KR102502050B1 - 배터리 전극용 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 용매가 80 질량%와 95 질량% 사이의 N-메틸피롤리돈 (NMP) 을 포함하는 조성물인 배터리 전극용 조성물에 관한 것이다.

Description

배터리 전극용 조성물
본 발명은 적어도 하나의 용매가 80 질량%와 95 질량% 사이의 N-메틸피롤리돈 (NMP) 을 포함하는 조성물인 배터리 전극용 조성물에 관한 것이다.
배터리 전극 (캐소드 및 애노드) 을 제조하기 위한 조성물은 잘 알려져 있다. 이들은 용매, 활물질, (예: 탄소계 성질 (카본 블랙, 그래핀, 탄소 나노튜브, 흑연 또는 탄소 섬유, 단독 또는 조합) 의) 전자 전도체, 중합체성 결합제, 또는 심지어 하나 이상의 중합체성 또는 비중합체성 분산제와 같은 다른 첨가제로 구성된다.
NMP가 그의 적합한 특성 (중합체성 결합제를 용해하기 위한 능력, 조성물의 적용 및 공기 존재하에 건조를 허용하는 매우 높은 자기 점화 온도 (270℃)) 으로, 사용되는 용매 중에 있다.
이 용매는 일반적으로 NMP의 최대 순도를 얻기 위해 증류 또는 이중 증류에 의해 재활용된다. 이 작업은 전체 제조 공정에서 NMP의 소비를 제한하는 것을 향하지만 그러나 산업적 비용을 갖는다. 현재까지 알려진 전극 제조 프로세스는 적어도 99 질량% 의 NMP 순도 수준을 필요로 한다. 비용상의 이유로 재활용이 바람직하지 않은 경우, 일반적으로 용매가 연소되는데, 이는 상궤를 벗어난 것이다.
재활용 작업 동안 적어도 99 질량% 또는 심지어 더 높은 순도를 얻기 위해, 예를 들어 EP 2479167 에 기재된 증류 기술을 사용한다.
배터리 전극을 제조하는 과정에서, 집전체에 조성물이 성막된다. 이 조성물은 주성분으로, 용매, 전자 전도체, 활성 충전제 및 중합체로 구성된다. 이어서 용매를 증발시켜 전극을 얻는다. 이 용매의 회수는 예를 들어 EP 2479167 의 공지된 증류 프로세스에서 가능한 순도를 얻는 것을 가능하게 하지 않는다. 전극 제조 프로세스 동안 회수되는 이 용매는 순수 용매 외의 화합물을 거의 20% 에 이르기까지 함유할 수 있다.
지금까지, 산업적 전극 제조 프로세스는 용매의 정제 또는 "새로운" 용매의 사용을 필요로 했다.
본 출원인은 N-메틸피롤리돈의 경우에, 전극 제조 단계에서 공기 중 증발 프로세스로부터 유도된 이 용매를 정제 없이 재사용할 수 있었을 뿐만 아니라 다음과 같은 많은 이점도 있음을 관찰했다:
- 분산물이 더 좋고,
- 포뮬레이션(formulation)은 경시적으로 더 안정적이며,
- 제조된 전극의 품질이 더 우수하며: 더 정확하게는, 전극에서 탄소계 성분이 더 잘 분산된다. 따라서, 전기 전도성이 향상된다.
이 불순한 NMP는 80%와 99% 사이, 그리고 바람직하게는 95%와 99% 사이의 NMP 함량, 0.1% 이하의 수분 함량, 및 NMP가 사용되는 선행 프로세스로부터 유도된 화합물, 통상적으로 γ-부티로락탐(2-피롤리돈) 또는 γ-부티로락톤 종을 갖는 화합물을 갖는다.
불순물에 γ-부티로락탐 또는 γ-부티로락톤 종의 존재는 분산제를 구성하거나 또는 전자 전도체 상에 그래프트(graft)되어, 전극에서의 그의 분산을 촉진할 수도 있다. 본 출원인은 설명이 없으며 이러한 효과를 예상하지 못한 것으로 고려한다.
따라서, 선행 전극 제조 프로세스에서 유도된 특정 화합물을 보존함으로써, 배터리 전극 조성물의 제조를 위해 그러한 NMP를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 얻어진 조성물의 품질이 더 높다.
집전체에 적용되는, 그러한 NMP 용매에 기초한 전극 및 보다 구체적으로 캐소드 포뮬레이션은 공기중 NMP의 끓는점 미만의 온도에서, 분압하 통상적으로 220℃ 미만의 온도에서, 건조를 받는다. 전극 제조 프로세스의 동일한 조건 하에서, 본 발명의 NMP 조성물의 사용은 배터리 응용의 중요한 파라미터인 전극의 전기 저항을 감소시키는 것을 가능하게 한다. 또한, 본 발명의 조성물의 사용은 예를 들어 분산 중합체 및/또는 결합제의 양을 감소시킴으로써 전극의 포뮬레이션을 단순화하는 것을 가능하게 한다.
발명의 개요
본 발명은
- 적어도 하나의 용매로서 상기 용매의 조성은, 80% 과 98.99% 사이의, 한계치들을 포함한, 질량 함량의 N-메틸피롤리돈, 1% 미만의 질량 함량의 물, 및, NMP를 제외한, 적어도 하나의 γ-부티로락탐 또는 γ-부티로락톤 고리를 갖는 적어도 하나의 화합물을 포함하고, 이들 화합물의 각각은, 0.01% 내지 19% 범위의, 한계치들을 포함한, 질량 비율로, 단독으로 또는 조합하여, 존재하며, 이들 화합물의 총합은 19%를 초과하지 않으며, 상기 용매는 50% 이상의 질량 비율로 존재하는, 상기 적어도 하나의 용매,
- 50 질량% 이하의, 0 을 제외한, 비율의 고체 형태인 적어도 하나의 전자 전도체
를 포함하는 조성물에 관한 것이다.
상세한 설명
본 발명의 조성물은 고체 형태인 전자 전도체를 50 질량% 미만, 바람직하게는 35 질량% 미만, 우선적으로는 25 질량% 미만, 보다 바람직하게는 10 질량% 미만, 그리고 더욱 바람직하게는 5 질량% 미만으로 포함한다.
"고체 형태인 전자 전도체"라는 용어는 카본 블랙, 그래핀, 단일벽 또는 다중벽 탄소 나노튜브, 흑연 및 탄소 섬유를 단독으로 또는 조합하여 의미한다. 바람직하게는, 전자 전도체는 탄소 나노튜브를 포함한다.
본 발명의 조성물은 또한, NMP를 제외한 적어도 하나의 피롤리돈 고리 (γ-부티로락탐), 및/또는 γ-부티로락톤을 갖는 적어도 하나의 화합물을 포함하며, 이들 화합물 각각은 0.01% 내지 19% 범위의 비율로, 단독으로 또는 조합하여, 존재하고, 이들 화합물의 총합이 19%를 초과하지 않는다.
"적어도 하나의 피롤리돈 고리 (γ-부티로락탐) 또는 γ-부티로락톤을 갖는 화합물"이라는 용어는 분자량이 15,000 g/mol 미만, 바람직하게는 10,000 g/mol 미만이고, γ-부티로락톤 또는 γ-부티로락탐 고리의 존재가 특성화되는 (질량 분광법, NMR 또는 적외선 분광법) 임의의 화합물을 나타낼 수도 있다.
γ-부티로락톤 및 γ-부티로락탐 구조는 C, H, N 또는 O를 포함하는 치환기를 가질 수 있다.
이들 화합물 중에는, 주된 것들 중에, γ-부티로락톤, N-메틸숙신이미드 및 N-히드록시숙신이미드와 같은 숙신이미드, 포르밀피롤리돈, 5-히드록시-N-메틸피롤리돈, 2-피롤리돈 또는 N-히드록시메틸피롤리돈이 있다. 이들은 또한 이들의 성질 또는 농도와 관련하여 특성화하기 다소 복잡하거나 어려운 형태의 γ-부티로락탐 및/또는 γ-부티로락톤 고리를 갖는 올리고머일 수도 있다.
전극 제조 프로세스 동안 증발로부터 유도된 용매에 존재하는 γ-부티로락탐 또는 γ-부티로락톤 구조로부터 유도되는 모든 불순물이 본 발명의 조성물에 존재할 수도 있는 것으로 고려된다. 구조가 γ-부티로락탐 또는 γ-부티로락톤 구조를 포함하지 않는 더 가벼운 화합물이 또한 발견될 수도 있다.
바람직하게는, 이들 화합물은, 0.01 질량% 내지 19 질량% 사이, 보다 바람직하게는 0.1 질량% 과 10 질량% 사이, 그리고 더욱 바람직하게는 0.5 질량% 와 5 질량% 사이의, 한계치들을 포함한, 함량으로 존재한다.
이 용매 조성물은 120℃ 보다 높은 온도에 대해 공기의 존재하에 NMP 증기를 회수하여 얻어진다.
이 용매 조성물은 또한, 순도가 99%보다 높은 NMP에 γ-부티로락탐 및/또는 γ-부티로락톤 유도체를 의도적으로 첨가함으로써 얻어질 수도 있지만, 이것은 정제할 필요 없이 NMP를 사용하는 본 발명의 주요한 목적은 아니며, 따라서 이들 γ-부티로락톤 및/또는 γ-부티로락탐 화합물을 함유한다.
본 발명의 조성물은 또한 활성 충전제를 포함할 수도 있다. "활성 충전제" 라는 용어는, 리튬화 전이 금속 산화물 이를테면 LiMO2, LiMPO4 유형, Li2MPO3F 유형 또는 Li2MSiO4 유형 (여기서 M은 Co, Ni, Mn, Fe 또는 이들의 조합이다), LiMn2O4 유형 또는 S8 유형, 인공 또는 천연 흑연 또는 규소 또는 탄화물, 질화물 또는 산화물로 변성된 규소를 의미한다.
본 발명의 조성물은 또한 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(PVDF) 중합체, 폴리(비닐피롤리돈), 폴리(페닐아세틸렌), 폴리(메타-페닐렌비닐리덴), 폴리피롤, 폴리(파라-페닐렌벤조비스옥사졸), 폴리(비닐 알코올), 카르복시메틸셀룰로오스 및 이들의 혼합물, 및 폴리아크릴로니트릴 및 이들의 공중합체로부터 선택된, 하나 이상의 중합체를 포함할 수도 있다. 바람직하게, 그것은 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(PVDF) 및 폴리(N-비닐피롤리돈)이다.
본 발명의 조성물은 또한 과산화물, 산화환원 쌍(redox couple), 아조 화합물 또는 알콕시아민과 같은 하나 이상의 자유 라디칼 발생제를 단독으로 또는 조합하여, NMP를 기준으로 5 질량% 미만, 그리고 바람직하게는 1질량% 미만의 함량으로 포함할 수도 있다.
본 발명은 또한
- 적어도 하나의 활성 충전제, 적어도 하나의 중합체를 포함하는 본 발명의 조성물을 집전체 상에 성막하는 단계,
- 용매를 증발시키는 단계;
- 선택적으로 캘린더링하는 단계
를 포함하는 전극을 얻기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 증발에 의해 회수된 용매가 본 발명의 용매를 포함하는 전극을 얻기 위한 방법에 관한 것이다.
금속성 집전체는 비제한적인 방식으로 다음 금속들: Al, Cu, Ni로부터 선택되고 8 과 35μm 사이의 두께를 갖는다. 금속성 집전체는 또한 프라이머(primer)가 0.5 과 5μm 사이의 두께로 전자 전도체에 성막된 채로 코팅될 수도 있다.
캘린더링은 두 개의 역회전 롤 사이에서 전극을 압축하는 것으로 구성되며, 여기서 롤 사이의 간격은 전극의 두께보다 작다.
전극은 캐소드 또는 애노드일 수도 있다. 바람직하게, 그것은 캐소드이다.
캐소드의 경우, 활물질은 리튬화 전이 금속 산화물 이를테면 LiMO2, LiMPO4 유형, Li2MPO3F 유형 , Li2MSiO4 유형 (여기서 M은 Co, Ni, Mn, Fe 또는 이들의 조합이다), LiMn2O4 유형 또는 S8 유형으로부터 선택된다.
애노드의 경우, 활물질은 인공 또는 천연 흑연 또는 규소 또는 탄화물, 질화물 또는 산화물로 변성된 규소로부터 선택된다.
본 발명은 또한 본 발명의 방법에 따라 얻어진 캐소드 및/또는 애노드를 사용하는 배터리에 관한 것이다.
본 발명은 또한 잉크 및 페인트와 같은 분야, 또는 석유 추출에서의 본 발명의 조성물의 용도에 관한 것이다.
전극 (캐소드 또는 애노드) 의 포뮬레이션은 비제한적인 방식으로 다음과 같을 수도 있다:
- 고형분 함량이 20 질량% 와 90 질량% 사이이며, 잔부는 용매이며 (조성이 80% 과 98.99% 사이의, 한계치들을 포함한, 질량 함량의 N-메틸피롤리돈, 1% 미만의 질량 함량의 물, 및, NMP를 제외한, 적어도 하나의 γ-부티로락탐 또는 γ-부티로락톤 고리를 갖는 적어도 하나의 화합물을 포함하고, 이들 화합물의 각각은, 0.01% 내지 19% 범위의, 한계치들을 포함한, 질량 비율로, 단독으로 또는 조합하여, 존재하며, 이들 화합물의 총합은 19%를 초과하지 않는다),
- 전극을 제조하기 위한 전체 포뮬레이션의 0.1% 와 5% 사이의 비율의 하나 이상의 전자 전도체,
- 전극 제조를 위한 전체 포뮬레이션의 0.3 내지 5% 사이 비율의 중합체성 또는 비중합체성 첨가제(결합제, 분산제).
예 1 :
전자 등급 NMP 용매에서 Graphistrength® C100 HP 탄소 나노튜브의 분산물의 제조 (레퍼런스).
Graphistrength® C100 HP CNT 는 20ppm 미만의 금속성 불순물을 함유한 Arkema의 상용 등급이다. 이 등급의 정제된 CNT는 리튬 이온 배터리의 캐소드에 사용하는 것이 권장된다. 이들 탄소 나노튜브는 다중벽(10개와 15개 사이의 벽)이며 그들의 비표면적은 180 과 240cm2/g 사이이다.
분산물의 제조
분말 형태의 Graphistrength® C100 HP 100g을 55mm 패들이 장착된 해교기(deflocculator)를 사용하여 NMP(전자 등급, 순도 > 99.8질량%) 400g과 사전 혼합한다.
25g 의 PVP K 30 (BASF) 을 1000 내지 1600rpm에서 교반하면서 1시간에 걸쳐 점진적으로 첨가한다.
30분 후에 추가로 70g의 NMP를 첨가하고 30분 후에 추가로 65g의 NMP를 첨가한다.
15%의 CNT 및 3.8%의 PVP를 함유하는 660g 양의 사전 분산물은 250ml 의 밀 챔버 부피를 갖는 Brandt 수평 볼 밀 (HBM) 에서 밀링 단계를 위해 준비된다.
밀은 직경이 0.4 내지 0.7mm인 세라믹 비드 180ml로 채워지고 간극 크기는 0.1 내지 0.15mm이다.
밀링 회로는 5분 동안 단독으로 230g의 NMP로 프라이밍된다.
사전 분산물은 로터 속도를 3000rpm으로 그리고 펌프를 용량의 35%로 증가시키면서 15 내지 20분에 걸쳐 점진적으로 첨가한다.
분산물의 진전(evolution)을 모니터링하기 위해 고형분 함량 및 흡광도 측정이 취해졌다 (표 1).
[표 1]
Figure 112022051067850-pct00001
각각의 흡광도 측정에 대해, 밀로부터 취해진 분산물을 50ppm의 CNT로 희석했다. 그것은 355 nm의 파장에서 DR/2000 분광계(Hach)를 사용하여 측정되었다.
예 2: 이 용매를 기반으로 한 회수 NMP 및 CNT 분산물 (본 발명)
"전자" 등급의 예 1의 NMP 용매를 사용하여 Li 배터리에 대한 전형적인 "캐소드" 포뮬레이션을 제조하였다. Umicore 에서 제조한 NMC 622 (LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2) 960g에 대해, Arkema 에서 제조한 Kynar® HSV 1810 PVDF 20g을 첨가했다. 건조 사전 혼합물을 디스크 믹서를 사용하여 30분 동안 NMP 1950ml에 분산시켰다. 다음으로, 예 1의 CNT 분산물 50g을 첨가하였다. 이 예의 목적은 캐소드의 전형적인 성분의 존재하에 용매의 회수를 모델링하는 것이기 때문에 용매는 캐소드의 제조에 사용된 포뮬레이션에 대해 오버도우징되었다.
분산물을 5 l Lab Rotovap 브랜드 회전식 증발기에 넣었다. 증발기를 145℃ 로 가열하였고 응축물 용기를 110℃로 유지했다. NMP 응축물과 공기의 접촉을 유지하기 위해 응축기 진공 밸브를 열어 두었다.
24 시간에 걸쳐, 뚜렷한 노란색을 가진 용매 900g이 용기에서 회수되었다.
회수된 NMP는 물의 존재에 대해 Karl Fischer 방법에 의해 분석되었으며, 얻어진 값은 650ppm 이었다. 질량 분광법에 의해 94.6%의 NMP 순도 양을 얻었다. 따라서, 회수된 NMP의 약 5%는 비휘발성 NMP 산화 생성물에 기인할 수 있다.
이 회수 NMP 샘플을 사용하여 동일한 조건을 고수하면서 예 1에 기재된 방법에 따라 CNT 분산물을 제조하였다.
분산물의 진전(evolution)을 모니터링하기 위해 고형분 함량 및 흡광도 측정이 취해졌다 (표 2).
[표 2]
Figure 112022051067850-pct00002
흡광도 제어를 위해, 레퍼런스 셀에 회수 NMP를 사용했다. 회수 NMP의 경우 분산물의 진전이 더 빠른 것으로 관찰된다. 밀링 90분 후, 흡광도는, 예 1에서 밀링 120분 후에 관찰되는, 포화에 접근한다. 흡광도 값은 예 1에서 더 높으며, 이는 본 발명의 분산물의 더 나은 성능을 반영할 수 있다.
예 3 : 캐소드 포뮬레이션에서 예 1 및 2의 CNT 분산물의 전기적 성능
캐소드 포뮬레이션의 제조
12.5 g 양의 "전자" 등급 NMP 중 8%의 Kynar® HSV 1810 PVDF 의 용액을 400 rpm에서 디스크 믹서를 사용하여 예 1의 동일한 양의 CNT 분산물과 혼합했다. 혼합 15분 후, 분산물의 양호한 유동성을 유지하기 위해 98.5 g 의 NMC 622 및 추가 10g 의 NMP 을 점차적으로 첨가한다. 점도에 대한 목표는 3500 과 5000 cPs 사이이다. 1500rpm에서 30분 후에 혼합이 완료되었다.
그런 다음 분산물을, 120μm의 코팅 두께를 목표로 하는, 닥터 블레이드를 사용하여 100μm의 두께로 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 지지체에 적용했다. 코팅을 130℃에서 30분 동안 통풍되는 오븐에서 건조했다.
이 "모델" 캐소드 포뮬레이션의 고형분 함량은 다음과 같다:
NMC: 98.5%; PVDF 1%; CNT 0.5%
코팅된 PET 시트를 절단하여 3×4 cm 샘플들을 얻는다. 각 샘플의 단부들은 은을 함유하는 전도성 잉크로 피복된다. 전기 비저항은 Keithlley 브랜드 전위계를 사용하여 측정되었다.
동일한 프로토콜을 적용하여 예 2의 CNT 분산물을 갖는 캐소드 모델을 얻었다. 전기 측정 결과는 표 3 에 요약되어 있다.
[표 3]
Figure 112022051156231-pct00004
유사한 조건 하에서, 회수 NMP를 기반으로 제조된 CNT 분산물은 NMC622 캐소드 유형 포뮬레이션에서 더 나은 전기적 성능을 보여주고, 전극의 비저항이 낮아 배터리의 올바른 기능에 유리하다.

Claims (7)

  1. - 적어도 하나의 용매로서 상기 용매의 조성은,
    80% 과 98.99% 사이의, 한계치들을 포함한, 질량 함량의 N-메틸피롤리돈,
    1% 미만의 질량 함량의 물, 및,
    NMP를 제외한, 적어도 하나의 γ-부티로락탐 또는 γ-부티로락톤 고리를 갖는 적어도 하나의 화합물을 포함하고, 이들 화합물은, 0.01% 내지 19% 범위의, 한계치들을 포함한, 질량 비율로, 단독으로 또는 조합하여, 존재하며, 이들 화합물의 총합은 19%를 초과하지 않으며,
    상기 용매는 50% 이상 100% 미만의, 질량 비율로 존재하는, 상기 적어도 하나의 용매,
    - 50% 이하의, 0 을 제외한, 질량 비율의 고체 형태인 적어도 하나의 전자 전도체
    를 포함하는 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    활성 충전제 및 적어도 하나의 중합체를 또한 포함하는, 조성물.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    자유 라디칼 발생제를 또한 포함하는, 조성물.
  4. - 제 2 항에 기재된 상기 조성물을 집전체 상에 성막하는 단계;
    - 상기 용매를 증발시키는 단계;
    - 선택적으로 캘린더링하는 단계
    를 포함하는, 전극을 얻기 위한 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    증발에 의해 회수된 상기 용매는 제 1 항의 상기 용매를 포함하는, 전극을 얻기 위한 방법.
  6. 제 4 항의 방법에 따라 얻어진 전극.
  7. 제 6 항에 기재된 하나 또는 두 개의 전극으로 얻어진 배터리.

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