KR102587972B1 - Method for Preparing Anode and Anode Prepared Therefrom - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (S1) 음극활물질, 도전재, 바인더 및 용매를 포함하는 음극 슬러리를 집전체의 적어도 일면에 코팅하고, 건조 및 압연하여 음극 활물질층을 형성함으로써 예비 음극을 준비하는 단계; (S2) 상기 예비 음극의 음극 활물질층 표면에 리튬 금속 포일 조각들을 배치한 후 코팅하는 단계; (S3) 상기 리튬 금속 포일 조각들이 코팅된 예비 음극을 전해액에 함침시켜 전리튬화된 음극을 제조하는 단계; 및 (S4) 상기 단계(S3)에서 제조된 음극을 양극 및 세퍼레이터와 함께 조립하는 단계를 포함하는 리튬 이차전지의 제조방법, 및 이로부터 제조된 리튬 이차전지를 제공한다.The present invention includes the steps of (S1) preparing a preliminary negative electrode by coating at least one side of a current collector with a negative electrode slurry containing a negative electrode active material, a conductive material, a binder, and a solvent, drying, and rolling to form a negative electrode active material layer; (S2) placing lithium metal foil pieces on the surface of the negative electrode active material layer of the preliminary negative electrode and then coating them; (S3) preparing a pre-lithiated anode by impregnating the preliminary anode coated with the lithium metal foil pieces in an electrolyte solution; and (S4) assembling the negative electrode prepared in step (S3) together with the positive electrode and a separator, and a lithium secondary battery manufactured therefrom.

Description

음극의 제조방법 및 이로부터 제조된 음극{Method for Preparing Anode and Anode Prepared Therefrom}Method for manufacturing an anode and an anode manufactured therefrom {Method for Preparing Anode and Anode Prepared Therefrom}

본 발명은 음극의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음극의 초기 효율을 향상시킬 수 있는 전리튬화된 음극의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a cathode, and more specifically, to a method of manufacturing a pre-lithiated cathode that can improve the initial efficiency of the cathode.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 이차 전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 갖고 사이클 수명이 길며, 방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.As technology development and demand for mobile devices increase, the demand for secondary batteries as an energy source is rapidly increasing. Among these secondary batteries, lithium secondary batteries with high energy density and voltage, long cycle life, and low discharge rate have been commercialized and are widely used.

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 solution that electrochemically communicates 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 있는 않는 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)를 형성하게 된다. 이 SEI는 음극과 전해액의 반응에 요구되는 전자의 이동을 억제하여 전해질의 분해반응을 방지함으로써 음극의 구조를 안정화시킬 수 있는 한편, 비가역적 반응이기 때문에 리튬이온의 소모를 가져온다. 즉, SEI의 형성으로 소비된 리튬은 이어지는 방전 과정에서 양극으로 돌아가지 않아 전지의 용량을 감소시키며, 이러한 현상을 비가역 용량(irreversible capacity)라고 한다. 또한, 이차전지의 양극 및 음극의 충방전 효율이 완전히 100%가 아니기 때문에 싸이클 수가 진행됨에 따라 리튬 이온의 소모가 발생하게 되어 전극용량의 감소를 일으키므로 결국 싸이클 수명이 저하하게 된다. 특히, 음극으로 고용량을 목적으로 Si계 재료를 사용하는 경우, 초기 비가역 용량이 높아 리튬 고갈로 인한 초기 효율이 낮은 문제점이 더욱 대두되고 있다.These lithium secondary batteries are typically manufactured using a compound in which lithium is inserted, such as LiCoO 2 or LiMn 2 O 4 , for the positive electrode, and using a material in which lithium is not inserted, such as carbon-based or Si-based, for the negative electrode. During charging, lithium ions inserted into the positive electrode move to the negative electrode through the electrolyte, and during discharging, lithium ions move again from the negative electrode to the positive electrode. Lithium, which moves from the anode to the cathode during the charging reaction, reacts with the electrolyte to form a solid electrolyte interface (SEI), a kind of passivation film, on the surface of the cathode. This SEI can stabilize the structure of the cathode by preventing the decomposition reaction of the electrolyte by suppressing the movement of electrons required for the reaction between the cathode and the electrolyte, but it also causes consumption of lithium ions because it is an irreversible reaction. In other words, the lithium consumed due to the formation of SEI does not return to the positive electrode during the subsequent discharge process, thereby reducing the capacity of the battery. This phenomenon is called irreversible capacity. In addition, because the charging and discharging efficiency of the positive and negative electrodes of a secondary battery is not completely 100%, lithium ions are consumed as the number of cycles progresses, causing a decrease in electrode capacity and ultimately shortening cycle life. In particular, when Si-based materials are used as cathodes for the purpose of high capacity, the problem of low initial efficiency due to lithium depletion is increasingly emerging due to the high initial irreversible capacity.

이에, 음극의 초기 비가역을 줄이는 기술로서 전리튬화(pre-lithiation), 즉 전지를 제조하기 전에 음극의 비가역 반응을 미리 수행하거나 리튬을 음극에 미리 약간 충전시켜 초기 가역성을 확보함으로써 전지의 용량 및 전기화학 성능을 향상시키는 방법이 시도되고 있다. Accordingly, as a technology to reduce the initial irreversibility of the negative electrode, pre-lithiation, that is, performing an irreversible reaction of the negative electrode in advance before manufacturing the battery, or slightly charging the negative electrode with lithium in advance to secure initial reversibility, improves the capacity and capacity of the battery. Methods to improve electrochemical performance are being attempted.

예컨대, 상기 전리튬화는 음극재 또는 이를 포함하는 음극층에 리튬 금속을 증착 또는 파우더 코팅 등의 방식으로 부착하고, 이로부터 제조된 음극과 양극 그리고 그 사이에 세퍼레이터를 개재시켜 전지 셀을 조립한 후 전해액을 주입하는 방식으로 이루어지고 있다. 이와 같이, 셀 조립후 전해액을 주입하는 경우 음극층에 부착된 리튬 금속과 전해액의 반응으로 리튬이 이온화되어 음극층으로 삽입되고, 리튬 금속에서 리튬 이온이 빠져나간 자리는 셀 내부에서 빈 공간으로 남게 된다. 이로 인해, 셀을 구성하는 양극/세퍼레이터/음극의 들뜸 현상이 초래되어 충방전이 원활하지 않게 된다.For example, the pre-lithiation involves attaching lithium metal to a negative electrode material or a negative electrode layer containing the same by deposition or powder coating, and assembling a battery cell by interposing the negative electrode and positive electrode manufactured therefrom and a separator between them. This is done by injecting electrolyte solution. In this way, when electrolyte is injected after cell assembly, lithium is ionized and inserted into the cathode layer due to a reaction between the lithium metal attached to the cathode layer and the electrolyte, and the place where the lithium ions escape from the lithium metal remains as an empty space inside the cell. do. This causes the anode/separator/cathode constituting the cell to float, making charging and discharging not smooth.

또한, 전리튬화에 사용되고 있는 리튬 금속은 고가이므로 이를 음극 전체에 부착하는 경우 경제적으로 불리할 뿐만 아니라, 잉여 리튬으로 인해 전리튬화시에 전해액의 환원 반응이 증가하여 전해액을 과다 소모하고 부산물에 의해 전기화학적 부작용을 유발할 수 있다.In addition, the lithium metal used in pre-lithiation is expensive, so attaching it to the entire cathode is not only economically disadvantageous, but also the excess lithium increases the reduction reaction of the electrolyte during pre-lithiation, resulting in excessive consumption of electrolyte and by-products. It may cause electrochemical side effects.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 한 목적은 리튬 이차전지의 제조시에 음극의 비가역 용량을 보상하기 위한 전리튬화 공정을 리튬 금속의 낭비 없는 경제적인 방식으로 수행하고, 전지 제조후 양극/세퍼레이터/음극 간의 접촉성을 개선할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.Therefore, the present invention is to solve the above problems, and one object of the present invention is to perform a pre-lithiation process to compensate for the irreversible capacity of the negative electrode during the manufacture of lithium secondary batteries in an economical manner without wasting lithium metal. The aim is to provide a method to improve the contact between the anode/separator/cathode after battery manufacturing.

본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery manufactured by the above method.

본 발명의 일 측면에 따르면, (S1) 음극활물질, 도전재, 바인더 및 용매를 포함하는 음극 슬러리를 집전체의 적어도 일면에 코팅하고, 건조 및 압연하여 음극 활물질층을 형성함으로써 예비 음극을 준비하는 단계; (S2) 상기 예비 음극의 음극 활물질층 표면에 리튬 금속 포일 조각들을 배치한 후 코팅하는 단계; (S3) 상기 리튬 금속 포일 조각들이 코팅된 예비 음극을 전해액에 함침시켜 전리튬화된 음극을 제조하는 단계; 및 (S4) 상기 단계(S3)에서 제조된 음극을 양극 및 세퍼레이터와 함께 조립하는 단계를 포함하는 리튬 이차전지의 제조방법이 제공된다.According to one aspect of the present invention, (S1) preparing a preliminary negative electrode by coating a negative electrode slurry containing a negative electrode active material, a conductive material, a binder, and a solvent on at least one side of the current collector, drying, and rolling to form a negative electrode active material layer. step; (S2) placing lithium metal foil pieces on the surface of the negative electrode active material layer of the preliminary negative electrode and then coating them; (S3) preparing a pre-lithiated anode by impregnating the preliminary anode coated with the lithium metal foil pieces in an electrolyte solution; and (S4) assembling the negative electrode manufactured in step (S3) together with the positive electrode and a separator.

상기 단계(S2)에서, 상기 코팅은 10 내지 200 ℃의 온도 및 0.2 내지 30 kN/cm의 선압 조건하에 압착 방식으로 수행될 수 있다.In step S2, the coating may be performed by compression under conditions of a temperature of 10 to 200° C. and a linear pressure of 0.2 to 30 kN/cm.

상기 단계(S3)에서, 상기 전해액 함침은 함침은 2 내지 48 시간 동안 수행될 수 있다. In step S3, the electrolyte impregnation may be performed for 2 to 48 hours.

상기 단계(S3)에서, 전해액 함침 후 전리튬화된 음극을 세척 및 건조하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.In step S3, the step of washing and drying the pre-lithiated anode after impregnating the electrolyte may be further included.

상기 전해액은 리튬염 및 유기용매를 포함할 수 있다.The electrolyte solution may include lithium salt and an organic solvent.

상기 음극 활물질층은 활물질로서 Si계 물질, Sn계 물질, 탄소계 물질, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.The anode active material layer may include a Si-based material, a Sn-based material, a carbon-based material, or a mixture of two or more thereof as an active material.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 전술한 바와 같은 제조방법으로 제조된 리튬 이차전지가 제공된다.According to another aspect of the present invention, a lithium secondary battery manufactured by the above-described manufacturing method is provided.

상기 리튬 이차전지의 초기 효율 및 용량 유지율이 각각 85% 이상이고, 충방전 이후에 음극과 분리막 사이의 1㎛ 이상 이격된 면적이 음극 전체 면적의 5% 이하일 수 있다.The initial efficiency and capacity retention rate of the lithium secondary battery are each 85% or more, and the area separated by more than 1 μm between the anode and the separator after charging and discharging may be 5% or less of the total area of the anode.

본 발명의 일 측면에 따르면, 리튬 이차전지의 제조시에 음극 활물질층 표면에 리튬 금속 포일을 여러 조각으로 잘라 분산 코팅 및 압착한 후 전해액에 침지시키는 방식으로 전리튬화를 미리 수행한 음극을 양극 및 세퍼레이트와 함께 조립함으로써, 상기 리튬 금속 포일을 한번에 부착하는 경우에 비해 전극상에 균일한 전리튬화를 유도할 수 있고, 리튬 금속의 낭비 없이 초기 가역성을 확보할 수 있으며, 리튬 금속이 이온화되어 음극에 확산되는 거리가 상대적으로 짧아져 전리튬화 시간을 단축할 수 있다. 또한, 음극을 전지 조립 전에 전해액에 침지시켜 리튬 금속이 음극으로 삽입되는 전리튬화를 미리 진행시킴에 따라, 전지 조립후 전리튬화의 진행으로 발생되는 양극/세퍼레이터/음극 사이의 들뜸 현상을 최소화할 수 있다.According to one aspect of the present invention, when manufacturing a lithium secondary battery, a negative electrode that has previously been pre-lithiated by cutting a lithium metal foil into several pieces on the surface of the negative electrode active material layer, dispersing coating and pressing it, and then immersing it in an electrolyte solution is used as a positive electrode. By assembling it with a separator, uniform pre-lithiation can be induced on the electrode compared to the case where the lithium metal foil is attached at once, initial reversibility can be secured without wasting lithium metal, and the lithium metal is ionized. The diffusion distance to the cathode is relatively short, which can shorten the pre-lithiation time. In addition, by immersing the cathode in the electrolyte before battery assembly, pre-lithiation, in which lithium metal is inserted into the cathode, is advanced in advance, thereby minimizing the lifting phenomenon between the anode/separator/cathode that occurs during pre-lithiation after battery assembly. can do.

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 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이차전지의 제조 과정을 개략적으로 보여주는 것이다.
도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 실시예 1 내지 2, 그리고 비교예 1에서 리튬 이차전지의 제조시에 적용된 음극을 보여주는 사진이다.
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 along with the contents of the above-described invention. Therefore, the present invention is limited to the matters described in such drawings. It should not be interpreted in a limited way.
Figure 1 schematically shows the manufacturing process of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
Figures 2 and 3 are photographs showing the negative electrode applied in manufacturing the lithium secondary battery in Examples 1 and 2 of the present invention and Comparative Example 1, respectively.

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, terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor appropriately defines the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted with 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 리튬 이차전지의 제조방법에 관한 것으로, 도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이차전지의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.An embodiment of the present invention relates to a method of manufacturing a lithium secondary battery, and Figure 1 schematically shows the manufacturing process of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 집전체(12) 적어도 일면에 음극활물질층(14)을 형성하여 예비 음극을 준비한다(S1).First, as shown in FIG. 1A, a preliminary negative electrode is prepared by forming a negative electrode active material layer 14 on at least one surface of the current collector 12 (S1).

상기 예비 음극의 음극활물질층(14)은 음극활물질, 도전재 및 바인더를 용매에 분산시켜 얻은 음극 슬러리를 집전체(12)의 적어도 일면에 코팅한 후, 건조 및 압연함으로써 형성될 수 있다.The negative electrode active material layer 14 of the preliminary negative electrode may be formed by coating at least one side of the current collector 12 with a negative electrode slurry obtained by dispersing a negative electrode active material, a conductive material, and a binder in a solvent, followed by drying and rolling.

상기 음극활물질은 Si계 물질, Sn계 물질, 탄소계 물질, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.The negative electrode active material may include a Si-based material, a Sn-based material, a carbon-based material, or a mixture of two or more thereof.

이러한 경우에, 상기 탄소계 물질은 결정질 인조 흑연, 결정질 천연 흑연, 비정질 하드카본, 저결정질 소프트카본, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 수퍼 P, 그래핀 (graphene), 및 섬유상 탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 결정질 인조 흑연, 및/또는 결정질 천연 흑연일 수 있다. 상기 Si계 물질은 Si, SiO, SiO2 등이 있을 수 있고, 상기 Sn계 물질은 Sn, SnO, SnO2 등이 있을 수 있다.In this case, the carbon-based material is a group consisting of crystalline artificial graphite, crystalline natural graphite, amorphous hard carbon, low-crystalline soft carbon, carbon black, acetylene black, Ketjen black, Super P, graphene, and fibrous carbon. It may be one or more selected from the group consisting of crystalline artificial graphite and/or crystalline natural graphite. The Si-based material may include Si, SiO, SiO 2 , etc., and the Sn-based material may include Sn, SnO, SnO 2 , etc.

상기 음극 활물질은, 상기 물질들 외에, 예를 들어, LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 - xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물 등을 사용할 수 있다.In addition to the above materials , the negative electrode active material may include, for example , Li x Fe 2 O 3 ( 0≤x≤1), Li x WO 2 (0≤x≤1), Sn z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, elements of groups 1, 2, and 3 of the periodic table, halogen; 0<x≤1;1≤y≤3; 1 ≤z≤8) and other metal complex oxides; lithium metal; lithium alloy; silicon-based alloy; tin-based alloy; PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , and Bi 2 O 5 metal oxides such as; Conductive polymers such as polyacetylene; Li-Co-Ni based materials; titanium oxide; Lithium titanium oxide, etc. can be used.

상기 음극 활물질은 음극 슬러리의 전체 중량을 기준으로 80 중량% 내지 99중량%로 포함될 수 있다.The negative electrode active material may be included in an amount of 80% by weight to 99% by weight based on the total weight of the negative electrode slurry.

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 polyvinylidenefluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HEP), polyvinylidenefluoride (PVDF), polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate ( polymethylmethacrylate), polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyacrylic acid, styrene butadiene rubber (SBR), etc. can be mentioned. The carboxymethylcellulose (CMC) can also be used as a thickener to control the viscosity of the slurry.

상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 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 있다. 상기 도전재는 음극 슬러리 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 20 중량%로 첨가될 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, carbon such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, panel black, lamp black, and thermal black. black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; 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. The conductive material may be added in an amount of 0.1 to 20% by weight based on the total weight of the anode slurry composition.

상기 용매는 물 또는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 등의 유기용매를 포함할 수 있으며, 상기 음극 슬러리가 음극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재 등을 포함할 때 바람직한 점도가 되는 양으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 음극 슬러리 중의 고형분 농도가 50 내지 95 중량%, 바람직하게 70 내지 90 중량%가 되도록 포함될 수 있다.The solvent may include an organic solvent such as water or NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), and is used in an amount to achieve a desirable viscosity when the negative electrode slurry includes a negative electrode active material and optionally a binder and a conductive material. can be used For example, the solid content concentration in the anode slurry may be 50 to 95% by weight, preferably 70 to 90% by weight.

상기 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 is not particularly limited as long as it is conductive without causing chemical changes in the battery. For example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, carbon or nickel on the surface of copper or stainless steel. , surface treated with titanium, silver, etc., aluminum-cadmium alloy, etc. can be used. The thickness of the current collector is not particularly limited, but may have a commonly applied thickness of 3 to 500 ㎛.

또한, 상기 음극 슬러리의 코팅 방법은 당해 분야에서 통상적으로 사용되는 방법이라면 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 슬롯 다이를 이용한 코팅법이 사용될 수도 있고, 그 이외에도 메이어 바 코팅법, 그라비아 코팅법, 침지 코팅법, 분무 코팅법 등이 사용될 수 있다.Additionally, the coating method of the cathode slurry is not particularly limited as long as it is a method commonly used in the field. For example, a coating method using a slot die may be used, and in addition, a Mayer bar coating method, a gravure coating method, a dip coating method, a spray coating method, etc. may be used.

다음, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 예비 음극을 음극 활물질층(14) 표면에 리튬 금속 포일 조각들(16)을 일정한 간격으로 분산 배치하여 코팅한다(S2). 이때, 상기 예비 음극은 리튬 금속 포일 조각들의 코팅 전에 제조하고자 하는 전지의 크기에 맞게 타발할 수 있으며, 상기 예비 음극은 롤-투-롤(roll to roll) 방식으로 공급될 수 있다.Next, as shown in FIG. 1B, the preliminary negative electrode is coated by dispersing lithium metal foil pieces 16 at regular intervals on the surface of the negative electrode active material layer 14 (S2). At this time, the preliminary negative electrode can be punched to fit the size of the battery to be manufactured before coating the lithium metal foil pieces, and the preliminary negative electrode can be supplied in a roll-to-roll manner.

상기 코팅은 리튬 금속 포일을 원하는 크기로 절단한 후, 음극 활물질층의 표면에 일정한 간격으로 올려 놓고 압착하여 수행될 수 있다. 이때, 압착은 음극 활물질층과 리튬 금속 포일 사이의 접착력을 고려하여, 10 내지 200 ℃의 온도 및 0.2 내지 30 kN/cm의 선압 조건으로 수행될 수 있다. 또한, 상기 리튬 금속 포일은 5 내지 200 ㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.The coating can be performed by cutting the lithium metal foil to a desired size, placing it on the surface of the negative electrode active material layer at regular intervals, and pressing it. At this time, the compression may be performed at a temperature of 10 to 200° C. and a linear pressure of 0.2 to 30 kN/cm, considering the adhesive force between the negative electrode active material layer and the lithium metal foil. Additionally, the lithium metal foil may have a thickness of 5 to 200 ㎛, but is not limited thereto.

이와 같이, 리튬 금속 포일을 여러 조각으로 분산 배치하여 코팅하는 경우, 리튬 금속 포일을 한번에 부착하는 경우에 비해 음극 상에서 균일한 전리튬화를 유도할 수 있고, 고가인 리튬 금속의 낭비를 방지할 수 있으며, 음극 전체에 리튬 금속이 부착했을 때 잉여 리튬으로 인해 전리튬화시에 전해액의 환원 반응이 증가하여 전해액을 과다 소모하고 부산물에 의해 전기화학적 부작용을 유발하는 문제점을 극복할 수 있다. 또한, 음극에 분산 압착된 각각의 리튬 금속에서 리튬이 이온화되어 음극으로 삽입되므로, 리튬 이온이 음극으로 확산되는 거리가 상대적으로 짧아지고 이로부터 이후 전해액 침지시에 진행되는 전리튬화 시간을 단축할 수 있다. In this way, when the lithium metal foil is dispersed and coated in several pieces, uniform prelithiation can be induced on the cathode compared to the case where the lithium metal foil is attached at once, and waste of expensive lithium metal can be prevented. In addition, when lithium metal is attached to the entire negative electrode, the reduction reaction of the electrolyte increases during pre-lithiation due to the excess lithium, thereby overcoming the problem of excessive consumption of the electrolyte and causing electrochemical side effects due to by-products. In addition, since lithium is ionized from each lithium metal dispersed and compressed on the cathode and inserted into the cathode, the distance for lithium ions to diffuse into the cathode is relatively short, and this shortens the pre-lithiation time that occurs when immersed in the electrolyte solution. You can.

이어서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 리튬 금속 포일 조각들이 코팅된 예비 음극을 전해액에 함침시켜, 전리튬화된 음극(10)을 제조한다(S3).Next, as shown in FIG. 1C, the pre-lithiated anode 10 is manufactured by impregnating the preliminary anode coated with the lithium metal foil pieces into an electrolyte solution (S3).

상기 예비 음극을 전해액에 함침시키는 동안, 조각으로 코팅된 리튬 금속 포일은 전해액과 반응하여 리튬이 이온화되고, 생성된 리튬 이온은 음극층으로 삽입되는 전리튬화가 일어나고, 그에 따라 리튬 금속 포일은 사라지게 된다. 따라서, 음극의 전리튬화 과정이 전지 조립전에 이루어짐으로써, 전지 조립후에 전지 구성요소간의 들뜸 현상 없이 양호한 접촉을 유지할 수 있다. While the preliminary cathode is immersed in the electrolyte solution, the lithium metal foil coated in pieces reacts with the electrolyte solution to ionize lithium, and the generated lithium ions are pre-lithiated to be inserted into the cathode layer, thereby causing the lithium metal foil to disappear. . Therefore, since the pre-lithiation process of the negative electrode is performed before battery assembly, good contact can be maintained without lifting phenomenon between battery components after battery assembly.

따라서, 기존 전리튬화 방식에서 전지 조립후 전해액을 주입하였을 때, 리튬 금속과 전해액의 반응으로 리튬 이온화후 빠져 나간 자리가 들뜨게 되어 충방전을 저해하는 단점을 극복할 수 있다.Therefore, in the existing pre-lithiation method, when electrolyte is injected after battery assembly, the reaction between lithium metal and electrolyte causes the site left after lithium ionization to become excited, thereby overcoming the disadvantage of impeding charging and discharging.

상기 전해액 함침은 음극 전체의 균일하고 안정된 전리튬화를 위해, 상온에서 2 내지 48 시간 동안 수행되는 것이 유리하다.The electrolyte impregnation is advantageously performed at room temperature for 2 to 48 hours to ensure uniform and stable prelithiation of the entire cathode.

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

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 1종을 사용할 수 있다. The lithium salt may be used without limitation as long as it is commonly used in electrolytes for secondary batteries. For example, anions of the lithium salt include 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 - , One type selected from the group consisting of SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - can 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.The organic solvent contained in the electrolyte solution may be any commonly used solvent without limitation, and representative examples include propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, methylpropyl carbonate, dipropyl carbonate, and dimethyl sulfoxide. One or more types selected from the group consisting of side, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, vinylene carbonate, sulfolane, gamma-butyrolactone, propylene sulfite, and tetrahydrofuran may be used.

전리튬화된 음극(10)을 제조한 후, 도 1d에 도시한 바와 같이, 상기 음극(10), 양극(20), 그리고 그 사이에 세퍼레이터(30)를 개재하여 전극 조립체(100)를 형성한다(S4). After manufacturing the pre-lithiated cathode 10, as shown in FIG. 1D, an electrode assembly 100 is formed using the cathode 10, the anode 20, and a separator 30 between them. Do it (S4).

상기 양극은 양극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매를 혼합하여 슬러리를 제조한 후 이를 금속 집전체에 직접 코팅하거나, 별도의 지지체상에 캐스팅하고 이 지지체로부터 박리시킨 양극 활물질 필름을 금속 집전체에 라미네이션하여 양극을 제조할 수 있다. The positive electrode is prepared by mixing the positive electrode active material, conductive material, binder, and solvent to prepare a slurry, and then coating it directly on the metal current collector, or casting it on a separate support and lamination of the positive electrode active material film peeled from this support to the metal current collector. Thus, the anode can be manufactured.

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 0=x<0.5, 0≤=y<0.5, 0=z<0.5, 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 positive electrode 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 selected from Al, Ni, Co, 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 each independently the atomic fraction of the oxide composition elements, 0=x<0.5, 0≤ =y<0.5, 0=z<0.5, 0<x+y+z=1) or a mixture of two or more of them.

한편, 도전재, 바인더 및 용매는 상기 음극 제조시에 사용된 것과 동일하게 사용될 수 있다.Meanwhile, the conductive material, binder, and solvent may be used in the same manner as those used in manufacturing the anode.

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)을 포함할 수 있다. 이외에도 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The separator is a conventional porous polymer film used as a separator, for example, a polyolefin polymer such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer. The prepared porous polymer film can be used alone or by stacking them. Additionally, a thin insulating film with high ion permeability and mechanical strength can be used. The separator may include a safety reinforced separator (SRS) in which a ceramic material is thinly coated on the surface of the separator. In addition, conventional porous nonwoven fabrics, for example, nonwoven fabrics made of high melting point glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, etc., can be used, but are not limited thereto.

이후, 상기 전극 조립체를 예를 들어, 파우치, 원통형 전지 케이스 또는 각형 전지 케이스에 넣은 다음, 전해질을 주입하면 리튬 이차전지가 완성될 수 있다. 또는 상기 전극 조립체를 적층한 다음, 이를 전해액에 함침시키고, 얻어진 결과물을 전지 케이스에 넣어 밀봉하면 리튬 이차전지가 완성될 수 있다.Thereafter, the electrode assembly is placed in, for example, a pouch, a cylindrical battery case, or a square battery case, and then an electrolyte is injected to complete the lithium secondary battery. Alternatively, a lithium secondary battery can be completed by stacking the electrode assemblies, impregnating them with an electrolyte, and sealing the resulting product in a battery case.

본 발명의 리튬 이차전지는 전술한 바와 같은 전리튬화된 음극을 포함함에 따라, 음극의 비가역 용량이 보상되어 우수한 초기 효율 및 용량 유지율, 예컨대 85% 이상의 초기 효율 및 용량 유지율을 만족할 수 있다. 또한, 본 발명의 리튬 이차전지는 전리튬화의 진행으로 발생되는 양극/세퍼레이터/음극 사이의 들뜸 현상이 최소화되어, 충방전 이후에 전극 조립체를 해체하여 접합된 음극과 분리막의 두께를 측정했을 때 음극과 분리막 사이의 1㎛ 이상 이격된 면적이 음극 전체 면적의 5% 이하를 만족할 수 있다.As the lithium secondary battery of the present invention includes the pre-lithiated negative electrode as described above, the irreversible capacity of the negative electrode is compensated to satisfy excellent initial efficiency and capacity maintenance rate, for example, initial efficiency and capacity maintenance rate of 85% or more. In addition, the lithium secondary battery of the present invention minimizes the phenomenon of lifting between the anode/separator/cathode that occurs during pre-lithiation, and when the electrode assembly is dismantled after charge and discharge and the thickness of the bonded cathode and separator are measured, The area separated by more than 1㎛ between the cathode and the separator may satisfy 5% or less of the total area of the cathode.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 리튬 이차전지는 스택형, 권취형, 스택 앤 폴딩형 또는 케이블형일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the lithium secondary battery may be a stack type, a wound type, a stack and fold type, or a cable type.

본 발명에 따른 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 according to the present invention can not only be used in battery cells used as a power source for small devices, but can also be preferably used as a unit cell in medium to large-sized battery modules containing a plurality of battery cells. Preferred examples of the medium-to-large devices include electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, power storage systems, etc., and are particularly useful for hybrid electric vehicles and batteries for renewable energy storage, which are areas requiring high output. It can be used effectively.

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, the present invention will be described in detail through examples to aid understanding. However, the embodiments according to the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the following embodiments. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

<실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 3: 리튬 이차전지의 제조><Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 3: Production of lithium secondary battery>

실시예 1: Example 1:

단계 1:Step 1:

음극 활물질로서 흑연 및 SiO(7:3)의 혼합물 92 중량%, 카본블랙(Denka black, 도전재) 3중량%, SBR(바인더) 3.5 중량%, 및 CMC(증점제) 1.5 중량%를 용매인 물에 첨가하여 음극 슬러리를 수득하였다. 상기 슬러리를 구리 집전체의 일면에 코팅하고, 건조 및 압연하여 음극 활물질층을 형성함으로써 예비 음극을 제조하였다.As a negative electrode active material, 92% by weight of a mixture of graphite and SiO (7:3), 3% by weight of carbon black (Denka black, conductive material), 3.5% by weight of SBR (binder), and 1.5% by weight of CMC (thickener) are mixed with water as a solvent. was added to obtain a cathode slurry. A preliminary negative electrode was prepared by coating the slurry on one side of a copper current collector, drying and rolling to form a negative electrode active material layer.

단계 2:Step 2:

상기 예비 음극을 셀 크기에 맞게 타발하고, 타발된 음극의 활물질층 위에 40㎛ 두께의 리튬 금속 포일 조각(2.3㎝2)을 9 등분하여 일정한 간격으로 분산 배치한 후, 상온에서 5 kN/cm의 선압으로 압착하였다. The preliminary negative electrode was punched to match the cell size, and 40㎛ thick pieces of lithium metal foil (2.3cm 2 ) were divided into 9 equal parts and distributed at regular intervals on the active material layer of the punched negative electrode, and then 5 kN/cm at room temperature. It was compressed with linear pressure.

단계 3Step 3

상기 리튬 금속 포일 조각들이 분산 압착된 예비 음극을 에틸렌 카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(DEC)를 50:50의 부피비로 혼합한 용매에 1M LiPF6가 용해된 전해액에 함침시켰다. 24시간 후, 상기 음극을 꺼내어 DMC로 세척 및 건조하여 전리튬화된 음극을 제조하였다.The preliminary cathode in which the lithium metal foil pieces were dispersed and pressed was immersed in an electrolyte solution containing 1M LiPF 6 dissolved in a solvent mixed with ethylene carbonate (EC) and ethylmethyl carbonate (DEC) at a volume ratio of 50:50. After 24 hours, the cathode was taken out, washed with DMC, and dried to prepare a pre-lithiated cathode.

단계 4Step 4

상기 전리튬화된 음극과, 양극으로 사용된 LiCoO2 전극 사이에 폴리올레핀 세퍼레이터를 개재시킨 후, 에틸렌 카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(DEC)를 50:50의 부피비로 혼합한 용매에 1M LiPF6가 용해된 전해액을 주입하여 코인형 양쪽 전지를 제조하였다.After interposing a polyolefin separator between the pre-lithiated cathode and the LiCoO 2 electrode used as the anode, 1M LiPF 6 was added to a solvent mixed with ethylene carbonate (EC) and ethylmethyl carbonate (DEC) at a volume ratio of 50:50. A coin-type double-sided battery was manufactured by injecting the dissolved electrolyte solution.

실시예 2Example 2

실시예 1의 단계 2에서, 20㎛ 두께의 리튬 금속 포일 조각(4.6㎝2) 9 등분하여 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여, 코인형 양쪽 전지를 제조하였다.In Step 2 of Example 1, a coin-type double-sided battery was manufactured by carrying out the same process as Example 1, except that 9 equal pieces of lithium metal foil (4.6 cm 2 ) with a thickness of 20 μm were used.

비교예 1: Comparative Example 1:

단계 1Step 1

음극 활물질로서 흑연 및 SiO(7:3)의 혼합물 92 중량%, 카본블랙(Denka black, 도전재) 3중량%, SBR(바인더) 3.5 중량%, 및 CMC(증점제) 1.5 중량%를 용매인 물에 첨가하여 음극 슬러리를 수득하였다. 상기 슬러리를 구리 집전체의 일면에 코팅하고, 건조 및 압연하여 음극 활물질층을 형성함으로써 예비 음극을 제조하였다.As a negative electrode active material, 92% by weight of a mixture of graphite and SiO (7:3), 3% by weight of carbon black (Denka black, conductive material), 3.5% by weight of SBR (binder), and 1.5% by weight of CMC (thickener) are mixed with water as a solvent. was added to obtain a cathode slurry. A preliminary negative electrode was prepared by coating the slurry on one side of a copper current collector, drying and rolling to form a negative electrode active material layer.

단계 2Step 2

상기 예비 음극의 활물질층 위 중앙에 40㎛ 두께의 리튬 금속 포일 조각(2.3㎝2) 1개를 올려 놓고, 상온에서 5 kN/cm의 선압으로 압착하였다.A piece of lithium metal foil (2.3 cm 2 ) with a thickness of 40 μm was placed on the center of the active material layer of the preliminary negative electrode and compressed with a linear pressure of 5 kN/cm at room temperature.

단계 3Step 3

상기 리튬 금속 포일이 압착된 예비 음극을 에틸렌 카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(DEC)를 50:50의 부피비로 혼합한 용매에 1M LiPF6가 용해된 전해액에 함침시켰다. 24시간 후, 상기 음극을 꺼내어 DMC로 세척 및 건조하여 전리튬화된 음극을 제조하였다.The preliminary anode to which the lithium metal foil was pressed was immersed in an electrolyte solution containing 1M LiPF 6 dissolved in a solvent mixed with ethylene carbonate (EC) and ethylmethyl carbonate (DEC) at a volume ratio of 50:50. After 24 hours, the cathode was taken out, washed with DMC, and dried to prepare a pre-lithiated cathode.

단계 4Step 4

상기 전리튬화된 음극과, 양극으로 사용된 LiCoO2 전극 사이에 폴리올레핀 세퍼레이터를 개재시킨 후, 에틸렌 카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(DEC)를 50:50의 부피비로 혼합한 용매에 1M LiPF6가 용해된 전해액을 주입하여 코인형 양쪽 전지를 제조하였다.After interposing a polyolefin separator between the pre-lithiated cathode and the LiCoO 2 electrode used as the anode, 1M LiPF 6 was added to a solvent mixed with ethylene carbonate (EC) and ethylmethyl carbonate (DEC) at a volume ratio of 50:50. A coin-type double-sided battery was manufactured by injecting the dissolved electrolyte solution.

비교예 2: Comparative Example 2:

실시예 1의 단계 3을 수행하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여, 코인형 양쪽 전지를 제조하였다.A coin-type double-sided battery was manufactured by performing the same process as Example 1, except that step 3 of Example 1 was not performed.

비교예 3: Comparative Example 3:

음극 활물질로서 흑연 및 SiO(7:3)의 혼합물 92 중량%, 카본블랙(Denka black, 도전재) 3중량%, SBR(바인더) 3.5 중량%, 및 CMC(증점제) 1.5 중량%를 용매인 물에 첨가하여 음극 슬러리를 수득하였다. 상기 슬러리를 구리 집전체의 일면에 코팅하고, 건조 및 압연하여 음극 활물질층을 형성함으로써 음극을 제조하였다.As a negative electrode active material, 92% by weight of a mixture of graphite and SiO (7:3), 3% by weight of carbon black (Denka black, conductive material), 3.5% by weight of SBR (binder), and 1.5% by weight of CMC (thickener) are mixed with water as a solvent. was added to obtain a cathode slurry. A negative electrode was manufactured by coating the slurry on one side of a copper current collector, drying and rolling to form a negative electrode active material layer.

상기 음극과 양극으로 사용된 LiCoO2 전극 사이에 폴리올레핀 세퍼레이터를 개재시킨 후, 에틸렌 카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(DEC)를 50:50의 부피비로 혼합한 용매에 1M LiPF6가 용해된 전해액을 주입하여 코인형 양쪽 전지를 제조하였다.After interposing a polyolefin separator between the cathode and the LiCoO 2 electrode used as the anode, an electrolyte solution containing 1M LiPF 6 dissolved in a solvent mixed with ethylene carbonate (EC) and ethylmethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of 50:50 was added. Coin-type double-sided batteries were manufactured by injection.

실험예 1: 충방전에 따른 수명특성 평가Experimental Example 1: Evaluation of life characteristics according to charging and discharging

실시예 1 내지 2, 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 전지에 대해서 전기화학 충방전기를 이용하여 충방전을 수행하였다. 이때, 충전은 4.2V의 전압까지 0.1C-rate의 전류밀도로 전류를 가하여 수행되었으며, 방전은 같은 전류밀도로 2.5V의 전압까지 수행되었다. 이러한 충방전을 100회 실시한 후, 초기 효율(%) 및 용량 유지율(%)를 다음과 같이 산출하여, 그 값을 하기 표 1에 나타내었다.The batteries manufactured in Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 3 were charged and discharged using an electrochemical charger and discharger. At this time, charging was performed by applying a current at a current density of 0.1C-rate up to a voltage of 4.2V, and discharging was performed up to a voltage of 2.5V at the same current density. After performing such charging and discharging 100 times, the initial efficiency (%) and capacity maintenance rate (%) were calculated as follows, and the values are shown in Table 1 below.

초기 효율(%) = (1회 사이클의 방전 용량 / 1회 사이클의 충전 용량)×100Initial efficiency (%) = (discharge capacity of one cycle / charge capacity of one cycle) × 100

용량 유지율(%) = (100회 사이클후의 방전 용량 / 1회 사이클의 방전 용량)×100Capacity retention rate (%) = (Discharge capacity after 100 cycles / Discharge capacity after 1 cycle) × 100

실험예 2: 음극과 분리막 사이의 들뜸 평가Experimental Example 2: Evaluation of excitation between cathode and separator

실시예 1 내지 2, 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 전지에 대해서 들뜸 정도를 평가하기 위해 조립된 셀을 해체하고 양극을 제거한 후 음극과 분리막이 접합되어 있는 상태를 얻었다. 상기의 접합된 음극과 분리막을 비접촉식 레이저 두께 측정기를 사용하여 두께를 측정하고, 접촉식 틱 두께 측정기를 사용하여 두께를 측정한 후, 그 차이가 1㎛ 이상이 되는 면적을 음극의 총면적의 백분율로 계산하여 표 1에 나타내었다.In order to evaluate the degree of lifting of the batteries manufactured in Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 3, the assembled cells were disassembled, the positive electrode was removed, and the negative electrode and the separator were bonded to each other. After measuring the thickness of the bonded cathode and separator using a non-contact laser thickness gauge and measuring the thickness using a contact tick thickness gauge, the area where the difference is more than 1㎛ is calculated as a percentage of the total area of the cathode. The calculations are shown in Table 1.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 비교예 3Comparative Example 3 초기 효율(%)Initial efficiency (%) 86.186.1 88.688.6 81.781.7 83.583.5 72.772.7 용량 유지율(%)Capacity maintenance rate (%) 8787 8989 8282 8383 7171 음극과 분리막 사이의 들뜸 면적(%)Lifting area between cathode and separator (%) 22 22 33 1212 1One

표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 리튬금속 포일을 여러 조각으로 잘라 음극층 위에 압착한 후(도 2 참조), 전해액에 침지시켜 전리튬화를 미리 진행시킨 음극이 적용된 실시예 1 내지 2의 전지가 가장 우수한 초기 효율 및 사이클 성능(용량 유지율)을 나타내며, 동시에 음극과 분리막 사이의 들뜸 수준도 낮았다. 이는 실시예 1 내지 2에서 음극상에 균일한 전리튬화가 진행되었고, 전리튬화시에 음극의 불균일한 부피팽창이 완화된 결과로부터 얻어진 것이다. 더욱이, 음극 활물질층에 분산 압착된 각각의 리튬 금속이 이온화되면서 음극으로 삽입됨에 따라, 리튬 금속을 단일 조각으로 부착한 비교예 1에 비해 리튬 이온이 음극으로 확산되는 거리가 상대적으로 짧아져 전리튬화 시간도 단축시킬수 있다.As can be seen in Table 1, the batteries of Examples 1 and 2 were equipped with a negative electrode in which lithium metal foil was cut into several pieces and pressed onto the negative electrode layer (see FIG. 2), and pre-lithiation was then immersed in an electrolyte solution. showed the best initial efficiency and cycle performance (capacity maintenance rate), and at the same time, the level of excitation between the cathode and the separator was low. This was obtained from the results in Examples 1 and 2, where uniform pre-lithiation was carried out on the cathode, and the uneven volume expansion of the cathode was alleviated during pre-lithiation. Moreover, as each lithium metal dispersed and compressed in the negative electrode active material layer is ionized and inserted into the negative electrode, the distance for lithium ions to diffuse into the negative electrode becomes relatively shorter compared to Comparative Example 1 in which the lithium metal was attached as a single piece, resulting in total lithium. The burn time can also be shortened.

비교예 1의 경우 리튬금속 포일을 조각내지 않고 한번에 부착함(도 3 참조)에 따라 전극상에 균일한 전리튬화가 이루어지지 않음에 따라, 실시예 1에 비해 전지 성능이 떨어졌다. 비교예 2의 경우에는 리튬금속 포일을 조각으로 분산시켜 부착시켰지만, 전지 조립후 전해액을 주입하여 전리튬화를 유도하였기 때문에, 리튬 금속이 이온화되어 음극으로 삽입된 후 남아있는 리튬 금속의 자리(빈공간)에 들뜸 현상이 발생하 발생하였고, 이로 인해 저항이 증가하여 원활한 충방전이 이루어지지 않아, 전지 성능이 다소 떨어진 것으로 판단된다.In the case of Comparative Example 1, the lithium metal foil was attached at once without being cut into pieces (see FIG. 3), resulting in uniform pre-lithiation on the electrode, resulting in poorer battery performance compared to Example 1. In Comparative Example 2, the lithium metal foil was dispersed and attached into pieces, but since electrolyte was injected after battery assembly to induce pre-lithiation, the lithium metal was ionized and inserted into the cathode, leaving the remaining lithium metal in place (empty). It is believed that the battery performance deteriorated somewhat as the resistance increased and smooth charging and discharging did not occur.

한편, 비교예 3의 경우에는 전지 제조시에 사용된 음극에 리튬 금속이 부착되지 않아, 가장 불량한 전지 성능을 나타내었다.On the other hand, in the case of Comparative Example 3, lithium metal did not adhere to the negative electrode used in battery production, showing the poorest battery performance.

Claims (8)

(S1) 음극활물질, 도전재, 바인더 및 용매를 포함하는 음극 슬러리를 집전체의 적어도 일면에 코팅하고, 건조 및 압연하여 음극 활물질층을 형성함으로써 예비 음극을 준비하는 단계;
(S2) 상기 예비 음극의 음극 활물질층 표면에 리튬 금속 포일 조각들을 일정한 간격으로 분산 배치한 후 코팅하는 단계;
(S3) 상기 리튬 금속 포일 조각들이 코팅된 예비 음극을 전해액에 2 내지 48시간 동안 함침시켜 상기 리튬 금속 포일은 사라지게 되는 전리튬화된 음극을 제조하는 단계; 및
(S4) 상기 단계(S3)에서 제조된 음극을 양극 및 세퍼레이터와 함께 조립하는 단계를 포함하는 리튬 이차전지의 제조방법.
(S1) preparing a preliminary negative electrode by coating at least one side of a current collector with a negative electrode slurry containing a negative electrode active material, a conductive material, a binder, and a solvent, followed by drying and rolling to form a negative electrode active material layer;
(S2) dispersing lithium metal foil pieces at regular intervals on the surface of the negative electrode active material layer of the preliminary negative electrode and then coating them;
(S3) preparing a pre-lithiated anode in which the lithium metal foil disappears by impregnating the preliminary anode coated with the lithium metal foil pieces in an electrolyte solution for 2 to 48 hours; and
(S4) A method of manufacturing a lithium secondary battery comprising the step of assembling the negative electrode manufactured in step (S3) together with the positive electrode and a separator.
제1항에 있어서,
상기 단계(S2)에서, 상기 코팅은 10 내지 200 ℃의 온도 및 0.2 내지 30 kN/cm의 선압 조건하에 압착 방식으로 수행되는 리튬 이차전지의 제조방법.
According to paragraph 1,
In the step (S2), the coating is performed by compression under conditions of a temperature of 10 to 200 ° C and a linear pressure of 0.2 to 30 kN / cm.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 단계(S3)에서, 전해액 함침 후 전리튬화된 음극을 세척 및 건조하는 단계를 추가로 포함하는 리튬 이차전지의 제조방법.
According to paragraph 1,
In the step (S3), the method of manufacturing a lithium secondary battery further includes the step of washing and drying the pre-lithiated negative electrode after impregnating the electrolyte solution.
제1항에 있어서,
상기 전해액은 리튬염 및 유기용매를 포함하는 리튬 이차전지의 제조방법.
According to paragraph 1,
The electrolyte solution is a method of manufacturing a lithium secondary battery containing a lithium salt and an organic solvent.
제1항에 있어서,
상기 음극 활물질층은 활물질로서 Si계 물질, Sn계 물질, 탄소계 물질, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함하는 리튬 이차전지의 제조방법.
According to paragraph 1,
The anode active material layer is a method of manufacturing a lithium secondary battery including a Si-based material, Sn-based material, carbon-based material, or a mixture of two or more thereof as an active material.
제1항, 제2항 및 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된 리튬 이차전지.A lithium secondary battery manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1, 2, and 4 to 6. 제7항에 있어서,
상기 리튬 이차전지의 초기 효율 및 용량 유지율이 각각 85% 이상이고, 충방전 이후에 음극과 분리막 사이의 1㎛ 이상 이격된 면적이 음극 전체 면적의 5% 이하인 리튬 이차전지.
In clause 7,
A lithium secondary battery in which the initial efficiency and capacity retention rate of the lithium secondary battery are each 85% or more, and the area separated by more than 1㎛ between the negative electrode and the separator after charging and discharging is less than 5% of the total area of the negative electrode.
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