KR102640199B1 - 리튬 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양극, 음극, 비수 전해액을 포함하고; 상기 음극은 평균 입자 직경(D50)이 9 내지 14㎛인 천연흑연을 포함하는 음극 활물질을 포함하며; 수학식 3으로 표시되는 상기 음극의 전극 팽창률은 17% 이하인 것으로써, 출력 특성 및 수명 특성이 현저하게 개선된 리튬 이차 전지에 관한 것이다.

Description

리튬 이차 전지{LITHIUM SECONDARY BATTERY}
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것이며, 보다 상세하게는 출력 특성 및 수명 특성이 우수한 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
전자, 통신, 컴퓨터 산업의 급속한 발전에 따라, 캠코더, 휴대폰, 노트북PC 등과 같은 휴대용 전자통신 기기들이 눈부신 발전을 하고 있다. 이에 따라, 이들을 구동할 수 있는 동력원으로서 리튬 이차 전지의 수요가 나날이 증가하고 있다.
특히 친환경 동력원으로서 전기자동차, 무정전 전원장치, 전동공구 및 인공위성 등의 응용과 관련하여 고용량, 고출력, 고안정성 및 장기 수명 특성을 가진 리튬 이차 전지에 대한 개발이 요구되고 있으며, 국내는 물론 일본, 유럽 및 미국 등지에서 연구개발이 활발히 진행되고 있다.
리튬 이차 전지는 집전체 상에 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막이 개재된 전극조립체에 리튬염을 포함하는 비수계 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다. 리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 리튬 코발트 옥사이드(LiCoO2), 리튬 니켈 옥사이드(LiNiO2), 리튬 망간 옥사이드(LiMnO2) 등과 같은 전이금속 화합물이 주로 사용되고, 음극 활물질로는 일반적으로 연화 정도가 큰 천연흑연이나 인조흑연과 같은 결정질계 탄소재료, 또는 1000~1500℃의 낮은 온도에서 탄화수소나 고분자 등을 탄화시켜 얻은 슈도-그라파이트(pseudo-graphite) 구조 또는 터보스트래틱 구조를 가지는 비정질계(low crystalline) 탄소재료가 사용된다.
그러나 기존의 천연흑연을 음극 활물질로 이용한 이차 전지는 높은 전극 팽창률을 가지고 있어, 수명 특성이 좋지 않은 문제점이 있다. 이에 수명 특성을 개선하기 위해 인조흑연을 음극 활물질로 이용하는 기술이 도입되었지만 기존의 천연흑연 대비 출력 특성이 동등 이하 수준이며, 높은 저항 값으로 인해 사용이 제한되고 있다. 한편 리튬 이차 전지의 고용량을 구현하기 위해 제작된 고합제나 고밀도 전극은 수명 특성의 열세 문제로 인해 고성능 배터리의 사용이 제한되고 있는 실정이다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 한국등록특허 제1057162호는 금속-카본 복합체 음극 활물질과 관련해, 금속입자의 부피 변화를 억제하여 싸이클 특성이 개선된 음극 활물질을 개시한 바 있으나, 여전히 출력 특성 및 수명 특성의 향상 정도가 미흡하다.
한국등록특허 제1057162호
본 발명은 출력 특성 및 수명 특성이 우수한 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
1. 양극, 음극 및 비수 전해액을 포함하고; 상기 음극은 평균 입자 직경(D50)이 9 내지 14㎛인 천연흑연을 포함하는 음극 활물질을 포함하며; 하기 수학식 3으로 표시되는 상기 음극의 전극 팽창률은 17% 이하인 리튬 이차 전지:
[수학식 3]
음극의 전극 팽창률(%)＝100×(T2-T1)/(T1)
(식 중, T1은 충전 전 음극 전극 두께이고, T2는 충전 후 음극 전극 두께임).
2. 위 1에 있어서, 상기 천연흑연은 평균 입자 직경이 10 내지 12㎛인 리튬 이차 전지.
3. 위 1에 있어서, 상기 천연흑연은 하기 수학식 1로 표시되는 입자 밀도 변화율이 0.06 이하인 리튬 이차 전지:
[수학식 1]
입자 밀도 변화율 = (Da-Db)/(a-b)
(식 중, Da는 천연흑연 2.5g을 반지름 1cm인 홀에 넣고 압력 8kN으로 5초 간 가압 시의 입자 밀도(g/cc), Db는 압력 1kN으로 5초 간 가압 시의 입자 밀도이고, a는 8kN, b는 1kN임).
4. 위 1에 있어서, 상기 천연흑연은 상기 입자 밀도 변화율이 0.04 이하인 리튬 이차 전지.
5. 위 1에 있어서, 상기 천연흑연은 입경 분포에서의 반가폭이 10㎛ 이하인 리튬 이차 전지.
6. 위 1에 있어서, 상기 천연흑연은 입경 분포에서의 반가폭이 9㎛ 이하인 리튬 이차 전지.
본 발명의 리튬 이차 전지는 출력 특성 및 수명 특성이 현저하게 우수하다.
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양극, 음극, 비수 전해액을 포함하고; 상기 음극은 평균 입자 직경(D50)이 9 내지 14㎛인 천연흑연을 포함하는 음극 활물질을 포함하며; 수학식 3으로 표시되는 상기 음극의 전극 팽창률은 17% 이하인 것으로써, 출력 특성 및 수명 특성이 현저하게 개선된 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
양극 활물질
본 발명에서 양극 활물질은 종래 전기 화학 소자의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극 활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬 망간 산화물(lithiated magnesium oxide), 리튬 코발트 산화물(lithiated cobalt oxide), 리튬 니켈 산화물 (lithiated nickel oxide) 또는 이들의 조합에 의해서 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질(lithium intercalation material) 등이 바람직하다.
음극 활물질
본 발명에 따른 음극 활물질은 평균 입자 직경(D50)이 9 내지 14㎛인 천연흑연을 포함한다.
본 명세서에서 D50은 누적 입경 분포에 있어서 체적분율 50%에서의 입자 직경을 의미한다.
본 발명에 따른 천연흑연은 D50이 9 내지 14㎛로 작다.
천연흑연을 음극 활물질로 사용하는 경우 그 입경에 따라 이차 전지의 출력이 영향을 받는데, 본 발명에 따른 음극 활물질은 D50이 9㎛ 내지 14㎛로 작아, 이차 전지가 우수한 출력 특성을 나타낼 수 있다. 바람직하게는 D50이 10㎛ 내지 12㎛일 수 있다. 상기 범위일 때, 우수한 출력 특성을 나타내면서도, 계속적인 충방전시에도 입자가 과잉하게 변형되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 바람직하게는 본 발명에 따른 천연흑연은 하기 수학식 1로 표시되는 입자 밀도(pellet density) 변화율이 0.06 이하일 수 있다. 그러한 경우에 상기 음극의 전극 팽창률이 억제될 수 있다. 이는, 상기 범위일 때 천연흑연 입자간 공극이 최소화되도록 활물질 입자의 팩킹(packing)이 이루어지기 때문인 것으로 판단된다. 더 바람직하게는, 입자 밀도 변화율이 0.04 이하일 때 활물질 입자의 팩킹 정도가 우수하여 상기 음극의 전극 팽창률의 억제가 극대화될 수 있다.
[수학식 1]
입자 밀도 변화율 = (Da-Db)/(a-b)
(식 중, Da는 천연흑연 2.5g을 반지름 1cm인 홀에 넣고 압력 8kN으로 5초 간 가압 시의 입자 밀도(g/cc), Db는 압력 1kN으로 5초 간 가압 시의 입자 밀도이고, a는 8kN, b는 1kN임)
본 명세서에서 입자 밀도는 분체저항 측정 기기를 이용하며, 음극 활물질 2.5g을 반지름 1cm인 홀(hole) 내부에 담은 후 소정의 압력을 5초간 가하여, 가압 상태에서의 홀의 높이를 마이크로 게이지(micro gauge)로 측정하여 부피를 구함으로써, 하기 수학식 2에 따라 계산할 수 있다.
[수학식 2]
입자밀도(D) = m/V
(식 중, m은 특정 가압 상태에 놓인 음극 활물질의 무게(g)이고, V는 특정 가압 상태에 놓인 음극 활물질의 부피(cc)임)
상기 입자 밀도 변화율을 얻는 방법은 제한되지 않으며, 예를 들면 천연흑연 입자에 대한 입경 분포(particle size distribution)의 반가폭(half value width)을 10㎛ 이하로 함으로써 얻을 수 있다. 입자간 공극을 최소화하여 활물질 입자의 팩킹이 우수한 천연흑연을 얻는다는 측면에서 바람직하게는 상기 반가폭을 9㎛ 이하로 할 수 있다.
본 명세서에서 반가폭은 천연흑연 입자의 입경 분포(particle size distribution) 그래프의 세로축의 값이 그래프의 최대 높이의 반일 때 가로축의 폭을 계산 하여 얻을 수 있다.
본 발명에서 사용되는 천연흑연은 리튬 이차 전지에 일반적으로 사용되는 천연흑연이라면 어떠한 것도 사용될 수 있으며, 예를 들면 결정질 탄소로서 무정형, 판상, 인편상(flake) 또는 구상의 천연흑연일 수 있다. 바람직하게는 구상의 고결정성 천연흑연이다. 천연흑연이 구상일 때 전해액의 함침이 용이하여 고율 충방전 특성에 유리하다.
본 발명에서 사용되는 천연흑연은 엣지 또는 전부가 탄화물에 의해 피복된 천연흑연일 수 있다. 상기 탄화물층은 심재 탄소재료에 석탄계 또는 석유계로부터 유래하는 피치, 타르 또는 이들의 혼합물을 코팅한 후 탄화 소성하여 형성한 저결정성 탄화물층이다. 여기서, 저결정성이라 함은 천연흑연에 비해 탄화물층의 결정화도가 낮다는 것을 의미한다. 상기 탄화물층은 천연흑연의 세공을 매립하여 비표면적을 감소시키며 전해액의 분해반응 사이트를 감소시키는 기능을 하여 충방전 효율과 사이클 용량 특성이 개선되므로 향상된 수명 특성을 가진 리튬 이차 전지의 제조가 가능하다.
상기 탄화물에 의해 피복된 천연흑연은, 입자 형태를 갖는 천연흑연과 석탁계 또는 석유계로부터 유래하는 탄소재료를 습식 또는 건식으로 혼합하여 천연흑연의 표면에 탄소재료를 코팅층으로 형성하는 단계와, 상기 탄소재료 코팅층이 형성된 천연흑연을 소성하여 천연흑연의 엣지 일부 또는 전부에 탄화물층을 형성하는 단계를 진행하여 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 음극 활물질은 전술한 천연흑연 외에 본 발명의 목적을 제한하지 않는 범위 내에서 당 분야에 공지된 음극 활물질을 더 포함할 수 있다. 예를 들면 리튬 금속, 리튬 합금, 리튬 타이타네이트, 실리콘, 주석 합금, 코크스, 인조 흑연, 유기 고분자 화합물 연소체, 탄소 섬유를 1종 이상 포함할 수 있다. 상기 당 분야에 공지된 음극 활물질의 함량은 제한되지 않으며, 예를 들면 본 발명에 따른 음극 활물질은 상기 공지된 음극 활물질을 10중량% 이하로 포함할 수 있고, 바람직하게는 포함되지 않을 수 있다.
이차 전지
본 발명은 전술한 본 발명에 따른 양극 활물질 및 음극 활물질을 이용하여 제조되는 리튬 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 비수 전해액을 포함하여 제조될 수 있다.
양극 및 음극은 각각 전술한 본 발명에 따른 양극 활물질 및 음극 활물질에 용매, 필요에 따라 바인더, 도전재, 분산재 등을 혼합 및 교반하여 합제를 제조한 후 이를 금속 재료의 집전체에 도포(코팅)하고 압연한 뒤 건조하여 양극 및 음극을 제조할 수 있다.
바인더로는 당분야에서 사용되는 것이 특별한 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들면 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate) 등의 유기계 바인더, 또는 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 등의 수계 바인더를 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)와 같은 증점제와 함께 사용할 수 있다.
도전재로는 통상적인 도전성 탄소재가 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.
금속 재료의 집전체는 전도성이 높고 상기 양극 또는 음극 활물질의 합제가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로서, 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 양극 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 음극 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
양극과 음극 사이에는 세퍼레이터가 개재되는데, 세퍼레이터로는 종래에 세퍼레이터로 사용된 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 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 또는 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 세퍼레이터를 전지에 적용하는 방법으로는 일반적인 방법인 권취(winding) 이외에도 세퍼레이터와 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 등이 가능하다.
비수 전해액은 전해질인 리튬염과 유기 용매를 포함하며, 리튬염은 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 유기 용매로는 대표적으로 프로필렌카보네이트(propylenecarbonate, PC), 에틸렌카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디메틸설퍼옥사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌카보네이트, 설포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌설파이트 및 테트라하이드로푸란으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 사용될 수 있다.
비수 전해액은 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터로 이루어진 전극 구조체에 주입하여 리튬 이차 전지로 제조된다. 본 발명의 리튬 이차 전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지는 상기 음극의 전극 팽창률이 17% 이하이며, 바람직하게는 16% 이하이다. 본 발명의 리튬 이차 전지는 상기 범위 내의 팽창률을 가짐으로써 장기 수명 특성이 매우 우수하다. 예를 들면 500싸이클의 충방전 시에도 1 내지 5% 수준의 방전 용량 감소를 나타내어 우수한 장기 수명 특성을 보인다.
본 명세서에서 상기 음극의 전극 팽창률은 하기 수학식 3에 따라 계산될 수 있다.
[수학식 3]
음극 전극 팽창률(%)＝100×(T2-T1)/(T1)
(식 중, T1은 충전 전 음극 전극 두께이고, T2는 충전 후 음극 전극 두께임)
상기 수학식 3에서 상기 충전 전 음극 전극 두께(T1)는 음극 활물질에 용매, 필요에 따라 바인더, 도전재, 분산재 등을 혼합 및 교반하여 제조한 합제를 금속 집전체에 도포하고 압연한 후 음극 전극 두께를 측정함으로써 구할 수 있다. 그리고 상기 충전 후 음극 전극 두께(T2)는 제조한 음극에 진공 건조를 1일간 시행한 후 양극과 비수 전해액을 넣어 셀을 제작하여, 셀을 충전(CC-CV 1.0 C 4.2V 0.05C CUT-OFF)시킨 후 셀을 드라이룸에서 해체하여, 음극 전극 두께를 측정함으로써 구할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1
<음극의 제조>
음극 활물질로 D50이 10.5㎛이고, PSD의 반가폭이 8.4㎛인 천연흑연을 준비하였고, 바인더로는 수계 바인더로서 스티렌-부타디엔고무(SBR)와 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)를 5:5의 중량비로 혼합하여 준비하였으며, 도전재로는 카본블랙을 준비하였다.
이후, 상기 음극 활물질, 도전재 및 바인더를 93:5:2의 중량비로 혼합한 후, 이를 물에 분산시켜 음극 슬러리를 제조하였다. 이후 상기 음극 슬러리를 구리 박막 위에 코팅한 후, 건조하고 3.8㎫의 압력으로 압연하여 이차 전지용 음극을 제조하였다.
<리튬 이차 전지의 제조>
제조된 음극과, 양극재로는 LiNiMnCoO2, 세퍼레이터로 Celgard 2400를 사용하고, 알루미늄 외장재를 적용하여 리튬 이차 전지를 제조하였다. 전지 규격 크기는 두께 4.5㎜ × 폭 64㎜ × 길이 95㎜로 설계 용량은 2000㎃h로 하였다.
실시예 2
천연흑연의 D50이 9.7㎛이고, PSD의 반가폭이 8.7㎛인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일 조건으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
비교예 1
천연흑연의 D50이 12.3㎛이고, PSD의 반가폭이 9.4㎛인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일 조건으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
비교예 2
천연흑연의 D50이 11.8㎛이고, PSD의 반가폭이 9.8㎛인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일 조건으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
비교예 3
천연흑연의 D50이 10.6㎛이고. PSD의 반가폭이 10.4㎛인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일 조건으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
비교예 4
천연흑연의 D50이 15.7㎛이고. PSD의 반가폭이 9.6㎛인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일 조건으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
실험예
1. 음극 활물질의 입자 밀도 변화율 측정
분체 저항 측정 기기를 이용하여, 각 실시예 및 비교예의 음극 활물질 2.5g을 반지름 1cm인 홀(hole) 내부에 담은 후 1kN의 압력을 5초간 가한다. 이때의 가압 상태에서의 홀의 높이를 마이크로 게이지(micro gauge)로 측정하여 하기 수학식 2에 따라 입자밀도를 계산한다. 다음, 동일한 음극 활물질에 대하여 8kN의 압력을 5초간 가하여 마찬가지로 홀의 높이를 측정하여 입자 밀도를 측정한다. 그리고 수학식 2에 따라 얻은 입자 밀도를 하기 수학식 1에 대입하여 입자 밀도 변화율을 얻었고, 그 결과를 표 1에 기재하였다.
[수학식 1]
입자 밀도 변화율 = (Da-Db)/(a-b)
(식 중, Da는 천연흑연 2.5g을 반지름 1cm인 홀에 넣고 압력 8kN으로 5초 간 가압 시의 입자 밀도(g/cc), Db는 압력 1kN으로 5초 간 가압 시의 입자 밀도이고, a는 8kN, b는 1kN임)
[수학식 2]
입자밀도(D) = m/V
(식 중, m은 특정 가압 상태에 놓인 음극 활물질의 무게(g)이고, V는 특정 가압 상태에 놓인 음극 활물질의 부피(cc)임)
2. 음극 전극 팽창률 측정
각 실시예 및 비교예의 음극 제조 후, 충전 전 음극 전극 두께를 T1로 하고, 진공 건조를 1일간 시행한 후 셀을 제작하여, 셀을 충전(CC-CV 1.0 C 4.2V 0.05C CUT-OFF) 시킨 다음, 셀을 드라이룸에서 해체한 후 음극 전극 두께를 측정하여 T2로 하고, 하기 수학식 3에 대입함으로써 계산하였다. 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
[수학식 3]
음극 전극 팽창률(%)＝100×(T2-T1)/(T1)
(식 중, T1은 충전 전 음극 전극 두께이고, T2는 충전 후 음극 전극 두께임)
3. 출력 특성 평가
각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전지를 이용하여 HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization by FreedomCarBattery Test Manual) 방식으로 SOC(state of charge) 50%일 때의 출력특성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
4. 수명 특성 평가
각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 셀로 충전(CC-CV 1.0 C 4.2V 0.05C CUT-OFF) 및 방전(CC 1.0C 2.75V CUT-OFF)을 500회 반복한 후, 500회에서의 방전용량을 1회 방전용량 대비 %로 계산하여 상온 수명 특성을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
구분 입자 밀도 변화율 음극의 전극 팽창률(%) 방전출력 특성
(W/kg)		 수명(%)
(500cycle)
실시예 1 0.030 15 3345 98.1
실시예 2 0.033 17 3055 96.5
비교예 1 0.050 21 3060 87.2
비교예 2 0.054 22 3050 85.7
비교예 3 0.057 25 3010 80.3
비교예 4 0.040 17 2870 97.2
상기 표 1을 참조하면, 실시예의 리튬 이차 전지는 수명이 우수하면서, 동시에 높은 출력 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
그러나, 비교예 1 내지 3의 리튬 이차 전지는 수명 및 출력 특성이 저하되었고, 비교예 4의 리튬 이차 전지는 출력이 매우 저하되었다.

Claims (6)

  1. 양극, 음극 및 비수 전해액을 포함하고;
    상기 음극은 평균 입자 직경(D50)이 9 내지 14㎛인 천연흑연을 포함하는 음극 활물질을 포함하며;
    하기 수학식 1로 표시되는 상기 천연흑연의 입자 밀도 변화율은 0.06 이하이고,
    하기 수학식 3으로 표시되는 상기 음극의 전극 팽창률은 17% 이하인 리튬 이차 전지:
    [수학식 1]
    입자 밀도 변화율 = (Da-Db)/(a-b)
    (수학식 1 중, Da는 천연흑연 2.5g을 반지름 1cm인 홀에 넣고 압력 8kN으로 5초 간 가압 시의 입자 밀도(g/cc), Db는 압력 1kN으로 5초 간 가압 시의 입자 밀도이고, a는 8kN, b는 1kN임),
    [수학식 3]
    음극의 전극 팽창률(%)＝100×(T2-T1)/(T1)
    (수학식 3 중, T1은 충전 전 음극 전극 두께이고, T2는 충전 후 음극 전극 두께임).
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 천연흑연은 평균 입자 직경이 10 내지 12㎛인 리튬 이차 전지.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 천연흑연은 상기 입자 밀도 변화율이 0.04 이하인 리튬 이차 전지.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 천연흑연은 입경 분포에서의 반가폭이 10㎛ 이하인 리튬 이차 전지.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 천연흑연은 입경 분포에서의 반가폭이 9㎛ 이하인 리튬 이차 전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180130182A (ko) * 2017-05-29 2018-12-07 에스케이이노베이션 주식회사 리튬 이차 전지
EP3890061A4 (en) * 2019-01-14 2021-12-29 Lg Energy Solution, Ltd. Anode and secondary battery comprising said anode
EP3846257A4 (en) 2019-01-21 2021-12-08 LG Chem, Ltd. ACTIVE ANODE MATERIAL FOR SECONDARY LITHIUM BATTERY, AND ANODE AND SECONDARY LITHIUM BATTERY CONTAINING IT

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4989114B2 (ja) 2006-06-02 2012-08-01 日本カーボン株式会社 リチウム二次電池用負極及び負極活物質
CN101174683B (zh) * 2006-11-01 2010-05-12 比亚迪股份有限公司 锂离子二次电池的负极以及包括该负极的锂离子二次电池
KR101035099B1 (ko) 2008-04-08 2011-05-19 (주)포스코켐텍 이차전지용 탄소 음극재 및 이를 이용한 이차전지
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KR101057162B1 (ko) 2008-12-01 2011-08-16 삼성에스디아이 주식회사 음극활물질, 이를 구비하는 음극 및 리튬이차전지
CN102893430B (zh) * 2010-08-03 2015-11-25 日立麦克赛尔能源株式会社 非水二次电池用负极及非水二次电池
JP5917361B2 (ja) * 2011-12-16 2016-05-11 Ｊｆｅケミカル株式会社 非晶質炭素粒子の製造方法、非晶質炭素粒子、リチウムイオン二次電池用負極材料およびリチウムイオン二次電池
KR101582718B1 (ko) * 2013-02-04 2016-01-06 주식회사 엘지화학 구형 천연 흑연을 포함하는 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR20140132791A (ko) * 2013-05-06 2014-11-19 주식회사 엘지화학 리튬 이차 전지용 음극재 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지

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