KR20110115025A - Anode materias coated by self-assembled insulating layer, lithium ion battery including the same and the fabrication methods thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집전체, 집전체 상의 음극활물질 및 상기 음극활물질 상의 절연층을 포함하고, 절연층은 절연성 나노 물질들이 자기조립되어 이루어진 응집체들을 포함하는 것인 이차전지용 음극, 특히 응집체가 구형, 도우넛형 및 타원형으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 형태인 이차전지용 음극에 관한 것이다.
또한, (a) 절연성 나노 물질이 분산된 분사용액을 형성하는 단계, 및 (b) 집전체 위의 음극활물질 상에 상기 분사용액을 전기분사하여, 응집체를 포함하는 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 이차전지용 음극의 제조방법과, 특히 응집체가 구형, 도우넛형 및 타원형으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 형태인 이차전지용 음극의 제조방법을 제공한다.
The present invention includes a current collector, a negative electrode active material on the current collector and an insulating layer on the negative electrode active material, the insulating layer comprises agglomerates formed by self-assembly of insulating nano-materials, in particular the aggregate is a spherical, doughnut type And it relates to a negative electrode for a secondary battery of at least one form selected from the group consisting of ellipses.
In addition, (a) forming a spray solution in which the insulating nano-material is dispersed, and (b) electrospraying the spray solution on the negative electrode active material on the current collector, to form an insulating layer including an aggregate It provides a method for producing a negative electrode for a secondary battery, and particularly a method for producing a negative electrode for a secondary battery, the aggregate is at least one form selected from the group consisting of spherical, doughnut and elliptical.

Description

자기조립된 절연층이 코팅된 음극활물질 및 이를 구비하는 이차전지 및 그 제조 방법{ANODE MATERIAS COATED BY SELF-ASSEMBLED INSULATING LAYER, LITHIUM ION BATTERY INCLUDING THE SAME AND THE FABRICATION METHODS THEREOF}Anode active material coated with self-assembled insulating layer, a secondary battery having the same, and a method for manufacturing the same

본 발명은 자기조립된 절연층이 코팅된 음극활물질 및 이를 포함하는 이차전지와 이들의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material coated with a self-assembled insulating layer, a secondary battery comprising the same, and a method of manufacturing the same.

리튬 이온 이차전지는 일반적으로 음극, 양극, 전해질, 분리막으로 구성된다. 전지 셀의 설계에서는 안전성이 매우 중요하다. 음극과 양극 간의 단락으로 인한 파열이나 발화가 발생하지 않도록 하는 것이 매우 중요하다. 리튬 이온 이차전지에서 양극과 음극 사이에 분리막 (절연 시트, 세퍼레이터)을 형성하는 것은 양극과 음극 사이가 단락되어 발생할 수 있는 발열 및 발화 현상을 최소화 위함이다. 그러나 이차전지의 장시간 사용으로 분리막이 수축되거나 팽창되는 경우에는 양극과 음극 간의 단락이 발생할 수 있다. A lithium ion secondary battery is generally composed of a negative electrode, a positive electrode, an electrolyte, and a separator. Safety is very important in the design of battery cells. It is very important to prevent rupture or ignition due to a short circuit between the cathode and the anode. The purpose of forming a separator (insulation sheet, separator) between the positive electrode and the negative electrode in the lithium ion secondary battery is to minimize heat generation and ignition that may occur due to a short circuit between the positive electrode and the negative electrode. However, when the separator shrinks or expands due to prolonged use of the secondary battery, a short circuit between the positive electrode and the negative electrode may occur.

마츠시다에서는 이차전지의 사용 중에 단락 등에 의하여 비정상적으로 발생할 수 있는 발열을 방지하기 위하여 세라믹 소재의 열저항층 (heat resistance layer, HRL)을 음극 표면에 코팅하여 전지의 안정성을 높였다 (GTB2006121492, GTB2006121011). LG화학에서는 분리막의 양쪽 면 또는 한쪽 면에 세라믹 열저항층을 코팅하여 분리막의 수축과 팽창을 최소화하여 안정성을 높인 이차전지를 보고한 바 있다. 열저항층으로 사용되는 세라믹 입자를 대면적으로 코팅하기 위해서 세라믹 입자와 고분자 바인더를 섞은 페이스트를 스크린 프린팅법으로 코팅을 하거나, 세라믹 입자가 분산된 용액에 함침하여 코팅하는 방법이 있다. Matsushida improved the stability of the battery by coating a heat resistance layer (HRL) made of ceramic material on the surface of the negative electrode to prevent abnormal heat generation due to a short circuit during use of the secondary battery (GTB2006121492, GTB2006121011). . LG Chem reported a secondary battery that improved stability by coating a ceramic heat resistance layer on both or one side of the separator to minimize shrinkage and expansion of the separator. In order to coat the ceramic particles used as the heat resistance layer in a large area, there is a method of coating a paste mixed with ceramic particles and a polymer binder by screen printing or by impregnating a solution in which ceramic particles are dispersed.

그러나 상기의 방법들은 공정 과정 중에 코팅 두께가 불균일해질 수 있으며, 매우 얇은 열저항층을 균일하게 전극활물질 위에 코팅하는 것을 기술적으로 많은 어려움이 있다. 또한 사용되는 바인더의 건조를 위한 추가 건조 과정이 필요하므로 공정 비용이 증가하는 문제점이 있다.However, the above methods may be non-uniform coating thickness during the process, there is a technical difficulty in coating a very thin heat resistance layer uniformly on the electrode active material. In addition, since an additional drying process for drying the binder used is required, there is a problem in that the process cost increases.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 열저항층 역할을 하는 코팅층을 제공하되, 바인더 없이 균일하게 용액 속에 분산된 절연 나노입자를 음극활물질 위에 전기분사하여 나노입자들이 자기조립을 이루면서 구형, 도우넛형, 타원형 등의 응집체 구조를 형성하여, 다공성 구조를 유지하면서 음극과 양극의 단락을 방지할 수 있는 코팅층 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. 바인더의 사용이 없이 절연층을 형성함으로써 종래 방법 상의 추가적인 건조 공정을 필요로 하지 않고, 나노 입자들이 자기 조립되는 과정에서 다공성 구조를 형성하도록 하여 전해질의 침투가 용이한 구조를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a coating layer that serves as a heat resistance layer, by electrically spraying insulating nanoparticles dispersed in a solution uniformly without a binder on the negative electrode active material The nanoparticles are self-assembled to form agglomerate structures such as spherical, donut-shaped, and elliptical, to provide a coating layer and a method of manufacturing the same, which can prevent a short circuit between the cathode and the anode while maintaining the porous structure. Forming an insulating layer without the use of a binder does not require an additional drying process in the conventional method, and provides a structure that facilitates penetration of an electrolyte by forming a porous structure in the process of self-assembling nanoparticles.

상기와 같은 문제점들은 본 발명의 집전체, 집전체 상의 음극활물질 및 상기 음극활물질 상의 절연층을 포함하고, 절연층은 절연성 나노 물질들이 자기조립되어 이루어진 응집체들을 포함하는 것인 이차전지용 음극, 특히 응집체가 구형, 도우넛형 및 타원형으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 형태인 이차전지용 음극에 의하여 해결된다.The above problems include the current collector of the present invention, the negative electrode active material on the current collector and the insulating layer on the negative electrode active material, wherein the insulating layer includes aggregates formed by self-assembly of insulating nanomaterials, particularly aggregates. It is solved by a negative electrode for a secondary battery which is at least one form selected from the group consisting of spherical, donut-shaped and elliptical.

또한, (a) 절연성 나노 물질이 분산된 분사용액을 형성하는 단계; 및 (b) 집전체 위의 음극활물질 상에 상기 분사용액을 전기분사하여, 응집체를 포함하는 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 이차전지용 음극의 제조방법과, 특히 응집체가 구형, 도우넛형 및 타원형으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 형태인 이차전지용 음극의 제조방법에 의하여 해결된다.In addition, (a) forming a spray solution in which the insulating nanomaterial is dispersed; And (b) electrospraying the spray solution on the negative electrode active material on the current collector to form an insulating layer including an aggregate, and particularly, the aggregate is spherical, donut-shaped, and elliptical. It is solved by a method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery which is at least one form selected from the group consisting of.

본 발명에 의하면, 절연 특성이 매우 뛰어난 절연성 나노 물질들이 자기조립되어 응집체를 구성하며, 상기의 응집체가 다양한 크기의 구형, 도우넛형, 타원형 등의 형태로 응집되어 코팅이 이루어지기 때문에, 절연층이 절연성이 우수하면서도 기공 구조가 잘 발달되어 있게 된다. 또한 탄소계 음극활물질 표면층에 코팅이 되면서, 열안정성이 우수한 음극과 이러한 음극을 포함하는 이차전지를 제공한다. 또한 음극 및 이차전지의 제조방법을 제공하는 것이다. According to the present invention, insulating nanomaterials having excellent insulating properties are self-assembled to form an aggregate. Since the aggregate is agglomerated in a spherical shape, a donut shape, an oval shape, and the like of various sizes, the insulating layer is formed. Excellent insulation but pore structure is well developed. In addition, while being coated on the surface layer of the carbon-based negative electrode active material, it provides a negative electrode having excellent thermal stability and a secondary battery comprising such a negative electrode. In addition, to provide a method for manufacturing a negative electrode and a secondary battery.

본 발명에 의하면, 절연성 나노 물질들이 균일하게 분산된 용액을 스프레이 하여 응집체를 형성시키면서 코팅되도록 함으로써, 종래 기술 (스크린 프린팅법 또는 함침법)에 의해 얻어진 절연 코팅층보다 기공 구조가 잘 형성됨으로써 전해질의 침투가 용이하게 이루어질 수 있어 전기화학 특성이 우수하며, 열적 안전성이 매우 높은 이차전지를 제공할 수 있다.According to the present invention, by spraying a solution in which the insulating nanomaterials are uniformly dispersed to form agglomerates, the porous structure is better formed than the insulating coating layer obtained by the prior art (screen printing method or impregnation method), thereby infiltrating the electrolyte. It can be made easily and excellent in electrochemical properties, it can provide a secondary battery having a very high thermal safety.

또한, 두께가 일정 두께로 유지되는 균일한 코팅층을 제공할 수 있으며, 고분자 바인더를 사용하지 않으므로, 바인더에 의한 전자 및 이온전도 특성의 저하가 없고, 바인더를 제거하기 위한 추가적인 건조 공정이 불필요한 제조 방법을 제공한다.In addition, it is possible to provide a uniform coating layer in which the thickness is maintained at a constant thickness, and since the polymer binder is not used, there is no deterioration of the electron and ion conduction characteristics caused by the binder, and an additional drying process for removing the binder is unnecessary. To provide.

도 1은 95 질량%의 흑연과 5 질량%의 카본블랙이 혼재된 음극활물질의 주사전자현미경 사진 (x 10,000)이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 1 질량% Al2O3 나노 분말이 에탄올에 분산된 분산용액 1.000 ㎕를 전기분사하여 얻어진 음극활물질의 주사전자현미경 사진 (x 10,000)이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 1 질량% Al2O3 나노 분말이 에탄올에 분산된 분사용액 10.000 ㎕를 전기분사하여 얻어진 음극활물질의 주사전자현미경 사진 (x 10,000)이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 0.5 질량% Al2O3 나노분말이 분산된 분사용액 3.000 ㎕를 전기분사하여 얻어진 음극활물질의 주사전자현미경 사진 (x 10,000)이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 알루미나 분산액(aluminum oxide, dispersion)과 에탄올의 혼합용액 (혼합비율은 2:8)을 전기분사하여 얻어진 음극활물질의 주사전자현미경 사진 (x 10,000)이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 알루미나 분산액(aluminum oxide, dispersion)과 에탄올 혼합용액 (혼합비율은 3:7)을 전기분사하여 얻어진 음극활물질의 주사전자현미경 사진 (x 10,000)이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 알루미나 분산액(aluminum oxide, dispersion)과 에탄올 혼합용액 (혼합비율은 5:5)을 전기분사하여 얻어진 음극활물질의 주사전자현미경 사진 (x 10,000)이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 알루미나 분산액(aluminum oxide, dispersion)과 에탄올 혼합용액 (혼합비율은 1:9)을 전기분사하여 얻어진 음극활물질의 주사전자현미경 사진 (x 10,000)이다.
도 9는 도 8의 확대된 주사전자현미경 사진 (x 200,000) 이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 TiO2 나노분말 응집체의 주사전자현미경 사진 (x 10,000)이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 구형, 도우넛형, 타원형 형상의 TiO2 나노분말 응집체의 확대된 주사전자현미경 사진을 (x 40,000) 보여준다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 TiO2 나노분말 응집체들을 포함하는 절연층의 단면 주사전자현미경 사진 (x 5,000)이다.
1 is a scanning electron micrograph (x 10,000) of a negative electrode active material in which 95% by mass of graphite and 5% by mass of carbon black are mixed.
FIG. 2 is a scanning electron micrograph (x 10,000) of a negative electrode active material obtained by electrospraying 1.000 μl of a dispersion solution in which 1 mass% Al 2 O 3 nanopowder was dispersed in ethanol according to an embodiment of the present invention.
3 is a scanning electron micrograph (x 10,000) of a negative electrode active material obtained by electrospraying 10.000 μl of a spray solution in which 1% by mass of Al 2 O 3 nanopowder is dispersed in ethanol according to an embodiment of the present invention.
4 is a scanning electron micrograph (x 10,000) of an anode active material obtained by electrospraying 3.000 μl of a spray solution in which 0.5 mass% Al 2 O 3 nanopowder is dispersed according to an embodiment of the present invention.
5 is a scanning electron micrograph (x 10,000) of a negative electrode active material obtained by electrospraying a mixed solution of alumina dispersion (aluminum oxide, dispersion) and ethanol (mixing ratio 2: 8) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a scanning electron micrograph (x 10,000) of an anode active material obtained by electrospraying an alumina dispersion (aluminum oxide, dispersion) and an ethanol mixed solution (mixing ratio 3: 7) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a scanning electron micrograph (x 10,000) of an anode active material obtained by electrospraying an alumina dispersion (aluminum oxide, dispersion) and an ethanol mixed solution (mixing ratio of 5: 5) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a scanning electron micrograph (x 10,000) of an anode active material obtained by electrospraying an alumina dispersion (aluminum oxide, dispersion) and an ethanol mixed solution (mixing ratio 1: 9) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an enlarged scanning electron micrograph (x 200,000) of FIG.
10 is a scanning electron micrograph (x 10,000) of TiO 2 nanopowder aggregates prepared according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 shows an enlarged scanning electron micrograph (x 40,000) of spherical, donut shaped, elliptical shaped TiO 2 nanopowder aggregates prepared according to an embodiment of the present invention.
12 is a cross-sectional scanning electron micrograph (x 5,000) of an insulating layer comprising TiO 2 nanopowder aggregates prepared according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이차전지용 음극은 집전체, 집전체 상의 음극활물질 및 음극활물질 상의 절연층을 포함하고, 여기서 절연층은 절연성 나노 물질들이 자기조립되어 이루어진 응집체들을 포함한다. 즉, 집전체 위에 탄소계 음극활물질이 코팅되고, 그 상층 표면에 전기 절연성이 우수한 나노 물질 응집체들이 자기조립 과정을 거쳐 코팅되어 형성된 절연체 층을 포함하는 것이다. 자기조립 과정 중에 형성되는 응집체는 절연성 나노 물질들이 구형, 도우넛형, 타원형 등의 다양한 형태로 엉겨서 이루어진 것일 수 있다. 응집체의 크기는 100 ㎚ 내지 5 ㎛일 수 있고, 응집체의 크기는 단면 상의 가장 긴 거리, 즉 구형의 경우 지름, 타원형의 경우 장축의 길이 등으로 평가할 수 있다. The negative electrode for a secondary battery of the present invention includes a current collector, a negative electrode active material on the current collector, and an insulating layer on the negative electrode active material, wherein the insulating layer includes aggregates in which insulating nanomaterials are self-assembled. That is, the carbon-based negative electrode active material is coated on the current collector, and the upper layer includes an insulator layer formed by coating nanomaterial aggregates having excellent electrical insulation through self-assembly. Aggregates formed during the self-assembly process may be made of insulating nano-materials are entangled in various forms, such as spherical, donut-shaped, oval. The size of the aggregate can be from 100 nm to 5 μm, and the size of the aggregate can be evaluated by the longest distance on the cross section, that is, the diameter of the sphere, the length of the major axis of the ellipse, and the like.

응집체들 간에는 10 ㎚ 내지 10 ㎛의 기공이 형성되어 있을 수 있다. 이러한 기공은 전해질의 침투를 용이하게 하여 이차전지에 적합한 고율 특성 (high rate)을 제공한다. Between the aggregates, pores of 10 nm to 10 μm may be formed. These pores facilitate the penetration of the electrolyte and provide high rates suitable for secondary batteries.

절연층의 두께는 0.5 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있다.The thickness of the insulating layer may be 0.5 μm to 20 μm.

절연성 나노 물질은 리튬과 반응성이 거의 없는 물질일 수 있다. 구체적으로 Al2O3, ZrO2, MgO, Ta2O5, CeO2, SiO2, Y2O3, BaTiO3, SrTiO3 및 HfO2 등일 수 있다. 절연성 나노 물질은 리튬과 반응성이 비교적 작은 물질일 수 있다. 구체적으로 TiO2 및 Fe2O3 등일 수 있다. 또한, 절연성 나노 물질은 리튬과 반응성이 비교적 큰 Li4Ti5O12일 수도 있다.The insulating nanomaterial may be a material having little reactivity with lithium. Specifically, Al 2 O 3 , ZrO 2 , MgO, Ta 2 O 5 , CeO 2 , SiO 2 , Y 2 O 3 , BaTiO 3 , SrTiO 3 And HfO 2 And the like. The insulating nanomaterial may be a material having a relatively low reactivity with lithium. Specifically, TiO 2 and Fe 2 O 3 may be used. In addition, the insulating nanomaterial may be Li 4 Ti 5 O 12 , which is relatively reactive with lithium.

음극활물질은 흑연계 소재, 다중벽 카본나노튜브, 단일벽 카본나노튜브및 이중벽 카본나노튜브로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.The negative electrode active material may be at least one selected from the group consisting of graphite-based materials, multi-walled carbon nanotubes, single-walled carbon nanotubes, and double-walled carbon nanotubes.

집전체 상에 형성된 상기 음극활물질의 전도 특성을 개선시켜 주기 위해 수퍼 P, 케첸블랙 및 덴카블랙으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 카본 입자를 추가적으로 더 포함할 수 있다. 이러한 카본 입자는 흑연계 소재 (예를들어 Graphite)의 표면에 코팅되어지거나, 카본나노튜브의 사이 사이에 분포되어질 수 있다. In order to improve the conductive properties of the negative electrode active material formed on the current collector may further include at least one carbon particles selected from the group consisting of super P, Ketjenblack and denca black. Such carbon particles may be coated on the surface of the graphite material (eg, graphite), or may be distributed between the carbon nanotubes.

한편, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 음극과, 양극, 전해질 및 분리막을 포함하여 이차전지를 형성할 수 있다.On the other hand, the secondary battery may be formed by including the negative electrode, the positive electrode, the electrolyte, and the separator according to the present invention as described above.

본 발명의 이차전지용 음극의 제조방법은 기본적으로, (a) 절연성 나노 물질이 분산된 분사용액을 형성하는 단계, 및 (b) 집전체 위의 음극활물질 상에 상기 분사용액을 전기분사하여, 응집체를 포함하는 절연층을 형성하는 단계를 포함한다. 응집체는 구형, 도우넛형 및 타원형으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 형태일 수 있다.In the method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery of the present invention, basically, (a) forming an injection solution in which insulating nanomaterials are dispersed, and (b) electrospraying the injection solution on the negative electrode active material on the current collector, and aggregates. Forming an insulating layer comprising a. The aggregate may be in at least one form selected from the group consisting of spherical, donut and elliptical.

전처리로서 (a') 상기 절연성 나노 물질을 마이크로비드 밀링 (microbead milling) 하는 단계를 더 포함할 수 있다. 분사용액 내에서의 절연성 나노 물질의 분산성을 향상시키기 위함이다.As a pretreatment, (a ') may further include microbead milling the insulating nanomaterial. This is to improve the dispersibility of the insulating nanomaterial in the spray solution.

후처리로서 (c) 상기 절연층을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있고, 단계 (b) 및 단계 (c) 사이에 절연층을 열압착하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 열압착 단계를 거치는 경우 압착 강도에 따라서 구형, 도우넛형, 또는 타원형의 응집체들의 일부가 납작하게 찌그러지는 현상이 발생할 수도 있다.As a post-treatment, the method may further include drying the insulating layer, and may further include thermocompressing the insulating layer between the steps (b) and (c). In the case of the thermocompression step, some of the spherical, donut-shaped, or elliptical aggregates may be flatly crushed according to the compressive strength.

응집체의 크기는 100 ㎚ 내지 5 ㎛일 수 있고, 응집체들 간에는 10 ㎚ 내지 10 ㎛의 기공이 형성되어 있을 수 있으며, 절연층의 두께는 0.5 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있다.The aggregates may have a size of 100 nm to 5 μm, pores of 10 nm to 10 μm may be formed between the aggregates, and the thickness of the insulating layer may be 0.5 μm to 20 μm.

본 발명의 이차전지용 음극의 제조방법에 있어서, 절연성 나노 물질은 Al2O3, ZrO2, MgO, Ta2O5, CeO2, SiO2, Y2O3, BaTiO3, SrTiO3 및 HfO2로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나, TiO2 및 Fe2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 Li4Ti5O12일 수 있으며, 음극활물질은 흑연계 소재, 다중벽 카본나노튜브, 단일벽 카본나노튜브및 이중벽 카본나노튜브로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있고, 음극활물질의 전기전도 특성 개선을 위하여 수퍼 P, 케첸블랙 및 덴카블랙으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 카본 입자를 더 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery of the present invention, the insulating nanomaterial is Al 2 O 3 , ZrO 2 , MgO, Ta 2 O 5 , CeO 2 , SiO 2 , Y 2 O 3 , BaTiO 3 , SrTiO 3 And at least one selected from the group consisting of HfO 2 , at least one selected from the group consisting of TiO 2 and Fe 2 O 3 , or Li 4 Ti 5 O 12 , and the negative electrode active material is a graphite-based material and multi-walled carbon nanotubes. , At least one selected from the group consisting of single-walled carbon nanotubes and double-walled carbon nanotubes, and at least one selected from the group consisting of super P, ketjen black, and denca black for improving electrical conductivity of the negative electrode active material. It may further include carbon particles.

단계 (a)의 분사용액의 절연성 나노 물질의 농도는 용매 대비 0.5 내지 20 질량%일 수 있고, 단계 (a)의 분사용액의 용매로는 에탄올, 메탄올, 프로판올, 부탄올, 이소프로필알콜, 디메틸포름아마이드 (DMF), 아세톤, 데트라하이드로퓨란, 톨루엔 및 물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 다만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.The concentration of the insulating nanomaterial of the spray solution of step (a) may be 0.5 to 20% by mass relative to the solvent, and the solvent of the spray solution of step (a) may be ethanol, methanol, propanol, butanol, isopropyl alcohol, dimethylform. Any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of amide (DMF), acetone, detrahydrofuran, toluene and water can be used. However, the present invention is not limited thereto.

단계 (a)의 분산용액에 사용되는 용매의 종류 및 절연성 나노 물질의 농도에 따라 절연체 코팅층을 구성하게 되는 응집체의 크기 및 분포가 달라지게 된다. 구체적으로, 휘발성이 강한 에탄올을 이용하는 경우 분사가 이루어지는 팁에서 나노입자들이 분사됨과 동시에 용매의 휘발이 이루어지기 때문에, 전하를 띈 입자들이 표면적을 최소화하기 위하여 구형, 도우넛형, 타원형 형상의 나노 입자 응집체들로 형성이 되게 된다. 이에 비하여 휘발성이 적은 물을 용매로 이용하는 경우, 팁에서 분사가 된 후에 음극활물질 표면 (집전체)에 나노입자들이 코팅이 될 때까지 용매의 휘발이 잘 이루어지지 않고, 집전체 위에 코팅된 음극활물질 상에 나노입자들이 코팅됨과 동시에 물의 휘발이 이루어지기 때문에, 균일한 응집체가 잘 형성이 되지 않고, 불균일한 박층의 형태로 음극활물질 층 상에 도포가 이루어지게 된다.The size and distribution of the aggregates constituting the insulator coating layer vary depending on the type of the solvent used in the dispersion solution of step (a) and the concentration of the insulating nanomaterial. Specifically, when volatile ethanol is used, the nanoparticles are injected at the tip of the injection and the volatilization of the solvent is carried out, so that the charged particles are spherical, donut-shaped, elliptical-shaped nanoparticle aggregates to minimize the surface area. It will be formed into fields. On the other hand, when using less volatile water as a solvent, the solvent is not volatilized well until the nanoparticles are coated on the surface of the negative electrode active material (current collector) after spraying from the tip, and the negative electrode active material coated on the current collector Since nanoparticles are coated on the surface and volatilization of water occurs, uniform aggregates are not easily formed, and coating is performed on the negative electrode active material layer in the form of a non-uniform thin layer.

단계 (b)의 전기분사는 5 내지 30 kV의 전압을 인가하여 이루어질 수 있다. 단계 (b)의 전기분사 시에, 분사용액이 토출되는 바늘의 구멍 크기와 토출 속도에 따라서도 그 응집체의 형상이 바뀔 수 있다. 토출 속도가 지나치게 빠르면 구형의 응집체가 잘 형성이 되지 않게 된다.The electrospray of step (b) can be achieved by applying a voltage of 5 to 30 kV. At the time of electrospraying in step (b), the shape of the agglomerate may also change depending on the hole size and the ejection speed of the needle from which the injection solution is ejected. If the discharge rate is too fast, the spherical aggregates are hardly formed.

단계 (c)의 건조는 50 내지 400 ℃의 범위에서 이루어질 수 있다.Drying of step (c) may be in the range of 50 to 400 ° C.

단계 (a)의 분사용액 내에서의 절연성 나노 물질의 분산성을 향상시키기 위해서 분사용액에 추가적으로 분산제, 계면활성제 등을 더 포함시킬 수 있다.In order to improve the dispersibility of the insulating nanomaterial in the spray solution of step (a), a dispersant, a surfactant, etc. may be further included in the spray solution.

분산제로는 폴리비닐아세테이트, 폴리우레탄, 폴리에테르우레탄, 폴리우레탄공중합체, 셀룰로오스아세테이트, 셀룰로오스유도체, 폴리메틸메스아크릴레이트 (PMMA), 폴리메틸아크릴레이트 (PMA), 폴리아크릴공중합체, 폴리비닐아세테이트 공중합체, 폴리비닐알콜 (PVA), 폴리퍼퓨릴알콜 (PPFA), 폴리스티렌 (PS), 폴리스티렌공중합체, 폴리에틸렌옥사이드 (PEO), 폴리프로필렌옥사이드 (PPO), 폴리에틸렌옥사이드공중합체, 폴리프로필렌옥사이드공중합체, 폴리카보네이트 (PC), 폴리비닐클로라이드 (PVC), 폴리카프로락톤, 폴리비닐피롤리돈 (PVP), 폴리비닐풀루오라이드, 폴리비닐리덴풀루오라이드공중합체 및 폴리아마이드로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.Dispersants include polyvinylacetate, polyurethane, polyetherurethane, polyurethane copolymer, cellulose acetate, cellulose derivative, polymethylmethacrylate (PMMA), polymethylacrylate (PMA), polyacrylic copolymer, polyvinylacetate Copolymer, Polyvinyl Alcohol (PVA), Polyfuryl Alcohol (PPFA), Polystyrene (PS), Polystyrene Copolymer, Polyethylene Oxide (PEO), Polypropylene Oxide (PPO), Polyethylene Oxide Copolymer, Polypropylene Oxide Copolymer At least one selected from the group consisting of polycarbonate (PC), polyvinylchloride (PVC), polycaprolactone, polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride copolymer and polyamide Either one can be used.

계면활성제로는 트린톤 X-100, 아세트산, 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드 (CTAB), 이소프로필트리스 티타네이트 및 3-아미노프로필트리에톡시-실레인으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.As the surfactant, at least one selected from the group consisting of Triton X-100, acetic acid, cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB), isopropyltris titanate, and 3-aminopropyltriethoxy-silane can be used.

한편, 상술한 바와 같은 본 발명에 따라 제조된 음극을 이용하여, 양극, 전해질 및 분리막을 추가하여 이차전지를 제조할 수 있다.
Meanwhile, a secondary battery may be manufactured by adding a cathode, an electrolyte, and a separator using the anode manufactured according to the present invention as described above.

실시예Example

이하 본 발명의 자기조립 과정을 거쳐 절연성 나노 물질이 응집된 응집체가 코팅된 음극활물질을 구비하는 음극의 제조방법을 각 단계별로 실시예를 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 그러나 이는 이해를 돕기 위한 일 실시예일 뿐이고, 이에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, a method of manufacturing a negative electrode having a negative electrode active material coated with an aggregate of insulating nanomaterials aggregated through a self-assembly process according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, this is only an example for clarity and the present invention is not limited thereto.

실시예 1 : 알루미나 나노 입자 1 질량%가 분산된 분사용액의 전기분사에 의한 절연층의 제조Example 1 Preparation of Insulation Layer by Electrospray of Spray Solution Disperse 1% by Mass of Alumina Nanoparticles

산화알루미늄 (알루미나) 나노 입자 (Aluminum Oxide Nanopower, < 50 ㎚, Aldrich) 0.1 g을 에탄올 10 g에 균일하게 분산시켜 1 질량%의 산화알루미늄 현탄액을 제조한다. 일반적으로 나노 입자의 경우 입자 간의 뭉침 현상이 자주 발생한다. 이러한 입자 간의 뭉침으로 인해 용매 속에서 균일한 분산상태를 유지하기 어렵게 된다. 이런 경우 안정적인 전기분사를 진행하기 어렵기 때문에, 본 실시예에서는 산화알루미늄을 0.015 mm - 0.05 mm 크기의 비드를 이용한 마이크로 비드 밀링을 실시하였다. 그 결과 분산성이 우수한 산화알루미늄 분산용액을 제조할 수 있었다. 안정적인 분사를 위해 용매 내에 존재하는 절연성 입자의 함유량은 0.2 - 20 질량%의 범위에서 정한다. 준비된 분산액을 음극활물질이 코팅된 집전체 위에 직접 상온에서 전기 분사하였다.0.1 g of aluminum oxide (alumina) nanoparticles (Aluminum Oxide Nanopower, <50 nm, Aldrich) were uniformly dispersed in 10 g of ethanol to prepare a 1% by mass suspension of aluminum oxide. In general, in the case of nanoparticles, aggregation of particles frequently occurs. This aggregation of particles makes it difficult to maintain a uniform dispersion in the solvent. In this case, since stable electrospray is difficult to proceed, microbead milling using aluminum oxide beads having a size of 0.015 mm-0.05 mm was performed in this embodiment. As a result, an aluminum oxide dispersion solution having excellent dispersibility could be prepared. The content of the insulating particles present in the solvent for the stable spraying is set in the range of 0.2-20 mass%. The prepared dispersion was electrosprayed at room temperature directly on the current collector coated with the negative electrode active material.

실험에 사용된 전기 분사 장치는 다음과 같다. 전기 분사 장치는 분산액을 정량적으로 투입할 수 있는 정량펌프에 연결된 분사노즐, 고전압 발생기, 접지된 전도성 기판 등으로 구성된다. 음극활물질이 코팅된 집전체를 접지된 전도성 기판 상에 위치시키고, 접지된 전도성 기판을 음극으로, 시간당 토출량이 조절되는 펌프가 부착된 분사노즐을 양극으로 사용한다. 8 - 30 kV의 전압을 인가하고, 용액 토출 속도를 10 - 300 ㎕/분으로 조절하여 박층의 두께가 0.5 - 10 ㎛가 될 때까지 집전체 위에 분사한다. 전지의 안정성을 높여 주기 위해서는 분사 시간을 길게 하여 절연 코팅층의 두께를 20 ㎛까지 높일 수도 있다.The electric spray device used in the experiment is as follows. The electric spray device is composed of a spray nozzle, a high voltage generator, a grounded conductive substrate, and the like connected to a metering pump capable of quantitatively dispersing the dispersion. A current collector coated with a negative electrode active material is placed on a grounded conductive substrate, and a grounded conductive substrate is used as a cathode, and a spray nozzle with a pump with a controlled discharge amount per hour is used as a cathode. A voltage of 8-30 kV is applied, and the solution discharge rate is adjusted to 10-300 µl / min and sprayed on the current collector until the thickness of the thin layer becomes 0.5-10 µm. In order to increase the stability of the battery, the spraying time may be increased to increase the thickness of the insulating coating layer to 20 μm.

도 1은 비교를 위한 것으로서, 일반적으로 상용화되어 있는 흑연계 음극활물질 (95질량%)과 카본블랙 (5질량%)을 혼합하여 알루미늄 집전체 위에 코팅한 박층의 표면주사현미경 사진이다. 흑연 입자는 크기가 5 - 10 ㎛이며, 흑연 입자의 표면에 10 - 20 ㎚ 크기의 미세한 카본입자들이 코팅이 되어 있음을 확인할 수 있다.FIG. 1 is for comparison, and is a surface scanning microscope photograph of a thin layer coated on an aluminum current collector by mixing a commercially available graphite-based negative electrode active material (95% by mass) and carbon black (5% by mass). The graphite particles have a size of 5-10 μm, and fine carbon particles having a size of 10-20 nm are coated on the surface of the graphite particles.

실시예 1에서는, 준비된 분사용액을 실린지에 옮겨 담고, 전기분사 장치에 장착한 후 실린지 끝에 달린 팁과 하부 기판 사이에 전압을 걸어 절연체 박층을 도포하였다. 전압은 16 kV, 유량은 40 ㎕/min, 팁과 기판 사이의 거리는 12 cm였다. 총 토출량은 1,000 ㎕로, 소량을 토출시켜 미세구조를 관찰하였다. 도 2는 이와 같이 전기분사하여 얻어진 산화알루미늄 응집체가 도포된 음극활물질 박층의 주사전자현미경 사진 (x10,000)이다. In Example 1, the prepared spray solution was transferred to a syringe, mounted on an electrospray apparatus, and applied a thin layer of insulator by applying a voltage between the tip of the syringe and the lower substrate. The voltage was 16 kV, the flow rate was 40 μl / min and the distance between the tip and the substrate was 12 cm. The total discharge amount was 1,000 μl, and a small amount was discharged to observe the microstructure. FIG. 2 is a scanning electron micrograph (x10,000) of a thin layer of an anode active material coated with the aluminum oxide aggregate obtained by electrospraying as described above.

도 2에서 보듯이, 400 ㎚ - 4 ㎛의 큰 구형의 산화알루니늄 응집체들이 흑연계 음극활물질 표면에 균일하게 도포되어 있다. As shown in FIG. 2, large spherical aluminum oxide aggregates of 400 nm-4 μm are uniformly coated on the surface of the graphite-based negative electrode active material.

도 3은 토출량을 10,000 ㎕로 늘려서 전기분사 후에 얻어진 주사전자현미경 사진 (x 10,000)이다. 토출량이 1,000 ㎕ (도 2)에서 10,000 ㎕ (도 3)로 늘어나도 각기 다른 크기를 가지는 구형 또는 타원형의 산화알루미늄 응집체들이 코팅되어 있음을 확인할 수 있다. 특히 작은 원으로 표시된 부분을 참조하면, 응집체의 크기가 200 ㎚부터 4 ㎛로 분포가 넓은 것을 확인할 수 있다. 토출량의 조절을 통해서 응집 입자의 형상에는 큰 차이가 없이 음극활물층 상에 코팅되는 절연층의 두께를 손쉽게 조절할 수 있음을 보여주는 결과이다.
3 is a scanning electron micrograph (x 10,000) obtained after electrospraying by increasing the discharge amount to 10,000 μl. Even if the discharge amount is increased from 1,000 μl (FIG. 2) to 10,000 μl (FIG. 3), it can be confirmed that spherical or elliptical aluminum oxide aggregates having different sizes are coated. In particular, referring to the part indicated by a small circle, it can be confirmed that the size of the aggregate is wide from 200 nm to 4 μm. The result shows that the thickness of the insulating layer coated on the negative electrode active material layer can be easily adjusted through the adjustment of the discharge amount without a great difference in the shape of the aggregated particles.

실시예 2 : 알루미나 나노 입자 0.5 질량%가 분산된 분사용액의 전기분사에 의한 절연층의 제조Example 2 Preparation of Insulation Layer by Electrospray of Spray Solution Dispersed 0.5% by Mass of Alumina Nanoparticles

상기의 실시예 1과 유사한 조건으로 전기분사를 실시하되, 사용된 산화알루미늄 나노 입자의 에탄올 용매 내에 농도가 0.5 질량%인 전기분사 용액을 이용하여 실험을 실시하였다. 전압은 16 kV, 유량은 40 ㎕/min, 팁과 기판 사이의 거리는 12 cm, 토출량은 3,000 ㎕였다. Electrospray was carried out under similar conditions as in Example 1, but the experiment was carried out using an electrospray solution having a concentration of 0.5% by mass in the ethanol solvent of the used aluminum oxide nanoparticles. The voltage was 16 kV, the flow rate was 40 µl / min, the distance between the tip and the substrate was 12 cm, and the discharge amount was 3,000 µl.

도 4는 이와 같이 전기분사하여 얻어진 산화알루미늄 응집체가 도포된 음극활물질 박층의 주사전자현미경 사진 (x10,000)이다. 도 4에서 작은 원으로 표시된 부분을 참조하면, 구형 내지는 타원형의 응집체가 잘 코팅되어 있음을 확인할 수 있다. 특히, 1 질량%의 산화알루미늄 분산용액을 이용하여 박층을 얻은 경우 (도 2)보다 응집체의 크기 (200 ㎚ - 900 ㎚)가 확연히 작고, 코팅의 균일성이 보다 높은 것을 확인할 수 있다.
4 is a scanning electron micrograph (x10,000) of a thin layer of the negative electrode active material coated with the aluminum oxide aggregate obtained by electrospraying as described above. Referring to the portion indicated by the small circle in Figure 4, it can be seen that the spherical or elliptical aggregate is well coated. In particular, when the thin layer was obtained using a 1% by mass aluminum oxide dispersion solution (Fig. 2) it is confirmed that the aggregate size (200 nm-900 nm) is significantly smaller, the coating uniformity is higher.

실시예 3 : 알루미나 나노 입자 0.5 질량%가 물과 에탄올 혼합용액에 분산된 분사용액의 전기분사에 의한 절연층의 제조Example 3 Preparation of Insulation Layer by Electrospray of Spray Solution Dispersed 0.5% by Mass of Alumina Nanoparticles in Water and Ethanol Mixture

상기의 실시예 1과 유사한 조건을 거쳐서 전기분사를 실시하되, 산화알루미늄 나노 입자 분산용액의 용매를 달리하여 실험을 실시하였다. Electrospray was carried out under similar conditions as in Example 1, but the experiment was performed by varying the solvent of the aluminum oxide nanoparticle dispersion solution.

산화알루미늄 수용액 (Aluminum oxide, dispersion, H2O 용매 내에 10 질량% 산화알루미늄 (< 50 ㎚)이 분산된 용액)을 원재료로 이용하여 에탄올과 혼합하여 분사용액 (현탄액)을 제조하였다.An aqueous solution of aluminum oxide (Aluminum oxide, dispersion, a solution in which 10% by mass of aluminum oxide (<50 nm) was dispersed in a H 2 O solvent) was mixed with ethanol to prepare a spray solution (curing solution).

산화알루미늄 수용액과 에탄올이 질량비로 2:8, 3:7, 5:5이 되도록 혼합하고 각각 전기분사를 진행하였다. 이때 전압은 16 kV, 유량)은 40 ㎕/min, 팁과 기판 사이의 거리는 12 cm, 토출량은 3,000 ㎕였다.The aluminum oxide aqueous solution and ethanol were mixed so that they were 2: 8, 3: 7, 5: 5 by mass ratio, and electrospraying was carried out, respectively. At this time, the voltage was 16 kV, the flow rate) was 40 µl / min, the distance between the tip and the substrate was 12 cm, and the discharge amount was 3,000 µl.

도 5, 6, 및 7은 각각 산화알루미늄 수용액과 에탄올의 비율이 2:8, 3:7, 5:5로 혼합된 분사용액을 각각 전기분사 하여 얻어진 산화알루미늄 응집체가 도포된 음극활물질 박층의 주사전자현미경 (x10,000) 사진이다.5, 6, and 7 are a scan of a thin layer of an anode active material coated with an aluminum oxide aggregate obtained by electrospraying a spray solution in which a ratio of an aqueous aluminum oxide solution and ethanol is 2: 8, 3: 7, and 5: 5, respectively. An electron microscope (x10,000) photograph.

에탄올의 함량이 높은 2:8 비율의 산화알루미늄 분산액을 이용하는 경우에는 미세한 입자들의 응집체가 균일하게 도포되는 것이 관찰되며, 일부 미세나노 입자에 의한 도포 또한 관찰된다. 물의 함량이 상대적으로 많은 5:5의 비율을 가진 분사용액을 이용하는 경우에는 도 7과 같이 구형의 응집체에 의한 도포뿐만 아니라 미세나노 입자에 의한 도포 또한 넓은 범위에 걸쳐서 관찰된다. 3:7의 비율을 가진 분사용액을 이용하는 경우에는 2:8과 5:5 비율의 방사용액을 이용한 경우의 결과의 중간 크기 및 분포에 해당하는 응집체의 형상을 보여주었다.
In the case of using a 2: 8 ratio of aluminum oxide dispersion having a high ethanol content, it is observed that aggregates of fine particles are uniformly applied, and application by some fine nanoparticles is also observed. In the case of using a spray solution having a ratio of 5: 5 having a relatively high water content, the coating by the fine nanoparticles as well as the spherical aggregates are also observed over a wide range as shown in FIG. 7. In the case of using a spray solution with a 3: 7 ratio, the shape of the agglomerates corresponding to the median size and distribution of the results using the spinner with a ratio of 2: 8 and 5: 5 was shown.

실시예 4 : 알루미나 나노 입자 0.5 질량%가 물과 에탄올 용매에 분산된 분사용액의 저속 전기분사에 의한 절연층의 제조Example 4 Preparation of Insulation Layer by Low-speed Electrospray of a Spray Solution Dispersed 0.5% by Mass of Alumina Nanoparticles in Water and Ethanol Solvent

상기의 실시예 3과 유사하게 전기분사를 실시하되, 산화알루미늄 수용액과 에탄올의 비율을 1:9의 비율로 혼합하여 분사용액을 제조하고, 15 ㎕/min의 토출속도로 8,000 ㎕를 전기 분사하여 절연체 박층을 제조하였다.Electrospraying was carried out similarly to Example 3, but the injection solution was prepared by mixing the ratio of the aluminum oxide solution and ethanol in a ratio of 1: 9, and electrospraying 8,000 μl at a discharge rate of 15 μl / min. Insulator thin layers were prepared.

도 8을 참조하면, 구형의 입자들이 잘 발달되어 산화알루미늄 응집체 박층을 형성함을 확인할 수 있으며, 작은 원으로으로 표시된 부분의 응집체를 확대한 도 9를 참조하면, 상기의 응집체들이 50 ㎚의 미세한 산화알루니늄 나노 입자로 구성이 되어 있음을 확인할 수 있다. 산화알루미늄은 절연 특성이 매우 우수한 재료이므로, 흑연계 음극활물질의 표면에 균일하게 코팅됨으로써, 음극과 양극 간의 단락에 의한 폭발을 최소화 시켜 안정성이 높은 이차전지를 구성할 수 있다. Referring to FIG. 8, it can be seen that the spherical particles are well developed to form a thin layer of aluminum oxide aggregate. Referring to FIG. 9, in which the aggregate of a portion indicated by a small circle is enlarged, the aggregates are fine at 50 nm. It can be seen that it is composed of aluminum oxide nanoparticles. Since aluminum oxide is a material having excellent insulation properties, the surface of the graphite-based negative electrode active material is uniformly coated, thereby minimizing explosion due to a short circuit between the negative electrode and the positive electrode, thereby forming a secondary battery having high stability.

50 ㎚ 크기의 입자들이 더 큰 크기를 갖는 200 ㎚ - 5 ㎛ 크기의 응집체를 구성하여 절연체 박층을 형성하기 때문에, 응집체들 사이 사이의 거대 기공이 형성된다. 이 기공을 통하여 전해질의 침투가 용이하게 일어날 수 있어, 고율 (high rate) 특성이 요구되는 이차전지에 적합한 절연층 구조가 된다.Since the 50 nm sized particles form a 200 nm-5 μm sized aggregate with a larger size to form an insulator thin layer, large pores between the aggregates are formed. Penetration of the electrolyte can easily occur through these pores, resulting in an insulating layer structure suitable for secondary batteries requiring high rate characteristics.

또한 본 발명에서 사용된 분사용액에는 바이더가 전혀 사용되지 않고 절연체 박층이 구성되기 때문에, 바인더에 의한 이온 및 전자 이동의 방해가 매우 적은 장점이 있다.
In addition, since the injector solution used in the present invention has no insulator and a thin insulator is formed, there is an advantage that the interference of ions and electrons by the binder is very small.

실시예 5 : 산화티타늄 나노 입자 10 질량%가 에탄올 용매에 분산된 분사용액의 저속 전기분사에 의한 절연층의 제조Example 5 Preparation of Insulation Layer by Low Speed Electrospray of Spray Solution Dispersed 10 Mass% of Titanium Oxide Nanoparticles in Ethanol Solvent

상기 실시예들과 다른 조건은 동일하되, 산화티타늄 나노 입자 (TiO2 Nanopower, < 20 ㎚, Aldrich) 1 g을 에탄올 10 g에 균일하게 분산시켜 10 질량%의 산화알루미늄 현탄액을 제조하였다. 산화티타늄 나노 분말의 분산 특성을 더욱 향상시키기 위해서 마이크로 비드 밀링 (지르코니아 볼 크기 : 0.05 mm) 과정을 거쳐 분산용액을 제조하였다. 준비된 산화티타늄 분산액을 음극활물질이 코팅된 집전체 위에 직접 상온에서 전기 분사하였다. Under the same conditions as the above examples, 1 g of titanium oxide nanoparticles (TiO 2 Nanopower, <20 nm, Aldrich) was uniformly dispersed in 10 g of ethanol to prepare a 10% by mass suspension of aluminum oxide. In order to further improve the dispersion characteristics of the titanium oxide nanopowder, a dispersion solution was prepared through microbead milling (zirconia ball size: 0.05 mm). The prepared titanium oxide dispersion was electrosprayed at room temperature directly on the current collector coated with the negative electrode active material.

도 10을 참조하면, 구형 내지는 도우넛형, 타원형의 응집체들이 잘 발달되어 산화티타늄 박층을 형성함을 확인할 수 있다. 다양한 크기 (100 ㎚ - 2 ㎛)를 갖는 응집체들이 형성이 됨에 따라 응집체들간의 기공이 잘 형성된다.Referring to Figure 10, it can be seen that spherical or donut-shaped, elliptical aggregates are well developed to form a thin titanium oxide layer. As aggregates having various sizes (100 nm-2 μm) are formed, pores between the aggregates are well formed.

흑연계 음극활물질의 표면에 균일하게 코팅됨으로써, 음극과 양극 간의 단락에 의한 폭발을 최소화시켜 안정성이 높은 이차전지를 구성할 수 있다. TiO2는 절연성 특성이 우수한 소재이다. 뿐만 아니라 Li과의 반응이 존재하여, 165 mAh/g의 이론용량 특성을 보여주는 것으로 보고되고 있다. 따라서, 음극활물질로 사용되는 흑연계 소재의 표면 상에 코팅이 됨으로써, 절연층의 역할 뿐만 아니라 그 자체로 음극활물질의 기능 또한 가질 수 있다. 산화철 (Fe2O3, Fe3O4)과 Li4Ti5O12는 폭발 안정성이 우수하면서 절연성 특성을 동시에 갖는다.By uniformly coating the surface of the graphite-based negative electrode active material, it is possible to configure a secondary battery having high stability by minimizing explosion due to a short circuit between the negative electrode and the positive electrode. TiO 2 is a material excellent in insulating properties. In addition, there is a reaction with Li, it is reported to show the theoretical capacity characteristics of 165 mAh / g. Therefore, by coating on the surface of the graphite-based material used as the negative electrode active material, it may have the function of the negative electrode active material as well as the role of the insulating layer itself. Iron oxides (Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 ) and Li 4 Ti 5 O 12 have excellent explosion stability and simultaneously have insulating properties.

20 ㎚ 크기의 TiO2 1차입자들이 더 큰 크기를 가지는 100 ㎚ - 2 ㎛ 크기의 응집체를 구성하여 절연체 박층을 형성하기 때문에, 응집체들 사이 사이의 거대 기공에 의해 리튬이차전지에서 사용되는 전해질의 침투가 용이하게 일어날 수 있어, 고율 특성이 요구되는 이차전지에 적합한 절연층 구조를 가질 수 있다.Penetration of the electrolyte used in the lithium secondary battery by the macropores between the aggregates because the TiO 2 primary particles having a size of 20 nm form an aggregate having a size of 100 nm-2 μm with a larger size to form an insulator thin layer. Can easily occur, and may have an insulating layer structure suitable for a secondary battery requiring high rate characteristics.

도 11은 도 10의 확대 주사전자현미경 (x 40,000) 사진이다. 비교적 크기가 큰 도우넛형의 TiO2 응집체와 그 주변에 구형, 타원형의 TiO2 나노분말 응집체가 형성된 것을 볼 수 있다. 도 11을 살펴보면, 응집체가 미세한 나노 입자들이 뭉쳐서 구성된 것임을 확인할 수 있다.FIG. 11 is an enlarged scanning electron microscope (x 40,000) photograph of FIG. 10. It can be seen that a relatively large donut-shaped TiO 2 aggregate and spherical, elliptical TiO 2 nanopowder aggregates were formed. Looking at Figure 11, it can be seen that the aggregate is composed of a combination of fine nanoparticles.

도 12는 산화티타늄 응집체 박층의 단면 주사전자현미경 사진이다. 박층 내에 치밀하게 응집된 2차 응집체들이 잘 형성되어져 있음을 확인할 수 있다.12 is a cross-sectional scanning electron micrograph of a thin layer of titanium oxide aggregate. It can be seen that the dense aggregated secondary aggregates are well formed in the thin layer.

Claims (30)

집전체,
상기 집전체 상의 음극활물질 및
상기 음극활물질 상의 절연층을 포함하고,
상기 절연층은 절연성 나노 물질들이 자기조립되어 이루어진 응집체들을 포함하는 것인 이차전지용 음극.
House,
A negative electrode active material on the current collector and
An insulating layer on the anode active material,
The insulating layer is a negative electrode for a secondary battery that includes agglomerates formed by self-assembled insulating nano-materials.
제1항에 있어서,
상기 응집체는 구형, 도우넛형 및 타원형으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The aggregate is a negative electrode for a secondary battery, characterized in that at least one form selected from the group consisting of spherical, doughnut and elliptical.
제1항에 있어서,
상기 응집체의 크기가 100 ㎚ 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The size of the aggregate is a negative electrode for secondary batteries, characterized in that 100nm to 5㎛.
제1항에 있어서,
상기 응집체들 간에는 10 ㎚ 내지 10 ㎛의 기공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
A secondary battery negative electrode, characterized in that the pores of 10 nm to 10 ㎛ are formed between the aggregates.
제1항에 있어서,
상기 절연층의 두께가 0.5 ㎛ 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The thickness of the insulating layer is a negative electrode for secondary batteries, characterized in that 0.5 to 20 ㎛.
제1항에 있어서,
상기 절연성 나노 물질은 Al2O3, ZrO2, MgO, Ta2O5, CeO2, SiO2, Y2O3, BaTiO3, SrTiO3 및 HfO2로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The insulating nanomaterial is at least one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , ZrO 2 , MgO, Ta 2 O 5 , CeO 2 , SiO 2 , Y 2 O 3 , BaTiO 3 , SrTiO 3 and HfO 2 . A secondary battery negative electrode made of.
제1항에 있어서,
상기 절연성 나노 물질은 TiO2 및 Fe2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The insulating nanomaterial is at least one selected from the group consisting of TiO 2 and Fe 2 O 3 negative electrode for a secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 절연성 나노 물질은 Li4Ti5O12인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The insulating nanomaterial is Li 4 Ti 5 O 12 The negative electrode for a secondary battery, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 음극활물질은 흑연계 소재, 다중벽 카본나노튜브, 단일벽 카본나노튜브및 이중벽 카본나노튜브로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The negative electrode active material is at least one selected from the group consisting of graphite-based materials, multi-walled carbon nanotubes, single-walled carbon nanotubes and double-walled carbon nanotubes.
제9항에 있어서,
상기 음극활물질은 수퍼 P, 케첸블랙 및 덴카블랙으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 카본 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극.
10. The method of claim 9,
The negative electrode active material negative electrode further comprises at least any one carbon particles selected from the group consisting of super P, Ketjen black and denka black.
제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 따른 음극, 양극, 전해질 및 분리막을 포함하는 이차전지.A secondary battery comprising the negative electrode, the positive electrode, the electrolyte and the separator according to any one of claims 1 to 10. (a) 절연성 나노 물질이 분산된 분사용액을 형성하는 단계; 및
(b) 집전체 위의 음극활물질 상에 상기 분사용액을 전기분사하여, 응집체를 포함하는 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 이차전지용 음극의 제조방법.
(a) forming a spray solution in which the insulating nanomaterial is dispersed; And
(B) a method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery comprising the step of electrospraying the injection solution on the negative electrode active material on the current collector, to form an insulating layer including an aggregate.
제12항에 있어서,
상기 응집체는 구형, 도우넛형 및 타원형으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극의 제조방법.
The method of claim 12,
The aggregate is a method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery, characterized in that at least one form selected from the group consisting of spherical, doughnut and elliptical.
제12항에 있어서, 단계 (a) 전에,
(a') 상기 절연성 나노 물질을 마이크로비드 밀링 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극의 제조방법.
The method of claim 12, wherein before step (a),
(A ') The method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery, further comprising the step of microbead milling the insulating nanomaterial.
제12항에 있어서, 단계 (b) 이후에,
(c) 상기 절연층을 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극의 제조방법.
The method of claim 12, wherein after step (b):
(c) a method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery, further comprising the step of drying the insulating layer.
제15항에 있어서, 단계 (b) 및 단계 (c) 사이에,
상기 절연층을 열압착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극의 제조방법.
The process of claim 15, wherein between step (b) and step (c):
The method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery, further comprising the step of thermally compressing the insulating layer.
제12항에 있어서,
상기 응집체의 크기가 100 ㎚ 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극의 제조방법.
The method of claim 12,
The size of the aggregate is a manufacturing method of the negative electrode for secondary batteries, characterized in that 100nm to 5㎛.
제12항에 있어서,
상기 응집체들 간에는 10 ㎚ 내지 10 ㎛의 기공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극의 제조방법.
The method of claim 12,
A method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery, characterized in that pores of 10 nm to 10 μm are formed between the aggregates.
제12항에 있어서,
상기 절연층의 두께가 0.5 ㎛ 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극의 제조방법.
The method of claim 12,
The thickness of the insulating layer is 0.5 ㎛ to 20 ㎛ manufacturing method of the negative electrode for a secondary battery, characterized in that.
제12항에 있어서,
상기 절연성 나노 물질은 Al2O3, ZrO2, MgO, Ta2O5, CeO2, SiO2, Y2O3, BaTiO3, SrTiO3, HfO2, TiO2, Fe2O3 및 Li4Ti5O12로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극의 제조방법.
The method of claim 12,
The insulating nanomaterial is Al 2 O 3 , ZrO 2 , MgO, Ta 2 O 5 , CeO 2 , SiO 2 , Y 2 O 3 , BaTiO 3 , SrTiO 3 , HfO 2 , TiO 2 , Fe 2 O 3 and Li 4 Method for producing a negative electrode for a secondary battery, characterized in that at least one selected from the group consisting of Ti 5 O 12 .
제12항에 있어서,
상기 음극활물질은 흑연계 소재, 다중벽 카본나노튜브, 단일벽 카본나노튜브및 이중벽 카본나노튜브로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극의 제조방법.
The method of claim 12,
The negative electrode active material is at least one selected from the group consisting of graphite-based material, multi-walled carbon nanotubes, single-walled carbon nanotubes and double-walled carbon nanotubes, the method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery.
제21항에 있어서,
상기 음극활물질은 수퍼 P, 케첸블랙 및 덴카블랙으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 카본 입자를 더 포함하도록 하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극의 제조방법.
The method of claim 21,
The negative electrode active material may further include at least one carbon particle selected from the group consisting of super P, Ketjen black, and denka black.
제12항에 있어서,
단계 (a)의 분사용액 내에 존재하는 절연성 나노 물질의 농도는 0.5 내지 20 질량%인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극의 제조방법.
The method of claim 12,
Method for producing a negative electrode for a secondary battery, characterized in that the concentration of the insulating nano-material present in the injection solution of step (a) is 0.5 to 20% by mass.
제12항에 있어서,
단계 (a)의 분사용액의 용매는 에탄올, 메탄올, 프로판올, 부탄올, 이소프로필알콜, 디메틸포름아마이드 (DMF), 아세톤, 데트라하이드로퓨란, 톨루엔 및 물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극의 제조방법.
The method of claim 12,
The solvent of the spray solution of step (a) is any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of ethanol, methanol, propanol, butanol, isopropyl alcohol, dimethylformamide (DMF), acetone, detrahydrofuran, toluene and water. Method for producing a negative electrode for a secondary battery, characterized in that.
제12항에 있어서,
단계 (b)의 전기분사는 5 내지 30 kV의 전압을 인가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극의 제조방법.
The method of claim 12,
Electrospray of step (b) is a method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery, characterized in that by applying a voltage of 5 to 30 kV.
제15항에 있어서,
단계 (c)의 건조는 50 내지 400 ℃의 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극의 제조방법.
16. The method of claim 15,
Drying of step (c) is a method for producing a negative electrode for a secondary battery, characterized in that made in the range of 50 to 400 ℃.
제12항에 있어서,
단계 (a)의 분사용액은 분산제, 계면활성제 또는 이들의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극의 제조방법.
The method of claim 12,
The injection solution of step (a) further comprises a dispersing agent, a surfactant or a mixture thereof.
제27항에 있어서,
상기 분산제는 폴리비닐아세테이트, 폴리우레탄, 폴리에테르우레탄, 폴리우레탄공중합체, 셀룰로오스아세테이트, 셀룰로오스유도체, 폴리메틸메스아크릴레이트 (PMMA), 폴리메틸아크릴레이트 (PMA), 폴리아크릴공중합체, 폴리비닐아세테이트 공중합체, 폴리비닐알콜 (PVA), 폴리퍼퓨릴알콜 (PPFA), 폴리스티렌 (PS), 폴리스티렌공중합체, 폴리에틸렌옥사이드 (PEO), 폴리프로필렌옥사이드 (PPO), 폴리에틸렌옥사이드공중합체, 폴리프로필렌옥사이드공중합체, 폴리카보네이트 (PC), 폴리비닐클로라이드 (PVC), 폴리카프로락톤, 폴리비닐피롤리돈 (PVP), 폴리비닐풀루오라이드, 폴리비닐리덴풀루오라이드공중합체 및 폴리아마이드로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극의 제조방법.
The method of claim 27,
The dispersant is polyvinyl acetate, polyurethane, polyetherurethane, polyurethane copolymer, cellulose acetate, cellulose derivative, polymethylmethacrylate (PMMA), polymethylacrylate (PMA), polyacrylic copolymer, polyvinylacetate Copolymer, Polyvinyl Alcohol (PVA), Polyfuryl Alcohol (PPFA), Polystyrene (PS), Polystyrene Copolymer, Polyethylene Oxide (PEO), Polypropylene Oxide (PPO), Polyethylene Oxide Copolymer, Polypropylene Oxide Copolymer At least one selected from the group consisting of polycarbonate (PC), polyvinylchloride (PVC), polycaprolactone, polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride copolymer and polyamide Method for producing a negative electrode for a secondary battery, characterized in that any one.
제27항에 있어서,
상기 계면활성제는 트린톤 X-100, 아세트산, 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드 (CTAB), 이소프로필트리스 티타네이트 및 3-아미노프로필트리에톡시-실레인으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극의 제조방법.
The method of claim 27,
The surfactant is at least one selected from the group consisting of Triton X-100, acetic acid, cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB), isopropyltris titanate and 3-aminopropyltriethoxy-silane Method for producing a negative electrode for a battery.
제12항 내지 제29항 중 어느 하나의 항의 제조방법으로 음극을 제조하고, 양극, 전해질 및 분리막을 형성하는 것을 포함하는 이차전지의 제조방법.30. A method of manufacturing a secondary battery, comprising manufacturing a negative electrode by the method of any one of claims 12 to 29, and forming a positive electrode, an electrolyte, and a separator.
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