KR102391534B1 - 음극, 및 상기 음극을 포함하는 리튬 이차 전지 - Google Patents

음극, 및 상기 음극을 포함하는 리튬 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 집전체 및 상기 집전체 상에 배치된 음극 활물질층을 포함하며, 상기 음극 활물질층은, SiOx(0≤x<2)입자를 포함하는 음극 활물질; 도전재; 및 바인더;를 포함하고, 상기 음극 활물질층은, 상기 집전체에 접하는 하부층; 상기 하부층 상에 위치한 상부층; 및 상기 하부층과 상기 상부층 사이에 위치한 중간층;을 포함하며, 상기 상부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량은 상기 중간층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량보다 크며, 상기 하부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량은 상기 중간층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량보다 작은, 음극 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공한다.

Description

음극, 및 상기 음극을 포함하는 리튬 이차 전지{NEGATIVE ELECTRODE, AND LITHIUM SECONDARTY BATTERY COMPRISING THE NEGATIVE ELECTRODE}
본 발명은 음극, 및 상기 음극을 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이며, 상기 음극은 집전체 및 상기 집전체 상에 배치된 음극 활물질층을 포함하며, 상기 음극 활물질층은, SiOx(0≤x<2)입자를 포함하는 음극 활물질; 도전재; 및 바인더;를 포함하고, 상기 음극 활물질층은, 상기 집전체에 접하는 하부층; 상기 하부층 상에 위치한 상부층; 및 상기 하부층과 상기 상부층 사이에 위치한 중간층;을 포함하며, 상기 상부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량은 상기 중간층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량보다 크며, 상기 하부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량은 상기 중간층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량보다 작다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학 반응을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차 전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다. 최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차 전지 중 높은 에너지 밀도, 즉 고용량의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
일반적으로 이차 전지는 양극, 음극, 전해질, 및 분리막으로 구성된다. 이 중, 상기 음극은 음극 집전체 및 음극 활물질을 포함하며 상기 음극 집전체 상에 배치된 음극 활물질층을 포함할 수 있다.
한편, 상기 음극의 에너지 밀도를 높이기 위해, 실리콘 등의 다양한 음극 활물질을 사용하고 있다. 다만, 실리콘은 충방전 시 부피가 지나치게 팽창하여 음극 활물질 간의 전기적 단락을 야기하고, 음극 활물질의 구조 자체가 파괴된다. 나아가, 이차 전지 내 음극 방전 전위가 0.5V 이상으로 높아지는 경우, 리튬이 삽입된 음극 내에서 상기 실리콘은 Li12Si7과 Si의 두가지 상으로 분리된 구조(상분리)로 변하게 된다. 이에 따라, 상기 두가지 상의 계면에서 스트레스가 지나치게 발생하여, 음극 활물질의 분쇄(pulverization)가 발생하게 되고, 이는 전지의 수명 퇴화로 이어진다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 실리콘을 포함하는 음극의 방전 용량을 모두 사용하지 않고, 0.5V 미만의 방전 전위에서의 용량만을 사용하여 상기 문제를 피하는 방법이 사용되고 있다. 다만, 상기 기술은 낮은 충전 속도에서는 적용될 지 모르나, 높은 충전 속도에서 음극의 방전 전위는 0.5V 보다 높아질 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 기술을 사용하면 음극 전체적으로는 0.5V 미만의 평균 방전 전위가 만족되도록 제어될 수 있으나, 전기화학적 반응이 빠른 '음극 표면에 가까운 영역(분리막에 인접한 영역)'에서는 음극 방전 전위가 0.5V 이상일 수 있고, 상기 음극 중 '집전체에 인접한 영역'의 음극 방전 전위는 0.5V 이하일 수 있다. 이에 따라, 음극의 표면에 가까운 영역에서 실리콘의 상분리가 급격하게 발생하여, 전지 수명이 퇴화할 수 있다.
따라서, 음극의 표면에 가까운 영역에 0.5V 이상의 음극 방전 전위가 발생하더라도, 전지의 수명 퇴화를 억제할 수 있는 기술이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 음극의 표면에 가까운 영역에 0.5V 이상의 음극 방전 전위가 발생하더라도, 전지의 수명 퇴화를 억제할 수 있는 음극을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 집전체 및 상기 집전체 상에 배치된 음극 활물질층을 포함하며,
상기 음극 활물질층은, SiOx(0≤x<2)입자를 포함하는 음극 활물질; 도전재; 및 바인더;를 포함하고, 상기 음극 활물질층은, 상기 집전체에 접하는 하부층; 상기 하부층 상에 위치한 상부층; 및 상기 하부층과 상기 상부층 사이에 위치한 중간층;을 포함하며, 상기 상부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량은 상기 중간층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량보다 크며, 상기 하부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량은 상기 중간층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량보다 작은, 음극이 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 음극; 양극; 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막; 및 전해질을 포함하는 이차 전지가 제공된다.
본 발명에 따른 음극은 음극 하부층, 중간층, 상부층을 포함하는 음극 활물질층을 포함한다. 상기 상부층의 음극 활물질의 함량이 상대적으로 적으므로, 상기 상부층에 0.5V 이상의 음극 방전 전위가 발생하더라도 상분리가 나타나는 상기 SiOx(0≤x<2)입자의 양이 많지 않다. 나아가, 전해액과 1차적으로 반응하는 상부층의 음극 활물질의 함량이 상대적으로 작기 때문에, 부피 팽창 정도가 줄어들 수 있다. 따라서, 상기 상부층에 의해 전지의 수명 퇴화가 억제될 수 있다. 또한, 상기 하부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량이 상대적으로 작으므로, 상기 하부층은 음극 활물질을 상대적으로 많은 함량으로 포함할 수 있다. 상기 하부층은 상기 집전체와 접하며 상기 음극 표면으로부터 가장 멀리 위치한 영역이므로, 음극 방전 전위가 0.5V 미만일 수 있다. 따라서, 상기 하부층에 높은 함량으로 포함된 SiOx(0≤x<2)입자의 상분리 발생을 방지할 수 있어서, 전지의 용량 및 수명 특성이 개선될 수 있다.
도 1은 실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 음극 각각을 이용한 이차 전지의 사이클 당 용량을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 평균 입경(D50)은 입자의 입경 분포 곡선에 있어서, 체적 누적량의 50%에 해당하는 입경으로 정의할 수 있다. 상기 평균 입경(D50)은 예를 들어, 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 상기 레이저 회절법은 일반적으로 서브미크론(submicron) 영역에서부터 수 mm 정도의 입경의 측정이 가능하며, 고 재현성 및 고 분해성의 결과를 얻을 수 있다.
<음극>
본 발명의 일 실시예에 따른 음극은, 집전체 및 상기 집전체 상에 배치된 음극 활물질층을 포함하며, 상기 음극 활물질층은, SiOx(0≤x<2)입자를 포함하는 음극 활물질; 도전재; 및 바인더;를 포함하고, 상기 음극 활물질층은, 상기 집전체에 접하는 하부층; 상기 하부층 상에 위치한 상부층; 및 상기 하부층과 상기 상부층 사이에 위치한 중간층;을 포함하며, 상기 상부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량은 상기 중간층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량보다 크며, 상기 하부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량은 상기 중간층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량보다 작다.
상기 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 되고, 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 집전체로는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 구체적으로는, 구리, 니켈과 같은 탄소를 잘 흡착하는 전이 금속을 집전체로 사용할 수 있다. 상기 집전체의 두께는 6㎛ 내지 20㎛일 수 있으나, 상기 집전체의 두께가 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 음극 활물질층은 상기 집전체 상에 배치될 수 있다. 상기 음극 활물질층은 상기 집전체의 일면 또는 양면을 덮을 수 있다.
상기 음극 활물질층은 음극 활물질, 도전재, 및 바인더를 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질은 SiOx(0≤x<2)입자를 포함할 수 있다. 상기 SiOx(0≤x<2)입자는 에너지 밀도가 높으므로, 음극 활물질에 포함될 시 전지의 용량을 개선시킬 수 있다.
상기 SiOx(0≤x<2)는 Si 및/또는 SiO2가 포함된 형태일 수 있다. 즉, 상기 x는 상기 SiOx(0≤x<2) 내에 포함된 Si에 대한 O의 개수비에 해당한다. 상기 코어가 SiOx(0≤x<2)를 포함하는 경우, 이차 전지의 방전 용량이 개선될 수 있다. 더욱 구체적으로 상기 SiOx는 Si 또는 SiO일 수 있다. 바람직하게 상기 SiOx는 Si이며, 상기 Si는 비정질 또는 결정질일 수 있다.
상기 SiOx(0≤x<2)입자의 평균 입경(D50)은 0.05㎛ 내지 100㎛일 수 있으며, 구체적으로 0.1㎛ 내지 20㎛일 수 있고, 보다 구체적으로 0.5㎛ 내지 10㎛일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 전지의 반복적인 충방전에 의한 상기 SiOx(0≤x<2)입자의 퇴화를 억제할 수 있다.
상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 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 있으며, 상술한 물질들 중 어느 하나 또는 2이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리 아크릴산 (poly acrylic acid), 폴리아크릴아미드(poly acrylamide), 폴리이미드(polyimide) 및 이들의 수소를 Li, Na 또는 Ca 등으로 치환된 물질로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 또한 이들의 다양한 공중합체를 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질층은 하부층, 중간층, 및 상부층을 포함할 수 있다. 상기 하부층, 상기 중간층, 및 상기 상부층은 모두 각각 상기 SiOx(0≤x<2)입자, 상기 도전재, 및 상기 바인더를 포함한다.
상기 음극 활물질층 내에서, 상기 도전재 및 상기 바인더의 중량비는 1:1.18 내지 1:4일 수 있고, 구체적으로 1:1.18 내지 1:3일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 도전성 경로(path)가 유지되면서 음극 활물질, 도전재의 결합력이 유지될 수 있어서, 용량 유지율이 더욱 개선될 수 있다. 상기 중량비는 상기 상부층, 상기 중간층, 상기 하부층에서 모두 만족될 수 있다.
상기 하부층은 상기 집전체 상에 배치되며, 구체적으로 상기 집전체에 접할 수 있다. 상기 상부층은 상기 하부층 상에 위치할 수 있다. 상기 상부층은 음극 활물질층의 표면을 포함한다. 상기 중간층은 상기 하부층과 상기 상부층 사이에 위치할 수 있다. 즉, 상기 하부층 상에 상기 중간층이 위치할 수 있고, 상기 중간층 상에 상기 상부층이 위치할 수 있다.
다시 말해, 상기 집전체로부터 상기 음극 활물질층의 표면을 향하는 방향으로, 상기 하부층, 상기 중간층, 및 상기 상부층이 순차적으로 적층될 수 있다.
상기 상부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량은 상기 중간층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량보다 클 수 있다.
음극 활물질층에 포함된 SiOx(0≤x<2)입자는 충방전 시 전해액 함침에 따라 부피가 지나치게 팽창하는 문제가 있다. 또한, 이차 전지 내 음극 방전 전위가 0.5V 이상으로 높아지는 경우, 리튬이 삽입된 음극 내에서 상기 SiOx(0≤x<2)입자는 Li12Si7과 Si의 두 가지 상으로 분리된 구조(상분리)로 변하게 된다. 이에 따라, 상기 두가지 상의 계면에서 스트레스가 지나치게 발생하여, 음극 활물질의 분쇄(pulverization)가 발생하게 되고, 이는 전지의 수명 퇴화로 이어진다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 상기 SiOx(0≤x<2)입자를 포함하는 음극의 방전 용량을 모두 사용하지 않고, 0.5V 미만의 방전 전위에서의 용량만을 사용하여 상기 문제를 피하는 방법이 사용되고 있다. 다만, 상기 기술은 낮은 충전 속도에서는 적용될 지 모르나, 높은 충전 속도에서 음극의 방전 전위는 0.5V 보다 높아질 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 기술을 사용하면 음극 전체적으로는 0.5V의 평균 방전 전위가 되도록 제어될 수 있으나, 전기 화학적 반응이 빠른 음극 표면에 가까운 영역(분리막에 인접한 영역)에서는 음극 방전 전위가 0.5V 이상일 수 있고, 상기 음극 중 집전체에 인접한 영역의 음극 방전 전위는 0.5V 이하일 수 있다. 이에 따라, 음극의 표면에 가까운 영역에서 SiOx(0≤x<2)입자의 상분리가 급격하게 발생하여, 전지 수명이 퇴화할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 상기 상부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량은 상기 중간층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량보다 클 수 있다. 이에 따라, 충방전 시 SiOx(0≤x<2)입자의 부피 팽창이 발생하더라도 상대적으로 큰 상기 도전재 및 상기 바인더 함량에 기하여 상기 SiOx(0≤x<2)입자에 응력이 크게 가해질 수 있으므로, 상기 부피 팽창이 억제될 수 있다.
또한, 상기 상부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량이 큰 경우, 상대적으로 상기 상부층의 음극 활물질의 함량이 줄어들게 된다. 이에 따라, 상기 상부층에 0.5V 이상의 음극 방전 전위가 발생하더라도 상분리가 나타나는 상기 SiOx(0≤x<2)입자의 양이 많지 않다. 나아가, 전해액과 1차적으로 반응하는 상부층의 음극 활물질의 함량이 상대적으로 작기 때문에, 부피 팽창 정도가 줄어들 수 있다. 따라서, 상기 상부층에 의해 전지의 수명 퇴화가 억제될 수 있다.
상기 상부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량은 상기 중간층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량의 1.1배 내지 3배일 수 있으며, 구체적으로 1.1배 내지 2배일 수 있으며, 보다 구체적으로 1.1배 내지 1.3배일 수 있으며, 바람직하게는 1.2배 내지 1.3배일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상술한 전지의 수명 퇴화 억제 효과가 더욱 개선될 수 있다.
상기 하부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량은 상기 중간층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량보다 작다.
상기 하부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량이 상대적으로 작으므로, 상기 하부층은 음극 활물질을 상대적으로 많은 함량으로 포함할 수 있다. 상기 하부층은 상기 집전체와 접하며 상기 음극 표면으로부터 가장 멀리 위치한 영역이므로, 음극 방전 전위가 0.5V 미만일 수 있다. 따라서, 상기 하부층에 높은 함량으로 포함된 SiOx(0≤x<2)입자의 상분리 발생을 방지할 수 있어서, 전지의 용량 및 수명 특성이 개선될 수 있다.
상기 하부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량은 상기 중간층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량의 0.1배 내지 0.9배일 수 있으며, 구체적으로 0.7배 내지 0.9배일 수 있으며, 보다 구체적으로 0.7배 내지 0.8배일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상술한 전지의 용량 및 수명 효과가 더욱 개선될 수 있다.
상기 상부층의 두께, 상기 중간층의 두께, 및 상기 하부층의 두께의 비는 1 내지 5 : 2 내지 8 : 1 내지 4일 수 있으며, 보다 구체적으로 3 내지 4 : 2 내지 4 : 3 내지 4일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 음극의 저항 증가를 최소화하며, 전지의 용량 및 수명 효과를 개선시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 음극, 양극, 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막, 및 전해질을 포함할 수 있으며, 상기 음극은 상술한 음극과 동일하다. 상기 음극에 대해서는 상술하였으므로, 구체적인 설명은 생략한다.
상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 형성되며, 상기 양극활물질을 포함하는 양극활물질층을 포함할 수 있다.
상기 양극에 있어서, 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 양극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 통상적으로 사용되는 양극 활물질일 수 있다. 구체적으로, 상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; LiFe3O4 등의 리튬 철 산화물; 화학식 Li1+c1Mn2-c1O4 (0≤c1≤0.33), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-c2Mc2O2 (여기서, M은 Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 및 Ga으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤c2≤0.3를 만족한다)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-c3Mc3O2 (여기서, M은 Co, Ni, Fe, Cr, Zn 및 Ta 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤c3≤0.1를 만족한다) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M은 Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이다.)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 상기 양극은 Li-metal일 수도 있다.
상기 양극활물질층은 앞서 설명한 양극 활물질과 함께, 양극 도전재 및 양극 바인더를 포함할 수 있다.
이때, 상기 양극 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
또, 상기 양극 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 양극 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
분리막으로는 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 이차 전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
상기 전해질은 전해질로는 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 전해질은 비수계 유기용매와 금속염을 포함할 수 있다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
특히, 상기 카보네이트계 유기 용매 중 고리형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기 용매로서 유전율이 높아 리튬염을 잘 해리시키므로 바람직하게 사용될 수 있으며, 이러한 고리형 카보네이트에 디메틸카보네이트 및 디에틸카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 높은 전기 전도율을 갖는 전해질을 만들 수 있어 더욱 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 금속염은 리튬염을 사용할 수 있고, 상기 리튬염은 상기 비수 전해액에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, 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 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 이차 전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공한다. 상기 전지 모듈 및 전지 팩은 고용량, 높은 율속 특성 및 사이틀 특성을 갖는 상기 이차 전지를 포함하므로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템으로 이루어진 군에서 선택되는 중대형 디바이스의 전원으로 이용될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 상기 실시예는 본 기재를 예시하는 것일 뿐 본 기재의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
실시예 및 비교예
실시예 1: 음극의 제조
(1) 음극의 제조
평균 입경(D50)이 5㎛인 Si입자를 음극 활물질로, 인조흑연 계열의 흑연계 도전재를 도전재로, 중량평균분자량이 1,200,000g/mol인 폴리이미드를 바인더로 사용하였다.
1) 하부층의 형성
상기 음극 활물질, 도전재, 및 바인더를 77.5:7.5:15의 중량비로 혼합하여 혼합물 10g을 제조하였다. 상기 혼합물에 용매인 탈이온수를 3g 첨가한 뒤 교반하여 제1 음극 슬러리를 제조하였다.
상기 제1 음극 슬러리를 두께가 20㎛인 음극 집전체인 구리(Cu) 금속 박막에 도포, 건조하였다. 이때 순환되는 공기의 온도는 60℃였다. 이를 통해, 상기 음극 집전체 상에 두께 8㎛의 하부층을 형성하였다.
2) 중간층의 형성
상기 음극 활물질, 도전재, 및 바인더를 70:20:10의 중량비로 혼합하여 혼합물 10g을 제조하였다. 상기 혼합물에 용매인 탈이온수를 3g 첨가한 뒤 교반하여 제2 음극 슬러리를 제조하였다.
상기 제2 음극 슬러리를 상기 하부층 상에 도포, 건조하였다. 이때 순환되는 공기의 온도는 60℃였다. 이를 통해, 상기 하부층 상에 두께 8㎛의 중간층을 형성하였다.
3) 상부층의 형성
상기 음극 활물질, 도전재, 및 바인더를 62.5:12.5:25의 중량비로 혼합하여 혼합물 10g을 제조하였다. 상기 혼합물에 용매인 탈이온수를 3g 첨가한 뒤 교반하여 제3 음극 슬러리를 제조하였다.
상기 제3 음극 슬러리를 상기 중간층 상에 도포, 건조하였다. 이때 순환되는 공기의 온도는 60℃였다. 이를 통해, 상기 중간층 상에 두께 8㎛의 상부층을 형성하였다.
4) 음극의 형성
상기 하부층, 상기 중간층, 상기 상부층이 순차적으로 배치된 상기 집전체를 130℃의 진공 오븐에서 12시간 동안 건조한 뒤, 1.4875cm2의 원형으로 타발하여 음극을 제조하였다.
실시예 2 내지 4 및 비교예 1: 음극의 제조
상부층, 중간층, 하부층 각각에서, 음극 활물질, 도전재, 바인더 중량비를 하기 표 1에 나타난 것처럼 조절한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극을 제조하였다.
상부층 내 중량비
(A:B:C)
 중간층 내 중량비
(A:B:C)		 하부층 내 중량비
(A:B:C)		 x/y z/y
실시예 1 62.5:12.5:25 70:10:20 77.5:7.5:15 1.25 0.75
실시예 2 55:15:30 70:10:20 85:5:10 1.5 0.50
실시예 3 67:11:22 70:10:20 73:9:18 1.1 0.90
실시예 4 62.5:17.5:20 70:10:20 77.5:2.5:20 1.25 0.75
비교예 1 70:10:20 70:10:20 70:10:20 1 1
상기 표 1에서 A는 음극 활물질, B는 도전재, C는 바인더이며, x/y, z/y는 다음과 같다.x/y = 상부층의 도전재 및 바인더 총 함량 / 중간층의 도전재 및 바인더 총 함량
z/y = 하부층의 도전재 및 바인더 총 함량 / 중간층의 도전재 및 바인더 총 함량
실험예 1: 이차 전지의 사이클 특성 평가
실시예 1 내지 4 및 비교예 1, 2의 음극을 사용한 이차 전지에 대해 다음과 사이클 특성을 평가한 뒤, 도 1에 나타내었다.
양극 활물질로 Li[Ni0.6Mn0.2Co0.2]O2를 사용하였다. 상기 양극 활물질, 도전재인 카본 블랙, 바인더인 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 94:4:2 중량비로 용매 N-메틸-2 피롤리돈에 혼합하여 양극 슬러리를 제조하였다.
제조된 양극 슬러리를 두께가 15㎛인 양극 집전체인 알루미늄 금속 박막에 도포 및 건조하였다. 이 때, 순환되는 공기의 온도는 110℃였다. 이어서, 압연하고 130℃의 진공 오븐에서 2시간 동안 건조하여 양극 활물질층을 형성하였다.
실시예 1 내지 4 및 비교예 1, 2의 음극 각각과 상기 제조된 양극과 다공성 폴리에틸렌 분리막을 스태킹(Stacking)방식을 이용하여 조립하였으며, 조립된 전지에 전해액 (에틸렌카보네이트(EC)/에틸메틸카보네이트(EMC)=1/2 (부피비), 리튬 헥사 플로로 포스페이트 (LiPF6 1몰)을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
각각의 리튬 이차 전지에 대하여, 다음과 같은 조건으로 충방전을 수행하였다.
충전 조건: 4.2V까지 0.5C 정전류 충전, 이 후 0.1C 전류속도가 흐를 때까지 4.2V로 충전
방전 조건: 3.4V까지 0.5C 전류속도로 방전

Claims (7)

  1. 집전체 및 상기 집전체 상에 배치된 음극 활물질층을 포함하며,
    상기 음극 활물질층은, SiOx(0≤x<2)입자를 포함하는 음극 활물질; 도전재; 및 바인더;를 포함하고,
    상기 음극 활물질층은, 상기 집전체에 접하는 하부층; 상기 하부층 상에 위치한 상부층; 및 상기 하부층과 상기 상부층 사이에 위치한 중간층;을 포함하며,
    상기 상부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량은 상기 중간층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량보다 크며,
    상기 하부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량은 상기 중간층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량보다 작으며,
    상기 상부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량은 상기 중간층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량의 1.1배 내지 3배이고,
    상기 하부층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량은 상기 중간층의 상기 도전재 및 상기 바인더 총 함량의 0.7배 내지 0.9배이며,
    상기 상부층의 두께, 상기 중간층의 두께, 및 상기 하부층의 두께의 비는 1 내지 5 : 2 내지 8 : 1 내지 4이며,
    상기 상부층, 상기 중간층, 및 상기 하부층 각각에 있어서, 상기 도전재 및 상기 바인더의 중량비는 1:1.18 내지 1:4인 음극.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 SiOx(0≤x<2)입자의 평균 입경(D50)은 0.05㎛ 내지 100㎛인, 음극.
  7. 청구항 1 및 청구항 6 중 어느 하나의 음극;
    양극;
    상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막; 및
    전해질을 포함하는 이차 전지.
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