KR102273894B1 - Electrode using porous polymer composite scaffold and Li battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 리튬 이온이 활물질로 이동하는 것이 원활하도록 개선된 전극 및 이를 포함한 리튬 이차 전지, 그리고 이러한 전극을 빠르게 제조할 수 있는 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 전극은, 집전체; 상기 집전체 위에 형성되는 다공성 폴리머 구조체를 포함하고, 상기 다공성 폴리머 구조체는, 다공성 PVDF-HFP(Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) 필름; 및 상기 다공성 PVDF-HFP 필름 안에 포함되는 활물질과 도전재를 포함한다. 본 발명에 따르면, 활물질과 바인더의 물리적 부착을 최소화하여, 리튬 이온이 활물질과 반응할 수 있는 면적을 최대화한다. 이에 따라, 이러한 전극을 포함하는 리튬 이차 전지는 빠른 충/방전이 가능해지고 용량 보존 등의 성능을 높일 수 있다.The present invention provides an electrode improved so that lithium ions move to an active material smoothly, a lithium secondary battery including the same, and a method for rapidly manufacturing such an electrode. An electrode according to the present invention, a current collector; and a porous polymer structure formed on the current collector, wherein the porous polymer structure comprises a porous PVDF-HFP (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) film; and an active material and a conductive material contained in the porous PVDF-HFP film. According to the present invention, by minimizing the physical adhesion of the active material and the binder, the area where lithium ions can react with the active material is maximized.Therefore, the lithium secondary battery including such an electrode can be charged/discharged quickly performance, such as capacity conservation, can be improved.
Description
본 발명은 리튬 이차 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개선된 전극을 갖는 리튬 이차 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a lithium secondary battery having an improved electrode and a manufacturing method thereof.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 이차 전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 갖고 사이클 수명이 길며 자가방전율이 낮은 리튬 이차 전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다. As technology development and demand for mobile devices increase, the demand for secondary batteries as an energy source is rapidly increasing. Among these secondary batteries, a lithium secondary battery having a high energy density and voltage, a long cycle life, and a low self-discharge rate has been commercialized and widely used.
전형적인 리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 이들 사이에 개재되는 분리막을 구비해 전해질과 함께 전지 케이스에 밀봉되어 제조된다. 양극과 음극은 집전체 위에 도포된 활물질층을 포함한다. 리튬 이차 전지의 방전 과정에서 리튬 이온(Li+)은 음극 활물질에 저장되어있는 리튬이 이온화되며 형성된다. 이렇게 형성된 리튬 이온은 전해질을 타고 이동하여 양극 활물질에 들어가 다시 리튬으로 환원된다. 이 과정에서 활물질과 전해질의 표면적이 넓어질수록 한 번에 많은 반응을 할 수 있게 되며, 이는 빠른 충/방전속도와 높은 용량을 구현한다. A typical lithium secondary battery has a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed therebetween, and is manufactured by being sealed in a battery case together with an electrolyte. The positive electrode and the negative electrode include an active material layer applied on a current collector. During the discharging process of a lithium secondary battery, lithium ions (Li + ) are formed by ionizing lithium stored in the negative active material. The lithium ions thus formed move through the electrolyte, enter the cathode active material, and are reduced back to lithium. In this process, as the surface area of the active material and the electrolyte increases, many reactions can be performed at once, which realizes a fast charge/discharge rate and high capacity.
종래 리튬 이차 전지의 전극은 통상적으로 활물질, 도전재와 바인더를 NMP(1-Methyl-2-pyrrolidinone) 용액에서 혼합한 슬러리를 집전체 위에 코팅한 후 건조시키는 방법으로 제조되고 있다. 바인더는 활물질과 도전재를 집전체 위에 결착시키며 전극을 기계적으로 안정화시키기 위해 필요한 것으로, 보통 PVDF 등의 폴리머를 사용한다. 도전재는 활물질 입자간 또는 집전체와의 전자전도도 향상을 목적으로 첨가한다. 특히 바인더 영역이 전자 부도체로 작용하는 것을 방지하고 활물질의 부족한 전자전도성을 보완하기 위해 필요하다. Conventionally, electrodes of lithium secondary batteries are manufactured by coating a slurry in which an active material, a conductive material, and a binder are mixed in an NMP (1-Methyl-2-pyrrolidinone) solution on a current collector and then drying. The binder binds the active material and the conductive material on the current collector and is necessary to mechanically stabilize the electrode, and a polymer such as PVDF is usually used. The conductive material is added for the purpose of improving the electronic conductivity between the particles of the active material or with the current collector. In particular, it is necessary to prevent the binder region from acting as an electronic insulator and to compensate for insufficient electronic conductivity of the active material.
도 1은 종래 활물질과 바인더의 결착 모델을 도시한 것이다. 1 shows a conventional binding model of an active material and a binder.
도 1을 참조하면, 바인더(10)는 고무줄처럼 활물질(20) 표면에 붙어 활물질(20)을 결착하고 있는데, (a)와 같이 점 결착, (b)와 같은 면 결착을 할 수 있다. 바인더(10)의 양이 지나치게 많아지는 경우, (c)와 같이 집전체(30)와의 사이에 바인더 영역이 형성이 되어 버리면 전도 저해가 발생된다. Referring to FIG. 1 , the
그런데, 종래 슬러리 방법으로 제조된 전극의 경우 바인더와 활물질간의 물리적 부착을 통해 리튬 이온이 활물질로 원활하게 이동하는 것이 방해되는 문제가 있다. 또한 사용되는 NMP 용액은 높은 끓는점을 가지고 있어, 건조 시간이 길다는 단점을 가지고 있다.However, in the case of the electrode manufactured by the conventional slurry method, there is a problem in that the smooth movement of lithium ions to the active material is prevented through physical attachment between the binder and the active material. In addition, the NMP solution used has a high boiling point, so it has a disadvantage that the drying time is long.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 인식하여 창안된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 리튬 이온이 활물질로 이동하는 것이 원활하도록 개선된 전극 및 이를 포함한 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.The present invention was devised in recognition of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide an improved electrode and a lithium secondary battery including the same so that lithium ions move to an active material smoothly.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 이러한 전극을 빠르게 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to provide a method for rapidly manufacturing such an electrode.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전극은, 집전체; 및 상기 집전체 위에 형성되는 다공성 폴리머 구조체를 포함하고, 상기 다공성 폴리머 구조체는, 상기 집전체 위에 형성되는 다공성 PVDF-HFP(Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) 필름; 및 상기 다공성 PVDF-HFP 필름 안에 포함되는 활물질과 도전재를 포함한다. An electrode according to the present invention for solving the above technical problem, a current collector; and a porous polymer structure formed on the current collector, wherein the porous polymer structure includes a porous PVDF-HFP (Poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) film formed on the current collector; and in the porous PVDF-HFP film) Includes active material and conductive material included.
상기 활물질은 Co3O4이고 상기 도전재는 흑연일 수 있다.The active material may be Co 3 O 4 and the conductive material may be graphite.
본 발명에서는 본 발명에 따른 전극과 분리막 또는 고분자 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지도 제공한다. The present invention also provides a lithium secondary battery comprising an electrode and a separator or a polymer electrolyte according to the present invention.
본 발명에 따른 전극 제조 방법은, PVDF-HFP를 용해하는 용매와 용해하지 않는 비용매를 혼합해 혼합 용액을 제조하는 단계; 상기 혼합 용액에 PVDF-HFP를 넣어 녹여주고 도전재와 활물질을 더 혼합하여 전극 용액을 형성하는 단계; 및 상기 전극 용액을 집전체 위에 코팅 후 건조시키는 단계를 포함한다. The electrode manufacturing method according to the present invention comprises the steps of preparing a mixed solution by mixing a solvent that does not dissolve PVDF-HFP and a non-solvent that does not dissolve; forming an electrode solution by adding and dissolving PVDF-HFP in the mixed solution and further mixing a conductive material and an active material; and drying the electrode solution after coating on the current collector.
상기 용매는 아세톤이고 상기 비용매는 메탄올인 것이 바람직하다.Preferably, the solvent is acetone and the non-solvent is methanol.
상기 아세톤에 비해 상기 메탄올을 적게 혼합하는 것이 바람직하다.It is preferable to mix less methanol than the acetone.
상기 도전재는 흑연이고 상기 활물질은 Co3O4이며, 상기 PVDF-HFP : 활물질: 도전재의 중량비는 2.0 : 6.4 : 1.6일 수 있다. The conductive material may be graphite, and the active material may be Co 3 O 4 , and a weight ratio of the PVDF-HFP:active material:conductive material may be 2.0:6.4:1.6.
본 발명에 따르면, 다공성 PVDF-HFP 필름 안에 활물질이 포함된 다공성 폴리머 구조체를 포함한 전극이 제공된다. 다공성 PVDF-HFP 필름은 활물질과 전해질의 접촉 면적을 최대화할 수 있다. 또한, 다공성 PVDF-HFP 필름은 활물질과 바인더의 물리적 부착을 최소화하여, 전극 제조 후에도 리튬 이온이 전해질을 통해 전극의 활물질 표면까지 직접 전달되어 리튬 이온이 활물질과 반응할 수 있는 면적을 최대화한다. 이에 따라, 이러한 전극을 포함하는 리튬 이차 전지는 빠른 충/방전이 가능해지고 용량 보존 등의 성능이 개선된다. According to the present invention, an electrode including a porous polymer structure including an active material in a porous PVDF-HFP film is provided. The porous PVDF-HFP film can maximize the contact area between the active material and the electrolyte. In addition, the porous PVDF-HFP film minimizes the physical adhesion of the active material and the binder, so that even after the electrode is manufactured, lithium ions are directly transferred to the surface of the active material of the electrode through the electrolyte, thereby maximizing the area where lithium ions can react with the active material. Accordingly, a lithium secondary battery including such an electrode can be charged/discharged quickly and performance such as capacity preservation is improved.
본 발명에 따르면, PVDF-HFP를 이용해 다공성 필름을 형성하며, 이 다공성 PVDF-HFP 필름은 종래의 바인더 역할을 하는 지지체를 형성할 수 있다. 종래 슬러리에 사용되는 끓는점이 높은 NMP 용액을 사용하지 않고 아세톤과 메탄올의 혼합 용액을 사용해 이러한 다공성 필름을 형성할 수 있다. 이로써 쉽고 빠르게 전극을 제조할 수 있다. 그러므로, 리튬 이차 전지의 전극 제조 시간을 감소할 수 있어 공정 비용을 감소할 수 있다. According to the present invention, a porous film is formed using PVDF-HFP, and the porous PVDF-HFP film can form a support serving as a conventional binder. Such a porous film can be formed by using a mixed solution of acetone and methanol without using the high boiling point NMP solution used in the conventional slurry. Thereby, an electrode can be manufactured easily and quickly. Therefore, it is possible to reduce the manufacturing time of the electrode of the lithium secondary battery can reduce the process cost.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 종래 활물질과 바인더의 결착 모델을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 전극의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 리튬 이차 전지의 개략도이다.
도 4는 종래 슬러리 방법으로 형성한 전극과 본 발명에 따른 방법으로 형성한 전극을 비교하기 위한 모식도이다.
도 5는 본 발명 실험예에서 형성된 전극 용액을 구리 호일 위에 스핀 코팅 방법을 이용하여 증착한 필름의 이미지이다.
도 6은 서로 다른 비율로 형성된 전극에 대해 0.1 C-rate의 충방전 속도에서 측정된 용량을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 전극과 기존 슬러리 방법으로 증착된 전극에 대해 0.1 C-rate의 충방전 속도에서 측정된 용량을 나타낸다.The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the present invention serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is should not be construed as limited to
1 shows a conventional binding model of an active material and a binder.
2 is a schematic diagram of an electrode according to the present invention;
3 is a schematic diagram of a lithium secondary battery according to the present invention.
4 is a schematic diagram for comparing the electrode formed by the conventional slurry method and the electrode formed by the method according to the present invention.
5 is an image of a film in which the electrode solution formed in Experimental Example of the present invention is deposited on a copper foil using a spin coating method.
6 shows the capacity measured at a charge/discharge rate of 0.1 C-rate for electrodes formed in different ratios.
7 shows the capacity measured at a charge/discharge rate of 0.1 C-rate for the electrode according to the present invention and the electrode deposited by the conventional slurry method.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가짐은 자명하다. 또한, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided as examples so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms. Unless otherwise defined in technical terms and scientific terms used in this specification, it is apparent that those of ordinary skill in the art to which this invention pertains have the meaning commonly understood. In addition, in the following description and accompanying drawings, descriptions of well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the gist of the present invention will be omitted.
본 발명은 특히 리튬 이차 전지에서 활물질을 전극에 부착하는 전극 제조 과정에 대한 내용이다. 이를 통해 전극에서의 활물질과 바인더의 물리적 부착에 의해 형성되는 활물질의 표면 감소를 최소화하여 활물질과 전해질 표면에서 일어나는 리튬 이온의 양을 증가시킬 수 있다. 또한 기존에 사용되던 NMP 용액을 아세톤과 메탄올의 혼합 용액으로 치환함으로써 전극 제조시 소요되는 건조 시간을 획기적으로 감소시킬 수 있다. The present invention particularly relates to an electrode manufacturing process for attaching an active material to an electrode in a lithium secondary battery. Through this, it is possible to increase the amount of lithium ions generated on the surface of the active material and the electrolyte by minimizing the reduction of the surface of the active material formed by the physical attachment of the active material and the binder in the electrode. In addition, by replacing the existing NMP solution with a mixed solution of acetone and methanol, it is possible to dramatically reduce the drying time required for electrode manufacturing.
도 2는 본 발명에 따른 전극의 개략도이다.2 is a schematic diagram of an electrode according to the present invention;
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전극(100)은, 집전체(130) 위에 다공성 PVDF-HFP(Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) 필름(110)이 형성되어 있다. 그리고, 다공성 PVDF-HFP 필름(110) 안에는 활물질(120)과 도전재(140)가 포함되어 있다. Al2O3, SiO2, TiO2 등, 리튬 이온의 전달 특성을 향상하거나 전극의 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 나노 입자(미도시)가 더 포함되어 있을 수도 있다. 2, in the
다공성 PVDF-HFP 필름(110), 활물질(120), 도전재, 그리고 여기에 더 포함될 수 있는 나노 입자 등은 다공성 폴리머 구조체를 구성한다. 상기 다공성 폴리머 구조체는 태양전지나 수광소자에서 알려져 있는 벌크 이종접합(bulk heterojunction)과 유사한 개념으로 이해될 수 있으며, 이에 대해서는 아래에서 상세히 설명하기로 한다.The porous PVDF-
음극을 제조하는 경우, 집전체(130)는 구리일 수 있다. 대안적으로, 음극의 집전체는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있고, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. When manufacturing the negative electrode, the
활물질(120)은 이차 전지의 종류에 따라 얼마든지 달라질 수 있다. 일 예를 들어, 음극 활물질은, 탄소 계열의 활물질이고, 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), AuxMe1 - xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; AuO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물 등을 사용할 수 있다. 그러나, 상기에서 열거한 구체적인 예는 하나의 예시에 불과하다는 것을 이해하여야 한다. The
도전재(140)는 전극(100)에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학적 변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체; 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 포함하는 도전성 소재를 사용할 수 있다. 여기에 열거한 예는 하나의 예시에 불과하다는 것을 이해하여야 한다. The
종래 슬러리 방법으로 형성된 리튬 이차 전지의 경우, 도 1에서 본 바와 같이 바인더(10)와 활물질(20)간의 물리적 부착을 통해 리튬 이온이 활물질(20)로 원활하게 이동하는 것이 방해되는 문제가 있다. 본 발명에 따른 전극(100)에서 다공성 PVDF-HFP 필름(110)은 전극 제조시 활물질(120)을 잡아 두는 바인더 역할을 하면서도 활물질(120)과 바인더의 물리적 부착을 최소화할 수 있는 다공성 매질 또는 다공성 매트릭스 또는 다공성 지지체 역할을 할 수 있다. 활물질(120)과 바인더의 물리적 부착이 최소화되므로, 전극(100) 형성 후에도 다공성 PVDF-HFP 필름(110)과 전해질을 통해 리튬 이온이 전극(100)의 활물질(120) 표면까지 직접적으로 전달되도록 할 수 있다. In the case of a lithium secondary battery formed by the conventional slurry method, as shown in FIG. 1 , there is a problem in that the smooth movement of lithium ions to the
본 발명에 따른 전극(100)을 포함하는 리튬 이차 전지 구동시, 활물질(120)과 도전재(140)를 포함하고 있는 다공성 PVDF-HFP 필름(110), 즉 다공성 폴리머 구조체는, 벌크 이종접합을 형성하는 것과 유사해진다. 보통 벌크 이종접합은 전자 수용체와 공여체 역할을 하는 고분자 화합물질들이 벌크 상태로 혼합된 상태이며, 약 10 내지 20nm 간격으로 전자 수용체와 전자 공여체가 상호침투 네트워크 구조를 이루고 있으므로 수많은 계면이 엑시톤이 분리되기에 적합한 근거리 내에 위치하고 있어, 효과적으로 전자와 정공의 분리를 이룰 수 있으며 무수히 많은 반응 사이트가 있는 구조이다. 본 발명의 전극(100)에 포함되는 다공성 폴리머 구조체는 활물질(120)과 도전재(140)와 PVDF-HFP가 벌크 상태로 혼합되어 있으므로 벌크 이종접합의 컨셉처럼 넓은 반응 표면적을 형성하여 리튬 이차 전지의 성능을 높일 수 있다. When the lithium secondary battery including the
이러한 전극(100)을 제조하는 방법은 다음과 같다. A method of manufacturing such an
PVDF-HFP를 녹일 수 있는 용매와 PVDF-HFP를 녹이지 못하는 비용매를 혼합해 혼합 용액을 제조한다. 바람직하게는 아세톤과 메탄올의 혼합 용액을 제조한다. 아세톤은 용매이고 메탄올은 비용매이다. 비용매는 기화 시 다공성 막을 형성할 수 있는 정도로만 용매에 비해 적은 양을 혼합한다. 예를 들어, 혼합 용액에서 아세톤에 비해 메탄올을 적게 혼합한다. 예를 들어, 혼합 용액 안의 아세톤 : 메탄올은 5:1 Vol % 비율로 할 수 있다. 아세톤과 메탄올의 비율과 필름 형성 시 주변 온도가 다공성 PVDF-HFP 필름(110)의 미세 구조를 결정할 수 있으므로 주의깊게 제어한다. A mixed solution is prepared by mixing a solvent capable of dissolving PVDF-HFP and a non-solvent that cannot dissolve PVDF-HFP. Preferably, a mixed solution of acetone and methanol is prepared. Acetone is a solvent and methanol is a non-solvent. The nonsolvent is mixed in a small amount compared to the solvent only enough to form a porous membrane upon vaporization. For example, mix less methanol than acetone in a mixed solution. For example, acetone : methanol in the mixed solution may be in a ratio of 5:1 Vol %. Since the ratio of acetone and methanol and the ambient temperature during film formation can determine the microstructure of the porous PVDF-
다음으로, 이러한 혼합 용액에 PVDF-HPF를 넣어 녹여준다. 사용되는 PVDF-HFP에 특정 분자량 범위를 사용할 필요는 없다. Next, put PVDF-HPF in this mixed solution and melt it. It is not necessary to use a specific molecular weight range for the PVDF-HFP used.
이후 도전재와 활물질까지 더 혼합하여 전극 용액을 형성한다. 전극 용액의 농도는 선택된 코팅 방법에 따라 이후에 코팅하기 적합한 정도, 핸들링하기 쉬운 정도, 전극 형성 후 활물질의 로딩양 등을 고려해 결정할 수 있고 예를 들어 0.25 mg/ml로 할 수 있다. Al2O3, SiO2, TiO2 등, 리튬 이온의 전달 특성을 향상하거나 전극의 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 나노 입자를 전극 용액에 더 포함시켜 제조할 수도 있다. Thereafter, the conductive material and the active material are further mixed to form an electrode solution. The concentration of the electrode solution may be determined in consideration of the appropriate degree for subsequent coating, the degree of easy handling, the loading amount of the active material after electrode formation, and the like according to the selected coating method, and may be, for example, 0.25 mg/ml. Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 , etc., may be prepared by further including nanoparticles capable of improving the transport properties of lithium ions or improving the mechanical strength of the electrode in the electrode solution.
도전재로 흑연을, 활물질로 Co3O4를 이용하면 음극을 제조할 수 있다. PVDF-HFP : 활물질: 도전재의 중량비는 적절한 용량 특성을 위해 선택될 수 있다. 예를 들어 2.0 : 6.4 : 1.6로 할 수 있다. PVDF-HFP의 양을 늘리면 전기전도도가 작아진다. PVDF-HFP의 양을 줄이면 바인더 특성을 기대하기 어려울 수 있다. 활물질의 양을 늘리면 용량면에서 바람직하다. 그러나 로딩 밀도 등 활물질의 양을 한정없이 늘리기에는 물리적 한계가 존재한다. 도전재의 양을 늘리면 전기전도도는 높아진다. 그러나 도전재의 양을 많이 늘리면 그만큼 활물질의 양이 줄어야 하기 때문에 바람직하지 않다. 상기 예로 든 2.0 : 6.4 : 1.6 중량비는 이러한 점들을 고려하여 선정된 바람직한 중량비이다. When graphite is used as a conductive material and Co 3 O 4 is used as an active material, an anode can be manufactured. The weight ratio of PVDF-HFP:active material:conductive material may be selected for appropriate capacity characteristics. For example, 2.0 : 6.4 : 1.6. As the amount of PVDF-HFP increases, the electrical conductivity decreases. If the amount of PVDF-HFP is reduced, it may be difficult to expect binder properties. Increasing the amount of the active material is preferable in terms of capacity. However, there is a physical limit to increasing the amount of the active material without limitation, such as the loading density. Increasing the amount of the conductive material increases the electrical conductivity. However, if the amount of the conductive material is greatly increased, it is not preferable because the amount of the active material must be decreased by that much. The 2.0:6.4:1.6 weight ratio exemplified above is a preferable weight ratio selected in consideration of these points.
이러한 전극 용액은 집전체 위에 도포, 스핀 코팅, 페인팅, 닥터 블레이드(doctor blade), 다이캐스팅, 콤마코팅, 스크린 프린팅 등의 방법으로 코팅한 후 건조시키면, 활물질(120)과 도전재(140)를 포함하는 다공성 PVDF-HPF 필름(110)을 얻을 수 있다. 전극 용액은 집전체 위에 고르게 코팅하는 방법은 재료의 특성 등을 감안하여 공지의 방법 중에 선택하거나 새로운 적절한 방법으로 수행할 수 있다. 또는 별도의 기재 위에 성형한 후 프레싱 또는 라미네이션 방법에 의해 집전체와 접합시킬 수도 있다. This electrode solution is coated on the current collector by a method such as application, spin coating, painting, doctor blade, die casting, comma coating, screen printing, etc. and then dried, including the
PVDF-HFP는 아세톤에 용해되고 메탄올에 용해되지 않는다. 즉, PVDF-HFP에 대하여 아세톤은 용매이고 메탄올은 비용매이다. 본 발명에서는 이 점을 이용하여 아세톤과 메탄올을 혼합한 혼합 용액을 PVDF-HFP에 혼합하여 다공성 필름을 형성하는 것을 제안한다. 혼합 용액과 PVDF-HFP가 혼합된 용액을 코팅 후 건조하게 되면, 아세톤과 메탄올이 서로 다른 속도로 기화되면서 기공이 형성되게 된다. 아세톤의 경우 PVDF-HFP를 녹여 기화되며 PVDF-HFP가 필름 형태로 형성되게 되며, 메탄올은 PVDF-HFP를 함유하고 있지 않아 기화되며 빈 공간(다공성 기공)만 형성한다. PVDF-HFP is soluble in acetone and insoluble in methanol. That is, for PVDF-HFP, acetone is a solvent and methanol is a non-solvent. In the present invention, using this point, a mixed solution of acetone and methanol is mixed with PVDF-HFP to form a porous film. When the mixed solution and the mixed solution of PVDF-HFP are coated and dried, pores are formed as acetone and methanol are vaporized at different rates. In the case of acetone, PVDF-HFP is dissolved and vaporized, and PVDF-HFP is formed in the form of a film. Methanol does not contain PVDF-HFP, so it vaporizes and forms only empty spaces (porous pores).
종래 슬러리 방법에서 사용되는 NMP 용액은 높은 끓는점을 가지고 있어, 건조 시간이 길다는 단점을 가지고 있다. 본 발명에 따르면, NMP 용액을 사용하지 않고 아세톤과 메탄올 혼합 용액을 사용하므로 건조 시간이 빨라지는 장점이 있다.The NMP solution used in the conventional slurry method has a high boiling point, and thus has a disadvantage in that the drying time is long. According to the present invention, since a mixed solution of acetone and methanol is used instead of using an NMP solution, there is an advantage in that the drying time is fast.
도 3은 본 발명에 따른 리튬 이차 전지의 개략도이다.3 is a schematic diagram of a lithium secondary battery according to the present invention.
도 2와 같은 전극(100)은 활물질의 종류에 따라 음극 또는 양극으로 구현할 수 있다. 본 실시예에서는 음극으로 구현된 예를 도시하였다.The
도 3의 (a)에서 리튬 이차 전지(1000)는 본 발명에 따른 전극(100)인 음극, 상기 음극 위에 적층된 분리막(200) 및 상기 분리막(200) 위에 적층된 양극(300)을 포함하는 전극 조립체를 포함한다. 전극 조립체는 액체 전해질과 함께 전지 케이스에 밀봉된다.In (a) of FIG. 3, the lithium
양극(300)은 다른 공지의 방법으로 제조된 것을 이용할 수 있다. 종래의 방법대로 양극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매를 포함하는 양극 활물질 슬러리를 양극 집전체에 도포, 건조 및 압연해 제조해 준비할 수 있다. 본 발명에 따른 방법으로 하되 활물질만 양극 활물질로 해서 준비할 수도 있다. 양극 활물질은 예컨대 리튬 계열의 활물질이고, 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4 또는 Li1 + zNi1 -x- yCoxMyO2(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, 0≤z≤1, M은 Al, Sr, Mg, La, Mn 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다. 양극(300)은 양극 집전체가 따로 없이 리튬 금속일 수도 있다. The
분리막(200)은 다공성 재질을 가진 것이라면 특별히 제한이 없다. 분리막(200)은 다공성이 있는 고분자막, 예컨대 다공성 폴리올레핀막, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로 프로필렌, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴스티렌부타디엔 공중합체, 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌, 부직포막, 다공성 웹(web) 구조를 가진 막 또는 이들의 혼합체 등으로 이루어질 수 있다. 분리막(200)의 단면 또는 양면에는 무기 입자가 결착되어 있을 수도 있다. The
전해질은 대표적인 전해액으로서 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다. 유기 용매는 전지의 충방전 과정에서 산화 반응 등에 의한 분해가 최소화될 수 있고, 목적하는 특성을 발휘할 수 있는 것이라면 제한이 없고, 예를 들어 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤 등일 수 있다. 이들은 단독으로 사용될 수 있고, 2종 이상이 혼용되어 사용될 수 있다. 유기 용매 중 특히 카보네이트계 유기 용매가 바람직하게 사용될 수 있는데, 환형 카보네이트로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC) 및 부틸렌 카보네이트(BC)를 들 수 있고, 선형 카보네이트로는 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸프로필카보네이트(MPC) 및 에틸프로필 카보네이트(EPC)가 대표적이다. 리튬염은 LiPF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2) 2, LiBF4, LiBF6, LiSbF6, LiN(C2F5SO2)2, LiAlO4, LiAlCl4, LiSO3CF3 및 LiClO4 등 리튬 이차 전지의 전해질에 통상적으로 사용되는 리튬염이 제한 없이 사용될 수 있으며, 이들은 단독으로 사용될 수 있고, 2종 이상이 혼용되어 사용될 수 있다. 이러한 전해질을 준비하는 단계는 특별히 제한되지 않으며 공지된 방법에 따라 수행될 수 있다.The electrolyte may include an organic solvent and a lithium salt as a representative electrolyte. The organic solvent is not limited as long as it can minimize decomposition due to oxidation reaction during charging and discharging of the battery and exhibit desired properties, for example, it may be a cyclic carbonate, a linear carbonate, an ester, an ether or a ketone. These may be used alone, or two or more of them may be used in combination. Among the organic solvents, a carbonate-based organic solvent may be preferably used. Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC) and butylene carbonate (BC), and the linear carbonate includes dimethyl carbonate (DMC). ), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), ethylmethyl carbonate (EMC), methylpropyl carbonate (MPC) and ethylpropyl carbonate (EPC) are representative. Lithium salt is LiPF 6 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , LiBF 4 , LiBF 6 , LiSbF 6 , LiN(C 2 F5SO 2 ) 2 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiSO 3 CF 3 and LiClO 4 Lithium salts commonly used in the electrolyte of a lithium secondary battery may be used without limitation, and these may be used alone, or two or more kinds may be used in combination. The step of preparing such an electrolyte is not particularly limited and may be performed according to a known method.
전지 케이스는 알루미늄 라미네이트 시트로 된 파우치, 또는 금속 재질 캔일 수 있다. 이러한 전지 케이스를 준비하는 단계는 특별히 제한되지 않으며 공지된 방법에 따라 수행될 수 있다.The battery case may be a pouch made of an aluminum laminate sheet or a metal can. The step of preparing such a battery case is not particularly limited and may be performed according to a known method.
도 3의 (b)에서 리튬 이차 전지(1000')는 본 발명에 따른 전극(100)인 음극, 상기 음극 위에 적층된 고분자 전해질(200') 및 상기 고분자 전해질(200') 위에 적층된 양극(300)을 포함하는 전극 조립체를 포함한다. 리튬 이차 전지(1000')는 분리막(200)을 따로 사용하지 않고 본 발명에 따른 전극(100) 위에 다공성 PDVF-HFP 필름을 추가로 형성하는 등의 방법으로 제조할 수 있다. 그밖에 고분자 전해질(200')은 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수도 있다. 이들만으로 한정되는 것은 물론 아니다.In (b) of FIG. 3 , the lithium
도 4는 종래 슬러리 방법으로 형성한 전극과 본 발명에 따른 방법으로 형성된 전극 중 활물질 부분의 모식도이다. 도 4에서 화살표는 리튬의 확산 경로를 나타낸다. 4 is a schematic diagram of an electrode formed by a conventional slurry method and an active material portion of an electrode formed by a method according to the present invention. The arrows in FIG. 4 indicate the diffusion path of lithium.
도 4의 (a)는 종래 전극(1)으로서, 바인더(10')에 의해 활물질(20')과 도전재(40)가 결착되어 있고, 액체 전해질(50)이 활물질(20') 사이의 계면에 포함되어 있다. 바인더(10')와 활물질(20')간의 물리적 결합으로, 반응에 참여 가능한 활물질(20') 표면적이 감소하여 리튬 이온의 이동이 적은 것으로 나타난다. 4 (a) is a
도 4의 (b)는 본 발명에 따른 전극(100)으로서, 다공성 PDVF-HFP 필름(110) 안에 활물질(120)과 도전재(140)가 포함되어 있다. 활물질(120)의 모든 표면적에서 리튬 이온의 이동이 일어나 상대적으로 많은 양의 리튬 이온이 이동할 수 있다. 4B is an
리튬 이차 전지, 그 중에서도 리튬 이온 이차 전지의 경우 전지 내부의 음극과 양극의 사이에서 전해질에 녹아 있는 리튬 이온의 이동을 통해 전지가 구동된다. 활물질 표면에서의 리튬 이온과의 반응을 통하여 전자가 생성 소멸하며, 활물질 표면적이 넓을수록 반응량이 증가하게 된다. In the case of a lithium secondary battery, particularly, a lithium ion secondary battery, the battery is driven by movement of lithium ions dissolved in an electrolyte between a negative electrode and a positive electrode inside the battery. Electrons are generated and annihilated through a reaction with lithium ions on the surface of the active material, and the larger the surface area of the active material, the greater the reaction amount.
기존에 전극은 슬러리를 이용해 형성한다. 슬러리에 포함되는 바인더로 사용되는 PVDF의 경우 활물질 표면에 붙어 반응을 저해하며, 전극 제조시 끓는점이 높은 NMP를 사용하기 때문에 긴 시간의 건조 공정을 사용하게 되는 단점을 가지고 있다. Conventionally, the electrode is formed using a slurry. In the case of PVDF used as a binder included in the slurry, it adheres to the surface of the active material and inhibits the reaction, and since NMP having a high boiling point is used in manufacturing the electrode, a long drying process is used.
이에 비해 본 발명 방법은 PVDF-HFP를 이용하여 다공성의 폴리머 지지체를 형성한다. 다공성 폴리머 지지체와 함께 형성된 활물질의 표면에서 전해질과 직접적인 반응이 일어나며, 활물질 표면에 PVDF-HFP가 활물질에 붙은 경우에도 기공을 통해 전해질이 활물질 표면에 직접 반응을 일으킬 수 있는 장점이 있다. 또한 아세톤과 메탄올 혼합 용액을 이용하여 전극 제조에 드는 건조 시간을 감소하여 보다 쉽게 전극을 제조할 수 있다. In contrast, the method of the present invention uses PVDF-HFP to form a porous polymer support. Direct reaction with the electrolyte occurs on the surface of the active material formed with the porous polymer support, and even when PVDF-HFP is attached to the active material on the surface of the active material, there is an advantage that the electrolyte can directly react on the surface of the active material through pores. In addition, by using a mixed solution of acetone and methanol, the drying time required for manufacturing the electrode is reduced, so that the electrode can be manufactured more easily.
이하에서는 본 발명에 의한 음극을 제조하고 이 음극을 이용해 리튬 이차 전지를 제조하여 성능을 시험한 실시예를 포함한 실험예를 기술한다. 실험예에 의하여 본 발명이 보다 구체적으로 설명될 수 있지만, 여기에 설명되는 실시예는 단지 본 발명의 예시이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, experimental examples including examples in which a negative electrode according to the present invention was manufactured and a lithium secondary battery was manufactured using the negative electrode and performance was tested will be described. The present invention may be more specifically described by way of experimental examples, but the examples described herein are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited thereto.
실험예Experimental example
아세톤 : 메탄올을 5:1 Vol % 비율로 혼합한 혼합 용액을 용매로 사용하였다. PVDF-HPF (Sigma Aldrich, average mW ~400,000, pellets)를 0.2 g, 용매 4 ml에 넣어 녹여준다. 40 ℃에서 1시간 동안 400 rpm의 속도로 마그네틱을 돌려 녹여준다. 이후 도전재로서 Carbon black(Graphene supermarket)을 0.16 g 첨가하여 30분간 400 rpm에서 혼합한다. 활물질로는 Cobalt(II,III) oxide (Sigma Aldrich, nanopowder, <50 nm particle size) 0.64 g를 첨가하여 하루 동안 400 rpm에서 혼합하여 전극 용액을 형성하였다. PVDF-HFP : Cobalt(II,III) oxide : Carbon black을 6.0 : 3.6 : 0.4 비율로 제작한 실시예 1과, 2.0 : 6.4 : 1.6 비율로 제작한 실시예 2를 제조하였다. 모든 경우에 있어서, 전극 용액의 농도는 0.25 mg/ml로 제작되었다. A mixed solution obtained by mixing acetone: methanol in a ratio of 5:1 Vol % was used as a solvent. Dissolve PVDF-HPF (Sigma Aldrich, average mW ~400,000, pellets) in 0.2 g and 4 ml of solvent. Melt by rotating the magnet at a speed of 400 rpm at 40 °C for 1 hour. Then, 0.16 g of Carbon black (Graphene supermarket) is added as a conductive material and mixed at 400 rpm for 30 minutes. As an active material, 0.64 g of Cobalt(II,III) oxide (Sigma Aldrich, nanopowder, <50 nm particle size) was added and mixed at 400 rpm for one day to form an electrode solution. PVDF-HFP: Cobalt (II, III) oxide: Carbon black in Example 1 in a ratio of 6.0: 3.6: 0.4 and Example 2 in a ratio of 2.0: 6.4: 1.6 were prepared. In all cases, the concentration of the electrode solution was prepared to be 0.25 mg/ml.
전극 용액의 제조 과정은 동일하되, 도전재가 없이 활물질만 포함하는 비교예도 실험하였다. PVDF-HFP : Cobalt(II,III) oxide 를 6.0 : 4.0 비율로 제작한 비교예 1과, 2.0 : 8.0 비율로 제작한 비교예 2를 제조하였다. 모든 경우에 있어서, 전극 용액의 농도는 0.25 mg/ml로 제작되었다. Although the manufacturing process of the electrode solution was the same, a comparative example containing only an active material without a conductive material was also tested. PVDF-HFP: Comparative Example 1 prepared in a ratio of 6.0: 4.0 Cobalt (II, III) oxide, and Comparative Example 2 prepared in a ratio of 2.0: 8.0 were prepared. In all cases, the concentration of the electrode solution was prepared to be 0.25 mg/ml.
PVDF를 바인더로 사용하는 종래 슬러리 시스템에 의한 비교예도 실험하였다. PVDF : Cobalt(II,III) oxide : Carbon black을 1.0 : 8.9 : 1.0 비율로 제작한 슬러리를 이용하는 경우가 비교예 3이다. A comparative example using a conventional slurry system using PVDF as a binder was also tested. In Comparative Example 3, a slurry prepared by PVDF:Cobalt(II,III) oxide:Carbon black in a ratio of 1.0:8.9:1.0 was used.
도 5는 본 발명 실험예에서 형성된 전극 용액을 구리 호일 위에 스핀 코팅 방법을 이용하여 증착한 필름의 이미지이다. 도 5의 왼쪽과 오른쪽에서 서로 다른 조성 비율의 전극을 형성하여 필름에 따른 용량을 비교하였다. 도 5에서 a)는 실시예 1, b)는 비교예 1, c)는 실시예 2, d)는 비교예 2에 따른 것이다. 5 is an image of a film in which the electrode solution formed in Experimental Example of the present invention is deposited on a copper foil using a spin coating method. In the left and right sides of FIG. 5 , electrodes of different composition ratios were formed to compare capacities according to films. 5, a) is Example 1, b) is Comparative Example 1, c) is Example 2, d) is according to Comparative Example 2.
도 6은 서로 다른 비율로 형성된 전극에 대해 0.1 C-rate의 충방전 속도에서 측정된 용량을 나타낸다. 도 6에서 a)는 실시예 1, 비교예 1의 충전 및 방전 곡선, b)는 실시예 2, 비교예 2의 충전 및 방전 곡선이다. 6 shows the capacity measured at a charge/discharge rate of 0.1 C-rate for electrodes formed in different ratios. 6, a) is a charge and discharge curve of Example 1 and Comparative Example 1, b) is a charge and discharge curve of Example 2 and Comparative Example 2.
충전 방전을 진행한 결과, 실시예 1과 비교예 1의 경우 충/방전이 제대로 이루어지지 않고 첫 방전 이후 200 mAh/g 이하의 낮은 충/방전을 나타내는 것이 확인된다. 이는 전극 안에서 활물질의 반응이 일어난 후 형성된 전자가 전극 외부로 전달이 잘 되지 않아 일어난 것으로 이해된다. 그러므로 부도체인 PVDF-HFP의 함량은 실시예 1보다 감소하는 것이 바람직하다. As a result of charging/discharging, it is confirmed that in Example 1 and Comparative Example 1, charging/discharging was not performed properly, and low charging/discharging of 200 mAh/g or less after the first discharge was confirmed. It is understood that this occurs because electrons formed after the reaction of the active material within the electrode are not well transferred to the outside of the electrode. Therefore, the content of PVDF-HFP, which is a non-conductor, is preferably reduced compared to Example 1.
실시예 2는 실시예 1에 비해 PVDF-HFP 함량은 적고 활물질의 함량은 많다. 비교예 2는 실시예 2에 비해 도전재가 없다. 실시예 2와 비교예 2를 비교하면, 실시예 2의 용량이 높은데, 이는 도전재의 첨가 여부에 따라 전자의 이동이 용이해져 용량이 증가되었기 때문이라고 판단된다.In Example 2, the PVDF-HFP content is lower and the active material content is higher than in Example 1. Comparative Example 2 has no conductive material compared to Example 2. Comparing Example 2 and Comparative Example 2, the capacity of Example 2 is high, which is considered to be because electrons are easily moved and the capacity is increased depending on whether or not a conductive material is added.
활물질 64 wt%, 도전재 16 wt%, 바인더 20 wt%가 사용되었을 때인 실시예 2에서 가장 용량이 높게 나타난 것으로 확인된다. 특히 실시예 2에서 SEI(solid electrolyte interface) 층을 형성할 수 있는 첫번째 방전을 제외하고 2 번째 사이클에서 Co3O4의 이론값인 890 mAh/g 용량을 넘는 920 mAh/g의 용량을 나타낸 것으로 확인이 되었다. 따라서, 본 발명에 의할 때 벌크 이종접합의 컨셉을 통해 이론값에 근접하는 용량을 나타낼 수 있으며, 리튬 이차 전지 성능을 향상시킬 수 있다는 것이 뒷받침된다. It is confirmed that the highest capacity was observed in Example 2 when 64 wt% of the active material, 16 wt% of the conductive material, and 20 wt% of the binder were used. In particular, in Example 2, except for the first discharge capable of forming a solid electrolyte interface (SEI) layer, in the second cycle, it showed a capacity of 920 mAh/g, which exceeds the theoretical value of 890 mAh/g capacity of Co 3 O 4 . has been confirmed Therefore, according to the present invention, it is supported that capacity close to the theoretical value can be exhibited through the concept of bulk heterojunction, and the performance of the lithium secondary battery can be improved.
도 7은 본 발명에 따른 전극과 기존 슬러리 방법으로 증착된 전극에 대해 0.1 C-rate의 충방전 속도에서 측정된 용량을 나타낸다. PVDF-HFP : Co3O4 : Carbon Black 의 비율이 2.0 : 6.4 : 1.6 로 혼합된 전극인 실시예 2와 비교예 3을 나타내었다.7 shows the capacity measured at a charge/discharge rate of 0.1 C-rate for the electrode according to the present invention and the electrode deposited by the conventional slurry method. PVDF-HFP: Co 3 O 4 : Example 2 and Comparative Example 3, which are electrodes in which the ratio of Carbon Black is 2.0: 6.4: 1.6, is shown.
도 7을 참조하면, 본 발명에 의할 때에 사이클 증가에도 용량을 더 잘 유지하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7 , it can be confirmed that the capacity is better maintained even when the cycle increases according to the present invention.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 PVDF-HFP를 전극 물질에 이용하여 다공성 PVDF-HFP 필름을 전극의 지지체로 이용하면 전해질과 활물질과의 표면적을 넓혀 리튬 이차 전지 성능을 높일 수 있다. As described above, according to the present invention, when PVDF-HFP is used as an electrode material and a porous PVDF-HFP film is used as a support for the electrode, the surface area between the electrolyte and the active material can be increased to increase the lithium secondary battery performance.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.In the above, the present invention has been illustrated and described with reference to specific preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and those of ordinary skill in the art to which the invention pertains within the scope not departing from the spirit of the present invention have Various changes and modifications will be possible by the person.
100 : 전극
110 : 다공성 PVDF-HFP 필름
120 : 활물질
130 : 집전체
140 : 도전재
200 : 분리막
200' : 고분자 전해질
300 : 양극
1000, 1000' : 리튬 이차 전지 100: electrode
110: porous PVDF-HFP film
120: active material
130: current collector
140: conductive material
200: separator
200': Polyelectrolyte
300: positive
1000, 1000': lithium secondary battery
Claims (3)
상기 집전체 위에 형성되는 다공성 폴리머 구조체를 포함하고,
상기 다공성 폴리머 구조체는,
PVDF-HFP를 용해하는 용매와 용해하지 않는 비용매를 혼합해 혼합 용액을 제조하고, 상기 혼합 용액에 PVDF-HFP를 넣어 녹여주고 도전재와 활물질을 더 혼합하여 형성한 전극 용액을 코팅 후 건조시킨 것으로서,
다공성 지지체인 다공성 PVDF-HFP(Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) 필름; 및
상기 다공성 PVDF-HFP 필름 안에 포함되는 활물질과 도전재를 포함하여,
상기 활물질과 도전재와 PVDF-HFP가 벌크 상태로 혼합되어 있고,
상기 도전재는 흑연이고 상기 활물질은 Co3O4이며, 상기 PVDF-HFP : 활물질: 도전재의 중량비는 2.0 : 6.4 : 1.6인 것을 특징으로 하는 전극.current collector; and
It includes a porous polymer structure formed on the current collector,
The porous polymer structure,
A mixed solution is prepared by mixing a solvent that dissolves PVDF-HFP and a non-solvent that does not dissolve, and PVDF-HFP is added to the mixed solution to dissolve, and an electrode solution formed by further mixing a conductive material and an active material is coated and dried. As that,
Porous PVDF-HFP (Poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) film as a porous support; and
Including the active material and the conductive material contained in the porous PVDF-HFP film,
The active material, the conductive material, and PVDF-HFP are mixed in a bulk state,
The conductive material is graphite and the active material is Co 3 O 4 The weight ratio of the PVDF-HFP:active material:conductive material is 2.0:6.4:1.6.
상기 혼합 용액에 PVDF-HFP를 넣어 녹여주고 도전재와 활물질을 더 혼합하여 전극 용액을 형성하는 단계; 및
상기 전극 용액을 집전체 위에 코팅 후 건조시키는 단계를 포함하고,
상기 용매는 NMP보다 끓는 점이 낮고, 기화되어 PVDF-HFP를 필름 형태로 형성하게 되며, 상기 비용매는 기화 시 빈 공간을 형성하고,
상기 도전재는 흑연이고 상기 활물질은 Co3O4이며, 상기 PVDF-HFP : 활물질: 도전재의 중량비는 2.0 : 6.4 : 1.6인 것을 특징으로 하는 전극 제조 방법. preparing a mixed solution by mixing acetone, which is a solvent for dissolving PVDF-HFP, and methanol, which is a non-solvent, which does not dissolve;
forming an electrode solution by adding and dissolving PVDF-HFP in the mixed solution and further mixing a conductive material and an active material; and
After coating the electrode solution on the current collector, comprising the step of drying,
The solvent has a lower boiling point than NMP and is vaporized to form PVDF-HFP in the form of a film, and the non-solvent forms an empty space during vaporization,
The conductive material is graphite and the active material is Co 3 O 4 The weight ratio of the PVDF-HFP:active material:conductive material is 2.0:6.4:1.6.
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