KR20080098229A - 2차 전지용 음극재 및 이를 음극으로 포함하는 2차 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 2차 전지용 음극재 및 이를 음극으로 포함하는 2차 전지에 관한 것이다. 본 발명의 2차 전지용 음극재는 심재 탄소 재료에 저결정성 탄소를 피복하고 소성한 후 도전재를 첨가하여 제조된 2차 전지용 음극재에서, 상기 도전재로 편형 또는 구형의 천연흑연인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 전기저항을 감소시키고, 음극재의 리튬(lithium) 흡장 기능의 향상으로 인해 전지의 충/방전 용량, 효율 및 사이클 특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
2차 전지, 음극재, 도전재, 천연흑연, 전기저항
Description
본 발명은 2차 전지용 음극재 및 이를 음극으로 포함하는 2차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도전재로 편형 또는 구형의 천연흑연을 사용함으로써 전기저항을 감소시키고, 음극재의 리튬(lithium) 흡장 기능의 향상으로 인해 전지의 충/방전 용량, 효율 및 사이클 특성을 향상시킬 수 있는 2차 전지용 음극재 및 이를 음극으로 포함하는 2차 전지에 관한 것이다.
비디오 카메라, 무선전화기, 핸드폰, 노트북 컴퓨터 등 각종 휴대용 전자기기가 일상생활에 급속히 보급되면서 전원 공급원으로 사용되는 2차 전지의 수요가 크게 증가되었고, 그 중에서 리튬 2차 전지는 용량이 크고 에너지밀도가 높은 우수한 전지 특성 때문에 국내외적으로 활발한 연구개발이 진행되어, 현재 2차 전지 중에서 가장 광범위하게 사용되고 있다.
리튬 2차 전지는 기본적으로 양극과 음극 및 전해질로 이루어지며, 따라서 리튬 2차 전지에 대한 연구개발은 크게 양극(cathode) 및 음극(anode) 재료, 전해질(electrolyte)에 관한 연구로 나눌 수 있다.
이 중에서 리튬 2차 전지의 음극재로서 사용되고 있는 천연흑연은 초도 용량은 우수하나 효율과 사이클 용량이 떨어지는 특성을 나타낸다. 이는 고결정성의 천연흑연 에지(edge) 부분에서의 전해액 분해반응이 원인으로 알려져 있다.
이러한 특성을 극복하기 위해, 천연흑연에 저결정성 탄소를 표면처리(피복)하고 이를 1,000 ℃ 이상에서 열처리하여 천연흑연 표면에 결정성이 낮은 탄화물을 피복하는 공정을 거치게 된다. 이후, 전기전도성 향상을 위해 도전재를 첨가하기도 한다.
대한민국 특허출원 제20055-7013416호는 두 종류의 흑연을 혼합하여 고용량이고 사이클 특성 또한 우수하며 저렴한 리튬이차전지용 음극에 대하여 개시하고 있다. 그러나, 상기 특허는 전기전도성을 향상시키기 위하여 흑연을 도전재로 첨가하였을 때 첨가량과 전기저항과의 관게에 따른 충/방전 효율 및 사이클 특성에 대한 데이터에 대하여는 전혀 기재하지 않고 있다.
따라서, 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 노력이 관련 업계에서 지속되어 왔으며, 이러한 기술적 배경하에서 본 발명이 안출되었다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 전기저항을 감소시키고, 음극재의 리튬(lithium) 흡장 기능의 향상으로 인해 전지의 충/방전 용량, 효율 및 사이클 특성을 향상시키고자 함에 있으며, 이러한 기술적 과제를 달성할 수 있는 2차 전지용 음극재 및 이를 음극으로 포함하는 2차 전지를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제를 달성하기 위한 2차 전지용 음극재는, 심재 탄소 재료에 저결정성 탄소를 피복하고 소성한 후 도전재를 첨가하여 제조된 2차 전지용 음극재에 있어서, 상기 도전재는, 편형 또는 구형의 천연흑연인 것을 특징으로 한다.
상기 도전재는 2차 전지용 음극재에 1 내지 50 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 2차 전지용 음극재는 전기저항 값이 0.01 Ω㎝ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제를 달성하기 위한 2차 전지는, 상기 음극재를 음극으로 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 2차 전지용 음극재는 전기전도성 향상을 위하여 편형 또는 구형의 천연흑연을 도전재로 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기와 같은 도전재를 사용함으로써 2차 전지용 음극재의 전기저항 값을 0.01 Ω㎝ 이하로 감소시킴으로써 도전성을 향상시켜 2차 전지의 충/방전 용량 및 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 도전재는 2차 전지용 음극재의 전기전도성을 향상시키기 위하여 첨가되는 성분으로, 편형 또는 구형의 천연흑연을 사용하는 것이 좋다. 상기 도전재는 첨가량에 따라 충/방전 용량, 효율 및 사이클 특성에 영향을 미치므로 적정량의 선정이 매우 중요하다. 따라서, 상기 도전재는 2차 전지용 음극재에 1 내지 50 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 도전재의 함량 한정에 있어서, 상기 하한치 미만일 경우에는 첨가량이 적어 전기전도성을 향상시키지 못하여 바람직하지 않으며, 상기 상한치를 초과할 경우에는 용량, 효율 및 사이클 특성 열화가 발생하여 바람직하지 않다.
상기와 같은 도전재를 포함하는 2차 전지용 음극재는 전기저항 값이 0.01 Ω㎝ 이하인 것이 바람직하며, 상기와 같은 전기저항 값, 즉 전기저항이 작을수록 도전성이 높아지게 되므로 충/방전 용량 및 효율증대에 기여하여 탄소성질의 음극재의 리튬(lithium) 흡장 기능 향상으로 인해 2차 전지의 충/방전 용량 및 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 2차 전지용 음극재는 전기저항 값이 0.01 Ω㎝ 이하에서 90 % 이상의 충/방전 효율을 기대할 수 있다.
또한, 본 발명의 2차 전지용 음극재는 당업계에서 실시하는 통상의 방법에 따라 심재 탄소 재료에 저결정성 탄소를 피복하고 소성한 후, 도전재를 첨가하여 제조할 수 있다.
상기 심재 탄소 재료는 천연흑연, 인조흑연 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 특히 천연흑연을 사용하는 것이 좋다.
상기 저결정성 탄소로는 탄소는, 피치(pitch), 타르(tar), 페놀수지, 퓨란수지, 풀푸릴알콜 등을 사용할 수 있다.
상기 심재 탄소 재료와 저결정성 탄소의 혼합 중량비는 80 내지 99.5 : 20 내지 0.05인 것이 바람직하며, 그 혼합 중량비가 상기 범위내일 경우에는 비표면적을 5 ㎡/g 이하로 조절할 수 있어 바람직하다.
본 발명의 2차 전지용 음극재는 상기와 같은 저결정성 탄소와 심재 탄소 재료를 혼합하여 상압에서 2 시간 이상 습식 교반하고 건조한 다음, 1,000 내지 2,500 ℃의 온도에서 1 내지 24 시간 동안 소성하고, 분급하여 미분을 제거한 후, 여기에 도전재를 첨가하여 제조할 수 있다. 이렇게 표면이 피복된 심재 탄소 재료는 심재 탄소 재료의 에지(edge) 부분의 일부 또는 전부가 저결정성 탄소에 의하여 피복될 수 있다.
상기와 같이 제조한 음극재를 포함하는 극판 제조용 슬러리에는 필요에 따라 선택적으로 바인더를 소량으로 첨가할 수 있다.
상기 바인더로는 열가소성 수지, 열경화성 수지 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 특히 폴리불화비닐리덴(PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 폴리불화비닐리덴을 사용하는 것이다.
상기와 같이 음극재와 선택적으로 바인더를 포함하는 극판 제조용 슬러리는 이후 전극 집전체에 도포한 후, 건조시켜 용매나 분산매 등을 제거함으로써 집전체에 활물질을 결착시킴과 더불어 활물질간을 결착시키게 된다.
상기 전극 집전체는 도전성 재료로 된 것이면 특별히 제한되지 않으나, 특히 구리, 금, 니켈, 구리합금, 또는 이들의 조합에 의해 제조된 호일을 사용하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 양극, 음극, 양 전극 사이에 개재된 분리막 및 전해질을 포함하는 2차 전지에 있어서, 전술한 제조방법에 의하여 제조된 음극재를 음극으로 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 2차 전지는 당 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 넣고 전해질을 투입하여 제조할 수 있다.
상기 전해질은 리튬염과 전해액 화합물을 포함하는 비수전해액으로서, 리튬염으로는 LiClO4, LiCF3SO3, LiPF6, LiBF4, LiAsF6 및 LiN(CF3SO2)2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 화합물이 바람직하다. 또한 전해액 화합물은 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 감마부티로락톤(GBL), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸메틸카보네이트(EMC) 및 메틸 프로필 카보네이트(MPC)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 전지 제조시에는 분리막(seperator)으로서 다공성 분리막을 사용하는 것이 바람직하며, 비제한적인 예로는 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 폴리올레핀계 다공성 분리막 등이 있다.
본 발명의 2차 전지는 외형에 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예와 이에 대비되는 비교예를 통하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
실시예 1
구상의 천연흑연질 탄소재료와 피치 및 편형의 천연흑연질 탄소재료를 준비하였다.
구상의 천연흑연에 테트라하이드로퓨란으로 녹인 피치를 9:1의 중량비로 섞고, 상압에서 2 시간 이상 습식 교반하여 혼합한 후 건조하여 혼합물을 제조하였다. 이 혼합물을 1,100 ℃와 1,500 ℃에서 각각 1 시간 동안 1, 2차 소성하고, 분급하여 미분을 제거하여 음극재를 제조하였다.
상기 제조한 음극재 100 g과 편형의 천연흑연질 탄소재료를 상기 음극재에 대하여 3 중량%로 500 ㎖의 반응기에 넣은 후, 소량의 N-메틸피롤리돈(NMP)과 바인더로 폴리불화비닐리덴(PVDF)을 투입한 다음 믹서(mixer)를 이용하여 혼련하여 극판 제조용 슬러리를 제조하였다. 그 다음 상기 제조한 극판 제조용 슬러리를 구리 호일상에 압착 건조하여 전극으로 사용하였다. 이때, 전극의 압착 후 밀도는 1.5 g/㎤, 전극 두께는 70 ㎛이었다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 사용한 편형의 천연흑연질 탄소재료를 음극재에 대하여 5 중량%로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 사용한 편형의 천연흑연질 탄소재료를 음극재에 대하여 7 중량%로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 사용한 편형의 천연흑연질 탄소재료를 음극재에 대하여 10 중량%로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 5
상기 실시예 1에서 사용한 편형의 천연흑연질 탄소재료를 음극재에 대하여 20 중량%로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
비교예 1
구상의 천연흑연에 테트라하이드로퓨란으로 녹인 피치를 9:1의 중량비로 섞고, 상압에서 2 시간 이상 습식 교반하여 혼합한 후 건조하여 혼합물을 제조하였다. 이 혼합물을 1,100 ℃와 1,500 ℃에서 각각 1 시간 동안 1, 2차 소성하고, 분급하여 미분을 제거하여 음극재를 제조하였다.
상기 제조한 음극재 100 g을 500 ㎖의 반응기에 넣은 후, 소량의 N-메틸피롤리돈(NMP)과 바인더로 폴리불화비닐리덴(PVDF)을 투입한 다음 믹서(mixer)를 이용하여 혼련하여 극판 제조용 슬러리를 제조하였다. 그 다음 상기 제조한 극판 제조용 슬러리를 구리 호일상에 압착 건조하여 전극으로 사용하였다. 이때, 전극의 압착 후 밀도는 1.5 g/㎤, 전극 두께는 70 ㎛이었다.
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1에서 제조한 전극을 이용하여 충/방전 효 율을 평가하기 위해 코인셀(Coin cell)을 제조하여 다음과 같은 시험을 통하여 전기저항 및 충/방전 특성을 평가하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
가. 전기저항 - 전기저항 측정장치를 이용하여 측정하였다.
나. 충/방전 특성 - 전위를 0∼1.5 V의 범위로 규제하여 충전 전류 0.5 ㎃/㎠로 0.01 V가 될 때까지 충전하고, 0.01 V의 전압을 유지하며 충전전류가 0.02 ㎃/㎠가 될 때까지 충전을 계속하였다. 그리고, 방전전류는 0.5 ㎃/㎠로 1.5 V까지의 방전을 행하였다.
| 구분 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 실시예 4 | 실시예 5 | 비교예 1 |
| 전기저항 (Ω㎝) | 0.0025 | 0.0019 | 0.0022 | 0.0029 | 0.0031 | 0.0035 |
| 방전용량 (mAh/g) | 359.9 | 358.6 | 358.1 | 356.2 | 353.0 | 360.8 |
| 효율 (%) | 93.4 | 94.1 | 93.7 | 93.1 | 92.9 | 92.1 |
| 보유용량 (30st 사이클 방전용량, %) | 97.4 | 98.8 | 97.9 | 95.6 | 91.3 | 90.33 |
상기 실험은 도전재로 편형 또는 구형의 천연흑연질 탄소재료를 첨가하여 전기저항을 낮게 함으로써 효율 및 보유용량이 증가됨을 보기 위한 것으로, 상기 표 1에 나타낸 바와 같이 비교예 1의 경우에도 효율 및 보유용량은 어느 일정 수준 나오는 것을 알 수 있으나, 본 발명에 따라 편형 또는 구형의 천연흑연을 도전재로 사용한 실시예 1 내지 5의 경우에는 전기저항 값이 도전재를 사용하지 않은 비교예 1과 비교하여 더 낮게 나타남을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 1 내지 5의 경우 도전재의 첨가에 따라 전기저항에 영향을 미치며, 이에 따라 전기저항이 감소함으로써 충/방전 용량, 효율 및 사이클 특성이 향상됨을 알 수 있었다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 따르면 전기저항을 감소시키고, 음극재의 리튬(lithium) 흡장 기능의 향상으로 인해 전지의 충/방전 용량, 효율 및 사이클 특성을 향상시킬 수 있다.
Claims (7)
- 심재 탄소 재료에 저결정성 탄소를 피복하고 소성한 후 도전재를 첨가하여 제조된 2차 전지용 음극재에 있어서,상기 도전재는, 편형 또는 구형의 천연흑연인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 음극재.
- 제1항에 있어서,상기 도전재는, 2차 전지용 음극재에 1 내지 50 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 2차 전지용 음극재.
- 제1항에 있어서,상기 2차 전지용 음극재는, 그 전기저항 값이 0.01 Ω㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 음극재.
- 제1항에 있어서,상기 심재 탄소 재료는, 천연흑연 및 인조흑연으로 이루어진 군으로부터 선택된 단일물 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 음극재.
- 제1항에 있어서,상기 저결정성 탄소가, 피치(pitch), 타르(tar), 페놀수지, 퓨란수지 및 풀푸릴알콜로 이루어지는 군으로부터 선택된 단일물 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 음극재.
- 제1항에 있어서,상기 심재 탄소 재료와 저결정성 탄소는, 80 내지 99.5 : 20 내지 0.05 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 2차 전지용 음극재.
- 제1항 내지 제6항 중 선택된 어느 한 항에 따른 음극재를 음극으로 구비하는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020070043649A KR20080098229A (ko) | 2007-05-04 | 2007-05-04 | 2차 전지용 음극재 및 이를 음극으로 포함하는 2차 전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020070043649A KR20080098229A (ko) | 2007-05-04 | 2007-05-04 | 2차 전지용 음극재 및 이를 음극으로 포함하는 2차 전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20080098229A true KR20080098229A (ko) | 2008-11-07 |
Family
ID=40285799
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020070043649A Ceased KR20080098229A (ko) | 2007-05-04 | 2007-05-04 | 2차 전지용 음극재 및 이를 음극으로 포함하는 2차 전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20080098229A (ko) |
-
2007
- 2007-05-04 KR KR1020070043649A patent/KR20080098229A/ko not_active Ceased
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