KR102335314B1 - Negative electrode for lithium secondary battery, and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음극 집전체; 상기 음극 집전체 상에 형성되어 있는 제 1 음극 활물질층; 및 상기 제 1 음극 활물질층 상에 형성되어 있는 제 2 음극 활물질층을 포함하고, 상기 제 2 음극 활물질층은 제 1 음극 활물질층에 비해 빠른 리튬 확산 속도를 가져 향상된 리튬 확산성 및 우수한 전리튬화 효율을 나타낼 수 있는, 리튬 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention is a negative electrode current collector; a first anode active material layer formed on the anode current collector; and a second anode active material layer formed on the first anode active material layer, wherein the second anode active material layer has a faster lithium diffusion rate than the first anode active material layer, thereby improving lithium diffusivity and excellent prelithiation It relates to an anode for a lithium secondary battery, which can exhibit efficiency, and a lithium secondary battery including the same.

Description

리튬 이차전지용 음극, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지{NEGATIVE ELECTRODE FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY, AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}Anode for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery comprising the same

본 발명은 리튬 이차전지용 음극, 이를 포함하는 리튬 이차전지, 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 표면에 리튬 확산 속도가 빠른 음극 활물질층이 형성되어 있어 효과적으로 전리튬화가 이루어질 수 있는 리튬 이차전지용 음극, 및 상기 음극을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary battery, a lithium secondary battery including the same, and a method for manufacturing the same, and more particularly, lithium, which has a high lithium diffusion rate formed on the surface of the negative electrode active material layer, which can be effectively lithiated It relates to a negative electrode for a secondary battery, and a lithium secondary battery including the negative electrode.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대한 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 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 such secondary batteries, lithium secondary batteries exhibiting high energy density and operating potential, long cycle life, and low self-discharge rate. Batteries have been commercialized and widely used.

또한, 최근에는 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소 금속(Ni-MH) 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 되어 있다.In addition, as interest in environmental issues has increased in recent years, electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs) that can replace vehicles using fossil fuels such as gasoline vehicles and diesel vehicles, which are one of the main causes of air pollution, have been developed. There is a lot of research going on. Although nickel-metal hydride (Ni-MH) secondary batteries are mainly used as power sources for electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), lithium secondary batteries with high energy density, high discharge voltage and output stability are used. Research is being actively conducted, and some have been commercialized.

리튬 이차전지는 전극 집전체 상에 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 세퍼레이터가 개재된 전극조립체에 리튬염을 포함하는 비수계 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다.A lithium secondary battery has a structure in which a non-aqueous electrolyte containing lithium salt is impregnated in an electrode assembly with a porous separator interposed between a positive electrode and a negative electrode, each of which is coated with an active material on an electrode current collector.

상기 리튬 이차전지는 양극의 양극 활물질의 리튬 이온이 음극의 음극활물질로 삽입(intercadlation)되고 탈리(deintercalation)되는 과정을 반복하면서 충방전이 진행된다. The lithium secondary battery is charged and discharged while repeating the process in which lithium ions of the positive electrode active material of the positive electrode are intercalated into the negative electrode active material of the negative electrode and deintercalated.

이론적으로는 음극 활물질 내로의 리튬 삽입 및 탈리 반응이 완전히 가역적이지만, 실제로는 음극 활물질의 이론 용량보다 더 많은 리튬이 소모되며, 이중 일부만이 방전시 회수된다. 따라서, 두번째 사이클 이후에는 보다 적은 양의 리튬 이온이 충전시 삽입되게 되나 방전시에는 삽입된 거의 대부분의 리튬 이온이 탈리된다. 이와 같이 첫번째 충전 및 방전 반응에서 나타나는 용량의 차이를 비가역 용량 손실이라 하며, 상용화된 리튬 이차전지에서는 리튬 이온이 양극에서 공급되고 음극에는 리튬이 없는 상태로 제조되므로, 초기 충전 및 방전에서 비가역 용량 손실을 최소화하는 것이 중요하다. Theoretically, lithium insertion and desorption reactions into the negative active material are completely reversible, but in practice, more lithium than the theoretical capacity of the negative active material is consumed, and only a part of it is recovered during discharge. Accordingly, after the second cycle, a smaller amount of lithium ions are inserted during charging, but most of the inserted lithium ions are desorbed during discharging. As described above, the difference in capacity that appears in the first charge and discharge reaction is called irreversible capacity loss. In a commercial lithium secondary battery, lithium ions are supplied from the positive electrode and lithium is not present in the negative electrode. It is important to minimize

이러한 초기 비가역 용량 손실은 대부분 음극 활물질 표면에서의 전해질 분해(electrolyte decomposition) 반응에 기인하는 것으로 알려져 있으며, 상기 전해질 분해를 통한 전기화학 반응에 의해 음극 활물질 표면 위에 SEI(고체 전해질막, Solid Electrolyte Interface)이 형성된다. 이러한 SEI 막 형성에는 많은 리튬 이온이 소모되기 때문에 비가역 용량 손실을 유발시키는 문제점이 있지만, 충전 초기에 형성된 SEI 막은 충방전 중 리튬 이온과 음극 또는 다른 물질과의 반응을 막아주며, 이온 터널(Ion Tunnel)의 역할을 수행하여 리튬 이온만을 통과시키는 기능을 하여 다 이상의 전해질 분해반응을 억제하여 리튬 이차전지의 사이클 특성 향상에 기여한다. It is known that this initial irreversible capacity loss is mostly due to an electrolyte decomposition reaction on the surface of the anode active material, and SEI (Solid Electrolyte Interface) on the surface of the anode active material by an electrochemical reaction through the electrolyte decomposition. this is formed Since many lithium ions are consumed in the formation of the SEI film, there is a problem of causing irreversible capacity loss, but the SEI film formed at the beginning of charging prevents the reaction between lithium ions and the negative electrode or other materials during charging and discharging, and ion tunnel (Ion Tunnel). ), it functions to pass only lithium ions, suppressing multiple electrolyte decomposition reactions, and contributing to the improvement of cycle characteristics of lithium secondary batteries.

따라서, 상기 SEI 막의 형성 등으로 유발되는 초기 비가역을 개선하기 위한 방법이 필요하며, 그 한가지 방법으로 리튬 이차전지 제작 전에 전리튬화(pre-lithiation)를 실시하여 첫번째 충전시 발생되는 부반응을 미리 겪게 하는 방법을 들 수 있다. 이와 같이, 전리튬화(pre-lithiation)를 실시할 경우, 실제 제조된 이차전지에 대해 충방전을 실시했을 때 그만큼 비가역이 감소된 상태에서 첫번째 사이클이 진행되게 되어 초기 비가역이 감소될 수 있는 장점이 있다. Therefore, there is a need for a method for improving the initial irreversibility caused by the formation of the SEI film, etc., and as one of the methods, pre-lithiation is performed before manufacturing a lithium secondary battery to undergo a side reaction that occurs during the first charge. how to do it As such, in the case of performing pre-lithiation, when charging and discharging of the actually manufactured secondary battery is performed, the first cycle proceeds in a state in which irreversibility is reduced by that much, so that the initial irreversibility can be reduced. There is this.

전리튬화 방법으로는 예컨대 음극 표면에 리튬을 증착한 후, 전지를 조립하여 전해액을 주액함으로써 웨팅(wetting) 공정에서 리튬화를 시키는 방법, 및 음극을 전해액에 침지하여 웨팅 시킨 후, 음극과 리튬을 직접 접촉시키는 방법을 들 수 있다. 그러나, 음극 활물질로 고에너지 밀도를 가지는 재료를 사용할 경우, 리튬의 확산 속도가 매우 느려 전리튬화를 하지 않는 기존의 공정과 대비하여 시간이 오래 걸려 전지의 생산 효율이 좋지 못하다는 문제가 있다.As the pre-lithiation method, for example, after depositing lithium on the surface of the negative electrode, assembling the battery and injecting the electrolyte, lithiation is performed in the wetting process, and the negative electrode and lithium are wetted by immersing the negative electrode in the electrolyte. direct contact with the However, when a material having a high energy density is used as the anode active material, the diffusion rate of lithium is very slow, and it takes a long time compared to the conventional process in which total lithiation is not performed, resulting in poor battery production efficiency.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 향상된 리튬 확산성을 나타내며 전리튬화 효율이 향상된 리튬 이차전지용 음극을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide an anode for a lithium secondary battery having improved lithium diffusivity and improved total lithiation efficiency.

본 발명의 다른 해결하고자 하는 과제는 상기 리튬 이차전지용 음극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention to be solved is to provide a lithium secondary battery including the negative electrode for the lithium secondary battery.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 In order to solve the above problems, the present invention

음극 집전체; 상기 음극 집전체 상에 형성되어 있는 제 1 음극 활물질층; 및 상기 제 1 음극 활물질층 상에 형성되어 있는 제 2 음극 활물질층을 포함하고, 상기 제 1 음극 활물질층은 SOC 50%에서 5.0×10-11 cm2/s 내지 5.0×10-9 cm2/s의 리튬 이온 확산 계수를 가지는 음극 활물질을 포함하며, 상기 제 2 음극 활물질층은 SOC 50%에서 5.0×10-9 cm2/s 내지 5.0×10-7 cm2/s의 리튬 이온 확산 계수를 가지는 음극 활물질을 포함하는, 리튬 이차전지용 음극을 제공한다. negative electrode current collector; a first anode active material layer formed on the anode current collector; and a second anode active material layer formed on the first anode active material layer, wherein the first anode active material layer is 5.0×10 -11 cm 2 /s to 5.0×10 -9 cm 2 /s at 50% SOC a negative active material having a lithium ion diffusion coefficient of s, wherein the second negative active material layer has a lithium ion diffusion coefficient of 5.0×10 -9 cm 2 /s to 5.0×10 -7 cm 2 /s at 50% SOC It provides a negative electrode for a lithium secondary battery, including an anode active material.

또한, 본 발명은 상기 다른 과제를 해결하기 위하여, In addition, the present invention in order to solve the other problems,

상기 리튬 이차전지용 음극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.It provides a lithium secondary battery including the negative electrode for the lithium secondary battery.

본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극은 리튬의 확산 속도가 빠른 음극 활물질층이 표면에 형성되어 있어, 음극 활물질 층에 대한 리튬 확산 속도가 빠르므로, 향상된 리튬 확산성 및 우수한 전리튬화 효율을 나타낼 수 있다.The negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention has an anode active material layer having a high diffusion rate of lithium formed on the surface, so that the diffusion rate of lithium to the negative electrode active material layer is fast, so that it can exhibit improved lithium diffusivity and excellent pre-lithiation efficiency. have.

도 1은 실시예 4에서 제조된 음극을 전해액에 침지하였을 때, 전리튬화 진행 정도를 판단하기 위한 시간대 별 전극 표면의 사진이다.
도 2는 비교예 2에서 제조된 음극을 전해액에 침지하였을 때, 전리튬화 진행 정도를 판단하기 위한 시간대 별 전극 표면의 사진이다.
1 is a photograph of the electrode surface for each time period for determining the degree of prelithiation when the negative electrode prepared in Example 4 is immersed in an electrolyte.
2 is a photograph of the electrode surface for each time period for determining the degree of prelithiation when the negative electrode prepared in Comparative Example 2 is immersed in an electrolyte.

이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail to help the understanding of the present invention.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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.The terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best describe his invention. Based on the principle that there is, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극은 음극 집전체; 상기 음극 집전체 상에 형성되어 있는 제 1 음극 활물질층; 및 상기 제 1 음극 활물질층 상에 형성되어 있는 제 2 음극 활물질층을 포함하고, 상기 제 1 음극 활물질층은 SOC 50%에서 5.0×10-11 cm2/s 내지 5.0×10-9 cm2/s의 리튬 이온 확산 계수를 가지는 음극 활물질을 포함하며, 상기 제 2 음극 활물질층은 SOC 50%에서 5.0×10-9 cm2/s 내지 5.0×10-7 cm2/s의 리튬 이온 확산 계수를 가지는 음극 활물질을 포함하는 것이다. A negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention includes a negative electrode current collector; a first anode active material layer formed on the anode current collector; and a second anode active material layer formed on the first anode active material layer, wherein the first anode active material layer is 5.0×10 -11 cm 2 /s to 5.0×10 -9 cm 2 /s at 50% SOC a negative active material having a lithium ion diffusion coefficient of s, wherein the second negative active material layer has a lithium ion diffusion coefficient of 5.0×10 -9 cm 2 /s to 5.0×10 -7 cm 2 /s at 50% SOC The eggplant includes an anode active material.

상기 제 1 음극 활물질층은 구체적으로 7.5×10-11 cm2/s 내지 2.5×10-9cm2/s, 더욱 구체적으로 1.0×10-10 cm2/s 내지 1.0×10-9 cm2/s의 리튬 이온 확산 계수를 가지는 음극 활물질을 포함할 수 있고, 상기 제 2 음극 활물질층은 구체적으로 7.5×10-9 cm2/s 내지 2.5×10-7 cm2/s, 더욱 구체적으로 1.0×10-8 cm2/s 내지 1.0×10-7 cm2/s의 리튬 이온 확산 계수를 가지는 음극 활물질을 포함할 수 있다. The first anode active material layer is specifically 7.5×10 -11 cm 2 /s to 2.5×10 -9 cm 2 /s, more specifically 1.0×10 -10 cm 2 /s to 1.0×10 -9 cm 2 /s may include an anode active material having a lithium ion diffusion coefficient of s, and the second anode active material layer is specifically 7.5×10 -9 cm 2 /s to 2.5×10 -7 cm 2 /s, more specifically 1.0× A negative active material having a lithium ion diffusion coefficient of 10 -8 cm 2 /s to 1.0×10 -7 cm 2 /s may be included.

상기 제 1 음극 활물질층의 리튬 이온 확산 계수가 상기 범위일 경우, 적절한 에너지 밀도를 나타내면서도 우수한 충방전 효율을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 제 2 음극 활물질층의 리튬 이온 확산 계수가 상기 범위일 경우, 적절한 에너지 밀도를 나타내면서도 전리튬화시 빠르게 리튬 이온을 받아들일 수 있다. 상기와 같이 상기 제 2 음극 활물질층은 통상의 활물질에 비해 높은 리튬 이온 확산 계수를 가지므로, 빠르고 효과적으로 리튬 이온을 흡장하여, 비가역 용량을 해소하고 빠른 전리튬화를 이룰 수 있으며, 상기 제 1 음극 활물질층보다 앞서 효율적인 전리튬화가 이루어질 수 있다. When the lithium ion diffusion coefficient of the first anode active material layer is within the above range, an appropriate energy density may be exhibited and excellent charge/discharge efficiency may be exhibited. In addition, when the lithium ion diffusion coefficient of the second anode active material layer is within the above range, lithium ions may be rapidly received during prelithiation while exhibiting an appropriate energy density. As described above, since the second anode active material layer has a higher lithium ion diffusion coefficient than that of a conventional active material, it can quickly and effectively occlude lithium ions, solve irreversible capacity and achieve rapid lithiation, and the first anode Efficient prelithiation can be achieved prior to the active material layer.

상기 음극에서 표면에 위치하는 상기 제 2 음극 활물질층은 상기 제 1 음극활물질층에 비해 높은 리튬 이온 확산 계수를 가지는 음극 활물질을 포함할 수 있으며, 상기 제 2 음극 활물질층은 상기 제 1 음극활물질층에 비해 상대적으로 빠른 리튬 이온 확산 속도를 나타낼 수 있으므로, 전리튬화(pre-lithiation)시 상기 제 2 음극 활물질층이 접촉하고 있는 리튬을 빠르게 활물질층 내부로 확산(inter-diffusion)시켜 받아들임으로써 전리튬화가 더욱 효과적으로 이루어질 수 있고, 전리튬화에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다. 상기 제 2 음극 활물질층 내부에 확산된 리튬의 일부는 제 2 음극 활물질층에 포함된 음극 활물질의 비가역을 해소하고, 일부는 충전되며, 시간이 지남에 따라 제 2 음극 활물질 층에 받아들여진 리튬이 제 1 음극 활물질층으로 확산되어 제 1 음극 활물질층에 포함된 음극 활물질의 비가역을 해소하게 된다. The second anode active material layer positioned on the surface of the anode may include an anode active material having a higher lithium ion diffusion coefficient than that of the first anode active material layer, wherein the second anode active material layer is the first anode active material layer Since it can exhibit a relatively fast lithium ion diffusion rate compared to the The lithiation can be performed more effectively, and the time required for all-lithiation can be shortened. Part of the lithium diffused inside the second anode active material layer resolves the irreversibility of the anode active material included in the second anode active material layer, and a portion is charged, and over time, the lithium received in the second anode active material layer is It diffuses into the first anode active material layer to resolve irreversibility of the anode active material included in the first anode active material layer.

또한, 상기 제 2 음극 활물질층은, 제 1 음극 활물질층에 비해 빠른 리튬 확산 속도를 나타내기 위해서, 제 1 음극 활물질층에 비해 작은 공극률을 가질 수 있다. 상기 제 2 음극 활물질층은 상기 제 1 음극 활물질층에 비해 공극률이 작으므로, 전리튬화시 리튬 메탈과 활물질층간의 접촉 면적이 상대적으로 넓어져 우수한 리튬 확산 속도를 나타낼 수 있다. In addition, the second anode active material layer may have a smaller porosity than the first anode active material layer in order to exhibit a faster lithium diffusion rate than the first anode active material layer. Since the second anode active material layer has a smaller porosity than the first anode active material layer, the contact area between the lithium metal and the active material layer is relatively wide during prelithiation, thereby exhibiting an excellent lithium diffusion rate.

상기 제 1 음극 활물질 층은 25% 내지 35%의 공극률을 가질 수 있고, 구체적으로 28% 내지 33%, 더욱 구체적으로 30% 내지 32%의 공극률을 가질 수 있으며, 상기 제 2 음극 활물질 층은 20% 내지 30%의 공극률을 가질 수 있고, 구체적으로 22% 내지 28%, 더욱 구체적으로 23% 내지 25%의 공극률을 가질 수 있다. 또한, 상기 제 2 음극 활물질층의 공극률은 제 1 음극 활물질층의 공극률에 비해 작은 값을 가질 수 있다. The first anode active material layer may have a porosity of 25% to 35%, specifically, a porosity of 28% to 33%, more specifically, a porosity of 30% to 32%, and the second anode active material layer may have a porosity of 20% It may have a porosity of % to 30%, specifically, it may have a porosity of 22% to 28%, more specifically, a porosity of 23% to 25%. In addition, the porosity of the second anode active material layer may have a smaller value than that of the first anode active material layer.

상기 제 2 음극 활물질층은 상기 제 1 음극 활물질층에 비해 작은 공극률 값을 가지므로, 전리튬화시 상기 제 2 음극 활물질층에 포함된 음극 활물질과 리튬메탈간의 접촉 면적이 상대적으로 넓어져 보다 우수한 확산성을 발휘할 수 있다. 상기 제 1 음극 활물질 층 및 제 2 음극 활물질 층의 공극률이 상기 범위의 하한 이상일 경우, 이온성 액체 확산(ionic liquid diffusion) 성능이 저해되지 않으므로 전지의 충방전시 리튬 이온이 더욱 적절히 확산될 수 있다. 한편, 상기 제 1 음극 활물질 층의 공극률이 상기 범위의 상한 이하일 경우, 적절한 에너지 밀도를 나타낼 수 있고, 상기 제 2 음극 활물질의 공극률이 상기 범위의 상한 이하일 경우, 전리튬화시 더욱 우수한 리튬 확산 속도를 나타낼 수 있다. Since the second anode active material layer has a smaller porosity value than that of the first anode active material layer, the contact area between the anode active material and lithium metal included in the second anode active material layer is relatively wide during prelithiation, resulting in better diffusibility can be achieved. When the porosity of the first anode active material layer and the second anode active material layer is equal to or greater than the lower limit of the above range, the ionic liquid diffusion performance is not impaired, so that lithium ions can be more appropriately diffused during charging and discharging of the battery. . On the other hand, when the porosity of the first anode active material layer is less than the upper limit of the range, an appropriate energy density may be exhibited, and when the porosity of the second anode active material is less than the upper limit of the range, a better lithium diffusion rate during prelithiation can indicate

본 발명의 일례에 따른 리튬 이차전지용 음극에 있어서, 상기 제 1 음극 활물질 층 및 제 2 음극 활물질 층은 상기 범위의 공극률을 가질 수 있도록, 각각 일정 범위의 탭 밀도를 가지는 음극 활물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 제 1 음극 활물질은 0.7 g/cc 내지 1.2 g/cc, 구체적으로 0.8 g/cc 내지 1.1 g/cc의 탭밀도를 가지는 음극 활물질을 포함할 수 있고, 상기 제 2 음극 활물질은 1.2 g/cc 내지 1.4 g/cc, 구체적으로 1.25 g/cc 내지 1.35 g/cc의 탭밀도를 가지는 음극 활물질을 포함할 수 있다. In the negative electrode for a lithium secondary battery according to an example of the present invention, the first negative active material layer and the second negative active material layer may each include a negative active material having a tap density in a predetermined range so as to have a porosity within the above range. . For example, the first negative active material may include a negative active material having a tap density of 0.7 g/cc to 1.2 g/cc, specifically 0.8 g/cc to 1.1 g/cc, and the second negative active material is 1.2 g It may include a negative active material having a tap density of /cc to 1.4 g/cc, specifically 1.25 g/cc to 1.35 g/cc.

한편, 상기 제 2 음극 활물질층은 제 1 음극 활물질층에 비해 낮은 결정도를 가지는 음극 활물질을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극에 있어서, 음극의 표면부에 가깝게 위치하는 상기 제 2 음극 활물질층이 낮은 결정도를 가지는 음극 활물질을 포함할 경우, 전리튬화시 리튬의 확산이 원활하여, 음극 전체의 리튬 확산 속도를 증가시킬 수 있다. Meanwhile, the second anode active material layer may include an anode active material having a lower crystallinity than that of the first anode active material layer. In the negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention, when the second negative electrode active material layer located close to the surface of the negative electrode includes a negative electrode active material having a low crystallinity, diffusion of lithium is smooth during prelithiation, so that the entire negative electrode is can increase the lithium diffusion rate.

한편, 상기 제 2 음극 활물질층은 제 1 음극 활물질층에 비해 낮은 용량을 가지는 활물질을 포함할 수 있다. 따라서, 전체 음극의 용량을 필요 이상으로 저하시키지 않으면서도 리튬 확산 속도만을 높이기 위해서는 상기 제 2 음극 활물질층의 두께를 적절한 비율로 조절할 필요가 있다. 따라서, 본 발명의 일례에 따른 리튬 이차전지용 음극에 있어서, 상기 제 2 음극 활물질층의 두께는 제 1 음극 활물질층의 두께를 기준으로 5% 내지 30%일 수 있고, 구체적으로 10% 내지 20%일 수 있으며, 더욱 구체적으로 10% 내지 15%일 수 있다. 상기 제 2 음극 활물질층의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 음극 전체의 리튬의 확산 속도를 증가시킬 수 있으면서도 음극이 적절한 용량을 가질 수 있다. Meanwhile, the second anode active material layer may include an active material having a lower capacity than that of the first anode active material layer. Therefore, in order to increase only the lithium diffusion rate without reducing the capacity of the entire anode more than necessary, it is necessary to adjust the thickness of the second anode active material layer at an appropriate ratio. Therefore, in the negative electrode for a lithium secondary battery according to an example of the present invention, the thickness of the second negative electrode active material layer may be 5% to 30% based on the thickness of the first negative electrode active material layer, specifically 10% to 20% may be, and more specifically, may be 10% to 15%. When the thickness of the second anode active material layer satisfies the above range, the diffusion rate of lithium throughout the anode may be increased, and the anode may have an appropriate capacity.

본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극은 음극 집전체의 표면에 복수개의 음극 활물질 층이 형성되어 있고, 표층에 위치하는 제 2 음극 활물질층이 상대적으로 빠른 리튬 확산 속도를 나타내므로, 전리튬화시 리튬이 상기 음극 활물질층 내로 효과적으로 확산될 수 있다. 따라서, 상기 음극에 리튬을 증착한 후 전해액에 침지시키는 방법의 전리튬화 및 전해액에 침지 후 음극과 리튬을 직접 접촉시키는 방법의 전리튬화 모든 경우에 있어서, 리튬이 상기 음극 활물질층으로 빠르게 확산되어 음극에 리튬을 포함시킬 수 있다. In the negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention, a plurality of negative electrode active material layers are formed on the surface of the negative electrode current collector, and the second negative electrode active material layer located on the surface layer exhibits a relatively fast lithium diffusion rate. This may be effectively diffused into the anode active material layer. Therefore, in all cases of prelithiation of the method of depositing lithium on the negative electrode and immersing it in the electrolyte and the method of direct contacting the negative electrode and lithium after immersion in the electrolyte, in all cases of prelithiation, lithium rapidly diffuses into the negative electrode active material layer and lithium may be included in the negative electrode.

본 발명의 일례에 있어서, 상기 리튬 이차전지용 음극은 전리튬화를 위한 리튬 메탈층을 포함하는 것일 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극은 상기 제 2 음극 활물질층 상에 형성되어 있는 리튬 메탈층을 추가로 포함할 수 있다. In one example of the present invention, the negative electrode for a lithium secondary battery may include a lithium metal layer for all-lithiation. That is, the negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention may further include a lithium metal layer formed on the second negative electrode active material layer.

상기 리튬 메탈층은, 예컨대 스퍼터링(sputtering), E-빔(E-Beam), 증발(evaporation) 또는 열증발(thermal evaporation)을 포함하는 물리적 기상 증착(physical vapor deposition, PVD) 또는 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD)에 의해 증착되어 형성될 수 있다. The lithium metal layer may be formed by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (PVD) including, for example, sputtering, E-Beam, evaporation or thermal evaporation ( It may be deposited and formed by chemical vapor deposition (CVD).

상기 리튬 이차전지용 음극을 이용하여 전극조립체를 제조한 후, 이에 전해액을 주입할 경우, 상기 리튬 메탈층은 상기 제 2 음극 활물질층에 확산에 의해 리튬 메탈을 공급하게 되며, 이를 통해 음극의 비가역 용량을 보상할 수 있는 양의 리튬 메탈을 음극의 활물질층들에 포함시킬 수 있다. When an electrode assembly is prepared using the negative electrode for a lithium secondary battery and an electrolyte is injected therein, the lithium metal layer supplies lithium metal by diffusion to the second negative electrode active material layer, and through this, the irreversible capacity of the negative electrode An amount of lithium metal capable of compensating for this may be included in the active material layers of the negative electrode.

한편, 본 발명의 일례에 따른 리튬 이차전지용 음극은 상기 제 2 음극 활물질층 상에 형성되어 있는 제 3 음극 활물질층을 추가로 포함할 수 있다. 상기 제 3 음극 활물질층은 SOC 50%에서 5.0×10-7 cm2/s 내지 5.0×10-6 cm2/s의 리튬 이온 확산 계수를 가지는 음극 활물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 5.0×10-7 cm2/s 내지 1.0×10-6 cm2/s의 리튬 이온 확산 계수를 가지는 음극 활물질을 포함할 수 있다. On the other hand, the negative electrode for a lithium secondary battery according to an example of the present invention may further include a third negative electrode active material layer formed on the second negative electrode active material layer. The third anode active material layer may include an anode active material having a lithium ion diffusion coefficient of 5.0×10 −7 cm 2 /s to 5.0×10 −6 cm 2 /s at 50% SOC, specifically 5.0×10 A negative active material having a lithium ion diffusion coefficient of -7 cm 2 /s to 1.0×10 -6 cm 2 /s may be included.

상기 제 3 음극 활물질 층에 포함된 음극 활물질은 제 2 음극 활물질층에 포함된 음극 활물질에 비해 빠른 리튬 확산 속도를 가지는 것일 수 있다. 이에 따라, 상기 제 3 음극 활물질층은 상기 제 2 음극 활물질층 상에 형성되어 상기 제 2 음극 활물질층에 비해 리튬을 더욱 용이하게 받아들임으로써, 음극의 전리튬화 효율 및 속도를 더욱 향상시킬 수 있다. The negative active material included in the third negative active material layer may have a faster lithium diffusion rate than the negative active material included in the second negative active material layer. Accordingly, the third anode active material layer is formed on the second anode active material layer to more easily accept lithium compared to the second anode active material layer, thereby further improving the prelithiation efficiency and speed of the anode. .

또한, 상기 제 3 음극 활물질층은 제 2 음극 활물질층에 비해 작은 공극률을 가질 수 있고, 또한 상기 제 3 음극 활물질층은 상기 제 2 음극 활물질층에 비해 낮은 결정도를 가지는 음극 활물질을 포함할 수 있다.In addition, the third anode active material layer may have a smaller porosity than the second anode active material layer, and the third anode active material layer may include an anode active material having a lower crystallinity than that of the second anode active material layer. .

즉, 본 발명의 일례에 따른 리튬 이차전지용 음극은 음극 집전체에서 음극의 표면 방향으로 갈수록 각 음극 활물질 층들에 포함된 음극 활물질의 리튬 이온 확산계수가 순차적으로 커질 수 있다. 또한, 본 발명의 일례에 따른 리튬 이차전지용 음극은 공극률이 순차적으로 작아지는 음극 활물질층들을 포함할 수 있고, 또한 음극 집전체에서 음극의 표면 방향으로 갈수록 순차적으로 더욱 낮은 결정도를 가지는 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질층들을 포함할 수 있다. That is, in the negative electrode for a lithium secondary battery according to an example of the present invention, the lithium ion diffusion coefficient of the negative electrode active material included in each negative electrode active material layer may increase sequentially from the negative electrode current collector toward the surface of the negative electrode. In addition, the negative electrode for a lithium secondary battery according to an example of the present invention may include negative electrode active material layers whose porosity is sequentially decreased, and also includes a negative electrode active material having a lower crystallinity sequentially from the negative electrode current collector toward the surface of the negative electrode. It may include anode active material layers.

본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극은 음극 집전체의 표면에 복수개의 음극 활물질 층이 형성되어 있고, 가장 표층에 위치하는 음극 활물질층이 상대적으로 가장 빠른 리튬 확산 속도를 나타내므로, 전리튬화시 리튬이 상기 음극 활물질층 내로 더욱 효과적으로 확산될 수 있다. 따라서, 상기 음극에 리튬을 증착한 후 전해액에 침지시키는 방법의 전리튬화 및 전해액에 침지 후 음극과 리튬을 직접 접촉시키는 방법의 전리튬화 모든 경우에 있어서, 리튬이 상기 음극 활물질층으로 더욱 빠르게 확산되어 음극에 빠르고 효과적으로 리튬을 포함시킬 수 있다.In the negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention, a plurality of negative electrode active material layers are formed on the surface of the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer located on the outermost layer exhibits the relatively fastest lithium diffusion rate. This may be more effectively diffused into the anode active material layer. Therefore, in all cases of pre-lithiation of the method of depositing lithium on the negative electrode and immersing it in the electrolyte and the pre-lithiation of the method of directly contacting the negative electrode and lithium after immersion in the electrolyte, lithium moves more rapidly into the negative electrode active material layer By diffusion, lithium can be incorporated into the negative electrode quickly and effectively.

상기 제 3 음극 활물질층이 제 2 음극 활물질층에 추가적으로 형성되는 경우, 음극의 전체 용량에는 영향을 미치지 않도록 전체 음극활물질층의 두께에서 상기 제 1 음극 활물질층이 차지하는 비율은 유지될 필요가 있다. 따라서, 상기 제 3 음극 활물질층이 상기 제 2 음극 활물질층 상에 형성되어 있을 경우, 상기 제 2 음극 활물질층 및 제 3 음극 활물질층의 두께의 합은, 제 3 음극 활물질층이 형성되어 있지 않은 음극의 제 2 음극 활물질층의 두께 범위로 한정되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 제 2 음극 활물질층 및 제 3 음극 활물질층의 두께의 합은 제 1 음극 활물질층의 두께를 기준으로 5% 내지 30%일 수 있고, 구체적으로 10% 내지 20%일 수 있으며, 더욱 구체적으로 10% 내지 15%일 수 있다. 상기 제 2 음극 활물질층 및 제 3 음극 활물질층의 두께의 합이 상기 범위를 만족할 경우, 음극 전체의 리튬의 확산 속도를 증가시킬 수 있으면서도 음극이 적절한 용량을 가질 수 있다. When the third anode active material layer is additionally formed on the second anode active material layer, the ratio of the first anode active material layer to the total thickness of the anode active material layer needs to be maintained so as not to affect the total capacity of the anode. Therefore, when the third anode active material layer is formed on the second anode active material layer, the sum of the thicknesses of the second anode active material layer and the third anode active material layer is the third anode active material layer is not formed. It is preferable to be limited to the thickness range of the second negative active material layer of the negative electrode. Accordingly, the sum of the thicknesses of the second anode active material layer and the third anode active material layer may be 5% to 30%, specifically 10% to 20%, based on the thickness of the first anode active material layer, and more Specifically, it may be 10% to 15%. When the sum of the thicknesses of the second anode active material layer and the third anode active material layer satisfies the above range, the diffusion rate of lithium throughout the anode may be increased, and the anode may have an appropriate capacity.

본 발명의 일례에 따른 리튬 이차전지용 음극이 상기 제 3 음극 활물질층을 가질 경우, 상기 리튬 이차전지용 음극은 상기 제 3 음극 활물질층 상에 형성되어 있는 리튬 메탈층을 추가로 포함할 수 있다. 상기 리튬 메탈층은, 상기 리튬 이차전지용 음극을 이용하여 전극조립체를 제조한 후 이에 전해액을 주입할 경우, 상기 제 3 음극 활물질층에 확산에 의해 리튬 메탈을 공급하게 되며, 리튬 메탈은 제 2 음극 활물질층으로 순차적으로 이동하므로, 전리튬화에 의해 음극의 비가역 용량을 보상할 수 있는 양의 리튬 메탈을 음극의 활물질층들에 포함시킬 수 있다. When the negative electrode for a lithium secondary battery according to an example of the present invention has the third negative electrode active material layer, the negative electrode for the lithium secondary battery may further include a lithium metal layer formed on the third negative electrode active material layer. The lithium metal layer, when the electrolyte is injected into the electrode assembly using the negative electrode for the lithium secondary battery, the lithium metal is supplied to the third negative electrode active material layer by diffusion, and the lithium metal is the second negative electrode Since it sequentially moves to the active material layer, an amount of lithium metal capable of compensating for the irreversible capacity of the negative electrode by prelithiation can be included in the active material layers of the negative electrode.

상기 제 1 음극 활물질층은 음극 활물질로서 고결정성 탄소, Si, 실리콘 산화물 입자(SiOx, 0<x≤2), Si-금속합금, 및 Si와 실리콘 산화물 입자(SiOx, 0<x≤2)의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연(kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 3,000℃ 이상의 열처리 과정을 거친 탄소 미소구체(meso-carbon microbeads), 액정피치(mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 3,000℃ 이상에서 소성된 고온 소성탄소를 들 수 있다. 상기 고결정성 탄소는 그래핀(흑연층) 면간 거리가 0.3354 nm 내지 0.3370 nm 수준 범위의 탄소 구조체를 의미하고, 구체적으로는 그래핀 면간 거리가 0.3600 nm 이내인 흑연계 활물질일 수 있다.The first anode active material layer is an anode active material with high crystalline carbon, Si, silicon oxide particles (SiO x , 0<x≤2), Si-metal alloy, and Si and silicon oxide particles (SiO x , 0<x≤2) ) may include at least one selected from the group consisting of alloys, and the highly crystalline carbon includes natural graphite, kish graphite, pyrolytic carbon, and liquid crystal pitch based carbon (mesophase pitch based carbon). fiber), carbon microbeads, mesophase pitches, and petroleum or coal tar pitch derived cokes that have undergone a heat treatment process of over 3,000 ° C. carbon is mentioned. The highly crystalline carbon means a carbon structure having a graphene (graphite layer) interplanar distance in the range of 0.3354 nm to 0.3370 nm, and specifically, it may be a graphite-based active material having a graphene interplanar distance within 0.3600 nm.

상기 제 2 음극 활물질층은 음극 활물질로서 연화탄소(soft carbon), 경화탄소(hard carbon) 또는 탄소 미소구체 등의 저결정성 탄소, 메조 페이즈의 저결정성 탄소, 및 난흑연화성 탄소 또는 이흑연화성 탄소 등의 비결정성 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 저결정성 탄소로는 1500℃ 내지 2,500℃에서 소성된 연화탄소(soft carbon), 혹은 탄소 미소구체를 들 수 있다. 상기 저결정성 탄소는 그래핀(흑연층) 면간 거리가 0.3370 nm 내지 0.3600 nm이거나, 또는 비결정성 구조를 포함하는 나타내는 탄소 구조체를 의미한다. 상기 비결정성 구조는 그래핀 면간 거리가 0.3600 nm 이상인 구조를 의미하며, 상기 비결정성 탄소는 0.3600 nm 이상의 그래핀 면간 거리를 나타내는 탄소 구조체를 의미한다.The second anode active material layer is an anode active material, such as soft carbon, hard carbon, or low crystalline carbon such as carbon microspheres, meso-phase low crystalline carbon, and non-graphitizable carbon or graphite. It may include at least one selected from the group consisting of amorphous carbon such as pyrogenic carbon. Examples of the low-crystalline carbon include soft carbon calcined at 1500°C to 2,500°C, or carbon microspheres. The low crystalline carbon means a carbon structure having a graphene (graphite layer) interplanar distance of 0.3370 nm to 0.3600 nm, or including an amorphous structure. The amorphous structure refers to a structure having a graphene interplanar distance of 0.3600 nm or more, and the amorphous carbon refers to a carbon structure having a graphene interplanar distance of 0.3600 nm or more.

한편, 본 발명의 일례에 따른 리튬 이차전지용 음극이 상기 제 3 음극 활물질층을 포함할 경우, 상기 제 3 음극 활물질층은 상기 제 2 음극 활물질층과 마찬가지로 음극 활물질로서 저결정성 탄소 및 비결정성 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 제 3 음극 활물질층이 포함하는 음극 활물질은 상기 제 2 음극 활물질층이 포함하는 음극 활물질로서 전술한 조건을 만족할 수 있는 적절한 종류의 것들이 선택될 수 있다. On the other hand, when the negative electrode for a lithium secondary battery according to an example of the present invention includes the third negative electrode active material layer, the third negative electrode active material layer has low crystalline carbon and amorphous carbon as the negative electrode active material, similarly to the second negative electrode active material layer. It may include one or more selected from the group consisting of, and the negative active material included in the third negative active material layer is a negative active material included in the second negative active material layer. Appropriate types that can satisfy the above conditions are selected. can

상기 제 3 음극 활물질층은 상기 제 2 음극 활물질층에 비해 더 낮은 결정성을 지니는 음극 활물질을 포함할 수 있으며, 구제적으로 비결정성 탄소를 포함할 수 있다. 한편, 본 발명의 일례에 따른 리튬 이차전지용 음극이 상기 제 3 음극 활물질층을 포함할 경우, 상기 제 2 음극 활물질층은 저결정성 탄소를 포함할 수 있다. The third anode active material layer may include an anode active material having a lower crystallinity than that of the second anode active material layer, and specifically may include amorphous carbon. On the other hand, when the negative electrode for a lithium secondary battery according to an example of the present invention includes the third negative electrode active material layer, the second negative electrode active material layer may include low crystalline carbon.

이와 같은 본 발명의 리튬 이차전지용 음극은 우수한 전리튬화 효율을 나타내는 것으로서, 전리튬화가 이루어지는 리튬 이차전지에 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일례에 따른 리튬 이차전지용 음극은 전리튬화(pre-lithiation)에 의해 확산된 리튬 메탈을 포함하는 것일 수 있다. As described above, the negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention exhibits excellent all-lithiation efficiency, and can be used in a lithium secondary battery in which all-lithiation is performed. Accordingly, the negative electrode for a lithium secondary battery according to an example of the present invention may include lithium metal diffused by pre-lithiation.

상기 음극은 당 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조될 수 있다. 예컨대 상기 제 1 음극층 및 제 2 음극층이 포함하는 음극 활물질, 바인더 및 도전재 등의 첨가제들을 각각 혼합 및 교반하여 각각의 음극 슬러리를 제조한 후, 제 1 음극층의 음극 슬러리를 집전체에 도포하고 건조한 후, 상기 제 2 음극층의 음극 슬러리를 상기 제 1 음극층 상에 도포하고 건조한 다음 압축하여 제조할 수 있다. The negative electrode may be manufactured by a conventional method known in the art. For example, each negative electrode slurry is prepared by mixing and stirring additives such as a negative active material, a binder, and a conductive material included in the first negative electrode layer and the second negative electrode layer, and then, the negative electrode slurry of the first negative electrode layer is applied to the current collector. After coating and drying, the negative electrode slurry of the second negative electrode layer may be applied on the first negative electrode layer, dried, and then compressed.

상기 음극을 형성하기 위한 용매로는 NMP(N-메틸 피롤리돈), DMF(디메틸 포름아미드), 아세톤, 디메틸 아세트아미드 등의 유기 용매 또는 물 등이 있으며, 이들 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 용매의 사용량은 슬러리의 도포 두께, 제조 수율을 고려하여 상기 음극 활물질, 바인더, 도전재를 용해 및 분산시킬 수 있는 정도이면 충분하다.Examples of the solvent for forming the negative electrode include organic solvents such as NMP (N-methyl pyrrolidone), DMF (dimethyl formamide), acetone, and dimethyl acetamide or water, and these solvents are used alone or in two or more types. can be mixed and used. The amount of the solvent used is sufficient as long as it is capable of dissolving and dispersing the negative electrode active material, the binder, and the conductive material in consideration of the application thickness of the slurry and the production yield.

상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 결착시켜 성형체를 유지하기 위하여 사용될 수 있으며, 음극 활물질용 슬러리 제조 시 사용되는 통상적인 바인더라면 특별히 제한되지 않으나, 예컨대 비수계 바인더인 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필렌셀룰로즈, 디아세틸렌셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등을 사용할 수 있고, 또한 수계 바인더인 아크릴로나이트릴-부타디엔고무, 스티렌-부타디엔 고무 및 아크릴 고무로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 수계 바인더는 비수계 바인더에 비해 경제적, 친환경적이고, 작업자의 건강에도 무해하며, 비수계 바인더에 비하여 결착 효과가 우수하므로, 동일 체적당 활물질의 비율을 높일 수 있어 고용량화가 가능하며, 수계 바인더로는 바람직하게는 스티렌-부타디엔 고무가 사용될 수 있다. The binder may be used to bind the negative active material particles to maintain the molded body, and is not particularly limited as long as it is a conventional binder used in preparing a slurry for the negative electrode active material, for example, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxy non-aqueous binder. Propylene cellulose, diacetylene cellulose, polyvinyl chloride, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene or polypropylene, etc. can be used, and acrylic as an aqueous binder Any one selected from the group consisting of lonitrile-butadiene rubber, styrene-butadiene rubber, and acrylic rubber, or a mixture of two or more thereof may be used. Aqueous binders are economical and eco-friendly compared to non-aqueous binders, are harmless to workers' health, and have a superior binding effect compared to non-aqueous binders. Preferably, a styrene-butadiene rubber may be used.

상기 바인더는 음극 활물질용 슬러리 전체 중량 중에 10 중량% 이하로 포함될 수 있으며, 구체적으로 0.1 중량% 내지 10 중량%로 포함될 수 있다. 상기 바인더의 함량이 0.1 중량% 미만이면 바인더 사용에 따른 효과가 미미하여 바람직하지 않고, 10 중량%를 초과하면 바인더 함량 증가에 따른 활물질의 상대적인 함량 감소로 인해 체적당 용량이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.The binder may be included in an amount of 10% by weight or less in the total weight of the slurry for the negative electrode active material, and specifically, it may be included in an amount of 0.1 to 10% by weight. If the content of the binder is less than 0.1% by weight, the effect of using the binder is insignificant and is not preferable. not.

상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 상기 도전재의 예로서는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 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; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등을 들 수 있다. 상기 도전재는 음극 활물질용 슬러리 전체 중량에 대해 1 중량% 내지 9 중량%의 양으로 사용될 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery. Examples of the conductive material include graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon black such as acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; or conductive materials such as polyphenylene derivatives. The conductive material may be used in an amount of 1 wt% to 9 wt% based on the total weight of the slurry for the negative electrode active material.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 음극에 사용되는 음극 집전체는 3 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 갖는 것일 수 있다. 상기 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode current collector used for the negative electrode according to an embodiment of the present invention may have a thickness of 3 μm to 500 μm. The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery, for example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, carbon on the surface of copper or stainless steel; Nickel, titanium, silver, etc. surface-treated, aluminum-cadmium alloy, etc. may be used. In addition, the bonding strength of the negative electrode active material may be strengthened by forming fine irregularities on the surface, and may be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwovens.

본 발명은 또한 상기 리튬 이차전지용 음극 및 양극, 그리고 상기 음극 및 양극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. The present invention also provides a lithium secondary battery including the negative electrode and the positive electrode for the lithium secondary battery, and a separator interposed between the negative electrode and the positive electrode.

상기 양극은 당 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 양극 활물질에 용매, 필요에 따라 바인더, 도전재, 분산제를 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조한 후 이를 금속 재료의 집전체에 도포(코팅)하고 압축한 뒤 건조하여 양극을 제조할 수 있다.The positive electrode may be manufactured by a conventional method known in the art. For example, a positive electrode can be manufactured by mixing and stirring the positive electrode active material with a solvent and, if necessary, a binder, a conductive material, and a dispersant, then applying (coating) it to a current collector made of a metal material, compressing it, and drying it. have.

상기 금속 재료의 집전체는 전도성이 높은 금속으로서, 상기 양극 활물질의 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로 전지의 전압 범위에서 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또한, 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용 가능하며, 3 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 갖는 것일 수 있다. The current collector of the metallic material is a metal with high conductivity, and is a metal to which the slurry of the positive electrode active material can be easily adhered. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or a surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. on the surface of aluminum or stainless steel may be used. In addition, by forming fine irregularities on the surface of the current collector, the adhesive force of the positive electrode active material may be increased. The current collector may be used in various forms, such as a film, sheet, foil, net, porous body, foam, non-woven body, and the like, and may have a thickness of 3 μm to 500 μm.

상기 양극 활물질은, 예컨대 리튬 코발트 산화물[LixCoO2(0.5<x<1.3)], 리튬 니켈 산화물[LixNiO2(0.5<x<1.3)] 등의 층상 화합물 또는 추가적인 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4(여기서, x는 0 내지 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, 또는 [LixMnO2(0.5<x<1.3)] 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 구리 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, 또는 Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - xMxO2(여기서, M=Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x=0.01 내지 0.3임)로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - xMxO2(여기서, M= Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x=0.01 내지 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M=Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등일 수 있다. The positive active material is, for example , a layered compound such as lithium cobalt oxide [Li x CoO 2 (0.5<x<1.3)], lithium nickel oxide [Li x NiO 2 (0.5<x<1.3)] or an additional transition metal substituted with compound; Lithium manganese oxide, such as formula Li 1 + x Mn 2 - x O 4 (where x is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , or [Li x MnO 2 (0.5<x<1.3)]; lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 , or Cu 2 V 2 O 7 ; Ni site-type lithium nickel oxide represented by the formula LiNi 1 - x M x O 2 (wherein, M=Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, and x=0.01 to 0.3); Formula LiMn 2 - x M x O 2 (wherein M=Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta and x=0.01 to 0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 (where M=Fe, Co, lithium manganese composite oxide represented by Ni, Cu or Zn; LiMn 2 O 4 in which a part of Li in the formula is substituted with an alkaline earth metal ion; disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 and the like.

상기 양극을 형성하기 위한 용매로는 NMP(N-메틸 피롤리돈), DMF(디메틸 포름아미드), 아세톤, 디메틸 아세트아미드 등의 유기 용매 또는 물 등이 있으며, 이들 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 용매의 사용량은 슬러리의 도포 두께, 제조 수율을 고려하여 상기 양극 활물질, 바인더, 도전재를 용해 및 분산시킬 수 있는 정도이면 충분하다.Examples of the solvent for forming the positive electrode include organic solvents such as NMP (N-methyl pyrrolidone), DMF (dimethyl formamide), acetone, and dimethyl acetamide or water, and these solvents are used alone or in two or more types. can be mixed and used. The amount of the solvent used is sufficient as long as it is capable of dissolving and dispersing the positive electrode active material, the binder, and the conductive material in consideration of the application thickness of the slurry and the production yield.

상기 바인더로는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리 아크릴산(poly acrylic acid) 및 이들의 수소를 Li, Na 또는 Ca 등으로 치환된 고분자, 또는 다양한 공중합체 등의 다양한 종류의 바인더 고분자가 사용될 수 있다. As the binder, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylidenefluoride, polyacrylonitrile, polymethylmethacrylate, Polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyacrylic acid, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), Sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, polyacrylic acid, and a polymer in which hydrogen is substituted with Li, Na or Ca, or the like; or Various types of binder polymers such as various copolymers may be used.

상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 양극 슬러리 전체 중량에 대해 1 중량% 내지 20 중량%의 양으로 사용될 수 있다. The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery, for example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon black such as acetylene black, Ketjen black, channel black, farness black, lamp black, and thermal black; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; conductive tubes such as carbon nanotubes; metal powders such as fluorocarbon, aluminum, and nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used. The conductive material may be used in an amount of 1 wt% to 20 wt% based on the total weight of the positive electrode slurry.

상기 분산제는 수계 분산제 또는 N-메틸-2-피롤리돈 등의 유기 분산제를 사용할 수 있다.The dispersant may be an aqueous dispersant or an organic dispersant such as N-methyl-2-pyrrolidone.

또한, 세퍼레이터로는 종래에 세퍼레이터로 사용된 통상적인 다공성 고분자 필름, 예컨대 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌-부텐 공중합체, 에틸렌-헥센 공중합체 및 에틸렌-메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 또는 통상적인 다공성 부직포, 예컨대 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, as the separator, a conventional porous polymer film conventionally used as a separator, such as an ethylene homopolymer, a propylene homopolymer, an ethylene-butene copolymer, an ethylene-hexene copolymer, and an ethylene-methacrylate copolymer such as a polyolefin-based polymer The porous polymer film prepared by ? can be used alone or by laminating them, or a conventional porous nonwoven fabric, such as a nonwoven fabric made of high melting point glass fiber, polyethylene terephthalate fiber, etc., can be used, but is not limited thereto.

본 발명에서 사용되는 전해질로서 포함될 수 있는 리튬염은 리튬 이차전지용 전해질에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예컨대 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. Lithium salts that may be included as the electrolyte used in the present invention may be used without limitation, those commonly used in electrolytes for lithium secondary batteries, for example, as an anion of the lithium salt , F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , PF 6 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - , SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - may be any one selected from the group consisting of.

본 발명에서 사용되는 전해액에 있어서, 전해액에 포함되는 유기 용매로는 이차 전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 대표적으로 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디메틸 설퍼옥사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌 카보네이트, 설포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌 설파이트 및 테트라하이드로푸란으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 대표적으로 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 카보네이트계 유기용매 중 고리형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 잘 해리시키므로 바람직하게 사용될 수 있으며, 이러한 고리형 카보네이트에 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있어 더욱 바람직하게 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 리튬 이차전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지는 표면에 알칼리 카보네이트 층이 형성되어 있는 흑연을 포함하여 우수한 내 프로필렌 카보네이트성을 가지므로, 리튬 이차전지가 우수한 저온 성능을 발휘할 수 있도록 바람직하게는 상기 프로필렌 카보네이트를 포함하는 것일 수 있다. In the electrolyte used in the present invention, as an organic solvent included in the electrolyte, those commonly used in electrolytes for secondary batteries may be used without limitation, and representatively, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC) ), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC), methylpropyl carbonate, dipropyl carbonate, dimethyl sulfuroxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane , vinylene carbonate, sulfolane, gamma-butyrolactone, any one selected from the group consisting of propylene sulfite and tetrahydrofuran, or a mixture of two or more of these may be used representatively. Specifically, among the carbonate-based organic solvents, ethylene carbonate and propylene carbonate, which are cyclic carbonates, are highly viscous organic solvents and have a high dielectric constant and thus well dissociate lithium salts in the electrolyte. When a low-viscosity, low-dielectric constant linear carbonate such as ethyl carbonate is mixed in an appropriate ratio, an electrolyte having high electrical conductivity can be prepared, and thus it can be used more preferably. In particular, the lithium secondary battery including the negative active material for lithium secondary batteries of the present invention has excellent propylene carbonate resistance including graphite having an alkali carbonate layer formed on the surface, so that the lithium secondary battery can exhibit excellent low temperature performance. Preferably, it may include the propylene carbonate.

선택적으로, 본 발명에 따라 저장되는 전해액은 통상의 전해액에 포함되는 과충전 방지제 등과 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.Optionally, the electrolyte stored according to the present invention may further include additives such as an overcharge inhibitor included in a conventional electrolyte.

본 발명의 리튬 이차전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.The external shape of the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, but may be a cylindrical shape, a prismatic shape, a pouch type, or a coin type using a can.

본 발명에 따른 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.The lithium secondary battery according to the present invention can be used not only in a battery cell used as a power source for a small device, but can also be preferably used as a unit cell in a medium or large battery module including a plurality of battery cells.

상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있지만, 이들 만으로 한정되는 것은 아니다.Preferred examples of the medium-large device include, but are not limited to, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, and a power storage system.

실시예Example

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 실험예를 들어 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명이 이들 실시예 및 실험예에 의해 제한되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, examples and experimental examples will be described in more detail to describe the present invention in detail, but the present invention is not limited by these examples and experimental examples. Embodiments according to the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described in detail below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art.

실시예 1Example 1

<음극의 제조><Production of cathode>

탭 밀도가 1.0 g/cc이고 리튬 이온 확산 계수가 5.8×10-10 cm2/s인 천연흑연 94 중량%, 카본 블랙(도전제) 1 중량% 및 SBR(결합제) 3 중량%, 및 CMC(증점제) 2 중량%를 물에 첨가하여 제 1 음극 슬러리를 제조하였다. 94% by weight of natural graphite having a tap density of 1.0 g/cc and a lithium ion diffusion coefficient of 5.8×10 -10 cm 2 /s, 1% by weight of carbon black (conductive agent) and 3% by weight of SBR (binder), and CMC ( Thickener) 2% by weight was added to water to prepare a first negative electrode slurry.

평균입경(D50) 6 ㎛이고, 탭 밀도가 1.3 g/cc이며 리튬 이온 확산 계수가 4.2×10-8 cm2/s인 하드카본 94 중량%, 카본 블랙(도전제) 1 중량% 및 SBR(결합제) 3 중량%, 및 CMC(증점제) 2 중량%를 물에 첨가하여 제 2 음극 슬러리를 제조하였다.94 wt% of hard carbon having an average particle diameter (D 50 ) of 6 μm, a tap density of 1.3 g/cc, and a lithium ion diffusion coefficient of 4.2×10 -8 cm 2 /s, 1 wt% of carbon black (conductive agent), and SBR 3 wt% (binder) and 2 wt% CMC (thickener) were added to water to prepare a second negative electrode slurry.

구리 집전체의 일면에 상기 제조된 제 1 음극 슬러리를 85 ㎛의 두께로 코팅하고, 이를 건조하여 제 1 음극 활물질층을 형성하였다. 상기 집전체 상에 제 1 음극 활물질층이 형성된 후, 상기 제조된 제 2 음극 슬러리를 상기 제 1 음극 활물질층 상에 15 ㎛의 두께로 코팅하고, 이를 건조하여 제 2 음극 활물질층을 형성하였다. 이를 압연하여 음극을 제조하였다. The prepared first negative electrode slurry was coated on one surface of a copper current collector to a thickness of 85 μm, and dried to form a first negative electrode active material layer. After the first anode active material layer was formed on the current collector, the prepared second anode active material layer was coated on the first anode active material layer to a thickness of 15 μm, and dried to form a second anode active material layer. This was rolled to prepare a negative electrode.

제조된 음극에서 제 1 음극 활물질층의 공극률은 30%이고, 제 2 음극 활물질층의 공극률은 25%임을 확인하였다. In the prepared negative electrode, it was confirmed that the porosity of the first negative active material layer was 30%, and the porosity of the second negative active material layer was 25%.

실시예 2Example 2

제 1 음극 슬러리를 85 ㎛의 두께로, 제 2 음극 슬러리를 5 ㎛의 두께로 코팅한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 음극을 제조하였다. A negative electrode was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the first negative electrode slurry was coated to a thickness of 85 µm and the second negative electrode slurry to a thickness of 5 µm.

실시예 3Example 3

제 1 음극 슬러리를 70 ㎛의 두께로, 제 2 음극 슬러리를 30 ㎛의 두께로 코팅한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 음극을 제조하였다. A negative electrode was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the first negative electrode slurry was coated to a thickness of 70 μm and the second negative electrode slurry to a thickness of 30 μm.

비교예 1Comparative Example 1

<음극의 제조><Production of cathode>

탭 밀도가 1.0 g/cc이고 리튬 이온 확산 계수가 5.8×10-10 cm2/s인 천연흑연 94 중량%, 카본 블랙(도전제) 1 중량% 및 SBR(결합제) 3 중량%, 및 CMC(증점제) 2 중량%를 물에 첨가하여 음극 슬러리를 제조한 후, 구리 집전체의 일면에 상기 제조된 음극 슬러리를 100 ㎛의 두께로 코팅하고, 이를 건조한 후 압연하여 음극을 제조하였다.94% by weight of natural graphite having a tap density of 1.0 g/cc and a lithium ion diffusion coefficient of 5.8×10 -10 cm 2 /s, 1% by weight of carbon black (conductive agent) and 3% by weight of SBR (binder), and CMC ( After preparing a negative electrode slurry by adding 2 wt% of a thickener) to water, the prepared negative electrode slurry was coated on one surface of a copper current collector to a thickness of 100 μm, dried and rolled to prepare a negative electrode.

실시예 4 내지 6Examples 4 to 6

<리튬 메탈층이 증착된 음극의 제조><Manufacture of a cathode on which a lithium metal layer is deposited>

상기 실시예 1 내지 3에서 제조된 음극의 제 2 음극 활물질층 상에 물리기상증착(physical vapor deposition)을 통해 리튬 메탈층을 형성하였다. 증착을 하기 위해 원료가 되는 리튬메탈을 증착장비(thermal evaporator, 제조사)에 넣고 열 증발법(thermal evaporation)을 통해 제 2 음극 활물질층 상에 5 ㎛의 두께로 리튬메탈을 포함하는 리튬 메탈층을 형성하였다.A lithium metal layer was formed on the second negative active material layer of the negative electrode prepared in Examples 1 to 3 through physical vapor deposition. For deposition, lithium metal as a raw material is put into a deposition equipment (thermal evaporator, manufacturer), and lithium metal is deposited on the second anode active material layer with a thickness of 5 μm through thermal evaporation. A lithium metal layer containing the was formed.

비교예 2Comparative Example 2

<리튬 메탈층이 증착된 음극의 제조><Manufacture of a cathode on which a lithium metal layer is deposited>

상기 실시예 1에서 제조된 음극을 대신하여 상기 비교예 1에서 제조된 음극을 사용한 것을 제외하고는 마찬가지의 방법으로 리튬 메탈층을 형성하였다. A lithium metal layer was formed in the same manner except that the negative electrode prepared in Comparative Example 1 was used instead of the negative electrode prepared in Example 1.

실험예 1Experimental Example 1

상기 실시예 4 및 비교예 2에서 각각 제조된 리튬 메탈층이 증착된 음극에 각각 에틸렌 카보네이트(EC) 및 디에틸 카보네이트(DEC)를 30:70의 부피비로 혼합한 용매에 1M LiPF6가 용해된 전해질 용액을 가하여 소킹(soaking)하고, 10분간 변화를 관찰하여 그 결과를 각각 도 1 및 도 2에 나타내었다. 1M LiPF 6 was dissolved in a solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed in a volume ratio of 30:70, respectively, on the negative electrode on which the lithium metal layer prepared in Example 4 and Comparative Example 2 was deposited. The electrolyte solution was added and soaked, and the change was observed for 10 minutes, and the results are shown in FIGS. 1 and 2 , respectively.

도 1을 참조하면, 실시예 4의 음극은 음극 최상층 표면부에 형성된 리튬 메탈층이 약 5분경에는 많이 사라졌음을 확인할 수 있다. 반면, 도 2를 참조하면, 비교예 2의 음극은 음극 최상층 표면부에 형성된 리튬 메탈층이 약 10분경에 이르러서야 상기 실시예 4의 음극과 비슷한 정도로 사라지고 있음을 확인할 수 있다. 사라진 리튬 메탈층은 전리튬화에 의해 각각 제 2 음극 활물질층에 리튬 메탈이 확산됨에 의한 것으로, 이로써 실시예 4의 음극이 비교예 2의 음극에 비해 더욱 빨리 전리튬화가 이루어짐을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 1 , in the negative electrode of Example 4, it can be seen that the lithium metal layer formed on the uppermost surface of the negative electrode disappeared in about 5 minutes. On the other hand, referring to FIG. 2 , in the negative electrode of Comparative Example 2, it can be confirmed that the lithium metal layer formed on the uppermost surface of the negative electrode disappears to a similar extent to the negative electrode of Example 4 only after about 10 minutes. The disappeared lithium metal layer was due to the diffusion of lithium metal into the second anode active material layer by pre-lithiation, thereby confirming that the negative electrode of Example 4 was more rapidly lithiated than the negative electrode of Comparative Example 2.

실험예 2Experimental Example 2

<전리튬화 소요 시간 측정><Measurement time required for total lithiation>

상기 실시예 4 내지 6 및 비교예 2에서 각각 제조된 리튬 메탈층이 증착된 음극에 각각 에틸렌 카보네이트(EC) 및 디에틸 카보네이트(DEC)를 30:70의 부피비로 혼합한 용매에 1M LiPF6가 용해된 전해질 용액을 가하여 소킹(soaking)하고, 시간에 따른 변화를 관찰하여 전리튬화가 완료되기 까지의 시간을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 1M LiPF 6 was added to a solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed in a volume ratio of 30:70, respectively, on the negative electrode on which the lithium metal layer prepared in Examples 4 to 6 and Comparative Example 2 was deposited. The dissolved electrolyte solution was added and soaked, and the time until prelithiation was completed by observing the change with time was measured. The results are shown in Table 1 below.

실험예 3Experimental Example 3

<양극의 제조><Production of anode>

양극활물질로 Li(Co0.2Ni0.6Mn0.2)O2 94 중량%, 도전제로 카본 블랙(carbon black) 3 중량%, 결합제로 PVdF 3 중량%를 용제인 N-메틸-2 피롤리돈(NMP)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 혼합물 슬러리를 두께 20 ㎛ 정도의 양극 집전체인 알루미늄(Al) 박막에 도포 및 건조를 통하여 양극을 제조한 후 롤 프레스(roll press)를 실시하였다. Li(Co 0.2 Ni 0.6 Mn 0.2 )O 2 94 wt% as a cathode active material, carbon black 3 wt% as a conductive material, PVdF 3 wt% as a binder, and N-methyl-2 pyrrolidone (NMP) as a solvent was added to prepare a positive electrode mixture slurry. The positive electrode mixture slurry was applied to an aluminum (Al) thin film, which is a positive electrode current collector, having a thickness of about 20 μm, and dried to prepare a positive electrode, and then roll press was performed.

<리튬 이차전지의 제조><Manufacture of lithium secondary battery>

상기 실시예 4 내지 6, 및 비교예 2에서 각각 제조된 리튬 메탈층이 증착된 음극과 상기에서 제조된 양극 사이에 두께 12 ㎛의 폴리에틸렌제의 다공막을 개재시킨 후, 에틸렌 카보네이트(EC) 및 디에틸카보네이트(DEC)를 30:70의 부피비로 혼합한 용매에 1M LiPF6가 용해된 전해질을 주입하여 30분간 전리튬화 시켜 코인형 이차전지를 각각 제조하였다.After interposing a polyethylene porous film having a thickness of 12 μm between the negative electrode on which the lithium metal layer prepared in Examples 4 to 6 and Comparative Example 2 was deposited and the positive electrode prepared above, ethylene carbonate (EC) and di An electrolyte in which 1M LiPF 6 was dissolved was injected into a solvent in which ethyl carbonate (DEC) was mixed in a volume ratio of 30:70, followed by prelithiation for 30 minutes to prepare coin-type secondary batteries, respectively.

<수명특성 평가><Evaluation of life characteristics>

상기 제조된 각각의 이차전지를 25℃에서 정전류/정전압(CC/CV) 조건으로 4.2V 0.05C 컷 오프(cut-off)까지 1 C으로 충전한 다음, 정전류(CC) 조건으로 2.5 V까지 1 C으로 방전하고, 그 방전 용량을 측정하였다. 이를 1 내지 100 사이클로 반복 실시하였다. Each of the prepared secondary batteries was charged at 1 C up to 4.2V 0.05C cut-off at 25° C. under constant current/constant voltage (CC/CV) conditions, and then at 1 C up to 2.5 V under constant current (CC) conditions. C was discharged, and the discharge capacity was measured. This was repeated for 1 to 100 cycles.

음극 활물질이 코팅되었을 때의 부피 1L 당 전지 용량을 나타내는 Wh/L로 에너지 밀도를 표시하였으며, 100 사이클 후의 방전 용량을 1 사이클의 방전용량으로 나누어 수명 특성을 나타내었다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. The energy density was expressed as Wh/L, which represents the battery capacity per 1 L of volume when the anode active material was coated, and the discharge capacity after 100 cycles was divided by the discharge capacity of 1 cycle to show the lifespan characteristics. The results are shown in Table 1 below.

<급속충전 성능 평가><Evaluation of fast charging performance>

상기 제조된 각각의 이차전지에 대하여 전기화학 충방전기를 이용하여 급속 충전 테스트를 시행하였다. 급속 충전 테스트에 앞서 활성화 공정을 실시하였고, 구체적으로 1.5 V 내지 0.005 V 전압 구간을 0.1 C-rate의 전류 밀도로 3 사이클 충방전을 진행하여 활성화 공정을 실시하였다. A fast charging test was performed on each of the manufactured secondary batteries using an electrochemical charger/discharger. The activation process was performed prior to the rapid charge test, and specifically, the activation process was performed by charging and discharging 3 cycles of a voltage section of 1.5 V to 0.005 V at a current density of 0.1 C-rate.

이와 같이 활성화 공정을 마친 전지에 대해 급속 충전 테스트를 시행하였으며, 구체적으로 2.9 C-rate의 전류밀도로 12분 동안 급속 충전을 실시하고 이때 얻어진 전압그래프를 바탕으로 리튬 석출이 일어나기 전까지의 충전 심도(SOC)를 측정하였다. 리튬 석출이 일어났을 때의 SOC를 하기 표 1에 나타내었다. A rapid charge test was performed on the battery that had completed the activation process in this way, and specifically, rapid charge was performed for 12 minutes at a current density of 2.9 C-rate, and based on the voltage graph obtained at this time, the charge depth ( SOC) was measured. The SOC when lithium precipitation occurred is shown in Table 1 below.

전리튬화 소요시간Total lithiation time required 부피당
에너지밀도
per volume
energy density
수명특성
(100 사이클 후, %)
Life characteristics
(After 100 cycles, %)
급속충전성능
(Li-플레이팅 SOC%)
fast charging performance
(Li-Plating SOC%)
실시예 4Example 4 15분15 minutes 700 Wh/L700 Wh/L 8888 4848 실시예 5Example 5 20분20 minutes 710 Wh/L710 Wh/L 8383 4545 실시예 6Example 6 10분10 minutes 650 Wh/L650 Wh/L 8989 5050 비교예 2Comparative Example 2 30분30 minutes 720 Wh/L720 Wh/L 3030 2828

상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 상기 실시예 4 내지 6의 음극은 비교예 2의 음극에 비해 전리튬화 소요시간이 짧음을 알 수 있었다. 또한, 상기 실시예 4 내지 6의 음극을 포함하는 이차전지는 비교예 2의 음극을 포함하는 이차전지에 비해 수명특성 및 급속충전성능 역시 우수하였다. As can be seen in Table 1, it was found that the negative electrode of Examples 4 to 6 took a shorter total lithiation time than the negative electrode of Comparative Example 2. In addition, the secondary battery including the negative electrode of Examples 4 to 6 was superior to the secondary battery including the negative electrode of Comparative Example 2 in terms of lifespan characteristics and fast charging performance.

에너지밀도면에서는 제 1 음극 활물질층이 포함하는 음극 활물질에 비해 상대적으로 작은 에너지 용량을 갖는 제 2 음극 활물질층이 형성되어 있을 경우, 작은 값을 가지고, 전체 음극에서 제 2 음극 활물질층이 차지하는 비율이 커질수록 에너지 밀도는 점차 줄어들지만, 상대적으로 수명특성 및 급속충전성능은 향상되었다. 이를 통해 적정한 에너지 밀도와 수명특성 및 급속충전성능의 조화를 통해 상기 제 1 음극 활물질층 및 제 2 음극 활물질층의 두께 비를 적절한 비율로 조절할 필요가 있음을 확인할 수 있었다. In terms of energy density, when the second anode active material layer having a relatively small energy capacity compared to the anode active material included in the first anode active material layer is formed, it has a small value, and the ratio of the second anode active material layer to the total anode active material layer As this value increases, the energy density gradually decreases, but the lifespan characteristics and rapid charging performance are relatively improved. Through this, it was confirmed that it was necessary to adjust the thickness ratio of the first anode active material layer and the thickness ratio of the second anode active material layer to an appropriate ratio by harmonizing appropriate energy density, lifespan characteristics, and fast charging performance.

Claims (18)

음극 집전체; 상기 음극 집전체 상에 형성되어 있는 제 1 음극 활물질층; 및 상기 제 1 음극 활물질층 상에 형성되어 있는 제 2 음극 활물질층을 포함하고,
상기 제 1 음극 활물질층은 SOC 50%에서 5.0×10-11 cm2/s 내지 5.0×10-9 cm2/s의 리튬 이온 확산 계수를 가지는 음극 활물질을 포함하며,
상기 제 2 음극 활물질층은 SOC 50%에서 5.0×10-9 cm2/s 내지 5.0×10-7 cm2/s의 리튬 이온 확산 계수를 가지는 음극 활물질을 포함하며,
상기 제 2 음극 활물질층의 공극률은 제 1 음극 활물질층의 공극률에 비해 작은 값을 가지는, 리튬 이차전지용 음극.
negative electrode current collector; a first anode active material layer formed on the anode current collector; and a second anode active material layer formed on the first anode active material layer,
The first anode active material layer includes an anode active material having a lithium ion diffusion coefficient of 5.0×10 -11 cm 2 /s to 5.0×10 -9 cm 2 /s at 50% SOC,
The second anode active material layer includes an anode active material having a lithium ion diffusion coefficient of 5.0×10 -9 cm 2 /s to 5.0×10 -7 cm 2 /s at 50% SOC,
The porosity of the second anode active material layer has a small value compared to the porosity of the first anode active material layer, a negative electrode for a lithium secondary battery.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 음극 활물질층은 25% 내지 35%의 공극률을 가지는, 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The first anode active material layer has a porosity of 25% to 35%, a negative electrode for a lithium secondary battery.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 음극 활물질층은 제 1 음극 활물질층에 비해 낮은 결정도를 가지는 음극 활물질을 포함하는, 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The second anode active material layer includes an anode active material having a lower crystallinity than that of the first anode active material layer, a negative electrode for a lithium secondary battery.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 음극 활물질층의 두께는 제 1 음극 활물질층의 두께를 기준으로 5% 내지 30%인, 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The thickness of the second anode active material layer is 5% to 30% based on the thickness of the first anode active material layer, a negative electrode for a lithium secondary battery.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 음극 활물질층 상에 형성되어 있는 리튬 메탈층을 추가로 포함하는, 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
A negative electrode for a lithium secondary battery further comprising a lithium metal layer formed on the second negative electrode active material layer.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 음극 활물질층 상에 형성되어 있는 제 3 음극 활물질층을 추가로 포함하고, 상기 제 3 음극 활물질층은 SOC 50%에서 5.0×10-7 cm2/s 내지 5.0×10-6 cm2/s의 리튬 이온 확산 계수를 가지는 음극 활물질을 포함하는, 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
Further comprising a third anode active material layer formed on the second anode active material layer, wherein the third anode active material layer is 5.0×10 -7 cm 2 /s to 5.0×10 -6 cm 2 at 50% SOC A negative electrode for a lithium secondary battery comprising a negative active material having a lithium ion diffusion coefficient of /s.
제 6 항에 있어서,
상기 제 3 음극 활물질층이 포함하는 음극 활물질은 SOC 50%에서의 리튬 이온 확산 계수가 상기 제 2 음극 활물질층이 포함하는 음극 활물질에 비해 큰 값을 가지는, 리튬 이차전지용 음극.
7. The method of claim 6,
The negative electrode active material included in the third negative electrode active material layer has a lithium ion diffusion coefficient at 50% SOC having a larger value than that of the negative electrode active material included in the second negative electrode active material layer, a negative electrode for a lithium secondary battery.
제 6 항에 있어서,
상기 제 3 음극 활물질층은 20% 내지 30%의 공극률 범위 내에서 상기 제 2 음극 활물질층에 비해 작은 공극률을 가지는, 리튬 이차전지용 음극.
7. The method of claim 6,
The third anode active material layer has a porosity smaller than that of the second anode active material layer within a porosity range of 20% to 30%, a negative electrode for a lithium secondary battery.
제 6 항에 있어서,
상기 제 3 음극 활물질층은 제 2 음극 활물질층에 비해 낮은 결정도를 가지는 음극 활물질을 포함하는, 리튬 이차전지용 음극.
7. The method of claim 6,
The third anode active material layer includes an anode active material having a lower crystallinity than that of the second anode active material layer, a negative electrode for a lithium secondary battery.
제 6 항에 있어서,
상기 제 2 음극 활물질층 및 제 3 음극 활물질층의 두께의 합은 제 1 음극 활물질층의 두께를 기준으로 5% 내지 30%인, 리튬 이차전지용 음극.
7. The method of claim 6,
The sum of the thickness of the second anode active material layer and the third anode active material layer is 5% to 30% based on the thickness of the first anode active material layer, a negative electrode for a lithium secondary battery.
제 6 항에 있어서,
상기 제 3 음극 활물질층 상에 형성되어 있는 리튬 메탈층을 추가로 포함하는, 리튬 이차전지용 음극.
7. The method of claim 6,
A negative electrode for a lithium secondary battery further comprising a lithium metal layer formed on the third negative electrode active material layer.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 음극 활물질층은 음극 활물질로서 고결정성 탄소, Si, 실리콘 산화물 입자(SiOx, 0<x≤2), Si-금속합금, 및 Si와 실리콘 산화물 입자(SiOx, 0<x≤2)의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The first anode active material layer is an anode active material with high crystalline carbon, Si, silicon oxide particles (SiO x , 0<x≤2), Si-metal alloy, and Si and silicon oxide particles (SiO x , 0<x≤2) ) A negative electrode for a lithium secondary battery comprising at least one selected from the group consisting of an alloy.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 음극 활물질층은 탭밀도 0.7 g/cc 내지 1.2 g/cc이고, 층간 거리가 0.3354 nm 내지 0.3370 nm 범위인 흑연계 활물질을 포함하는, 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The first anode active material layer has a tap density of 0.7 g/cc to 1.2 g/cc and an interlayer distance of 0.3354 nm to 0.3370 nm, comprising a graphite-based active material.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 음극 활물질층은 음극 활물질로서 저결정성 탄소 및 비결정성 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The second anode active material layer comprises at least one selected from the group consisting of low-crystalline carbon and amorphous carbon as an anode active material, a negative electrode for a lithium secondary battery.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 음극 활물질층은 탭밀도 1.2 g/cc 내지 1.4 g/cc이고, 층간 거리가 0.3370 nm 내지 0.3600 nm 범위인 흑연계 활물질을 포함하는, 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The second anode active material layer has a tap density of 1.2 g/cc to 1.4 g/cc, and an interlayer distance comprising a graphite-based active material having a range of 0.3370 nm to 0.3600 nm, a negative electrode for a lithium secondary battery.
제 1 항에 있어서,
상기 리튬 이차전지용 음극은 전리튬화(pre-lithiation)에 의해 확산된 리튬 이온을 포함하는, 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The negative electrode for a lithium secondary battery comprises lithium ions diffused by pre-lithiation, a negative electrode for a lithium secondary battery.
제 1 항에 따른 리튬 이차전지용 음극을 포함하는 리튬 이차전지.A lithium secondary battery comprising the negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1. 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 음극 활물질층은 20% 내지 30%의 공극률을 가지는, 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The second anode active material layer has a porosity of 20% to 30%, a negative electrode for a lithium secondary battery.
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