KR20130117346A - 전극 합제 및 그 제조방법 - Google Patents

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이민희
이윤경
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은, 전극 집전체의 일면 또는 양면에 도포되는 이차전지용 전극 합제로서, 상기 전극 합제는 전극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하고, 용매로서 methyl ethyl ketone(MEK)을 포함하는 이차전지용 전극 합제 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

전극 합제 및 그 제조방법 {The Electrode Mixture and the Method for Preparing the Same}
본 발명은 전극 집전체의 일면 또는 양면에 도포되는 이차전지용 전극 합제로서, 상기 전극 합제는 전극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하고, 용매로서 methyl ethyl ketone(MEK)을 포함하는 이차전지용 전극 합제에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 최근에는 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로는 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지가 주로 연구, 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 전극 집전체 상에 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막이 개재된 전극조립체에 리튬염을 포함하는 비수계 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다.
일반적으로 이차전지용 전극을 제조하기 위하여 전극 집전체에 슬러리 형태의 전극 합제를 도포하고 건조한 후 프레스하는 방법을 사용하고 있다. 또한, 상기 슬러리 형태의 전극 합제를 제조하기 위하여, 용매에 전극 활물질, 도전재 및 바인더 등을 투입하고 균일하게 혼합한다.
상기 용매로는 주로 N-methyl-2-pyrrolidone(NMP)를 사용하고 있다. 상기 NMP는 슬러리용 용매로서 우수한 특성을 지니고 있으나, 인체에 대한 독성으로 인하여 취급의 주의를 요한다는 문제가 있다.
따라서, 상기 문제점을 해결하기 위한 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, methyl ethyl ketone(MEK)을 용매로서 사용하는 경우, 소망하는 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 전극 집전체의 일면 또는 양면에 도포되는 이차전지용 전극 합제로서, 상기 전극 합제는 전극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하고, 용매로서 methyl ethyl ketone(MEK)을 포함하는 이차전지용 전극 합제를 제공한다.
일반적으로 전극 합제는 전극 활물질, 도전재, 바인더 등을 유기용매를 사용하여 슬러리로 만든다.
앞서 설명한 바와 같이, 일반적으로 전극 합제 슬러리용 용매로는 N-methyl-2-pyrrolidone(NMP)를 사용하여 왔다. 상기 NMP는 용매로서의 특성은 매우 우수하지만, 인체에 대한 독성이 있어, 제조 과정에서 인체 피해를 유발할 수 있는 잠재적 위험을 안고 있다.
본 발명의 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하고자, 인체에 대한 독성이 거의 없는 methyl ethyl ketone(MEK)을 용매로 사용함으로써, 제조 공정에서 발생할 수 있는 인체 피해 가능성을 제거할 수 있다.
본 발명은 상기 전극 합제를 전극 집전체에 도포하여 제조되는 이차전지용 전극을 제공한다.
상기 이차전지용 전극은 양극 활물질을 포함하는 양극 또는 음극 활물질을 포함하는 음극일 수 있다.
상기 이차전지용 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; LiNixMn2-xO4로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
반면에, 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물 등을 사용할 수 있다.
하나의 예에서, 상기 음극 활물질로 평균 입경이 작은 리튬 티타늄 산화물(LTO)을 사용할 수 있다. 또한, 이 경우, LTO의 높은 전위로 인하여 상대적으로 고전위를 가지는 LiNixMn2-xO4의 스피넬 리튬 망간 복합 산화물을 양극 활물질로 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극조립체에 리튬염 함유 전해액이 함침되어 있는 구조로 이루어진 이차전지를 제공한다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 리튬염 함유 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공하고, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 또한, 전극 집전체의 일면 또는 양면에 도포되는 이차전지용 전극 합제를 제조하는 방법으로서,
(i) 전극 활물질, 도전재 및 바인더를 methyl ethyl ketone(MEK) 용매에 첨가하는 단계; 및
(ii) 상기 단계(i)의 혼합물을 믹싱하는 단계;
를 포함하는 이차전지용 전극 합제의 제조방법을 제공한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지용 전극 합제는 용매로서 methyl ethyl ketone(MEK)을 사용함으로써, 제조 공정에서 발생할 수 있는 인체 피해 가능성을 제거할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은, 본 발명의 예시적인 실시예 1과 비교예 1의 음극 합제 슬러리의 유변물성을 도시한 그래프이다;
도 2는, 본 발명의 예시적인 실시예 1과 비교예 1의 음극 합제를 도포하여 제조한 전지의 충전용량 및 레이트 특성을 도시한 그래프이다.
도 3은, 본 발명의 예시적인 실시예 1과 비교예 1의 음극 합제를 도포하여 제조한 전지의 방전용량 및 레이트 특성을 도시한 그래프이다;
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
리튬 티타늄 산화물로 이루어진 음극 활물질 90 중량%, Super-P(도전제) 5 중량% 및 PVdF(바인더) 5 중량%를 MEK에 첨가하여 음극 합제 슬러리를 제조하였다.
<비교예 1>
음극 합제 슬러리의 제조과정에서 MEK가 아닌 NMP를 용매로서 사용하였다는 점을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 합제 슬러리를 제조하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 음극 합제 슬러리를 두께 10 ㎛의 구리 호일에 도포하여 음극을 제조하고, 분리막으로 셀가드TM를 사용하여 상기 음극을 포함하는 전극조립체를 제조한 후, 환형 및 선형 카보네이트 혼합 용매에 1M LiPF6를 포함하고 있는 리튬 비수계 전해액을 첨가하여 전지를 제조하고, 상기 전지의 유변물성, 충방전 용량 및 레이트(rate) 특성을 측정하여, 그 결과를 도 1 내지 도 3에 나타내었다.
도 1은, 본 발명의 예시적인 실시예 1과 비교예 1의 음극 합제 슬러리의 유변물성을 도시한 그래프이다
도 1을 참조하면, 용매로서 NMP를 사용한 비교예 1의 음극 합제 슬러리와 용매로서 NMP가 아닌 MEK를 사용한 음극 합제 슬러리의 유변물성이 유사한 수준임을 확인할 수 있다.
즉, 음극 합제 슬러리의 용매로서 NMP가 아닌 MEK를 사용하더라도, 물성에 변화를 유발하지 않는 동시에, 제조 공정에서 발생할 수 있는 인체 피해 가능성을 제거할 수 있는 효과를 발휘한다.
도 2 및 도 3은, 본 발명의 예시적인 실시예 1과 비교예 1의 음극 합제를 도포하여 제조한 전지의 충방전용량 및 레이트 특성을 도시한 그래프이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1의 음극 합제를 도포하여 제조한 전지와 비교예 1의 음극 합제를 도포하여 제조한 전지의 충방전용량 및 레이트 특성이 유사함을 확인할 수 있다.
즉, 전지의 제조 과정에서 음극 합제 슬러리의 용매로서 NMP가 아닌 MEK를 사용하더라도, 전지의 성능에 변화를 유발하지 않는 동시에, 제조 공정에서 발생할 수 있는 인체 피해 가능성을 제거할 수 있는 효과를 발휘한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (12)

  1. 전극 집전체의 일면 또는 양면에 도포되는 이차전지용 전극 합제로서, 상기 전극 합제는 전극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하고, 용매로서 methyl ethyl ketone(MEK)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 합제.
  2. 제 1 항에 따른 전극 합제가 전극 집전체에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전극은 양극 또는 음극인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 양극은 양극 활물질로 스피넬 구조의 리튬 니켈 망간 복합 산화물을 사용하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 음극은 음극 활물질로 리튬 티타늄 산화물을 사용하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극.
  6. 제 2 항에 따른 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 7 항에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 8 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 9 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  12. 전극 집전체의 일면 또는 양면에 도포되는 이차전지용 전극 합제를 제조하는 방법으로서,
    (i) 전극 활물질, 도전재 및 바인더를 methyl ethyl ketone(MEK) 용매에 첨가하는 단계; 및
    (ii) 상기 단계(i)의 혼합물을 믹싱하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 합제의 제조방법.
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