KR102527051B1 - 리튬 이차 전지용 음극, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 - Google Patents

리튬 이차 전지용 음극, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이차 전지용 음극, 상기 음극의 제조방법 및 상기 음극을 포함하는 리튬 이온 이차전지에 관한 것으로서, 음극 집전체의 적어도 일면에 음극 합제층을 포함하는 이온 이차전지용 음극으로서, 상기 음극 합제층 내부의 공극은 Z-텐서(tensor) 값이 0.33 이상을 갖는 리튬 이차전지용 음극을 제공한다. 또한, 상기 음극을 제조하는 방법 및 상기 음극을 포함하는 리튬 이온 이차전지를 제공한다.

Description

리튬 이차 전지용 음극, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지{ANODE FOR LITHIUM ION SECONDARY BATTERY, METHOD FOR PREPARING THE SAME AND LITHIUM ION SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 리튬 이차 전지용 음극, 상기 음극의 제조방법 및 상기 음극을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로 이차 전지용 음극은 음극 활물질, 도전제, 바인더 및 용매를 포함하여 제조된 음극 합제를 음극 집전체 위에 도포한 후 건조하고 이를 압연하는 과정을 거쳐 제조된다. 이 과정에서 이방성 구조를 갖는 음극 활물질은 주로 음극 집전체와 평행한 방향(수평방향)으로 배향되며, 이차 전지가 충방전되는 과정에서 리튬 이온이 이들 음극 활물질 사이에 형성된 수평방향의 공극을 통해 내부로 이동하게 된다.
그러나, 이러한 수평방향으로 형성된 공극을 통해 리튬 이온이 이동할 경우 전극의 로딩(Loading)이 높아질수록 전극 내부까지 이동해야 하는 거리가 크게 증가하게 되어, 충전과정에서의 저항이 증가하게 된다. 특히 고율(high C-rate)에서의 충전을 진행하는 경우, 전극 표면에서 리튬염(Li-plating)이 형성되어 사이클이 반복됨에 따라 전지용량이 떨어지는 문제가 발생하게 된다.
이때 음극 활물질이 음극 집전체와 수직한 방향(수직방향)의 배향을 갖게 되면 형성되는 공극도 수직방향으로 형성될 수 있어 리튬 이온이 내부까지 이동하는 통로의 길이가 더 짧아지는 효과가 발생하고 이를 통해 전지의 저항을 낮출 수 있으며, 특히 고율에서의 충, 방전 효율이 개선되어 급속충전 성능을 향상시킬 수 있다.
이에, 음극 합제를 음극 집전체 표면에 도포하는 과정에서 자기장을 인가하여 음극 활물질을 음극 집전체에 대하여 수직으로 배향시키고, 최종 얻어진 음극에서의 음극 활물질의 XRD 값을 소정 범위로 제어하는 기술이 제안되어 있다. 그러나, 음극 활물질의 배향에 따른 XRD 값은 그 자체가 리튬 이온의 이동경로에 대한 값이 아니므로 전지의 성능과 직접적으로 연관되지 않는 한계가 있어, 이에 대한 대안이 필요한 실정이다.
본 발명은 리튬 이온의 삽입 및 탈리를 용이하게 하여 전지 성능을 향상시키고자 하는 것으로서, 전지 성능을 직접적으로 향상시킬 수 있도록 음극 합제층 내의 공극이 음극 집전체에 대하여 수직으로 배향된 음극 및 상기 음극을 포함하는 리튬 이온 이차전지를 제공하고자 한다.
본 발명은 음극 합제층 내 공극의 배향 정도를 통해 직접적으로 전지 성능을 확인할 수 있는 리튬 이차 전지용 음극 및 이를 포함하는 전지를 제공하고자 한다.나아가, 본 발명은 음극 합제층 내의 공극을 음극 집전체에 대하여 수직으로 배향시킬 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 음극 합제층 내 공극의 배향 정도를 통해 직접적으로 전지 성능을 확인할 수 있는 이차 전지용 음극의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 이차전지용 음극에 관한 것으로서, 음극 집전체의 적어도 일면에 음극 합제층을 포함하는 리튬 이온 이차전지용 음극으로서, 상기 음극 합제층 내부의 공극은 Z-텐서(tensor) 값이 0.33 이상을 갖는 이차전지용 음극을 제공한다.
상기 음극 합제층은 인조흑연, 천연흑연 및 실리콘 중 적어도 하나 또는 이의 혼합물을 음극 활물질로 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질은 무정형, 판상, 플레이크상, 구형, 섬유상, 또는 이들 중 적어도 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 음극 합제층은 음극 합제층 총 중량에 대하여 음극 활물질 94 내지 98중량%, 도전제 0.1 내지 3중량% 및 바인더 1.5 내지 3중량%를 포함할 수 있다.
상기 음극 합제층은 편면의 전극 밀도가 1.50g/cc 이상일 수 있다.
본 발명은 또한, 이차전지용 음극 제조방법에 관한 것으로서, 음극 활물질을 포함하는 음극 합제를 음극 집전체의 적어도 일면에 코팅하여 음극 합제층을 형성하는 단계(A 단계) 및 상기 음극 합제층에 자기장을 인가하여 상기 음극 활물질의 배향을 변화시키는 단계(B 단계)를 포함하며, 상기 음극 합제층 내부의 공극은 Z-텐서(tensor) 값이 0.33 이상을 갖는 것일 수 있다.
상기 음극 합제는 25℃의 온도 및 전단속도(shear rate) 0.1s-1에서의 점도가 5,000 내지 50,000cp의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
상기 음극 합제층에 자기장을 1초 이상 30초 이하의 시간동안 인가하는 것이 바람직하다.
상기 음극 합제층에 인가되는 자기장은 1,000 Gauss 이상, 25,000 Gauss 이하의 세기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 음극 합제는 상기 음극 합제의 고형분 총 중량에 대하여 음극 활물질 94 내지 98중량%, 도전제 0.1 내지 3중량% 및 바인더 1.5 내지 3중량%를 포함하는 것일 수 있다.
상기 B 단계 이후 상기 음극 합제층을 건조하는 단계(C단계)를 더 포함할 수 있다.
상기 B 단계 후에, 상기 음극 합제층을 압연하는 단계(D 단계)를 더 포함할 수 있으며, 상기 압연은 음극 합제층의 편면 전극 밀도가 1.50g/cc 이상으로 되도록 수행할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 방법으로 제조된 리튬 이차전지용 음극을 제공한다.
상기 음극 합제층의 편면 전극 밀도가 1.50g/cc 이상일 수 있다.
나아가, 본 발명은 상기와 같은 음극 및 양극 집전체의 적어도 일면에 양극 합제층을 포함하는 양극이 분리막을 경계로 교대로 적층된 전극조립체 및 상기 전극조립체가 수용되어 밀봉된 전지케이스를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차 전지용 음극은 음극 합제층 내부의 공극이 음극 집전체에 대하여 수직 방향으로 배향되는 배향성이 높아지며, 이에 의해 리튬 이온의 삽입 및 탈리를 용이하게 할 수 있어, 고율에서의 리튬 이온 이차전지의 충방전 효율 및 급속충전 성능을 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지용 음극의 제조 방법에 의하면 음극 합제층 내부의 공극이 음극 집전체에 대하여 수직 방향으로 배향되는 배향성을 높일 수 있으며, 따라서, 고율에서의 리튬 이온 이차전지의 충방전 효율 및 급속충전 성능이 향상된 음극의 제조가 가능하다.
도 1은 음극 합제층에 대해 X-선 현미경(X-Ray Microscope)을 이용하여 얻은 음극 합제층의 3 차원 입체구조 이미지이다.
도 2는 도 1에서 얻은 음극 합제층의 3 차원 입체구조 이미지를 변환하여 얻은 음극 합제층의 내부 공극 구조에 대한 이미지이다.
도 3은 음극 합제층 내부 공극의 배향 정도를 3차원 입체 구조로 평가하는 오리엔테이션 텐서(Orientation tensor)에 대한 개념을 개략적으로 나타내는 도면으로서, (a)는 X1, X2 및 X3의 모든 축 방향으로 랜덤하게 배향(3-D random)된 경우를 나타내고, (b)는 X1 및 X2의 어느 두 축이 이루는 평면으로 배향(planar random)된 경우를 나타내며, (c)는 X1 축 방향으로 정렬되어(aligned) 배향된 경우를 나타낸다.
도 4는 실시예 1 및 4와 비교예 1, 4 및 5에서 얻은 리튬 이온 이차전지에 있어서, 사이클 횟수에 따른 용량 유지율 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 명세서에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
본 발명자들은 리튬 이온의 이동 경로는 음극 활물질 자체가 아니라, 음극 집전체 상에 형성된 음극 합제층 내부의 공극임에 착안하여, 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명은 X-선 현미경(X-Ray Microscope)을 이용하여 자기장을 인가하여 형성된 음극 합제층 내부의 공극을 3차원 이미지화한 후, 각 축 방향으로 오리엔테이션 텐서를 평가하여 얻어진 특정 값의 Z-텐서(tensor)를 갖는 이차 전지용 음극에 관한 것이다. 즉, 리튬 이온의 이동 경로인 전극 합제층의 공극 배향도를 확인함으로써 고율에서의 충방전 효율 및 급속충전 성능이 향상된 이차 전지를 제공할 수 있다.
본 발명에 있어서, 여기서 '수직 방향'이라 함은 음극 집전체에 대하여 90°로 배향된 것으로 한정하지 않으며, 예를 들어, 30° 이상, 바람직하게는 45° 이상, 보다 바람직하게는 60° 이상으로 배향되어 있는 것을 포함한다.
또한, 상기 공극이 수직방향으로 배향된다고 함은 모든 공극이 수직으로 배향되어야 함을 나타내는 것이 아니며, 수직방향으로 배향된 공극이 우세하게 존재한다는 것을 의미하며, 본 발명에 있어서, 상기 공극이 집전체에 대하여 수직방향으로 배향되는 정도는 Z-텐서로 나타낼 수 있다.
본 발명의 리튬 이차전지용 음극은 음극 집전체의 적어도 일면에 음극 합제층을 포함하는 리튬 이온 이차전지용 음극으로서, 상기 음극 합제층 내부의 공극은 Z-텐서(tensor) 값이 0.33 이상을 가질 수 있다.
상기 Z-텐서(tensor) 값의 측정은 음극에 대하여 X-선 현미경을 이용하여 전극 내부의 공극을 이미지화하고, 얻어진 공극의 이미지로부터 Z-텐서(tensor) 값을 도출할 수 있다.
보다 구체적으로, 음극 합제층 내부에 대하여 X-선 현미경을 이용하면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 음극 합제층 내부 공극의 3 차원 입체구조를 얻을 수 있다. 나아가, 상기 얻어진 음극 합제층 내부의 3 차원 입체구조에 대한 이미지로부터 3D 렌더링(rendering)을 거침으로써 도 2에 나타낸 바와 같은 음극 합제층의 내부 공극 구조에 대한 3D 이미지로 변환할 수 있다. 이와 같은 3-D 이미지를 얻을 수 있는 장치로는, X-선 소스(source)를 구비하고, 디텍터를 구비하며, 디텍터 사이에 소스를 확대할 수 있는 렌즈로 구성된 설비를 사용할 수 있으며, 예를 들어, Zeiss사의 Xraida 520 Versa를 들 수 있다. 또한, 상기 3-D 렌더링을 위한 소프트 웨어로는 GEODICT를 들 수 있다.
상기 얻어진 음극 합제층의 내부 공극에 대한 3 차원 입체 구조로부터, 각 공극의 각 축 방향에 대한 배향 정도를 오리엔테이션 텐서(Orientation tensor)로 나타낼 수 있다. 즉, 각 공극에 대한 3차원 입체 구조는 X, Y 및 Z의 3가지 축으로 평가할 수 있으며, 하나의 개체에 있어서 3가지 축에 대한 텐서의 합은 '1'이 되며, 이에 대한 개념을 도 3에 개략적으로 나타내었다.
도 3은 어느 하나의 개체에 대한 배향 정도를 오리엔테이션 텐서로 나타낸 것으로서, (a)는 X1, X2 및 X3의 모든 축 방향으로, 즉, 3차원적으로 랜덤하게 배향(3-D random)된 경우를 나타내고, (b)는 X1 및 X2의 어느 두 축이 이루는 평면으로, 즉, 일 평면에서 랜덤하게 배향(planar random)된 경우를 나타내며, (c)는 X1 축 방향으로 정렬되어(aligned) 배향된 경우를 나타낸다.
특정 축의 오리엔테이션 텐서 값의 크기가 클수록 해당 축으로 배향됨을 의미한다. 즉, Z-텐서(tensor) 값이 클수록 Z축(도 3에서 X3 축에 해당한다) 방향으로 배향이 발달한 것으로 평가할 수 있다.
도 3을 참조하면, 예를 들어, 음극 활물질의 X, Y, Z-텐서 값이 각각 0.33인 경우 도 3의 (a)와 같이 랜덤 배향을 나타내고, Z-텐서 값이 0.33보다 큰 값을 나타내는 경우, 상기 음극 활물질이 Z축, 즉 음극 집전체에 수직 방향으로 배향되는 경향이 우세한 것을 나타낸다. 즉, Z-텐서 값이 0.33보다 큰 경우, 음극 합제층 내에서 Z축 방향으로 배향된 공극이 우세하게 형성됨을 의미할 수 있다.
경우에 따라, 특정 축으로의 배향이 발달한 경우, 즉 특정 오리엔테이션 텐서 값이 0.33을 초과하는 경우에는 해당 축으로의 형상이 발달하여 개체에서 해당 축으로의 길이가 증가될 수 있다.
본 발명에 있어서, 음극 합제층 내부의 공극은 상기 Z-텐서 값이 0.33 이상의 값을 갖는 것이 바람직하다. 상기 공극의 Z-텐서 값이 0.33 이상인 경우에 음극 합제층 내부의 공극이 음극 집전체에 대하여 수직 방향으로 배향되는 배향성이 높아져 리튬이온의 이동경로를 단축시킬 수 있다. 따라서 충방전 과정에서 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 용이하게 이루어질 수 있고, 이로 인해 고율에서의 충방전 효율이 개선되어 급속충전 성능이 개선될 수 있으며, 또한, 충방전 과정에서 리튬 이온이 전극 내부로의 확산 저항이 감소되어, 전극 표면에 리튬염(Li-plating)이 형성되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기와 같은 음극 합제층 내의 공극을 음극 집전체에 대하여 수직방향으로의 배향성을 향상시키기 위해, 음극 합제를 음극 집전체 상에 도포하고 자기장을 인가하는 방법을 적용할 수 있다. 음극 집전체에 음극 합제를 도포한 후에 자기장을 인가함으로써 음극 합제층 내의 음극 활물질을 수직방향으로 배향시킬 수 있으며, 나아가 음극 합제층 내에 음극 집전체에 대하여 수직 방향으로 배향된 공극을 발달시킬 수 있다.
이때, 자기장 인가는 자기장의 세기, 자기장의 인가 시간 및 음극 합제의 점도에 따른 음극 활물질 및 공극의 배향 변화를 확인하여 조절할 수 있다.
상기 자기장 인가는 1,000 Gauss 이상, 25,000 Gauss 이하의 범위의 강도, 예를 들어, 2,000 Gauss 이상, 15,000 Gauss 이하, 2,500 Gauss 이상, 7,500 Gauss 이하의 범위의 강도의 자기장을 1초 이상, 30초 이하, 예를 들어, 1초 이상, 10초 이하의 시간 동안 인가하는 조건으로 수행할 수 있다.
이때, 음극 합제는, 온도 온도 25℃ 및 전단속도 0.1s-1 조건에서의 측정시를 기준으로, 5,000cp 이상, 50,000cp 이하의 점도를 갖는 것이 바람직하다. 음극 합제의 점도가 5,000cp 미만인 경우에는 음극 활물질의 자기배향 측면에서는 유리하여 공극의 배향성을 높일 수 있으나, 점도가 지나치게 낮아 슬러리 내 활물질이 쉽게 침전할 수 있는 문제가 있으며, 50,000cp를 초과하는 경우에는 자기장 인가에 따른 음극 활물질 및 공극의 배향이 어렵고, 점도가 높아 코팅 공정성이 악화되는 문제가 있다. 즉, 상기 음극 슬러리는 온도 25℃ 및 전단속도 0.1s-1의 조건에서 5,000cp 이상, 50,000cp 이하, 바람직하게는 30,000cp의 점도를 가짐에 따라 활물질 침전 억제 및 자기 배향 효과의 동시 확보가 가능하다.
또한, 전술한 점도 범위 내에서는 점도가 낮을수록 자기장 세기 및 자기장 인가 시간이 동일하더라도 음극 합제의 유동에 대한 저항이 감소하며, 이에 따라 음극 활물질의 집전체에 대한 수직 방향 배향성을 높이기가 용이한 바, 음극 합제층 내 공극의 Z-텐서(tensor) 값이 0.33 이상을 갖도록 제조하기에 유리할 수 있다.
본 발명에 있어서, 음극 합제는 음극 활물질, 도전제, 바인더 및 용매로서 물을 포함하고, 필요에 따라 증점제 등을 더 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질은 탄소계 음극 활물질을 사용할 수 있다. 상기 탄소계 음극 활물질은 리튬 이온 이차전지의 음극 제조에 있어서 통상적으로 사용되는 것이라면 본 발명에서도 적합하게 사용할 수 있는 것으로서, 특별히 한정하지 않으나, 인조 흑연 또는 인조 흑연과 천연 흑연의 혼합물일 수 있다. 음극 활물질로 인조흑연 또는 인조 흑연과 천연 흑연의 혼합물인 결정질 탄소계 물질을 사용하는 경우, 비정질 탄소계 활물질을 사용하는 경우에 비하여 입자의 결정학적 특성이 더 발달되어 있기 때문에 외부 자기장에 대한 극판 내 탄소물질의 배향특성을 더 향상시킬 수 있어, 공극의 배향성을 향상시킬 수 있다.
상기 인조 흑연 또는 천연 흑연의 형태는 무정형, 판상, 플레이크상, 구형, 섬유형, 또는 이들의 조합일 수 있다. 또한, 상기 인조 흑연과 천연 흑연을 혼합 사용하는 경우, 혼합비는 중량비로 70:30 내지 95:5일 수 있다.
또한, 상기 음극 활물질은 상기 탄소계 음극 활물질과 함께, Si계 음극 활물질, Sn계 음극 활물질 또는 리튬 바나늄 산화물 음극 활물질 중 적어도 하나를 더욱 포함할 수 있다. 음극 활물질이 이들을 더욱 포함하는 경우, 전체 음극 활물질 중량에 대하여 1 내지 50중량%의 범위로 포함할 수 있다.
상기 Si계 음극 활물질은 Si, Si-C 복합체, SiOx(0<x<2), Si-Q 합금일 수 있으며, 상기 Q는, Si 이외의, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, 구체적으로, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 Sn계 음극 활물질은 Sn, SnO2, Sn-R 합금일 수 있으며, 상기 R은, Sn 및 Si가 아니며, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, 구체적으로, 구체적으로, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 또한 이들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수도 있다.
상기 음극 활물질은 음극 합제의 고형분 중량에 대하여 94 내지 98중량%의 함량을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 음극 합제는 바인더를 포함한다. 상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 결착시키고, 또한 음극 활물질을 음극 집전체에 잘 결착시키는 역할을 한다. 상기 바인더로는 수계 바인더를 사용할 수 있다.
상기 수계 바인더로는 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버(SBR), 아크릴로나이트릴-부타디엔 러버, 아크릴 고무, 부틸 고무, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 폴리에피클로로히드린, 폴리포스파젠, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체, 폴리비닐피리딘, 클로로설폰화 폴리에틸렌, 라텍스, 폴리에스테르수지, 아크릴수지, 페놀수지, 에폭시수지, 폴리비닐알콜 수지, 아크릴레이트계 수지 또는 이들의 조합을 들 수 있다.
상기 음극 활물질 층에서 바인더의 함량은 음극 합제의 고형분 중량에 대하여 1.5 내지 3중량%일 수 있다.
상기 바인더와 함께, 점성을 부여하기 위해 증점제를 더욱 포함할 수 있다. 상기 증점제로는 셀룰로오스계 화합물을 들 수 있으며, 예를 들어, 카르복시메틸셀룰로오스, 하이드록시프로필메틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 또는 이들의 알칼리 금속염 등을 1종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 알칼리 금속으로는 Na, K 또는 Li를 사용할 수 있다. 상기 증점제는 음극 활물질 100중량부에 대하여 0.1중량부 내지 3중량부일 수 있다.
상기 도전제는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 이차전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.
상기 도전제는 음극 합제 고형분 중량에 대하여 0.1 내지 3중량% 사용할 수 있다.
상기 음극 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 음극 집전체의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 5 내지 30㎛일 수 있다.
상기한 바와 같이, 음극 합제를 음극 집전체의 적어도 일면에 도포하고, 자기장을 인가하여 음극 활물질 및 공극을 배향시킨 후, 건조 및 압연함으로써 음극 집전체 상에 음극 합제층이 형성된 음극을 제조할 수 있다.
상기 건조 공정은 음극 합제 중에 포함되는 용매를 제거하기 위한 것으로서, 건조 수단은 특별히 제한되지 않으며, 통상적인 건조 수단을 적용할 수 있으며, 예를 들어, 열풍 건조 등의 가열 건조를 들 수 있다.
상기 건조 공정은 특별히 제한하지 않으나, 예를 들면 60 내지 180℃, 바람직하게는 70 내지 150℃ 범위 내에서 20 내지 300초, 예를 들어, 40 내지 240초, 60 내지 200초 동안 수행할 수 있다.
상기 건조 공정 후에 압연 공정을 수행할 수 있으며, 압연 공정에 통해, 음극 합제층의 두께나 밀도를 조제할 수 있다. 압연 처리에는 롤 프레스법, 평판 프레스법 등의 통상적인 방법을 사용할 수 있으며, 상기 압연 공정에 의해 음극 합제층의 두께를 편면 당 20㎛ 이상, 120㎛ 이하, 예를 들어 40㎛ 이상, 100㎛ 이하, 또는 60㎛ 이상, 80㎛ 이하로 제조할 수 있다.
한편, 본 발명은 음극 합제층의 밀도가 1.5g/㎤ 이상의 고밀도 전극에 적합하게 적용될 수 있는바, 1.5g/㎤ 이상으로 압연할 수 있으며, 예를 들어, 1.5g/㎤ 이상, 2.2g/㎤ 이하, 또는 1.5g/㎤ 이상, 2.0g/㎤ 이하로 압연할 수 있다.
본 발명에 따른 음극은 음극 합제층 내의 음극 활물질 및 공극, 특히 공극이 음극 집전체에 대하여 수직 방향으로 배향됨으로써 리튬 이온이 전극 내부로 확산하는 것을 용이하게 하여, 고율에서의 충방전 효율이 개선되어 급속충전 성능을 개선할 수 있다.
본 발명에 의해 얻어진 수직방향으로의 배향성이 발달한 공극을 포함하는 음극을 분리막을 경계로 양극과 교대로 적층하여 전극조립체를 제조한 후, 전지케이스에 삽입 밀봉하고 전해액을 주입하여 리튬 이온 이차전지를 제조할 수 있다.
이하, 양극에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. 상기 양극은 특별히 한정하지 않으나, 양극 집전체의 적어도 일면에 양극 합제를 도포하고, 건조 및 압연하여 양극 합제층이 형성된 것으로서, 이차전지에서 통상적으로 사용되는 양극이라면 본 발명에서 적합하게 사용할 수 있다.
상기 양극 합제는 양극 활물질, 바인더 및 용매를 포함하며, 필요에 따라 도전제를 포함하며, 증점제를 또한 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질은 리튬의 가역적인 삽입 및 탈리가 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. 구체적으로는 코발트, 망간, 니켈, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
보다 구체적인 예로는 일반식 LiMO2로 표시되는 것으로서, 층형 구조의 리튬 전이 금속 화합물(산화물)을 들 수 있으며, 여기서 M는 Ni, Co, Mn 등의 전이 금속 원소 중 적어도 일종을 포함하고, 다른 금속 원소 또는 비금속 원소를 추가로 포함할 수 있다. 상기 복합 산화물로서는, 예를 들어, 상기 전이 금속 원소를 일종 포함하는 일원계 리튬 전이 금속 복합 산화물, 상기 전이금속 원소를 2종 포함한 이른바 2원계 리튬 전이 금속 복합 산화물, 전이 금속 원소로서 Ni, Co 및 Mn를 구성 원소로서 포함한 삼원계 리튬 전이 금속 복합 산화물을 들 수 있으며, Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2와 같은 삼원계 리튬 전이 금속 복합 산화물이 바람직하다.
또, 일반식 Li2MO3로 표시되는 리튬 전이 금속 화합물(산화물)로서, 여기서 M는 Mn, Fe, Co 등의 전이 금속 원소 중 적어도 일종을 포함하고, 다른 금속 원소 또는 비금속 원소를 추가로 포함할 수 있으며, 예를 들어, Li2MnO3, Li2PtO3 등을 들 수 있다.
또한, 상기 LiMO2와 상기 Li2MO3의 고용체일 수 있으며, 예를 들어, 0.5LiNiMnCoO2-0.5Li2MnO3로 표시되는 고용체일 수 있다.
나아가, 상기 양극 활물질의 표면에 코팅층을 갖는 것을 사용할 수도 있고, 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 코팅층은 코팅 원소의 산화물, 수산화물, 옥시하이드록사이드, 옥시카보네이트 및 하이드록시카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 코팅 원소 화합물을 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 양극에서, 상기 양극 활물질은 양극 합제의 고형분 중량에 대하여 90 내지 98중량%일 수 있다.
상기 바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 결착시키고, 또한 양극 활물질을 양극 집전체에 결착시키는 역할을 하는 것으로서, 양극 합제의 고형분 중량에 대하여 1.5 내지 5중량%일 수 있다. 상기 바인더는 예를 들어, 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 디아세틸셀룰로오스, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있다.
상기 바인더와 함께, 점성을 부여하기 위해 증점제를 더욱 포함할 수 있다. 상기 증점제는 음극 합제에 포함되는 증점제를 동일하게 사용할 수 있으며, 음극 활물질 100중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 3 중량부의 함량으로 포함할 수 있다.
상기 도전제는 양극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 이차전지의 양극에서 통상적으로 사용되는 전자 전도성 재료이면 적합하게 사용할 수 있는 것으로서, 상기 음극 합제에서 사용되는 도전제를 사용할 수 있다. 상기 도전제는 양극 합제의 고형분 중량을 기준으로 0.1 내지 5중량%의 함량을 사용할 수 있다.
상기 용매는 물과 같은 수성 용매는 물론, 비수용매를 사용할 수 있다. 상기 비수용매로는 이차전지의 양극 합제 제조에 통상적으로 사용되는 것이라면 본 발명에서도 사용할 수 있으며, 예를 들면, N-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 들 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
양극 집전체로는 도전성이 양호한 금속으로서, 예를 들어, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 스테인리스 강 등을 사용할 수 있으며, 시트형, 박형, 메쉬형 등의 다양한 형태일 수 있다. 상기 양극 집전체의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 5 내지 30㎛일 수 있다.
상기한 바와 같이, 양극 합제를 양극 집전체의 적어도 일면에 도포하고, 건조 및 압연함으로써 양극 집전체 상에 양극 합제층이 형성된 양극을 제조할 수 있다.
상기 건조 및 압연 공정은 양극의 제조와 동일한 방법에 의해 수행할 수 있는 것으로서, 구체적인 설명은 생략한다.
상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막은 다공질 시트, 부직포 등으로서, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층의 혼합 다층막, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층의 혼합 다층막, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층의 혼합 다층막 등일 수 있고, 나아가, 상기 다공질 시트, 부직포 등의 편면 또는 양면에 다공질의 내열층을 구비하는 것일 수 있다. 상기 분리막은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 약 10 내지 40㎛의 두께를 갖는 것을 사용할 수 있다.
상기 전해질은 비수성 유기 용매 및 리튬염을 포함한다. 상기 비수성 유기용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 하는 것으로서, 예를 들어, 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계, 또는 비양성자성 용매 등으로서, 리튬 이온 이차전지에서 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있으며, 상기 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 리튬염은 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질로서, 예를 들어, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiN(SO3C2F5)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 각각 독립적으로 1 내지 20의 정수이다), LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate: LiBOB)로 이루어진 군에서 선택되는 일종 또는 이종 이상을 사용할 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 특별히 한정하지 않으나, 0.1M 내지 2.0M 범위 내에서 사용할 수 있다.
상기 전해질은 전지 수명을 향상시키기 위하여 필요에 따라 비닐렌 카보네이트 또는 에틸렌 카보네이트계 화합물을 더욱 포함할 수도 있다. 즉, 본 발명에 따른 음극으로서, 음극 합제층 내의 공극의 배향이 Z축으로 우세한, 즉 음극 합제층 내부의 공극이 Z-텐서(tensor) 값이 0.33 이상인 리튬 이차전지용 음극을 포함하는 이차전지는 충방전 과정에서 리튬 이온의 전극 내 확산이 용이하여, 전지의 저항을 낮출 수 있고, 특히 고율에서의 충방전 효율이 개선되어 사이클 수명 특성 및 급속 충전 성능을 향상시킬 수 있다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예를 들어, 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명의 구체적인 일 예를 나타내는 것으로서, 이에 의해 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다.
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5
인조 흑연 89.3중량%, 실리콘 옥사이드 5중량%, 스티렌 부타디엔 러버 1.5중량%, 카르복시메틸셀룰로즈 1.2 CNT 3중량%를 물에 혼합하여 음극 합제를 제조하였다. 이때, 음극 합제의 점도는 온도 25℃, 전단속도 0.1s-1 에서 표 1에 나타낸 바와 같다.
상기 제조된 음극 합제를 Cu 포일의 음극 집전체 상하에 코팅하고, 음극 집전체를 4,000 Gauss의 자기장이 형성된 한 쌍의 네오디뮴 자석 사이로 통과시켰다. 이때, 음극 합제가 코팅된 음극 집전체의 이동 속도를 변화시켜 표 1에 나타낸 바와 같이 자기장이 인가되는 시간을 조절한 후, 건조 및 압연하여 음극을 제조하였다. 단, 비교예 1은 자기장을 인가하지 않았다.
상기 제조된 음극에 대하여 X선 현미경(Zeiss사의 Xraida 520 Versa, 3D rendering software: GEODICT)을 사용하여 공극의 3-D Z-텐서(tensor) 값을 평가하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2의 양극 활물질 96중량%, CNT 도전제 2중량% 및 폴리비닐리덴 플루오라이드 바인더 2중량%를 N-메틸피롤리돈 용매 중에서 혼합하여 양극 합제를 제조하였다. 제조된 음극 합제를 이용하여 Al 포일의 양극 집전체의 양면에 코팅한 후, 건조 및 압연하여 양극을 제조하였다.
상기 제조된 음극 및 양극을 분리막을 경계로 교대로 적층하여 파우치 내에 삽입하고, 밀봉한 후 1M LiPF6가 용해된 에틸렌 카보네이트 및 디에틸 카보네이트의 혼합 용매(50:50 부피비)를 주입하여 리튬 이온 이차전지를 제조하였다.
상기 제조된 각각의 이차전지에 대하여 고율(2.5C) 충전 및 방전(0.3C)을 반복하고, 100 사이클 및 300 사이클에서의 용량 유지율을 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다. 나아가, 실시예 1, 3 및 비교예 1, 4, 5의 리튬 이온 이차전지에 대하여, 사이클 횟수에 따른 용량 유지율 변화를 도 4에 나타내었다.
구분 음극 합제 점도(cp)
(25℃, 0.1s-1) 		자기장
인가시간(초)		 Z-텐서 용량 유지율(%)
(2.5C 충전/0.3C 방전)
100 사이클 300 사이클
비교예1 29,290 0 (미인가) 0.24 80.4 <80.0
비교예2 29,290 0.5 0.25 100.0 85.2
실시예1 29,290 1.0 0.34 100.1 98.2
실시예2 29,290 4.0 0.33 100.4 98.9
실시예3 29,290 8.0 0.33 100.3 99.1
실시예4 11,500 4.0 0.42 100.7 99.5
비교예3 54,130 4.0 0.30 100.0 90.2
비교예4 77,210 4.0 0.25 99.8 <80.0
비교예5 77,210 8.0 0.25 100.0 85.2
상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 점도가 29,290cp로 동일한 음극 합제에 대해 자기장을 인가하지 않은 비교예 1, 및 자기장 인가 시간이 0.5초로 짧은 비교예 2의 경우에는 Z-텐서 값이 각각 0.24와 0.25로 낮은 값을 갖는 반면, 자기장 인가 시간이 1초 이상인 실시예 1 내지 4의 경우에는 음극 합제층 내 공극의 Z-텐서 값이 0.33 이상으로 높은 값을 나타내었다. 또한, 실시예 1 내지 4의 경우에는 300 사이클까지 98% 이상의 높은 용량 유지율을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.
한편, 고율 충방전 사이클 결과를 보면, 음극 합제층 내 공극의 Z-텐서(tensor) 값이 0.33 이하의 낮은 값을 갖는 음극을 포함하는 비교예 1 및 2의 이차전지에서는 300 사이클에서의 용량 유지율이 각각 80% 미만 및 85% 정도로 나타나, 용량 유지율이 95% 이하로 대폭 저하된 결과를 나타내었다. 즉, 이를 통해 실시예 1 내지 3은 리튬 이온 이동 경로인 음극 합제층 내 공극이 집전체에 대해 수직 방향으로 배향되는 정도가 발달함에 따라 전지 성능이 향상됨을 확인하였다.
나아가, 도 4로부터도 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 음극을 포함하는 실시예 1의 이차전지는 300 사이클의 충방전을 진행하는 중에 용량 유지율을 거의 일정하게 유지하는 반면, 자기장이 인가되지 않은 비교예 1의 이차전지는 충방전 사이클 초기부터 용량 유지율이 급격하게 저하되어, 100 사이클에서의 용량 유지율이 80% 수준까지 저하되었다. 이에, 100 사이클 이후부터는 더 이상 용량 변화를 확인하지 않았다.
상기와 같은 결과는 자기장 인가에 따라 음극 활물질의 수직 배향성 및 음극 합제층 내부의 공극이 Z-축 방향으로 배향되는 정도가 향상됨으로써, 리튬 이온의 이동거리를 단축시키고, 충전과정에서 리튬 이온의 전극 내 확산 저항을 감소시키며, 또, 고율 충전에서의 리튬염 발생을 억제하였기 때문으로 설명될 수 있다.
특히, 점도가 낮은 음극 합제를 사용하여 제조된 실시예 4의 음극은 Z-텐서 값이 자기장을 동일한 시간 동안 인가하여 제조한 실시예 2의 음극, 및 자기장을 더 긴 시간 동안 인가하여 제조된 실시예 3의 음극에 비하여 보다 높은 값을 가지며, 실시예 4의 리튬 이온 이차전지는 300 사이클에서의 용량 유지율이 99.5% 수준으로서, 실시예 2 및 실시예 3의 리튬 이온 이차전지에 비하여 용량 유지율이 매우 높은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 4로부터도 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 음극을 포함하는 실시예 4의 이차전지는 300 사이클의 충방전을 진행하는 중에 용량 유지율이 거의 일정하게 유지됨을 알 수 있었다.
상기와 같은 결과는 전지 성능 결과는 Z-텐서 값의 차이에 따른 것으로서, 동일한 세기의 자기장을 보다 짧은 시간 동안 인가하였음에도 불구하고, 음극 합제의 점도가 낮아 음극 합제의 유동에 대한 저항이 감소됨으로써 음극합제층 내의 음극 활물질과 공극이 집전체에 대해 수직방향으로 배향되는 배향성이 보다 향상되었기 때문이다.
반면, 점도가 50,000cp 이상으로 높은 음극 합제를 사용하여 제조된 비교예 3 내지 5의 음극은 실시예 4와 동일한 세기의 자기장을 동일한 시간 동안 인가하여 음극 활물질을 수직 배향시켰으나, Z-텐서 값이 0.33 미만의 값을 나타내어, 음극 합제층의 공극이 음극 집전체에 대하여 수직방향으로 배향되는 배향성이 충분히 발달하지 않은 것으로 평가되었다.
이와 같은 음극을 포함하는 비교예 3 내지 5의 리튬 이온 이차전지는 300 사이클에서의 용량 유지율도 90.2% 이하 수준으로 현저히 나빠짐을 확인할 수 있었다. 또한, 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 비교예 4 및 5의 이차전지는 100 사이클 이후부터 용량 유지율이 급격히 저하되었다. 비교예 4는 200사이클에서 85% 이하의 용량 유지율을 나타내어, 추가적인 용량 변화를 확인하지 않았으나, 300 사이클에서 80% 미만의 용량 유지율을 가질 것으로 예상되었다.
한편, 비교예 4와 5를 비교하면, 동일한 점도의 합제를 사용하면서 자기장 인가 시간을 증가시키더라도 Z-텐서(tensor) 값에는 영향을 미치지 않는 결과를 나타내었다.
실시예 5 내지 6 및 비교예 6 내지 7
음극 합제의 점도, 자기장 인가 시간을 표 2와 같이 조절한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극을 제조하고, Z-텐서 값을 평가하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.
또한, 제조된 음극에 대하여 음극 집전체 표면에 대한 음극 활물질의 배향 정도를 확인하기 위해, XRD를 측정하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
나아가, 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 및 리튬 이온 이차전지를 제조한 후, 제조된 각각의 이차전지에 대하여 실시예 1과 동일한 방법으로 용량 유지율을 측정하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
구분 음극 합제 점도(cp)
(25℃, 0.1s-1)		 자기장
인가시간(초)		 I(110)/I(002) Z-텐서 용량 유지율(%)
(2.5C 충전/0.3C 방전)
100 사이클 300 사이클
비교예 6 11,340 0(미인가) 0.15 0.30 100 86.2
실시예 5 11,340 2 0.17 0.48 100 99.5
비교예 7 12,440 0(미인가) 0.17 0.32 99 85.9
실시예 6 12,440 2 0.78 0.42 100 98.8
I(110)/I(002)가 0.5(%) 이상일 경우 음극 활물질이 음극 집전체에 대하여 수직으로 배향되었음을 나타내고, 0(%)에 가까울 수록 수평으로 배향되었음을 나타낸다.
상기 표 2에 있어서 실시예 5와 비교예 6을 비교하면, I(110)/I(002)의 값이 자기배향 전은 0.15% 자기배향 후는 0.17% 수준이다. 해당 값은 모두 0.5% 이하로서, 자기장 인가에도 불구하고 음극 집전체에 대하여 수직방향으로 배향된 음극 활물질이 관찰되지 않는 정도의 값이다.
그러나, 비교예 6의 음극에 대하여 실시예 5의 음극의 Z-텐서 값이 0.18만큼 증가한 결과를 나타내는데, 이는 자기장 인가에 의해 음극 합제층 내의 공극이 음극 집전체에 대해 수직방향으로 발달하였음을 보여준다. 이와 같은 자기장 인가에 의한 공극의 배향성 증가는 음극 활물질의 배향성 정도를 나타내는 XRD 분석으로부터는 확인할 수 없으나, Z-텐서 값의 평가로부터 확인할 수 있다.
이때, 실시예 5의 음극은 Z-텐서 값이 0.48로서, 음극 집전체의 수직 방향으로 배향된 공극이 음극 합제층 내에 우세하게 존재함을 알 수 있으며, 이러한 음극을 포함하는 이차전지는 용량 유지율이 99.5%로서, 비교예 6에 비하여 현저히 높은 용량 유지율을 나타내었다.
한편 상기 표 2의 실시예 6과 비교예 7을 비교하면 I(110)/I(002)의 경우에는 자기배향 전의 비율이 0.17%인 것에 비하여, 자기배향 적용 후 0.78%로 자기배향 후 I(110)/I(002)의 값이 0.5% 이상으로 변화된 것을 볼 수 있다.
또한, 비교예 7의 음극에 대하여 실시예 6의 음극의 Z-텐서 값이 0.1만큼 증가한 결과를 나타내는데, 이는 자기장 인가에 의해 공극이 음극 집전체의 수직 방향으로 발달하였음을 나타낸다. 이때, 실시예 6의 음극은 Z-텐서 값이 0.42로서, 음극 집전체의 수직 방향으로 배향된 공극이 음극 합제층 내에 우세하게 존재함을 알 수 있으며, 이러한 음극을 포함하는 이차전지는 용량 유지율이 98.8%로서, 비교예 7에 비하여 현저히 높은 용량 유지율을 나타내었다.
상기와 같은 실시예 5, 6 및 비교예 6, 7의 결과로부터, 자기장 인가에 의해 음극 활물질의 배향도를 변경하고, XRD 값의 변화 및 Z-텐서(tensor) 값의 변화를 분석한 결과로부터, 자기장을 인가함에 따라 음극 활물질의 배향도 변화를 XRD 측정으로 도출된 I(110)/I(002)로 나타낸 경우, I(110)/I(002) 값은 항상 전지 성능과 직결된 것은 아님을 알 수 있다.
반면, 자기장 인가에 의해 음극 집전체의 수직 방향으로 배향된 공극을 음극 합제층 내에 발달시키는 경우, 리튬 이온의 이동 경로가 단축되어 전지 성능을 향상시킬 수 있을 확인할 수 있었다. 즉, 음극 합제층 내의 음극 활물질의 배향성보다는, 리튬 이온의 이동 통로인 음극 합제층 내부의 공극의 배향성과 관련된 Z-텐서 값이 전지 성능과 직결되는 특성임을 알 수 있었다.

Claims (15)

  1. 음극 집전체의 적어도 일면에 음극 합제층을 포함하는 리튬 이온 이차전지용 음극으로서, 상기 음극 합제층 내부의 공극은 Z-텐서(tensor) 값이 0.33 이상이고, 0.48 이하이며, I(110)/I(200) 값이 0.5% 미만인, 이차전지용 음극.
  2. 제1항에 있어서, 상기 음극 합제층은 인조흑연, 천연흑연 및 실리콘 중 적어도 하나 또는 이의 혼합물을 음극 활물질로 포함하는 것인, 이차전지용 음극.
  3. 제2항에 있어서, 상기 음극 활물질은 무정형, 판상, 플레이크상, 구형, 섬유상, 또는 이들 중 적어도 2종 이상의 혼합물인, 이차전지용 음극.
  4. 제1항에 있어서, 상기 음극 합제층은 음극 합제층 총 중량에 대하여 음극 활물질 94 내지 98중량%, 도전제 0.1 내지 3중량% 및 바인더 1.5 내지 3중량%를 포함하는 것인, 이차전지용 음극.
  5. 제1항에 있어서, 상기 음극 합제층은 편면의 전극 밀도가 1.50g/cc 이상인 것인, 이차전지용 음극.
  6. 음극 활물질을 포함하고, 25℃의 온도 및 전단속도(shear rate) 0.1s-1에서 5000 내지 30,000cp의 범위의 점도를 갖는 음극 합제를 음극 집전체의 적어도 일면에 코팅하여 음극 합제층을 형성하는 단계(A 단계); 및
    상기 음극 합제층에 1,000 Gauss 이상, 25,000 Gauss 이하인 자기장을 1초 이상 30초 이하의 시간동안 인가하여 상기 음극 활물질의 배향을 변화시키는 단계(B 단계)를 포함하며,
    상기 음극 합제층 내부의 공극은 Z-텐서(tensor) 값이 0.33 이상이고 0.48 이하이며, I(110)/I(200) 값이 0.5% 미만인, 이차전지용 음극 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서, 상기 음극 합제는 상기 음극 합제의 고형분 총 중량에 대하여 음극 활물질 94 내지 98중량%, 도전제 0.1 내지 3중량% 및 바인더 1.5 내지 3중량%를 포함하는, 이차전지용 음극 제조 방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 B 단계 이후 상기 음극 합제층을 건조하는 단계(C단계)를 더 포함하는, 이차전지용 음극 제조 방법.
  12. 제6항 및 제10항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 B 단계 후에, 상기 음극 합제층을 압연하는 단계(D 단계)를 더 포함하며, 상기 압연은 음극 합제층의 편면 전극 밀도가 1.50g/cc 이상으로 되도록 수행하는 것인, 이차전지용 음극 제조방법.
  13. 제6항 및 제10항 내지 제11항 중 어느 한 항의 이차전지용 음극 제조 방법으로 제조된 리튬 이차전지용 음극.
  14. 제13항에 있어서, 상기 음극 합제층의 편면 전극 밀도가 1.50g/cc 이상인, 리튬 이차전지용 음극.
  15. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 음극 및 양극 집전체의 적어도 일면에 양극 합제층을 포함하는 양극이 분리막을 경계로 교대로 적층된 전극조립체; 및
    상기 전극조립체가 수용되어 밀봉된 전지케이스;
    를 포함하는 리튬 이차전지.
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