KR102621786B1 - Si Anode and Lithium Secondary Battery Comprising The Same - Google Patents

Si Anode and Lithium Secondary Battery Comprising The Same Download PDF

Info

Publication number
KR102621786B1
KR102621786B1 KR1020180070972A KR20180070972A KR102621786B1 KR 102621786 B1 KR102621786 B1 KR 102621786B1 KR 1020180070972 A KR1020180070972 A KR 1020180070972A KR 20180070972 A KR20180070972 A KR 20180070972A KR 102621786 B1 KR102621786 B1 KR 102621786B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
negative electrode
binder
active material
electrode active
secondary battery
Prior art date
Application number
KR1020180070972A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20190143256A (en
Inventor
이주성
노석인
송준혁
이희원
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020180070972A priority Critical patent/KR102621786B1/en
Publication of KR20190143256A publication Critical patent/KR20190143256A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102621786B1 publication Critical patent/KR102621786B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134Electrodes based on metals, Si or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402Methods of deposition of the material
    • H01M4/0404Methods of deposition of the material by coating on electrode collectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/043Processes of manufacture in general involving compressing or compaction
    • H01M4/0435Rolling or calendering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • H01M4/1391Processes of manufacture of electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • H01M4/1395Processes of manufacture of electrodes based on metals, Si or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621Binders
    • H01M4/622Binders being polymers
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

본 발명은 집전체, 및 상기 집전체의 적어도 일면에 위치된 음극활물질층을 포함하고, 상기 음극활물질층은 Si-함유 음극활물질, 도전재, 상기 Si-함유 음극활물질과 접촉하고 있는 제1 바인더, 및 상기 도전재와 접촉하고 있는 제2 바인더를 포함하며, 상기 제1 바인더는 10,000 내지 80,000 Mpa의 모듈러스를 갖고, 상기 제2 바인더는 1,000 내지 8,000 Mpa의 모듈러스를 갖는 리튬 이차전지용 음극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.The present invention includes a current collector and a negative electrode active material layer located on at least one surface of the current collector, wherein the negative electrode active material layer includes a Si-containing negative electrode active material, a conductive material, and a first binder in contact with the Si-containing negative electrode active material. , and a second binder in contact with the conductive material, wherein the first binder has a modulus of 10,000 to 80,000 Mpa, and the second binder has a modulus of 1,000 to 8,000 Mpa, manufacturing the same. A method and a lithium secondary battery comprising the same are provided.

Description

Si계 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지{Si Anode and Lithium Secondary Battery Comprising The Same}Si-based anode and lithium secondary battery containing the same {Si Anode and Lithium Secondary Battery Comprising The Same}

본 발명은 Si계 음극 및 이를을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모듈러스가 상이한 2종의 바인더를 포함하여 부피팽창이 제어된 Si계 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다. The present invention relates to a Si-based negative electrode and a lithium secondary battery containing the same, and more specifically, to a Si-based negative electrode whose volume expansion is controlled by including two types of binders with different moduli, and to a lithium secondary battery containing the same. .

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)이라고 한다. 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 because it is an irreversible reaction, it results in the consumption of lithium ions. 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.

음극재로서 흑연과 같은 탄소계 물질은 안정성과 가역성은 뛰어나지만, 용량적 측면에서 한계가 있어, 고용량을 목적으로 하는 분야에서는 이론용량이 높은 Si계 재료를 음극재로서 사용하고 있다. As a negative electrode material, carbon-based materials such as graphite have excellent stability and reversibility, but have limitations in terms of capacity, so in fields aimed at high capacity, Si-based materials with high theoretical capacity are used as negative electrode materials.

그러나, Si 입자는 충전시에 리튬 이온이 삽입됨에 따라 결정 구조가 변하게 되고, 충전 심도(state of charge, SOC) 활용 범위에 따라 상이하기는 하지만 리튬이 삽입되기 전에 비해 약 4배 정도의 부피팽창을 수반한다. However, the crystal structure of Si particles changes as lithium ions are inserted during charging, and the volume expands about 4 times compared to before lithium is inserted, although it varies depending on the depth of charge (state of charge, SOC) and the range of use. entails

도 1은 통상적인 Si계 음극에서 활물질, 도전재 및 바인더의 분포 형태를 나타낸 것이다. 도 1을 참조할 때, 음극층이 Si 입자(10), 도전재(20), 및 상기 Si 입자(10)와 도전재(20)의 사이에 위치하여 이들을 연결 및 고정하고 있는 바인더(30)를 포함하는 구조에서, 전지의 충방전 과정에서 Si 입자(10)의 부피팽창이 일어나는 경우 이로 인해 Si 입자의 결정 내부에 균열이 생기고 입자가 파괴되는 것을 방지하고자 일반적으로 고분자량의 바인더들이 선호된다. 하지만, 그러한 경우 상대적인 미분 형태인 도전재 입자들간의 접촉 및 전기적 연결이 저하되어 결국 수명특성이 열화된다.Figure 1 shows the distribution form of the active material, conductive material, and binder in a typical Si-based anode. Referring to FIG. 1, a cathode layer is located between Si particles 10, a conductive material 20, and a binder 30 that connects and secures the Si particles 10 and the conductive material 20. In a structure containing, when volume expansion of the Si particles 10 occurs during the charging and discharging process of the battery, binders of high molecular weight are generally preferred to prevent cracks occurring inside the crystals of the Si particles and destruction of the particles. . However, in such cases, contact and electrical connection between conductive material particles in relatively fine powder form are deteriorated, ultimately deteriorating lifespan characteristics.

따라서, Si계 재료가 높은 용량을 가짐에도 불구하고, 전지에 적용되었을 때 그 성능(고용량)을 충분히 발휘할 수 없어, 이의 수명특성 개선이 지속적으로 요구되고 있다.Therefore, although Si-based materials have high capacity, they cannot fully demonstrate their performance (high capacity) when applied to batteries, and there is a continuous need to improve their lifespan characteristics.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 한 목적은 모듈러스가 상이한 2종의 바인더를 포함함으로써 부피팽창을 제어하고 양호한 전기적 연결이 유지되어 수명특성이 향상된 Si계 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.Therefore, the present invention is to solve the above problems, and one object of the present invention is to provide a Si-based cathode with improved life characteristics by controlling volume expansion and maintaining good electrical connection by including two types of binders with different moduli. The aim is to provide a lithium secondary battery including this.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 Si계 음극의 제조방법을 제공하는 것이다.Additionally, another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the Si-based anode.

본 발명의 일 측면에 따르면, 집전체, 및 상기 집전체의 적어도 일면에 위치된 음극활물질층을 포함하고, 상기 음극활물질층은 Si-함유 음극활물질, 도전재, 상기 Si-함유 음극활물질과 접촉하고 있는 제1 바인더, 및 상기 도전재와 접촉하고 있는 제2 바인더를 포함하며, 상기 제1 바인더는 10,000 내지 80,000 Mpa의 모듈러스를 갖고, 상기 제2 바인더는 1,000 내지 8,000 Mpa의 모듈러스를 갖는 리튬 이차전지용 음극에 제공된다.According to one aspect of the present invention, it includes a current collector and a negative electrode active material layer located on at least one surface of the current collector, wherein the negative electrode active material layer is in contact with the Si-containing negative electrode active material, the conductive material, and the Si-containing negative electrode active material. It includes a first binder in contact with the conductive material, and a second binder in contact with the conductive material, wherein the first binder has a modulus of 10,000 to 80,000 Mpa, and the second binder has a modulus of 1,000 to 8,000 Mpa. Provided for battery cathode.

상기 제1 바인더는 중량평균분자량이 250,000 내지 800,000인 폴리아크릴산(PAA), 폴리비닐알콜(PVA) 또는 이들 중 2 이상의 혼합물이고, 상기 제 2 바인더는 중량평균분자량이 20,000 내지 200,000인 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴산 공중합체 또는 이들 중 2 이상의 혼합물일 수 있다.The first binder is polyacrylic acid (PAA), polyvinyl alcohol (PVA), or a mixture of two or more thereof with a weight average molecular weight of 250,000 to 800,000, and the second binder is polyacrylic acid (PAA) with a weight average molecular weight of 20,000 to 200,000. ), polyacrylic acid copolymer, or a mixture of two or more of them.

상기 제2 바인더에서, 상기 폴리아크릴산 공중합체는 아크릴산 유래 반복단위 및 이와 중합가능한 말릭산, 아크릴로니트릴 스타이렌 또는 우레탄으로부터 유래된 반복단위를 함유할 수 있다.In the second binder, the polyacrylic acid copolymer may contain a repeating unit derived from acrylic acid and a repeating unit derived from malic acid, acrylonitrile styrene, or urethane that can be polymerized therewith.

상기 Si-함유 음극활물질은 Si, SiO, SiO2 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.The Si-containing negative electrode active material may include Si, SiO, SiO 2 or a mixture of two or more thereof.

상기 제1 바인더는 Si-함유 음극활물질 100 중량부를 기준으로 5 내지 25 중량부로 포함될 수 있다.The first binder may be included in an amount of 5 to 25 parts by weight based on 100 parts by weight of the Si-containing negative electrode active material.

상기 제2 바인더는 도전재 100 중량부를 기준으로 10 내지 70 중량부로 포함될 수 있다.The second binder may be included in an amount of 10 to 70 parts by weight based on 100 parts by weight of the conductive material.

상기 음극은 상기 Si-함유 음극활물질 또는 이를 포함하는 음극활물질층에 증착된 리튬 금속을 더 포함하고, 상기 리튬 금속은 Si-함유 음극활물질의 용량을 기준으로 10 내지 35%의 용량을 발현하는 함량으로 증착되어 전리튬화될 수 있다.The negative electrode further includes lithium metal deposited on the Si-containing negative electrode active material or a negative electrode active material layer containing the same, and the lithium metal has a capacity of 10 to 35% based on the capacity of the Si-containing negative electrode active material. It can be deposited and pre-lithiated.

본 발명의 다른 측면에 따르면, (S1) Si-함유 음극활물질을 10,000 내지 80,000 Mpa의 모듈러스를 갖는 제1 바인더와 함께 제1 분산매에 분산시켜 제1 예비슬러리를 수득하는 단계; (S2) 도전재를 1,000 내지 8,000Mpa의 모듈러스를 갖는 제2 바인더와 함께 제2 분산매에 분산시켜 제2 예비슬러리를 수득하는 단계; (S3) 상기 제1 예비슬러리와 상기 제2 예비슬러리를 혼합하여 음극슬러리를 수득하는 단계; 및 (S4) 상기 음극슬러리를 집전체의 적어도 일면에 코팅하고 건조 및 압연을 수행하는 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 음극의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, (S1) dispersing a Si-containing negative electrode active material in a first dispersion medium together with a first binder having a modulus of 10,000 to 80,000 Mpa to obtain a first preliminary slurry; (S2) dispersing the conductive material in a second dispersion medium together with a second binder having a modulus of 1,000 to 8,000 MPa to obtain a second preliminary slurry; (S3) mixing the first preliminary slurry and the second preliminary slurry to obtain a negative electrode slurry; and (S4) coating the negative electrode slurry on at least one surface of a current collector and performing drying and rolling. A method for manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery is provided.

상기 제1 분산매 및 제2 분산매는 각각 물, 메탄올, 에탄올 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.The first and second dispersion media may each include water, methanol, ethanol, or a mixture of two or more thereof.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 바와 같은 음극을 포함하는 리튬 이차전지가 제공된다.According to another aspect of the present invention, a lithium secondary battery including the negative electrode as described above is provided.

본 발명의 일 측면에 따른 Si계 음극은 모듈러스가 커서 Si 입자의 부피팽창을 억제하는 제1 바인더와 모듈러스가 작아 Si 입자의 부피팽창에 순응하여 전극내에 전기적인 접촉을 유지하는 제2 바인더를 포함함으로써, 부피팽창이 제어되고 접착력이 개선되어 우수한 수명특성을 나타낼 수 있다.The Si-based cathode according to one aspect of the present invention includes a first binder that has a large modulus to suppress the volume expansion of Si particles, and a second binder that has a small modulus to maintain electrical contact within the electrode by complying with the volume expansion of Si particles. By doing so, volume expansion is controlled, adhesion is improved, and excellent lifespan characteristics can be exhibited.

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 종래의 Si계 음극에서 Si 입자, 도전재 및 바인더의 분포 형태를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 Si계 음극에서 Si 입자, 도전재 및 2종의 바인더의 분포 형태를 나타낸 것이다.
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 shows the distribution form of Si particles, conductive material, and binder in a conventional Si-based anode.
Figure 2 shows the distribution form of Si particles, a conductive material, and two types of binders in a Si-based anode according to an embodiment 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, 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 집전체 및 이의 적어도 일면에 위치된 음극활물질층을 포함하고, 상기 음극활물질층이 Si-함유 음극활물질, 도전재 및 2종의 바인더, 즉 제1 바인더 및 제2 바인더를 포함하는 리튬 이차전지용 음극에 관한 것이다.One embodiment of the present invention includes a current collector and a negative electrode active material layer located on at least one surface thereof, wherein the negative electrode active material layer includes a Si-containing negative electrode active material, a conductive material, and two types of binders, that is, a first binder and a second binder. It relates to a negative electrode for a lithium secondary battery containing.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 Si계 음극에서 Si 입자, 도전재 및 2종의 바인더의 분포 형태를 나타낸 것이다.Figure 2 shows the distribution form of Si particles, a conductive material, and two types of binders in a Si-based anode according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조할 때, 본 발명의 음극은 Si-함유 음극활물질(10); 상기 Si-함유 음극활물질(10) 사이에 위치하는 도전재(20); 상기 Si-함유 음극활물질(10)을 둘러싸며 접촉하고 있는 제1 바인더(30); 및 상기 도전재(20)와 접촉을 하고 있는 제2 바인더(40)을 포함한다.Referring to Figure 2, the negative electrode of the present invention includes Si-containing negative electrode active material 10; A conductive material (20) positioned between the Si-containing negative electrode active material (10); a first binder (30) surrounding and contacting the Si-containing negative electrode active material (10); and a second binder 40 in contact with the conductive material 20.

상기 Si-함유 음극활물질(10)은 충전 반응시에 양극에서 이동하는 리튬 이온과 결합하여 전기화학적 반응을 일으키는 성분이며, 예를 들어 Si, SiO, SiO2 또는 이들 중 2 이상의 혼합물이 음극활물질로서 사용될 수 있다. The Si-containing negative electrode active material 10 is a component that causes an electrochemical reaction by combining with lithium ions moving from the positive electrode during the charging reaction. For example, Si, SiO, SiO 2 or a mixture of two or more of these is used as the negative electrode active material. can be used

또한, 상기 Si-함유 음극활물질 이외에도, 필요에 따라 Sn, SnO, SnO2 등의 Sn계 물질; 인조흑연, 천연흑연, 비정질 하드카본, 저결정질 소프트카본 등의 탄소계 물질; 리튬 티타늄 산화물과 같은 금속 복합 산화물; 또는 이들 중 2 이상의 혼합물이 추가로 사용될 수 있다.In addition, in addition to the Si-containing negative electrode active material, Sn-based materials such as Sn, SnO, SnO2, etc., if necessary; Carbon-based materials such as artificial graphite, natural graphite, amorphous hard carbon, and low-crystalline soft carbon; metal complex oxides such as lithium titanium oxide; Alternatively, a mixture of two or more of these may be additionally used.

이러한 음극활물질은 음극 제조시 음극슬러리의 전체 중량을 기준으로 60 내지 99 중량%로 사용될 수 있다.This negative electrode active material may be used in an amount of 60 to 99% by weight based on the total weight of the negative electrode slurry when manufacturing the negative electrode.

상기 도전재(20)은 음극재간의 전기적 연결을 위한 도전 경로를 제공하는 성분으로, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 않으다. 예를 들어, 도전재로서 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 25 중량%로 첨가될 수 있다.The conductive material 20 is a component that provides a conductive path for electrical connection between cathode materials, and is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, as a conductive material, carbon black such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, Paneth black, lamp black, and thermal 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 25% by weight based on the total weight of the anode slurry composition.

상기 제1 바인더(30)는 Si-함유 음극활물질(10)과 접촉하고 있으며, 그 형태는 선형일 수 있다. 여기서, '선형'이란 바인더를 구성하는 화합물의 주쇄(main chain)가 측쇄(side chain)보다 매우 긴 형태를 의미하고 측쇄에 도입된 탄소(C)의 원자수가 10개 미만인 것을 의미한다.The first binder 30 is in contact with the Si-containing negative electrode active material 10, and its shape may be linear. Here, 'linear' means that the main chain of the compound constituting the binder is much longer than the side chain and the number of carbon (C) atoms introduced into the side chain is less than 10.

상기 제1 바인더(30)는 10,000 내지 80,000 Mpa, 상세하게는 20,000 내지 60,000 Mpa, 더욱 상세하게는 25,000 내지 50,000 Mpa의 모듈러스를 갖는 것이 특징이다. 즉, 상기 제1 바인더는 모듈러스가 10,000Mpa 이상으로 큰 강성(stiff)을 나타내는 특성으로 인해, 전지의 충방전 과정에서 Si 입자의 부피팽창이 일어나더라도 Si 입자 주위에 강도를 부여하여 부피팽창으로 인한 전극 구조의 변화를 억제할 수 있다. 따라서, Si 입자와 집전체 또는 다른 전극재와의 결착력이 유지되며, 이로부터 Si계 음극의 수명특성이 향상될 수 있다. 상기 제1 바인더의 모듈러스가 10,000 Mpa 미만인 경우에는 강도가 불충분하여 Si의 부피팽창을 제어하기 어렵고, 전지의 충방전이 반복되는 동안 접착력이 부족해져 집전체로부터 활물질의 탈리 또는 활물질 표면에 크랙을 유발할 수 있다. 한편, 모듈러스가 80,000 Mpa 초과하여 강도가 너무 높은 경우 음극 제조시에 코팅 후 건조과정에서 크랙을 유발하여 활물질이 탈리될 수 있다.The first binder 30 is characterized by having a modulus of 10,000 to 80,000 Mpa, specifically 20,000 to 60,000 Mpa, and more specifically 25,000 to 50,000 Mpa. That is, the first binder has a modulus of 10,000Mpa or more, which gives it strength around the Si particles even if volume expansion of the Si particles occurs during the charging and discharging process of the battery. Changes in electrode structure can be suppressed. Accordingly, the binding force between the Si particles and the current collector or other electrode material is maintained, and as a result, the lifespan characteristics of the Si-based negative electrode can be improved. If the modulus of the first binder is less than 10,000 Mpa, the strength is insufficient, making it difficult to control the volume expansion of Si, and adhesion may be insufficient during repeated charging and discharging of the battery, which may cause detachment of the active material from the current collector or cracks on the surface of the active material. there is. On the other hand, if the modulus exceeds 80,000 Mpa and the strength is too high, cracks may occur during the drying process after coating when manufacturing the anode and the active material may be detached.

본 발명에서, 상기 제1 바인더 및 후술하는 제2 바인더의 모듈러스는 당해 분야에 통상적으로 이용되는 다양한 방법으로 측정될 수 있으며, 예컨대 바인더를 박막 형태의 필름으로 제조한 후 상기 필름의 모듈러스를 ASTM D790-71에 따라 측정할 수 있다.In the present invention, the modulus of the first binder and the second binder described later can be measured by various methods commonly used in the field, for example, after manufacturing the binder into a thin film, the modulus of the film is measured according to ASTM D790. It can be measured according to -71.

이러한 10,000 내지 80,000 Mpa의 모듈러스를 만족하는 제1 바인더로는 중량평균분자량이 250,000 내지 800,000, 상세하게는 300,000 내지 500,000, 더욱 상세하게는 350,000 내지 450,000인 폴리아크릴산(PAA), 폴리비닐알콜(PVA) 또는 이들 중 2 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 특히, 상기 폴리아크릴산(PAA)은 높은 모듈러스을 부여하고 무기 입자에 대해 우수한 흡착성을 갖는 아크릴산을 포함함에 따라, 음극의 바인더로서 일반적으로 사용되고 있는 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 또는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)에 비해 결착성이 우수하다. 또한, 폴리아크릴산(PAA)은 다른 단량체로부터 유래된 반복단위를 더 포함하지 않는 단독중합체 형태일 때, 모듈러스가 더 높아 본 발명의 제1 바인더로서 사용하기에 유리하다 The first binder satisfying the modulus of 10,000 to 80,000 MPa includes polyacrylic acid (PAA) and polyvinyl alcohol (PVA) with a weight average molecular weight of 250,000 to 800,000, specifically 300,000 to 500,000, and more specifically 350,000 to 450,000. Or a mixture of two or more of these may be used. In particular, the polyacrylic acid (PAA) contains acrylic acid that imparts a high modulus and has excellent adsorption to inorganic particles, and thus is suitable for styrene-butadiene rubber (SBR) or carboxymethylcellulose (CMC), which are commonly used as a binder for negative electrodes. It has excellent binding properties compared to In addition, polyacrylic acid (PAA) has a higher modulus when it is in the form of a homopolymer that does not further contain repeating units derived from other monomers, making it advantageous for use as the first binder of the present invention.

특히, 폴리아크릴산(PAA), 폴리비닐알콜(PVA) 등의 바인더는 이들의 중량평균분자량에 따라서 점성, 강도, 모듈러스 등의 특성이 결정될 수 있다.In particular, binders such as polyacrylic acid (PAA) and polyvinyl alcohol (PVA) may have properties such as viscosity, strength, and modulus depending on their weight average molecular weight.

상기 제1 바인더의 함량은 접착력 수준 및 전극 용량을 고려하여, Si-함유 음극활물질 100 중량부를 기준으로 5 내지 25 중량부, 상세하게는 7 내지 15 중량부인 것이 유리하다.Considering the level of adhesion and electrode capacity, the content of the first binder is advantageously 5 to 25 parts by weight, specifically 7 to 15 parts by weight, based on 100 parts by weight of the Si-containing negative electrode active material.

한편, 본 발명의 음극에서, 상기 제2 바인더(40)는 제1 바인더(30) 보다 짧은 사슬 길이를 가져 점접촉의 형태로 도전재(20)와 접촉할 수 있다. 상기 제2 바인더(40)는 제1 바인더에 비해 상대적으로 낮은 모듈러스, 예컨대 1,000 내지 8,000 Mpa, 상세하게는 3,000 내지 7,000 Mpa, 더욱 상세하게는 4,000 내지 6,000 Mpa를 갖는 것이 특징이다. Meanwhile, in the cathode of the present invention, the second binder 40 has a shorter chain length than the first binder 30 and can contact the conductive material 20 in the form of point contact. The second binder 40 is characterized by having a relatively low modulus compared to the first binder, for example, 1,000 to 8,000 Mpa, specifically 3,000 to 7,000 Mpa, and more specifically 4,000 to 6,000 Mpa.

일반적으로 Si 계 음극의 경우, Si의 부피팽창으로 인해 인접한 입자들끼리의 접촉이 저하되고 이로부터 전기적 연결을 유지하기가 어려워진다. 따라서, Si 부피팽창이 일어나더라도 전극 내 전기적 연결을 위한 도전 경로를 유지하는 것이 필요하며, 이를 위해서 본 발명에서는 유연성(flexible)을 부여할 수 있는 바인더를 추가로 사용하였다. 즉, 상기 제2 바인더는 상기 범위의 낮은 모듈러스를 가지므로 음극 내에서 Si 입자의 부피팽창에 순응하면서 분포될 수 있으며, 이로부터 상기 제2 바인더와 접촉하고 있는 도전재는 Si 입자의 부피팽창에도 불구하고 음극 내에서 도전 경로를 유지할 수 있다.In general, in the case of Si-based cathodes, the volume expansion of Si reduces contact between adjacent particles, making it difficult to maintain electrical connection. Therefore, even if Si volume expansion occurs, it is necessary to maintain a conductive path for electrical connection within the electrode, and for this purpose, a binder capable of providing flexibility was additionally used in the present invention. That is, since the second binder has a low modulus in the above range, it can be distributed in the cathode while complying with the volume expansion of the Si particles, and from this, the conductive material in contact with the second binder is maintained despite the volume expansion of the Si particles. and maintain a conductive path within the cathode.

상기 제2 바인더의 모듈러스가 1,000Mpa 미만인 경우에는 충분한 접착력을 부여하기 어렵고, 8,000 Mpa 초과의 경우에는 Si의 부피팽창에 순응하는 유연성 보다는 강성이 증가하여 도전 경로를 단절시킬 수 있다.If the modulus of the second binder is less than 1,000 Mpa, it is difficult to provide sufficient adhesive strength, and if it is more than 8,000 Mpa, rigidity increases rather than flexibility to comply with the volume expansion of Si, which may cut off the conductive path.

이러한 제2 바인더는 상기 제1 바인더와 상이한 중량평균분자량을 가지며, 예컨대 중량평균분자량이 20,000 내지 200,000, 상세하게는 30,000 내지 170,000, 더욱 상세하게는 50,000 내지 150,000인 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴산 공중합체, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 제2 바인더로 아크릴산 유래 반복단위 및 이와 중합가능한 다른 단량체 유래 반복단위를 함유하는 폴리아크릴산 공중합체가 사용되는 경우에, 상기 아크릴산과 중합가능한 단량체의 예로는 말릭산, 아크릴로니트릴, 스타이렌 또는 우레탄이 있다. 이중에서, 폴리아크릴산 공중합체가 본 발명의 제2 바인더로 사용되어 도전재와의 양호한 접촉을 유지하기 위해서는 우레탄이 특히 적합하다.This second binder has a weight average molecular weight different from that of the first binder, for example, polyacrylic acid (PAA), polyacrylic acid having a weight average molecular weight of 20,000 to 200,000, specifically 30,000 to 170,000, and more specifically 50,000 to 150,000. Combinations, or mixtures of two or more of these may be used. When a polyacrylic acid copolymer containing repeating units derived from acrylic acid and repeating units derived from other monomers polymerizable therewith is used as the second binder, examples of monomers polymerizable with acrylic acid include malic acid, acrylonitrile, styrene, or There is urethane. Among these, urethane is particularly suitable for using the polyacrylic acid copolymer as the second binder in the present invention to maintain good contact with the conductive material.

상기 제2 바인더의 함량은 도전재의 함량과 비표면적을 고려하여, 도전재 100 중량부를 기준으로 10 내지 70 중량부, 상세하게는 20 내지 50 중량부인 것이 유리하다.Considering the content and specific surface area of the conductive material, the content of the second binder is preferably 10 to 70 parts by weight, specifically 20 to 50 parts by weight, based on 100 parts by weight of the conductive material.

이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이차전지용 음극은 고용량을 부여하는 Si-함유 음극활물질 및 그 사이에 위치하여 도전성을 부여하는 도전재와 함께, 분자량 및 모듈러스가 상이한 2종의 바인더를 사용함으로써, Si 입자의 부피팽창을 효율적으로 제어하고 전기적 연결을 유지하여 우수한 수명특성을 나타낼 수 있다.As such, the negative electrode for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes two types of binders with different molecular weights and moduli, along with a Si-containing negative electrode active material that provides high capacity and a conductive material located between them to provide conductivity. By using it, it is possible to efficiently control the volume expansion of Si particles and maintain electrical connection, thereby exhibiting excellent lifespan characteristics.

추가로, 본 발명의 다른 일 실시형태는 상기한 바와 같은 음극의 제조방법에 관한 것이며, 구체적으로 하기 단계들을 포함한다.Additionally, another embodiment of the present invention relates to a method for manufacturing a cathode as described above, and specifically includes the following steps.

(S1) Si-함유 음극활물질을 10,000 내지 80,000 Mpa의 모듈러스를 갖는 제1 바인더와 함께 제1 분산매에 분산시켜 제1 예비슬러리를 수득하는 단계;(S1) dispersing a Si-containing negative electrode active material in a first dispersion medium together with a first binder having a modulus of 10,000 to 80,000 MPa to obtain a first preliminary slurry;

(S2) 도전재를 1,000 내지 8,000 Mpa의 모듈러스를 갖는 제2 바인더와 함께 제2 분산매에 분산시켜 제2 예비슬러리를 수득하는 단계;(S2) dispersing the conductive material in a second dispersion medium together with a second binder having a modulus of 1,000 to 8,000 MPa to obtain a second preliminary slurry;

(S3) 상기 제1 예비슬러리와 상기 제2 예비슬러리를 혼합하여 음극슬러리를 수득하는 단계; 및(S3) mixing the first preliminary slurry and the second preliminary slurry to obtain a negative electrode slurry; and

(S4) 상기 음극슬러리를 집전체의 적어도 일면에 코팅하고 건조 및 압연을 수행하는 단계.(S4) Coating the negative electrode slurry on at least one side of the current collector and performing drying and rolling.

상기 단계 (S1)에서, 제1 분산매로는 물, 메탄올, 에탄올 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용하며, 제1 바인더와 Si-함유 음극활물질과의 접촉을 유도하기 위해 플래너터리 믹서(planetary mixer)와 같은 분산장치에서 혼련에 의한 분산이 수행될 수 있다. 이때, 상기 제1 바인더는 Si-함유 음극활물질 100 중량부를 기준으로 5 내지 25 중량부, 상세하게는 7 내지 15 중량부로 사용될 수 있다.In step (S1), water, methanol, ethanol, or a mixture of two or more thereof is used as the first dispersion medium, and a planetary mixer is used to induce contact between the first binder and the Si-containing negative electrode active material. Dispersion by kneading can be performed in a dispersion device such as ). At this time, the first binder may be used in an amount of 5 to 25 parts by weight, specifically 7 to 15 parts by weight, based on 100 parts by weight of the Si-containing negative electrode active material.

상기 단계 (S2)에서, 제2 분산매로는 물, 메탄올, 에탄올 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용하며, 제2 바인더와 도전재의 효율적인 접촉을 유도하기 위해 슬러리의 점도 수준을 고려하여 다양한 분산장치가 사용될 수 있다. 예컨대, 고점도 슬러리의 경우에는 플래너터리 믹서와 같은 분산장치에서, 저점도 슬러리의 경우에는 비드 밀(bead mill)과 같은 분산장치에서 분산이 수행될 수 있다. 이때, 상기 제2 바인더는 도전재 100 중량부를 기준으로 10 내지 70 중량부, 상세하게는 20 내지 50 중량부로 사용될 수 있다.In step (S2), water, methanol, ethanol, or a mixture of two or more of these is used as the second dispersion medium, and various dispersion devices are used in consideration of the viscosity level of the slurry to induce efficient contact between the second binder and the conductive material. can be used. For example, in the case of high viscosity slurry, dispersion may be performed in a dispersing device such as a planetary mixer, and in the case of low viscosity slurry, dispersion may be performed in a dispersing device such as a bead mill. At this time, the second binder may be used in an amount of 10 to 70 parts by weight, specifically 20 to 50 parts by weight, based on 100 parts by weight of the conductive material.

한편, 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.Meanwhile, 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, calcined carbon, carbon on the surface of copper or stainless steel. , surface treated with nickel, 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 음극슬러리의 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. 건조 방법으로는 예를 들어 온풍, 열풍, 저습풍에 의한 건조, 진공건조, (원)적외선이나 전자선 등의 조사에 의한 건조법을 들 수 있다. 건조 시간은 통상 5 내지 30 분이고, 건조 온도는 통상 40 내지 180 ℃이다. 또한, 다층 활물질층의 형성이 필요한 경우 이러한 코팅 및 건조는 수회 반복될 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. Drying methods include, for example, drying using warm air, hot air, or low-humidity air, vacuum drying, and drying using irradiation with (far) infrared rays or electron beams. Drying time is usually 5 to 30 minutes, and drying temperature is usually 40 to 180°C. Additionally, if formation of a multilayer active material layer is required, such coating and drying may be repeated several times.

본 발명의 또 다른 일 실시형태는 상기 음극을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다. 구체적으로, 상기 리튬 이차전지는 양극, 상술한 바와 같은 음극, 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체에 리튬염 함유 전해질을 주입하여 제조될 수 있다.Another embodiment of the present invention relates to a lithium secondary battery including the negative electrode. Specifically, the lithium secondary battery can be manufactured by injecting a lithium salt-containing electrolyte into an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode as described above, and a separator interposed therebetween.

본 발명의 리튬 이차전지의 제조에 앞서, 상기 음극은 전리튬화될 수 있다. 여기서, 전리튬화(prelithiation)는 음극의 비가역 반응을 보상하기 위해 리튬을 음극에 미리 충전시켜 초기 가역성을 확보하는 것을 의미한다. 즉, 전리튬화된 Si계 음극은 방전 과정에서 전리튬화로 충전된 리튬을 먼저 사용하게 되므로, 충전과정에서 Si에 삽입된 리튬의 사용을 줄임으로써 음극의 비가역적 반응으로 인한 리튬 이온의 소모를 보상할 수 있다.Prior to manufacturing the lithium secondary battery of the present invention, the negative electrode may be pre-lithiated. Here, prelithiation means securing initial reversibility by pre-charging the negative electrode with lithium to compensate for the irreversible reaction of the negative electrode. In other words, the pre-lithiated Si cathode uses the lithium charged by pre-lithiation first during the discharge process, so by reducing the use of lithium inserted into Si during the charging process, the consumption of lithium ions due to the irreversible reaction of the cathode is reduced. Compensation is possible.

일반적으로, 리튬 이차전지에서 양극의 리튬 이온이 음극으로 삽입되는 충전시에는 음극의 전위가 0V 근처까지 낮아지고, 방전시에는 음극의 리튬 이온이 다시 양극으로 이동하면서 음극의 전위가 대략 1.5V까지 올라간다. 음극의 전리튬화가 초기효율의 향상에 있어서는 도움이 되나, 과도한 리튬화는 리튬의 부반응 및 비용 증가의 이유로 생산성 면에서 불리하다.Generally, in a lithium secondary battery, when charging, the lithium ions from the positive electrode are inserted into the negative electrode, the potential of the negative electrode is lowered to around 0V, and during discharging, the lithium ions from the negative electrode move back to the positive electrode, lowering the potential of the negative electrode to approximately 1.5V. It goes up. Although prelithiation of the cathode is helpful in improving initial efficiency, excessive lithiation is disadvantageous in terms of productivity due to side reactions of lithium and increased costs.

이에, 본 발명의 일 실시형태에서는 양극활물질 내 전이금속 비율에 따른 양극 효율을 고려하여, Si계 음극의 전리튬화 정도를 음극의 방전 전위가 0.55V 이상으로 올리가지 않는 수준으로 조절할 수 있다.Accordingly, in one embodiment of the present invention, in consideration of the cathode efficiency according to the transition metal ratio in the cathode active material, the degree of pre-lithiation of the Si-based cathode can be adjusted to a level where the discharge potential of the cathode does not rise above 0.55V.

본 발명의 일 실시형태예에서, Si계 음극의 전리튬화는 음극활물질 또는 이를 포함하는 음극층에 리튬 금속을 증착 또는 파우터 코팅 등으로 부착함으로써 이루어질 수 있다. 예컨대, Si계 음극 전극을 제조한 이후에, 리튬 금속을 접촉시키는 공정 또는 리튬 금속을 증착시키는 공정을 수행하여 전리튬화된 음극을 제조할 수 있다. In one embodiment of the present invention, prelithiation of a Si-based negative electrode can be accomplished by attaching lithium metal to the negative electrode active material or a negative electrode layer containing the same by vapor deposition or powder coating. For example, after manufacturing a Si-based negative electrode, a pre-lithiated negative electrode can be manufactured by performing a process of contacting lithium metal or a process of depositing lithium metal.

이때, 상기 Si계 음극의 방전 전위가 0.55V 보다 높게 올리가지 않도록 사용되는 리튬 금속의 양을 제어한다. 따라서, 전리튬화에 사용되는 리튬 금속은 음극활물질의 용량을 기준으로 10 내지 35%, 상세하게는 5 내지 25%의 용량을 발현할 수 있는 함량으로 사용될 수 있다. 여기서, 음극활물질의 용량은 하프 셀 기준에서 전해액(EC/EMC=3/7; LiPF6 1M)을 충분히 주액 후, 0.2C 방전을 3회 실시한 후 측정한 마지막 용량을 기준으로 한다.At this time, the amount of lithium metal used is controlled so that the discharge potential of the Si-based negative electrode does not rise higher than 0.55V. Therefore, the lithium metal used in pre-lithiation can be used in an amount capable of developing a capacity of 10 to 35%, specifically 5 to 25%, based on the capacity of the negative electrode active material. Here, the capacity of the negative electrode active material is based on the final capacity measured after sufficiently injecting electrolyte (EC/EMC=3/7; LiPF6 1M) and performing 0.2C discharge three times on a half-cell basis.

또한, 본 발명의 일 구현예에서, 상기 리튬 이차전지의 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 3.5, 상세하게는 1.8 내지 3.0의 범위로 설계될 수 있다. 그 결과, 상기 Si계 음극의 충전 전위를 0.45V 까지 유지할 수 있다. In addition, in one embodiment of the present invention, the capacity ratio (N/P ratio) of the positive electrode and the negative electrode of the lithium secondary battery, specifically, the areal capacity ratio of neagative to positive electrode It can be designed to be in the range of 1.5 to 3.5, specifically 1.8 to 3.0. As a result, the charging potential of the Si-based cathode can be maintained up to 0.45V.

통상적인 음극 설계시에는 양극에서 방출되는 리튬이온이 대향하는 음극상에서 리튬 금속으로 석출되지 않도록 N/P ratio를 대략 1 내지 1.4의 범위로 설정하지만, 본 발명의 일 구현예에서는 양극 대비 음극의 용량을 1.5 이상으로 더욱 증가시켜 음극활물질인 Si 입자를 과량 배치할 수 있으며, 이로부터 Si 입자에서 충방전시 리튬의 삽입 및 탈착 과정에서 부피팽창이 커지는 영역은 배제하면서 나머지 영역을 제한적으로 활용하여 음극의 충전 전위를 0.45V까지 유지할 수 있다.In a typical cathode design, the N/P ratio is set to a range of approximately 1 to 1.4 so that lithium ions released from the anode do not precipitate as lithium metal on the opposing cathode, but in one embodiment of the present invention, the capacity of the cathode compared to the anode is By further increasing to 1.5 or more, an excessive amount of Si particles, which are the negative electrode active material, can be disposed. As a result, areas where volume expansion increases during the insertion and desorption of lithium during charging and discharging in the Si particles are excluded, and the remaining areas are limitedly utilized to form the negative electrode. The charging potential can be maintained up to 0.45V.

이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 음극은 충방전 전위가 0.45 내지 0.55 V의 범위내에서 조절될 수 있다.In this way, the charge/discharge potential of the cathode according to one embodiment of the present invention can be adjusted within the range of 0.45 to 0.55 V.

본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이차전지에서, 상기 양극은 양극활물질, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슬러리를 제조한 후 이를 금속 집전체에 직접 코팅하거나, 별도의 지지체상에 캐스팅하고 이 지지체로부터 박리시킨 양극활물질 필름을 금속 집전체에 라미네이션하여 양극을 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 dispersion medium to prepare a slurry, and then coating the slurry directly on a metal current collector or casting it on a separate support. A positive electrode can be manufactured by laminating the positive electrode active material film peeled from the support to a metal current collector.

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 분산매는 상기 음극 제조시에 사용된 것과 동일하게 사용될 수 있다.Meanwhile, the conductive material, binder, and dispersion medium may be used in the same manner as those used in manufacturing the anode.

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)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. In the lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention, the separator is a typical porous polymer film used as a conventional separator, such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and Porous polymer films made of polyolefin-based polymers such as ethylene/methacrylate copolymers can be used alone or by laminating 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.

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.A lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention forms an electrode assembly with a separator between the positive electrode and the negative electrode, the electrode assembly is placed in, for example, a pouch, a cylindrical battery case, or a prismatic battery case, and then an electrolyte is added. By injection, a lithium secondary battery can be completed. In another method, a lithium secondary battery can be completed by stacking the electrode assembly, impregnating it with an electrolyte solution, and sealing the resulting product in a battery case.

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 1종 이상을 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, the 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 or more types 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.

본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이차전지는 스택형, 권취형, 스택 앤 폴딩형 또는 케이블형일 수 있다. The lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may be a stack type, a wound type, a stack and fold 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 not only be used in battery cells used as power sources for small devices, but can also be preferably used as a unit cell in medium to large-sized battery modules containing multiple 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: Example 1:

<음극의 제조><Manufacture of cathode>

음극활물질로서 평균 입경이 5㎛인 Si 입자(Wacker社) 및 제1 바인더로서 폴리아크릴산(PAA)(Toyo社, 중량평균분자량: 450,000, 모듈러스: 43,000Mpa)를 제1 분산매인 물에 첨가하고, 60℃에서 플래너터리 믹서(DSPM-100, 대성화학기계)로 2시간 동안 혼련에 의한 분산을 수행하여 제1 예비슬러리를 수득하였다. 이때, 상기 폴리아크릴산(PAA)는 Si 입자 100 중량부를 기준으로 10 중량부로 사용하였다.Si particles with an average particle diameter of 5㎛ (Wacker) as a negative electrode active material and polyacrylic acid (PAA) (Toyo, weight average molecular weight: 450,000, modulus: 43,000Mpa) as a first binder are added to water as a first dispersion medium, Dispersion by kneading was performed at 60°C for 2 hours using a planetary mixer (DSPM-100, Daesung Chemical Machinery) to obtain a first preliminary slurry. At this time, the polyacrylic acid (PAA) was used in an amount of 10 parts by weight based on 100 parts by weight of Si particles.

한편, 도전재로서 카본블랙(Super C, Imerys Graphite & Carbon社)과 흑연계 도전재(KS6L, Timcal社)을 2:8로 혼합한 후, 제2 바인더로서 폴리아크릴산(PAA)(Toyo社, 중량평균분자량: 150,000, 모듈러스: 5,500Mpa)를 제2 분산매인 물에 첨가하고, 60℃에서 동일한 플래너터리 믹서로 2시간 동안 혼련에 의한 분산을 수행하여 제2 예비슬러리를 수득하였다. 이때, 상기 폴리아크릴산(PAA)는 전체 도전재 100 중량부를 기준으로 25 중량부로 사용하였다. Meanwhile, as a conductive material, carbon black (Super C, Imerys Graphite & Carbon) and a graphite-based conductive material (KS6L, Timcal) were mixed in a ratio of 2:8, and then polyacrylic acid (PAA) (Toyo, Inc.) was used as a second binder. Weight average molecular weight: 150,000, modulus: 5,500Mpa) was added to water as a second dispersion medium, and dispersion was performed by kneading with the same planetary mixer at 60°C for 2 hours to obtain a second preliminary slurry. At this time, the polyacrylic acid (PAA) was used in an amount of 25 parts by weight based on 100 parts by weight of the total conductive material.

상기 제1 바인더 및 제2 바인더의 모듈러스는 사용된 각 바인더를 3.2mmⅹ12.7mmⅹ125mm의 크기의 박막 형태의 필름으로 제조한 후, 상기 필름에 대해서 ASTM D790-71에 따라 측정한 값이다.The modulus of the first binder and the second binder is a value measured according to ASTM D790-71 after each binder used was manufactured into a thin film with a size of 3.2mm × 12.7mm × 125mm.

상기 제1 예비슬러리 및 제2 예비슬러리를 혼합하여 음극 슬러리(Si 입자: 제1 바인더:도전재:제2바인더의 중량비=67.8:6.8:20.3:5.1)를 얻고, 이를 두께 10㎛인 구리 호일의 일면에 코팅하고, 건조 및 압연하여 음극활물질층을 형성함으로써 음극을 제조하였다. The first preliminary slurry and the second preliminary slurry were mixed to obtain a negative electrode slurry (weight ratio of Si particles: first binder: conductive material: second binder = 67.8:6.8:20.3:5.1), which was coated with copper foil having a thickness of 10 μm. A negative electrode was manufactured by coating one side of the electrode, drying and rolling to form a negative electrode active material layer.

이와 같이 형성된 음극활물질층에서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 제1 바인더(30)는 활물질인 Si 입자(10)와 접촉하고 있으며, 상기 제2 바인더(40)는 사용된 도전재(20)와 접촉하고 있다.In the negative electrode active material layer formed in this way, as shown in FIG. 2, the first binder 30 is in contact with Si particles 10, which are active materials, and the second binder 40 is in contact with the used conductive material 20. is in contact with

<양극의 제조><Manufacture of anode>

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.Li(Ni 0.5 Co 0.3 Mn 0.2 )O 2 as the positive electrode active material, carbon black (Super C, Imerys Graphite & Carbon) as the conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as the binder at a weight ratio of 97:1.5:1.5. A positive electrode slurry was prepared by dispersing in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). The positive electrode slurry was coated on one side of aluminum foil with a thickness of 15㎛, dried, and rolled to prepare a positive electrode.

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

상기에서 제조한 전리튬화된 Si계 음극 및 양극의 사이에 두께 12㎛인 폴리올레핀계 세퍼레이터(SRS, LG Chem社)를 개재시킨 후, 에틸렌 카보네이트(EC) 및 에틸메틸 카보네이트(DEC)를 30:70의 부피비로 혼합한 용매에 1.2M LiPF6가 용해된 전해액을 주입하고, 양극과 음극의 용량비(N/P ratio)가 1.8인 리튬 이차전지를 제조하였다.After interposing a polyolefin-based separator (SRS, LG Chem) with a thickness of 12㎛ between the pre-lithiated Si-based cathode and anode prepared above, ethylene carbonate (EC) and ethylmethyl carbonate (DEC) were added at 30%: An electrolyte solution containing 1.2M LiPF 6 dissolved in a solvent mixed at a volume ratio of 70 was injected, and a lithium secondary battery with a capacity ratio (N/P ratio) of the positive and negative electrodes of 1.8 was manufactured.

실시예 2: Example 2:

음극의 제조시에 실시예 1에서 제조된 음극 위에 리튬 금속을 음극활물질층의 용량을 기준으로 30%의 용량을 발현하는 양으로 증착시켜 전리튬화하는 것을 제외하고는 실시예 1와 동일한 과정을 수행하여 리튬 이차전지를 제조하였다. 이때, 상기 음극활물질의 용량은 하프 셀 기준에서 전해액(EC/EMC=3/7; LiPF6 1M)을 충분히 주액 후, 0.2C 방전을 3회 실시한 후 측정한 마지막 용량을 기준으로 하였다.When manufacturing the negative electrode, the same process as Example 1 was followed, except that lithium metal was deposited on the negative electrode prepared in Example 1 in an amount to develop a capacity of 30% based on the capacity of the negative electrode active material layer to pre-lithiate. A lithium secondary battery was manufactured. At this time, the capacity of the negative electrode active material was based on the final capacity measured after sufficiently injecting electrolyte (EC/EMC = 3/7; LiPF6 1M) and performing 0.2C discharge three times on a half-cell basis.

제조된 리튬 이차전지는 전리튬화에 의해 양극과 음극의 용량비(N/P ratio)가 2.3으로 증가하였다.The capacity ratio (N/P ratio) of the positive and negative electrodes of the manufactured lithium secondary battery increased to 2.3 by pre-lithiation.

실시예 3: Example 3:

상기 제2 바인더로서 아크릴산 유래 반복단위 및 우레탄 유래 반복단위를 함유하는 폴리아크릴산 공중합체(LG Chem社, 중량평균분자량: 90,000, 모듈러스: 3,200Mpa)를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 리튬 이차전지를 제조하였다.The same process as Example 1 except that a polyacrylic acid copolymer (LG Chem, weight average molecular weight: 90,000, modulus: 3,200Mpa) containing repeating units derived from acrylic acid and repeating units derived from urethane was used as the second binder. A lithium secondary battery was manufactured.

비교예 1: Comparative Example 1:

음극활물질로서 평균 입경이 5㎛인 Si 입자(Wacker社), 도전재로서 카본블랙(Super C, Imerys Graphite & Carbon社)과 흑연계 도전재(KS6L, Timcal社)의 2:8 혼합물, 바인더로서 스티렌-부타디엔 고무(SBR)(BM-L302, Zeon社, 모듈러스: 1MPa 이하) 및 분산제로서 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)(2200, Daicel社, 모듈러스: 1MPa 이하)를 80:15:3.5:1.5의 중량비로 물에 분산시켜 얻은 음극슬러리를 음극활물질층의 형성에 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 리튬 이차전지를 제조하였다.As the anode active material, Si particles with an average particle diameter of 5㎛ (Wacker), as a conductive material, a 2:8 mixture of carbon black (Super C, Imerys Graphite & Carbon) and a graphite-based conductive material (KS6L, Timcal), and as a binder Styrene-butadiene rubber (SBR) (BM-L302, Zeon, modulus: 1 MPa or less) and carboxymethyl cellulose (CMC) (2200, Daicel, modulus: 1 MPa or less) as a dispersant at a weight ratio of 80:15:3.5:1.5. A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the negative electrode slurry obtained by dispersing in water was used to form the negative electrode active material layer.

비교예 2: Comparative Example 2:

음극활물질로서 평균 입경이 5㎛인 Si 입자(Wacker社), 도전재로서 카본블랙(Super C, Imerys Graphite & Carbon社)과 흑연계 도전재(KS6L, Timcal社)의 2:8 혼합물, 및 바인더로서 폴리아크릴산(PAA)(Toyo社, 중량평균분자량: 450,000, 모듈러스: 43,000Mpa)를 67.8:20.3:11.9의 중량비로 물에 분산시켜 얻은 음극슬러리를 음극활물질층의 형성에 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 리튬 이차전지를 제조하였다.As the negative electrode active material, Si particles with an average particle diameter of 5㎛ (Wacker), as a conductive material, a 2:8 mixture of carbon black (Super C, Imerys Graphite & Carbon) and a graphite-based conductive material (KS6L, Timcal), and a binder Except that the negative electrode slurry obtained by dispersing polyacrylic acid (PAA) (Toyo, weight average molecular weight: 450,000, modulus: 43,000Mpa) in water at a weight ratio of 67.8:20.3:11.9 is used to form the negative electrode active material layer. , a lithium secondary battery was manufactured by performing the same process as Example 1.

비교예Comparative example 3: 3:

음극활물질로서 평균 입경이 5㎛인 Si 입자(Wacker社), 도전재로서 카본블랙(Super C, Imerys Graphite & Carbon社)과 흑연계 도전재(KS6L, Timcal社)의 2:8 혼합물, 및 바인더로서 폴리아크릴산(PAA)(Toyo社, 중량평균분자량: 150,000, 모듈러스: 5,500Mpa)를 67.8:20.3:11.9의 중량비로 물에 분산시켜 얻은 음극슬러리를 음극활물질층의 형성에 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 리튬 이차전지를 제조하였다.As the negative electrode active material, Si particles with an average particle diameter of 5㎛ (Wacker), as a conductive material, a 2:8 mixture of carbon black (Super C, Imerys Graphite & Carbon) and a graphite-based conductive material (KS6L, Timcal), and a binder Except that the negative electrode slurry obtained by dispersing polyacrylic acid (PAA) (Toyo, weight average molecular weight: 150,000, modulus: 5,500Mpa) in water at a weight ratio of 67.8:20.3:11.9 is used to form the negative electrode active material layer. , a lithium secondary battery was manufactured by performing the same process as Example 1.

실험예 1: 리튬이차전지의 성능 평가Experimental Example 1: Performance evaluation of lithium secondary battery

실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 음극을 하프셀로 제조하여 전기화학 충방전기를 이용하여 초기(1회) 충방전을 수행하여 초기 효율을 측정하였다. 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.The negative electrodes of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were manufactured as half cells, and initial efficiency was measured by performing initial (one time) charge and discharge using an electrochemical charge and discharge device. At this time, all charging and discharging conditions were performed at 0.1C. Afterwards, charging and discharging were continued to check the capacity maintenance rate. At this time, charging was done using a constant current/constant voltage (CC/CV) method until it reached 4.3V and 1/20C current with a current of 0.7C, and discharging was done at 0.5C. This was carried out using a constant current (CC) method up to a voltage of 3.2V. Charging and discharging were performed a total of 300 times.

각 전지에 대한 전극상의 크랙 발생 유무, 초기 효율(%) 및 용량 유지율(%)를 다음과 같이 산출하여, 그 값을 하기 표 1에 나타내었다.The presence or absence of cracks on the electrodes, initial efficiency (%), and capacity maintenance rate (%) for each battery were calculated as follows, and the values are shown in Table 1 below.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 비교예 3Comparative Example 3 전극 크랙발생 평가1) Electrode crack occurrence evaluation 1) OKOK OKOK OKOK OKOK NGNG OKOK 초기효율(%)2) Initial efficiency (%) 2) 91.191.1 102.5102.5 91.091.0 91.091.0 91.191.1 91.191.1 용량유지율(%)3) Capacity maintenance rate (%) 3) 95.395.3 96.596.5 95.595.5 86.486.4 66.166.1 71.271.2 1) 전극상에 크랙 발생 여부는 육안으로 관찰하였으며, 크랙발생이 없는 경우는 "OK", 크랙이 발생된 경우는 "NG"로 표시함
2) 초기 효율(%) = (1회 사이클의 방전 용량 / 1회 사이클의 충전 용량)×100
3) 용량 유지율(%) = (300회 사이클후의 방전 용량 / 1회 사이클의 방전 용량)Х100
1) The occurrence of cracks on the electrode was observed with the naked eye. If no cracks occurred, it was marked as “OK”, and if cracks occurred, it was marked as “NG”.
2) Initial efficiency (%) = (discharge capacity of one cycle / charge capacity of one cycle) × 100
3) Capacity maintenance rate (%) = (Discharge capacity after 300 cycles / Discharge capacity after 1 cycle) Х100

상기 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, Si계 음극의 제조시에 모듈러스가 상이한 2종의 바인더를 사용한 실시예 1 내지 3의 리튬 이차전지는 1가지의 바인더만을 사용한 비교예 1 내지 3에 비해 우수한 수명특성을 나타내었다. 또한, 실시예 2의 경우에는 전리튬화를 수행한 결과, 가장 우수한 초기효율을 나타내었다.As can be seen in Table 1, the lithium secondary batteries of Examples 1 to 3 using two types of binders with different moduli when manufacturing the Si-based negative electrode are superior to Comparative Examples 1 to 3 using only one binder. Lifespan characteristics were shown. In addition, in the case of Example 2, pre-lithiation was performed, showing the best initial efficiency.

Claims (10)

집전체, 및 상기 집전체의 적어도 일면에 위치된 음극활물질층을 포함하고,
상기 음극활물질층은 단일층에 Si-함유 음극활물질, 도전재, 상기 Si-함유 음극활물질과 접촉하고 있는 제1 바인더, 및 상기 도전재와 접촉하고 있는 제2 바인더를 포함하며,
상기 제1 바인더는 10,000 내지 80,000 Mpa의 모듈러스를 갖고,
상기 제2 바인더는 1,000 내지 8,000 Mpa의 모듈러스를 갖는 리튬 이차전지용 음극.
It includes a current collector, and a negative electrode active material layer located on at least one side of the current collector,
The negative electrode active material layer includes a Si-containing negative electrode active material in a single layer, a conductive material, a first binder in contact with the Si-containing negative electrode active material, and a second binder in contact with the conductive material,
The first binder has a modulus of 10,000 to 80,000 Mpa,
The second binder is a negative electrode for a lithium secondary battery having a modulus of 1,000 to 8,000 Mpa.
제1항에 있어서,
상기 제1 바인더는 중량평균분자량이 250,000 내지 800,000인 폴리아크릴산(PAA), 폴리비닐알콜(PVA) 또는 이들 중 2 이상의 혼합물이고,
상기 제 2 바인더는 중량평균분자량이 20,000 내지 200,000인 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴산 공중합체 또는 이들 중 2 이상의 혼합물인 리튬 이차전지용 음극.
According to paragraph 1,
The first binder is polyacrylic acid (PAA), polyvinyl alcohol (PVA), or a mixture of two or more thereof having a weight average molecular weight of 250,000 to 800,000,
The second binder is a negative electrode for a lithium secondary battery, which is polyacrylic acid (PAA), polyacrylic acid copolymer, or a mixture of two or more thereof having a weight average molecular weight of 20,000 to 200,000.
제2항에 있어서,
상기 폴리아크릴산 공중합체는 아크릴산 유래 반복단위 및 이와 중합가능한 말릭산, 아크릴로니트릴, 스타이렌 또는 우레탄으로부터 유래된 반복단위를 함유하는 리튬 이차전지용 음극.
According to paragraph 2,
The polyacrylic acid copolymer is a negative electrode for a lithium secondary battery containing a repeating unit derived from acrylic acid and a repeating unit derived from malic acid, acrylonitrile, styrene, or urethane polymerizable therewith.
제1항에 있어서,
상기 Si-함유 음극활물질은 Si, SiO, SiO2 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함하는 리튬 이차전지용 음극.
According to paragraph 1,
The Si-containing negative electrode active material is a negative electrode for a lithium secondary battery comprising Si, SiO, SiO 2 or a mixture of two or more thereof.
제1항에 있어서,
상기 제1 바인더는 Si-함유 음극활물질 100 중량부를 기준으로 5 내지 25 중량부로 포함되는 리튬 이차전지용 음극.
According to paragraph 1,
The first binder is a negative electrode for a lithium secondary battery comprising 5 to 25 parts by weight based on 100 parts by weight of the Si-containing negative electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 제2 바인더는 도전재 100 중량부를 기준으로 10 내지 70 중량부로 포함되는 리튬 이차전지용 음극.
According to paragraph 1,
The second binder is a negative electrode for a lithium secondary battery containing 10 to 70 parts by weight based on 100 parts by weight of the conductive material.
제1항에 있어서,
상기 음극은 상기 Si-함유 음극활물질 또는 이를 포함하는 음극활물질층에 증착된 리튬 금속을 더 포함하고, 상기 리튬 금속이 Si-함유 음극활물질의 용량을 기준으로 10 내지 35%의 용량을 발현하는 함량으로 증착되어 전리튬화된 것인 음극.
According to paragraph 1,
The negative electrode further includes lithium metal deposited on the Si-containing negative electrode active material or a negative electrode active material layer containing the same, and the lithium metal has a capacity of 10 to 35% based on the capacity of the Si-containing negative electrode active material. The cathode is deposited and pre-lithiated.
(S1) Si-함유 음극활물질을 10,000 내지 80,000 Mpa의 모듈러스를 갖는 제1 바인더와 함께 제1 분산매에 분산시켜 제1 예비슬러리를 수득하는 단계;
(S2) 도전재를 1,000 내지 8,000 Mpa의 모듈러스를 갖는 제2 바인더와 함께 제2 분산매에 분산시켜 제2 예비슬러리를 수득하는 단계;
(S3) 상기 제1 예비슬러리와 상기 제2 예비슬러리를 혼합하여 음극슬러리를 수득하는 단계; 및
(S4) 상기 음극슬러리를 집전체의 적어도 일면에 코팅하고 건조 및 압연을 수행하는 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 음극의 제조방법.
(S1) dispersing a Si-containing negative electrode active material in a first dispersion medium together with a first binder having a modulus of 10,000 to 80,000 MPa to obtain a first preliminary slurry;
(S2) dispersing the conductive material in a second dispersion medium together with a second binder having a modulus of 1,000 to 8,000 MPa to obtain a second preliminary slurry;
(S3) mixing the first preliminary slurry and the second preliminary slurry to obtain a negative electrode slurry; and
(S4) A method of manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery comprising the steps of coating the negative electrode slurry on at least one side of a current collector and performing drying and rolling.
제8항에 있어서,
상기 제1 분산매 및 제2 분산매는 각각 물, 메탄올, 에탄올 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하는 리튬 이차전지용 음극의 제조방법.
According to clause 8,
A method of producing a negative electrode for a lithium secondary battery, wherein the first dispersion medium and the second dispersion medium each include water, methanol, ethanol, or a mixture of two or more thereof.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 음극을 포함하는 리튬 이차전지.A lithium secondary battery comprising the negative electrode according to any one of claims 1 to 7.
KR1020180070972A 2018-06-20 2018-06-20 Si Anode and Lithium Secondary Battery Comprising The Same KR102621786B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180070972A KR102621786B1 (en) 2018-06-20 2018-06-20 Si Anode and Lithium Secondary Battery Comprising The Same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180070972A KR102621786B1 (en) 2018-06-20 2018-06-20 Si Anode and Lithium Secondary Battery Comprising The Same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190143256A KR20190143256A (en) 2019-12-30
KR102621786B1 true KR102621786B1 (en) 2024-01-04

Family

ID=69103336

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180070972A KR102621786B1 (en) 2018-06-20 2018-06-20 Si Anode and Lithium Secondary Battery Comprising The Same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102621786B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220103469A (en) * 2021-01-15 2022-07-22 주식회사 엘지에너지솔루션 Method for charging and discharging secondary battery

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014141403A1 (en) * 2013-03-13 2014-09-18 株式会社日立製作所 Negative electrode for electricity storage devices, and electricity storage device

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100863733B1 (en) * 2006-05-15 2008-10-16 주식회사 엘지화학 Electrode Material Containing Polyacrylic Acid Physically Mixed with Polyurethane as Binder and Lithium Secondary Battery Employed with the Same
KR101440883B1 (en) * 2007-10-02 2014-09-18 삼성에스디아이 주식회사 An electrode, a method for preparing the same and a lithium battery using the same

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014141403A1 (en) * 2013-03-13 2014-09-18 株式会社日立製作所 Negative electrode for electricity storage devices, and electricity storage device

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190143256A (en) 2019-12-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20210053862A (en) Positive electrode material for lithium secondary battery, positive electrode and lithium secondary battery including the same
KR102080255B1 (en) Negative electrode active material and negative electrode for secondary battery comprising the same
KR100893227B1 (en) Anode for improving storage performance at a high temperature and lithium secondary battery comprising the same
KR102143101B1 (en) Method for preparing positive electrode active material for secondary battery, positive electrode active material prepared by the same and lithium secondary battery comprising the same
KR102321503B1 (en) Anode Active Material of Lithium Secondary Battery and Lithium Secondary Battery Comprising the Same
KR20190064462A (en) Cathode Having Double Active Material Layers and Lithium Secondary Battery Comprising the Same
KR102564970B1 (en) Negative electrode and secondary battery comprising the same
KR102621785B1 (en) Lithium Secondary Battery Comprising Si Anode
EP3016197A1 (en) Lithium secondary battery
KR101956827B1 (en) Negative electrode active material and lithium secondary battery comprising the same
KR102090296B1 (en) Negative electrode for lithium secondary battery, lithium secondary battery comprising the same, and preparing method thereof
KR102530678B1 (en) Anode Active Material for Lithium Secondary Battery, Anode Comprising the same, and Lithium Secondary Battery Comprising the Same
KR20180134309A (en) Negative electrode, lithium secondarty battery comprising the negative electrode, and method for manufacturing the negative electrode
KR20180134615A (en) Positive electrode for secondary battery, method for preparing the same, and lithium secondary battery comprising the same
KR20180117483A (en) Negative electrode for lithium secondary battery, lithium secondary battery comprising the same, and preparing method thereof
KR20200036796A (en) Positive electrode active material for secondary battery, method for preparing the same and lithium secondary battery comprising the same
KR20190091220A (en) An anode for a lithium secondary battery and a battery comprising the same
US11545660B2 (en) Long-life and ultra-high energy density lithium secondary battery
KR102367371B1 (en) Anode and Lithium Secondary Battery Comprising the Same
KR102631899B1 (en) Lithium Secondary Battery Comprising Si Anode and Method of Making the Same
CN114342148A (en) Method for manufacturing secondary battery
KR102534215B1 (en) Lithium Secondary Battery Comprising Si Anode
KR102621786B1 (en) Si Anode and Lithium Secondary Battery Comprising The Same
KR102567400B1 (en) Secondary battery
KR20190110346A (en) Method for Preparing Anode and Anode Prepared Therefrom

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant