KR20090074428A - Igh voltage, high coulomb efficiency and good cycliability lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리튬이차전지에 관한 것으로, 상세하게는 LiCoO2 양극재료를 이용하여 제조한 양극과 고용량 비탄소계 음극을 구비여 4.2~4.5V의 고전압 환경에서도 충전이 가능한 리튬이차전지에 관한 것이다. 즉, 비탄소계 음극활물질을 기반으로 하는 실리콘계 화합물, 합금물질 등을 이용하여 고용량의 음극을 제조하고, 전극의 전처리를 통하여 높은 초기 쿨롱효율을 나타내는 고용량 고효율 음극 전극을 제조할 수 있는 방법 및 상기 고용량 고효율 음극을 포함하여 이루어진 고용량 고에너지의 리튬 이차 전지에 관한 것이다. The present invention relates to a lithium secondary battery, and more particularly, to a lithium secondary battery having a positive electrode manufactured using a LiCoO 2 positive electrode material and a high capacity non-carbon-based negative electrode, which can be charged even in a high voltage environment of 4.2 to 4.5V. That is, a method of manufacturing a high capacity cathode using a silicon compound, alloy material, etc. based on a non-carbon-based anode active material, and a high capacity high efficiency cathode electrode exhibiting a high initial coulombic efficiency through pretreatment of the electrode and the high capacity It relates to a high capacity high energy lithium secondary battery comprising a high efficiency negative electrode.
최근 전자, 정보통신 산업의 발전은 전자기기의 휴대화, 소형화, 경량화, 고성능화를 통하여 급속한 성장을 보이고 있다. 따라서 이들 휴대용 전자기기의 전원으로 고성능의 리튬이차전지로 채용되고 있으며, 수요가 급증하고 있다. 충전과 방전을 거듭하며 사용하는 이차 전지는 정보통신을 위한 휴대용 전자기기나 전기자전거, 전기자동차 등의 전원으로 필수적이다. 특히 이들의 제품성능이 핵심부품인 전지에 의해 좌우되므로 고성능 전지에 대한 요구는 대단히 크다. 전지에 요구되는 특성은 충방전 특성, 수명, 고율 특성과 고온에서의 안정성 등 여러 가지 측면이 있으며 가장 많이 사용되고 있는 것이 리튬 이차 전지이다. Recently, the development of the electronic and information communication industry is showing rapid growth through the portable, miniaturized, lightweight, and high-performance electronic devices. Therefore, high-performance lithium secondary batteries are employed as power sources for these portable electronic devices, and demand is increasing rapidly. Secondary batteries used with repeated charging and discharging are essential as power sources for portable electronic devices, electric bicycles, and electric vehicles for information and communication. In particular, since their product performance depends on batteries, which are core components, the demand for high performance batteries is very large. The characteristics required for the battery include various aspects such as charge and discharge characteristics, lifespan, high rate characteristics, and stability at high temperatures, and lithium secondary batteries are most commonly used.
리튬이차전지는 1992년에 18650 전지를 기준하여 900 mAh의 고용량 수준으로 상업화 한 이래 지속적인 기술 발전으로 2007년에는 18650 전지를 기준하여 2600 mAh 수준까지 기술이 발전하였다. 이러한 고성능 전지 특성에 기인하여 전기자동차용 등 중대형의 전지와 고출력 특성의 전지 수요가 꾸준히 증가하고 있다. Since lithium secondary battery was commercialized at high capacity level of 900 mAh based on 18650 battery in 1992, technology has been developed up to 2600 mAh level based on 18650 battery in 2007. Due to such high-performance battery characteristics, demand for medium and large-sized batteries such as electric vehicles and batteries with high output characteristics is steadily increasing.
리튬이차전지는 양극, 음극, 전해질, 격리막(separator), 외장재 등으로 주로 구성된다. 양극은 전류집전체에 양극 활물질, 도전제와 바인더(binder) 등의 혼합물이 결착되어 구성된다. 양극 활물질로는 LiCoO2 , LiMn2O4 , LiNiO2, LiMnO2 등의 리튬 전이금속 화합물이 주로 사용되며, 지르코니아, 알루미나 등의 물질이나 Co3(PO4)2, LiCoPO4, LiNiPO4, LiMnPO4 등의 재료로 표면 개질한 양극활물질도 사용하고 있다. 이들 물질들은 결정구조 내로 리튬이온이 삽입/탈리(intercalation/deintercalation)가 되면서 충방전이 진행되며 전기화학적 반응 전위가 높다. 음극 활물질은 리튬금속, 탄소 또는 흑연 등이 주로 사용되며 양극 활물질과는 반대로 전기화학적 반응 전위가 낮다. 리튬금속은 싸이클 특성이 열악 하여 이차전지 재료로서 부적합하며, 탄소계 재료는 현재 상용전지에 사용되고 있어 탄소계 재료의 특성을 용량, 초기 쿨롱 효율 및 싸이클 수명 면에서 능가하는 신규의 재료가 개발 중이다. 전해액은 주로 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트 등의 극성 유기용매에 LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2, LiPF6 , LiBF4, LiClO4, LiN(SO2C2F5)2, LiBOB 등의 리튬이온을 포함하는 염을 용해시켜 사용한다. The lithium secondary battery is mainly composed of a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, a separator, a packaging material, and the like. The positive electrode is formed by binding a mixture of a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder to a current collector. Lithium transition metal compounds such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , and LiMnO 2 are mainly used as the positive electrode active material. Surface-modified cathode active materials are also used. These materials are charged / discharged as lithium ions intercalate / deintercalation into the crystal structure and have a high electrochemical reaction potential. Lithium metal, carbon or graphite is mainly used as the negative electrode active material and has a low electrochemical reaction potential as opposed to the positive electrode active material. Lithium metal is inadequate as a secondary battery material because of poor cycle characteristics, and carbon-based materials are currently being used in commercial batteries, and new materials are being developed that surpass the characteristics of carbon-based materials in terms of capacity, initial coulombic efficiency, and cycle life. Electrolyte solution is mainly composed of LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiN ( A salt containing lithium ions such as SO 2 C 2 F 5 ) 2 and LiBOB is dissolved and used.
최근 전지의 고용량화에 의해 전지 시스템의 고전압화가 진행되고 있는 추세이다. 이에 기존의 리튬 이차 전지의 경우 3.0V 내지 4.2V의 충전 전압에서 충전하고 있었으나 이보다 높은 충전 전압(4.2~4.5V)을 적용함으로써 보다 높은 에너지 용량을 발휘하고자 하는 연구가 진행되고 있다.In recent years, the battery system has been undergoing a high voltage due to the high capacity of the battery. In the case of the conventional lithium secondary battery was charged at a charge voltage of 3.0V to 4.2V, but the research to seek a higher energy capacity by applying a higher charge voltage (4.2 ~ 4.5V).
그러나 통상 사용되고 있는 음극, 양극, 비수성 카보네이트계 용매를 전해액으로 사용하는 경우에는 통상적인 충전전위인 4.2V 보다 높은 전압으로 충전하면 산화력이 높아져, 충방전 사이클이 진행될수록 음극, 양극이 열화되고, 전해액의 분해반응이 진행되어 수명특성이 급격하게 떨어지는 문제점이 있다.However, in the case of using a negative electrode, a positive electrode, and a non-aqueous carbonate-based solvent which is commonly used as an electrolyte, when the battery is charged at a voltage higher than the normal charge potential of 4.2 V, the oxidizing power is increased. As the decomposition reaction of the electrolyte proceeds, there is a problem in that the life characteristics rapidly drop.
한편, 음극재료는 비약적으로 비용량이 향상되고 있다. 흑연재료는 이론 비용량이 372 mAh/g 으로서 밀도가 2.62 g/ml인 재료이지만, 근래 개발 중인 실리콘계 재료의 경우 이론 비용량이 4200 mAh/g으로 현격히 높고 밀도도 2.33 g/ml 이 며, 리튬 인터컬레이션 전위 또한 흑연과 유사한 특징을 가진다.On the other hand, the amount of the cathode material is dramatically increased. Graphite materials have a theoretical specific capacity of 372 mAh / g and a density of 2.62 g / ml, but for silicon-based materials under development, the theoretical cost is 4200 mAh / g, and the density is 2.33 g / ml. The transition potential also has similar characteristics to graphite.
실리콘이나 주석계 등 고용량 비탄소계 전극재료들은 대부분 초기 쿨롱효율이 낮고, 싸이클 진행에 따라 리튬 탈 삽입 과정의 비용량이 통상적으로 증가하는 특징을 가지며 산화실리콘(SiO)은 초기 충전(환원)과정에서 Li이 삽입되면서 Li2O가 생성되어 비가역 비용량이 발생하여 초기 충방전 쿨롱 효율이 40 % 정도에서 80 % 수준으로 낮아서 초기 충방전 쿨롱 효율이 90 % 이상을 나타내는 흑연을 대체하여 실제의 전지에 적용하기에는 어렵다. Most of the high-capacity non-carbon electrode materials such as silicon or tin have low initial coulombic efficiency, and the specific cost of lithium desorption process increases as the cycle progresses. Silicon oxide (SiO) is Li during initial charging (reduction) process. This insertion causes Li 2 O to generate irreversible specific cost, and the initial charge-discharge coulomb efficiency is lowered from 40% to 80%, so that graphite having an initial charge-discharge coulomb efficiency of 90% or more is not suitable for practical application. it's difficult.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로,The present invention is to solve the above problems,
초기 쿨롱 효율은 낮으나 고비용량 특성을 나타내는 비탄소계 재료 기반의 음극활물질을 사용하여 고에너지의 차세대 리튬이차전지용 음극 전극을 제공한다. It provides a high energy next-generation lithium secondary battery negative electrode using a non-carbon-based material based negative active material exhibits a low initial coulombic efficiency but high specific capacity.
또한, 상기 초기 쿨롱 효율은 낮으나 고비용량 특성을 나타내는 비탄소계 재료 기반의 음극활물질을 사용한 고에너지의 차세대 리튬이차전지용 음극 전극을 전처리 과정을 통하여 초기 쿨롱 효율을 향상함으로서 높은 초기 쿨롱 효율 특성과 고용량 특성을 함께 발현할 수 있는 음극, 나아가 양극에도 적용할 수 있는 전극 제조방법을 제공하고,In addition, the initial coulombic efficiency and high capacity characteristics are improved by improving the initial coulombic efficiency through a pretreatment process of a high energy next-generation lithium secondary battery negative electrode using a non-carbon-based material-based negative electrode active material having low initial coulombic efficiency. It provides an electrode manufacturing method that can be applied to the negative electrode, which can be expressed together with the positive electrode,
또한, 상기의 높은 초기 쿨롱 효율과 높은 비용량 특성을 나타내는 차세대 리튬이차전지용 음극 전극을 이용하여 기존 리튬이차전지의 에너지 저장 용량을 획기적으로 향상하여 탄소계 리튬이차전지를 능가하는 차세대 리튬이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, by using the negative electrode for the next-generation lithium secondary battery exhibiting the high initial coulombic efficiency and high specific capacity characteristics, the next-generation lithium secondary battery surpasses the carbon-based lithium secondary battery by dramatically improving the energy storage capacity of the existing lithium secondary battery. It aims to provide.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 The present invention for achieving the above object
실리콘 산화물 및 주석 산화물 중 적어도 하나가 포함된 비탄소계 화합물을 포함하는 음극 활물질, 결합제 및 도전재를 포함하여 이루어져 초기쿨롱효율이 90% 이상인 음극; LiCoO2 양극 활물질을 포함하는 양극; 및 이온전도체;를 구비한 리튬이차전지를 제공한다.A negative electrode including a negative electrode active material, a binder, and a conductive material including a non-carbon compound including at least one of silicon oxide and tin oxide, and having an initial coulombic efficiency of 90% or more; LiCoO 2 A positive electrode including a positive electrode active material; And it provides a lithium secondary battery having an ion conductor.
또한, 상기 음극은 환원 전처리 공정을 수행하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.In addition, the negative electrode provides a lithium secondary battery, characterized in that obtained by performing a reduction pretreatment process.
또한, 상기 환원 전처리 공정은 정전류를 통해 0V가 되도록 한 후, 1~60시간 범위내에서 0V의 정전압으로 환원 처리하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.In addition, the reduction pretreatment process provides a lithium secondary battery, characterized in that after the reduction to a constant voltage of 0V within a range of 1 to 60 hours, and then to 0V through a constant current.
또한, 상기 비탄소계 화합물은 흑연(graphite)과 합금된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.In addition, the non-carbon-based compound provides a lithium secondary battery characterized in that the alloy with graphite (graphite).
또한, 상기 비탄소계 화합물과 흑연의 혼합 중량비는 4:6 ~ 6:4 범위내인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.In addition, the mixing weight ratio of the non-carbon compound and graphite provides a lithium secondary battery, characterized in that in the range of 4: 6 ~ 6: 4.
또한, 상기 실리콘 산화물은 SiOx에서 x의 범위가 0.5~1.5 범위내인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.In addition, the silicon oxide provides a lithium secondary battery, characterized in that the range of x in SiOx is in the range of 0.5 ~ 1.5.
또한, 상기 실리콘 산화물은 SiOx에서 x의 범위가 0.5~1.5 범위내인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.In addition, the silicon oxide provides a lithium secondary battery, characterized in that the range of x in SiOx is in the range of 0.5 ~ 1.5.
또한, 4.2 V 내지 4.5 V 범위내의 충전 전압으로 충전되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.In addition, it provides a lithium secondary battery, characterized in that the charge at a charging voltage within the range of 4.2V to 4.5V.
이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 리튬이차전지는, 실리콘 산화물 및 주석 산화물 중 적어도 하나가 포함된 비탄소계 화합물을 포함하는 음극 활물질, 결합제 및 도전재를 포함하여 이루어져 초기쿨롱효율이 90% 이상인 음극과; LiCoO2 양극 활물질을 포함하는 양극;과 이온전도체;를 구비한 것을 특징으로 한다. Lithium secondary battery according to the present invention comprises a negative electrode active material, a binder and a conductive material comprising a non-carbon-based compound containing at least one of silicon oxide and tin oxide; LiCoO 2 And a positive electrode including a positive electrode active material and an ion conductor.
도 1은 본 발명의 실시 형태인 리튬 이차 전지(1)를 나타낸 것이다. 리튬 이차 전지(1)는 음극(2), 전극(3), 상기 음극(2)과 양극(3) 사이에 배치된 세퍼레이터(4), 상기 음극(2), 양극(3) 및 세퍼레이터(4)에 함침된 이온전도체와, 전지 용기(5)와, 전지 용기(5)를 봉입하는 봉입부재(6)를 주된 부분으로 하여 구성되어 있다. 도 1에 도시된 리튬 이차 전지의 형태는 원통형이나 이외에 원통형, 각형, 코인형 또는 쉬트형 등의 다양한 형상으로 될 수 있다.1 shows a lithium
먼저, 본 발명에 따른 리튬이차전지용 음극을 설명한다.First, the negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention will be described.
본 발명에 따른 리튬이차전지용 음극은, 비탄소계 화합물을 포함하는 음극 활물질, 결합제 및 도전재를 포함하여 이루어진 리튬이차전지용 음극으로서, 초기쿨롱효율이 90% 이상인 것을 특징으로 한다.The negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention is a negative electrode for a lithium secondary battery including a negative electrode active material, a binder, and a conductive material containing a non-carbon compound, and has an initial coulombic efficiency of 90% or more.
비탄소계 전극재료는 고비용량에도 불구하고 초기 쿨롱 효율과 싸이클 특성의 문제로 상용 리튬이차전지에 적용하지 못하고 있으나, 본 발명은 이를 해결하였다. The non-carbon electrode material has not been applied to a commercial lithium secondary battery due to problems of initial coulombic efficiency and cycle characteristics despite a high specific capacity, but the present invention solves this problem.
상기 음극 활물질은 상기 비탄소계 화합물이 포함되며, 제한되지 않으나 산화실리콘계 및 산화주석계 화합물 중 적어도 하나가 포함된다. 상기 산화실리콘은 SiOx에서 x의 범위는 0.1에서 2의 범위를 포함하며 좋게는 0.5에서 1.5의 범위이며, 보다 좋게는 0.9에서 1.1의 범위가 활물질로의 특성이 우수하다.The negative active material includes the non-carbon compound, but is not limited thereto and includes at least one of a silicon oxide compound and a tin oxide compound. The silicon oxide has a range of SiO x to x in the range of 0.1 to 2, preferably in the range of 0.5 to 1.5, and more preferably in the range of 0.9 to 1.1, the characteristics of the active material are excellent.
특히, 상기 비탄소계 화합물은 흑연과 합금되어 복합체의 형태를 갖는 것이 좋다. 이 경우, 산화실리콘 등의 비탄소계 화합물과 흑연의 중량비는 제한되지 않으나 중량 비율로서 2 : 8 ~ 7 : 3의 범위 내인 것이 바람직하며 특히 중량 비율이 4 : 6 ~ 6 : 4의 범위 내인 것이 바람직하다. 실험 결과에 따르면, 약 5 : 5의 조 성비에서 우수하였다. 이는 흑연이 비탄소계 화합물의 부피팽창을 완화하는 메트릭스의 역할을 할 수 있어 좋다. In particular, the non-carbon-based compound is preferably alloyed with graphite to have the form of a composite. In this case, the weight ratio of non-carbon compound such as silicon oxide and graphite is not limited, but is preferably in the range of 2: 8 to 7: 3 as the weight ratio, and particularly preferably the weight ratio is in the range of 4: 6 to 6: 4. Do. According to the experimental results, it was excellent at the composition ratio of about 5: 5. This is because graphite may serve as a matrix to alleviate the volume expansion of the non-carbon compound.
합금방법으로는 제한되지 않으나 일례로서, 비탄소계 화합물과 흑연의 혼합물을 스테인레스 볼과 함께 볼밀링기를 이용하여 아르곤이나 질소 등의 불활성 분위기에서 분당 일정 회전수로 볼밀링하여 복합물을 제조하고, 산화실리콘과 흑연의 복합물을 아르곤이나 질소 등의 불활성 분위기에서 열처리하는 방법을 들 수 있다. Although not limited by the alloying method, as an example, a composite is prepared by ball milling a mixture of a non-carbon compound and graphite together with stainless balls at a predetermined revolutions per minute in an inert atmosphere such as argon or nitrogen using a ball milling machine, and silicon oxide The method of heat-processing the composite material of and graphite in inert atmosphere, such as argon and nitrogen, is mentioned.
본 발명에서 스테인레스 볼에 대하여 볼을 재질을 특정하는 것은 아니며, 기계적 볼밀링의 기능을 나타내는 재료의 볼이면 사용할 수 있다. 본 발명에서 볼링기는 볼에 운동 에너지를 부여할 수 있는 수단으로 사용하였으므로 특정 볼링기계에 한정하지 않는다. 본 발명에서 볼밀링과 열처리시의 불활성 분위기를 유지하는 것은 재료의 산화를 방지하기 위한 목적이며 재료의 산화 특성에 따라서 사용 여부를 조절할 수 있다. The present invention does not specify the material of the ball with respect to the stainless ball, and can be used as long as it is a ball of a material showing the function of mechanical ball milling. Bowling machine in the present invention is used as a means for imparting the kinetic energy to the ball is not limited to a specific bowling machine. Maintaining an inert atmosphere during ball milling and heat treatment in the present invention is for the purpose of preventing oxidation of the material and can be used according to the oxidation characteristics of the material.
더 나아가, 상기 흑연과 합금된 비탄소계 화합물에 탄소 재료를 도포할 경우, 전자전도를 원활히 하면서도 합금 재료의 부피팽창을 감소시킬 수 있으며, 탄소 재료 도포 함량의 최적화로 고용량 장수명의 전극 재료로 개발할 수 있다. Furthermore, when the carbon material is applied to the non-carbon-based compound alloyed with the graphite, it is possible to reduce the volume expansion of the alloy material while smoothing the electronic conductivity, it can be developed as a high capacity long life electrode material by optimizing the carbon material coating content have.
탄소 재료의 도포 방법으로는 제한되지 않으나 휘발성 탄소 전구체 증기를 사용하는 CVD(chemical vapor deposition)법도 사용할 수 있으며, 탄소 재료를 부가하여 복합화 할 수 있는 모든 방법은 본 발명의 범주에 속한다. The coating method of the carbon material is not limited, but a chemical vapor deposition (CVD) method using volatile carbon precursor vapor may also be used, and any method capable of adding and compounding the carbon material is within the scope of the present invention.
특히, 산화실리콘과 흑연의 복합물에 탄소전구체 재료를 산화실리콘과 흑연 의 1차 복합물 제조에서와 같은 조건으로 충분히 교반하여 아르곤이나 질소 등의 불활성 분위기에서의 열처리를 통해 탄소전구체를 탄화시켜 얻을 수 있다. In particular, the carbon precursor can be obtained by carbonizing the carbon precursor through a heat treatment in an inert atmosphere such as argon or nitrogen by sufficiently stirring the carbon precursor material in the composite of silicon oxide and graphite under the same conditions as in the production of the primary composite of silicon oxide and graphite. .
상기 탄소 전구체는 탄화에 의해 탄소가 복합물에 도포될 수 있도록 탄소를 제공할 수 있는 물질이면 제한되지 않으며, 핏치, 고분자, 유기화합물 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 특히 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐클로라이드(PVC) 등의 비닐계 수지, 폴리아닐린(PAn), 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리티오펜(Polythiophene) 등의 전도성 고분자 등이 선택될 수 있으며, 상기 전도성 고분자는 염산 등을 이용하여 도핑된 전도성 고분자일 수 있다. 탄소 전구체로 특히 폴리비닐클로라이드(PVC)가 좋다. The carbon precursor is not limited as long as it is a material that can provide carbon so that carbon can be applied to the composite by carbonization, and it is preferable to use pitch, polymer, or organic compound materials. In particular, vinyl resins such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyvinyl chloride (PVC), conductive polymers such as polyaniline (PAn), polyacetylene, polypyrrole, polythiophene, and the like The conductive polymer may be a conductive polymer doped with hydrochloric acid or the like. Carbon precursors are particularly preferred polyvinylchloride (PVC).
상기 열처리 온도는 500 ℃에서 3000℃의 범위까지 사용할 수 있으며, 좋게는 700 ℃에서 1200℃의 범위이며, 보다 좋게는 800 ℃에서 1000℃의 범위이다.The heat treatment temperature may be used in the range of 500 ° C to 3000 ° C, preferably in the range of 700 ° C to 1200 ° C, and more preferably in the range of 800 ° C to 1000 ° C.
상기 열처리 단계 이후에, 얻어진 재료에 대한 분쇄와 분급의 단계를 더 포함할 수 있다.After the heat treatment step, may further comprise the step of grinding and classifying the obtained material.
상기 결합제는 제한되지 않으나 폴리비닐리덴프로오라이드(PVDF, polyvinylidene fluoride) 등의 플루오르화 고분자 재료, 카복시메틸셀룰로오즈(CMS, carbonxymethylcellulose), 스티렌부타디엔고무(SBR, styrene-butadiene rubber) 등의 다양한 접착특성을 가진 재료를 적어도 하나 사용하는 것이 좋다. The binder is not limited, but various adhesive properties such as fluorinated polymer materials such as polyvinylidene fluoride (PVDF), carboxymethyl cellulose (CMS, carbonxymethylcellulose), and styrene-butadiene rubber (SBR) It is advisable to use at least one material with
음극 활물질의 전자전도성을 향상한 목적으로 도전재를 부가하여 사용할 수 있으며, 주로 미분말의 탄소계 재료를 사용하며 금속성이나 전도성 고분자의 재료 를 사용할 수도 있다. 탄소계 미분말 재료는 카본 블랙(carbon black), 카본나노튜브(carbon nanotube), 카본나노섬유(carbon nanofiber), 흑연 미분말 등 다양한 재료를 적어도 하나 사용할 수 있으며, 카본나노튜브의 경우 제조방법과 단일벽이나 복합벽의 구조 모두 사용 할 수 있다.A conductive material may be added and used for the purpose of improving the electron conductivity of the negative electrode active material, and mainly a fine powder carbon-based material may be used and a material of metallic or conductive polymer may be used. As the carbon-based fine powder, at least one of various materials such as carbon black, carbon nanotube, carbon nanofiber and graphite fine powder can be used. Both composite walls can be used.
슬러리화를 위해 용매를 사용할 수 있으며, 엔메틸피롤리돈(NMP, N-methyl pyrrolidone), 디엠에프(DMF, dimethyl formamide) 등의 고 유전율의 유기계 용매를 사용할 수 있으며 물(H2O) 또한 용매로서 사용할 수 있으며, 용매에 대하여 제한을 두지는 않는다. A solvent may be used for slurrying, and a high dielectric constant organic solvent such as NMP (N-methyl pyrrolidone) or DMF (dimethyl formamide) may be used, and water (H 2 O) may also be used as a solvent. It can be used and there is no limitation on the solvent.
상기 음극 활물질은 결합제, 도전재 등과 함께 슬러리로 제조되어 전극이 제조되게 된다. 전극 고형물을 형성하는 음극활물질과 도전재료와 결합재료 중에서 음극활물질의 중량퍼센트는 99 중량퍼센트에서 50 중량퍼센트 범위에서 사용할 수 있으며, 도전재료의 중량퍼센트는 0 중량퍼센트에서 30 중량퍼센트 범위에서 사용할 수 있으며, 결합재료의 중량퍼센트는 1 중량퍼센트에서 40 중량퍼센트 범위에서 사용할 수 있다.The negative electrode active material is prepared as a slurry together with a binder, a conductive material, and the like to prepare an electrode. Among the negative electrode active materials, conductive materials and bonding materials forming the electrode solids, the weight percent of the negative electrode active materials can be used in the range of 99% to 50% by weight, and the weight percentage of the conductive material can be used in the range of 0% to 30% by weight. And the weight percent of the bonding material can be used in the range of 1 weight percent to 40 weight percent.
본 발명에 따른 리튬이차전지용 음극은 특히 후술하는 환원 전처리 과정을 수행하여 제조됨으로써 비탄소계 활물질에서 볼 수 없었던 특성, 즉 초기쿨롱효율이 85% 이상, 특히 90% 이상(기술된 실시예에서는 97% 이상으로 매우 우수하게 나왔다)인 전기화학적 특성을 갖는다. 보다 자세한 설명은 제조방법에서 후술한다.In particular, the negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention is manufactured by performing a reduction pretreatment process to be described later, that is, a characteristic that cannot be seen in a non-carbon-based active material, that is, an initial coulombic efficiency of 85% or more, particularly 90% or more (97% in the described embodiment) It came out very excellently above)). A more detailed description will be described later in the manufacturing method.
이하에서는 본 발명에 따른 음극의 제조방법을 설명한다. 상기의 리튬이차전지용 음극의 설명에서 기재된 사항에 대하여는 설명을 생략한다. Hereinafter, a method of manufacturing a negative electrode according to the present invention will be described. Description is abbreviate | omitted about the matter described in description of said negative electrode for lithium secondary batteries.
본 발명에 따른 음극 제조방법은 제한되지 않으나 비탄소계 화합물을 포함한 활물질, 결합제 및 도전재를 포함한 성분을 혼합하여 전극 슬러리를 제조하는 단계, 상기 전극 슬러리를 집전체에 도포, 건조하여 전극을 형성하는 단계, 상기 형성된 전극을 환원 전처리하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서 상기 활물질, 결합제, 도전재는 특별히 제한되지 않으며, 전술한 활물질, 결합제, 도전재가 사용될 수 있다. The negative electrode manufacturing method according to the present invention is not limited, but preparing an electrode slurry by mixing a component including an active material, a binder, and a conductive material including a non-carbon compound, applying the electrode slurry to a current collector and drying the electrode to form an electrode. Step, it may be made, including the step of pre-reduction of the formed electrode. Herein, the active material, the binder, and the conductive material are not particularly limited, and the active material, the binder, and the conductive material may be used.
먼저, 전극 슬러리를 제조한다.First, an electrode slurry is prepared.
전극 고형물을 형성하는 음극활물질과 도전재료와 결합재료 중에서 음극활물질의 중량퍼센트는 99 중량퍼센트에서 60 중량퍼센트 범위에서 사용할 수 있으며, 도전재료의 중량퍼센트는 0 중량퍼센트에서 30 중량퍼센트 범위에서 사용할 수 있으며, 결합재료의 중량퍼센트는 1 중량퍼센트에서 40 중량퍼센트 범위에서 사용할 수 있다. 상기 조건의 혼합물을 혼합기를 이용하여 혼합하여 전극 슬러리(slurry)를 제조한다. Among the negative electrode active materials, conductive materials and bonding materials forming the electrode solids, the weight percent of the negative electrode active materials can be used in the range of 99% to 60% by weight, and the weight percentage of the conductive material can be used in the range of 0% to 30% by weight. And the weight percent of the bonding material can be used in the range of 1 weight percent to 40 weight percent. A mixture of the above conditions is mixed using a mixer to prepare an electrode slurry.
다음, 제조한 전극 슬러기를 박막의 구리 집전체 상에 도포하고 건조하여 전극판으로 제조한다. 전극 슬러리로부터 전극판을 제조하는 방법은 본 기술분야에서 통용되는 방법을 이용할 수 있으며 제한되지 않는다. Next, the prepared electrode sludge is applied onto a thin copper current collector and dried to prepare an electrode plate. The method for producing the electrode plate from the electrode slurry may use a method commonly used in the art and is not limited.
다음, 상기 형성된 음극을 환원 전처리하는 단계, 그 후 필요에 따라 산화 전처리하는 단계를 거친다.Next, the formed negative electrode is subjected to reduction pretreatment, followed by oxidation pretreatment as necessary.
도 2는 환원 전처리, 산화 전처리 방법에 대한 일례를 나타낸 도이다. 제조한 전극판을 도 2에서 나타낸 바의 일 공정도에 따라 처리하여 고 쿨롱 효율과 고 비용량과 장 수명의 음극판을 제조한다. 2 is a diagram showing an example of a reduction pretreatment and an oxidation pretreatment method. The prepared electrode plate is treated according to one process diagram as shown in FIG. 2 to produce a negative electrode plate having high coulombic efficiency, high specific capacity and long lifetime.
도 2의 공정에서 ㉠에 나타낸 환원 전처리 과정의 구성은 ③의 환원 전처리용 유기 전해액을 포함하는 전해조에 ②의 환원 전처리용 리튬 상대전극과 ④의 환원 전처리용 리튬 기준전극으로 구성하며 연속 공정에 따른 ①의 전극판이 환원 전처리 전해조로 공급된다. ④의 환원 전처리용 리튬 기준전극은 전극판의 전위를 보다 정확하게 측정할 목적으로 사용하며 경우에 따라서는 전극판의 전위를 ②의 전극을 이용할 수도 있다. 이 경우 ②는 상대전극과 기준전극의 기능을 겸하게 된다. 환원 전처리 과정의 전극판의 충전은 전압 기준이나 전기량 기준으로 충전할 수 있다. 전해조에 머무르는 시간은 리튬이온의 음극활물질 내부로의 확산에 영향을 주는 주요 인자로서 중요하다. 전해조 머무름 시간을 가감하는 방법으로는 전극판 진행의 속도를 조절하는 방법, 전해조의 길이를 조정하는 방법, 전해조 내부에 추가의 롤러(roller)를 장치하는 방법 등을 사용할 수 있으며, 다양한 방법으로 전극판의 담금 시간을 가감할 수 있다. In the process of FIG. 2, the reduction pretreatment process shown in FIG. 2 comprises a lithium counter electrode for reduction pretreatment of ② and a lithium reference electrode for reduction pretreatment of ④ in an electrolytic cell containing an organic electrolyte solution for reduction pretreatment of ③ and according to a continuous process. The electrode plate of ① is supplied to a reduction pretreatment electrolyzer. The lithium reference electrode for reduction pretreatment (4) is used for the purpose of more accurately measuring the potential of the electrode plate, and in some cases, the electrode of the electrode may be used as the potential of the electrode plate. In this case, ② serves as a function of the counter electrode and the reference electrode. Charging of the electrode plate during the reduction pretreatment may be performed on the basis of voltage or electric quantity. The residence time in the electrolyzer is important as a major factor affecting the diffusion of lithium ions into the negative electrode active material. As a method of adding or subtracting the electrolytic cell retention time, a method of adjusting the speed of the electrode plate progression, a method of adjusting the length of the electrolytic cell, a method of installing an additional roller inside the electrolytic cell, and the like can be used. You can add or subtract the plate immersion time.
도 2의 공정에서 ㉠ 부분 공정의 환원 전처리 과정의 전압이나 전기량 제어 없이 ①의 전극판과 ②의 환원 전처리용 리튬 상대전극을 단락시켜 0 V의 정전압 으로 충전하는 방법으로 보다 쉽게 환원 전처리 할 수 있다.In the process of FIG. 2, the pre-reduction step can be easily performed by shorting the electrode plate of ① and the lithium counter electrode for reduction pretreatment of ② to be charged at a constant voltage of 0 V without controlling the voltage or electric quantity of the reduction pretreatment process of the partial process. .
도 2의 공정에서 ㉡ 부분 공정의 산화 전처리 과정은 ㉠ 부분 공정의 환원 전처리 과정과 유사한 구성을 가지며, 전극의 전위를 높여주는 산화(방전) 과정 전처리를 위한 전해조 공정이다. 산화 과정의 전위와 머무름 시간 등의 제반 전기화학 조건은 전극 제조자의 목적으로 조정할 수 있다. In the process of FIG. 2, the oxidation pretreatment process of the Z partial process is similar to the reduction pretreatment process of the Z partial process, and is an electrolytic cell process for the pretreatment of the oxidation (discharge) process to increase the potential of the electrode. Various electrochemical conditions such as the potential of the oxidation process and the retention time can be adjusted for the purpose of the electrode manufacturer.
도 2의 공정에서 ㉢ 부분 공정은 전극 중에 포함된 전해질 염의 세정을 위한 목적으로 구성하며, 전해액을 구성하는 유기용매이거나 이들 유기 용매 중의 1종이상으로 구성 할 수 있으며, 전극을 손상시키지 않는 범위 내의 용매는 모두 사용할 수 있다. In the process of Figure 2, the partial process is configured for the purpose of washing the electrolyte salt contained in the electrode, and may be composed of an organic solvent constituting the electrolyte or one or more of these organic solvents, within a range that does not damage the electrode Any solvent can be used.
도 2의 공정에서 ㉢ 부분 공정은 전극 제조자의 목적에 따라 세정 없이 ㉣ 부분 공정으로 전이 할 수 있다.In the process of FIG. 2, the chopped partial process may transition to the chopped partial process without cleaning, depending on the purpose of the electrode manufacturer.
도 2의 공정에서 ㉣ 부분 공정은 전극의 건조를 위한 것으로서 건조 온도와 머무름 시간은 전극 제조자의 목적에 맞게 구성한다.In the process of Figure 2, the partial process is for drying the electrode, the drying temperature and the retention time is configured according to the purpose of the electrode manufacturer.
도 2의 공정에서 ㉡에 나타낸 산화 전처리 과정은 환원 전처리 과정과 구분하여 연속 공정으로 전극을 제조하기 위하여 필요한 부분이다. ㉡의 산화 전처리 과정의 구성은 전해조 ③의 환원 전처리용 유기 전해액을 포함하는 전해조에 ⑤의 산화 전처리용 리튬 상대전극과 ⑥의 산화 전처리용 리튬 기준전극으로 구성하며 연속 공정에 따른 ①의 전극판이 환원 전처리 전해조로부터 산화 전처리조로 공급된다. ⑥의 산화 전처리용 리튬 기준전극은 전극판의 전위를 보다 정확하게 측정할 목적으로 사용하며 경우에 따라서는 전극판의 전위를 ⑤의 전극을 이용할 수도 있다. 이 경우 ⑤는 산화전처리의 상대전극과 기준전극의 기능을 겸하게 된다. 산화 전처리 과정의 전극판의 방전은 전압 기준으로 방전한다. 전해조에 대한 머무름 시간을 가감하는 방법으로는 전극판 진행의 속도를 조절하는 방법, 전해조의 길이를 조정하는 방법, 전해조 내부에 추가의 롤러(roller)를 장치하는 방법 등을 사용할 수 있으며, 다양한 방법으로 전극판의 담금 시간을 가감할 수 있다. In the process of FIG. 2, the oxidation pretreatment process shown in FIG. 2 is a part necessary for manufacturing the electrode in a continuous process separately from the reduction pretreatment process. The oxidation pretreatment of ㉡ consists of a lithium counter electrode for
㉢의 세정조는 전극에 함침된 전해액을 세정하기 위한 것으로서 유기 용매를 이용하며, 유기전해액을 구성하는 저비점의 유기용매로 구성하며, 결합제를 용해하지 않는 범위의 용매를 선정하여 세정 용액으로 사용할 수 있다. 세정 cleaning tank is for cleaning the electrolyte solution impregnated with the electrode. It uses an organic solvent, consists of a low boiling point organic solvent constituting the organic electrolyte solution, and can be used as a cleaning solution by selecting a solvent in a range that does not dissolve the binder. .
㉣의 건조조는 전극에 함침된 유기 용매을 건조하는 과정이다. The drying tank of ㉣ is a process of drying the organic solvent impregnated to the electrode.
전지 공장에서 전극을 생산하고 연속적으로 전지 제조 공정에 투입하는 경우에는 ㉢의 세정조 공정과 ㉣의 건조조 공정을 생략 할 수 있다. In the case of producing an electrode in a battery factory and continuously introducing it into a battery manufacturing process, the washing tank process of the tank and the drying tank process of the tank can be omitted.
또한 전처리한 전극판을 수분 관리를 충실히 하는 건조한 공간에서 보관하고 곧 전지 제조에 사용하는 경우에는 세정 과정을 생략 할 수 있다.In addition, when the pretreated electrode plate is stored in a dry space that faithfully manages moisture and is used for battery manufacturing, the cleaning process can be omitted.
도 3은 도 2의 공정에서 ㉡의 산화 전처리 과정을 생략 할 수 있는 일례의 방법이다. 도 2의 공정에서 사용하는 과정은 전기화학적인 환원 과정과 산화 과정 을 통하여 비가역 비용량을 해소하는 과정이다. 도 3에서는 비가역 비용량에 해당하는 전기량을 충전하여 전극판을 환원하는 방법이다. 본 방법의 결과는 도 2의 결과와 동일한 결과를 도출하게 된다. 연속 공정으로 전극판을 생산하기 위하여 비가역 비용량에 해당하는 전기량을 충전하고 난 후 전위 평형에 도달한 전극판의 전위를 구하고 본 전위에 대하여 연속적인 이송의 극판에 대하여 정전압 충전을 행한다. FIG. 3 is an example method of eliminating oxidation pretreatment in the process of FIG. 2. The process used in the process of Figure 2 is a process of solving the irreversible specific amount through the electrochemical reduction process and oxidation process. In Figure 3 is a method of reducing the electrode plate by charging the amount of electricity corresponding to the irreversible specific amount. The result of the present method leads to the same result as the result of FIG. In order to produce an electrode plate in a continuous process, after charging the amount of electricity corresponding to the irreversible specific amount, the potential of the electrode plate reaching the potential equilibrium is obtained, and constant voltage charging is performed on the pole plate of continuous transfer to this potential.
이러한 전극의 전처리 공정은 산화실리콘 음극 뿐만아니라, 모든 종류의 음극의 초기 쿨롱 효율을 높일 수 있고 비용량을 초기부터 높은 값으로 발현 시킬 수 있다. 또한 본 발명의 전처리 공정은 음극에만 한정되지 않으며, 초기 쿨롱 효율이 낮거나 초기 비용량 발현 특성이 열악한 양극에도 일 공정의 개선으로 용이하게 적용할 수 있다. 따라서, 상기의 전극 제조방법은 음극 뿐 아니라 양극의 제조방법으로도 적용될 수 있다.This electrode pretreatment process can increase the initial coulombic efficiency of not only the silicon oxide anode, but also all kinds of cathodes, and can express the specific amount at a high value from the beginning. In addition, the pretreatment process of the present invention is not limited to the negative electrode, and can be easily applied to the improvement of one process even for the positive electrode having low initial coulombic efficiency or poor initial specific capacity expression characteristics. Therefore, the electrode manufacturing method can be applied to the manufacturing method of the positive electrode as well as the negative electrode.
다음으로, 양극에 대하여 설명한다. 양극 활물질로는 여러 실험을 거친 결과, 고전압 충전 환경에서 LiCoO2가 전술한 음극과 유기적으로 조합이 잘 이루어지고 전지의 수명 등이 우수한 것으로 판명되어 LiCoO2를 양극 활물질로 선택하였다.Next, the anode will be described. As a positive electrode active material, as a result of various experiments, LiCoO 2 was found to be organically well-combined with the above-described negative electrode in a high voltage charging environment, and the battery life was excellent, and thus LiCoO 2 was selected as the positive electrode active material.
상기 양극은 양극 활물질, 도전재 및 바인더로 이루어진 양극 합제를 구비하여 이루어지는 것이 좋으며, 도전재 및 바인더는 음극 재료의 설명에서 나열한 것 들을 사용할 수 있으며, 함량 등 자세히 전술하였으므로 설명을 생략한다.The positive electrode is preferably made of a positive electrode mixture consisting of a positive electrode active material, a conductive material and a binder, the conductive material and the binder may be those listed in the description of the negative electrode material, and the content is described above in detail, so the description is omitted.
또한, 양극은 전술한 바와 같은 환원 전처리 공정을 거칠 수도 있다. The anode may also go through a reduction pretreatment process as described above.
다음으로, 상기 이온전도체는 전해액으로 프로필렌 카보네이트(이하, PC), 에틸렌 카보네이트(이하 EC), 부틸렌 카보네이트, 벤조니트릴, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란, 2-메틸 테트라히드로퓨란, γ-부티로락톤, 디옥솔란, 4-메틸디옥솔란, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸아세토아미드, 디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로벤젠, 디메틸 카보네이트(이하, DMC), 에틸메틸 카보네이트(이하, EMC), 디에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 메틸이소프로필 카보네이트, 에틸부틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디이소프로필카보네이트, 디부틸 카보네이트, 디에틸렌글리콜, 디메틸에테르 등의 비프로톤성 용매, 또는 이들 용매 중 2종 이상을 혼합한 혼합 용매에, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2, LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiBOB, LiN(SO2C2F5)2 등의 리튬염으로 이루어진 전해질 1종 또는 2종 이상을 혼합시킨 것을 용해한 것을 사용할 수 있다.Next, the ion conductor is propylene carbonate (hereinafter referred to as PC), ethylene carbonate (hereinafter referred to as EC), butylene carbonate, benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran and γ-butyrolactone as electrolytes. , Dioxolane, 4-methyldioxolane, N, N-dimethylformamide, dimethylacetoamide, dimethylsulfoxide, dioxane, 1,2-dimethoxyethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, nitrobenzene, dimethyl Carbonate (hereinafter referred to as DMC), ethylmethyl carbonate (hereinafter referred to as EMC), diethyl carbonate, methylpropyl carbonate, methylisopropyl carbonate, ethylbutyl carbonate, dipropyl carbonate, diisopropyl carbonate, dibutyl carbonate, diethylene glycol, LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 , LiPF 6 , LiBF 4 , Li in an aprotic solvent such as dimethyl ether or a mixed solvent in which two or more of these solvents are mixed One or a mixture of two or more electrolytes composed of lithium salts such as ClO 4 , LiBOB, and LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 may be used.
또한 상기 전해액 대신에 고분자 고체 전해질을 사용하여도 좋으며, 이 경우는 리튬이온에 대한 이온도전성이 높은 고분자를 사용하는 것이 바람직하고, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리에틸렌이민 등을 사용할 수 있고, 또한 이것의 고분자에 상기 용매와 용질을 첨가하여 겔상으로 한 것을 사용할 수도 있다.In addition, a polymer solid electrolyte may be used instead of the electrolyte solution. In this case, it is preferable to use a polymer having high ion conductivity with respect to lithium ions, and polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyethyleneimine and the like can be used. The solvent and the solute may be added to the polymer of to form a gel.
격리막으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 다공질 필름을 사용할 수 있으며, 기타 공지의 기술을 적용하여 가감할 수 있으며 본 발명에 포함된다.As the separator, an olefin porous film such as polyethylene or polypropylene may be used, and other known techniques may be applied or subtracted and included in the present invention.
산화실리콘 및 산화주석 등의 비탄소계 화합물과 흑연 재료를 이용한 활물질을 이용하여 음극을 제조하고 전처리 과정을 통하여 제조한 높은 쿨롱 효율과 높은 비용량과 우수한 싸이클 수명 특성을 고루 갖춘 비탄소계 기반의 신규 음극과 LiCoO2 양극재료를 이용하여 제조한 양극을 구비한 리튬이차전지의 전기화학적 특성 분석을 행한 결과 4.2~4.5V의 고전압 환경에서도 고효율 고용량을 갖춘 리튬이차전지로서 탁월함을 발명하였다. A non-carbon-based new anode with high coulombic efficiency, high specific capacity, and excellent cycle life characteristics, which is manufactured by using an active material using non-carbon compounds such as silicon oxide and tin oxide and graphite materials The electrochemical characterization of the lithium secondary battery with the positive electrode manufactured by using the LiCoO2 cathode material and the invention as a lithium secondary battery with high efficiency and high capacity even in a high voltage environment of 4.2 ~ 4.5V invented.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 다만, 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일실시예일 뿐 특허청구범위로부터 정해지는 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention and are not intended to limit the scope of rights defined by the claims.
<실시예 1><Example 1>
일산화실리콘과 흑연의 5 : 5 중량비율의 혼합물을 스테인레스 볼 (2 그램/ 볼)과 함께 볼밀링기를 이용하여 아르곤의 불활성 분위기에서 분당 350회의 회전수로 24시간 볼밀링하여 음극 활물질 복합물을 제조하였다.A negative electrode active material composite was prepared by ball milling a mixture of silicon monoxide and graphite in a 5: 5 weight ratio with a stainless steel ball (2 grams / ball) for 24 hours at 350 revolutions per minute in an inert atmosphere of argon using a ball mill. .
그 후, 상기 음극 활물질 50 중량퍼센트, PVDF-HFP 결합제 15 중량퍼센트, DBP(dibuthyl phthalate) 가소제 32 중량퍼센트, SPB(super P black) 도전재 3 중량퍼센트를 용매제로 엔메틸피롤리돈을 사용하여 전극 슬러리를 제조하였다. 제조한 전극 슬러리를 PET에 도포하고 건조한 후 Cu mesh에 음극 필름을 120℃ hot roll press에서 열 압착 하여 음극을 제조하였다. Subsequently, 50% by weight of the negative active material, 15% by weight of PVDF-HFP binder, 32% by weight of dibuthyl phthalate plasticizer, and 3% by weight of SPB (super P black) conductive material were used as ethylenepyrrolidone as a solvent. An electrode slurry was prepared. After applying the prepared electrode slurry to PET and dried, a negative electrode was prepared by thermal compression of a negative electrode film on a Cu mesh in a 120 ℃ hot roll press.
본 발명에 따른 양극활물질 LiCoO2 94 중량퍼센트, PVDF 결합제 3 중량퍼센트, SPB(super P black) 도전재 3 중량퍼센트를 용매제로 엔메틸피롤리돈을 사용하여 전극 슬러리를 제조하였다. 제조한 전극 슬러리를 Al foil에 도포한 후 건조하여 양극을 제조하였다.An electrode slurry was prepared using 94% by weight of the cathode active material LiCoO 2 according to the present invention, 3% by weight of a PVDF binder, and 3% by weight of a SPB (super P black) conductive material as a solvent. The prepared electrode slurry was applied to Al foil and dried to prepare a positive electrode.
리튬과 Cu mesh에 도포된 음극 및 양극(LiCoO2)을 이용하여 삼전극 파우치셀을 제조하였다. A trielectrode pouch cell was prepared using a cathode and an anode (LiCoO 2 ) coated on lithium and Cu mesh.
전처리 과정으로, 도 2에 나타낸 일 공정도에 따라 리튬과 음극(SiO-G)을 정전류 과정으로 0V까지 환원시키고, 연속하여 정전압 과정으로 0V에서 24시간 동안 환원 처리한 후 3V까지 산화 전처리를 실시하였다.In the pretreatment process, lithium and the cathode (SiO-G) were reduced to 0V in a constant current process according to one process diagram shown in FIG. 2, followed by reduction treatment for 24 hours at 0V in a constant voltage process, followed by oxidation pretreatment to 3V. .
도 4에 산화실리콘과 흑연 복합체 전극을 정전류 과정으로 0V까지 충전한 후 정전압 과정으로 0V에서 24시간 동안 환원 전처리한 경우의 시간에 대한 전위와 전 류를 나타내는 그래프를 나타내었다. 환원 전처리 과정의 소요 비용량은 3252mAh/g 이었으며 산화 전처리 과정의 방전 비용량은 2177mAh/g으로서 전처리 쿨롱 효율은 67%이고 전처리 비가역 비용량은 1075 mAh/g을 나타내었다. Figure 4 shows a graph showing the potential and current with respect to time when the silicon oxide and graphite composite electrode charged to 0V in a constant current process and then reduced pretreatment at 0V for 24 hours in a constant voltage process. Reduction pretreatment required 3252mAh / g, discharge pretreatment was 2177mAh / g, pretreatment coulombic efficiency 67% and pretreatment irreversible specific capacity 1075 mAh / g.
상기 전처리 과정을 행한 삼전극 전지를 0.1C율로 충방전 시험을 행하였다.A charge and discharge test was conducted at a 0.1 C rate of the trielectrode battery subjected to the pretreatment.
도 5는 본 충방전 시험 결과를 도시한 것으로서 시간에 대한 전위와 전류를 나타내는 그림이다. Fig. 5 shows the results of this charge / discharge test and shows the potential and current with respect to time.
도 6은 상기 도 5의 결과를 싸이클에 따른 음극활물질의 중량 기준으로 나타낸 비용량을 나타낸다. 1회 싸이클에서 충전비용량은 752mAh/g, 방전비용량은 730mAh/g으로 초기 충방전 쿨롱 효율이 97%를 나타내었다. 2회 싸이클에서 충전비용량은 728mAh/g 방전비용량은 723mAh/g, 3회 싸이클에서 충전비용량은 718mAh/g, 방전비용량은 711mAh/g으로 99%의 쿨롱 효율을 나타내었다.FIG. 6 shows specific amounts based on the weight of the negative electrode active material according to the cycle. In one cycle, the charge capacity was 752mAh / g and the discharge capacity was 730mAh / g, which showed an initial charge / discharge coulombic efficiency of 97%. In the second cycle, the charge capacity was 728mAh / g, the discharge capacity was 723mAh / g, and in the third cycle, the charge capacity was 718mAh / g and the discharge capacity was 711mAh / g, which showed a coulombic efficiency of 99%.
도 7은 상기 도 5의 결과를 싸이클에 따른 양극활물질의 중량 기준으로 한 비용량을 나타낸다. 1회 싸이클에서 충전비용량은 167mAh/g, 방전비용량은 162mAh/g으로 초기 충방전 쿨롱 효율이 97%를 나타내었다. 2회 싸이클에서 충전비용량은 132mAh/g 방전비용량은 160mAh/g, 3회 싸이클에서 충전비용량은 159mAh/g, 방전비용량은 158mAh/g으로 99%의 쿨롱 효율을 나타내었다.FIG. 7 shows specific amounts based on the weight of the positive electrode active material according to the cycle of FIG. 5. In one cycle, the charging and discharging capacity was 167mAh / g and the discharge capacity was 162mAh / g, indicating an initial charge / discharge coulombic efficiency of 97%. In the second cycle, the charge capacity was 132mAh / g, the discharge capacity was 160mAh / g, and in the third cycle, the charge capacity was 159mAh / g, and the discharge capacity was 158mAh / g, which showed a coulombic efficiency of 99%.
도 5, 도 6, 도 7의 결과를 종합하여 표1에 수록하였다.Table 1 summarizes the results of FIGS. 5, 6 and 7.
<표 1>TABLE 1
상기와 같이 음극의 정전류-정전압 과정의 채용으로 초기 충방전에서 비가역 비용량 해소로 방전(산화) 비용량도 초기부터 안정하게 나타낼 수 있음을 알 수 있다.As described above, it can be seen that the discharge (oxidation) specific amount can be stably represented from the initial stage by eliminating the irreversible specific amount in the initial charging and discharging by adopting the constant current-constant voltage process of the cathode.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차 전지의 구성도의 일례,1 is an example of configuration diagram of a rechargeable lithium battery according to one embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비탄소계 재료 기반의 고효율 음극의 제조 과정도,2 is a manufacturing process diagram of a non-carbon-based material-based high-efficiency cathode according to an embodiment of the present invention,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비탄소계 재료 기반의 고효율 음극의 제조 과정도,3 is a manufacturing process diagram of a non-carbon-based material-based high-efficiency cathode according to an embodiment of the present invention,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 산화실리콘과 흑연 복합체 음극을 정전류 과정으로 0V까지 충전한 후 정전압 과정으로 0V에서 24시간 동안 환원 전처리한 경우의 시간에 대한 전위와 전류를 나타내는 그래프, Figure 4 is a graph showing the potential and current with respect to time when the silicon oxide and graphite composite negative electrode charged to 0V in a constant current process and then reduced pre-treatment at 0V for 24 hours in a constant voltage process, according to an embodiment of the present invention,
도 5는 본 충방전 시험 결과를 도시한 것으로서 시간에 대한 전위와 전류를 나타내는 그래프,5 is a graph showing the results of the present charge / discharge test, showing the potential and current with respect to time;
도 6은 상기 도 5의 결과를 싸이클에 따른 음극활물질의 중량 기준으로 나타낸 비용량을 나타낸 그래프,FIG. 6 is a graph showing specific capacity based on the weight of the negative electrode active material according to the cycle of FIG. 5;
도 7은 상기 도 5의 결과를 싸이클에 따른 양극활물질의 중량 기준으로 한 비용량을 나타낸 그래프이다. FIG. 7 is a graph showing specific capacity based on the weight of the positive electrode active material according to the cycle of FIG. 5.
** 도면의 주요부호에 대한 설명*** Description of the main symbols in the drawings *
㉠ 환원 전처리 전해조 전 reduction pretreatment electrolyzer
㉡ 산화 전처리 전해조 Oxidation pretreatment electrolyzer
㉢ 세정조 ㉢ cleaning tank
㉣ 건조조㉣ Drying tank
① 전극판 ① Electrode plate
② 환원 전처리용 리튬 상대전극 ② Lithium counter electrode for reduction pretreatment
③ 환원 전처리용 유기 전해액 ③ Organic electrolytic solution for reduction pretreatment
④ 환원 전처리용 리튬 기준전극 ④ Lithium reference electrode for reduction pretreatment
⑤ 산화 전처리용 리튬 상대전극 ⑤ Lithium counter electrode for oxidation pretreatment
⑥ 산화 전처리용 기준 전극 ⑥ Reference electrode for oxidation pretreatment
⑦ 전극판 세정조 ⑦ Electrode plate cleaning tank
⑧ 전극판 건조조⑧ Electrode Plate Drying Tank
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