모두 100 사이클에 걸쳐 충전과 방전에 대해 모두 1C에서 측정되었는데, 100 사이클 후, Siβ-CDp, SiAlg, SiCMC, 및 SiPVDF는 각각 54.4%, 33.4%, 45.7%, 및 0.7%의 용량 보유율을 나타냈다. The electrodes were all measured at 1 C for charging and discharging over 100 cycles, after 100 cycles, Si ? -CDp , Si Alg , Si CMC , and Si PVDF showed capacity retention rates of 54.4%, 33.4%, 45.7%, and 0.7%, respectively.

상기 결과를 참조하면, SiPVDF의 빈약한 성능은 리튬화/탈리튬화 동안에 Si의 상당한 부피 변화를 수용할 수 없는 바인더와 Si 표면 사이의 약한 반데르발스 상호작용에 의해서 설명될 수 있다. 수소 결합 상호작용에 기초하여 작용하는 나머지 바인더들의 경우 중에서도 Siβ-CDp가 SiAlg 및 SiCMC와 비교해서 더 좋은 사이클링 성능을 나타내며, 이것은 Siβ-CDp에서의 독특한 다차원적 수소 결합 상호작용과 자체-치유 능력의 중요성을 다시 한번 증명한다. Referring to the above results, the poor performance of Si PVDF can be explained by the weak van der Waals interactions between the Si surface and the binder that can not accommodate significant volume changes of Si during lithification / de-lithiation. Among the remaining binders acting on the basis of hydrogen bonding interactions, Siβ-CDp exhibits better cycling performance compared to SiAlg and SiCMC, which has unique multidimensional hydrogen bonding interactions in Siβ-CDp and self- Prove once again the importance.

또한 Siβ-CDp의 초기 용량 감쇠는 초반의 사이클링 주기에서 Si 입자들 주변의 역동적 환경과 관련된다고 추측된다. 즉, 전극이 계속해서 더욱 안정한 구조를 찾는 초기 사이클 동안에는 본래 응집된 Si 입자들이 Si 부피 팽창 동안 더 작은 이차 입자들로 분산될 수 있고, 이것은 Si와 바인더 사이에 증가된 수의 상호작용을 가져온다. 결과적으로, Si 입자들 주변에서 Li 이온 확산은 바인더의 존재에 의해 더욱 방해받을 수 있으며, 이로써 용량이 감소하게 된다. 또한, 초기 용량 감쇠는 Si의 부피 팽창 동안 다시 한번 응집으로부터 떨어져 나감으로써 영구적으로 상실되는 Si 입자들의 특정 부분으로 인한 것이라고 예상된다. 그러나, 일단 이러한 미소 전극 구조가 안정화되면, 대부분의 Si 입자들은 확립된 확산 경로를 통하여 접근하는 Li 이온들을 통해 전기화학적으로 활성화되며, 동시에 전체 전극 구조 및 주어진 용량이 연속적 사이클링 동안 잘 보존된다. 초기 감쇠에 대한 완전한 이해를 위해서는 추가의 조사가 필요하다.
It is also assumed that the initial capacity damping of Si? -CD is related to the dynamic environment around the Si particles in the early cycling period. That is, during the initial cycle in which the electrodes continue to find a more stable structure, the inherently agglomerated Si particles can be dispersed into smaller secondary particles during Si volume expansion, resulting in an increased number of interactions between Si and the binder. As a result, the Li ion diffusion around the Si particles can be further disturbed by the presence of the binder, thereby reducing the capacity. It is also expected that the initial capacity damping is due to a certain fraction of the Si particles that are permanently lost by once again falling off the aggregate during the volume expansion of Si. However, once this microelectrode structure is stabilized, most of the Si particles are electrochemically activated through the Li ions approaching through the established diffusion path, while at the same time the overall electrode structure and the given capacity are well preserved during continuous cycling. Additional investigation is required for a complete understanding of the initial attenuation.

Si 전극의 전기화학적 성능을 더 개선하기 위한 노력으로서 초분지화된 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)가 상이한 중량비로 1D Alg와 혼합되었던 혼성체 바인더 접근법이 조사되었다(도 3d 참조). 상기 결과를 참조하면, Si 전극은 Alg 바인더의 양이 13wt%였을 때 최상의 사이클링 성능을 나타냈으며, 이 수치 이상이거나 이하의 바인더 양은 열등한 성능을 가져왔다. 0, 13, 및 27wt%를 함유하는 Si 전극들의 용량 보유율은 100 사이클 후 각각 54.4%, 70.6%, 및 63.7%이었다. 최적 바인더 양의 존재는 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)의 입체형태와 관련될 수 있다.
In an effort to further improve the electrochemical performance of the Si electrode, a hybrid binder approach in which the hyperbranched beta -cyclodextrin polymer (beta -CDp) was mixed with 1D Alg at different weight ratios was investigated (see Figure 3d). Referring to the above results, the Si electrode showed the best cycling performance when the amount of Alg binder was 13 wt%, and the amount of the binder above or below this value resulted in inferior performance. The capacity retention rates of Si electrodes containing 0, 13, and 27 wt% were 54.4%, 70.6%, and 63.7% after 100 cycles, respectively. The presence of an optimal amount of binder may be related to the stereochemistry of the [beta] -cyclodextrin polymer ([beta] -CDp).

도 4는β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)/Alg 혼성체 바인더에서 상승 작용적 효과의, 메커니즘을 나타내는 도면으로, 도 4a는 분자내 수소 결합으로 인한 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)의 응집 특성, 도 4b는 카르복실레이트들 사이의 정전기적 반발력으로 인한 Alg의 신장된 특징부, 도 4c는 혼성체 바인더의 구조를 나타내는 모식도이다. Fig. 4 shows the mechanism of the synergistic effect in the beta -cyclodextrin polymer (beta -CDp) / Alg hybrid binder; Fig. 4a is a graph showing the effect of the beta -cyclodextrin polymer (beta -CDp) Fig. 4B is an elongated feature of Alg due to electrostatic repulsion between carboxylates, and Fig. 4C is a schematic diagram showing the structure of a hybrid binder.

도 4에서 도시된 바와 같이 상호 긍정적으로 협력하는 효과들이 본 발명에 따른 바인더의 보다 균질한 중합체 망구조를 촉진하며, 더욱이, 본래 Alg로부터의 Na+는 또한 '아교 효과'를 만들어서 혼성체 바인더의 양호한 분포 및 안정성에 기여한다. As shown in FIG. 4, the effects of cooperating positively promote the more homogeneous polymer network structure of the binder according to the present invention, and furthermore, Na + from the original Alg also creates a 'glue effect' Distribution and stability.

상기 도 4를 참조하면, 일반적으로, 끌어당기는 상호작용 자리를 가진 중성 중합체는 강한 분자내 상호작용으로 인하여 자체적으로 뒤얽히는 경향이 있다. 이런 이유 때문에 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)는 분자내 수소 결합을 통해 응집체를 형성할 수 있었으며(도 4a), 이것은 다른 이웃 중합체 사슬과의 상호작용을 저하시켜 Si 전극의 전체적인 기계적 안정성을 악화시켰다. Referring to FIG. 4, in general, a neutral polymer having a pulling interaction site tends to be entangled itself due to strong intramolecular interactions. For this reason, the β-cyclodextrin polymer (β-CDp) was able to form aggregates through intramolecular hydrogen bonding (FIG. 4a), which reduced the interaction with other neighboring polymer chains, thereby increasing the overall mechanical stability of the Si electrode It got worse.

반면, Alg의 입체형태는 카르복실레이트(COO-)가 쿨롱 반발력을 부여하기 때문에 신장되며(도 4b), 따라서, 이들 두 중합체의 조합은 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)에 Alg의 첨가로 인하여, β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)의 응집을 감소시키는 동시에 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)는 Alg에서 카르복실레이트 단위들 사이의 정전기적 반발력을 상쇄할 수 있는 방식(도 4c)으로 상호 유익한 성과를 나타낼 수 있으며, 이것은 더욱 균일하게 분포된 중합체 망구조를 가져온다. On the other hand, the three-dimensional form of Alg is elongated because the carboxylate (COO-) gives Coulomb repulsion (Fig. 4b), and therefore the combination of these two polymers is advantageous for the addition of Alg to the? -Cyclodextrin polymer , The β-cyclodextrin polymer (β-CDp) reduces the aggregation of β-cyclodextrin polymer (β-CDp), and the manner in which the electrostatic repulsion between the carboxylate units in Alg can be offset 4c), which results in a more uniformly distributed polymer network structure.

게다가, Alg로부터의 나트륨 이온이 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)의 산소 단위와 배위됨으로써 혼성체 바인더의 양호한 분포에 더 기여하게 된다. 이로써, 13wt%의 최적 지점은 이 지점에서 Alg 스트랜드가 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)의 유리한 특징들을 손상시키지 않고, β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)의 응집을 가장 효과적으로 억제할 수 있다는 것으로 이해될 수 있다.In addition, the sodium ion from Alg is coordinated with the oxygen unit of the? -Cyclodextrin polymer (? - CDp), contributing to a better distribution of the hybrid binder. Thus, the optimal point of 13 wt% is that at this point the Alg strand can most effectively inhibit aggregation of the beta -cyclodextrin polymer (beta -CDp) without compromising the advantageous characteristics of the beta -cyclodextrin polymer (beta -CDp) .

전극 막의 기계적 안정성을 보기 위하여 각 Si 전극의 표면 형태가 주사 전자 현미경(SEM)을 사용해서 분석하였다. The surface morphology of each Si electrode was analyzed using a scanning electron microscope (SEM) to determine the mechanical stability of the electrode film.

도 5는 하나의 완전한 사이클 동안 상이한 단계들에서 Siβ-CDp 및 SiAlg의 SEM 이미지이다. Figure 5 is a SEM image of a β-Si and Si CDp Alg at different steps during one complete cycle.

도 5에서 좌측 칼럼은 Siβ-CDp , 우측 칼럼: SiAlg의 이미지이며 a, b) 전기화학적 과정 전, c, d) 완전한 리튬화 후, e, f) 탈리튬화 후의 이미지이다.In Figure 5, the left column is Si β-CDp and the right column is Si Alg image a, b) before the electrochemical process, c, d) after complete lithiation, e, f)

도 5를 참조하면,Siβ-CDp 와 SiAlg는 모두 사이클링 전의 초기 상태에서 균일한 입자 분포를 나타냈으며(도 5a 및 b), 최초 리튬화 후 Si 입자들 사이의 빈 공간을 채우는 유사한 SEI 형성을 나타냈다(도 5c 및 d). 그러나, 이 샘플들의 차이는 완전한 사이클 후 증명되었는데, Si◎CDp는 여전히 고도로 균일한 입자 분포를 보존했던 반면(도 5e), SiAlg는 막의 전 면적에 걸쳐 마이크로미터 규모의 균열을 분명히 나타냈는바(도 5f), 이것은 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)가 초분지화된 중합체 망구조에 기초한 우수한 다차원적 결합 능력을 활용하여 본래 막 형태를 보존하는데 더 뛰어나다는 것을 나타낸다. Referring to FIG. 5, both Si β-CDp and Si Alg exhibited a uniform particle distribution in the initial state before cycling (FIGS. 5 a and b), similar SEI formation that filled the void space between Si particles after initial lithiation (Figures 5c and d). However, the difference of these samples was demonstrated after a complete cycle, Si ◎ CDp still other hand that preserves the highly uniform particle size distribution (Fig. 5e), Si Alg is perpetrated clear that the micrometer scale of the crack across the membrane around the area bar (Fig. 5f), indicating that the [beta] -cyclodextrin polymer ([beta] -CDp) is better at preserving the original film morphology utilizing the superior multidimensional binding ability based on the hyperbranched polymer network structure.

이상 살핀 바와 같이, 본 발명은 다차원적 초분지화된 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp)를 리튬 이온 배터리의 Si 음극를 위한 뛰어난 바인더의 활물질로 사용한다. 본 발명에 따르면, 상기 β-시클로덱스트린(β-CD)의 독특한 거대고리 구조와, 상기 단위 β-시클로덱스트린의 삼차원 구조로의 중합으로부터 기원하는 초분지화된 중합체 망구조는, 향상된 Si-바인더 상호작용은 물론 자체-치유 능력을 용이하게 하며, 전극 막의 기계적 안정성을 개선하는데 있어서 상당한 효과를 달성하며, Si 음극의 만성적인 불충분한 사이클 수명을 해결하며, 다른 종래 바인더와 본 발명에 따른 β-시클로덱스트린 중합체(β-CDp) 바인더를 혼합 사용할 수 있다.
As noted above, the present invention utilizes multidimensional hyperbranched beta -cyclodextrin polymers (beta -CDp) as an excellent binder active material for the Si cathode of lithium ion batteries. According to the present invention, the hyperbranched polymer network structure originating from the polymerization of the .beta.-cyclodextrin (.beta.-CD) into the three-dimensional structure of the unit .beta.-cyclodextrin and the unique macroreticular structure of the .beta.- The present invention provides a method for manufacturing a lithium secondary battery comprising the steps of: (a) providing a lithium secondary battery comprising a binder, A cyclodextrin polymer (beta -CDp) binder may be used in combination.

Claims (14)

초분지화된 망구조의 시클로덱스트린 중합체를 포함하는 리튬 이온전지 음극용 바인더. A binder for a lithium ion battery cathode comprising a cyclodextrin polymer of hyperbranched network structure. 제 1항에 있어서,
상기 시클로덱스트린 중합체는 알파(α), 베타(β) 및 감마(γ) 시클로덱스트린으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 이온전지 음극용 바인더.
The method according to claim 1,
Wherein the cyclodextrin polymer is any one selected from the group consisting of alpha (alpha), beta (beta) and gamma (gamma) cyclodextrins.
제 2항에 있어서, 상기 시클로덱스트린 중합체는 하기 구조식의 β- 시클로덱스트린 중합체인 것을 특징으로 하는 리튬 이온전지 음극용 바인더.
Figure 112013095269223-pat00005

상기 n은 10 내지 10000의 정수이고, R은 하기 화학식 중 어느 하나인 화합물임
Figure 112013095269223-pat00006
The binder for a lithium ion battery negative electrode according to claim 2, wherein the cyclodextrin polymer is a? -Cyclodextrin polymer having the following structural formula.
Figure 112013095269223-pat00005

Wherein n is an integer of 10 to 10000 and R is a compound of any one of the following formulas
Figure 112013095269223-pat00006
제 3항에 있어서,
상기 β- 시클로덱스트린 중합체는, β- 시클로덱스트린 단량체를 에피클로로히드린와 반응시켜 제조된 것을 특징으로 하는 리튬 이온전지 음극용 바인더.
The method of claim 3,
Wherein the? -Cyclodextrin polymer is prepared by reacting a? -Cyclodextrin monomer with epichlorohydrin.
제 4항에 있어서,
상기 β- 시클로덱스트린 단량체의 히드록실기와, 에피클로로히드린의 에테르기가 결합됨으로써, 상기 β- 시클로덱스트린 중합체가 중합되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온전지 음극용 바인더.
5. The method of claim 4,
Wherein the? -Cyclodextrin polymer is polymerized by bonding a hydroxyl group of the? -Cyclodextrin monomer with an ether group of epichlorohydrin.
제 5항에 있어서, 상기 리튬 이온전지 음극용 바인더는,
알기네이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온전지 음극용 바인더.
The lithium ion battery negative electrode binder according to claim 5,
Wherein the binder further comprises alginate.
제 6항에 있어서,
상기 알기네이트는 상기 바인더의 10 내지 15중량%인 것을 특징으로 하는 리튬 이온전지 음극용 바인더.
The method according to claim 6,
Wherein the alginate is 10 to 15% by weight of the binder.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 리튬 이온전지 음극용 바인더를 포함하는 리튬 이온전지 음극.A lithium ion battery negative electrode comprising a binder for a lithium ion battery negative electrode according to any one of claims 1 to 7. 제 8항에 있어서,
상기 리튬 이온전지 음극은, 실리콘을 상기 음극의 활물질로 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온전지 음극.
9. The method of claim 8,
Wherein the lithium ion battery negative electrode comprises silicon as an active material of the negative electrode.
제 9항에 있어서,
상기 리튬 이온전지 음극용 바인더는 초분지화된 망구조의 β- 시클로덱스트린 중합체를 포함하며, 상기 초분지화된 망구조의 β- 시클로덱스트린 중합체는 상기 실리콘과 수소결합을 하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온전지 음극.
10. The method of claim 9,
Wherein the binder for the lithium ion battery cathode comprises a? -Cyclodextrin polymer of hyperbranched network structure, and the? -Cyclodextrin polymer of the hyperbranched network structure is hydrogen bonded to the silicon Ion battery cathode.
제 10항에 있어서,
상기 실리콘은 상기 리튬 이온전지 음극용 바인더와 복수 위치에서 수소결합을 하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온전지 음극.
11. The method of claim 10,
Wherein the silicon is hydrogen bonded at a plurality of positions with the binder for the lithium ion battery negative electrode.
제 11항에 있어서,
상기 리튬 이온전지 음극용 바인더는 초분지화된 망구조의 β- 시클로덱스트린 중합체 및 알기네이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온전지 음극.
12. The method of claim 11,
Wherein the binder for the lithium ion battery cathode further comprises a? -Cyclodextrin polymer and a alginate in a hyperbranched network structure.
제 12항에 있어서,
상기 알기네이트에 의하여 상기 초분지화된 망구조의 β- 시클로덱스트린 중합체의 응집 현상은 감소하며, 상기 β- 시클로덱스트린 중합체에 의하여 상기 알기네이트간 정전기적 반발력은 감소하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온전지 음극.
13. The method of claim 12,
The aggregation phenomenon of the? -Cyclodextrin polymer of the hyperbranched network structure is reduced by the alginate, and the electrostatic repulsion between the alginate is reduced by the? -Cyclodextrin polymer. cathode.
제 9항에 따른 리튬 이온전지 음극을 포함하는 리튬 이온전지.A lithium ion battery comprising the lithium ion battery anode according to claim 9.
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