KR102488679B1 - Aqueous binder for a lithium-ion secondary battery, anode comprising the same, lithium-ion secondary battery comprising the anode, and method for polymerizing copolymer comprised in the binder - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체를 포함하는 바인더, 그를 포함하는 리튬이온 이차전지용 음극, 및 상기 음극을 포함하는 리튬이온 이차전지를 제공한다. 또한, 본 발명은 하기 공중합체의 중합방법을 제공한다:
[화학식 1]
상기 식에서 a, b 및 c는 각 단량체의 몰비를 나타내며, a는 0.1~1.5, b는 1~8, c는 1~4이며,
상기 R은 수소 또는 1가의 양이온이다. The present invention provides a binder including a copolymer represented by Formula 1 below, a negative electrode for a lithium ion secondary battery including the same, and a lithium ion secondary battery including the negative electrode. In addition, the present invention provides a polymerization method of the following copolymer:
[Formula 1]
In the above formula, a, b and c represent the molar ratio of each monomer, a is 0.1 to 1.5, b is 1 to 8, c is 1 to 4,
R is hydrogen or a monovalent cation.
Description
본 발명은 수명특성이 개선된 리튬이온 이차전지용 수계 바인더, 그를 포함하는 리튬이온 이차전지용 음극, 상기 음극을 포함하는 리튬이온 이차전지, 및 상기 바인더에 포함되는 공중합체의 중합방법에 관한 것이다. The present invention relates to an aqueous binder for a lithium ion secondary battery having improved lifespan characteristics, a negative electrode for a lithium ion secondary battery including the same, a lithium ion secondary battery including the negative electrode, and a polymerization method of a copolymer included in the binder.
근래 들어 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다.In recent years, interest in energy storage technology has been increasing. Efforts in the research and development of electrochemical devices are becoming more and more specific as the fields of application are expanded to mobile phones, camcorders, notebook PCs, and even the energy of electric vehicles.
전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다. 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발이 진행되고 있다.The electrochemical device is the field that has received the most attention in this respect, and among them, the development of a secondary battery capable of charging and discharging has become a focus of interest. Recently, research and development on the design of new electrodes and batteries are being conducted in order to improve capacity density and specific energy in developing such batteries.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 리튬이온 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다.Among the secondary batteries currently applied, lithium ion secondary batteries are in the limelight due to their high operating voltage and significantly higher energy density than conventional batteries such as Ni-MH, Ni-Cd, and sulfuric acid-lead batteries that use aqueous electrolytes. .
이러한 전기화학소자는 일반적으로 캐소드, 애노드, 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함한다. 이때 상기 캐소드 및 상기 애노드는 일반적으로 전극 활물질, 고분자 바인더 및 상기 전극 활물질을 분산시키고 고분자 바인더를 용해시키는 용매를 포함하는 전극 활물질 슬러리를 집전체의 표면에 도포하여 전극 활물질층을 형성하는 방법에 의해 제조된다. Such an electrochemical device generally includes a cathode, an anode, and a separator interposed between the cathode and the anode. At this time, the cathode and the anode are generally coated with an electrode active material slurry containing an electrode active material, a polymer binder, and a solvent for dispersing the electrode active material and dissolving the polymer binder on the surface of the current collector to form an electrode active material layer. are manufactured
한편, 상기 전극 활물질 중에서도 애노드 활물질은 리튬의 흡장 및 방출에 따라 부피 팽창이 발생한다. 특히, 상기 애노드 활물질로서 규소 산화물계(SiOx) 활물질을 사용하는 경우 부피 팽창이 더욱 심화될 수 있다.On the other hand, among the electrode active materials, the volume expansion of the anode active material occurs according to the insertion and release of lithium. In particular, when a silicon oxide-based (SiOx) active material is used as the anode active material, volume expansion may be further intensified.
구제척으로, 차세대 음극재로서 Si가 오래전부터 고려되어 왔으나 충/방전시 Li 이온의 alloying / dealloying 에 의한 극심한 부피팽창은(~300%) 전극 퇴화를 촉진하여 Si 재료의 상용화에 최대의 걸림돌이 되고 있다. 이러한 부피 변화는 내부적으로 Si 활물질의 파쇄를 초래하여 새로운 계면을 노출시키고 노출된 계면은 전해액과의 부반응에 의한 새로운 SEI를 형성함으로써 지속적인 Li 이온 및 전해액 소모를 유발하는 문제를 야기한다. 또한, 파쇄된 Si 조각들은 원래의 도전구조로부터 이탈하여 충/방전에 참여할 수 없게 되고 수명 퇴화가 일어나는 원인으로 작용한다.As a remedy, Si has been considered as a next-generation anode material for a long time, but extreme volume expansion (~300%) due to alloying/dealloying of Li ions during charging/discharging promotes electrode degradation, which is the biggest obstacle to commercialization of Si materials. It is becoming. This volume change causes the Si active material to be crushed internally, exposing a new interface, and the exposed interface forms a new SEI by a side reaction with the electrolyte, causing a problem of continuous Li ion and electrolyte consumption. In addition, the crushed Si pieces are detached from the original conductive structure so that they cannot participate in charge/discharge and act as a cause of life degradation.
한편, 바인더는 전극의 일체성 및 활물질의 도전구조 유지에 매우 중요한 부재료로서 상기와 같은 부피팽창의 문제를 해결할 수 있는 구성요소로 인식되고 있다. On the other hand, the binder is a very important sub-material for maintaining the integrity of the electrode and the conductive structure of the active material, and is recognized as a component that can solve the problem of volume expansion.
그러나, 종래에 개발된 다양한 바인더들(SBR, CMC, PAA, PAA/CMC, Na-PAA, crosslinked PAA, Alginate, PVA 등)은 접착력이 부족하거나 전극이 너무 brittle 하여 내구성이 부족하여 상기와 같은 부피팽창 문제의 해결을 기대하기는 어려운 실정이다. However, conventionally developed various binders (SBR, CMC, PAA, PAA/CMC, Na-PAA, crosslinked PAA, Alginate, PVA, etc.) lack adhesion or too brittle electrodes and lack durability, resulting in It is difficult to expect a solution to the expansion problem.
본 발명은, 종래기술의 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, The present invention has been made to solve the above problems of the prior art,
친수성 유닛 및 소수성 유닛을 모두 포함함으로써 전극 구성물질들에 대한 접착력이 우수하며, Si등 활물질들의 부피변화에 의한 전극의 크랙발생을 효과적으로 억제하며, 전지의 충방전 특성, 및 수명특성을 향상시킬 수 있는 바인더를 제공하는 것을 목적으로 한다.By including both a hydrophilic unit and a hydrophobic unit, adhesion to electrode constituent materials is excellent, cracking of the electrode due to volume change of active materials such as Si is effectively suppressed, and charge/discharge characteristics and lifespan characteristics of the battery can be improved. It is an object of the present invention to provide a binder having
또한, 본 발명은 상기 바인더를 포함함으로써 내구성이 크게 향상되며, 전지의 충방전 특성, 및 수명특성을 향상시킬 수 있는 리튬이온 이차전지용 음극을 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a negative electrode for a lithium ion secondary battery in which durability is greatly improved by including the binder, and charge/discharge characteristics and lifespan characteristics of the battery can be improved.
또한, 본 발명은 상기 음극를 포함함으로써, 내구성, 충방전 특성, 및 수명특성이 크게 개선되는 리튬이온 이차전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a lithium ion secondary battery having significantly improved durability, charge/discharge characteristics, and lifespan characteristics by including the negative electrode.
또한, 본 발명은 상기 바인더에 포함되는 공중합체의 효과적인 중합방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide an effective polymerization method of the copolymer included in the binder.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, In order to achieve the above object, the present invention,
하기 화학식 1로 표시되는 공중합체를 포함하는 바인더를 제공한다:Provided is a binder comprising a copolymer represented by Formula 1 below:
[화학식 1][Formula 1]
상기 식에서 a, b 및 c는 각 단량체의 몰비를 나타내며, a는 0.1~1.5, b는 1~8, c는 1~4이며;In the above formula, a, b and c represent the molar ratio of each monomer, a is 0.1 to 1.5, b is 1 to 8, c is 1 to 4;
상기 R은 수소 또는 1가의 양이온이다. R is hydrogen or a monovalent cation.
또한, 본 발명은,In addition, the present invention,
음극활물질, 본 발명의 바인더, 및 도전재를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 음극을 제공한다.Provided is a negative electrode for a lithium ion secondary battery comprising a negative electrode active material, the binder of the present invention, and a conductive material.
또한, 본 발명은,In addition, the present invention,
양극; 상기 본 발명의 음극; 상기 양극과 음극 사이에 구비되는 세퍼레이터; 및 전해질;을 포함하는 리튬이온 이차전지를 제공한다.anode; The negative electrode of the present invention; a separator provided between the positive electrode and the negative electrode; And an electrolyte; it provides a lithium ion secondary battery comprising a.
또한, 본 발명은,In addition, the present invention,
(a) 중합 반응기에 스티렌계 단량체, 계면활성제, 중합개시제, 및 용매를 넣고, 혼합하는 단계; (a) adding a styrenic monomer, a surfactant, a polymerization initiator, and a solvent to a polymerization reactor and mixing them;
(b) 상기 (a)단계의 혼합물에 (메타)아크릴레이트계 단량체 및 이탈기로 보호된 비닐 알코올계 단량체를 넣고 반응기 입구를 밀봉하는 단계;(b) adding a (meth)acrylate-based monomer and a vinyl alcohol-based monomer protected with a leaving group to the mixture of step (a) and sealing the inlet of the reactor;
(c) 질소를 사용하여 상기 중합 반응기 내부의 산소를 제거하는 단계;(c) removing oxygen within the polymerization reactor using nitrogen;
(d) 밀봉된 상태로 50~90℃로 가열하면서 교반하는 단계;(d) stirring while heating at 50 to 90° C. in a sealed state;
(e) 계면활성제를 제거하는 단계; 및(e) removing the surfactant; and
(f) 보호기를 제거하는 단계;를 포함하는 본 발명의 바인더용 공중합체의 중합방법을 제공한다.(f) removing the protecting group; provides a polymerization method of the copolymer for the binder of the present invention, including.
본 발명의 바인더는 친수성 유닛 및 소수성 유닛을 모두 포함함으로써 전극 구성물질들에 대한 접착력이 우수하며, Si등 활물질들의 부피변화에 의한 전극의 크랙발생을 효과적으로 억제하며, 전지의 충방전 특성, 및 수명특성을 향상시키는 효과를 제공한다.The binder of the present invention includes both a hydrophilic unit and a hydrophobic unit, so it has excellent adhesion to electrode constituent materials, effectively suppresses cracking of the electrode due to volume change of active materials such as Si, and has charge/discharge characteristics and lifespan of the battery. Provides the effect of enhancing the characteristics.
또한, 본 발명의 리튬이온 이차전지용 음극은 상기 바인더를 포함함으로써 우수한 내구성, 충방전 특성, 및 수명특성을 제공한다. In addition, the negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention provides excellent durability, charge/discharge characteristics, and lifespan characteristics by including the binder.
또한, 본 발명의 리튬이온 이차전지는 상기 음극를 포함함으로써, 우수한 내구성, 충방전 특성, 및 수명특성을 제공한다. In addition, the lithium ion secondary battery of the present invention provides excellent durability, charge/discharge characteristics, and lifespan characteristics by including the negative electrode.
또한, 본 발명의 공중합체의 제조방법은 상기 바인더 공중합체의 효과적인 중합방법을 제공한다. In addition, the preparation method of the copolymer of the present invention provides an effective polymerization method of the binder copolymer.
도 1은 본 발명의 바인더에 포함되는 공중합체의 분자량(Mn)을 측정하기 위한 GPC 실시 결과를 나타낸 그래프이다(실시예 1).
도 2는 본 발명의 바인더에 포함되는 공중합체의 작용기를 확인하기 위한 FT-IR 실시 결과를 나타낸 그래프이다(실시예 1).
도 3은 본 발명의 바인더에 포함되는 공중합체의 구조를 확인하기 위한 NMR 실시 결과를 나타낸 그래프이다(실시예 1).
도 4는 본 발명의 시험예 1에서 실시된 종래의 바인더를 사용한 리튬이온 이차전지와 본 발명의 바인더를 사용한 리튬이온 이차전지의 초기성능을 나타낸 그래프이다.
도 5는 시험예 1에서 실시된 종래의 바인더를 사용한 리튬이온 이차전지와 본 발명의 바인더를 사용한 리튬이온 이차전지의 수명특성을 나타낸 그래프이다.1 is a graph showing the results of GPC for measuring the molecular weight (Mn) of a copolymer included in the binder of the present invention (Example 1).
Figure 2 is a graph showing the results of FT-IR for confirming the functional group of the copolymer included in the binder of the present invention (Example 1).
3 is a graph showing the NMR results for confirming the structure of the copolymer included in the binder of the present invention (Example 1).
4 is a graph showing the initial performance of a lithium ion secondary battery using a conventional binder and a lithium ion secondary battery using a binder of the present invention in Test Example 1 of the present invention.
5 is a graph showing life characteristics of a lithium ion secondary battery using a conventional binder and a lithium ion secondary battery using a binder of the present invention in Test Example 1.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체를 포함하는 바인더에 관한 것이다:The present invention relates to a binder comprising a copolymer represented by Formula 1 below:
[화학식 1][Formula 1]
상기 식에서 a, b 및 c는 각 단량체의 몰비를 나타내며, a는 0.1~1.5, b는 1~8, c는 1~4이며;In the above formula, a, b and c represent the molar ratio of each monomer, a is 0.1 to 1.5, b is 1 to 8, c is 1 to 4;
상기 R은 수소 또는 1가의 양이온이다. R is hydrogen or a monovalent cation.
종래기술에서 많이 사용되고 있는 SBR/CMC계 바인더는 주로 흑연기반 음극에 사용하던 수계 바인더이다. 따라서 Si 계 음극처럼 부피변화가 극심한 alloying / dealloying system 에는 적절하지 않은 물성을 갖는다. SBR/CMC-based binders, which are widely used in the prior art, are water-based binders mainly used for graphite-based negative electrodes. Therefore, it has physical properties that are not suitable for alloying / dealloying systems with extreme volume changes, such as Si-based cathodes.
따라서, Si계 음극처럼 부피변화가 극심한 alloying / dealloying system 에 적절한 바인더를 제조하기 위한 연구가 이루어지고 있다. Therefore, research is being conducted to prepare binders suitable for alloying / dealloying systems with extreme volume changes, such as Si-based anodes.
기존의 연구들은 주로 아크릴레이트, 알코올 구조를 갖는 고분자 바인더를 적용하여 Si 계 음극의 성능을 확인한 것이 주류를 이루고 있다. Existing studies have mainly confirmed the performance of Si-based anodes by applying polymeric binders having acrylate and alcohol structures.
본 발명자들은 상기와 같은 종래의 바인더를 실리콘과 흑연을 혼합하여 사용하는 혼합 음극에 적용하는 경우, 흑연 활물질과 친수성 바인더의 접착력이 낮아서 음극의 내구성 및 구동성능에 바람직하지 않은 영향을 미치므로, 혼합 음극에도 잘 적용될 수 있는 새로운 바인더가 필요한 것을 알게 되어, 관련연구를 진행하였고 그 결과로 본 발명을 완성하였다.When the present inventors apply the conventional binder as described above to a mixed negative electrode in which silicon and graphite are mixed, the adhesion between the graphite active material and the hydrophilic binder is low, which undesirably affects the durability and driving performance of the negative electrode. It was found that a new binder that could be applied well to the negative electrode was needed, and related research was conducted, and as a result, the present invention was completed.
본 발명의 바인더는 소수성 스티렌계 단량체를 PAAPVA에 도입한 것으로서, 아크릴산 또는 아크릴레이트기와 -OH 기를 갖고 있어서 수용성(water solubility)이 우수하며, Si 활물질 및 Cu 집전체와 공유결합(탈수 반응시) 또는 수소결합이 가능하고, 랜덤하게 배열되어 있는 스티렌계 작용기가 흑연 활물질과 소수성 결합 및 pi-pi interaction 결합하는 것이 가능하므로, 우수한 접착력을 갖는다. The binder of the present invention is a hydrophobic styrenic monomer introduced into PAAPVA, and has an acrylic acid or acrylate group and -OH group, so it has excellent water solubility, and has a covalent bond with the Si active material and the Cu current collector (during dehydration reaction) or Since hydrogen bonding is possible and randomly arranged styrenic functional groups are capable of hydrophobic bonding and pi-pi interaction bonding with the graphite active material, it has excellent adhesive strength.
그러므로, 상기 화학식 1로 표시되는 공중합체에 있어서, a, b 및 c의 몰비는 중요한 의미를 갖는다. Therefore, in the copolymer represented by Formula 1, the molar ratio of a, b and c has an important meaning.
즉, 상기에 기재된 바와 같이, a, b 및 c의 몰비가 0.1~1.5 : 1~8 : 1~4의 범위에 포함되는 경우에 상기에서 설명한 기능들이 균형 있게 이루어질 수 있으며, 그에 따라 우수한 접착력을 발휘할 수 있다. That is, as described above, when the molar ratio of a, b, and c is in the range of 0.1 to 1.5: 1 to 8: 1 to 4, the functions described above can be balanced, thereby providing excellent adhesive strength. can exert
상기 공중합체에서 a, b 및 c의 몰비는 0.5~1.5 : 4~8 : 1~3인 경우에 더욱 바람직하다. The molar ratio of a, b and c in the copolymer is more preferably 0.5 to 1.5: 4 to 8: 1 to 3.
상기 공중합체의 수평균분자량은 200,000 내지 15,000,000일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1,000,000 내지 12,000,000, 더 더욱 바람직하게는 5,000,000 내지 11,000,000일 수 있다. 수평균분자량이 상술한 범위 미만이 되면 접착력이 약화될 수 있으며, 상술한 범위를 초과하는 경우에는 바인더의 점도가 너무 높아져서 바람직하지 않다.The number average molecular weight of the copolymer may be 200,000 to 15,000,000, more preferably 1,000,000 to 12,000,000, and even more preferably 5,000,000 to 11,000,000. When the number average molecular weight is less than the above-mentioned range, adhesive strength may be weakened, and when it exceeds the above-mentioned range, the viscosity of the binder becomes too high, which is not preferable.
상기 공중합체는 랜덤 공중합체인 것이 바람직할 수 있다. 왜냐하면, 각 단량체들이 가능한 한 균일하게 분포되는 경우에 더 우수한 접착력을 발휘할 수 있기 때문이다. The copolymer may be preferably a random copolymer. This is because better adhesion can be exhibited when each monomer is distributed as uniformly as possible.
상기 화학식 1의 공중합체에서 상기 R이 1가의 양이온인 경우에는 집전체와의 접착력이 강화될 수 있다. 상기 1가의 양이온은 리튬 또는 나트륨 이온 등일 수 있다.In the copolymer represented by Chemical Formula 1, when R is a monovalent cation, adhesion to the current collector may be enhanced. The monovalent cation may be a lithium or sodium ion.
본 발명의 바인더에서 상기 공중합체는 바인더 총 중량에 대하여 30~100 중량%로 포함될 수 있다. 즉 상기 바인더는 공중합체와 함께 용매를 포함한 형태이거나 용매 없이 공중합체로 이루어진 것일 수도 있다. In the binder of the present invention, the copolymer may be included in an amount of 30 to 100% by weight based on the total weight of the binder. That is, the binder may be in the form of including a copolymer together with a solvent or made of a copolymer without a solvent.
상기 용매로는 상기 공중합체를 용해시킬 수 있는 것이라면 이 분야에 공지된 것이 사용될 수 있다. 상기 공지 용매의 예로는 아세톤(acetone), 테트라 하이드로퓨란(tetra hydrofuran), 메틸렌 클로라이드(methylenechloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름 아미드(dimethylform amide), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산(cyclohexane), 물 등을 들 수 있으며, 이들은 1종 단독 또는 2종 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 특히, 환경 및 바인더의 물성을 고려할 때 물이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 물로는 증류수가 사용될 수 있다. Any solvent known in the art may be used as the solvent as long as it can dissolve the copolymer. Examples of the known solvent include acetone, tetra hydrofuran, methylene chloride, chloroform, dimethylform amide, N-methyl-2-pyrrolidone (N- methyl-2-pyrrolidone, NMP), cyclohexane, water, and the like, and these may be used alone or in combination of two or more. In particular, water may be preferably used in consideration of the environment and physical properties of the binder. Distilled water may be used as the water.
본 발명의 바인더는 수계 바인더로 사용될 수 있다. The binder of the present invention may be used as a water-based binder.
상기 바인더는 리튬이온 이차전지 제조용으로 사용될 수 있다. 즉, 상기 바인더는 음극제조, 양극제조 등에 사용될 수 있으며, 특히, 음극 제조용으로 바람직하게 사용될 수 있다. The binder may be used for manufacturing a lithium ion secondary battery. That is, the binder may be used for manufacturing a negative electrode, a positive electrode, and the like, and in particular, may be preferably used for manufacturing a negative electrode.
구체적으로, 상기 바인더는 Si계 활물질을 포함하는 음극 제조용으로 바람직하게 사용될 수 있다. Specifically, the binder may be preferably used for manufacturing an anode including a Si-based active material.
또한, 본발명은 In addition, the present invention
(a) 중합 반응기에 스티렌계 단량체, 계면활성제, 중합개시제, 및 용매를 넣고, 혼합하는 단계; (a) adding a styrenic monomer, a surfactant, a polymerization initiator, and a solvent to a polymerization reactor and mixing them;
(b) 상기 (a)단계의 혼합물에 (메타)아크릴레이트계 단량체 및 이탈기로 보호된 비닐 알코올계 단량체를 넣고 반응기 입구를 밀봉하는 단계;(b) adding a (meth)acrylate-based monomer and a vinyl alcohol-based monomer protected with a leaving group to the mixture of step (a) and sealing the inlet of the reactor;
(c) 질소를 사용하여 상기 중합 반응기 내부의 산소를 제거하는 단계;(c) removing oxygen within the polymerization reactor using nitrogen;
(d) 밀봉된 상태로 50~90℃로 가열하면서 교반하는 단계;(d) stirring while heating at 50 to 90° C. in a sealed state;
(e) 계면활성제를 제거하는 단계; 및(e) removing the surfactant; and
(f) 보호기를 제거하는 단계;를 포함하는 본 발명의 바인더용 공중합체의 중합방법에 관한 것이다. (f) removing the protecting group; relates to a polymerization method of a copolymer for a binder of the present invention, including.
상기 (a)단계에서 용매로는 상기 단량체들을 용해할 수 있는 공지의 용매들이 사용될 수 있다. 상기 공지 용매의 예로는 아세톤(acetone), 테트라 하이드로퓨란(tetra hydrofuran), 메틸렌 클로라이드(methylenechloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름 아미드(dimethylform amide), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산(cyclohexane), 물 등을 들 수 있으며, 이들은 1종 단독 또는 2종 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 특히, 물이 바람직하게 사용될 수 있다. As the solvent in step (a), known solvents capable of dissolving the monomers may be used. Examples of the known solvent include acetone, tetra hydrofuran, methylene chloride, chloroform, dimethylform amide, N-methyl-2-pyrrolidone (N- methyl-2-pyrrolidone, NMP), cyclohexane, water, and the like, and these may be used alone or in combination of two or more. In particular, water may be preferably used.
상기 (a) 및 (b) 단계에서 상기 스티렌계 단량체, (메타)아크릴레이트계 단량체 및 이탈기로 보호된 비닐 알코올계 단량체는 상기에서 기술된 바와 같이 0.1~1.5 : 1~8 : 1~4의 몰비로 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.5~1.5 : 4~8 : 1~3 몰비로 사용될 수 있다. In the steps (a) and (b), the styrene-based monomer, the (meth)acrylate-based monomer, and the vinyl alcohol-based monomer protected with a leaving group have a ratio of 0.1 to 1.5: 1 to 8: 1 to 4 as described above. It may be used in a molar ratio, and more preferably in a molar ratio of 0.5 to 1.5: 4 to 8: 1 to 3.
상기 (c)단계에서 중합개시제와 계면활성제로는 이 분야에서 통상적으로 사용되는 것이 통상적인 함량에 따라 사용될 수 있다. 상기 중합개시제로는 예를 들어, KPS(Potassium persulfate) 등이 사용될 수 있으며, 상기 계면활성제로는 SDS(sodium dodeyl sulfate) 등이 사용될 수 있다. In the step (c), as the polymerization initiator and the surfactant, those commonly used in this field may be used according to the conventional content. For example, potassium persulfate (KPS) may be used as the polymerization initiator, and sodium dodeyl sulfate (SDS) may be used as the surfactant.
상기 (d)단계에서 가열시간은 12~72시간 동안 수행될 수 있다. The heating time in step (d) may be performed for 12 to 72 hours.
상기 (e)단계에서 계면활성제의 제거는 용제(예: THF)에 녹여 원심분리기로 제거하는 방법에 의하여 수행될 수 있다. 이 때 계면활성제의 제거 전에 물을 먼저 제거하는 것이 바람직할 수 있다.In step (e), the surfactant may be removed by dissolving it in a solvent (eg, THF) and removing it using a centrifugal separator. At this time, it may be desirable to first remove the water before removing the surfactant.
상기 (e)단계 후에는 회수한 고분자를 헥산 용매에서 침전시켜 남은 불순물을 제거하는 단계를 더 수행할 수 있다. After the step (e), a step of precipitating the recovered polymer in a hexane solvent to remove remaining impurities may be further performed.
상기 (f)단계에서 회수된 고분자에 대해서는 용제(예: THF)에 녹인 후 KOH를 넣어 상온에서 1~3일간 교반하여 작용기를 디프로텍션(deprotection)시키는 단계가 더 수행될 수 있다. After dissolving the polymer recovered in step (f) in a solvent (eg, THF), a step of deprotecting the functional group by adding KOH and stirring at room temperature for 1 to 3 days may be further performed.
또한, 마지막 단계로 상기에서 회수한 고분자를 물에 녹인 후 에탄올 용매에 첨가하여 침전을 유도하여 불순물을 추가적으로 제거하는 단계를 수행할 수 있다. In addition, as a last step, a step of dissolving the polymer recovered above in water and then adding it to an ethanol solvent to induce precipitation to additionally remove impurities may be performed.
상기 바인더용 공중합체의 중합방법에 있어서, 상기에서 특별히 한정된 것을 제외하고는 이 분야의 공지의 방법이 적용될 수 있다. In the polymerization method of the copolymer for the binder, methods known in the art may be applied, except for those specifically limited above.
상기 본 발명의 공중합체의 제조방법을 반응식으로 간략히 예를 들어 나타내면 다음과 같다:A brief example of the method for preparing the copolymer of the present invention as a reaction scheme is as follows:
[반응식][reaction formula]
또한, 본 발명은 In addition, the present invention
또한, 본 발명은 음극활물질, 상기 본 발명의 바인더, 및 도전재를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 음극에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to a negative electrode for a lithium ion secondary battery comprising a negative electrode active material, the binder of the present invention, and a conductive material.
상기 음극활물질로는 이 분야에 공지된 것이 사용될 수 있으며 특히, Si계 활물질을 포함하는 음극활물질이 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 구체적으로 예를 들면, SiOx/C와 흑연 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 SiOx/C는 SiOx 표면에 탄소 코팅층이 형성된 것을 포함한다.As the anode active material, those known in the art may be used, and in particular, a cathode active material including a Si-based active material may be preferably used, and more specifically, a mixture of SiOx/C and graphite may be used. The SiOx/C includes a carbon coating layer formed on a surface of SiOx.
상기 음극활물질, 상기 본 발명의 바인더, 및 도전재는 음극활물질층을 형성하며, 상기 음극활물질층은 상기 성분들을 포함하는 슬러리를 통상의 방법에 따라 제조하고, 상기 슬러리를 집전체에 도포하여 건조시킴으로써 음극 내에 포함된다. 여기서, 상기 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등을 들 수 있다.The negative electrode active material, the binder of the present invention, and the conductive material form a negative electrode active material layer, and the negative electrode active material layer is prepared by preparing a slurry containing the components according to a conventional method, applying the slurry to a current collector and drying it contained within the cathode. Here, a non-limiting example of the current collector may include a foil made of copper, gold, nickel, or a copper alloy or a combination thereof.
상기 음극활물질층 총 중량에 대하여, 음극활물질은 70~98 중량%로 포함될 수 있으며, 상기 도전재는 1~20 중량%로 포함될 수 있으며, 상기 바인더는 1~10 중량%로 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.With respect to the total weight of the negative electrode active material layer, the negative electrode active material may be included in 70 to 98% by weight, the conductive material may be included in 1 to 20% by weight, and the binder may be included in 1 to 10% by weight, but are limited thereto. it is not going to be
상기 음극활물질층 제조용 슬러리에는 통상의 분산제가 더 포함될 수 있다.A conventional dispersant may be further included in the slurry for preparing the negative electrode active material layer.
상기 도전재로는 특별히 한정하지 않으나, KS6와 같은 흑연계 물질, Super-P, 덴카 블랙, 카본 블랙과 같은 카본계 물질 등의 전도성 물질 또는 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 등의 전도성 고분자를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.Although the conductive material is not particularly limited, conductive materials such as graphite materials such as KS6, carbon materials such as Super-P, Denka Black, and carbon black, or conductive polymers such as polyaniline, polythiophene, polyacetylene, and polypyrrole may be used alone or in combination.
본 발명에 따른 리튬이온 이차전지는, 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 세퍼레이터와 전극의 스택(stack, lamination), 폴딩(folding) 및 스택/폴딩 공정이 가능하다.In the lithium ion secondary battery according to the present invention, stack and lamination processes of separators and electrodes, folding, and stack/folding processes are possible in addition to winding, which is a general process.
그리고, 리튬이온 이차전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.In addition, the external shape of the lithium ion secondary battery is not particularly limited, but may be a cylindrical shape using a can, a prismatic shape, a pouch shape, or a coin shape.
또한, 본 발명은 상기 본 발명의 음극; 양극; 상기 양극과 음극 사이에 구비되는 세퍼레이터; 및 전해질;을 포함하는 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.In addition, the present invention is the negative electrode of the present invention; anode; a separator provided between the positive electrode and the negative electrode; And an electrolyte; relates to a lithium ion secondary battery comprising a.
상기 음극에 관해서는 위에서 기재된 내용이 그대로 적용될 수 있다. Regarding the negative electrode, the above description may be applied as it is.
본 발명의 리튬이온 이차전지에서 양극은, 특별히 제한되지 않으며, 이 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 양극활물질을 집전체에 결착시킨 형태로 제조할 수 있다.In the lithium ion secondary battery of the present invention, the positive electrode is not particularly limited, and may be prepared in a form in which a positive electrode active material is bound to a current collector according to a conventional method known in the art.
상기 양극활물질로는 공지의 양극활물질이 사용 가능하며, 예를 들어, 리튬망간 산화물, 리튬코발트 산화물, 리튬니켈 산화물, 리튬철 산화물, 3성분계 양극재인 LiNixMnyCozO2 (NMC) 또는 이들을 조합한 리튬복합 산화물이 사용될 수 있다. 그리고 집전체의 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등을 들 수 있다. A known cathode active material may be used as the cathode active material, and for example, lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium iron oxide, a three-component cathode material LiNi x Mn y Co z O 2 (NMC), or A lithium composite oxide combining these may be used. Examples of the current collector include aluminum, nickel, or a foil made of a combination thereof.
상기 양극과 음극 사이에 위치하는 세퍼레이터는 양극과 음극을 서로 분리 또는 절연시키고, 양극과 음극 사이에 리튬 이온 수송을 가능하게 하는 것이다. 본 발명에서 사용되는 세퍼레이터는 이 분야에서 통상적으로 사용되는 다공성 고분자 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들어, 폴리올레핀계 다공성 고분자 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.The separator positioned between the positive electrode and the negative electrode separates or insulates the positive electrode and the negative electrode from each other and enables lithium ion transport between the positive electrode and the negative electrode. As the separator used in the present invention, any porous polymer substrate commonly used in this field may be used, and for example, a polyolefin-based porous polymer membrane or non-woven fabric may be used, but is not particularly limited thereto.
상기 폴리올레핀계 다공성 고분자 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.Examples of the polyolefin-based porous polymer membrane include polyethylene such as high-density polyethylene, linear low-density polyethylene, low-density polyethylene, and ultra-high molecular weight polyethylene, polyolefin-based polymers such as polypropylene, polybutylene, and polypentene, either alone or as a mixture thereof. A formed membrane is exemplified.
상기 부직포로는 폴리올레핀계 부직포 외에 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트 (polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르 (polyester), 폴리아세탈 (polyacetal), 폴리아미드 (polyamide), 폴리카보네이트 (polycarbonate), 폴리이미드 (polyimide), 폴리에테르에테르케톤 (polyetheretherketone), 폴리에테르설폰 (polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드 (polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드 (polyphenylenesulfide), 폴리에틸렌나프탈렌 (polyethylenenaphthalene) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포를 들 수 있다. 부직포의 구조는 장섬유로 구성된 스폰본드 부직포 또는 멜트 블로운 부직포일 수 있다.In addition to the polyolefin-based nonwoven fabric, the nonwoven fabric includes, for example, polyethyleneterephthalate, polybutyleneterephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, and polycarbonate. ), polyimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenyleneoxide, polyphenylenesulfide, polyethylenenaphthalene, etc. alone or A nonwoven fabric formed from a polymer obtained by mixing these is exemplified. The structure of the nonwoven fabric may be a spunbond nonwoven fabric or a melt blown nonwoven fabric composed of long fibers.
상기 다공성 고분자 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 5 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있고, 다공성 고분자 기재에 존재하는 기공 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.01 ㎛ 내지 50 ㎛ 및 10 내지 95 %일 수 있다.The thickness of the porous polymer substrate is not particularly limited, but may be 5 μm to 50 μm, and the pore size and porosity present in the porous polymer substrate are also not particularly limited, but may be 0.01 μm to 50 μm and 10 to 95%, respectively. there is.
또한, 상기 세퍼레이터의 기계적 강도 향상 및 리튬이온 이차전지의 안전성을 향상시키기 위해, 상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에, 무기물 입자와 고분자 바인더를 포함하는 다공성 코팅층을 더 포함할 수 있다.In addition, in order to improve mechanical strength of the separator and safety of the lithium ion secondary battery, a porous coating layer including inorganic particles and a polymer binder may be further included on at least one surface of the porous polymer substrate.
이러한 다공성 코팅층에 포함되는 고분자 바인더는, 상기 무기물 입자들 표면의 일부 또는 전체에 코팅되며, 상기 무기물 입자들은 밀착된 상태로 상기 고분자 바인더에 의해 서로 연결 및 고정되며, 상기 무기물 입자들 사이에 존재하는 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)으로 인해 기공들이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 다공성 코팅층의 무기물 입자들은 서로 밀착된 상태로 존재하며, 무기물 입자들이 밀착된 상태에서 생기는 인터스티셜 볼륨이 다공성 코팅층의 기공이 될 수 있다.The polymer binder included in the porous coating layer is coated on part or all of the surface of the inorganic particles, the inorganic particles are connected and fixed to each other by the polymer binder in a close contact state, and the inorganic particles present between the inorganic particles It is preferable that pores are formed due to an interstitial volume. That is, the inorganic particles of the porous coating layer exist in close contact with each other, and an interstitial volume generated when the inorganic particles are in close contact may become pores of the porous coating layer.
상기 전해질로는 이 분야에 공지된 것이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 비수 전해액이 사용될 수 있다. 상기 비수 전해액에는 전해질 염으로서 리튬염이 포함될 수 있다. 상기 리튬염으로는 리튬이온 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 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 하나 이상이 사용될 수 있다.As the electrolyte, one known in the art may be used, and for example, a non-aqueous electrolyte may be used. The non-aqueous electrolyte may include a lithium salt as an electrolyte salt. As the lithium salt, those commonly used in electrolytes for lithium ion secondary batteries may be used without limitation. For example, the anion of the lithium salt is 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 - , At least one selected from the group consisting of SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - may be used.
상기 비수 전해액에 포함되는 유기 용매로는 리튬이온 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 유기 용매들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 에테르, 에스테르, 아미드, 선형 카보네이트, 환형 카보네이트 등이 각각 단독으로 또는 2종 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 이들 중에서 대표적으로는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 또는 이들의 혼합물인 카보네이트 화합물이 사용될 수 있다.As the organic solvent included in the non-aqueous electrolyte, organic solvents commonly used in electrolytes for lithium ion secondary batteries may be used without limitation, and for example, ether, ester, amide, linear carbonate, cyclic carbonate, etc. may be used alone or Two or more may be used in combination. Among them, cyclic carbonates, linear carbonates, or carbonate compounds that are mixtures thereof may be used as representative examples.
상기 환형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 및 이들의 할로겐화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다. 이들의 할로겐화물로는 예를 들면, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.Specific examples of the cyclic carbonate compound include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, and any one selected from the group consisting of 2,3-pentylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, and halides thereof, or a mixture of two or more thereof. These halides include, for example, fluoroethylene carbonate (FEC) and the like, but are not limited thereto.
또한 상기 선형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, specific examples of the linear carbonate compound include any one selected from the group consisting of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethylmethyl carbonate (EMC), methylpropyl carbonate and ethylpropyl carbonate, or these A mixture of two or more of them may be used representatively, but is not limited thereto.
특히, 상기 카보네이트계 유기용매 중 환형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 보다 더 잘 해리시킬 수 있으며, 이러한 환형 카보네이트에 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 보다 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있다.In particular, among the carbonate-based organic solvents, ethylene carbonate and propylene carbonate, which are cyclic carbonates, are high-viscosity organic solvents and have a high dielectric constant, so that lithium salts in the electrolyte can be better dissociated. Such cyclic carbonates, such as dimethyl carbonate and diethyl carbonate An electrolyte with higher electrical conductivity can be made by mixing and using low-viscosity, low-dielectric constant linear carbonates in an appropriate ratio.
또한, 상기 유기 용매 중 에테르로는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르 및 에틸프로필 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, as the ether in the organic solvent, any one selected from the group consisting of dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methyl ethyl ether, methylpropyl ether and ethylpropyl ether or a mixture of two or more thereof may be used. , but is not limited thereto.
또한, 상기 유기 용매 중 에스테르로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, esters in the organic solvent include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-caprolactone, σ-valerolactone And ε-caprolactone, but any one selected from the group consisting of, or a mixture of two or more of them may be used, but is not limited thereto.
상기 비수 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 리튬이온 이차전지의 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 리튬이온 이차전지 조립 전 또는 리튬이온 이차전지 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.Injection of the non-aqueous electrolyte solution may be performed at an appropriate stage during the manufacturing process of the lithium ion secondary battery according to the manufacturing process and required physical properties of the final product. That is, it may be applied before assembling the lithium ion secondary battery or at the final stage of assembling the lithium ion secondary battery.
상기 리튬이온 이차전지는 상기에서 기술된 본 발명의 특징적인 기술을 제외하고는 이 분야에 공지된 기술들을 적용하여 구성될 수 있다. The lithium ion secondary battery may be configured by applying techniques known in the art, except for the characteristic techniques of the present invention described above.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments are presented to aid understanding of the present invention, but the following examples are merely illustrative of the present invention, and it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention, It goes without saying that these changes and modifications fall within the scope of the appended claims.
실시예 1: PS-PAAPVA 공중합체를 포함하는 바인더의 제조Example 1: Preparation of Binder Containing PS-PAAPVA Copolymer
증류수 12g 이 들어있는 25ml 라운드 플라스크에 KPS (Potassium persulfate) 1mg과 스티렌 0.16g (0.00307mol)을 차례로 넣고 계면활성제인 SDS (sodium dodeyl sulfate)를 추가로 150mg 첨가한 후 잘 섞이도록 저어주었다.In a 25 ml round flask containing 12 g of distilled water, 1 mg of KPS (Potassium persulfate) and 0.16 g (0.00307 mol) of styrene were sequentially added, and an additional 150 mg of SDS (sodium dodeyl sulfate), a surfactant, was added and stirred to mix well.
상기에서 제조한 용액에 비닐아세테이트 4.3ml (0.0465mol)과 메틸 아크릴레이트 2.78ml (0.0310mol)를 추가한 후 뚜껑을 닫고 파라핀 필름으로 밀봉하였다.After adding 4.3 ml (0.0465 mol) of vinyl acetate and 2.78 ml (0.0310 mol) of methyl acrylate to the solution prepared above, the lid was closed and sealed with a paraffin film.
Ar 기체관을 연결하여 30분 동안 용기내의 산소를 제거한 후, 한 번 더 파라핀 필름으로 밀봉하고, 2일간 70°C로 가열하면서 교반하였다.After removing oxygen in the vessel for 30 minutes by connecting an Ar gas tube, it was once again sealed with a paraffin film and stirred while heating at 70°C for 2 days.
상기 반응이 끝난 후 먼저 물을 제거하고 다음에 THF에 녹여 원심분리기로 계면활성제를 제거하였다. After the reaction was completed, water was first removed, and then the surfactant was removed by dissolving in THF and centrifuging.
상기에서 회수한 고분자를 헥산 용매에서 침전시켜 남은 불순물을 제거하였다.The polymer recovered above was precipitated in a hexane solvent to remove remaining impurities.
상기에서 합성된 고분자의 분자량(Mn)을 GPC를 통해 확인하였다(도 1 참고). The molecular weight (Mn) of the polymer synthesized above was confirmed through GPC (see FIG. 1).
상기 합성된 고분자를 THF에 녹인 후 KOH를 넣어 상온에서 2일간 교반하여 작용기를 디프로텍션(deprotection)시켰다. After dissolving the synthesized polymer in THF, KOH was added and stirred at room temperature for 2 days to deprotect the functional group.
상기에서 회수한 고분자를 물에 녹인 후 에탄올 용매에 첨가하여 침전을 유도하여 불순물을 제거하였다. 다음으로 FT-IR을 통해 합성된 고분자의 작용기를 확인하고(도 2 참고), NMR로 고분자의 구조를 확인하였다(도 3 참고). The polymer recovered above was dissolved in water and then added to an ethanol solvent to induce precipitation to remove impurities. Next, the functional group of the synthesized polymer was confirmed through FT-IR (see FIG. 2), and the structure of the polymer was confirmed by NMR (see FIG. 3).
하기 도 2 및 도 3으로부터 상기 실시에 의하여 화학식 1로 표시되는 공중합체가 합성된 것을 명확하게 확인할 수 있다. From FIGS. 2 and 3 below, it can be clearly confirmed that the copolymer represented by Formula 1 was synthesized by the above practice.
실시예 2: 리튬이온 이차전지용 음극의 제조Example 2: Preparation of negative electrode for lithium ion secondary battery
활물질로 SiO/C, 도전재로 super-P, 상기 실시예 1에서 제조된 PS-PAAPVA 바인더를 적용하여 슬러리를 제조하였다. 이 때, 상기 활물질:도전재:바인더의 비율은 92:3:5로 하였다. A slurry was prepared by applying SiO/C as an active material, super-P as a conductive material, and the PS-PAAPVA binder prepared in Example 1 above. At this time, the ratio of the active material:conductive material:binder was 92:3:5.
구체적으로 먼저, 상기 실시예 1에서 제조된 PS-PAAPVA 바인더 1 g을 증류수 9 ml에 녹여 바인더 10% 농도의 용액을 제조한 후, 상기 바인더 용액에 super-P를 넣고 충분히 교반시켰다. 다음으로 SiO/C를 첨가하여 균일하게 슬러리를 제조하였다. Specifically, first, 1 g of the PS-PAAPVA binder prepared in Example 1 was dissolved in 9 ml of distilled water to prepare a solution having a binder concentration of 10%, and then super-P was added to the binder solution and stirred sufficiently. Next, SiO/C was added to prepare a uniform slurry.
상기 슬러리를 닥터블레이드(doctor blade)를 이용하여 구리 호일 위에 도포하여 음극을 제조하였다. The slurry was applied on a copper foil using a doctor blade to prepare a negative electrode.
상기에서 제조된 슬러리를 20㎛ 두께의 Cu 호일 상에 닥터블레이드(doctor blade)를 사용하여 50~150 ㎛ 두께로 코팅하였고 대류식 오븐을 사용하여 80℃에서 30분간 1차 건조를 진행하였다. 로딩이 일정한 부분을 취하여 진공 오븐에서 150℃에서 2시간 동안 2차 건조를 진행하여 음극(설계용량 710mAh/g)을 제조하였다.The slurry prepared above was coated on a 20 μm thick Cu foil using a doctor blade to a thickness of 50 to 150 μm, and primary drying was performed at 80 ° C. for 30 minutes using a convection oven. A portion having a constant loading was taken and secondary drying was performed in a vacuum oven at 150° C. for 2 hours to prepare a negative electrode (designed capacity of 710 mAh/g).
비교예 1: 리튬이온 이차전지용 음극의 제조Comparative Example 1: Preparation of negative electrode for lithium ion secondary battery
바인더로 SBR/CMC(중량비 7:3)를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 음극을 제조하였다. An anode was prepared in the same manner as in Example 2, except that SBR/CMC (weight ratio 7:3) was used as a binder.
실시예 3: 리튬이온 이차전지의 제조Example 3: Manufacturing of lithium ion secondary battery
상기 실시예 2에서 제조한 음극(압연하여 공극률을 30% 정도로 조절함) 에 레퍼런스 및 카운터 전극으로 리튬금속을 사용하고, 전해액으로 EC : DEC = 3 : 7, 10wt% FEC, 1.3M LiPF6 조성을 사용하고, 세퍼레이터로 20 마이크론 두께의 폴리에틸렌(PE) 막을 사용하여 코인셀을 제조하였다. Lithium metal was used as a reference and counter electrode for the anode prepared in Example 2 (the porosity was adjusted to about 30% by rolling), and EC: DEC = 3: 7, 10 wt% FEC, 1.3M LiPF 6 composition was used as the electrolyte. and a 20 micron-thick polyethylene (PE) film was used as a separator to manufacture a coin cell.
비교예 2: 리튬이온 이차전지의 제조Comparative Example 2: Manufacturing of a lithium ion secondary battery
상기 비교예 1에서 제조한 음극을 사용한 것을 제외하고 실시예 3과 동일한 방법으로 코인셀을 제조하였다.A coin cell was manufactured in the same manner as in Example 3, except that the negative electrode prepared in Comparative Example 1 was used.
시험예 1: 리튬이온 이차전지의 특성 평가Test Example 1: Characteristic evaluation of lithium ion secondary battery
하기와 같은 방법으로 실시예 3의 전지 및 비교예 2 전지의 충방전 특성 및 초기 효율, 및 수명특성을 평가하고, 그 결과를 하기 표 2, 및 도 4 및 도 5에 나타냈다. The charge/discharge characteristics, initial efficiency, and lifetime characteristics of the battery of Example 3 and the battery of Comparative Example 2 were evaluated in the following manner, and the results are shown in Table 2 and FIGS. 4 and 5.
<초기 효율 평가 방법><Initial Efficiency Evaluation Method>
하기 표 1과 같은 조건으로 충방전을 실시하여 전지의 초기 효율을 평가하였다.The initial efficiency of the battery was evaluated by performing charging and discharging under the conditions shown in Table 1 below.
<수명성능 평가 방법>상기 표 1의 충반전 조건으로 50 사이클의 충방전을 실시하여 수명특성을 평가하였다. <Method for Evaluating Life Performance> Life characteristics were evaluated by performing charging and discharging for 50 cycles under the charging/reversing conditions of Table 1 above.
(비교예 1)SBR/CMC
(Comparative Example 1)
(실시예 2)PS-PAAPVA
(Example 2)
상기 표 2 및 하기 도 4 및 도 5로부터 확인되는 바와 같이, 본 발명의 바인더를 사용한 실시예 3의 전지는 종래의 바인더를 사용한 비교예 2의 전지와 비교하여 초기 효율에 있어서는 동등한 정도를 나타냈으나, 방전 용량 특성은 눈에 띄게 우수하였으며, 수명특성도 매우 현저한 것으로 확인되었다.As confirmed from Table 2 and FIGS. 4 and 5, the battery of Example 3 using the binder of the present invention showed an equivalent degree in initial efficiency compared to the battery of Comparative Example 2 using the conventional binder. However, the discharge capacity characteristics were remarkably excellent, and the life characteristics were also confirmed to be very remarkable.
Claims (14)
[화학식 1]
상기 식에서 a, b 및 c는 각 단량체의 몰비를 나타내며, a는 0.5~1.5, b는 4~8, c는 1~3이며;
상기 R은 수소 또는 1가의 양이온이다. A binder comprising 30 to 100% by weight of a copolymer having a number average molecular weight of 1,000,000 to 12,000,000 represented by the following formula (1) based on the total weight of the binder:
[Formula 1]
In the above formula, a, b and c represent the molar ratio of each monomer, a is 0.5 to 1.5, b is 4 to 8, c is 1 to 3;
R is hydrogen or a monovalent cation.
상기 공중합체는 랜덤 공중합체인 것을 특징으로 하는 바인더.According to claim 1,
The copolymer is a binder, characterized in that the random copolymer.
상기 R에 있어서 1가 양이온은 리튬 또는 나트륨 이온인 것을 특징으로 하는 바인더.According to claim 1,
A binder, characterized in that the monovalent cation for R is a lithium or sodium ion.
상기 바인더는 아세톤(acetone), 테트라 하이드로퓨란(tetra hydrofuran), 메틸렌 클로라이드(methylenechloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름 아미드(dimethylform amide), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산(cyclohexane), 및 물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 용매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바인더.According to claim 1,
The binder is acetone, tetra hydrofuran, methylene chloride, chloroform, dimethylform amide, N-methyl-2-pyrrolidone A binder characterized in that it further comprises at least one solvent selected from the group consisting of -pyrrolidone, NMP), cyclohexane, and water.
상기 바인더는 수계 바인더인 것을 특징으로 하는 바인더.According to claim 1,
The binder, characterized in that the binder is a water-based binder.
상기 바인더는 리튬이온 이차전지 제조용인 것을 특징으로 하는 바인더.According to claim 1,
The binder is a binder, characterized in that for producing a lithium ion secondary battery.
상기 바인더는 Si계 활물질을 포함하는 음극 제조용인 것을 특징으로 하는 바인더.In the ninth,
The binder is a binder, characterized in that for producing a negative electrode containing a Si-based active material.
전해질;을 포함하는 리튬이온 이차전지.The negative electrode of claim 11; anode; a separator provided between the positive electrode and the negative electrode; and
A lithium ion secondary battery comprising an electrolyte;
(b) 상기 (a)단계의 혼합물에 (메타)아크릴레이트계 단량체 및 이탈기로 보호된 비닐 알코올계 단량체를 넣고 반응기 입구를 밀봉하는 단계;
(c) 질소를 사용하여 상기 중합 반응기 내부의 산소를 제거하는 단계;
(d) 밀봉된 상태로 50~90℃로 가열하면서 교반하는 단계;
(e) 계면활성제를 제거하는 단계; 및
(f) 보호기를 제거하는 단계;를 포함하는 제1항의 공중합체의 중합방법. (a) adding a styrenic monomer, a surfactant, a polymerization initiator, and a solvent to a polymerization reactor and mixing them;
(b) adding a (meth)acrylate-based monomer and a vinyl alcohol-based monomer protected with a leaving group to the mixture of step (a) and sealing the inlet of the reactor;
(c) removing oxygen within the polymerization reactor using nitrogen;
(d) stirring while heating at 50 to 90° C. in a sealed state;
(e) removing the surfactant; and
(f) removing the protecting group; polymerization method of the copolymer of claim 1 comprising the.
상기 (a)단계에서 용매는 물인 것을 특징으로 하는 공중합체의 중합방법. According to claim 13,
The polymerization method of the copolymer, characterized in that the solvent in step (a) is water.
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