KR101953757B1 - 음극활물질 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

대입경 인조흑연 및 소입경 천연흑연을 포함하고, 상기 소입경과 대입경의 평균 입경 비율은 1:1.5 내지 1:5인 음극활물질, 및 이를 포함하는 이차 전지가 제시된다.

Description

음극활물질 및 이를 포함하는 이차전지{ANODE ACTIVE MATERIAL AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 음극활물질 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수명 특성이 개선된 음극활물질 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
전지의 수명 특성에 영향을 미치는 인자는 소재 고유 특성 인자와 설계 인자로 나눌 수 있으며, 고유 특성 인자는 전지를 구성하고 있는 핵심 재료(양극, 음극, 분리막 및 전해질)의 고유 특성(intrinsic properties)이고, 설계 인자는 셀의 설계와 관계가 있으며, 특히 양극과 음극의 설계 균형이 포함된다.
전지를 구성하고 있는 핵심 소재에 의해 수명이 나빠지게 되는 경우에는 회복이 불가능한데, 전지의 온도가 상승할수록 재료의 퇴화가 빨라지기 때문에 수명 특성이 더욱 빨리 저하된다. 이 경우에는 소재의 근본적인 특성을 개선하여야 한다. 반면에 설계 인자에 의해서 수명이 나빠지는 경우에는 대부분 양극과 음극 간의 열역학적 또는 전기화학적인 균형이 맞지 않아서 일어나는 경우가 대부분이다. 실제 예를 들면 아주 좋은 성능을 보이는 양극과 아주 좋은 성능을 지닌 음극을 선택하여 전지를 설계하더라도 반드시 좋은 수명을 보이는 것은 아니다. 또한, 아주 성능이 좋지 않은 양극과 음극을 사용하더라도 수명 특성이 나빠지는 것만도 아니다. 즉, 전지의 설계는 여러 가지 인자를 고려하여야 하며 대부분 경험에 의해 결정되는 경우가 많은데 이것이 전지 설계가 어렵게 여겨지는 이유이다.
특히, 음극의 경우에는 충전 및 방전 과정에서 급격한 수축팽창을 동반하기 때문에 항상 동력학적인 조건하에 있게 되며, 리튬 이차전지의 설계에 있어서, 흑연을 적용할 경우 충전 정도에 따른 흑연의 구조 변화로 인한 부피 팽창의 정도를 고려하여야 하며, 그렇지 않을 경우 충전 과정에서 음극 팽창에 의한 전극의 비틀림 현상 등이 나타나게 되어 전지의 수명과 성능을 크게 저하시킬 수 있다.
하지만, 현재 음극활물질로 사용되고 있는 천연 흑연은 표면 피막 형성제의 소모량이 많으며, 높은 용량을 가질수록 단위 면적당 출입하는 리튬 이온의 양이 증가하기 때문에 상대적으로 율속 특성이 저하되고, 충·방전간 부피 팽창이 커서 수명 특성이 좋지 않은 문제가 있다.
또한, 인조 흑연은 분체 흑연화를 통해 흑연화 하면서 내부에 기공(pore)이 없어 전극 제조시 압연 특성이 좋지 않으며, 표면적이 낮아 리튬 이온의 전하 이동(charge transfer) 저항이 증가하며, 출력 특성이 좋지 않은 문제가 있다.
따라서, 천연 흑연과 인조 흑연을 블랜딩하여 전극을 제조하는 기술이 개발되고는 있으나, 물질의 동력학적 특성이 상이하여 음극 전지 내에서의 동력학적 특성이 맞지 않아 상승 효과를 보지 못하고 있어, 여전히 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 동력학적 균형이 맞고, 수명 특성이 개선된 음극활물질 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 구현예들의 음극활물질이 제공된다.
구현예 1은 대입경 인조흑연 및 소입경 천연흑연을 포함하고,
상기 소입경과 대입경의 평균 입경 비율은 1:1.5 내지 1:5이고,
상기 대입경 인조흑연 및 소입경 천연흑연은 각각 비정질 탄소를 포함하는 코팅층을 더 구비하고,
상기 코팅층은 대입경 인조흑연 및 소입경 천연흑연의 전체 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부이고,
상기 대입경 인조흑연 및 소입경 천연흑연의 함량비는 1:9 내지 4:6인 음극활물질에 관한 것이다.
구현예 2는 구현예 1에 있어서, 상기 대입경 인조흑연의 평균 입경은 18 내지 30㎛인 음극활물질에 관한 것이다.
구현예 3은 구현예 1 또는 구현예 2에 있어서, 상기 소입경 천연흑연의 평균 입경은 5 내지 13㎛인 음극활물질에 관한 것이다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 하기 구현예들의 음극이 제공된다.
구현예 4는 집전체, 및 상기 집전체의 적어도 일면에 형성되며, 구현예 1 내지 3 중 어느 하나의 음극활물질을 포함하는 음극활물질층을 구비한 음극에 관한 것이다.
구현예 5는 구현예 4에 있어서, 상기 음극활물질층은 바인더, 도전재 및 분산재 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 음극에 관한 것이다.
구현예 6은 구현예 4 또는 구현예 5에 있어서, 상기 음극활물질층은 1 내지 2의 패킹 밀도를 갖는 음극에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 하기 구현예들의 이차전지가 제공된다.
구현예 7은 양극, 구현예 4 내지 6 중 어느 한 구현예에 따른 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
구현예 8은 구현예 7에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 이차전지에 관한 것이다.
본 발명은 동력학적 균형을 맞춘 대입경 인조흑연과 소입경 천연흑연을 최적화된 비율로 혼합 사용함으로써, 전하 이동 저항(charge transfer resistance) 및 액체 확산 저항(liquid diffusion resistance)이 감소하여 급속 충전 성능이 개선되는 이점이 있으며, 저항이 낮아짐으로써, 수명 성능이 개선되는 이점이 있다.
또한, 압연 성능이 우수한 소입경 천연흑연을 대입경 인조흑연과 혼합 사용함으로써, 압연 성능이 개선되어 우수한 용량을 갖는 이차전지를 구현할 수 있는 이점이 있다.
아울러, 표면 비정질 탄소를 코팅하여 사용함으로써, 전해질에 의한 박리(exfoliation)의 발생을 억제할 수 있어, 저온 출력이 향상되는 이점이 있다.
본 명세서에 첨부되는 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시한 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 잘 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되는 것은 아니다.
도 1은 실시예 2-1, 비교예 2-1 내지 2-3의 전하 이동 저항을 비교 측정한 그래프이다.
도 2는 실시예 2-2 내지 2-4, 및 비교예 2-4와 2-5의 표면 코팅 함량에 따른 저항을 비교 측정한 그래프이다.
도 3은 실시예 2-1, 2-5, 2-6, 비교예 2-6과 2-7의 대입경 인조흑연과 소입경 천연흑연의 비율에 따른 사이클 특성을 비교 측정한 그래프이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서상에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있음을 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 음극활물질은 대입경 인조흑연과 소입경 천연흑연을 포함한다.
흑연결정은 sd2-혼성 궤도의 탄소 원자가 육각 평면으로 서로 결합하여 탄소 육각망면(graphene layer)이 형성되고, 이 탄소 육각망면 상하에 위치하는 π전자가 이들 육각망면을 결합시킴으로써 얻어진다. π전자는 탄소 육각망면 사이를 비교적 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 흑연의 전자 전도성이 우수하게 된다. 이러한 흑연 층간을 결합하고 있는 π결합은 약한 반데르발스 결합을 이루지만, 탄소 육각망면 안의 결합은 매우 강한 공유결합으로 이루어져 이방적 성질(anisotropy)를 나타내며, 리튬 이온은 이들 흑연층 사이로 삽입 및 탈리하게 된다.
이와 같은 흑연에는 자연에서 생성되어 채굴되는 천연흑연(natural grahpite)과 석탄계 및 석유계 피치 등을 2,500℃ 이상으로 탄화시켜 제조되는 인조흑연(artificial synthetic, pyrolytic graphite)이 있다.
본 발명의 일 실시예에 적용할 수 있는 인조 흑연은 당해 기술분야에서 제조되는 인조 흑연이라면 제한없이 사용될 수 있으며, 비제한적인 실시예로 MCMB(mesophase carbon microbeads), 모자이크 코르크(mosaic cokes)를 2800 내지 3000℃에서 소성한 인조 흑연을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 음극활물질에 포함될 수 있는 천연흑연은 당해 기술분야에서 사용되는 천연흑연이라면 제한없이 사용할 수 있으며, 비가역 반응을 줄이고, 전극의 공정성을 향상시키기 위해 구형화 과정 등의 후처리 가공을 통해 매끈한 형태의 표면 형상으로 바꾸어 사용할 수 있다.
이때, 본 발명의 음극활물질은 대입경의 인조흑연과 소입경의 천연흑연을 혼합하여 포함함으로써, 동력학적 균형을 맞추게 된다.
본 명세서에서 동력학적 균형이란, 리튬 이온이 충방전시에 계면과 입자 내에서 발생하는 저항의 균형을 의미하며, 입자가 작은 천연흑연은 전하이동(charge transfer) 저항이 감소하고, 입자가 큰 모자이크 타입의 인조흑연은 결정면의 모서리(edge) 방향성이 등방성(isotropic)이기 때문에 전하이동(charge transfer) 저항이 감소하여 균형을 맞출 수 있다.
또한, 입자 내에서의 고체 확산(solid diffusion) 저항도 입자가 작은 천연 흑연은 결정의 길이가 짧아 저항이 감소하고, 인조흑연은 등방성(isotropic)으로 성장한 결정이 이방성(anisotropic)으로 성장한 결정 대비 길이가 짧기 때문에 저항이 감소하여 동력학적 균형을 맞출 수 있다.
종래 인조흑연은 구형화 공정을 통하여 만드는 것이 불가능 하기 때문에 모양이 둥글지 않아 대입경 인조흑연만으로 전극을 제조하는데에는 많은 양의 바인더 (카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 스티렌부타디엔러버(SBR) 등)을 소모하게 되며 이는 곧 전지 내에서 저항으로 작용하여 전지의 성능을 열화시키는 문제를 일으킬 수 있고, 반대로 소입경의 구형화 천연 흑연만을 사용하는 경우는 입자가 작아 비표면적이 크기 때문에 장수명 특성에서 표면 부반응의 증가로 인하여 전지의 성능의 열화를 야기시킬 수 있다. 따라서, 대입경의 인조흑연과 소입경의 천연흑연을 혼합하여 사용하는 경우에는 각각을 단독으로 사용함으로써 생기는 전술한 문제를 해결할 수 있다.
이때, 소입경과 대입경의 평균 입경의 비율은 1:1.5 내지 1:5이며, 바람직하게는 1:2 내지 1:4일 수 있고, 더 바람직하게는 1:2 내지 1:3일 수 있다. 상기 평균 입경 비율 범위를 만족하지 못하는 경우 동력학적 균형이 맞지 않기 때문에 높은 전류로 충전할 경우 리튬 금속이 음극 표면에 석출되면서 셀의 급격한 성능 저하가 발생하는 문제가 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 적용할 수 있는 대입경 인조흑연의 평균 입경은 예를 들어 18 내지 30㎛이고, 바람직하게는 20 내지 25㎛이고, 더 바람직하게는 23㎛일 수 있으며, 30㎛를 초과하는 경우 전하 이동 저항이 크게 증가하여 셀의 출력 특성이 저하되는 문제가 있고, 18㎛ 미만인 경우 낮은 초기 효율과 용량 감소로 인하여 전지의 에너지 밀도가 감소하는 문제가 있다.
아울러, 본 발명에 적용할 수 있는 소입경 천연흑연의 평균 입경은, 예를 들어 5 내지 13㎛이고, 바람직하게는 8 내지 11㎛일 수 있고, 전술한 대입경 인조흑연과 동일하게 13㎛를 초과하는 경우 전하 이동 저항이 크게 증가하여 셀의 출력 특성이 저하되는 문제가 있고, 5㎛ 미만인 경우 낮은 초기 효율과 용량 감소로 인하여 전지의 에너지 밀도가 감소하는 문제가 있다.
또한, 상기 대입경 인조흑연 및 소입경 천연흑연은 1:9 내지 4:6의 중량비로 혼합하여 사용하며, 바람직하게는 2:8 내지 3:7의 중량비로 사용할 수 있다. 전술한 범위를 벗어나는 경우 동력학적 균형이 맞지 않기 때문에 높은 전류로 충전할 경우 리튬 금속이 음극 표면에 석출되면서 이차 전지의 급격한 성능 저하가 발생하는 문제가 있다.
본 발명의 음극활물질은 대입경 인조흑연 및 소입경 천연흑연은 각각 비정질 탄소를 포함하는 코팅층을 더 구비한다.
종래, 전지의 저온 출력을 향상시키기 위해 전해액에 프로필렌카보네이트(PC)를 첨가하여 사용하고 있으나, 이러한 프로필렌카보네이트(PC)는 리튬이온 클러스터(cluster)를 형성하여 이동 후 흑연에 리튬 이온이 삽입될 때, 탈용매화(de-solvation)되는 에너지 장벽이 높기 때문에 클러스터 형태로 흑연에 삽입되면서 박리화(exfoliation)되는 문제가 있었다.
하지만, 본 발명은 인조흑연 및 천연흑연의 표면에 비정질 탄소를 포함하는 코팅층을 사용하면 리튬 이온을 흡착할 수 있어, 전술한 종래 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 고체 상태 확산(solid-state diffusion) 성능이 개선되어 급속 충전 성능이 향상된다.
이때, 상기 비정질 탄소를 포함하는 코팅층은 대입경 인조흑연 및 소입경 천연흑연의 전제 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부이고, 바람직하게는 2 내지 8 중량부일 수 있으며, 더 바람직하게는 3 내지 5 중량부일 수 있다. 상기 코팅층의 함량이 1 중량부 미만인 경우 전해액에 의해서 박리가 발생하며, 천연흑연의 경우 비표면적이 커지고 모서리면의 관능성기가 그대로 전해액과 반응하여 초기 효율이 감소한다. 반대로 10 중량부를 초과하는 경우 입자 표면의 코팅층이 낮은 초기 효율을 야기하며, 단위 무게당 방전 용량이 감소하여 전지의 용량 저하를 가져오며, 비정질 탄소를 포함하는 코팅층이 딱딱하기 때문에 압연성도 저하되는 문제가 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 집전체 및 상기 집전체의 일면에 형성된 전술한 음극활물질을 포함하는 음극활물질층을 구비한 음극이 제공된다.
본 발명에 따른 음극활물질은 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 제조방법에 따라 음극으로 제조될 수 있으며, 비제한적인 예로 전술한 본 발명의 음극활물질에 바인더와 용매, 필요에 따라 도전재와 분산재를 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조한 후, 이를 집전체의 일면 또는 양면에 도포하고 압축하여 음극을 제조할 수 있다.
상기 집전체는 당해 기술 분야에서 적용되는 것이라면 제한없이 사용할 수 있으며, 비제한적인 예로 구리; 스테인리스스틸; 알루미늄; 니켈; 티탄; 소성탄소; 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면 처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴 합금 등을 사용할 수 있다.
상기 바인더는 당해 기술 분야에서 전극활물질과 도전재 등의 결합과 전극 집전체에 대한 결합을 조력하는 성분이라면 제한없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리불화비닐리덴, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌프로필렌-디엔테르폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리아크릴로니트릴 및 폴리메틸메타크릴레이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이며, 통상적으로 전극활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 첨가될 수 있다.
상기 용매의 비제한적인 예로는 아세톤(acetone) 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드 (methylene chloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈(Nmethyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산(cyclohexane), 물 또는 이들의 혼합물 등이 있다. 이러한 용매들은 집전체 표면에 대한 소망하는 수준으로 슬러리 도포층이 만들어질 수 있도록 적정한 수준의 점도를 제공한다.
상기 도전재는 당해 기술 분야에서 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 비제한적인 예로는 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼테이스 블랙, 램프 블랙, 서버 블랙 등의 카본블랙계 화합물; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있으며, 통상적으로 혼합 전극활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량 %로 첨가될 수 있다.
또한, 상기 분산재는 N-메틸-2-피롤리돈, 디아세톤 알코올, 디메틸포름알데히드, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르, 메틸 셀로솔브, 에틸 셀로솔브, 부틸 셀로솔브, 이소프로필 셀로솔브, 아세틸아세톤, 메틸이소부틸케톤, n-부틸 아세테이트, 셀로솔브 아세테이트, 톨루엔, 자일렌 등은 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 슬러리의 도포는 슬롯 다이 코팅, 슬라이드 코팅, 커튼 코팅 등 다양한 방법을 이용하여 연속적으로 또는 비연속적으로 수행할 수 있으며, 슬러리를 집전체에 도포한 후 최총적으로 용매를 건조시킴으로써, 음극활물질층이 집전체에 도포된 음극을 제조할 수 있다.
이때, 음극활물질층은 1 내지 2 의 패킹밀도를 갖고, 바람직하게는 1.55 내지 1.65이고 더 바람직하게는 1.575 내지 1.625이고, 더욱 바람직하게는 1.59 내지 1.62의 우수한 패킹 밀도를 갖는다.
이는 분체 흑연화를 통해 흑연화하면서 내부에 기공이 없어져 전극 제조시 압연 특성이 좋지 않은 종래 인조흑연을 대입경을 사용하면서 동시에 소입경 천연흑연을 함께 혼합하여 사용한 결과이며, 우수한 패킹 밀도를 통해 높은 용량을 갖는 전지를 제공할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 양극, 전술한 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 이차전지가 제공된다.
본 발명에 적용할 수 있는 양극은 당해 기술분야에서 사용되는 양극이라면 제한없이 사용할 수 있으며, 양극 집전체에 양극활물질층이 도포된 형태일 수 있다.
이때, 상기 양극 집전체는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 양극활물질층은 양극활물질, 바인더, 도전재, 분산재 등을 포함할 수 있다.
상기 양극활물질은 당해 기술분야에서 사용되는 물질은 제한없이 사용할 수 있으며, 비제한적인 예로는 리튬함유 전이금속 산화물이 바람직하게 사용될 수 있으며, 예를 들면 LixCoO2(0.5<x<1.3), LixNiO2(0.5<x<1.3), LixMnO2(0.5<x<1.3), LixMn2O4(0.5<x<1.3), Lix(NiaCobMnc)O2(0.5<x<1.3, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LixNi1-yCoyO2(0.5<x<1.3, 0<y<1), LixCo1-yMnyO2(0.5<x<1.3, 0≤≤y<1), LixNi1-yMnyO2(0.5<x<1.3, O≤≤y<1), Lix(NiaCobMnc)O4(0.5<x<1.3, 0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LixMn2-zNizO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixMn2-zCozO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixCoPO4(0.5<x<1.3) 및 LixFePO4(0.5<x<1.3)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 상기 리튬함유 전이금속 산화물은 알루미늄(Al) 등의 금속이나 금속산화물로 코팅될 수도 있다. 또한, 상기 리튬함유 전이금속 산화물(oxide) 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용될 수 있다.
상기 양극활물질층에 포함된 바인더, 도전재 및 분산재는 전술한 음극활물질층에 사용된 바인더, 도전재 및 분산재와 동일한 것을 사용할 수 있으며, 반복 기재를 피하기 위해 상세한 설명은 생략하나, 음극활물질층에 사용한 바인더, 도전재 및 분산재를 모두 사용할 수 있음은 물론이다.
본 발명에 적용할 수 있는 세퍼레이터는 당해 기술분야에서 양극과 음극의 단락을 방지하기 위해 사용하는 물질은 제한없이 사용할 수 있으며, 비제한적인 예로는 다공성 고분자 기재만을 포함하거나, 다공성 고분자 기재 및 상기 다공성 고분자 기재의 일면 또는 양면에 형성되고, 무기물 입자 및 바인더 고분자를 구비하는 다공성 코팅층을 더 포함할 수 있다.
이때, 다공성 고분자 기재는 다공성 고분자 필름 기재 또는 다공성 고분자 부직포 기재를 들 수 있으며, 다공성 고분자 필름 기재의 비제한적인 예로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀으로 이루어진 다공성 고분자 필름일 수 있으며, 이러한 폴리올레핀 다공성 고분자 필름 기재는 예를 들어 80 내지 130 ℃의 온도에서 셧다운 기능을 발현할 수 있다.
이때, 폴리올레핀 다공성 고분자 필름은 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독 또는 이들의 2종 이상 혼합하여 고분자로 형성할 수 있다.
또한, 상기 다공성 고분자 필름 기재는 폴리올레핀 외에 폴리에스테르 등의 다양한 고분자들을 이용하여 필름 형상으로 성형하여 제조될 수도 있다. 또한, 상기 다공성 고분자 필름 기재는 2층 이상의 필름층이 적층된 구조로 형성될 수 있으며, 각 필름층은 전술한 폴리올레핀, 폴리에스테르 등의 고분자 단독으로 또는 이들을 2종 이상 혼합한 고분자로 형성될 수도 있다.
또한, 상기 다공성 고분자 필름 기재 및 다공성 부직포 기재는 상기와 같은 폴리올레핀계 외에 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성될 수 있다.
또한, 상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 5 내지 50 ㎛가 바람직하고, 다공성 기재에 존재하는 기공의 크기는 전극 접착층의 바인더 고분자 섬유보다 작으면 되고, 바람직하게는 0.001 내지 50㎛며, 기공도는 01 내지 99%인 것이 바람직하다.
상기 다공성 코팅층은 무기물 입자 및 바인더 고분자를 포함할 수 있으며, 상기 무기물 입자들은 충전되어 서로 접촉된 상태에서 상기 바인더 고분자에 의해 서로 결착되고, 이로 인해 무기물 입자들 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 형성되고, 상기 무기물 입자 사이의 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)은 빈 공간이 되어 기공을 형성할 수 있다.
즉, 바인더 고분자는 무기물 입자들이 서로 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 서로 부착할 수 있으며, 예를 들어 바인더 고분자가 무기물 입자 사이를 연결 및 고정 시킬 수 있다. 또한, 하나의 실시 형태로서 상기 다공성 코팅층의 기공은 무기물 입자들 간의 인터스티셜 볼륨(interstitail volume)이 빈 공간이 되어 형성된 기공이고, 이는 무기물 입자들에 의한 충진 구조(closed packed or densely packed)에서 실질적으로 면접하는 무기물 입자들에 의해 한정되는 공간일 수 있다. 이러한 다공성 코팅층의 기공을 통하여 전지를 작동시키기 위하여 필수적인 리튬이온이 이동하는 경로를 제공할 수 있다.
또한, 전술한 인터스티셜 볼륨(interstitail volume)에 의한 기공구조를 형성하는 무기물 입자들의 충진 구조를 형성하기 위해서는 다공성 코팅층에 포함된 무기물 입자와 바인더 고분자의 중량비는 50:50 내지 99:1 범위인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 70:30 내지 95:5이다. 50:50 이상의 무기물 입자 함량은 세퍼레이터의 열적 안정성에 기여한다. 무기물 입자들 간의 인터스티셜 볼륨(interstitail volume)의 형성은 다공성 코팅층의 기공도와 기공 크기의 확보에 기여할 수 있다. 무기물 입자의 함량이 99 중량부를 초과하는 경우 상대적으로 바인더 고분자 함량이 적기 때문에 다공성 코팅층의 내필링성이 약화되는 문제가 있을 수 있다.
아울러, 전술한 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위하여 실시예를 들어 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 전술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식은 가지는 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
[실시예 1-1]
인조흑연은 Zichen사의 GT, 천연흑연은 BTR사의 AGP8를 사용하여 실험을 하였고 평균 입경은 GT=23um, AGP8=11um, 중량비율은 3:7의 비율로 혼합하고, 이들 인조흑연 및 천연흑연 전체 100 중량부에 대하여 비정질 탄소를 2 중량부로 코팅하여 음극활물질을 제조하였다.
[실시예 1-2]
비정질 탄소를 5 중량부로 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 음극활물질을 제조하였다.
[실시예 1-3]
비정질 탄소를 1 중량부로 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 음극활물질을 제조하였다.
[실시예 1-4]
비정질 탄소를 10 중량부로 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 음극활물질을 제조하였다
[실시예 1-5]
인조흑연 및 천연흑연의 중량비가 1:9인 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 음극활물질을 제조하였다.
[실시예 1-6]
인조흑연 및 천연흑연의 중량비가 4:6인 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 음극활물질을 제조하였다.
[비교예 1-1]
인조흑연은 Zichen사의 GT, 천연흑연은 BTR사의 AGP8를 사용하여 실험을 하였고 평균 입경은 GT=23um, AGP8=11um, 중량비율은 3:7의 비율로 혼합 음극활물질을 제조하였다.
[비교예 1-2]
대입경 인조흑연에 대해서만 비정질 탄소를 코팅하되, 코팅되는 비정질 탄소의 함량은 인조흑연 100 중량부에 대해서 2 중량부인 것을 제외하고, 실시예 1-1과 동일한 방법으로 음극활물질을 제조하였다.
[비교예 1-3]
소입경 천연흑연에 대해서만 비정질 탄소를 코팅하되, 코팅되는 비정질 탄소의 함량은 천연흑연 100 중량부에 대해서 2 중량부인 것을 제외하고, 실시예 1-1과 동일한 방법으로 음극활물질을 제조하였다.
[비교예 1-4]
비정질 탄소를 0.5 중량부로 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 음극활물질을 제조하였다.
[비교예 1-5]
비정질 탄소를 10 중량부로 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 음극활물질을 제조하였다.
[비교예 1-6]
인조흑연 및 천연흑연의 중량비가 0.5:9.5인 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 음극활물질을 제조하였다.
[비교예 1-7]
인조흑연 및 천연흑연의 중량비가 5:5인 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 음극활물질을 제조하였다.
[실시예 2-1]
음극의 제조
실시예 1-1의 음극활물질, 바인더 CMC, SBR, 도전재로 카본 블랙 (carbon black)을 각각 96 중량부. 1 중량부, 2 중량부, 1 중량부로 하여, 3차 증류수에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 혼합물 슬러리를 두께가 10 ㎛인 음극 집전체인 구리(Cu) 박막의 양면에 도포, 건조를 하고, 롤 프레스(roll press)를 실시하여 음극을 제조하였다.
양극의 제조
평균직경이 2㎛인 LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2 및 평균직경이 20㎛인 LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2를 1:3의 중량비로 혼합된 양극활물질 92 중량부, 도전재로 카본 블랙(carbon black) 4 중량부, 및 바인더 고분자로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 4 중량부를 용제인 N-메틸-2 피롤리돈(NMP)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 혼합물 슬러리를 두께가 20 ㎛인 양극 집전체의 알루미늄(Al) 박막에 양면에 도포, 건조하고, 롤 프레스(roll press)를 실시하여 양극을 제조하였다.
세퍼레이터의 제조
폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)와 에폭시를 아세톤에 용해시켜 바인더 고분자 용액을 제조하였다. 제조한 바인더 고분자 용액에 알루미나(Al2O3)를 폴리비닐리덴 플루오라이드/알루미나(Al2O3)=7.15/92.5의 중량비가 되도록 첨가하여 3시간 이상 볼밀법(ball mill)을 이용하여 알루미나(Al2O3)를 파쇄 및 분산하여 슬러리를 제조하였다. 이와 같이 제조된 슬러리의 알루미나(Al2O3)의 입경은 볼밀에 사용되는 비드의 사이즈(입도) 및 볼밀시간에 따라 제어할 수 있으나, 본 실험에서는 약 400mm로 분쇄하여 슬러리를 제조하였다. 이와 같이 제조된 슬러리를 두께 12㎛의 폴리에틸렌 다공성 고분자 필름(기공도 45%)의 일면에 코팅하여 건조하였다.
전지의 제조
상기와 같이 제조한 음극, 양극 및 세퍼레이터를 양극/세퍼레이터/음극/세퍼레이터/양극 순으로 적층하고, 고온에서 압력을 주어 단위 바이셀을 제조하였다. 이렇게 제조한 21개의 단위 바이셀을 세퍼레이터의 일면 상에 배열한 후 폴딩하여 전극조립체를 제작한 후, 조립된 전지에 1M의 리튬헥사플로로포스페이트(LiPF6)이 용해된 에틴렌카보네이트 및 에틸메틸카보네이트(EC/EMC=1:2, 부피비)의 전해액을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
[실시예 2-2]
실시예 1-2의 음극활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
[실시예 2-3]
실시예 1-3의 음극활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
[실시예 2-4]
실시예 1-4의 음극활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
[실시예 2-5]
실시예 1-5의 음극활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
[실시예 2-6]
실시예 1-6의 음극활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
[비교예 2-1]
비교예 1-1의 음극활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
[비교예 2-2]
비교예 1-2의 음극활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
[비교예 2-3]
비교예 1-3의 음극활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
[비교예 2-4]
비교예 1-4의 음극활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
[비교예 2-5]
비교예 1-5의 음극활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
[비교예 2-6]
비교예 1-6의 음극활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
[비교예 2-7]
비교예 1-7의 음극활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
성능평가
전하 이동(Charge Transfer) 저항 (도 1 관련)
SOC 50%로 설정한 후, EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) 방법을 이용하여 진폭(Amplitude) 10mV, 주파수(Frequency) 100kHz부터 50mHz까지의 조건에서 실시예 2-1, 비교예 2-1 내지 2-3의 전지의 전하 이동 저항값을 측정하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다
대입경 인조흑연과 소입경 천연흑연을 둘 다 코팅한 음극활물질을 사용한 실시예 2-1의 경우 EIS측정시 전하 이동 저항이 크게 감소되었다.
반면에, 대입경 인조흑연과 소입경 천연흑연을 둘 다 코팅하지 않은 비교예 2-1의 경우가 저항이 가장 컸고, 대입경 인조흑연과 소입경 천연흑연 중 하나를 코팅한 비교예 2-2 및 2-3의 경우보다, 둘 다 코팅 한 실시예 2-1의 경우가 저항 감소에 효과적임을 확인하였다.
표면 코팅 함량에 따른 저항 (도 2 관련)
SOC 50%로 설정한 후, 30초동안 2.5C의 전류를 인가하여 전압변화를 통하여 실시예 2-2, 2-3, 및 2-4, 비교예 2-4와 2-5의 전지의 저항을 계산하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다
대입경 인조흑연 및 소입경 천연흑연의 전체 100 중량부에 대하여 비정질 탄소를 포함하는 코팅층의 함량이 1, 5 및 10 중량부인 실시예 2-3, 2-2, 및 2-4의 경우가 저항 감소의 효과가 있었다.
비정질 탄소 코팅층의 함량이 1 중량부 보다 작은 0.5 중량부인 비교예 2-4와, 비정질 탄소 코팅층의 함량이 10 중량부 보다 많은 10.5 중량부인 비교예 2-5 일 때는 저항이 크게 증가하여 동적 균형(kinetic balance) 깨짐을 확인하였다.
비정질 탄소층이 1 중량부 미만인때는 음극 표면을 비정질탄소가 완전히 감싸지 못하여 전해액과의 반응성이 증가하여 표면에 SEI(고체 전해질 계면)막이 두껍게 형성하여 리튬이온의 이동이 느려지고, 10 중량부 초과인 경우 비정질 탄소 코팅층이 두껍게 형성되어 낮은 초기 효율에 의해 리튬이온이 이동해야 할 거리가 증가하여 저항이 증가하게 되는 것이다.
대입경 인조흑연과 소입경 천연흑연의 비율에 따른 사이클 특성 (도 3 관련)
실시예 2-1, 2-5, 2-6 및 비교예 2-6, 2-7의 전지에 대해서 2C 수명 측정을 SOC 0부터 100%까지로 측정하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
대입경 인조흑연 및 소입경 천연흑연의 중량비가 1:9 (실시예 2-5), 3:7 (실시예 2-1), 4:6 (실시예 2-6)인 경우에는 동적 균형이 유지되면서 수명 성능이 우수한 결과를 나타내었다.
반면에, 대입경 인조흑연 및 소입경 천연흑연의 중량비가 1:9 내지 4:6의 범위를 벗어나는 0.5:9.5 (비교예 2-6) 및 5:5 (비교예 2-7)에서는 동적 균형이 깨지면서 수명 열화가 발생하였다.
즉, 상기 중량비가 1:9 내지 4:6의 범위를 벗어나는 경우에는, 리튬 이온을 받아들이는 속도와 흑연 입자내에서의 리튬 이온이 이동하는 속도와의 차이가 크게 발생하면서 수명 열화가 가속화되기 때문이다. 상기 중량비가 1:9 보다 작은 경우(대입경 인조흑연의 비율이 1 미만인 경우)에는 리튬 이온을 받아들이는 속도가 빠른나, 흑연 입자 내에서의 리튬 이온의 이동 속도가 느려서 리튬의 석출이 가속화되고, 상기 중량비가 4:6 보다 큰 경우(대입경 인조흑연의 비율이 4 초과인 경우)에는 흑연 입자 내에서의 리튬 이온의 이동 속도를 리튬 이온을 받아들이는 속도가 따라가지 못하여 리튬 이온의 농도 구배가 크게 발생하여 퇴화가 가속화되기 때문이다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (8)

  1. 대입경 인조흑연 및 소입경 천연흑연을 포함하고,
    상기 소입경과 대입경의 평균 입경 비율은 1:1.5 내지 1:5이고,
    상기 대입경 인조흑연 및 소입경 천연흑연은 각각 비정질 탄소를 포함하는 코팅층을 더 구비하고,
    상기 코팅층은 대입경 인조흑연 및 소입경 천연흑연의 전체 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부이고,
    상기 대입경 인조흑연 및 소입경 천연흑연의 함량비는 2:8 내지 3:7의 중량비인 음극활물질.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대입경 인조흑연의 평균 입경은 18 내지 30 ㎛인 것을 특징으로 하는 음극활물질.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소입경 천연흑연의 평균 입경은 5 내지 13 ㎛인 것을 특징으로 하는 음극활물질.
  4. 집전체, 및 상기 집전체의 적어도 일면에 형성되며, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 음극활물질을 포함하는 음극활물질층을 구비한 음극.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 음극활물질층은 바인더, 도전재 및 분산재 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.
  6. 삭제
  7. 양극, 제4항에 따른 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 이차전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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