KR20100092702A - 리튬 이차 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지 - Google Patents

리튬 이차 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬 이차 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 상기 리튬 이차 전지용 양극은 양극 활물질; 바인더; 및 도전재를 포함하며, 상기 바인더와 도전재의 혼합 중량과 상기 양극 활물질의 중량비는 3 : 97 내지 5 : 95 중량%이고, 상기 바인더 및 도전재의 혼합비는 1.5 내지 3 : 1 중량비이다.
상기 양극은 용량이 우수하면서, 사이클 수명 특성, 특히 저온 사이클 수명 특성이 매우 우수하다.
도전재,바인더,혼합비,양극,리튬이차전지,니켈

Description

리튬 이차 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{POSITIVE ELECTRODE FOR RECHARGEABLE LITHIUM AND RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY COMPRISING SAME}
본 발명은 리튬 이차 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사이클 수명 특성이 우수한 리튬 이차 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근의 휴대용 소형 전자기기의 전원으로서 각광받고 있는 리튬 이차 전지는 유기 전해액을 사용함에 따라, 기존의 알칼리 수용액을 사용한 전지보다 2배 이상의 높은 방전 전압을 나타내며, 그 결과 높은 에너지 밀도를 나타내는 전지이다.
리튬 이차 전지의 음극 활물질로는 리튬의 삽입/탈리가 가능한 인조, 천연 흑연, 하드 카본을 포함한 다양한 형태의 탄소계 재료가 적용되어 왔다.
양극 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 주로 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 연구되고 있다.
상기 양극 활물질 중 LiCoO2 등의 Co계 양극 활물질은 양호한 전기 전도도와 높은 전지 전압 그리고 우수한 전극 특성을 보임에 따라 현재 가장 많이 사용되는 활물질이나, 가격이 비싸다는 단점을 갖고 있다.
또한, LiMn2O4, LiMnO2 등의 Mn계 양극 활물질은 합성하기도 쉽고, 값이 비교적 싸며, 환경에 대한 오염도 적어 매력이 있는 물질이기는 하나, 용량이 작다는 단점을 가지고 있다.
또한, LiNiO2 등의 Ni계 양극 활물질은 위에서 언급한 양극 활물질 중 가장 값이 싸며, 가장 높은 방전 용량의 전지 특성을 나타내고 있어, 최근에 활발하게 연구되고 있다. 그러나 이러한 Ni계 양극 활물질은 사이클 수명 특성이 낮고, 저온 용량이 낮은 단점이 있다.
본 발명의 일 구현예는 사이클 수명 특성, 특히 저온 사이클 수명 특성이 우수한 리튬 이차 전지용 양극을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 양극을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하며, 상기 바인더와 도전재의 혼합 중량과 상기 양극 활물질의 중량비는 3 : 97 내지 5 : 95 중량%이고, 상기 바인더 및 도전재의 혼합비는 1.5 내지 3 : 1 중량비인 리튬 이차 전지용 양극을 제공한다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 양극 음극 활물질을 포함하는 음극 및 비수 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지용 양극은 용량이 우수하면서, 사이클 수명, 특히 저온 사이클 수명 특성이 매우 우수하다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 구현예는 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 리튬 이차 전지용 양극을 제공한다. 상기 양극 활물질과, 바인더 및 도전재의 혼합 중량의 중량비는 3 : 97 내지 5 : 95 중량%이다. 바인더 및 도전재의 혼합 중량과 상기 양극 활물질의 중량비가 상기 범위를 벗어나는 경우 용량이 감소하고, 양극의 도전성 저하 또는 활물질과 집전체의 결착력 저하 등이 발생하여 사이클 수명이 열화되거나, 전지 제조가 어려운 문제가 있다.
또한, 상기 바인더 및 도전재의 혼합비는 1.5 내지 3 : 1 중량비이고, 1.6 내지 2 : 중량비일 수도 있다. 바인더 및 도전재의 혼합비가 상기 범위를 벗어나는 경우, 즉 바인더를 도전재 중량에 대하여 1.5배보다 적은 양으로 사용하는 경우에는 저온 수명에 문제가 있고, 3배를 초과하여 사용하는 경우에는 극판 결착력과 용량이 낮아지는 문제가 있어 바람직하지 않다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 구현예에서는 양극 활물질의 중량과, 도전재 및 바인더의 혼합 중량비를 조절하고, 또한 이때 도전재 및 바인더 사이의 중량비를 조절하여, 용량 특성 및 사이클 수명 특성, 특히 저온 사이클 수명 특성 을 향상시킬 수 있었다.
특히 이와 같이 양극을 구성하는 성분들의 함량비를 조절함에 따른 용량 특성 및 사이클 수명 특성 향상 효과는 양극 활물질로 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 사용하는 경우 보다 효과적으로 얻을 수 있다.
[화학식 1]
LixMyO2-z
(상기 식에서, M은 M'1-kAk이고, M'은 Ni1-a-b(Ni1/2Mn1/2)aCob이고, 0.65 ≤ a + b ≤ 0.85 및 0.1 ≤ b ≤ 0.4이고,
A는 도펀트이고,
0 ≤ k < 0.05이고,
0.95 ≤ x ≤ 1.05이고,
x + y ≒ 2이고,
0 ≤ z ≤ 0.05임)
상기 바인더로는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 할 수 있는 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 바인더의 대표적인 예로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리 에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여할 수 있고, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 등을 사용할 수 있고, 또한 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 재료를 1종 또는 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 양극은 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 용매 중에서 혼합하여 활물질 조성물을 제조하고, 이 조성물을 전류 집전체에 도포하여 제조하는 일반적인 방법으로 제조될 수 있다. 이와 같은 전극 제조 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 용매로는 N-메틸피롤리돈 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 전류 집전체로는 상기 전류 집전체로는 Al을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 일 구현예에 따른 양극을 포함하며, 음극 활물질을 포함하는 음극과 비수 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다. 이때, 상기 양극에서, 양극 활물질과, 바인더 및 도전재의 혼합 중량의 중량비는 3 : 97 내지 5 : 95 중량%이다. 또한, 상기 바인더 및 도전재의 혼합비는 1.5 내지 3 : 1 중량비이고, 1.6 내지 2 : 중량비일 수도 있다. 리튬 이차 전지에서 양극 활물질과, 바인더 및 도전재의 혼합 중량의 중량비, 그리고 바인더 및 도전재의 혼합비는 전지 제조 후, 열중량 분석(TGA: Thermogravimetric analysis)으로 측정할 수 있다. 상기 열중량 분석은 양극 활물질 층을 전류 집전체로부터 분리한 후, 디메틸 카보네이트 등의 용매로 세척한 뒤, 건조하고, 승온시키면서 무게 변화를 측정할 수 있다. 상기 승온 속도는 사용되는 바인더의 용해 온도에 따라 적절하게 조절할 수 있으며, 이에 대하여는 당해 분야에 알려진 사항이므로, 본 명세서에서 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 측정된 값을 미분하여 그래프로 나타내면, 두 개의 피크가 나타나며, 이때 승온 시작쪽 온도의 무게 감소가 전체 양극 활물질, 도전재 및 바인더 전체 중량에 대한 바인더의 중량 비율이고, 40분 이후 나타나는 무게 감소가 도전재의 중량 비율을 의미한다.
상기 음극은 집전체 및 상기 집전체 위에 형성된 음극 활물질층을 포함하며, 상기 음극 활물질층은 음극 활물질을 포함한다.
상기 음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 탄소계 물질을 사용할 수 있다. 이 탄소계 물질로는 리튬 이온 이차 전지에서 일반적으로 사용되는 탄소계 음극 활물질은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들을 함께 사용할 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.
상기 음극 활물질 층은 또한 바인더를 포함하며, 선택적으로 도전재를 더욱 포함할 수도 있다. 이때, 음극 활물질 층에 포함되는 음극 활물질, 바인더 및 도전재의 비율이 본 발명의 일 구현예에 따른 양극의 조성을 갖는다고 하더라도, 용량 증가 및 사이클 수명 특성이 향상되는 효과는 나타나지 않기에, 적절한 비율로 조절하여 사용하면 된다.
상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.
상기 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 음극은 음극 활물질, 도전재 및 결착제를 용매 중에서 혼합하여 활물질 조성물을 제조하고, 이 조성물을 전류 집전체에 도포하여 제조한다. 이와 같은 전극 제조 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 용매로는 N-메틸피롤리돈 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
비수 전해질은 비수성 유기 용매와 리튬염을 포함한다.
상기 비수성 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다.
비수성 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계, 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다. 상기 카보네이트계 용매로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있으며, 상기 에스테르계 용매로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone), 등이 사용될 수 있다. 상기 에테르계 용매로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용 될 수 있다. 또한 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있으며, 상기 비양성자성 용매로는 R-CN(R은 탄소수 2 내지 20의 직쇄상, 분지상, 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류 디메틸포름아미드 등의 아미드류, 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류, 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다.
상기 비수성 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 널리 이해될 수 있다.
또한, 상기 카보네이트계 용매의 경우 환형(cyclic) 카보네이트와 사슬형(chain) 카보네이트를 혼합하여 사용하는 것이 좋다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 1:1 내지 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해질의 성능이 우수하게 나타날 수 있다.
본 발명의 비수성 유기용매는 상기 카보네이트계 용매에 방향족 탄화수소계 유기용매를 더 포함할 수도 있다. 이때 상기 카보네이트계 용매와 방향족 탄화수소계 유기용매는 1:1 내지 30:1의 부피비로 혼합될 수 있다.
상기 방향족 탄화수소계 유기용매로는 하기 화학식 2의 방향족 탄화수소계 화합물이 사용될 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112009009094612-PAT00001
(상기 화학식 2에서, R1 내지 R6은 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 할로알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.)
바람직하게는 상기 방향족 탄화수소계 유기용매는 벤젠, 플루오로벤젠, 1,2-디플루오로벤젠, 1,3-디플루오로벤젠, 1,4-디플루오로벤젠, 1,2,3-트리플루오로벤젠, 1,2,4-트리플루오로벤젠, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 1,3-디클로로벤젠, 1,4-디클로로벤젠, 1,2,3-트리클로로벤젠, 1,2,4-트리클로로벤젠, 아이오도벤젠, 1,2-디아이오도벤젠, 1,3-디아이오도벤젠, 1,4-디아이오도벤젠, 1,2,3-트리아이오도벤젠, 1,2,4-트리아이오도벤젠, 톨루엔, 플루오로톨루엔, 1,2-디플루오로톨루엔, 1,3-디플루오로톨루엔, 1,4-디플루오로톨루엔, 1,2,3-트리플루오로톨루엔, 1,2,4-트리플루오로톨루엔, 클로로톨루엔, 1,2-디클로로톨루엔, 1,3-디클로로톨루엔, 1,4-디클로로톨루엔, 1,2,3-트리클로로톨루엔, 1,2,4-트리클로로톨루엔, 아이오도톨루엔, 1,2-디아이오도톨루엔, 1,3-디아이오도톨루엔, 1,4-디아이오도톨루엔, 1,2,3-트리아이오도톨루엔, 1,2,4-트리아이오도톨루엔, 자일렌, 및 이들의 조합으 로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.
상기 비수성 전해질은 전지 수명을 향상시키기 위하여 비닐렌 카보네이트 또는 하기 화학식 3의 에틸렌 카보네이트계 화합물을 더욱 포함할 수도 있다.
[화학식 3]
Figure 112009009094612-PAT00002
(상기 화학식 3에서, R7 및 R8은 각각 독립적으로 수소, 할로겐기, 시아노기(CN), 니트로기(NO2) 및 불소화된 탄소수 1 내지 5의 알킬기로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 R7과 R8중 적어도 하나는 할로겐기, 시아노기(CN), 니트로기(NO2) 및 불소화된 탄소수 1 내지 5의 알킬기로 이루어진 군에서 선택되나, 단 R7과 R8이 모두 수소는 아니다.)
상기 에틸렌 카보네이트계 화합물의 대표적인 예로는 디플루오로 에틸렌카보네이트, 클로로에틸렌 카보네이트, 디클로로에틸렌 카보네이트, 브로모에틸렌 카보네이트, 디브로모에틸렌 카보네이트, 니트로에틸렌 카보네이트, 시아노에틸렌 카보네이트 또는 플루오로에틸렌 카보네이트 등을 들 수 있다. 이러한 수명 향상 첨가제를 더욱 사용하는 경우 그 사용량은 적절하게 조절할 수 있으나, 비수성 유기 용매 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부로 사용할 수 있다.
상기 리튬염은 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질이다. 이러한 리튬염의 대표적인 예로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiN(SO3C2F5)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이트 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 지지(supporting) 전해염으로 포함한다. 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.
리튬 이차 전지의 종류에 따라 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 존재할 수 도 있다. 이러한 세퍼레이터로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있음은 물론이다.
리튬 이차 전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해질의 종류에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있고, 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타 입과 박막 타입으로 나눌 수 있다. 이들 전지의 구조와 제조방법은 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
도 1에 본 발명의 리튬 이차 전지의 대표적인 구조를 개략적으로 나타내었다. 도 1에 나타낸 것과 같이 상기 리튬 이차 전지(100)는 원통형으로, 음극(112), 양극(114) 및 상기 음극(112)과 양극(114) 사이에 배치된 세퍼레이터(113), 상기 음극(112), 양극(114) 및 세퍼레이터(113)에 함침된 전해질(미도시), 전지 용기(120), 및 상기 전지 용기(120)를 봉입하는 봉입 부재(140)를 주된 부분으로 하여 구성되어 있다. 이러한 리튬 이차 전지(100)는, 음극(112), 양극(114) 및 세퍼레이터(113)를 차례로 적층한 다음 스피럴 상으로 권취된 상태로 전지 용기(120)에 수납하여 구성된다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 6)
LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 양극 활물질, 폴리비닐리덴 플루오라이드 바인더 및 카본 블랙 도전재를 하기 표 1에 나타낸 조성으로 N-메틸피롤리돈 용매 중에서 혼합하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이 양극 활물질 슬러리를 Al-포일 전류 집전체에 도포하는 통상의 전극 제조 공정으로 양극을 제조하였다.
인조 흑연 음극 활물질, 폴리비닐리덴 플루오라이드 바인더 및 카본 블랙 도전재를 94 : 3 : 3 중량% 비율로 N-메틸피롤리돈 용매 중에서 혼합하여 음극 활물 질 슬러리를 제조하였다. 이 음극 활물질 슬러리를 Cu-포일 전류 집전체에 도포하는 통상의 전극 제조 공정으로 음극을 제조하였다.
상기 양극, 상기 음극 및 비수 전해질을 사용하여 통상의 공정으로 리튬 이차 전지를 제조하였다. 상기 비수 전해질로는 1.3M의 LiPF6이 용해된 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트 및 디메틸 카보네이트의 혼합 용매(2:2:6 부피비)에 플루오로에틸렌 카보네이트가 첨가된 것을 사용하였다. 이때, 플루오로에틸렌 카보네이트의 첨가량은 상기 혼합 용매 100 중량부에 대하여 5 중량부로 하였다.
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 6에 따라 제조된 리튬 이차 전지(이론 용량: 2350mAh)의 방전 용량 및 저온 수명 특성을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 하기 표 1에서, 저온 수명 특성은 리튬 이차 전지를 5℃에서 0.8C 충전/0.5C 방전으로 50회 충방전을 실시하여, 방전 용량을 측정하여 나타낸 것이다. 하기 표 1에서, 구분은 최종 결과가 우수하면 ○로, 불량하면 X로 표시하였다.
양극 활물질
(중량%)		 바인더
(중량%)		 도전재
(중량%)		 용량
(mAh)		 저온수명 특성(mAh) 구분
비교예 1 93 3.5 3.5 2325 1324 X
비교예 2 94 3 3 2348 886 X
비교예 3 95 2.5 2.5 2382 1216 X
실시예 1 95 3 2 2377 1614 ○
실시예 2 96 3 1 2416 1716 ○
실시예 3 96 2.5 1.5 2416 1814 ○
비교예 4 96 2 2 2405 1432 X
비교예 5 96 1 3 2413 1356 X
실시예 4 97 2 1 2425 1893 ○
비교예 6 98 1.5 0.5 2370 964 X
상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 양극 활물질 중량이 95 내지 97 중량%이고, 바인더 및 도전재의 혼합 중량이 3 내지 5 중량%이면서, 바인더와 도전재 사이의 혼합비가 1.5 내지 3 : 1 중량비인 실시예 1 내지 4의 리튬 이차 전지는 용량 및 사이클 수명 특성이 우수하여, 최종 결과가 우수로 나타났음을 알 수 있다.
이에 반하여, 양극 활물질 중량이 93 중량%로 소량이고, 바인더 및 도전재의 혼합비가 1 : 1인 비교예 1의 경우에는 용량이 낮고, 양극 활물질 중량이 94 중량%이고, 바인더 및 도전재의 혼합비가 1 : 1인 비교예 2의 경우에는 사이클 수명 특성이 현저하게 열화되게 나타났음을 알 수 있다.
또한 양극 활물질 중량은 95 내지 97 중량%이나, 바인더 및 도전재의 혼합비가 1 : 1 또는 1 : 3 중량비인 비교예 3 내지 5의 경우에도 사이클 수명 특성이 저하됨을 알 수 있다.
또한 바인더 및 도전재의 혼합비는 3 : 1이더라도, 양극 활물질 중량이 98 중량%로서 너무 과량인 비교예 6의 경우에는 용량 특성은 양호하나, 사이클 수명 특성이 현저하게 열화됨을 알 수 있다.
또한, 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 6에 따라 제조된 리튬 이차 전지를 정전류-정전압, 120mA(0.05C)의 조건으로 0.8C로 4.2V까지 충전하고, 정전류 방식으로 0.5C로 3V까지 방전하는 충방전을 5℃에서 50회 실시하였다. 각 사이클에 따른 방전 용량을 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타낸 것과 같이, 약 20회 사이클 이후에 실시예 1 내지 4의 리튬 이차 전지는 초기 용량을 거의 유지하고 있으나, 비교예 1 내지 6의 경우 현저하게 저하됨을 알 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명의 리튬 이차 전지를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 6에 따라 제조된 리튬 이차 전지의 사이클 수명 특성을 나타낸 그래프.

Claims (7)

  1. 양극 활물질;
    바인더; 및
    도전재를 포함하며,
    상기 바인더와 도전재의 혼합 중량과 상기 양극 활물질의 중량비는 3 : 97 내지 5 : 95 중량%이고,
    상기 바인더 및 도전재의 혼합비는 1.5 내지 3 : 1 중량비인
    리튬 이차 전지용 양극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양극 활물질은 하기 화학식 1로 표현되는 것인 리튬 이차 전지용 양극.
    [화학식 1]
    LixMyO2-z
    (상기 식에서, M은 M'1-kAk이고, M'은 Ni1-a-b(Ni1/2Mn1/2)aCob이고, 0.65 ≤ a + b ≤ 0.85 및 0.1 ≤ b ≤ 0.4이고,
    A는 도펀트이고,
    0 ≤ k < 0.05이고,
    0.95 ≤ x ≤ 1.05이고,
    x + y ≒ 2이고,
    0 ≤ z ≤ 0.05임)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바인더 및 도전재의 혼합비는 1.6 내지 2 : 1 중량비인 리튬 이차 전지용 양극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 리튬 이차 전지용 양극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도전재는 탄소계 물질, 금속계 물질, 도전성 폴리머 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 리튬 이차 전지용 양극.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 양극;
    음극 활물질을 포함하는 음극; 및
    비수 전해질
    을 포함하는 리튬 이차 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 탄소계 물질인 리튬 이차 전지.
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