KR101561678B1 - Electrode material for rechargeable battery and method of fabricating the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차 전지용 전극 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조성물은, 각각 적어도 하나 이상의 음이온기를 갖는 고분자 사슬들, 및 상기 적어도 하나 이상의 음이온기와 이온 결합되어 상기 고분자 사슬들을 서로 고정하는 2가 이상의 금속 양이온들을 포함하는 바인더 복합체; 및 상기 바인더 복합체에 의해 고정되는 활물질 입자들을 포함한다.The present invention relates to an electrode composition for a secondary battery and a method for producing the same. The electrode composition according to one embodiment of the present invention includes polymer chains each having at least one anion group and a binder complex comprising a divalent or more metal cations ionically bonded to the at least one anion group to fix the polymer chains to each other ; And active material particles fixed by the binder composite.

Description

이차 전지용 전극 조성물 및 이의 제조 방법{Electrode material for rechargeable battery and method of fabricating the same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an electrode composition for a secondary battery,

본 발명은 이차 전지 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 이차 전지용 전극 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery technology, and more particularly, to an electrode composition for a secondary battery and a manufacturing method thereof.

이차 전지는 가역성이 우수한 전극 재료를 사용하여 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 대표적으로 리튬 이차 전지가 상용화되었다. 상기 리튬 이차 전지는 스마트폰, 휴대용 컴퓨터 및 전자 종이와 같은 소형 IT기기의 소형 전력원으로서뿐만 아니라 자동차와 같은 이동 수단에 탑재되거나 스마트 그리드와 같은 전력 공급망의 전력 저장소에 사용되는 중대형 전력원으로서도 그 응용이 기대되고 있다.The secondary battery is a battery capable of charging and discharging using an electrode material having excellent reversibility, and a lithium secondary battery has been typically used. The lithium secondary battery can be used not only as a small power source for small IT devices such as a smart phone, a portable computer, and an electronic paper, but also as a medium and large power source used in a power source such as a smart grid, Application is expected.

리튬 이차 전지의 음극 재료로서 리튬 금속을 사용할 경우 덴드라이트의 형성으로 인해 전지 단락이 발생하거나 폭발의 위험성이 있기 때문에, 음극에는 상기 리튬 금속 대신 리튬의 삽입(intercalation) 및 탈장(deintercalation)이 가능한 그래파이트 및 인조 흑연과 같은 결정질계 탄소 또는 소프트 카본 및 하드 카본과 탄소계 활물질이 많이 사용된다. 그러나, 이차 전지의 응용이 소형 전력원뿐만 아니라 중대형 전력원까지 확대됨에 따라 리튬 이차 전지의 고용량화 및 고출력화가 지속적으로 요구되고 있다. 최근 이러한 요구에 대응하여, 탄소계 재료 대비 8 배 이상의 높은 이론 용량을 갖는 실리콘(Si), 주석(Sn) 또는 알루미늄(Al)과 같은 리튬과 합금화가 가능한 금속 및 준금속 음극 재료, 또는 스피넬 구조의 리튬 티탄 산화물 (LTO)와 같은 금속 산화물을 포함하는 비탄소계 음극 재료가 주목을 받고 있다.When a lithium metal is used as a cathode material of a lithium secondary battery, there is a danger of explosion or short-circuiting of the battery due to the formation of dendrites. Therefore, graphite, which can intercalate and deintercalate lithium instead of the lithium metal, And crystalline carbon or soft carbon such as artificial graphite, and hard carbon and carbon-based active material. However, as the application of the secondary battery extends not only to a small power source but also to a medium and large-sized power source, there is a continuing demand for high capacity and high output of the lithium secondary battery. In response to these demands, metals and semi-metal cathode materials which can be alloyed with lithium such as silicon (Si), tin (Sn) or aluminum (Al) having a theoretical capacity 8 times or more higher than the carbon- A non-carbon-based negative electrode material containing a metal oxide such as lithium-titanium oxide (LTO) of lithium metal is attracting attention.

그러나, 상기 비탄소계 음극 재료는, 전지의 충·방전 과정에서 부피 변화로 인하여 활물질 사이의 전기적 연결이 파괴되거나, 집전체로부터 활물질이 분리되고 전해질에 의한 활물질의 침식과 같은 문제점이 있어 이의 실용화에 장벽이 있다. 따라서, 비탄소계 음극 재료의 적용을 위해서는, 충·방전시 부피 변화에 따른 전지의 비가역성을 개선하는 것이 요구된다. However, the non-carbon anode material has problems such as breakdown of electrical connection between active materials due to volume change during charging and discharging of the cell, separation of active material from the current collector and erosion of active material by electrolyte. There is a barrier. Therefore, in order to apply the non-carbon anode material, it is required to improve the irreversibility of the battery in accordance with the change in volume during charging and discharging.

또한, 고속 충·방전을 위해 활물질 입자들 사이의 결합과 입자들과 집전체 사이의 접착력 유지가 필요하며, 이 경우 많은 양의 바인더가 필요한 실정이다. 바인더는 전극의 전기적 저항 요소로 작용하므로 궁극적으로 전지의 전체 에너지 밀도를 저하시키고 충·방전 효율을 저감시킨다.In addition, it is necessary to bond the active material particles and maintain the adhesion between the particles and the current collector for high-speed charging and discharging. In this case, a large amount of binder is required. The binder acts as an electrical resistance element of the electrode, thereby ultimately lowering the total energy density of the battery and reducing the charge / discharge efficiency.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 이차 전지의 충·방전 특성을 열화시키지 않고 전극 접착력을 확보하여 바인더의 양을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 전지의 충·방전에 수반하는 부피 변화를 억제하여 전지의 수명을 향상시킬 수 있는 이차 전지용 전극 조성물을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a secondary battery capable of minimizing the amount of binder by securing an electrode adhesive force without deteriorating charge / discharge characteristics of the secondary battery, Which can improve the lifetime of the battery.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 이차 전지용 전극 조성물을 경제적이고 신속하게 대량으로 형성할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing an electrode composition for a secondary battery having the above-described advantages economically and rapidly in a large amount.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 전극 조성물은, 바인더 복합체와 상기 바인더 복합체에 의해 고정되는 활물질 입자들을 포함한다. 상기 바인더 복합체는 각각 적어도 하나 이상의 음이온기를 갖는 고분자 사슬들; 및 상기 적어도 하나 이상의 음이온기와 이온 결합되어 상기 고분자 사슬들을 서로 고정하는 2가 이상의 금속 양이온들을 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided an electrode composition for a secondary battery, comprising a binder composite and active material particles fixed by the binder composite. Wherein the binder complex comprises polymer chains each having at least one anion group; And divalent metal cations which are ionically bonded to the at least one anion group to fix the polymer chains to each other.

상기 고분자 사슬들의 평균 분자량은 40,000 g/mol ~ 3,000,000 g/mol의 범위 내이다. 일 실시예에서, 상기 고분자 사슬들은 폴리사카라이드, 스틸렌 부타디엔, 아크릴레이트, 에틸렌 비닐 아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 아크릴로니트릴-부타디엔-스틸렌, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐리덴 클로라이드), 폴리비닐피롤리돈, 카르복실레이티드 스틸렌-부타디엔, 알긴산(alginic acid), 나트륨 알긴화물(sodium alginate), 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 카르복시메틸 전분(carboxymethyl starch), 카르복시메틸 구아검(carboxymethyl guar gum), 카르보시메틸 잔탄 검(carboxymethyl xanthane gum), 카르복시메틸 타라 검(carboxymethyl tara gum), 로우 메톡실 펙틴(low methoxyl pectin), 카라지난(carrageenan), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리프로릴렌(polypropylene), 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate), 나일론(nylon), 폴리에틸렌(polyethylen), 셀룰로스(cellulose), 아밀로스(amylose), 키토산, 글루코오스, 수크로오스, 말토오스, 락토오스, 전분, 글리코겐, 천연고무 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.The average molecular weight of the polymer chains is in the range of 40,000 g / mol to 3,000,000 g / mol. In one embodiment, the polymer chains are selected from the group consisting of polysaccharides, styrene butadiene, acrylates, ethylene vinyl acetate, polyacrylonitrile, acrylonitrile-butadiene-styrene, poly (vinyl chloride), poly (vinylidene chloride) But are not limited to, vinyl pyrrolidone, carboxylated styrene-butadiene, alginic acid, sodium alginate, carboxymethyl cellulose, carboxymethyl starch, carboxymethyl guar gum, carboxymethyl xanthane gum, carboxymethyl tara gum, low methoxyl pectin, carrageenan, polyacrylic acid, polyprolylene, for example, polypropylene, polystyrene, poly (methylmethacrylate), nylon, polyethylene, LOS may comprise (cellulose), amylose (amylose), chitosan, glucose, sucrose, maltose, lactose, starch, glycogen, a natural rubber or a mixture thereof.

바람직하게는, 상기 고분자 사슬들은 선형 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 고분자 사슬들은 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리프로릴렌(polypropylene), 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate), 나일론(nylon), 폴리에틸렌(polyethylen), 셀룰로스(cellulose), 아밀로스(amylose), 천연고무(isoprene의 중합체) 또는 이들의 혼합물을 포함한다.Preferably, the polymer chains may have a linear structure. For example, the polymer chains may be selected from the group consisting of polyacrylic acid, polypropylene, polystyrene, poly (methylmethacrylate), nylon, polyethylene, cellulose cellulose, amylose, natural rubber (a polymer of isoprene), or mixtures thereof.

상기 음이온기는 -CO2 -, -SO2 -, -SO3 -, -OSO3 -, -PO3 2-, -OPO3 2-, -OP(OH)O-, -CS2 - 또는 -OCO2 - 를 포함할 수 있다. 상기 금속 양이온들은 알카리 토금속, 전이 금속 또는 이들의 합금의 양이온이다. 상기 알카리 토금속은, 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 또는 바륨을 포함하고, 상기 전이 금속은, 타이타늄, 스칸듐, 티탄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈 또는 구리; 이트륨, 지르코늄, 나이오븀, 몰리브데늄, 테크네륨, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 또는 카드뮴; 또는, 하프늄, 탄탈륨, 텅스텐, 또는 이리듐을 포함할 수 있다.The anionic group is -CO 2 -, -SO 2 -, -SO 3 -, -OSO 3 -, -PO 3 2-, -OPO 3 2-, -OP (OH) O -, -CS 2 - or -OCO 2 - . ≪ / RTI > The metal cations are cations of alkaline earth metals, transition metals, or alloys thereof. Wherein the alkaline earth metal comprises beryllium, magnesium, calcium, strontium, or barium; and the transition metal is selected from the group consisting of titanium, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel or copper; Yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, technetium, ruthenium, rhodium, palladium, or cadmium; Or hafnium, tantalum, tungsten, or iridium.

일 실시예에서, 상기 고분자 사슬들과 상기 금속 양이온들의 비율은 하기의 식 1을 만족할 수 있다. 상기 비율의 값은 합성된 전극 조성물인 2차 입자들의 평균 직경을 고려하여 선택될 수 있다. In one embodiment, the ratio of the polymer chains and the metal cations can satisfy the following formula (1). The value of the ratio may be selected in consideration of the average diameter of the secondary particles as the electrode composition.

[식 1][Formula 1]

0 < 금속 양이온 무게당 양의 하전량 / 고분자 사슬들 무게당 음의 하전량 ≤ 10 <Amount of positive charge per weight of metal cation / Amount of charge per weight of polymer chain ≤ 1

상기 활물질 입자들은 전지의 충·방전시 부피 변화율이 100 % 내지 400 %의 범위 내인 활물질로부터 선택될 수 있다. 상기 활물질 입자들은 Sn, Si, Sb, Zn, Ge, Al, Cu, Bi, Cd, Mg, As, Ga, Pb 및 Fe 중 어느 하나; 이의 금속간 화합물; 이의 산화물; 또는 이의 질화물로 형성된 활물질 코어를 포함할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 상기 활물질 입자들은 활물질 코어 및 상기 활물질 코어 상에 코팅되는 도전층을 포함할 수도 있다.
The active material particles may be selected from active materials having a volume change rate of 100% to 400% at the time of charge / discharge of the battery. The active material particles may be any one of Sn, Si, Sb, Zn, Ge, Al, Cu, Bi, Cd, Mg, As, Ga, Pb and Fe; Intermetallic compounds thereof; Oxides thereof; Or an active material core formed of a nitride thereof. Further, in some embodiments, the active material particles may include an active material core and a conductive layer coated on the active material core.

상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 전극 조성물의 제조 방법은, 극성 용매 내에 전지용 활물질 입자들을 제공하는 단계; 상기 극성 용매 내에 음이온기를 갖는 고분자 사슬들을 제공하는 단계; 상기 극성 용매 내에 2가 이상의 금속 양이온들을 제공하는 단계; 상기 고분자 사슬들의 음이온기와 상기 금속 양이온들의 이온 결합을 유도하여 상기 활물질 입자들 상에 상기 고분자 사슬들과 상기 금속 양이온들을 포함하는 바인더 복합체를 형성하는 단계; 및 상기 활물질 입자들을 수득하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an electrode composition for a secondary battery, comprising: providing active material particles for a battery in a polar solvent; Providing polymer chains having anionic groups in the polar solvent; Providing two or more metal cations in the polar solvent; Forming a binder complex including the polymer chains and the metal cations on the active material particles by inducing ionic bonding between the anion groups of the polymer chains and the metal cations; And obtaining the active material particles.

일부 실시예에선, 상기 극성 용매는 물, 알코올, 아세트산, 아세톤, N, N-디메틸포름아미드, N, N-디메틸아세트아미드, 또는 N-Methylpyrrolidone(NMP), 옥틸에테르, 부틸에테르, 헥실에테르, 벤질에테르, 페닐에테르, 데실에테르, 에틸메틸에테르, 디메틸에테르, 디에틸에테르, 디페닐에테르, 테트라하이드로퓨란, 1,4-다이옥산, 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리프로필렌 글리콜(PPG), 폴리테트라메틸렌 글리콜(PTMG), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리테트라하이드로퓨란, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 아크릴레이트 에스테르, 셀룰로스 아세테이트, 이소부틸 아세테이트, 이소프로필 아세테이트, 아릴 헥사노에이트(allyl hexanoate), 벤질 아세테이트(benzyl acetate), 보닐 아세테이트(bornyl acetate), 부틸 아세테이트 또는 락톤을 포함하며, 바람직하게는 상기 극성 용매는 물이다.In some embodiments, the polar solvent is selected from the group consisting of water, alcohols, acetic acid, acetone, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide or N-methylpyrrolidone (NMP), octylether, butylether, But are not limited to, benzyl ether, phenyl ether, decyl ether, ethyl methyl ether, dimethyl ether, diethyl ether, diphenyl ether, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, polyethylene glycol (PEG), polypropylene glycol (PTMG), polyoxymethylene (POM), polytetrahydrofuran, polyethylene terephthalate, acrylate ester, cellulose acetate, isobutyl acetate, isopropyl acetate, allyl hexanoate, benzyl acetate ), Bornyl acetate, butyl acetate or lactone, preferably the polar solvent is water.

본 발명의 실시예에 따르면, 이온 결합에 의해 강하게 서로 결합되는 고분자 사슬들을 갖는 바인더 복합체에 의해 활물질 입자들을 고정함으로써 활물질 입자들의 충·방전에 수반하는 부피 변화율을 감소시켜 비탄소계 음극 재료를 사용하여도 수명과 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 상기 금속 이온들은 리튬 이차 전지의 경우 전지의 충·방전 특성을 열화시키지 않고 오히려 수명과 신뢰성 향상에 기여하는 것으로 보인다. 또한, 강한 이온 결합으로 활물질 입자의 크기와 무관하게 활물질 입자들 사이 또는 집전체와 활물질 입자들 사이를 고정하기 때문에, 공유 결합만으로 활물질 입자들을 고정하는 종래의 바인더에 비해 바인더의 사용량을 최소화하여 전지의 에너지 밀도를 향상시키고, 바인더 복합체는 활물질 입자들의 표면과 전해액을 격리시켜 활물질 입자들의 미분화를 방지하여 수명과 신뢰성을 향상시킨다. According to the embodiment of the present invention, by fixing the active material particles with the binder composite having polymer chains having strong polymer chains bonded to each other by ionic bonding, the volume change ratio accompanying the charge and discharge of the active material particles is reduced, The lifetime and reliability of the lithium ion secondary battery can be improved and the metal ions do not deteriorate the charging and discharging characteristics of the battery in the case of the lithium secondary battery but rather contribute to the improvement of the life span and the reliability. In addition, since the active material particles are fixed between the active material particles or between the active material particles and the active material particles regardless of the size of the active material particles by strong ionic bonding, the amount of binder used can be minimized, And the binder complex segregates the surface of the active material particles and the electrolyte to prevent the undifferentiated particles of the active material, thereby improving the life and reliability.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 극성 용매, 바람직하게는 물을 이용하여 상기 극성 용매 내에서 활물질 입자들과 바인더 복합체를 동시에 형성할 수 있기 때문에 활물질 입자들에 바인더 복합체를 균일하게 웨팅시킬 수 있을 뿐만 아니라 물을 사용하는 경우 환경 부하를 최소화하면서 전지용 전극 조성물을 경제적이고 신속하게 대량으로 형성할 수 있는 제조 방법이 제공될 수 있다.In addition, according to the embodiments of the present invention, since the active material particles and the binder complex can be simultaneously formed in the polar solvent by using a polar solvent, preferably water, the binder complex is uniformly wetted to the active material particles And can provide a production method capable of forming an electrode composition for a battery economically and rapidly in a large amount while minimizing the environmental load when water is used.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바인더 복합체의 구조를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 활물질 입자들의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지용 활물질 조성물의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4a 내지 도 4c는 각각 본 발명의 상기 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 활물질 입자들을 도시하는 투과 전자 현미경 이미지이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예에 의한 전극 조성물을 이용하여 제조된 반쪽 전지들의 충·방전 싸이클 수에 대한 용량과 용량 유지율을 도시하는 그래프들이다.
1 shows a structure of a binder composite according to an embodiment of the present invention.
2A and 2B are cross-sectional views illustrating structures of active material particles according to various embodiments of the present invention.
3 is a flowchart showing a method of manufacturing a battery active material composition according to an embodiment of the present invention.
4A to 4C are transmission electron microscope images showing the active material particles prepared according to Examples 1 to 3 of the present invention, respectively.
FIGS. 5A and 5B are graphs showing the capacity and the capacity retention rate for the number of charge / discharge cycles of the half-cells manufactured using the electrode compositions according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples, respectively.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.  오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified in various other forms, The present invention is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more faithful and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In the following drawings, thickness and size of each layer are exaggerated for convenience and clarity of description, and the same reference numerals denote the same elements in the drawings. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of any of the listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.  본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다.  또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a,""an," and "the" include singular forms unless the context clearly dictates otherwise. Also, &quot; comprise "and / or" comprising "when used herein should be interpreted as specifying the presence of stated shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and / And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, operations, elements, elements, and / or groups.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바인더 복합체(10)의 구조를 도시한다.1 shows the structure of a binder composite 10 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 바인더 복합체(10)는 각각 적어도 하나 이상의 음이온기(10_1)를 갖는 고분자 사슬들(10_2), 및 고분자 사슬들(10_2) 각각의 음이온기(10_1)와 이온 결합되어 고분자 사슬들(10_2)을 서로 고정하는 2가 이상의 금속 양이온(10_3)을 포함한다.1, the binder composite 10 is ionically bonded to the polymer chains 10_2 each having at least one anion group 10_1 and the anion group 10_1 of each polymer chain 10_2, And a divalent or more metal cation 10_3 that fixes the metal ions 10_2 to each other.

고분자 사슬들(10_2)은 선형 고분자이거나, 가지 고분자 또는 3차원 구조의 가교 고분자일 수 있다 바람직하게는, 고분자 사슬들(10_2)은 선형 고분자일 수 있다. 후술하는 활물질 입자들이 미세화되어 나노 크기의 직경을 갖는 경우에도, 상기 선형 고분자는 활물질 입자들과 점 접촉함으로써, 충분한 기공을 확보하여 바인더 복합체(10)에 의한 리튬의 이동도 저감을 방지하고, 활물질의 슬러리 제조 공정에서도 가소성에 의해 적합한 점성을 유지하도록 함으로써 집전체에 이를 도포하는 것을 용이하게 한다.The polymer chains 10_2 may be linear polymers, branched polymers, or crosslinked polymers having a three-dimensional structure. Preferably, the polymer chains 10-2 may be linear polymers. Even when the active material particles to be described below are miniaturized to have a nano-sized diameter, the linear polymer is in point contact with the active material particles, thereby securing sufficient pores to prevent reduction of lithium migration by the binder composite 10, In the slurry production process of the present invention, it is possible to maintain the appropriate viscosity by plasticity, thereby facilitating the application to the current collector.

고분자 사슬들(10_2)은 단일 중합체이거나 공중합체일 수 있다. 고분자 사슬들(10_2)의 평균 분자량은 40,000 g/mol ~ 3,000,000 g/mol의 범위 내이다. 고분자 사슬들(10_2)의 평균 분자량이 40,000 g/mol 미만인 경우, 통상 수십 나노 미터에서 수백 마이크로 미터의 평균 직경을 갖는 활물질 입자의 크기 대비 분자 크기가 작아 활물질 입자들 사이의 고정을 위한 고분자 사슬간의 충분한 결합력을 얻을 수 없고, 3,000,000 g/mol 를 초과하는 경우 금속 양이온과 고분자 사슬간 균일한 혼합이 어려워져 슬러리 제조가 어려울 뿐만 아니라 활물질 입자들 사이에 충분한 결합력을 얻을 수 없다.The polymer chains 10-2 may be a homopolymer or a copolymer. The average molecular weight of the polymer chains (10_2) is in the range of 40,000 g / mol to 3,000,000 g / mol. When the average molecular weight of the polymer chains (10_2) is less than 40,000 g / mol, the molecular size of the active material particles having an average diameter of several tens of nanometers to several hundreds of micrometers is small, Sufficient binding force can not be obtained. When it exceeds 3,000,000 g / mol, uniform mixing between the metal cation and the polymer chain becomes difficult, which makes it difficult to produce a slurry and a sufficient bonding force can not be obtained between the active material particles.

일 실시예에서, 고분자 사슬들(10_2)은 폴리사카라이드, 스틸렌 부타디엔, 아크릴레이트, 에틸렌 비닐 아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 아크릴로니트릴-부타디엔-스틸렌, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐리덴 클로라이드), 폴리비닐피롤리돈, 카르복실레이티드 스틸렌-부타디엔, 알긴산(alginic acid), 나트륨 알긴화물(sodium alginate), 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 카르복시메틸 전분(carboxymethyl starch), 카르복시메틸 구아검(carboxymethyl guar gum), 카르보시메틸 잔탄 검(carboxymethyl xanthane gum), 카르복시메틸 타라 검(carboxymethyl tara gum), 로우 메톡실 펙틴(low methoxyl pectin), 카라지난(carrageenan), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리프로릴렌(polypropylene), 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate), 나일론(nylon), 폴리에틸렌(polyethylen), 셀룰로스(cellulose), 아밀로스(amylose), 키토산, 글루코오스, 수크로오스, 말토오스, 락토오스, 전분, 글리코겐, 천연고무(isoprene의 중합체) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 바람직하게는, 고분자 사슬들(10_2)은 선형 고분자인 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리프로릴렌(polypropylene), 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate), 나일론(nylon), 폴리에틸렌(polyethylen), 셀룰로스(cellulose), 아밀로스(amylose), 천연고무(isoprene의 중합체) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. In one embodiment, the polymer chains 10_2 may be selected from the group consisting of polysaccharides, styrene butadiene, acrylates, ethylene vinyl acetate, polyacrylonitrile, acrylonitrile-butadiene-styrene, poly (vinyl chloride) ), Polyvinyl pyrrolidone, carboxylated styrene-butadiene, alginic acid, sodium alginate, carboxymethyl cellulose, carboxymethyl starch, carboxymethyl guar gum carboxymethyl guar gum, carboxymethyl xanthane gum, carboxymethyl tara gum, low methoxyl pectin, carrageenan, polyacrylic acid, But are not limited to, polypropylene, polystyrene, poly (methylmethacrylate), nylon, polyethylene, (Polymer of isoprene), or a mixture thereof. Preferably, the polymer chains 10_2 are selected from the group consisting of cellulose, polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyrrolidone, It is also possible to use linear polymers such as polyacrylic acid, polypropylene, polystyrene, poly (methylmethacrylate), nylon, polyethylene, cellulose, amylose amylose, natural rubber (a polymer of isoprene), or mixtures thereof.

음이온기(10_1)는 -CO2 -, -SO2 -, -SO3 -, -OSO3 -, -PO3 2-, -OPO3 2-, -OP(OH)O-, -CS2 - 또는 -OCO2 - 일 수 있다. 음이온기(10_1)는 고분자 사슬들(10_2)의 주쇄 및/또는 측쇄에 결합될 수 있다. 도 1은 음이온기(10_1)가 고분자 사슬들(10_2)의 주쇄에 결합된 것을 예시한다. 음이온기(10_1)에 의해 고분자 사슬들(10_2)은 용매, 예를 들면, 극성 용매 또는 슬러리 상태에서 국부적으로 전기적으로 음으로 하전될 수 있다. Anion exchanger (10_1) is -CO 2 -, -SO 2 -, -SO 3 -, -OSO 3 -, -PO 3 2-, -OPO 3 2-, -OP (OH) O -, -CS 2 - Or -OCO 2 - . The anion group 10_1 may be bonded to the main chain and / or side chains of the polymer chains 10_2. 1 illustrates that the anion group 10_1 is bonded to the main chain of the polymer chains 10_2. The anion groups 10_1 allow the polymer chains 10_2 to be locally electrically negatively charged in a solvent, for example, a polar solvent or slurry state.

음이온기(10_1)와 이온 결합되어 고분자 사슬들(10_2)을 고정하는 금속 양이온(10_3)은 용매 내에서 전기적으로 양으로 하전된다. 따라서, 상기 용매 내에서 고분자 사슬들(10_2)의 음이온기(10_1)과 금속 양이온(10_3)은 점선 타원(IB)로 나타낸 바와 같이 국부적으로 이온 결합하게 된다. 그 결과 고분자 사슬들(10_2)은 기계적으로 강하면서 기공을 갖는 네트워크 구조를 갖게 된다. The metal cation 10_3, which is ionically bonded to the anion group 10_1 and fixes the polymer chains 10_2, is electrically charged positively in the solvent. Therefore, in the solvent, the anion groups 10_1 and the metal cations 10_3 of the polymer chains 10_2 are locally ion-bonded as indicated by dotted ellipses IB. As a result, the polymer chains 10_2 have a mechanically strong and pore network structure.

금속 양이온(10_3)은 고분자 사슬들(10_2) 각각의 음이온기(10_1)과 이온 결합하여 서로 다른 고분자 사슬들(10_2)을 고정하여야 되기 때문에 2가 이상일 수 있다. 금속 양이온(10_3)의 가수를 고려한 금속 양이온(10_3)의 첨가량과 고분자 사슬들의 첨가량에 따른 하전량의 비율 K는, 하기의 식 1을 만족하도록 결정될 수 있다. 금속 양이온(10_3)의 하전량은 양이온의 개수 × 이온 가수이며, 고분자 사슬들(10_2)의 하전량은 음이온기(10_1)의 개수× 이온 가수이다.The metal cation 10_3 may be divalent or more since it is required to fix the different polymer chains 10_2 by ionic bonding with the anion groups 10_1 of the polymer chains 10_2. The ratio K of the addition amount of the metal cation (10_3) considering the valence of the metal cation (10_3) and the charge amount depending on the addition amount of the polymer chains can be determined so as to satisfy the following formula (1). The amount of charge of the metal cation (10_3) is the number of cations × the number of ions, and the charge amount of the polymer chains (10_2) is the number of anion groups (10_1) × number of ions.

[식 1] [Formula 1]

0 < 금속 양이온 무게당 양의 하전량 / 고분자 사슬들 무게당 음의 하전량 ≤ 10 <Amount of positive charge per weight of metal cation / Amount of charge per weight of polymer chain ≤ 1

상기 K가 0을 초과하여 1 이하일 때 고분자 사슬간 결합이 금속 양이온들이 매개하는 고분자 사슬간의 결합이 이루어지고, 1을 초과하는 경우에는 금속 양이온들이 전해질 내에 자유로운 상태로 노출될 수 있어 리튬의 산화 및 환원 반응에 역효과를 줄 수 있다. 상기 K가 0을 초과하여 1 이하일 때 고분자 사슬간 결합이 금속 양이온들이 매개하는 고분자 사슬간의 결합이 이루어지고, 1을 초과하는 경우에는 금속 양이온들이 전해질 내에 자유로운 상태로 노출될 수 있어 리튬의 산화 및 환원 반응에 역효과를 줄 수 있다. 바람직하게는, 상기 K 값은 첨가되는 금속 양이온의 종류에 따라 결정될 수 있다. 이에 관하여는 후술하도록 한다.When K is more than 0 and less than 1, the intermolecular chain linkage bonds between the polymer chains mediated by the metal cations. When the K is more than 1, the metal cations can be exposed in a free state in the electrolyte, It may adversely affect the reduction reaction. When K is more than 0 and less than 1, the intermolecular chain linkage bonds between the polymer chains mediated by the metal cations. When the K is more than 1, the metal cations can be exposed in a free state in the electrolyte, It may adversely affect the reduction reaction. Preferably, the K value can be determined according to the kind of the metal cation to be added. This will be described later.

상기 2가 이상의 금속 양이온(10_3)은 알카리 토금속, 전이 금속 또는 이들의 합금의 양이온을 포함할 수 있다. 상기 알카리 토금속은, 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 또는 바륨을 포함할 수 있다. 상기 전이 금속은, 예를 들면, 타이타늄, 스칸듐, 티탄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈 또는 구리; 이트륨, 지르코늄, 나이오븀, 몰리브데늄, 테크네륨, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 또는 카드뮴; 또는, 하프늄, 탄탈륨, 텅스텐, 또는 이리듐을 포함할 수 있다.
The bivalent or higher metal cation (10_3) may include a cation of an alkaline earth metal, a transition metal, or an alloy thereof. The alkaline earth metal may include beryllium, magnesium, calcium, strontium, or barium. The transition metal may be, for example, titanium, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel or copper; Yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, technetium, ruthenium, rhodium, palladium, or cadmium; Or hafnium, tantalum, tungsten, or iridium.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 활물질 입자들(20A, 20B)의 구조를 도시하는 단면도이다.2A and 2B are sectional views showing the structure of the active material particles 20A and 20B according to various embodiments of the present invention.

도 2a를 참조하면, 활물질 입자(20A)는 활물질 코어(20_1) 및 활물질 코어(20_1)의 적어도 일부를 둘러싸는 바인더 복합체(10)를 포함할 수 있다. 바인더 복합체(10)에 관하여는 도 1에 개시된 사항을 참조할 수 있다.Referring to FIG. 2A, the active material particle 20A may include a binder composite 10 surrounding at least a part of the active material core 20_1 and the active material core 20_1. For the binder composite 10, reference can be had to that disclosed in Fig.

일 실시예에서, 활물질 코어(20_1)는, 전지의 충전 및 방전을 수행할 수 있는 에너지 저장 물질일 수 있다. 예를 들면, 활물질 코어(20_1)는 리튬 이온과 얼로잉 및 디얼로잉, 흡장 및 방출, 또는 흡착/탈착과 같은 가역적 반응 기구에 의해 리튬 이온의 산화 및 환원 반응을 수반하는 금속, 준금속 또는 이들의 혼합물을 포함하는 음극용 활물질일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 금속 또는 준금속은, Sn, Si, Sb, Zn, Ge, Al, Cu, Bi, Cd, Mg, As, Ga, Pb 및 Fe 중 어느 하나, 또는 SnSb, SnAg, 및 Sn2Fe와 같은 금속간 화합물일 수 있다.In one embodiment, the active material core 20_1 may be an energy storage material capable of charging and discharging the battery. For example, the active material core 20_1 may be made of a metal, a metalloid or a metal, which accompanies the oxidation and reduction reaction of lithium ions by a reversible reaction mechanism such as alloying and arming with lithium ions, occlusion and release, or adsorption / And a mixture of these materials. In one embodiment, the metal or metalloid is selected from Sn, Si, Sb, Zn, Ge, Al, Cu, Bi, Cd, Mg, As, Ga, Pb and Fe, or SnSb, SnAg, and Sn 2 Fe. &Lt; / RTI &gt;

그러나, 전술한 금속 또는 준금속의 활물질 코어(20_1)는 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 활물질 코어(20_1)는, 전지의 충·방전에 수반하는 부피 변화율에 의한 응력이 바인더 복합체(10)에 의해 완화될 수 있으므로, 고용량을 얻을 수 있는 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 활물질 코어(20_1)는 전지의 충·방전에 수반하는 부피 변화율이 100 % 내지 400 %의 범위 내인 물질일 수 있으며, 금속 또는 준금속이 아닌 다른 고용량의 실리콘 산화물(SiO2) 또는 주석 산화물(SnO2)과 같은 산화물 또는 LixMyN2(M은 금속임)과 같은 질화물을 포함할 수도 있다. 또는, 전술한 재료들의 혼합 구조 또는 코어-쉘과 같은 복합 구조를 가질 수 있다.However, the above-described metal or metalloid active material core 20_1 is illustrative, and the present invention is not limited thereto. For example, the active material core 20_1 may include other materials capable of obtaining a high capacity since the stress due to the rate of change in volume accompanying the charging and discharging of the battery can be alleviated by the binder composite 10. For example, the active material core (20_1) may be a volume change rate is within a range of materials of 100% to 400% caused by the charge and discharge of the battery, and other high capacity of silicon oxide rather than a metal or metalloid (SiO 2) or An oxide such as tin oxide (SnO 2 ), or a nitride such as Li x M y N 2 (where M is a metal). Alternatively, it may have a mixed structure of the above-mentioned materials or a composite structure such as a core-shell.

다른 실시예에서, 활물질 코어(20_1)는 양극용 활물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 양극용 활물질은 리튬 망간 산화물, 리튬 코발트 산화물 또는 리튬 이온 인산화물과 같은 리튬 염들을 포함할 수 있다. In another embodiment, the active material core 20_1 may include a positive electrode active material. For example, the positive electrode active material may include lithium salts such as lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide, or lithium ion phosphorous.

활물질 코어(20_1)는 전술한 재료들의 1 차 입자이거나 이들 1 차 입자들이 서로 응집되어 형성된 2 차 입자일 수 있다. 활물질 코어(20_1)의 평균 입경은 20 nm 내지 2 ㎛ 범위 내일 수 있으며, 전지의 응용 및 전극 구조에 따라 적절히 선택될 수 있다.The active material core 20_1 may be primary particles of the above-described materials or secondary particles formed by aggregating these primary particles together. The average particle diameter of the active material core 20_1 may be within the range of 20 nm to 2 mu m and may be appropriately selected depending on the application of the battery and the electrode structure.

일부 실시예에서, 활물질 코어(20_1)는 내부에 보이드(미도시)를 가질 수 있다. 상기 보이드는 활물질 코어(20_1) 내부에서 복수의 분리된 캐비티 또는 캐비티들이 서로 연통된 캐비티일 수 있으며, 활물질 코어(20_1)의 표면으로 연장되어 활물질 코어(20_1)의 내부와 표면을 연결하는 통로를 형성할 수도 있다. 상기 보이드를 통하여 리튬 이온들이 활물질 코어(20_1)와 얼로잉 및 디얼로잉, 흡장 및 방출, 또는 흡착/탈착과 같은 전기화학적 반응을 할 수 있으며, 활물질 코어(20_1)와 리튬과의 반응 표면적을 증가시키고, 충전시 활물질 코어(20_1)의 부피 팽창에 대한 버퍼로서 작용할 수 있다.In some embodiments, the active material core 20_1 may have voids (not shown) therein. The void may be a cavity in which a plurality of separated cavities or cavities are communicated with each other within the active material core 20_1 and extends to the surface of the active material core 20_1 to form a passage connecting the inside of the active material core 20_1 with the surface . Through the voids, lithium ions can perform an electrochemical reaction with the active material core 20_1 such as alloying and dialing, occlusion and release, or adsorption / desorption, and the reaction surface area between the active material core 20_1 and lithium And can function as a buffer for the volume expansion of the active material core 20_1 upon charging.

바인더 복합체(10)를 매개로 하여 서로 접촉하고 있는 활물질 코어들(20_1)은 각각의 활물질 코어들(20_1)의 적어도 일부를 각각 코팅하는 바인더 복합체(10)에 의해 서로 고정될 수 있다. 바인더 복합체(10) 사이의 고정은, 고분자 사슬들(10_2) 자체의 공유 결합 및 고분자 사슬들(10_2) 각각의 음이온기(10_1)와 양이온(10_3) 사이의 이온 결합에 의한 고분자 사슬들(10_2) 사이의 결합에 의해 달성된다.The active material cores 20_1 which are in contact with each other via the binder composite 10 can be fixed to each other by the binder composite 10 coating each of the active material cores 20_1 with each other. The binder between the binder complex 10 and the anion group 10_1 of the polymer chains 10_2 itself and the polymer chains 10_2 by ionic bonds between the anions 10_1 and 10_3 of the polymer chains 10_2, ). &Lt; / RTI &gt;

상기 이온 결합은 고분자 사슬들(10_2)을 공유 결합보다 더 강하게 결합하기 때문에 고분자 사슬들(10_2)의 인장 강도를 증가시키고 바인더 복합체(10) 전체의 탄성률을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 본 발명의 실시예에 따르면, 활물질 코어(20_1)를 포함하는 활물질 입자들(20A) 사이의 충·방전에 수반하는 부피 변화율을 감소시켜, 부피 변화율이 100 % 내지 400 % 범위 내의 활물질을 사용할 수 있으며, 또한, 부피 팽창이 큰 초기 충전 효율을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 부피 변화에 의한 크래킹을 방지하여 수명을 개선할 수 있다. 또한, 강한 이온 결합은, 공유 결합만으로 활물질 입자들을 고정하는 종래의 바인더에 비해 전지의 에너지 밀도를 저감시키는 바인더의 양을 최소화하여 전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. Since the ionic bonds more strongly bind the polymer chains 10_2 than the covalent bonds, the ionic bonds can increase the tensile strength of the polymer chains 10_2 and increase the elastic modulus of the entire binder complex 10. As a result, according to the embodiment of the present invention, it is possible to reduce the rate of change in volume accompanying the charging / discharging between the active material particles 20A including the active material core 20_1 so that the volume change rate becomes 100% to 400% In addition, it is possible not only to improve the initial charging efficiency with a large volume expansion, but also to prevent cracking due to volume change and to improve the service life. In addition, strong ionic bonding can improve the energy density of the battery by minimizing the amount of the binder that reduces the energy density of the battery, as compared with the conventional binder that fixes the active material particles only by the covalent bond.

도 2b를 참조하면, 활물질 입자(20B)는 활물질 코어(20_1) 상에 도전층(20_2)을 더 포함할 수 있다. 그에 따라, 활물질 코어(20_1)와 도전층(20_2)은 코어-쉘 구조를 가질 수 있다. 도전층(20_2)은 서로 접촉하는 활물질 코어(20_1) 사이의 전기적 연결을 위한 것이며, 활물질 코어(20_1)와 집전체(미도시) 사이의 전자 경로의 내부 저항을 감소시킨다.Referring to FIG. 2B, the active material particle 20B may further include a conductive layer 20_2 on the active material core 20_1. Accordingly, the active material core 20_1 and the conductive layer 20_2 may have a core-shell structure. The conductive layer 20_2 is for electrical connection between the active material cores 20_1 that contact each other and reduces the internal resistance of the electron path between the active material core 20_1 and the current collector (not shown).

일부 실시예에서, 도전층(20_2)은 흑연, 소프트카본, 탄소나노튜브 또는 그래핀과 같은 결정질 또는 비정질 탄소계 도전층을 포함할 수 있다. 상기 탄소계 도전층은, 도전성을 갖는 SP2 흑연 구조와 절연성을 갖는 SP3의 다이아몬드 구조가 혼재될 수 있으며, 탄소계 도전층이 도전성을 갖기 위해서, 상기 SP2가 SP3보다 더 큰 몰분률을 갖도록 할 수도 있으며, 이는 후술하는 열처리 공정을 통하여 조절되며 확보될 수 있다. 다른 실시예에서, 도전층(20_2)은 안티몬 아연 산화물 또는 안티몬 주석 산화물과 같은 도전성 금속 산화물의 나노 스케일 입자들 또는 이를 포함하는 층일 수도 있다. 도전층(20_2)에 관한 재료들은 예시적이며, 본 발명이 이에 한정되어서는 아니 된다.In some embodiments, the conductive layer 20_2 may comprise a crystalline or amorphous carbon-based conductive layer, such as graphite, soft carbon, carbon nanotubes, or graphene. The carbon-based conductive layer may have a conductive SP 2 graphite structure and an insulating SP 3 diamond structure. In order for the carbon-based conductive layer to have conductivity, the SP 2 has a larger mole fraction than SP 3 Which can be controlled and secured through the heat treatment process described below. In another embodiment, the conductive layer 20_2 may be a nanostructured particle of a conductive metal oxide, such as antimony zinc oxide or antimony tin oxide, or a layer containing it. The materials for the conductive layer 20_2 are illustrative, and the present invention should not be limited thereto.

도전층(20_2)의 두께는 2 nm 내지 5 ㎛일 수 있으며, 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 도전층(20_2)은 내부의 활물질 코어(20_1)를 전체 전극 내에서 다른 활물질 코어들과 격리시키는 물리적 장벽으로서 기능한다. 이에 의해, 활물질 코어들(20_1) 사이의 응집을 방지할 수 있다.The thickness of the conductive layer 20_2 may be 2 nm to 5 [mu] m, and the present invention is not limited thereto. The conductive layer 20_2 functions as a physical barrier that isolates the active material core 20_1 in the entire electrode from other active material cores. As a result, agglomeration between the active material cores 20_1 can be prevented.

도 2b에서는 하나의 활물질 입자(20B)의 구조를 예시하고 있지만, 도 2a를 참조하여 설명한 바와 같이 복수의 활물질 입자들(20B)이 이를 둘러싸는 바인더 복합체(10)에 의해 강하게 고정되어 전극층을 형성할 수 있다. 바인더 복합체(10)는 전지의 충·방전에 따른 부피 팽창의 버퍼로서 탄성 매트릭스(resilient matrix)로서 기능하며, 특히 바인더 복합체(10)가 선형 구조를 갖는 경우, 네크워크 구조 내에 충분한 기공이 확보되어 리튬과 같은 금속 이온이 활물질 입자(20B)와 전해액(미도시) 사이에서 이동도를 저하시키지 않고 자유로이 왕래할 수 있다.
2B illustrates the structure of one active material particle 20B. However, as described with reference to FIG. 2A, a plurality of active material particles 20B are firmly fixed by the binder complex 10 surrounding the active material particles 20B to form an electrode layer can do. The binder complex 10 functions as a resilient matrix as a buffer for volume expansion due to charging and discharging of the battery. In particular, when the binder composite 10 has a linear structure, sufficient pores are secured in the network structure, Can freely pass between the active material particles 20B and the electrolyte (not shown) without lowering the mobility.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지용 활물질 조성물의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.3 is a flowchart showing a method of manufacturing a battery active material composition according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 극성 용매 내에 활물질 입자들을 분산시킨다(S10). 활물질 입자들은 도 2a 및 도 2b를 참조하여 전술한 활물질 코어(20_1), 및 선택적으로는 도전막(20_2)을 포함하는 입자 구조를 갖는 재료이다. 상기 극성 용매는, 상기 활물질 입자들의 분산을 유도하고, 후술하는 음이온기를 갖는 고분자 사슬이 용이하게 용해 및 분산될 수 있는 액상 용매로부터 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 극성 용매는, 물, 알코올(비제한적 예로서, 메탄올, 에탄올, 이소부틸알콜, 옥탄올, 폴리비닐알콜 에틸알콜, 메틸알콜, 이소프로필알콜, 이소부틸알콜, 폴리비닐알콜, 사이클로헥사놀, 옥틸알콜, 데카놀, 헥사테카놀, 글리세롤, 프로필렌 글리콜, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 피나콜, 1.2-옥테인디올, 1,2-도데케인디올 및 1,2-헥사데케인디올 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이며, 다른 1차 알코올, 2차 알코올 및 3차 알코올이 사용될 수도 있음), 아세트산, 아세톤, N, N-디메틸포름아미드, N, N-디메틸아세트아미드, 또는 N-Methylpyrrolidone(NMP)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, active material particles are dispersed in a polar solvent (S10). The active material particles are materials having a particle structure including the above-described active material core 20_1, and optionally the conductive film 20_2 with reference to Figs. 2A and 2B. The polar solvent may be selected from a liquid solvent capable of inducing dispersion of the active material particles and capable of easily dissolving and dispersing a polymer chain having an anion group described below. For example, the polar solvent may be selected from the group consisting of water, alcohol (including, but not limited to, methanol, ethanol, isobutyl alcohol, octanol, polyvinyl alcohol ethyl alcohol, methyl alcohol, isopropyl alcohol, isobutyl alcohol, Cyclohexanol, octyl alcohol, decanol, hexatecanol, glycerol, propylene glycol, ethylene glycol, propylene glycol, pinacol, 1,2-octanediol, 1,2-dodecanediol and 1,2- Or a mixture thereof, and other primary alcohol, secondary alcohol and tertiary alcohol may be used), acetic acid, acetone, N, N-dimethylformamide, N, N- Methylpyrrolidone (NMP).

다른 실시예에서, 상기 극성 용매는 옥틸에테르, 부틸에테르, 헥실에테르, 벤질에테르, 페닐에테르, 데실에테르, 에틸메틸에테르, 디메틸에테르, 디에틸에테르, 디페닐에테르, 테트라하이드로퓨란, 1,4-다이옥산과 같은 사이클 에테르, 또는 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리프로필렌 글리콜(PPG), 폴리테트라메틸렌 글리콜(PTMG), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리테트라하이드로퓨란과 같은 폴리에테르계 용매일 수 있다. 또는, 상기 극성 용매는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 아크릴레이트 에스테르 및 셀룰로스 아세테이트, 이소부틸 아세테이트, 이소프로필 아세테이트, 아릴 헥사노에이트(allyl hexanoate), 벤질 아세테이트(benzyl acetate), 보닐 아세테이트(bornyl acetate), 부틸 아세테이트 또는 락톤과 같은 사이클릭 에스테르계 용매일 수도 있다. 그러나, 바람직하게는, 상기 액상 용매는 환경 부하를 최소화할 수 있는 물이다.In another embodiment, the polar solvent is selected from the group consisting of octyl ether, butyl ether, hexyl ether, benzyl ether, phenyl ether, decyl ether, ethyl methyl ether, dimethyl ether, diethyl ether, diphenyl ether, tetrahydrofuran, And cyclic ethers such as dioxane or polyethers such as polyethylene glycol (PEG), polypropylene glycol (PPG), polytetramethylene glycol (PTMG), polyoxymethylene (POM) and polytetrahydrofuran. Alternatively, the polar solvent may be selected from the group consisting of polyethylene terephthalate, acrylate esters and cellulose acetate, isobutyl acetate, isopropyl acetate, allyl hexanoate, benzyl acetate, bornyl acetate, Or cyclic ester-based daily such as lactone. Preferably, however, the liquid solvent is water capable of minimizing the environmental load.

상기 극성 용매 내에 음이온기를 갖는 고분자 사슬들이 제공된다(S20). 상기 고분자 사슬들은 상기 극성 용매 내에 용해 및/또는 분산될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 고분자 사슬들은 음이온기를 갖는 모노모 형태로 상기 극성 용매 내에 첨가된 후, 광, 개시제, 열과 같은 에너지를 주입하여 상기 고분자 사슬들로 중합될 수 있다. 다른 실시예에서는, 상기 고분자 사슬들이 미리 외부에서 중합된 채로 고형 또는 액상 형태로 상기 극성 용매 내에 제공될 수 있다.Polymer chains having anionic groups in the polar solvent are provided (S20). The polymer chains may be dissolved and / or dispersed in the polar solvent. In one embodiment, the polymer chains may be added to the polar solvent in a monomorphic form having an anion group, and then polymerized into the polymer chains by injecting energy such as light, initiator, and heat. In another embodiment, the polymer chains may be provided in the polar solvent in solid or liquid form, with the polymer chains previously polymerized externally.

상기 극성 용매 내에 2가 이상의 금속 양이온들을 제공한다(S30). 상기 금속 양이온들은 금속염의 형태로 상기 극성 용매 내에 제공될 수 있다. 상기 금속염은 상기 극성 용매 내에서 이온화될 수 있다. 상기 금속염은, 알카리 토금속 및 전이 금속의 산화물, 탄산화물, 질화물, 질산화물, 황화물, 황산화물, 수산화물 또는 할로겐화물일 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 칼슘이온은 할로겐화물인 염화물(CaCl2) 또는 수산화물(Ca(OH)2)로 상기 극성 용매 내에 제공될 수 있다. 또한, 마그네슘은 황산화물(MgSO4·7H2O)로 제공될 수도 있다. 이들 염들은 상용화된 화합물들 중에 극성 용매 내에서 용이하게 이온화될 수 있는 화합물이면 적용 가능하며, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또는, 상기 금속 양이온들은 폴리염화알루미늄과 같이 상기 극성 용매 내에서 해리 가능한 유기 또는 무기 금속 중합체 전구체에 의해 제공될 수도 있다.Thereby providing two or more metal cations in the polar solvent (S30). The metal cations may be provided in the polar solvent in the form of a metal salt. The metal salt may be ionized in the polar solvent. The metal salts may be oxides, carbonates, nitrides, nitrates, sulfides, sulfides, hydroxides or halides of alkaline earth metals and transition metals, but the present invention is not limited thereto. For example, the calcium ion may be provided in the polar solvent as a halide chloride (CaCl 2 ) or hydroxide (Ca (OH) 2 ). In addition, magnesium may be provided as a sulfur oxide (MgSO 4 .7H 2 O). These salts can be applied to any compound that can be easily ionized in a polar solvent among commercially available compounds, and thus the present invention is not limited thereto. Alternatively, the metal cations may be provided by dissociable organic or inorganic metal polymer precursors in the polar solvent, such as polyaluminum chloride.

일 실시예에서, 상기 금속염 또는 금속 중합체 전구체는, 상기 고분자 사슬들과 상기 금속 양이온들의 비율 K이 하기의 식 1을 만족할 수 있도록 제공될 수 있다. K가 0보다 커야 고분자 사슬 사이의 결합이 이루어지는 것이 가능하며, 1을 초과하는 경우에는 금속 양이온들이 전해질 내에 자유로운 상태로 노출될 수 있어 리튬의 산화 및 환원 반응에 역효과를 줄 수 있다.In one embodiment, the metal salt or metal polymer precursor can be provided such that the ratio K of the polymer chains and the metal cations can satisfy Equation 1 below. If K is greater than 0, the bonds between the polymer chains can be achieved. If it exceeds 1, metal cations can be exposed in the electrolyte in a free state, which can adversely affect the oxidation and reduction of lithium.

[식 1][Formula 1]

0 < 금속 양이온 무게당 양의 하전량 / 고분자 사슬들 무게당 음의 하전량 ≤ 10 <Amount of positive charge per weight of metal cation / Amount of charge per weight of polymer chain ≤ 1

또한, 상기 비율 K는 합성된 전극 조성물인 2차 입자들의 평균 직경을 고려하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 실험으로부터, Ca의 전구체인 Ca(OH)2는 0.5 ≤ K ≤1 에서 적합한 이차 입자 크기를 형성한다. K 값이 0.5 미만일 때는 활물질 입자들간 응집이 잘 일어나지 않고, 0.5 이상일 때부터 적합한 크기를 갖는 활물질 입자들의 이차 입자를 얻을 수 있다. 또 다른 예로서, 폴리염화알루미늄의 경우에는, 0 < K ≤ 0.3 에서 적합한 이차 입자 크기를 갖는다. K가 0.3을 초과하는 경우 이차 입자의 크기가 조대해져 사용을 위해 분쇄 공정과 같은 추가적 공정이 요구되므로 활물질 조성물로서의 응용에 적합하지 않다.Also, the ratio K can be selected in consideration of the average diameter of the secondary particles, which is the electrode composition synthesized. For example, from experiments, Ca (OH) 2, the precursor of Ca, forms a suitable secondary particle size at 0.5 ≤ K ≤ 1. When the K value is less than 0.5, aggregation between the active material particles does not occur well, and secondary particles of active material particles having an appropriate size can be obtained when the K value is 0.5 or more. As another example, in the case of polychlorinated aluminum, it has a suitable secondary particle size at 0 < K? 0.3. When K is more than 0.3, the size of the secondary particles becomes large, and an additional process such as a pulverization process is required for use, which is not suitable for application as an active material composition.

상기 활물질 입자들은 전지의 충·방전시 부피 변화율의 이론 값이 100 % 내지 400 %의 범위 내인 활물질로부터 선택될 수 있다. 이 경우, 상기 K 값은 상기 충·방전시 부피 변화율이 100 % 내지 400 %의 범위 내인 활물질에 대하여 용량 유지율과 수명을 확보하도록 적합한 이차 입자 크기와 함께 부피 변화율을 억제할 수 있는 강도를 갖도록 0을 초과하고 1 이하의 범위 내에서 선택될 수 있다.The active material particles may be selected from an active material having a theoretical value of volume change rate during charge / discharge of the battery within a range of 100% to 400%. In this case, the K value is preferably set to 0 (zero) so as to have a suitable secondary particle size and a strength capable of suppressing the rate of volume change for ensuring the capacity retention rate and lifetime for the active material having a volume change rate during the charging / discharging of 100% And may be selected within a range of 1 or less.

상기 활물질 입자들은 Sn, Si, Sb, Zn, Ge, Al, Cu, Bi, Cd, Mg, As, Ga, Pb 및 Fe 중 어느 하나; 이의 금속간 화합물; 이의 산화물; 또는 이의 질화물로 형성된 활물질 코어를 포함할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 상기 활물질 입자들은 활물질 코어 및 상기 활물질 코어 상에 코팅되는 도전층을 포함할 수도 있다.The active material particles may be any one of Sn, Si, Sb, Zn, Ge, Al, Cu, Bi, Cd, Mg, As, Ga, Pb and Fe; Intermetallic compounds thereof; Oxides thereof; Or an active material core formed of a nitride thereof. Further, in some embodiments, the active material particles may include an active material core and a conductive layer coated on the active material core.

일부 실시예에서는, 상기 금속 양이온들 및/또는 활물질 입자들의 분산 안정성을 향상시키기 위해 상기 극성 용매 내에 계면 활성제가 첨가될 수 있다. 상기 계면 활성제는, 예를 들면, 옥틸아민(octylamine), 트리옥틸아민(trioctylamine), 데실아민(decylamine), 도데실아민(dodecylamine), 테트라데실아민(tetradecylamine), 헥사데실아민(hexadecylamine), 올레일아민(oleylamine), 옥타데실아민(octadecylamine), 트리벤질아민(tribenzylamine), 트리페닐아민(triphenylamine), 또는 이들의 혼합물로부터 선택된 C8 내지 C24 아민계 계면 활성제일 수 있다.In some embodiments, a surfactant may be added to the polar solvent to improve dispersion stability of the metal cations and / or active material particles. The surfactant may be selected from, for example, octylamine, trioctylamine, decylamine, dodecylamine, tetradecylamine, hexadecylamine, olefins, C24 to C24 amine surfactants selected from the group consisting of oleylamine, octadecylamine, tribenzylamine, triphenylamine, or mixtures thereof.

전술한 단계들 S10-S30은 순차적으로 수행되거나 어느 하나의 단계가 역전될 수 있다. 예를 들면, 극성 용매 내에 고분자 사슬들을 먼저 제공하고(S20), 이후, 상기 극성 용매 내에 활물질들과 금속 이온을 첨가할 수도 있다(S10, S30). 이때, 교반 공정을 수행할 수 있으며, 선택적으로는, 온도 제어 및 초음파 분산과 같은 추가적인 조작을 할 수 있다. The above-described steps S10-S30 may be performed sequentially or any one of the steps may be reversed. For example, polymer chains may be first provided in a polar solvent (S20), and then active materials and metal ions may be added to the polar solvent (S10, S30). At this time, the stirring process can be performed, and further, additional operations such as temperature control and ultrasonic dispersion can be performed.

일부 실시예에서는, 상기 극성 용매 내에 도전재를 함께 첨가할 수 있다. 상기 도전재는, 카본 블랙, 초미세 그라파이트 입자, 및 아세틸렌 블랙과 같은 파인 카본(fine carbon), 나노 금속 입자 페이스트, 또는 ITO(indium tin oxide) 페이스트일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In some embodiments, a conductive material may be added together in the polar solvent. The conductive material may be carbon black, ultrafine graphite particles, fine carbon such as acetylene black, nano metal particle paste, or ITO (indium tin oxide) paste, but the present invention is not limited thereto.

상기 단계들 S10-S30에 의해, 상기 활물질 입자들에 고분자 사슬들이 코팅되고, 상기 금속 양이온에 의해 상기 활물질 입자들을 코팅하는 고분자 사슬들이 강화되어 바인더 복합체로 이루어진 층을 형성할 수 있다(S40). 또한, 상기 바인더 복합체로 코팅된 활물질 입자들은 각각 서로 접촉하고, 접촉하는 바인더 복합체들이 금속 양이온을 매개로 서로 결합되어 활물질 입자들이 응집된다. 도전재가 상기 극성 용매 내에 첨가된 경우, 활물질 입자들과 함께 도전재가 바인더 복합체에 의해 활물질 입자의 외부에 고정될 것이다.According to the steps S10-S30, the polymer chains are coated on the active material particles, and the polymer chains coating the active material particles with the metal cations are strengthened to form a layer composed of the binder complex (S40). In addition, the active material particles coated with the binder composite are in contact with each other, and the binder composites that are in contact with each other are bonded to each other via metal cations, so that the active material particles are agglomerated. When the conductive material is added in the polar solvent, the conductive material together with the active material particles will be fixed to the outside of the active material particle by the binder composite.

응집된 활물질 입자들을 수득한 후, 건조시키고, 적합한 밀링 또는 분급 장치를 이용하여 해쇄(disintegration)하여, 바인더 복합체로 코팅된 활물질 입자들을 얻을 수 있다. 이후, 활물질 입자들은 건식 또는 슬러리 형태로 제조되어 습식 방식으로 집전체에 코팅되거나 함침되어 전극을 형성한다. 활물질 입자들을 코팅하는 바인더 복합체는 집전체 및 활물질 입자들 사이를 고정하는 바인더로서 사용될 수 있다.
After the agglomerated active material particles are obtained, they are dried and disintegrated using a suitable milling or classifier to obtain active material particles coated with the binder composite. Thereafter, the active material particles are prepared in dry or slurry form and coated or impregnated into the current collector in a wet manner to form an electrode. The binder composite that coats the active material particles can be used as a binder for fixing between the current collector and the active material particles.

실시예Example

전술한 본 발명의 실시예들에 따라 음극 조성물을 합성하였다. 표 1은 제조된 음극 조성물의 활물질 입자, 바인더 복합체의 전구체 및 극성 용매의 조합을 구별하여 표 1과 같이 실시예 1 내지 실시예 3으로 표시하였다. 또한, 본 발명의 실시예들에 대한 비교예로서, 금속 염을 적용하지 않고 고분자 사슬들만으로 바인더를 구성한 음극 조성물도 합성하였다.The negative electrode composition was synthesized according to the embodiments of the present invention described above. Table 1 shows the results of Examples 1 to 3 as shown in Table 1, in which the active material particles of the negative electrode composition, the precursor of the binder complex, and the combination of the polar solvent are distinguished. In addition, as a comparative example to the embodiments of the present invention, a negative electrode composition in which a binder was composed of only polymer chains was synthesized without applying a metal salt.

음이온기를 포함하는 약 0.5 g의 고분자 사슬들이 용해된 100 ml의 극성 용매에 약 10 g의 나노 실리콘 또는 나노 실리콘-카본 복합체를 첨가하여 볼-밀을 이용하여 24 시간 동안 분산시킨다. 이후, 상기 혼합 용액에 금속염인 Ca(OH)2 또는 폴리염화알루미늄을 첨가하여 상기 음이온기를 갖는 바인더와 금속 양이온 Ca2+ 또는 Al3+ 사이의 이온 결합을 유도하여, 실리콘 입자 또는 실리콘 코어/탄소 쉘의 복합 입자을 포함하는 응집체인 이차 전지용 음극 조성물을 합성하였다.About 10 g of nanosilicon or nanosilicon-carbon composite is added to 100 ml of a polar solvent in which about 0.5 g of polymer chains including anion groups are dissolved and dispersed for 24 hours using a ball mill. Thereafter, Ca (OH) 2 or poly (aluminum chloride), which is a metal salt, is added to the mixed solution to induce ionic bonding between the binder having the anion group and the metal cation Ca 2+ or Al 3+ , A negative electrode composition for a secondary battery, which is an agglomerated body containing shell composite particles, was synthesized.

실시예Example 활물질 입자Active material particle 바인더 복합체 전구체Binder complex precursor 극성 용매/
부피
Polar solvent /
volume
고분자 사슬들/
평균분자량
Polymer chains /
Average molecular weight
금속 염/
평균 중량
Metal salt /
Average weight
실시예 1Example 1 실리콘
코어 입자
silicon
Core particle
PAA(poly acrylamide)/
Mw 450,000 g/mol
PAA (polyacrylamide) /
Mw 450,000 g / mol
Ca(OH)2 /
0.25 g
Ca (OH) 2 /
0.25 g
메탄올/
100 ml
Methanol /
100 ml
실시예 2Example 2 실리콘 코어/
탄소 쉘 복합 입자
Silicon core /
Carbon shell composite particle
PAA(poly acrylamide)/
450,000 g/mol
PAA (polyacrylamide) /
450,000 g / mol
폴리염화알루미늄/
0.1 mg
Polychlorinated aluminum /
0.1 mg
메탄올/
100 ml
Methanol /
100 ml
실시예 3Example 3 실리콘 코어/
탄소 쉘 복합 입자
Silicon core /
Carbon shell composite particle
PVP(polyvinyl pyrolidone)/
1,250,000 g/mol
PVP (polyvinyl pyrolidone) /
1,250,000 g / mol
Ca(OH)2 /
0.4 g
Ca (OH) 2 /
0.4 g
증류수/
100 ml
Distilled water/
100 ml
비교예Comparative Example 실리콘 입자Silicon particles PAA
450,000 g/mol
PAA
450,000 g / mol
-- 메탄올/
100 ml
Methanol /
100 ml

실시예 1 내지 3은 예시적이며 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 극성 용매에 먼저 활물질 입자들을 분산시키고, 이후에 고분자 사슬들의 전구체를 첨가할 수도 있다. Examples 1 to 3 are illustrative and the present invention is not limited thereto. It is also possible to disperse the active material particles first in the polar solvent, followed by adding the precursor of the polymer chains.

도 4a 내지 도 4c는 각각 본 발명의 상기 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 활물질 입자들을 도시하는 투과 전자 현미경 이미지이다. 이들 도면들을 참조하면, 활물질 입자들은 실리콘 코어(20_1) 또는 실리콘 코어(20_1) 상에 코팅된 도전층인 탄소층(20_2)을 포함하는 일차 입자들이며, 상기 활물질 입자들 상에 바인더 복합체를 포함하는 코팅층(10)이 균일한 두께로 형성된 것을 확인할 수 있다. 4A to 4C are transmission electron microscope images showing the active material particles prepared according to Examples 1 to 3 of the present invention, respectively. Referring to these drawings, the active material particles are primary particles including a carbon layer 20_2 which is a conductive layer coated on a silicon core 20_1 or a silicon core 20_1, and a binder composite on the active material particles It can be confirmed that the coating layer 10 is formed with a uniform thickness.

표 2는 본 발명의 상기 실시예 1 내지 3에 따라 각각 제조된 이차 전지용 음극 조성물을 구성하는 바인더 복합체의 인장 강도(tensile strength)를 측정한 결과이다. 비교예에 따른 PAA만의 인장 강도는 90 MPa로서, 실시예 1 내지 3의 바인더 복합체의 인장 강도는 비교예에 비하여 55 내지 65% 로 현저히 향상된다.Table 2 shows the results of measuring the tensile strength of the binder complex constituting the negative electrode composition for a secondary battery according to each of Examples 1 to 3 of the present invention. The tensile strength of only the PAA according to the comparative example was 90 MPa, and the tensile strength of the binder complexes of Examples 1 to 3 was remarkably improved to 55 to 65% as compared with the comparative example.

실시예Example 바인더 복합체Binder complex 인장 강도The tensile strength 실시예 1Example 1 PAA / CaPAA / Ca 약 150 MPaAbout 150 MPa 실시예 2Example 2 PAA / AlPAA / Al 약 150 MPaAbout 150 MPa 실시예 3Example 3 PVP / CaPVP / Ca 약 140 MPa140 MPa 비교예Comparative Example PAAPAA 약 90 MPaAbout 90 MPa

도 5a 및 도 5b는 각각 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예에 의한 전극 조성물을 이용하여 제조된 반쪽 전지들의 충·방전 싸이클 수에 대한 용량과 용량 유지율을 도시하는 그래프들이다. 이들 그래프에서, 곡선 EX_1, EX_2 및 EX_3는 각각 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 반쪽 전지들의 측정 결과이며, RE는 비교예에 따른 반쪽 전지에 관한 측정 결과이다. 충·방전 율속은 0.5 C이다.FIGS. 5A and 5B are graphs showing the capacity and the capacity retention rate for the number of charge / discharge cycles of the half-cells manufactured using the electrode compositions according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples, respectively. In these graphs, the curves EX_1, EX_2 and EX_3 are the measurement results of the half-cells according to the first to third embodiments, respectively, and RE is the measurement result of the half-cell according to the comparative example. The rate of charge / discharge rate is 0.5C.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 실시예 1 내지 3과 비교예의 경우 모두 초기 용량은 2,500 mAh/g 보다 큰 용량을 나타낸다. 그러나, 50 회의 싸이클 수에서 실시예들의 경우 90 % 이상으로 용량이 유지되지만, 비교예의 경우 75 %로 용량이 급감하면서 열화가 발생되는 것을 알 수 있다. 표 3은 실험예 1 내지 3에 따른 음극의 평균 전극 팽창률과 비교예에 따른 음극의 평균 전극 팽창률의 두께 변화를 나타낸다. 표 3을 참조하면, 실시예 1 내지 3의 경우, 초기 두께를 기준으로 150 % 미만으로 충전시의 두께 변화가 억제되고, 충·방전시 두께 변화는 충전시를 기준으로 30 % 이하로 억제된다. Referring to Figs. 5A and 5B, in the case of Examples 1 to 3 and Comparative Example, the initial capacity shows a capacity larger than 2,500 mAh / g. However, the capacity is maintained at 90% or more in the case of the 50 cycles, while the capacity is reduced to 75% in the case of the comparative example. Table 3 shows the average electrode expansion rate of the cathode according to Experimental Examples 1 to 3 and the thickness variation of the average electrode expansion rate of the cathode according to the comparative example. Referring to Table 3, in the case of Examples 1 to 3, the change in thickness during charging was suppressed to less than 150% based on the initial thickness, and the change in thickness during charging and discharging was suppressed to 30% or less based on the charging time .

그러나, 비교예에 따른 전극은 초기 두께를 기준으로 220 % 정도로 충전시의 두께 변화가 나타났으며, 충·방전시의 두께 변화는 충전시를 기준으로 52 % 에 이르러 50 % 이상의 두께 변화를 나타내었다. However, the electrode according to the comparative example showed a change in the thickness at the time of charging at about 220% based on the initial thickness, and the change in thickness during charging and discharging showed a thickness change of more than 50% .

평균 전극 팽창율Average electrode inflation rate 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 비교예Comparative Example A*A * 133%133% 142 %142% 139%139% 220 %220% B**B ** 32%32% 28 %28% 29%29% 52 %52%

* A = (충전시의 두께 - 초기 두께)/충전시의 두께 × 100 (%)* A = (Thickness at charging - Initial thickness) / Thickness at charging x 100 (%)

** B = (충전시의 두께 - 방전시의 두께)/ 충전시의 두께 × 100 (%) ** B = (Thickness at charging - Thickness at discharging) / Thickness at charging x 100 (%)

따라서, 실시예 1 내지 3의 수명과 용량 유지율이 비교예에 비하여 향상되는 이온 결합에 의해 강하게 서로 결합되는 고분자 사슬들을 갖는 바인더 복합체에 의해 활물질 입자들을 고정함으로써 활물질 입자들의 충·방전에 수반하는 전극 팽창률이 효과적으로 억제된 것에 기인하는 것으로 여겨지며, 본 발명의 실시예에 따르면 부피 변화율이 큰 비탄소계 음극 재료의 경우에도 안정적인 수명과 신뢰성을 확보할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 강한 이온 결합으로 활물질 입자의 크기와 무관하게 활물질 입자들 사이 또는 집전체와 활물질 입자들 사이를 고정하기 때문에, 공유 결합만으로 활물질 입자들을 고정하는 종래의 바인더에 비해 바인더의 사용량을 최소화하여 전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. Therefore, by fixing the active material particles with the binder composite having polymer chains in which the lifetime and the capacity retention rate of Examples 1 to 3 are improved more strongly than those of the Comparative Examples by ionic bonds, It is considered that the expansion ratio is effectively suppressed. According to the embodiment of the present invention, it can be seen that even in the case of the non-carbon anode material having a large volume change rate, stable lifetime and reliability can be secured. In addition, since the active material particles are fixed between the active material particles or between the active material particles and the active material particles regardless of the size of the active material particles by strong ionic bonding, the amount of binder used can be minimized, Can be improved.

전술한 실시예들은 음극 활물질 입자에 관한 것이지만, 양극의 경우에도 동일하게 적용될 수 있음은 전술한 바와 같다. 또한, 전술한 전극 조성물은 활물질 입자들이 일차 입자 또는 이차 입자화한 것이며, 그 자체로 용매에 분산되어 슬러리 형태로 집전체에 도포되거나, 추가적으로 바인더를 더 부가하여 슬러리 형태로 집전체에 도포될 수도 있다.
Although the above-described embodiments relate to negative electrode active material particles, the same applies to the case of the positive electrode as described above. In addition, the electrode composition described above may be prepared by dispersing active material particles into primary particles or secondary particles and dispersing them in a solvent as a slurry to be applied to the current collector, or further adding a binder to the current collector have.

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It will be clear to those who have knowledge.

Claims (20)

각각 적어도 하나 이상의 음이온기를 갖는 고분자 사슬들; 및 상기 적어도 하나 이상의 음이온기와 이온 결합되어 상기 고분자 사슬들을 서로 고정하는 2가 이상의 금속 양이온들을 포함하는 바인더 복합체; 및
상기 바인더 복합체에 의해 고정되는 활물질 입자들을 포함하고,
상기 고분자 사슬들은 폴리사카라이드, 스틸렌 부타디엔, 아크릴레이트, 에틸렌 비닐 아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 아크릴로니트릴-부타디엔-스틸렌, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐리덴 클로라이드), 폴리비닐피롤리돈, 카르복실레이티드 스틸렌-부타디엔, 알긴산(alginic acid), 나트륨 알긴화물(sodium alginate), 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 카르복시메틸 전분(carboxymethyl starch), 카르복시메틸 구아검(carboxymethyl guar gum), 카르보시메틸 잔탄 검(carboxymethyl xanthane gum), 카르복시메틸 타라 검(carboxymethyl tara gum), 로우 메톡실 펙틴(low methoxyl pectin), 카라지난(carrageenan), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리프로릴렌(polypropylene), 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate), 나일론(nylon), 폴리에틸렌(polyethylen), 셀룰로스(cellulose), 아밀로스(amylose), 키토산, 글루코오스, 수크로오스, 말토오스, 락토오스, 전분, 글리코겐, 천연고무(isoprene의 중합체) 또는 이들의 혼합물을 포함하고,
상기 음이온기는 -CO2 -, -SO2 -, -SO3 -, -OSO3 -, -PO3 2-, -OPO3 2-, -OP(OH)O-, -CS2 - 또는 -OCO2 - 를 포함하고,
상기 금속 양이온들은 알카리 토금속, 전이 금속 또는 이들의 합금의 양이온을 포함하고, 상기 알카리 토금속은, 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 또는 바륨을 포함하고, 상기 전이 금속은, 타이타늄, 스칸듐, 티탄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈 또는 구리; 이트륨, 지르코늄, 나이오븀, 몰리브데늄, 테크네륨, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 또는 카드뮴; 또는, 하프늄, 탄탈륨, 텅스텐, 또는 이리듐을 포함하는 이차 전지용 전극 조성물.
Polymer chains each having at least one anion group; And a binder complex comprising divalent or more metal cations ionically bonded to the at least one anion group to fix the polymer chains to each other; And
And active material particles fixed by the binder composite,
The polymer chains may be selected from the group consisting of polysaccharide, styrene butadiene, acrylate, ethylene vinyl acetate, polyacrylonitrile, acrylonitrile-butadiene-styrene, poly (vinyl chloride), poly (vinylidene chloride), polyvinylpyrrolidone, Alginic acid, sodium alginate, carboxymethyl cellulose, carboxymethyl starch, carboxymethyl guar gum, carboxymethyl cellulose, carboxymethyl cellulose, carboxymethyl cellulose, But are not limited to, carboxymethyl xanthane gum, carboxymethyl tara gum, low methoxyl pectin, carrageenan, polyacrylic acid, polypropylene, polystyrene polystyrene, poly (methylmethacrylate), nylon, polyethylene, cellulose, Milos (amylose), chitosan, glucose, and include sucrose, maltose, lactose, starch, glycogen, natural rubber (a polymer of isoprene) or mixtures thereof,
The anionic group is -CO 2 -, -SO 2 -, -SO 3 -, -OSO 3 -, -PO 3 2-, -OPO 3 2-, -OP (OH) O -, -CS 2 - or -OCO 2 - , &lt; / RTI &gt;
Wherein the metal cations include cations of an alkaline earth metal, a transition metal, or an alloy thereof, wherein the alkaline earth metal includes beryllium, magnesium, calcium, strontium, or barium, and the transition metal is selected from the group consisting of titanium, scandium, titanium, vanadium , Chromium, manganese, iron, cobalt, nickel or copper; Yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, technetium, ruthenium, rhodium, palladium, or cadmium; Or an electrode composition for a secondary cell comprising hafnium, tantalum, tungsten, or iridium.
제 1 항에 있어서,
상기 고분자 사슬들의 평균 분자량은 40,000 g/mol ~ 3,000,000 g/mol의 범위 내인 이차 전지용 전극 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the average molecular weight of the polymer chains is in the range of 40,000 g / mol to 3,000,000 g / mol.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 고분자 사슬들은 선형 구조를 갖는 이차 전지용 전극 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer chains have a linear structure.
제 4 항에 있어서,
상기 고분자 사슬들은 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리프로릴렌(polypropylene), 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate), 나일론(nylon), 폴리에틸렌(polyethylen), 셀룰로스(cellulose), 아밀로스(amylose), 천연고무(isoprene의 중합체) 또는 이들의 혼합물을 포함하는 이차 전지용 전극 조성물.
5. The method of claim 4,
The polymer chains may be selected from the group consisting of polyacrylic acid, polypropylene, polystyrene, poly (methylmethacrylate), nylon, polyethylene, cellulose, amylose, amylose, natural rubber (polymer of isoprene), or a mixture thereof.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 고분자 사슬들과 상기 금속 양이온들의 비율은 하기의 식을 만족하는 이차 전지용 전극 조성물:
[식]
0 < 금속 양이온 무게당 양의 하전량 / 고분자 사슬들 무게당 음의 하전량 ≤ 1.
The method according to claim 1,
Wherein the ratio of the polymer chains to the metal cations satisfies the following formula:
[expression]
0 <Amount of positive charge per weight of metal cation / Amount of charge per weight of polymer chain ≤ 1.
제 1 항에 있어서,
상기 활물질 입자들은 전지의 충·방전시 부피 변화율이 100 % 내지 400 %의 범위 내인 활물질로부터 선택되는 이차 전지용 활물질 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the active material particles are selected from an active material having a volume change rate of 100% to 400% at the time of charge / discharge of the battery.
제 1 항에 있어서,
상기 활물질 입자들은 Sn, Si, Sb, Zn, Ge, Al, Cu, Bi, Cd, Mg, As, Ga, Pb 및 Fe 중 어느 하나; 이의 금속간 화합물; 이의 산화물; 또는 이의 질화물로 형성된 활물질 코어를 포함하는 이차 전지용 전극 조성물.
The method according to claim 1,
The active material particles may be any one of Sn, Si, Sb, Zn, Ge, Al, Cu, Bi, Cd, Mg, As, Ga, Pb and Fe; Intermetallic compounds thereof; Oxides thereof; Or an active material core formed of a nitride thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 활물질 입자들은 활물질 코어 및 상기 활물질 코어 상에 코팅되는 도전층을 더 포함하는 이차 전지용 전극 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the active material particles further comprise an active material core and a conductive layer coated on the active material core.
극성 용매 내에 이차 전지용 활물질 입자들을 제공하는 단계;
상기 극성 용매 내에 음이온기를 갖는 고분자 사슬들을 제공하는 단계;
상기 극성 용매 내에 2가 이상의 금속 양이온들을 제공하는 단계;
상기 고분자 사슬들의 음이온기와 상기 금속 양이온들의 이온 결합을 유도하여 상기 활물질 입자들 상에 상기 고분자 사슬들과 상기 금속 양이온들을 포함하는 바인더 복합체를 형성하는 단계; 및
상기 활물질 입자들을 수득하는 단계를 포함하고,
상기 고분자 사슬들은 폴리사카라이드, 스틸렌 부타디엔, 아크릴레이트, 에틸렌 비닐 아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 아크릴로니트릴-부타디엔-스틸렌, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐리덴 클로라이드), 폴리비닐피롤리돈, 카르복실레이티드 스틸렌-부타디엔, 알긴산(alginic acid), 나트륨 알긴화물(sodium alginate), 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 카르복시메틸 전분(carboxymethyl starch), 카르복시메틸 구아검(carboxymethyl guar gum), 카르보시메틸 잔탄 검(carboxymethyl xanthane gum), 카르복시메틸 타라 검(carboxymethyl tara gum), 로우 메톡실 펙틴(low methoxyl pectin), 카라지난(carrageenan), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리프로릴렌(polypropylene), 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate), 나일론(nylon), 폴리에틸렌(polyethylen), 셀룰로스(cellulose), 아밀로스(amylose), 키토산, 글루코오스, 수크로오스, 말토오스, 락토오스, 전분, 글리코겐, 천연고무(isoprene의 중합체) 또는 이들의 혼합물을 포함하고,
상기 음이온기는 -CO2 -, -SO2 -, -SO3 -, -OSO3 -, -PO3 2-, -OPO3 2-, -OP(OH)O-, -CS2 - 또는 -OCO2 - 를 포함하고,
상기 금속 양이온들은 알카리 토금속, 전이 금속 또는 이들의 합금의 양이온을 포함하고, 상기 알카리 토금속은, 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 또는 바륨을 포함하고, 상기 전이 금속은, 타이타늄, 스칸듐, 티탄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈 또는 구리; 이트륨, 지르코늄, 나이오븀, 몰리브데늄, 테크네륨, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 또는 카드뮴; 또는, 하프늄, 탄탈륨, 텅스텐, 또는 이리듐을 포함하는 이차 전지용 전극 조성물의 제조 방법.
Providing active material particles for a secondary battery in a polar solvent;
Providing polymer chains having anionic groups in the polar solvent;
Providing two or more metal cations in the polar solvent;
Forming a binder complex including the polymer chains and the metal cations on the active material particles by inducing ionic bonding between the anion groups of the polymer chains and the metal cations; And
And obtaining the active material particles,
The polymer chains may be selected from the group consisting of polysaccharide, styrene butadiene, acrylate, ethylene vinyl acetate, polyacrylonitrile, acrylonitrile-butadiene-styrene, poly (vinyl chloride), poly (vinylidene chloride), polyvinylpyrrolidone, But are not limited to, carboxylated styrene-butadiene, alginic acid, sodium alginate, carboxymethyl cellulose, carboxymethyl starch, carboxymethyl guar gum, But are not limited to, carboxymethyl xanthane gum, carboxymethyl tara gum, low methoxyl pectin, carrageenan, polyacrylic acid, polypropylene, polystyrene polystyrene, poly (methylmethacrylate), nylon, polyethylene, cellulose, Milos (amylose), chitosan, glucose, and include sucrose, maltose, lactose, starch, glycogen, natural rubber (a polymer of isoprene) or mixtures thereof,
The anionic group is -CO 2 -, -SO 2 -, -SO 3 -, -OSO 3 -, -PO 3 2-, -OPO 3 2-, -OP (OH) O -, -CS 2 - or -OCO 2 - , &lt; / RTI &gt;
Wherein the metal cations include cations of an alkaline earth metal, a transition metal, or an alloy thereof, wherein the alkaline earth metal includes beryllium, magnesium, calcium, strontium, or barium, and the transition metal is selected from the group consisting of titanium, scandium, titanium, vanadium , Chromium, manganese, iron, cobalt, nickel or copper; Yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, technetium, ruthenium, rhodium, palladium, or cadmium; Or an electrode composition for a secondary battery comprising hafnium, tantalum, tungsten, or iridium.
제 13 항에 있어서,
상기 고분자 사슬들의 평균 분자량은 40,000 g/mol ~ 3,000,000 g/mol의 범위 내인 이차 전지용 전극 조성물의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the average molecular weight of the polymer chains is in the range of 40,000 g / mol to 3,000,000 g / mol.
삭제delete 제 13 항에 있어서,
상기 고분자 사슬들은 선형 구조를 갖는 이차 전지용 전극 조성물의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the polymer chains have a linear structure.
제 16 항에 있어서,
상기 고분자 사슬들은 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리프로릴렌(polypropylene), 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate), 나일론(nylon), 폴리에틸렌(polyethylen), 셀룰로스(cellulose), 아밀로스(amylose), 천연고무(isoprene의 중합체) 또는 이들의 혼합물을 포함하는 이차 전지용 전극 조성물의 제조 방법.
17. The method of claim 16,
The polymer chains may be selected from the group consisting of polyacrylic acid, polypropylene, polystyrene, poly (methylmethacrylate), nylon, polyethylene, cellulose, amylose, (amylose), natural rubber (polymer of isoprene), or a mixture thereof.
삭제delete 삭제delete 제 13 항에 있어서,
상기 극성 용매는 물, 알코올, 아세트산, 아세톤, N, N-디메틸포름아미드, N, N-디메틸아세트아미드, 또는 N-Methylpyrrolidone(NMP), 옥틸에테르, 부틸에테르, 헥실에테르, 벤질에테르, 페닐에테르, 데실에테르, 에틸메틸에테르, 디메틸에테르, 디에틸에테르, 디페닐에테르, 테트라하이드로퓨란, 1,4-다이옥산, 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리프로필렌 글리콜(PPG), 폴리테트라메틸렌 글리콜(PTMG), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리테트라하이드로퓨란, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 아크릴레이트 에스테르, 셀룰로스 아세테이트, 이소부틸 아세테이트, 이소프로필 아세테이트, 아릴 헥사노에이트(allyl hexanoate), 벤질 아세테이트(benzyl acetate), 보닐 아세테이트(bornyl acetate), 부틸 아세테이트 또는 락톤을 포함하는 이차 전지용 전극 조성물의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
The polar solvent may be selected from the group consisting of water, alcohol, acetic acid, acetone, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone (NMP), octylether, butylether, hexylether, (PEG), polypropylene glycol (PPG), polytetramethylene glycol (PTMG), polytetramethyleneglycol (PTMG), polyethyleneglycol Polyoxyethylene (POM), polytetrahydrofuran, polyethylene terephthalate, acrylate ester, cellulose acetate, isobutyl acetate, isopropyl acetate, allyl hexanoate, benzyl acetate, bornyl acetate, butyl acetate or a lactone.
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