KR102571151B1 - Anode For Lithium Secondary Battery, Method Of Making The Same and Lithium Secondary Battery comprising the Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극, 음극 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고, 상기 음극은 Si-함유 음극활물질, 섬유형 도전재 및 바인더를 포함하는 웹(web) 구조의 음극활물질층을 구비하며, 상기 양극과 상기 음극의 용량비(N/P ratio)가 1.5 내지 3.0인 리튬 이차전지를 제공한다. 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 Si계 음극을 섬유형 도전재를 사용하여 웹 구조로 구성함에 따라 Si의 부피팽창이 발생되더라도 지속적으로 도전 네트워크를 유지하여 충방전 특성을 개선할 수 있다.The present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed therebetween, wherein the negative electrode includes a negative electrode active material layer having a web structure including a Si-containing negative electrode active material, a fibrous conductive material, and a binder, and the positive electrode And the capacity ratio (N / P ratio) of the negative electrode provides a lithium secondary battery of 1.5 to 3.0. In the lithium secondary battery according to the present invention, since the Si-based negative electrode is configured in a web structure using a fibrous conductive material, the charge/discharge characteristics can be improved by continuously maintaining the conductive network even when Si volume expansion occurs.

Description

리튬 이차전지용 음극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지{Anode For Lithium Secondary Battery, Method Of Making The Same and Lithium Secondary Battery comprising the Same}Anode For Lithium Secondary Battery, Method Of Making The Same And Lithium Secondary Battery Comprising The Same}

본 발명은 리튬 이차전지용 음극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary battery, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery including the same.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 이차 전지 중 양극재나 음극재의 결정구조 내로 리튬 이온이 삽입(intercalation)되는 기작을 이용하여, 높은 에너지 밀도와 전압을 갖고 사이클 수명이 긴 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.As technology development and demand for mobile devices increase, demand for secondary batteries as an energy source is rapidly increasing. Among these secondary batteries, lithium secondary batteries having high energy density and voltage and long cycle life are commercialized and widely used by using a mechanism in which lithium ions are intercalated into the crystal structure of a cathode material or an anode material.

리튬 이차전지는 양극, 음극, 상기 양극과 음극의 사이에 개재되어 이들을 분리하는 세퍼레이터, 및 상기 양극 및 음극과 전기화학적으로 소통하는 전해액을 포함한다. A lithium secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode to separate them, and an electrolyte that communicates electrochemically with the positive electrode and the negative electrode.

이러한 리튬 이차전지는 통상적으로 양극에는 LiCoO2, LiMn2O4 등과 같이 리튬이 삽입되어 있는 화합물을 사용하고, 음극에는 탄소계, Si계 등의 리튬이 삽입되어 있지 않은 물질을 사용하여 제조되며, 충전시에는 양극에 삽입된 리튬 이온이 전해액을 통해 음극으로 이동하고, 방전시에는 다시 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하게 된다. 충전 반응시 양극에서 음극으로 이동하는 리튬은 전해액과 반응하여 음극의 표면에 일종의 보호막(passivation film)인 SEI(solid electrolyte interface) 층을 형성하게 된다. 이 SEI 층은 음극과 전해액의 직접적인 접촉을 줄여 SEI 층 형성 후 추가적인 전해질의 분해반응을 방지함으로써 음극의 구조를 안정화 및 전해액 소모를 최소화할 수 있는 한편, SEI층의 형성 반응은 비가역적 반응이기 때문에 활성화 또는 사이클 초기에 전해액 첨가제 및 리튬이온의 소모를 가져온다. 또한, 활물질 자체적으로 구조에 따라 비가역적으로 리튬이 소모될 수 있는 영역이 있으며, 이러한 영역에서는 충전후 다시 리튬 이온이 방출되지 않아 리튬 이온의 소모가 발생한다. 즉, 초기 활성화 과정에서 음극에서의 반응으로 소비된 리튬은 이어지는 방전 과정에서 양극으로 돌아가지 않아 전지의 용량을 감소시키며, 이러한 현상을 비가역 용량(irreversible capacity)이라고 한다. These lithium secondary batteries are typically manufactured by using a lithium-intercalated compound such as LiCoO 2 or LiMn 2 O 4 for the cathode and a non-lithium-intercalated material such as carbon-based or Si-based for the anode, During charging, lithium ions inserted into the positive electrode move to the negative electrode through the electrolyte, and during discharging, lithium ions move from the negative electrode to the positive electrode. During the charging reaction, lithium moving from the positive electrode to the negative electrode reacts with the electrolyte to form a solid electrolyte interface (SEI) layer, which is a kind of passivation film, on the surface of the negative electrode. This SEI layer reduces direct contact between the anode and the electrolyte, preventing additional electrolyte decomposition reactions after the formation of the SEI layer, thereby stabilizing the structure of the anode and minimizing the consumption of the electrolyte solution. This results in the consumption of electrolyte additives and lithium ions at the beginning of activation or cycle. In addition, there is an area in which lithium can be irreversibly consumed depending on the structure of the active material itself, and in this area, lithium ions are not released again after charging, so lithium ions are consumed. That is, lithium consumed by reaction in the negative electrode during the initial activation process does not return to the positive electrode in the subsequent discharging process, reducing the capacity of the battery, and this phenomenon is called irreversible capacity.

음극재로서 흑연과 같은 탄소계 물질은 안정성과 가역성은 뛰어나지만, 용량적 측면에서 한계가 있어, 고용량을 목적으로 하는 분야에서는 이론용량이 높은 Si계 재료를 음극재로서 사용하고 있다. 그러나, Si계 재료는 충방전시에 리튬 이온의 삽입 및 방출에 따라 결정 구조가 변하여 급격한 부피팽창을 수반한다. 부피팽창을 수반하는 Si계 재료는 초기 비가역 용량이 높아 리튬 고갈이 심하여 초기효율이 낮을 뿐만 아니라, 반복적인 충방전을 거침에 따라 새로 노출되는 활물질 표면에서의 추가적인 SEI 반응으로 인해 수명특성이 불량해진다.As an anode material, carbon-based materials such as graphite are excellent in stability and reversibility, but have limitations in terms of capacity, and Si-based materials with high theoretical capacity are used as anode materials in the field of high capacity. However, the crystal structure of the Si-based material changes according to the intercalation and release of lithium ions during charging and discharging, resulting in rapid volume expansion. Si-based materials accompanied by volume expansion have high initial irreversible capacity, so lithium depletion is severe, resulting in low initial efficiency, as well as poor lifespan characteristics due to additional SEI reactions on the surface of newly exposed active materials as they undergo repeated charging and discharging. .

예컨대, Si계 음극을 포함하는 리튬 이차전지의 충전 프로파일을 보여주는 도 1을 참조할 때, 충전시에 리튬 이온이 Si계 재료에 삽입되어 Li12Si7, Li2Si, Li21Si8, Li15Si4 및 Li22Si5와 같은 LixSi의 화합물을 형성하게 되지만, 이중에서 Li2Si 또는 Li21Si8 만이 가역적인 충방전 거동을 보이고 있으며, 나머지는 그렇지 못하다.For example, referring to FIG. 1 showing a charging profile of a lithium secondary battery including a Si-based negative electrode, during charging, lithium ions are intercalated into the Si-based material and Li 12 Si 7 , Li 2 Si, Li 21 Si 8 , Li Although Li x Si compounds such as 15 Si 4 and Li 22 Si 5 are formed, only Li 2 Si or Li 21 Si 8 shows reversible charge/discharge behavior, and the others do not.

따라서, Si계 음극에서 가역적인 충방전 거동을 보이는 Li2Si 또는 Li21Si8 의 영역 이상으로 충전이 이루어지는 경우, 부피팽창으로 인해 음극의 두께변화율이 심해져 음극내 도전 네트워크의 열화가 발생하며, 이로부터 전기적 단락이 발생하여 결국 충방전 특성에 문제가 생긴다. 이러한 현상이 누적되는 경우 결국 음극활물질의 표면에서도 크랙이 발생하며, 전해액 소모가 급격히 증가하는 문제가 있다.Therefore, when charging is performed beyond the region of Li 2 Si or Li 21 Si 8 showing reversible charge and discharge behavior in the Si-based negative electrode, the thickness change rate of the negative electrode increases due to volume expansion, resulting in deterioration of the conductive network in the negative electrode. From this, an electrical short circuit occurs, resulting in a problem in charge/discharge characteristics. When this phenomenon is accumulated, eventually cracks occur on the surface of the negative electrode active material, and there is a problem in that consumption of the electrolyte solution rapidly increases.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 한 목적은 Si계 음극의 적용시 부피팽창시에도 우수한 도전 네트워크를 유지할 수 있는 리튬 이차전지용 음극, 상기 리튬이차전지용 음극의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지를 제공하는 것이다.Therefore, the present invention is to solve the above problems, and one object of the present invention is to manufacture a negative electrode for a lithium secondary battery capable of maintaining an excellent conductive network even during volume expansion when a Si-based negative electrode is applied, and the negative electrode for a lithium secondary battery It is to provide a method and a lithium secondary battery including the same.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제1 양태에 따르면, 양극, 음극 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 음극은 Si-함유 음극활물질, 섬유형 도전재 및 바인더를 포함하는 웹(web) 구조의 음극활물질층을 구비하는 리튬 이차전지용 음극이 제공된다.In order to solve the above technical problem, according to a first aspect of the present invention, in a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed therebetween, the negative electrode is a Si-containing negative electrode active material, a fibrous conductive material And there is provided a negative electrode for a lithium secondary battery having a negative electrode active material layer of a web structure including a binder.

본 발명의 제2 양태에 따르면, 상기 제1 양태에서 상기 Si-함유 음극활물질의 D50 평균 입경이 0.1 내지 50 ㎛ 범위일 수 있다.According to the second aspect of the present invention, the D50 average particle diameter of the Si-containing negative electrode active material in the first aspect may be in the range of 0.1 to 50 μm.

본 발명의 제3 양태에 따르면, 상기 제1 또는 제2 양태에서 상기 섬유형 도전재는 Si계 입자의 평균 직경 보다 긴 평균 섬유 길이를 가질 수 있다. According to the third aspect of the present invention, the fibrous conductive material in the first or second aspect may have an average fiber length longer than the average diameter of the Si-based particles.

본 발명의 제4 양태에 따르면, 상기 제1 내지 제3 양태 중 어느 하나의 양태에서 상기 섬유형 도전재의 평균 섬유 길이는 3 내지 50 ㎛ 범위일 수 있다.According to the fourth aspect of the present invention, the average fiber length of the fibrous conductive material in any one of the first to third aspects may be in the range of 3 to 50 μm.

본 발명의 제5 양태에 따르면, 상기 제1 내지 제4 양태 중 어느 하나의 양태에서 상기 섬유형 도전재의 평균 섬유 길이는 10 내지 20 ㎛ 범위일 수 있다.According to the fifth aspect of the present invention, the average fiber length of the fibrous conductive material in any one of the first to fourth aspects may be in the range of 10 to 20 μm.

본 발명의 제6 양태에 따르면, 상기 제1 내지 제5 양태 중 어느 하나의 양태에서 상기 섬유형 도전재의 평균 섬유 직경은 100 내지 500 nm 범위일 수 있다.According to the sixth aspect of the present invention, the average fiber diameter of the fibrous conductive material in any one of the first to fifth aspects may be in the range of 100 to 500 nm.

본 발명의 제7 양태에 따르면, 상기 제1 내지 제6 양태 중 어느 하나의 양태에서 상기 섬유형 도전재의 평균 섬유 직경은 100 내지 200 nm 범위일 수 있다.According to the seventh aspect of the present invention, the average fiber diameter of the fibrous conductive material in any one of the first to sixth aspects may be in the range of 100 to 200 nm.

본 발명의 제8 양태에 따르면, 상기 제1 내지 제7 양태 중 어느 하나의 양태에서 상기 섬유형 도전재는 카본나노튜브, 카본나노섬유, 카본나노튜브와 카본블랙의 복합체, 및 카본나노섬유와 카본블랙의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.According to the eighth aspect of the present invention, in any one of the first to seventh aspects, the fibrous conductive material is carbon nanotubes, carbon nanofibers, a composite of carbon nanotubes and carbon black, and carbon nanofibers and carbon It may include one or a mixture of two or more selected from the group consisting of black composites.

본 발명의 제9 양태에 따르면, 상기 제1 내지 제8 양태 중 어느 하나의 양태에서 상기 섬유형 도전재 및 상기 Si-함유 음극활물질의 중량비는 1:2 내지 1:7 범위일 수 있다.According to the ninth aspect of the present invention, in any one of the first to eighth aspects, a weight ratio between the fibrous conductive material and the Si-containing negative electrode active material may be in the range of 1:2 to 1:7.

본 발명의 제10 양태에 따르면, 상기 제1 내지 제9 양태 중 어느 하나의 양태에서 상기 섬유형 도전재 및 상기 Si-함유 음극활물질의 중량비는 1:3 내지 1:5 범위일 수 있다.According to the tenth aspect of the present invention, in any one of the first to ninth aspects, a weight ratio between the fibrous conductive material and the Si-containing negative electrode active material may be in the range of 1:3 to 1:5.

본 발명의 제11 양태에 따르면, 양극, 음극 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 음극이 제1 내지 제10 양태중 어느 하나의 양태에 기재된 음극인 리튬 이차전지가 제공된다.According to an eleventh aspect of the present invention, in a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed therebetween, wherein the negative electrode is the negative electrode according to any one of the first to tenth aspects, the lithium secondary battery is provided do.

본 발명의 제12 양태에 따르면, 상기 제11 양태에서 상기 양극과 상기 음극의 용량비(N/P ratio)가 1.5 내지 3.0 범위일 수 있다.According to the twelfth aspect of the present invention, the capacity ratio (N / P ratio) of the positive electrode and the negative electrode in the eleventh aspect may be in the range of 1.5 to 3.0.

본 발명의 제13 양태에 따르면, 섬유형 도전재와 바인더 고분자가 분산된 분산매를 집전체의 적어도 일면에 코팅, 건조하여 웹 구조체를 형성하는 단계; 및 Si-함유 음극활물질과 바인더가 분산매에 분산된 음극 슬러리를 상기 도전재 웹 구조체 상에 코팅하는 단계;를 포함하는 제1 내지 제10 양태중 어느 하나의 양태에 기재된 리튬 이차전지용 음극을 제조하는 방법이 제공된다.According to a thirteenth aspect of the present invention, forming a web structure by coating and drying a dispersion medium in which a fibrous conductive material and a binder polymer are dispersed on at least one surface of a current collector; and coating a negative electrode slurry in which a Si-containing negative electrode active material and a binder are dispersed in a dispersion medium on the conductive material web structure. is provided.

본 발명의 일 측면에 따른 리튬 이차전지용 음극은 Si계 음극에 섬유형 도전재를 사용하여 웹 형태로 구성함에 따라 Si계 음극 활물질의 부피팽창이 발생되더라도 지속적으로 도전 네트워크를 유지할 수 있다. 또한, 상기 리튬 이차전지용 음극을 포함하여 제조된 리튬 이차전지는 개선된 충방전 특성을 가질 수 있다.A negative electrode for a lithium secondary battery according to one aspect of the present invention is configured in a web form using a fibrous conductive material for a Si-based negative electrode, so that the conductive network can be continuously maintained even when volume expansion of the Si-based negative electrode active material occurs. In addition, a lithium secondary battery manufactured including the negative electrode for a lithium secondary battery may have improved charge/discharge characteristics.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 Si계 음극을 포함하는 리튬 이차전지의 충전 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 2 및 3은 본 발명의 실시예 1에서 사용된 섬유형 도전재의 표면 및 단면 구조를 보여주는 SEM(scanning electron microscope) 이미지이다.
The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention together with the contents of the above-described invention, so the present invention is limited to those described in the drawings. It should not be construed as limiting.
1 is a graph showing a charging profile of a lithium secondary battery including a Si-based negative electrode.
2 and 3 are SEM (scanning electron microscope) images showing the surface and cross-sectional structure of the fibrous conductive material used in Example 1 of the present invention.

이하, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the terms or words used in this specification and claims should not be construed as being limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventor appropriately defines the concept of terms in order to explain his/her invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be done.

본 발명의 일 실시형태는 양극, 음극 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 리튬 이차전지용 음극에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed therebetween.

상기 음극은 Si-함유 음극활물질, 섬유형 도전재 및 바인더를 포함하는 웹(web) 형태의 음극활물질층을 구비한다.The negative electrode includes a negative electrode active material layer in the form of a web including a Si-containing negative electrode active material, a fibrous conductive material, and a binder.

상기 음극은 고용량을 갖기 위해 1,200 mAh/g 이상, 상세하게는 1,400 mAh/g 내지 4,000 mAh/g의 용량을 갖는 것이 유리하다.The negative electrode advantageously has a capacity of 1,200 mAh/g or more, specifically 1,400 mAh/g to 4,000 mAh/g, in order to have a high capacity.

상기 Si-함유 음극활물질은 충전 반응시에 양극에서 이동하는 리튬 이온과 결합하여 전기화학적 반응을 일으키는 성분으로, D50 평균 입경 0.1 내지 50 ㎛ 또는 0.2 내지 30 ㎛ 또는 0.8 내지 10 ㎛ 또는 1 내지 8 ㎛ 또는 2 내지 7 ㎛을 가질 수 있다.The Si-containing negative electrode active material is a component that causes an electrochemical reaction by combining with lithium ions moving in the positive electrode during a charging reaction, and has a D50 average particle diameter of 0.1 to 50 μm or 0.2 to 30 μm or 0.8 to 10 μm or 1 to 8 μm or 2 to 7 μm.

본원 명세서에서 'D50 평균 입경'이라 함은 2종류 이상의 입경을 가진 입자의 대표 지름으로 입도분포곡선에서 중량 백분율의 50%에 해당하는 입경 즉, 입도분포곡선에서 누적중량의 50%가 통과하는 입자의 직경을 말하며, 전체에서 50%를 통과시킨 체의 크기에 해당하는 입자의 직경과 같은 의미로 이해한다.In the present specification, 'D50 average particle diameter' refers to the representative diameter of particles having two or more types of particle diameters, which corresponds to 50% of the weight percentage in the particle size distribution curve, that is, particles in which 50% of the cumulative weight passes in the particle size distribution curve It refers to the diameter of and is understood as the same meaning as the diameter of the particle corresponding to the size of the sieve passing 50% of the total.

상기 Si계 입자의 D50 평균 입경은 일반적으로 X-선 회절(XRD) 분석 또는 전자현미경(SEM, TEM) 등을 이용하여 측정할 수 있다. The D50 average particle diameter of the Si-based particles can generally be measured using X-ray diffraction (XRD) analysis or electron microscopy (SEM, TEM).

이러한 Si-함유 음극활물질의 예로는 Si, SiO, SiO2, Si-C 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 들 수 있다. 일 실시양태에서 음극활물질층에 사용되는 음극활물질로 Si가 단독으로 사용될 수 있다.Examples of such a Si-containing negative electrode active material include Si, SiO, SiO 2 , Si—C, or a mixture of two or more thereof. In one embodiment, Si may be used alone as an anode active material used in the anode active material layer.

또한, 상기 음극은 필요에 따라 Sn, SnO, SnO2 등의 Sn계 물질; 인조흑연, 천연흑연, 비정질 하드카본, 저결정질 소프트카본 등의 탄소계 물질; 및 리튬 티타늄 산화물과 같은 금속 복합 산화물;로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2 이상의 혼합물을 추가로 포함할 수 있다.In addition, the negative electrode, if necessary Sn, SnO, SnO 2 Sn-based materials such as; carbon-based materials such as artificial graphite, natural graphite, amorphous hard carbon, and low crystalline soft carbon; And metal complex oxides such as lithium titanium oxide; may further include one or a mixture of two or more selected from the group consisting of.

상기 음극은 도전재로서 섬유형 도전재를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 섬유형이란 직경 보다 길이가 10배 이상 긴 형태를 의미한다. 예컨대, 본 발명의 일 실시형태에 사용되는 섬유형 도전재는 10 내지 500 nm, 상세하게는 20 내지 300 nm의 평균 섬유 직경을 가질 수 있다. 또한, 예컨대, 본 발명의 일 실시형태에 사용되는 섬유형 도전재는 3 내지 50 ㎛, 상세하게는 5 내지 30 ㎛, 더욱 상세하게는 5 내지 20 ㎛, 더욱 상세하게는 10 내지 20 ㎛, 더욱 상세하게는 13 내지 17 ㎛의 평균 섬유 길이를 가질 수 있다. The negative electrode is characterized in that it comprises a fibrous conductive material as a conductive material. Here, the fibrous form means a form in which the length is more than 10 times longer than the diameter. For example, the fibrous conductive material used in one embodiment of the present invention may have an average fiber diameter of 10 to 500 nm, specifically 20 to 300 nm. In addition, for example, the fibrous conductive material used in one embodiment of the present invention is 3 to 50 μm, specifically 5 to 30 μm, more specifically 5 to 20 μm, more specifically 10 to 20 μm, more specifically Preferably, it may have an average fiber length of 13 to 17 μm.

여기서, 상기 평균 섬유 직경은 섬유형 도전재의 길이 방향으로 수직면의 직경을 산술 평균한 값이며, 예를 들면, 전계방출형 주사전자현미경에 의해 촬영한 배율 2,000 내지 50,000배의 SEM상으로부터 구할 수 있다. 또한, 상기 평균 섬유 길이는 섬유형 도전재의 길이를 산술 평균한 값이며, 상기 평균 섬유 직경과 동일한 방법으로 구할 수 있다. Here, the average fiber diameter is a value obtained by arithmetic average of the diameters of vertical planes in the longitudinal direction of the fibrous conductive material, and can be obtained, for example, from an SEM image at a magnification of 2,000 to 50,000 times taken by a field emission scanning electron microscope. . In addition, the average fiber length is an arithmetic average of the lengths of the fibrous conductive material, and can be obtained in the same way as the average fiber diameter.

또한, 상기 섬유형 도전재는 Si계 입자의 평균 직경 보다 긴 평균 섬유 길이를 갖는 것이 Si-함유 활물질의 도전성을 유지하는 측면에서 유리하다. 예컨대, 본 발명의 일 실시형태에 사용되는 섬유형 도전재는 활물질 입자의 입경 또는 D50 평균입경보다 2배 이상 또는 3배 이상 긴 길이를 갖는 것이 도전재 웹 구조체를 형성하는데 유리하다. In addition, it is advantageous in terms of maintaining the conductivity of the Si-containing active material that the fibrous conductive material has an average fiber length longer than the average diameter of the Si-based particles. For example, it is advantageous in forming a conductive material web structure that the fibrous conductive material used in one embodiment of the present invention has a length two or more times or three times longer than the particle diameter or D50 average particle diameter of the active material particles.

상기 섬유형 도전재의 예로는 카본나노튜브, 카본나노섬유, 카본나노튜브와 카본블랙의 복합체 및 카본나노섬유와 카본블랙의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다. 이들 섬유형 도전재는 상기 음극활물질층의 전체 함량 기준으로 3 내지 30 중량%, 상세하게는 5 내지 25 중량%의 양으로 포함될 때, 전지의 충방전시에 활물질의 부피팽창이 일어나더라도 도전성을 유지할 수 있어 유리하다. 또한, 섬유형 도전재와 Si-함유 음극활물질의 중량비는 1:2 내지 1:7, 상세하게는 1:3 내지 1:5일 때, 섬유형 도전재간의 도전경로를 확보하고 섬유형 도전재 사이 빈 공간을 확보하여 Si-함유 음극활물질을 합입시키는 측면에서 유리하다. Examples of the fibrous conductive material include one or a mixture of two or more selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon nanofibers, composites of carbon nanotubes and carbon black, and composites of carbon nanofibers and carbon black. When these fibrous conductive materials are included in an amount of 3 to 30% by weight, specifically 5 to 25% by weight based on the total content of the negative electrode active material layer, conductivity is maintained even if the volume expansion of the active material occurs during charging and discharging of the battery. It is advantageous to be able to In addition, when the weight ratio of the fiber-type conductive material and the Si-containing negative electrode active material is 1:2 to 1:7, specifically 1:3 to 1:5, a conductive path between the fiber-type conductive materials is secured and the fiber-type conductive material It is advantageous in terms of incorporating the Si-containing negative electrode active material by securing an empty space.

이러한 섬유형 도전재는 음극활물질층에 포함되어 도전성을 부여할 뿐만 아니라, 섬유형태인 도전재 사이사이에 활물질인 Si계 입자가 위치하여 웹(web) 구조를 형성할 수 있다. 이러한 웹 구조는 음극활물질층의 구조적 안정화를 유도하여, Si계 입자의 부피팽창이 일어나더라도 지속적으로 도전 네트워크를 유지할 수 있다.The fibrous conductive material may be included in the negative electrode active material layer to impart conductivity, and Si-based particles, which are active materials, may be positioned between the fibrous conductive materials to form a web structure. Such a web structure induces structural stabilization of the negative electrode active material layer, so that the conductive network can be continuously maintained even when the volume expansion of the Si-based particles occurs.

따라서, 상기와 같은 섬유형 도전재가 사용된 Si계 음극은 도전 네트워크의 열화를 방지할 수 있고, 이로부터 전기적 단락이 억제되어 충방전 특성이 개선된다.Therefore, the Si-based negative electrode using the fibrous conductive material as described above can prevent deterioration of the conductive network, thereby suppressing electrical short circuit and improving charge/discharge characteristics.

본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이차전지는 양극과 음극의 용량비(N/P ratio), 구체적으로는 양극과 음극의 대향 면적에 대한 용량비(the areal capacity ratio of neagative to positive electrode)를 1.5 내지 3.0, 상세하게는 1.8 내지 2.5의 범위로 설계하여, 양극과 Si계 음극의 밸런스를 조절할 수 있다. 이때, 상기 N/P ratio는 전지 구성에서 대면하는 양극/음극의 활물질 고유 용량과 활물질 도포량의 비율을 조절함으로써 설계한다.In the lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the capacity ratio (N/P ratio) of the positive electrode and the negative electrode, specifically, the capacity ratio of the positive electrode and the negative electrode to the opposing area (the areal capacity ratio of negative to positive electrode) is 1.5 to 1.5. By designing in the range of 3.0, specifically 1.8 to 2.5, the balance between the positive electrode and the Si-based negative electrode can be adjusted. At this time, the N / P ratio is designed by adjusting the ratio of the active material specific capacity and the active material coating amount of the positive electrode / negative electrode facing each other in the battery configuration.

본원 명세서에서 Si계 음극과 양극의 용량비, 즉, N/P ratio는, 음극과 양극의 단위면적당 용량의 비(대향 N/P)를 나타내는 값으로 이해하며, (음극의 단위 면적당 용량)/(양극의 단위 면적당 용량)로부터 계산할 수 있다.In the present specification, the capacity ratio between the Si-based negative electrode and the positive electrode, that is, N / P ratio, is understood as a value representing the ratio of the capacity per unit area of the negative electrode and the positive electrode (opposite N / P), (capacity per unit area of the negative electrode) / ( capacity per unit area of the anode).

일반적으로, 리튬 이차전지에서 양극의 리튬 이온이 음극으로 삽입되는 충전시에 음극의 전위가 0V 근처까지 낮아지고, 방전시에는 음극의 리튬 이온이 다시 양극으로 이동하면서 음극의 전위가 대략 1.5V까지 올라간다. 이러한 충방전을 고려하여, 양극에서 방출되는 리튬이온이 대향하는 음극상에서 리튬 금속의 석출을 방지하기 위해 음극의 전위가 OV 이하로 떨어지지 않도록 N/P ratio를 대략 1 내지 1.4의 범위로 설정하는 것이 통상적이다.In general, in a lithium secondary battery, the potential of the negative electrode is lowered to near 0V during charging in which lithium ions of the positive electrode are inserted into the negative electrode, and during discharging, the potential of the negative electrode decreases to about 1.5V as the lithium ions of the negative electrode move back to the positive electrode. go up Considering such charging and discharging, it is recommended to set the N/P ratio in the range of approximately 1 to 1.4 so that the potential of the negative electrode does not fall below OV in order to prevent precipitation of lithium metal on the negative electrode opposite to lithium ions released from the positive electrode. It is common.

그러나, 리튬 이차전지에 Si계 음극을 적용하면서, N/P ratio를 통상적인 1 내지 1.4의 범위로 설정하게 된다면, 리튬 이온이 Si계 재료에 삽입되는 충전 과정에서 생성되는 LixSi의 화합물(예컨대, Li12Si7, Li2Si, Li21Si8, Li15Si4 및 Li22Si5)중에서 Li2Si 또는 Li21Si8를 제외한 나머지 영역은 급격한 부피팽창을 수반하여 가역적인 충방전 거동을 보이지 않게 된다(도 1 참조). However, while applying a Si-based negative electrode to a lithium secondary battery, if the N / P ratio is set in the usual range of 1 to 1.4, the compound of Li x Si generated during the charging process in which lithium ions are inserted into the Si-based material ( For example, among Li 12 Si 7 , Li 2 Si, Li 21 Si 8 , Li 15 Si 4 and Li 22 Si 5 ), except for Li 2 Si or Li 21 Si 8 , the remaining region accompanies rapid volume expansion, resulting in reversible charging and discharging. The behavior is not seen (see Fig. 1).

이러한 이유로 Si계 음극의 경우에는 Si계 입자에서 충방전시 리튬의 삽입 및 탈착 과정에서 부피팽창이 커지는 영역은 배제하고, 부피팽창이 작아 가역적인 충방전 거동을 보이는 영역, 예컨대 도 1에서 Li2Si 또는 Li21Si8의 영역을 제한적으로 활용하기 위해, N/P ratio를 3 이상으로 조절하는 것이 필요할 수 있다.For this reason, in the case of a Si-based negative electrode, a region in which volume expansion increases during the intercalation and desorption of lithium during charging and discharging of Si-based particles is excluded, and a region showing reversible charge and discharge behavior due to small volume expansion, such as Li 2 in FIG. 1 In order to limitly utilize the region of Si or Li 21 Si 8 , it may be necessary to adjust the N/P ratio to 3 or more.

그러나, 본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이차전지는 섬유형 도전재를 사용하여 웹 구조의 Si계 음극을 적용함에 따라, Si의 부피팽창이 발생되더라도 지속적으로 도전 네트워크를 유지할 수 있어, N/P ratio를 1.5 내지 3.0 범위로 설계하더라도 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.However, as the lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention uses a web-structured Si-based negative electrode using a fibrous conductive material, it is possible to continuously maintain a conductive network even when volume expansion of Si occurs, resulting in N/ Energy density can be increased even if the P ratio is designed in the range of 1.5 to 3.0.

상기 범위의 N/P ratio를 만족하는 경우, Si계 음극의 충전 전위가 0.08V까지 유지되어, 예컨대 0.08V 내지 0.45V의 충전 전위를 나타낼 수 있다. 이는 일반적으로 충전 전위가 0V 근처까지 낮아지는 경우에 비해 충전이 덜 진행됨을 의미한다. 이로써, 양극과 음극의 밸런스가 조절되어 Si계 음극의 부피팽창이 감소함으로써 우수한 충방전 특성 및 도전 네트워크를 유지하는데 더욱 유리하다.When the N/P ratio in the above range is satisfied, the charging potential of the Si-based negative electrode may be maintained up to 0.08V, and may exhibit, for example, a charging potential of 0.08V to 0.45V. This generally means that charging progresses less than when the charging potential is lowered to near 0V. As a result, the balance between the positive and negative electrodes is controlled, and the volume expansion of the Si-based negative electrode is reduced, which is more advantageous in maintaining excellent charge/discharge characteristics and a conductive network.

예컨대, 본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이차전지를 의도하는 충방전 조건하에 SOC 200%로 과충전하더라도 단락이 발생하지 않으며, 이는 Si계 음극의 우수한 도전 네트워크가 유지됨을 의미하는 것이다.For example, even if the lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention is overcharged to an SOC of 200% under intended charging and discharging conditions, short circuit does not occur, which means that an excellent conductive network of the Si-based negative electrode is maintained.

필요한 경우, 본 발명의 일 실시형태에서 사용된 Si계 음극은 비가역 용량(irreversible capacity)을 보충하기 위해 전리튬화될 수 있다. 전리튬화는 당해 분야에서 이루어진 통상적인 방법으로 수행될 수 있으며, 예컨대 음극활물질 또는 이를 포함하는 음극층에 리튬 금속을 증착 또는 파우더 코팅 등으로 부착함으로써 이루어질 수 있다. 이와 같이 전리튬화된 Si계 음극은 88% 이상의 높은 초기효율을 확보하여 실질적으로 3000mAh/g 이상의 고용량을 발휘할 수 있다.If necessary, the Si-based negative electrode used in one embodiment of the present invention may be prelithiated to supplement irreversible capacity. Pre-lithiation may be performed by a conventional method in the art, for example, by attaching lithium metal to an anode active material or an anode layer including the anode active material by deposition or powder coating. As such, the pre-lithiated Si-based negative electrode secures a high initial efficiency of 88% or more and can substantially exhibit a high capacity of 3000 mAh/g or more.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 음극은 Si-함유 음극활물질, 섬유형 도전재 및 바인더를 분산매에 분산시켜 얻은 음극 슬러리를 집전체의 적어도 일면에 코팅한 후, 건조 및 압연을 거쳐 제조될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the negative electrode may be prepared by coating at least one surface of a current collector with a negative electrode slurry obtained by dispersing a Si-containing negative electrode active material, a fibrous conductive material, and a binder in a dispersion medium, followed by drying and rolling. there is.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 음극은 섬유형 도전재와 바인더 고분자가 분산된 분산매를 집전체의 적어도 일면에 코팅, 건조하여 웹 구조체를 형성한 후 Si-함유 음극활물질과 바인더가 분산매에 분산된 음극 슬러리를 상기 도전재 웹 구조체 상에 코팅한 후, 건조 및 압연을 거쳐 제조될 수 있다. 상기 섬유형 도전재와 바인더 고분자가 분산된 분산매는 분산제를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the negative electrode is coated with a dispersion medium in which a fibrous conductive material and a binder polymer are dispersed on at least one surface of a current collector and dried to form a web structure, and then the Si-containing negative electrode active material and the binder are dispersed in the dispersion medium. After coating the negative electrode slurry on the conductive material web structure, it may be prepared through drying and rolling. The dispersion medium in which the fibrous conductive material and the binder polymer are dispersed may further include a dispersant.

상기 바인더는 도전재와 활물질, 또는 집전체 간의 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 음극 슬러리 조성물 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 20 중량%로 포함된다. 이러한 바인더의 예로는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HEP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 등을 들 수 있다. 상기 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)는 슬러리의 점도를 조절하는 증점제로 사용될 수도 있다.The binder is a component that assists in bonding between the conductive material and the active material or the current collector, and is typically included in an amount of 0.1 to 20% by weight based on the total weight of the negative electrode slurry composition. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HEP), polyvinylidenefluoride (PVDF), polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate ( polymethylmethacrylate), polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyacrylic acid, styrene butadiene rubber (SBR), etc. can be heard The carboxymethylcellulose (CMC) may also be used as a thickener for adjusting the viscosity of the slurry.

한편, 상기 음극활물질, 바인더 및 도전재를 분산시켜 음극슬러리를 수득하기 위한 분산매로는 물 또는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 등의 유기용매가 사용될 수 있으며, 상기 음극슬러리 중의 고형분 농도가 50 내지 95 중량%, 바람직하게 70 내지 90 중량%가 되게 하는 양으로 사용될 수 있다.Meanwhile, water or an organic solvent such as NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) may be used as a dispersion medium to obtain a negative electrode slurry by dispersing the negative electrode active material, the binder, and the conductive material, and the solid content concentration in the negative electrode slurry may be 50 to 95% by weight, preferably 70 to 90% by weight.

상기 음극에 사용되는 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 상기 집전체의 두께는 특별히 제한되지는 않으나, 통상적으로 적용되는 3 내지 500 ㎛의 두께를 가질 수 있다.The current collector used for the negative electrode is not particularly limited as long as it does not cause chemical change in the battery and has conductivity. For example, the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, copper or stainless steel. For example, a surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like, an aluminum-cadmium alloy, or the like may be used. The thickness of the current collector is not particularly limited, but may have a commonly applied thickness of 3 to 500 μm.

또한, 본 발명에서 음극 제조시에 음극슬러리의 코팅 방법은 당해 분야에서 통상적으로 사용되는 방법이라면 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 함침, 슬롯 다이를 이용한 코팅법이 사용될 수도 있고, 그 이외에도 메이어 바 코팅법, 그라비아 코팅법, 침지 코팅법, 분무 코팅법 등이 사용될 수 있다.In addition, in the present invention, the coating method of the negative electrode slurry when preparing the negative electrode is not particularly limited as long as it is a method commonly used in the field. For example, a coating method using an impregnation or slot die may be used, and besides this, a Mayer bar coating method, a gravure coating method, a dip coating method, a spray coating method, and the like may be used.

본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이차전지에서, 상기 양극은 양극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매를 혼합하여 슬러리를 제조한 후 이를 집전체의 적어도 일면에 코팅한 후, 건조 및 압연을 거쳐 제조할 수 있다. In the lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the positive electrode is prepared by mixing a positive electrode active material, a conductive material, a binder, and a solvent to prepare a slurry, coating the slurry on at least one surface of a current collector, and then drying and rolling can do.

양극에 사용되는 활물질로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4 및 LiNi1-x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 각각 1 내지 0.5의 값을 만족하고, 0<x+y+z<1임)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.Active materials used in the cathode include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoPO 4 , LiFePO 4 and LiNi 1-xyz Co x M1 y M2 z O 2 (M1 and M2 are independently Al, Ni, Co, It is any one selected from the group consisting of Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg, and Mo, and x, y, and z are atomic fractions of oxide composition elements independently of each other, and each satisfies a value of 1 to 0.5. and 0<x+y+z<1), and may include any one active material particle selected from the group consisting of or a mixture of two or more of them.

상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되지는 않으며, 예를 들어, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 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, 양극 활물질층에 사용된 도전재와 음극 활물질층에 사용된 도전재를 합한 양은 양극 활물질층과 음극 활물질층 각각의 고형물 함량을 합한 100 중량부를 기준으로 30 중량부 이하가 되어, 가급적 많은 활물질이 사용될 수 있기 때문에 전지 용량을 확보하는데 유리하다.The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery. For example, carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, farnes black, lamp black, thermal black, etc. carbon black; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; metal powders such as fluorocarbon, aluminum, and nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used, and the combined amount of the conductive material used in the positive electrode active material layer and the conductive material used in the negative electrode active material layer is 100 parts by weight of the sum of the solid contents of each of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. It is 30 parts by weight or less as a standard, and since as many active materials as possible can be used, it is advantageous to secure battery capacity.

한편, 바인더, 용매 및 집전체는 상기 음극에서 설명한 바와 같다.Meanwhile, the binder, the solvent, and the current collector are as described in the negative electrode.

본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이차전지에서, 상기 세퍼레이터는 종래 세퍼레이터로 사용되는 통상적인 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 필름을 단독 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 또한, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있다. 상기 세퍼레이터는 세퍼레이터 표면에 세라믹 물질이 얇게 코팅된 안정성 강화 세퍼레이터(SRS, safety reinforced separator)를 포함할 수 있다. 이외에도 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the separator is a conventional porous polymer film used as a conventional separator, for example, ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene / butene copolymer, ethylene / hexene copolymer and Porous polymer films made of polyolefin-based polymers such as ethylene/methacrylate copolymers may be used alone or in a laminated manner. In addition, an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength may be used. The separator may include a safety reinforced separator (SRS) in which a ceramic material is thinly coated on a surface of the separator. In addition, conventional porous non-woven fabrics, for example, non-woven fabrics made of high melting point glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, etc. may be used, but are not limited thereto.

본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이차전지는 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 개재하여 전극 조립체를 형성하고, 상기 전극 조립체를 예를 들어, 파우치, 원통형 전지 케이스 또는 각형 전지 케이스에 넣은 다음, 전해액을 주입하면 리튬 이차전지가 완성될 수 있다. 또 다른 방법으로, 상기 전극 조립체를 적층한 다음, 이를 전해액에 함침시키고, 얻어진 결과물을 전지 케이스에 넣어 밀봉하면 리튬 이차전지가 완성될 수 있다.In the lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, an electrode assembly is formed by interposing a separator between a positive electrode and a negative electrode, the electrode assembly is placed in, for example, a pouch, a cylindrical battery case, or a prismatic battery case, and then the electrolyte is When injected, a lithium secondary battery can be completed. Alternatively, a lithium secondary battery may be completed by laminating the electrode assemblies, impregnating them with an electrolyte, and sealing the resulting product in a battery case.

상기 전해액은 전해질로서 리튬염 및 이를 용해시키기 위한 유기용매를 포함한다. The electrolyte solution includes a lithium salt as an electrolyte and an organic solvent for dissolving the lithium salt.

상기 리튬염은 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 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. The lithium salt may be used without limitation as long as it is commonly used in an electrolyte solution for a secondary battery. For example, as an anion of the lithium salt, F - , Cl - , 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 전해액에 포함되는 유기 용매로는 통상적으로 사용되는 것들이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 대표적으로 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디메틸술폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌카보네이트, 술포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌설파이트 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.Any organic solvent included in the electrolyte may be used without limitation as long as it is commonly used, and representative examples include propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methyl propyl carbonate, dipropyl carbonate, and dimethyl sulfoxide. At least one selected from the group consisting of side, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, vinylene carbonate, sulfolane, gamma-butyrolactone, propylene sulfite, and tetrahydrofuran may be used.

본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이차전지는 스택형, 권취형, 스택 앤 폴딩형 또는 케이블형일 수 있다. A lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may be a stack type, a winding type, a stack and folding type, or a cable type.

본 발명의 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있으며, 특히 고출력이 요구되는 영역인 하이브리드 전기자동차 및 신재생 에너지 저장용 배터리 등에 유용하게 사용될 수 있다. The lithium secondary battery of the present invention can be used not only as a battery cell used as a power source for a small device, but also can be preferably used as a unit battery in a medium or large battery module including a plurality of battery cells. Preferable examples of the medium-to-large-sized device include an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, and a power storage system. In particular, it is useful for hybrid electric vehicles and batteries for renewable energy storage, which are areas where high power is required. can be used

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. Hereinafter, examples will be described in detail to aid understanding of the present invention. However, the embodiments according to the present invention can be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the following examples. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

실시예Example 1: One:

<음극의 제조><Manufacture of cathode>

섬유형 도전재로서 카본나노튜브(평균섬유직경: 150nm, 평균섬유길이: 15㎛,제품명: VGCF, 제조사: Showa-Denko), 분산제 및 바인더로서 폴리아크릴산 (PAA)(중량평균분자량 110,000, Toyo Chem)를 10:1의 중량비로 물에 분산시켜 도전재 슬러리를 준비하였다. 상기 도전재 슬러리를 두께 10㎛ 구리 호일의 일면에 코팅하고, 건조하여 도전성을 가진 웹 구조체를 준비하였다. 이때, 상기 섬유형 도전재의 도포량은 섬유형 도전재와 이후 사용될 음극활물질의 중량비가 1:3이 되는 함량으로 사용하였다. Carbon nanotubes (average fiber diameter: 150nm, average fiber length: 15㎛, product name: VGCF, manufacturer: Showa-Denko) as a fibrous conductive material, polyacrylic acid (PAA) (weight average molecular weight 110,000, Toyo Chem) as a dispersing agent and binder ) was dispersed in water at a weight ratio of 10:1 to prepare a conductive material slurry. The conductive material slurry was coated on one surface of a copper foil having a thickness of 10 μm and dried to prepare a web structure having conductivity. At this time, the coating amount of the fiber-type conductive material was used in an amount such that the weight ratio of the fiber-type conductive material and the negative electrode active material to be used later was 1:3.

상기 도전성 웹 구조체는 도 2 및 3의 표면 및 단면 SEM(scanning electron microscope) 이미지에서 볼 수 있는 바와 같이, 섬유형 도전재가 엉켜있는 형태의 구조를 갖는다.As can be seen in the surface and cross-sectional scanning electron microscope (SEM) images of FIGS. 2 and 3, the conductive web structure has a structure in which fibrous conductive materials are entangled.

이어서, 음극활물질로서 D50 평균 입경이 5㎛인 Si 입자(Wacker), 그리고 분산제 및 바인더로서 폴리아크릴산(PAA)(중량평균분자량 250,000, Sigma-Aldrich)을 10:1의 중량비로 물에 분산시켜 음극활물질 슬러리를 준비하였다. 상기 음극활물질 슬러리를 앞서 준비한 도전성 웹 구조체 위에서 함침시키고, 건조 및 압연하여 음극활물질층을 형성함으로써 음극을 제조하였다. 제조된 음극은 6.0mAh/cm2 용량이 되도록 로딩되었다.Subsequently, Si particles (Wacker) having a D50 average particle diameter of 5 μm as an anode active material and polyacrylic acid (PAA) (weight average molecular weight 250,000, Sigma-Aldrich) as a dispersant and binder were dispersed in water at a weight ratio of 10:1 to form a negative electrode An active material slurry was prepared. An anode was prepared by impregnating the anode active material slurry on a previously prepared conductive web structure, drying and rolling to form a cathode active material layer. The prepared negative electrode was loaded to a capacity of 6.0 mAh/cm 2 .

<양극의 제조><Manufacture of positive electrode>

양극활물질로서 Li(Ni0.5Co0.3Mn0.2)O2, 도전재로서 카본 블랙(Super C, Imerys Graphite & Carbon社) 및 바인더로서 폴리비닐리덴플루라이드(PVDF)를 97:1.5:1.5의 중량비로 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 분산시켜 양극슬러리를 제조하였다. 상기 양극슬러리를 두께 15㎛인 알루미늄 호일의 일면에 코팅하고, 건조 및 압연하여 양극을 제조하였다. 제조된 양극은 2.9mAh/cm2 용량이 되도록 로딩되었다.Li(Ni 0.5 Co 0.3 Mn 0.2 )O 2 as a cathode active material, carbon black (Super C, Imerys Graphite & Carbon) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder in a weight ratio of 97:1.5:1.5 A cathode slurry was prepared by dispersing in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). The positive electrode slurry was coated on one surface of aluminum foil having a thickness of 15 μm, dried and rolled to prepare a positive electrode. The prepared positive electrode was loaded to a capacity of 2.9 mAh/cm 2 .

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

상기에서 제조한 Si계 음극 및 양극의 사이에 두께 12㎛인 폴리올레핀계 세퍼레이터(SRS, LG Chem社)를 개재시킨 후, 에틸렌 카보네이트(EC) 및 에틸메틸 카보네이트(EMC)를 30:70의 부피비로 혼합한 용매에 1.2M LiPF6가 용해된 전해액을 주입하여, 음극 용량을 양극 용량으로 나누어서 수득된, 양극과 음극의 용량비(N/P ratio) 2.1인 리튬 이차전지를 제조하였다.After interposing a polyolefin-based separator (SRS, LG Chem Co., Ltd.) having a thickness of 12 μm between the Si-based negative electrode and the positive electrode prepared above, ethylene carbonate (EC) and ethylmethyl carbonate (EMC) were mixed at a volume ratio of 30:70 An electrolyte solution in which 1.2M LiPF 6 was dissolved was injected into the mixed solvent to prepare a lithium secondary battery having an N/P ratio of 2.1 between the positive electrode and the negative electrode, which was obtained by dividing the negative electrode capacity by the positive electrode capacity.

실시예Example 2: 2:

실시예 1의 공정을 반복하되, 양극의 제조시에 로딩량을 증가시켜, 양극과 음극의 용량비(N/P ratio)가 1.8로 조절된 리튬 이차전지를 제조하였다.The process of Example 1 was repeated, but the loading amount was increased during manufacture of the cathode to prepare a lithium secondary battery in which the capacity ratio (N/P ratio) of the cathode and anode was adjusted to 1.8.

실시예Example 3: 3:

실시예 1에서 제조된 음극 위에 리튬 금속을 증착시키는 전리튬화를 수행하여, 양극과 음극의 용량비(N/P ratio)가 2.3으로 조절된 리튬 이차전지를 제조하였다.A lithium secondary battery having a capacity ratio (N/P ratio) of the positive electrode and the negative electrode adjusted to 2.3 was prepared by performing prelithiation in which lithium metal was deposited on the negative electrode prepared in Example 1.

비교예comparative example 1: One:

실시예 1에서 도전재로서 카본블랙(Super C65, 단입자 기준 D50 약 200 nm의 구형 입자, Imerys Graphite & Carbon社) 를 사용하는 것을 제외하고는 동일한 과정을 수행하여 양극과 음극의 용량비(N/P ratio)가 2.1로 조절된 리튬 이차전지를 제조하였다.The same process was performed as in Example 1, except that carbon black (Super C65, spherical particles with a D50 of about 200 nm on a single particle basis, Imerys Graphite & Carbon Co.) was used as the conductive material, and the capacity ratio of the anode and cathode (N/ A lithium secondary battery having a P ratio of 2.1 was prepared.

실험예Experimental example 1: One: 충방전charge and discharge 실험 Experiment

실시예 및 비교예의 리튬 이차전지에 대해서 전기화학 충방전기를 이용하여 초기(1회) 충방전을 수행하였다. 이때, 충방전 조건은 모두 0.1C로 진행하였다. 이후, 용량유지율을 확인하기 위해 충방전을 계속 진행하였으며, 이때 충전은 0.7C의 전류로 4.3V, 1/20C 전류에 도달할 때까지 정전류/정전압(CC/CV) 방식으로, 방전은 0.5C로 3.2V의 전압까지 정전류(CC) 방식으로 실시하였다. 충방전은 총 300회 실시하였다. Initial (one-time) charge and discharge was performed on the lithium secondary batteries of Examples and Comparative Examples using an electrochemical charger and discharger. At this time, all charging and discharging conditions were carried out at 0.1C. Thereafter, charging and discharging continued to check the capacity retention rate. At this time, charging was performed in a constant current/constant voltage (CC/CV) method until a current of 0.7C reached 4.3V and a current of 1/20C, and discharge was performed at 0.5C. It was carried out in a constant current (CC) method up to a voltage of 3.2V. Charging and discharging was performed a total of 300 times.

상기와 같은 충방전 과정에서 각 전지에 포함된 음극의 충전 종료 전위, 초기 효율 및 용량 유지율을 측정하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.During the charge/discharge process as described above, the charge termination potential, initial efficiency, and capacity retention rate of the negative electrode included in each battery were measured, and the results are shown in Table 1.

실험예Experimental example 2: 저항 증가율 측정 2: Measurement of resistance increase rate

실시예 및 비교예의 리튬 이차전지에 대한 초기 만충전시 및 300회 사이클에서 만충전시의 AC 저항을 측정한 후 측정치를 비교하여 저항 증가율을 확인하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다. 이때, 저항 증가율이 낮을수록 도전 네트워크가 우수한 것을 의미한다.After measuring the AC resistance of the lithium secondary batteries of Examples and Comparative Examples at the initial full charge and at the time of full charge at 300 cycles, the resistance increase rate was confirmed by comparing the measured values, and the results are shown in Table 1. At this time, the lower the resistance increase rate means the better the conductive network.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 비교예 1Comparative Example 1 음극 도전재 (제품명)Cathode Conductive Material (Product Name) 섬유형 도전재(VGCF)Fiber type conductive material (VGCF) 섬유형 도전재
(VGCF)
fiber type conductive material
(VGCF)
섬유형 도전재
(VGCF)
fiber type conductive material
(VGCF)
구형 도전재 카본블랙
(Super C65)
Spherical Conductive Material Carbon Black
(Super C65)
N/P ratioN/P ratio 2.12.1 1.81.8 2.32.3 2.12.1 충전 종료 전위(V)Charge end potential (V) 0.110.11 0.090.09 0.120.12 0.120.12 초기 효율(%)1 ) Initial efficiency (%) 1 ) 90.690.6 90.490.4 96.896.8 90.190.1 용량 유지율(%)2 ) Capacity retention rate (%) 2 ) 88.988.9 86.186.1 90.690.6 21.621.6 저항 증가율3 ) resistance increase rate 3 ) 31.331.3 35.935.9 28.128.1 229.8229.8 1) 초기 효율(%) = (1회 사이클의 방전 용량 / 1회 사이클의 충전 용량)×100
2) 용량 유지율(%) = (300회 사이클후의 방전 용량 / 1회 사이클의 방전 용량)Х100
3) 저항 증가율(%) = [(300회 사이클 후 만충전시의 저항 - 1회 만충전시의 저항)/ 1회 만충전시의 저항] Х100
1) Initial efficiency (%) = (discharge capacity in one cycle / charge capacity in one cycle) × 100
2) Capacity retention rate (%) = (Discharge capacity after 300 cycles / Discharge capacity after 1 cycle)Х100
3) Resistance increase rate (%) = [(resistance when fully charged after 300 cycles - resistance when fully charged once)/ resistance when fully charged once] Х100

상기 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 리튬 이차전지는 섬유형 도전재가 사용되어 웹 구조의 음극활물질층을 구비하는 음극을 포함함에 따라, N/P ratio를 1.5 내지 3.0 범위로 적용했을 때 도전 네트워크가 우수함을 확인하였다. 또한, 음극의 충전 종료 전위가 0.09V 이상으로 유지되어 Si계 음극의 가역적인 충방전 거동을 보이는 영역까지만 충전이 이루어짐으로써 충방전 특성이 개선되었다. As can be seen in Table 1, the lithium secondary batteries of Examples 1 to 3 include a negative electrode having a negative electrode active material layer having a web structure using a fibrous conductive material, so that the N/P ratio is in the range of 1.5 to 3.0. When applied as , it was confirmed that the challenge network was excellent. In addition, the charge termination potential of the negative electrode is maintained at 0.09 V or more, and charging is performed only up to a region showing reversible charge and discharge behavior of the Si-based negative electrode, thereby improving charge and discharge characteristics.

이에 반해, 통상의 도전재인 카본블랙이 사용된 비교예 1은 동일한 N/P ratio 적용시에 도전 네트워크의 열화에 의해 용량 유지율이 낮아지고 저항 증가율이 높아졌다. 비교예 1의 상기 결과는 200회 사이클까지 전지 특성이 유지되다가 그 이후부터 완전히 퇴화된 것으로 여겨진다. In contrast, in Comparative Example 1 using carbon black, a common conductive material, the capacity retention rate was lowered and the resistance increase rate was increased due to the deterioration of the conductive network when the same N/P ratio was applied. The results of Comparative Example 1 indicate that the battery characteristics were maintained up to 200 cycles and then completely degraded thereafter.

Claims (13)

양극, 음극 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 리튬 이차전지용 음극에 있어서,
상기 음극은 Si-함유 음극활물질, 섬유형 도전재 및 바인더를 포함하는 웹(web) 구조의 음극활물질층을 구비하고,
상기 섬유형 도전재는 20 내지 500 nm의 평균 섬유 직경을 갖고, 10 내지 50 ㎛의 평균 섬유 길이를 갖고,
상기 섬유형 도전재는 상기 음극활물질층의 전체 함량 기준으로 3 내지 30 중량%의 양으로 포함되는 리튬 이차전지용 음극.
In the negative electrode for a lithium secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode and a separator interposed therebetween,
The negative electrode includes a negative electrode active material layer having a web structure including a Si-containing negative electrode active material, a fibrous conductive material, and a binder,
The fibrous conductive material has an average fiber diameter of 20 to 500 nm and an average fiber length of 10 to 50 μm,
The fibrous conductive material is a negative electrode for a lithium secondary battery included in an amount of 3 to 30% by weight based on the total content of the negative electrode active material layer.
제1항에 있어서,
상기 Si-함유 음극활물질의 D50 평균 입경이 0.1 내지 50 ㎛ 범위인 것을 포함하는 리튬 이차전지용 음극.
According to claim 1,
A negative electrode for a lithium secondary battery comprising a D50 average particle diameter of the Si-containing negative electrode active material in the range of 0.1 to 50 μm.
제1항에 있어서,
상기 섬유형 도전재는 Si-함유 음극활물질의 평균 직경 보다 긴 평균 섬유 길이를 갖는 것인 리튬 이차전지용 음극.
According to claim 1,
The fibrous conductive material is a negative electrode for a lithium secondary battery having an average fiber length longer than the average diameter of the Si-containing negative electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 섬유형 도전재의 평균 섬유 길이는 13 내지 50 ㎛ 범위인 리튬 이차전지용 음극.
According to claim 1,
The average fiber length of the fibrous conductive material is a negative electrode for a lithium secondary battery in the range of 13 to 50 μm.
제1항에 있어서,
상기 섬유형 도전재의 평균 섬유 길이는 13 내지 17 ㎛ 범위인 리튬 이차전지용 음극.
According to claim 1,
The average fiber length of the fibrous conductive material is a negative electrode for a lithium secondary battery in the range of 13 to 17 μm.
제1항에 있어서,
상기 섬유형 도전재의 평균 섬유 직경은 100 내지 500 nm 범위인 리튬 이차전지용 음극.
According to claim 1,
The average fiber diameter of the fibrous conductive material is a negative electrode for a lithium secondary battery in the range of 100 to 500 nm.
제1항에 있어서,
상기 섬유형 도전재의 평균 섬유 직경은 100 내지 200 nm 범위인 리튬 이차전지용 음극.
According to claim 1,
The average fiber diameter of the fibrous conductive material is a negative electrode for a lithium secondary battery in the range of 100 to 200 nm.
제1항에 있어서,
상기 섬유형 도전재는 카본나노튜브, 카본나노섬유, 카본나노튜브와 카본블랙의 복합체, 및 카본나노섬유와 카본블랙의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함하는 리튬 이차전지용 음극.
According to claim 1,
The fibrous conductive material is a negative electrode for a lithium secondary battery including one or a mixture of two or more selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon nanofibers, composites of carbon nanotubes and carbon black, and composites of carbon nanofibers and carbon black. .
제1항에 있어서,
상기 섬유형 도전재 및 상기 Si-함유 음극활물질의 중량비는 1:2 내지 1:7 범위인 리튬 이차전지용 음극.
According to claim 1,
A negative electrode for a lithium secondary battery in which the weight ratio of the fibrous conductive material and the Si-containing negative electrode active material is in the range of 1:2 to 1:7.
제1항에 있어서,
상기 섬유형 도전재 및 상기 Si-함유 음극활물질의 중량비는 1:3 내지 1:5 범위인 리튬 이차전지용 음극.
According to claim 1,
A negative electrode for a lithium secondary battery in which the weight ratio of the fibrous conductive material and the Si-containing negative electrode active material is in the range of 1:3 to 1:5.
양극, 음극 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 리튬 이차전지에 있어서,
상기 음극이 제1항에 기재된 음극인 리튬 이차전지.
In a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed therebetween,
A lithium secondary battery in which the negative electrode is the negative electrode according to claim 1.
제11항에 있어서,
상기 양극과 상기 음극의 용량비(N/P ratio)가 1.5 내지 3.0 범위인 리튬 이차전지.
According to claim 11,
A lithium secondary battery having a capacity ratio (N/P ratio) of the positive electrode and the negative electrode in the range of 1.5 to 3.0.
섬유형 도전재와 바인더 고분자가 분산된 분산매를 집전체의 적어도 일면에 코팅, 건조하여 웹 구조체를 형성하는 단계; 및
Si-함유 음극활물질과 바인더가 분산매에 분산된 음극 슬러리를 상기 웹 구조체 상에 코팅하는 단계;를 포함하는
제1항에 기재된 리튬 이차전지용 음극을 제조하는 방법.
Forming a web structure by coating and drying a dispersion medium in which a fibrous conductive material and a binder polymer are dispersed on at least one surface of a current collector; and
Coating a negative electrode slurry in which a Si-containing negative electrode active material and a binder are dispersed in a dispersion medium on the web structure; comprising
A method for manufacturing the negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1.
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