KR20130123831A - Electrode binder for lithium secondary battery, manufacturing method for the same, and electrode for lithium secondary battery - Google Patents

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Abstract

An electrode binder for lithium secondary battery, a manufacturing method thereof, and an electrode for lithium secondary battery using the same are provided. According to an embodiment of the present invention, the electrode binder for lithium secondary battery comprises a polymer chain including a carboxyl group; and a material containing a catechol group conjugated to the carboxyl group of the polymer chain. According to the present invention, the property of an anode battery composed of silicon nanoparticles is improved using a new organism-derived binder. Especially, the silicon anode including an Alg-C polymer binder shows excellent specific capacity of 3,200 mAhg-1 and excellent cycling property of 200 cycles due to the rigid and adhesive property of the Alg-C binder.

Description

리튬 이온전지 전극 바인더 및 그 제조방법, 및 이를 이용한 리튬이차전지 전극{Electrode binder for lithium secondary battery, manufacturing method for the same, and electrode for lithium secondary battery}Lithium ion battery electrode binder and manufacturing method thereof, and lithium secondary battery electrode using the same {Electrode binder for lithium secondary battery, manufacturing method for the same, and electrode for lithium secondary battery}

본 발명은 리튬 이온전지 전극 바인더 및 그 제조방법 및 이를 이용한 리튬이차전지 전극에 관한 것이다. The present invention relates to a lithium ion battery electrode binder, a manufacturing method thereof and a lithium secondary battery electrode using the same.

리튬 이온전지(LIB)는 일반 이동형 소형 전자기기에서부터 전기자동차나 스마트그리드의 전기저장장치와 같은 대용량 장치에 이르기까지 폭넓은 분야에 널리 사용된다. 특히, 전기자동차의 등장은 화석연료의 고갈의 부담과 이산화탄소 배출 위험을 동시에 줄여주는 방안으로 여겨지고 있다. 하지만, 실제로는 현재 개발된 리튬이차전지의 성능은 개성되어야 하며, 에너지 밀도, 배터리 싸이클, 출력 용량, 및 안전성 등의 특성은 리튬 이온전지의 전기자동차 적용을 위해서 특히 개선되어야 한다. 이들 특성 중 에너지 밀도는 리튬 이온전지의 전기자동차 사용에 있어서 매우 중요한 요소인데, 왜냐하면 이것은 한 번의 재충전으로 갈 수 있는 차량 이동 거리와 관계되기 때문이다.Lithium ion batteries (LIBs) are widely used in a wide range of applications, from general mobile small electronic devices to high-capacity devices such as electric vehicles or smart grid electric storage devices. In particular, the emergence of electric vehicles is considered to reduce the burden of fossil fuel exhaustion and the risk of carbon dioxide emissions. However, in practice, the performance of the currently developed lithium secondary battery should be individualized, and characteristics such as energy density, battery cycle, output capacity, and safety should be improved particularly for electric vehicle applications of lithium ion batteries. Among these properties, energy density is a very important factor in the use of lithium-ion batteries in electric vehicles because it relates to the distance traveled by the vehicle in one recharge.

최근, 실리콘은 현존하는 흑연 음극에 기초한 리튬 전지보다 10배나 많은 중량 용량을 갖는다. 하지만 실리콘 전극은 완전 충전시 발생하는 300% 수준의 팽창에 의하여 상대적으로 짧은 수명주기를 갖는다. 결과적으로, 실리콘은 부피 팽창 중 형성되는 스트레스의 의하여 미분화되는 문제를 갖는다. 이를 개선하기 위한 시도로서, 적은 크기의 물질을 이용, 스트레스를 완화시켜, 미분화를 방지하는 방법이 제안되고 있다. 그러나, 미분화의 문제가 나노크기의 물질 사용에 따라 해결될 수 있지만, 적은 크기의 물질 사용에 따른 반대급부로 실리콘과 탄소 전도체 사이의 계면 접촉력(접촉)이 약화되는 문제가 발생하며, 그 결과 싸이클 성능 향상이 약화된다. 또한, 전극 필름과 전류 컬렉터 사이의 접촉이 약화되어, 전극 필름이 싸이클 도중 쉽게 박리될 수 있다. 따라서, 우수한 싸이클 특성을 유지하기 위해서는 유효한 바인더 개발과 사용이 절실하다. In recent years, silicon has a weight capacity ten times more than lithium batteries based on existing graphite anodes. However, silicon electrodes have a relatively short life cycle due to the 300% level of expansion that occurs during full charge. As a result, silicon has the problem of being micronized by stresses formed during volume expansion. In an attempt to improve this problem, a method of reducing stress by using a material of a small size has been proposed. However, while the problem of micronization can be solved by the use of nano-sized materials, there is a problem of weakening the interfacial contact force (contact) between silicon and carbon conductors as a counterpart to the use of small sized materials, resulting in cycles. Performance improvement is weakened. In addition, the contact between the electrode film and the current collector is weakened, so that the electrode film can be easily peeled off during the cycle. Therefore, effective binder development and use are urgently needed to maintain excellent cycle characteristics.

따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 새로운 리튬 이온전지의 전극에 활용될 수 있는 바인더 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to provide a binder and a method of manufacturing the same that can be utilized in the electrode of a new lithium ion battery.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 상기 바인더를 포함하는 새로운 리튬 이온전지의 전극을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an electrode of a new lithium ion battery including the binder.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 리튬 이차전지의 전극 바인더로서, 상기 바인더는 카르복실기를 포함하는 고분자사슬; 및 상기 고분자사슬의 카르복실기에 컨쥬게이트된 카테콜기-함유 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 전극 바인더를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention is an electrode binder of a lithium secondary battery, the binder is a polymer chain containing a carboxyl group; And it provides an electrode binder of a lithium secondary battery comprising a catechol group-containing material conjugated to the carboxyl group of the polymer chain.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 고분자사슬은 알지네이트이며, 상기 카테콜기-함유 물질은 도파민이다. In one embodiment of the invention, the polymer chain is alginate and the catechol group-containing material is dopamine.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바인더는 하기의 구조식을 갖는다. According to an embodiment of the present invention, the binder has the following structural formula.

Figure pat00001
Figure pat00001

(상기 식에서 l, k는 양의 실수 이며 0 < l,k <1 임 또한 l + k = 1)(Where l and k are positive real numbers and 0 <l, k <1 and l + k = 1)

본 발명은 상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 리튬 이차전지의 전극 바인더 제조방법으로, 상기 방법은 알지네이트 용액을 제조하는 단계; 상기 알지네이트 용액에 도파민 용액을 첨가하여 혼합액을 제조하는 단계; 및 상기 혼합액을 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 전극 바인더 제조방법을 제공한다. The present invention, in order to solve the another problem, a method of manufacturing an electrode binder of a lithium secondary battery, the method comprising the steps of preparing an alginate solution; Preparing a mixed solution by adding a dopamine solution to the alginate solution; And it provides a method for producing an electrode binder of a lithium secondary battery comprising the step of reacting the mixed solution.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알지네이트 용액을 제조하는 단계는, 알지네이트를 포스페이트 완충 용액에 용해시키는 단계; 및 상기 용해된 알지네이트의 카르복실기를 활성화시키는 단계를 포함한다. 상기 반응에 의하여 상기 알지테이트의 카르복실기와 상기 도파민의 카테콜기가 컨쥬게이션된다. According to an embodiment of the present invention, the preparing of the alginate solution may include dissolving the alginate in a phosphate buffer solution; And activating the carboxyl group of the dissolved alginate. By the reaction, the carboxyl group of the algitate and the catechol group of the dopamine are conjugated.

본 발명은 또한 리튬 이차전지 음극물질로서, 상기 물질은 실리콘 물질; 카르복실기를 포함하는 고분자사슬과, 상기 고분자사슬의 카르복실기에 컨쥬게이트된 카테콜기-함유 물질을 포함하는 바인더; 및 탄소 전도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극물질을 제공한다. The present invention also provides a lithium secondary battery negative electrode material, the material is a silicon material; A binder comprising a polymer chain comprising a carboxyl group and a catechol group-containing material conjugated to the carboxyl group of the polymer chain; And it provides a lithium secondary battery negative electrode material comprising a carbon conductor.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 물질은 마이크로미터 이하의 실리콘 입자이다. According to one embodiment of the invention, the silicon material is silicon particles of micrometer or less.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음극물질에서, 상기 실리콘 나노입자: 바인더 및 탄소전도체 무게비는 60 내지 70: 10 내지 20: 10 내지 20이다. According to an embodiment of the present invention, in the negative electrode material, the silicon nanoparticle: binder and carbon conductor weight ratio is 60 to 70: 10 to 20: 10 to 20.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소전도체는 카본 블랙이며, 상기 고분자사슬은 알지네이트이다. 또한, 상기 카테콜기-함유 물질은 도파민이다. According to one embodiment of the invention, the carbon conductor is carbon black, and the polymer chain is alginate. In addition, the catechol group-containing material is dopamine.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바인더는 하기의 구조식을 갖는다. According to an embodiment of the present invention, the binder has the following structural formula.

Figure pat00002
Figure pat00002

(상기 식에서 l, k는 양의 실수이며 0 < l,k <1 임 또한 l + k = 1)(Where l and k are positive real numbers and 0 <l, k <1 and l + k = 1)

본 발명은 또한 양극, 음극 및 전해질을 포함하는 리튬 이차전지로서, 상기 리튬 이차전지의 음극은 상술한 음극 물질로 이루어지며, 이때 상기 전해질은 비닐렌카보네이트(VC)를 첨가제로 포함할 수 있다. The present invention is also a lithium secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte, the negative electrode of the lithium secondary battery is made of the above-described negative electrode material, wherein the electrolyte may include vinylene carbonate (VC) as an additive.

본 발명에 따르면, 새로운 생물-유래 바인더를 이용, 실리콘 나노입자(NP)로 이루어진 음극의 전지 특성을 향상시킨다.특히 알지네이트-카테콜(Alg-C) 고분자 바인더를 포함하는 실리콘 음극은 알지네이트-카테콜 결합물질의 딱딱하고, 접착력 있는 특성에 의하여, ~3,200 mAh g-1에 이르는 우수한 비용량과 200싸이클을 상회하는 우수한 싸이클링 특성을 갖는다. According to the present invention, a novel bio-derived binder is used to improve the battery characteristics of a negative electrode made of silicon nanoparticles (NP). In particular, a silicon negative electrode comprising an alginate-catechol (Alg-C) polymer binder is an alginate-category. The hard, adhesive properties of the call binder have excellent specific capacities up to ˜3,200 mAh g −1 and excellent cycling characteristics over 200 cycles.

도 1은 본 발명에 따른 알지네이트-카테콜(Alg-C) 바인더를 설명하는 도면이다.
도 2a는 도파민이 알지네이트 당쇄에 효과적으로 컨쥬게이션 되었다는 것을 280nm에서의 피크를 통하여 증명하는 스펙트로스코피(XPS) 분석결과이고, 도 2b는 도파민이 알지네이트(Alg) 당쇄에 효과적으로 컨쥬게이션 되었다는 것을 280nm에서의 피크를 통하여 증명하는 엑스선 광전자 스펙트로스코피(XPS) 분석결과이다.
도 2c는 바인더가 흡착된 캔틸레버를 물로 세정한 후, 상기 켄틸레버를 AFM과 결합시켜, 바인더-실리콘 상호 작용을 측정한 분석결과이고, 도 2d는 알지네이트 탄소와 알지네이트의 상호 작용 힘을 비교한 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 실험예에 따른 박편실험 결과, 도 3b는 실리콘-알지네이트-카테콜(Si-Alg-C)에 대한 박편 실험 결과이고, 도 3c는 본 발명의 실험예에 따른 박편실험 사진이다.
도 4a는 본 발명의 실험예에 따른 전압-비용량에 대한 실험결과이고, 도 4b는 EIS 분석결과, 그리고 도 4c는 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 실험예에 따른 싸이클 테스트 결과이다.
1 is a view illustrating an alginate-catechol (Alg-C) binder according to the present invention.
FIG. 2A is a spectroscopy (XPS) analysis demonstrating through peaks at 280 nm that dopamine was effectively conjugated to alginate sugar chains, and FIG. 2B shows peaks at 280 nm that dopamine was effectively conjugated to alginate (Alg) sugar chains. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis proved through.
Figure 2c is a result of analyzing the binder-silicon interaction by combining the cantilever with the AFM after washing the cantilever binder is adsorbed with water, Figure 2d is a graph comparing the interaction force of alginate carbon and alginate to be.
3a is a lamella test results according to the experimental example of the present invention, Figure 3b is a lamella test results for the silicon-alginate-catechol (Si-Alg-C), Figure 3c is a lamella test picture according to the experimental example of the present invention to be.
4A is an experimental result of the voltage-specific capacity according to the experimental example of the present invention, FIG. 4B is an EIS analysis result, and FIG. 4C is a scanning electron microscope (SEM) image.
5a to 5c are cycle test results according to the experimental example of the present invention.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the width, length, thickness, etc. of components may be exaggerated for convenience. Like numbers refer to like elements throughout.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여, 새로운 생물-유래 바인더를 제공하며, 이를 통하여 마이크로 단위 이하의 실리콘 입자로 이루어진 음극의 전지 특성을 향상시킨다.The present invention provides a novel bio-derived binder in order to solve the above problems, thereby improving the battery characteristics of the negative electrode made of silicon particles of less than a micro unit.

진화의 결과로서, 살아있는 유기체는 매우 특이한 물질 특성을 갖는다. 이러한 물질 중, 홍합은 젖은 환경에서도 특이하게 강한 접착력의 표면 특성을 갖는다. 홍합 유래 접착물질 성분 중 카테콜(catechol)은 방수 접착 특성에 있어서 매우 중요한 역할을 수행하며, 카테콜 함유 저분자 및 폴리머는 다양한 나노 및 바이오 기술에 응용될 수 있다. 게다가, 조류로부터 추출된 다당류(polysaccharide)인 알지네이트(alginate)는 바이오물질로 활용되고 있다. As a result of evolution, living organisms have very specific material properties. Among these materials, mussels have a surface property of exceptionally strong adhesion even in wet environments. Among the mussel-derived adhesive components, catechol plays a very important role in waterproof adhesive properties, and catechol-containing low molecules and polymers can be applied to various nano and biotechnology. In addition, alginate, a polysaccharide extracted from algae, is used as a biomaterial.

본 발명은 이러한 카테콜 함유 물질을 카르복실기 등을 함유하는 고분자 사슬에 사용하며, 상기 고분자 사슬은 상술한 기능의 카테콜 함유 물질과 상호 컨쥬게이트된다. 이러한 바인더의 일 예로서, 본 발명자는 새로운 생물-유래 바인더로서, 고분자 사슬인 알지네이트를 이용한, 알지네이트-카테콜 (Alg-C)을 제공하며, 상기 바인더는 홍합과 조류(algae)로부터 유래된 물질의 혼합-합성 방식으로 제조되어, 리튬 이온 전지의 실리콘 음극에 사용될 수 있다. The present invention uses such a catechol-containing material in a polymer chain containing a carboxyl group or the like, and the polymer chain is mutually conjugated with the catechol-containing material having the above-described function. As an example of such a binder, the present inventors provide alginate-catechol (Alg-C), which is a new bio-derived binder, using alginate, a polymer chain, which binder is derived from mussels and algae. It can be prepared in a mixed-synthetic manner, and used in the silicon negative electrode of a lithium ion battery.

알지네이트-카테콜(Alg-C) 결합 바인더를 포함하는 실리콘 음극은 알지네이트-카테콜 (Alg-C)의 딱딱하고, 접착력 있는 특성에 의하여, ~3,200 mAh g-1에 이르는 우수한 비용량과 200싸이클을 상회하는 우수한 싸이클링 특성을 갖는다.
Silicon anodes comprising alginate-catechol (Alg-C) binding binders, due to the rigid, adhesive properties of alginate-catechol (Alg-C), have a high specific capacity of ~ 3,200 mAh g -1 and 200 cycles. It has excellent cycling characteristics in excess of.

실시예Example 1 One

전극 바인더Electrode binder

본 발명의 일 실시예에 따른 생물-유래 바인더는 2개의 생명체, 즉, 녹조와 같은 조류(algae)와 홍합(도 1a, 1b)의 생물학적 특이성을 조합한 것이다. 이중 알지네이트는 녹조와 같은 조류로부터 추출된 자연 폴리머로서, 딱딱한 당쇄(고분자 사슬)를 구성하며, 이것은 실리콘 전극 바인더에서 매우 중요한 요소가 된다. 높은 영- 모듈러스를 갖는 폴리머, 예를 들면 폴리아크릴산(PAA) 또는 카르복시메틸셀룰로스(CMC)는 폴리(비닐리덴 풀루오라이드)(PVDF)와 같이 널리 사용되는 폴리머에 비하여 실리콘 전극의 용량유지에 매우 유리하다. 게다가, 홍합에서 발견되는 접착 부분인 카테콜이 상기 알지네이트 당쇄에 공유결합(컨쥬게이트)되어, 방수성의 접착특성(wet-resistant adhesive)을 제공하게 된다. 생물-유래 바인더를 활용함으로써, 본 발명은 실리콘 나노입자를 사용하는 실리콘 음극의 성능을 현저하게 향상시켜 높은 비용량(~3,200 mAh g-1)을 달성하였다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서는 실리콘 나노입자가 생산이 용이하다는 점 때문에 음극 물질의 성분으로 선택되었다. The bio-derived binder according to an embodiment of the present invention combines the biological specificities of two living organisms, namely algae such as green algae and mussels (FIGS. 1A and 1B). Double alginates are natural polymers extracted from algae, such as green algae, which constitute hard sugar chains (polymer chains), which are very important in silicon electrode binders. Polymers with high Young's modulus, such as polyacrylic acid (PAA) or carboxymethylcellulose (CMC), are much more likely to maintain the capacity of silicon electrodes than polymers that are widely used such as poly (vinylidene fluoride) (PVDF). It is advantageous. In addition, catechol, an adhesive moiety found in mussels, is covalently bonded to the alginate sugar chain, providing a wet-resistant adhesive. By utilizing bio-derived binders, the present invention significantly improved the performance of silicon anodes using silicon nanoparticles to achieve high specific capacities (˜3,200 mAh g −1 ). Further, in one embodiment of the present invention, silicon nanoparticles were selected as a component of the negative electrode material because of their ease of production.

더 나아가, 본 발명에 따른 음극의 실리콘 나노입자 싸이클 수명은 다른 바인더에 의하여 달성된 수명과 비교하여 볼 때, 현저하게 향상되었으며, 비용량은 200 싸이클 동안 완전히 유지되었다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 바인더가 에너지 저장 기술에 있어서 매우 효과적인 해결방안을 제공하는 것을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에서 당쇄인 알지네이트(Alg) 는 (1-4)-연결된 β-D-만누론산(β-D-mannuronic acid (M))과 α-L-글루론산(α-L-guluronic acid (G))으로 이루어진다(도 1a 참조). Alg는 카르복실기를 포함하며, 도파민을 컨쥬게이션시킴으로써 홍합-유래의 접착특성을 얻는다(도 1b, 1c 참조).
Furthermore, the silicon nanoparticle cycle life of the negative electrode according to the present invention was markedly improved compared to the life achieved by other binders, and the specific amount was maintained completely for 200 cycles. This result means that the binder according to the present invention provides a very effective solution in energy storage technology. In one embodiment of the present invention, the alginate (Alg) which is a sugar chain is (1-4) -linked β-D-mannuronic acid (M) and α-L-gluronic acid (α-L- guluronic acid (G)) (see FIG. 1A). Alg contains a carboxyl group and obtains mussel-derived adhesive properties by conjugating dopamine (see FIGS. 1B and 1C).

실시예Example 2 2

제조방법Manufacturing method

알지네이트Alginate 정제 refine

알지네이트 나트륨 염은 불순물을 함유하고 있으며, 옅은 노란색을 띠고 있다. 따라서, 카테콜 결합전, 알지네이트 나트륨 염의 노란색이 사라지기까지 5회 이상 투석(dialysis) 방식으로 정제하였다. 동결건조 공정을 통하여 정제된 알지네이트의 백색 분말을 얻었으며, 불순물이 제거되었음을 UV-Vis 측정을 통하여 확인하였다.
Alginate sodium salts contain impurities and have a pale yellow color. Therefore, the purification was carried out by dialysis five or more times before the yellow color of the alginate sodium salt disappeared before catechol binding. The white powder of the purified alginate was obtained through the freeze-drying process, and it was confirmed by UV-Vis measurement that impurities were removed.

알지네이트-카테콜 (Alg-C) 합성Alginate-Catechol (Alg-C) Synthesis

통상의 EDC-NHS 커플링 방법을 사용, 카테콜 부분을 알지네이트 당쇄의 카르복실레이트 기능기에 컨쥬게이션(공유결합)시켰다. 상기 정제된 알지네이트(1g)를 100mL의 포스페이트 완충액(PBS, pH 6.0)에 교반시키며 용해시켰다. EDC(1.63g) 및 NHS(0.98g)을 상기 PBS 완충액에 용해시키고, 다시 알지네이트 용액에 첨가하여, 알지네이트의 카르복실산기를 활성화시켰다. 얻어진 혼합액을 상온에서 20분간 교반시키고, 다시 도파민 용액(PBS용액에서 0.50g)을 상기 알지네이트 용액에 첨가하였다. 이 혼합 용액을 9시간 동안 상온에서 반응시키고, 이후 얻어진 생성물을 3차 증류수(DDW)에서 2회 투석(dialysis, (MWCO = 25 kDa)) 방식으로 정제하였다. 최종 생성물을 동결건조시키고, 사용전 냉장고에 보관하였다. 카테콜-컨쥬게이션의 양을 UV-Vis 스펙트로미터(HP8453, Agilent)를 사용, 280nm에서 모니터링하였다. 연속 희석된 도파민 용액(0.125 - 0.015 mgmL-1)을 사용하여, 도파민 표준 곡선을 정하였으며, 이로써 알지네이트에 대한 도파민 컨쥬게이션 정도를 측정하였다. 본 발명의 일 실시예에 따른 알지네이트 당쇄에 컨쥬게이트된 도파민은 약 3.4 ± 0.4% 수준이었다.
Using a conventional EDC-NHS coupling method, the catechol moiety was conjugated (covalently bonded) to the carboxylate functional group of the alginate sugar chain. The purified alginate (1 g) was dissolved in 100 mL of phosphate buffer (PBS, pH 6.0) with stirring. EDC (1.63 g) and NHS (0.98 g) were dissolved in the PBS buffer and added to the alginate solution again to activate the carboxylic acid groups of the alginate. The resulting mixture was stirred at room temperature for 20 minutes, and then a dopamine solution (0.50 g in PBS solution) was added to the alginate solution. The mixed solution was reacted at room temperature for 9 hours, and then the obtained product was purified by dialysis (MWCO = 25 kDa) twice in tertiary distilled water (DDW). The final product was lyophilized and stored in the refrigerator before use. The amount of catechol-conjugation was monitored at 280 nm using a UV-Vis spectrometer (HP8453, Agilent). Dopamine standard curves were determined using serially diluted dopamine solutions (0.125-0.015 mgmL -1 ), thereby measuring the degree of dopamine conjugation to alginate. Dopamine conjugated to the alginate sugar chains according to one embodiment of the present invention was about 3.4 ± 0.4%.

실험예Experimental Example 1 One

자외선-가시광선(Ultraviolet-visible light ( UVUV -- VisVis ) ) 스펙트로스코피Spectrocopy 분석 analysis

자외선-가시광선(UV-Vis) 스펙트로스코피 분석을 통하여 도파민이 알지네이트(Alg) 당쇄에 효과적으로 컨쥬게이션 되었다는 것을 280nm에서의 피크를 통하여 증명하였다(도 2a의 적색). 즉, 280nm에서의 흡광 피크는 알지네이트(Alg) 당쇄의 카르복실산에 컨쥬게이트(공유 결합)된 카테콜의 양을 의미한다.UV-Vis spectroscopy analysis demonstrated that dopamine was effectively conjugated to alginate (Alg) sugar chains through a peak at 280 nm (red in FIG. 2A). That is, the absorption peak at 280 nm means the amount of catechol conjugated (covalently bonded) to the carboxylic acid of the alginate (Alg) sugar chain.

표준 농도에서의 도파민 용액과 비교함으로써, 본 발명자는 알지네이트(Alg) 카르복실산의 3.4 ± 0.4 %가 도파민과 컨쥬게이션되었음을 확인하였다. 더 나아가, 엑스선 광전자 스펙트로스코피(XPS)의 질소 1s 피크(도 2b, 적색)를 통하여 도파민 컨쥬게이션을 확인하였으며, 399eV에서 나타나는 아미드 결합(도 1c 참조)으로부터 발생한다. 반대로, N1s 피크가 검출되지 않는 것은 개질되지 않은 Alg를 의미한다. By comparing the dopamine solution at the standard concentration, we found that 3.4 ± 0.4% of the alginate (Alg) carboxylic acid was conjugated with dopamine. Furthermore, dopamine conjugation was confirmed through the nitrogen 1s peak (XB) of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), resulting from amide bonds (see FIG. 1C) appearing at 399 eV. In contrast, no N1s peak detected means Alg unmodified.

본 발명에 따른 바인더 물질인 알지네이트-카테콜 (Alg-C) 중 홍합-유래 접착성 카테콜은 실리콘 표면에 대한 우수한 상호작용 특성을 나타낸다. 이러한 알지네이트-카테콜 (Alg-C)/실리콘(Si) 상호작용은 AFM을 통하여 정량적으로 분석되었다. Mussel-derived adhesive catechol in alginate-catechol (Alg-C), the binder material according to the present invention, exhibits excellent interaction properties on the silicon surface. This alginate-catechol (Alg-C) / silicon (Si) interaction was quantitatively analyzed via AFM.

이를 위하여, ~250 pNnm-1의 탄성 상수를 갖는 질화실리콘 캔틸레버를 알지네이트-카테콜 (Alg-C) 및 Alg(0.5 mgmL-1) 용액에 각각 침지시켰다. 바인더가 흡착된 캔틸레버를 물로 세정한 후, 상기 켄틸레버를 AFM과 결합시켜, 바인더-실리콘 상호 작용을 측정하였다(도 2c 참조). 단분자 수준에서의 카테콜-실리콘 상호작용 힘이 알지네이트-카테콜 (Alg-C)에 대하여 관찰되었으나(화살표, 적색 스펙트럼), Alg 자체에서는 측정될 수 있는 수준의 피크가 관찰되지 않았다(흑색 스펙트럼). 또한 복수의 카테콜이 알지네이트 당쇄에 컨쥬게이트되었음을 알 수 있다(중간, 적색). 평균 힘 값은 알지네이트-카테콜 (Alg-C)의 경우 370 pN (n = 272), Alg의 경우 73 pN(n = 52)이었다(도 2d 참조). 이러한 Alg와 실리콘 사이의 상호작용은 주로 100pN 미만의 힘을 갖는 수소결합의 결과로 판단된다.For this purpose, a silicon nitride cantilever having a spring constant of ~ 250 pNnm -1 alginate - were each immersed in catechol (Alg-C) and Alg (0.5 mgmL -1) solution. After the binder-adsorbed cantilever was washed with water, the cantilever was combined with AFM to measure the binder-silicon interaction (see FIG. 2C). Catechol-silicon interaction forces at the monomolecular level were observed for alginate-catechol (Alg-C) (arrows, red spectra), but no measurable peaks were observed in Alg itself (black spectra). ). It can also be seen that a plurality of catechols were conjugated to the alginate sugar chains (middle, red). Average force values were 370 pN (n = 272) for alginate-catechol (Alg-C) and 73 pN (n = 52) for Alg (see FIG. 2D). This interaction between Alg and silicon is believed to be the result of hydrogen bonding with a force of less than 100 pN.

단분자 스케일에서의 결과와 일치하게, 알지네이트-카테콜 (Alg-C)의 탁월한 접착특성이 벌크-수준의 박편 실험(peeling mechanics)에서도 증명되었다(도 3 참조). 상기 실험은 실리콘 전극의 접착 특성을 평가하기 위한 보편적 실험으로, 초기 박편 힘은 바인더가 알지네이트(Alg)로부터 알지네이트-카테콜 (Alg-C)로 변화됨에 따라 100% 증가하였다(Alg: ~0.3 N, 알지네이트-카테콜 (Alg-C): ~0.6 N). Consistent with the results on the monomolecular scale, the excellent adhesion properties of alginate-catechol (Alg-C) were also demonstrated in bulk-level peeling mechanics (see FIG. 3). This experiment is a universal experiment to evaluate the adhesion properties of silicon electrodes, the initial flake force increased by 100% as the binder was changed from alginate (Alg) to alginate-catechol (Alg-C) (Alg: ~ 0.3 N , Alginate-catechol (Alg-C): ˜0.6 N).

또한, 화살표에 의하여 표시되는 날카롭고, 불연속적인 피크는 본 발명에 따른 바인더가 함유된 실리콘 전극의 힘-변위 커브에서 자주 관찰된다. 하지만, 이러한 특성은 본 발명에 따른 바인더가 사용되지 않은 알지네이트(Si-Alg) 및 PVDF(Si-PVDF)에서는 관찰되지 않았다. 하지만, 실리콘-알지네이트-카테콜 (Si-Alg-C)에서의 날카로운 피크는 확대된 힘-변위 커브에서 보다 명확히 관찰된다(도 3b 참조). In addition, sharp, discontinuous peaks, indicated by arrows, are frequently observed in the force-displacement curves of silicon electrodes containing binders according to the present invention. However, this property was not observed in alginate (Si-Alg) and PVDF (Si-PVDF) in which the binder according to the present invention was not used. However, sharp peaks in silicon-alginate-catechol (Si-Alg-C) are more clearly observed in the enlarged force-displacement curve (see Figure 3b).

이러한 관찰결과는 많은 카테콜기가 집단적으로 실리콘 표면으로부터 탈리되었음을 나타낸다. 게다가, 향상된 실리콘-알지네이트-카테콜 (Si-Alg-C)의 접착력은 탈리된 전극 필름과 구리 포일 사이에서의 박편 계면을 통하여 바로 확인될 수 있다. 이 계면에서, 실리콘-알지네이트-카테콜 (Si-Alg-C)는 인장된 바인더 브리지를 나타내며, 이것은 관찰된 실리콘-알지네이트(Si-Alg)와 실리콘-PVDF(Si-PVDF)에 비하여 보다 크게 인장되었다. 이상의 결과는 모두 본 발명에 따른 바인더가 보다 향상된 접착 특성을 가짐을 증명한다.
This observation indicates that many of the catechol groups have detached from the silicon surface collectively. In addition, the adhesion of the improved silicon-alginate-catechol (Si-Alg-C) can be immediately seen through the flake interface between the detached electrode film and the copper foil. At this interface, silicon-alginate-catechol (Si-Alg-C) represents a stretched binder bridge, which is more tensile than the observed silicon-alginate (Si-Alg) and silicon-PVDF (Si-PVDF). It became. All of the above results demonstrate that the binder according to the present invention has improved adhesive properties.

실험예Experimental Example 2 2

전기적 특성 분석Electrical characterization

리튬을 기준전극과 상대전극으로 활용하는 코인-형태 반쪽 셀의 정전 측정을 통하여 홍합-유래 알지네이트-카테콜 (Alg-C) 바인더, 특히 실리콘 나노입자 셀의 정전기적 특성의 개선 효과를 측정하였다. 리튬 헥사풀루오로포스페이트(LiPF6,1 M)를 에틸렌 카보네이트(EC)와 디에틸 카보네이트(DEC)(1:1 부피비) 혼합 용매에 용해시켜, 전해액을 제조하였다. 실험은 C/10 속도로의 예비 싸이클링과 이어지는 C/10 이상의 다양한 속도에서 진행되는 본 싸이클링으로 이루어진다. 이때 실리콘 나노입자로부터 제조된 전극에서의 우수한 셀 성능을 달성하는 것이 매우 어려운 난제로 여겨져 왔음에 주목할 필요가 있다. 그 이유는 실리콘 나노입자가 낮은 비용량을 가지며, 싸이클에 따른 용량 유지 특성이 어렵기 때문이었다. 하지만 본 발명에 따른 바인더는 딱딱한 당쇄과 실리콘 산화물과 배위결합이 가능한 카르복실산 기능기를 가지므로, CMC나 PVDF와 같은 종래 바인더에 비하여 우수한 셀 성능 향상 효과를 발생시킨다. 더 나아가, 본 발명에서는 1:1 수준으로 사용되는 종래 기술에 비하여 활성 실리콘이 적어도 60%를 차지하며, 더 나아가, 실리콘 나노입자는 탄소층에 의하여 코팅될 필요가 없다. The effect of improving the electrostatic properties of mussel-derived alginate-catechol (Alg-C) binders, especially silicon nanoparticle cells, was measured by electrostatic measurements of coin-type half-cells using lithium as the reference and counter electrodes. Lithium hexafulurophosphate (LiPF 6 , 1 M) was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) (1: 1 volume ratio) to prepare an electrolyte solution. The experiment consists of preliminary cycling at C / 10 speed followed by bone cycling at various speeds above C / 10. It should be noted that achieving excellent cell performance in electrodes made from silicon nanoparticles has been considered a very difficult challenge. The reason is that the silicon nanoparticles have a low specific capacity and difficult to maintain capacity according to the cycle. However, since the binder according to the present invention has a hard sugar chain and a carboxylic acid functional group capable of coordinating with silicon oxide, it produces an excellent cell performance improvement effect compared to conventional binders such as CMC and PVDF. Furthermore, in the present invention, active silicon accounts for at least 60% compared to the prior art used at a 1: 1 level, and furthermore, the silicon nanoparticles do not need to be coated by a carbon layer.

0.005 - 2.0 V (Li/Li+)의 전위 영역에서의 갈바노 정전 측정을 통하여, 충전-방전이 각각 +0.15 및 +0.4 V에서 발생하였다. 또한, 상이한 바인더를 갖는 실리콘 나노입자 셀은 예비 싸이클링 과정에서 상당 수준으로 상이한 비용량을 보여주었다. 실리콘-알지네이트-카테콜 (Si-Alg-C), 실리콘-알지네이트(Si-Alg), 실리콘-PVDF(Si-PVDF), 실리콘-PAA(Si-PAA), 및 실리콘-CMC(Si-CMC)는 각각 3,190, 2,640, 2,050, 2,590, 및 2,710 mAh g-1의 비용량을 각각 나타내었다. 이 중 실리콘-알지네이트-카테콜 (Si-Alg-C)가 가장 높은 비용량을 보여주었으며, 이것은 실리콘 나노입자와 탄소 전도체 사이의 접촉에서의 카테콜기의 중요성을 증명한다. Through galvano electrostatic measurements in the potential region of 0.005-2.0 V (Li / Li +), charge-discharge occurred at +0.15 and +0.4 V, respectively. In addition, silicon nanoparticle cells with different binders showed significantly different specific capacities during the pre-cycling process. Silicon-Alginate-Catechol (Si-Alg-C), Silicon-Alginate (Si-Alg), Silicon-PVDF (Si-PVDF), Silicon-PAA (Si-PAA), and Silicon-CMC (Si-CMC) Represents specific capacities of 3,190, 2,640, 2,050, 2,590, and 2,710 mAh g- 1 , respectively. Among them, silicon-alginate-catechol (Si-Alg-C) showed the highest specific capacity, which proves the importance of the catechol group in the contact between the silicon nanoparticle and the carbon conductor.

실리콘-알지네이트-카테콜 (Si-Alg-C)의 경우 효과적인 접촉을 통하여 전극 내의 효율적인 전기 유도 경로가 형성되었으며, 이것은 비활성화된 실리콘의 양을 최소화시킨다.
In the case of silicon-alginate-catechol (Si-Alg-C), effective contact has created an efficient electrical induction path in the electrode, which minimizes the amount of inactivated silicon.

실험예Experimental Example 3 3

바인더의 접착특성 분석Adhesive Properties Analysis of Binder

PVDF는 약한 반데르발스 상호작용에 의하여 실리콘 산화물 표면에 결합되는 것으로 알려져 있다. 반면, CMC와 PAA는 실리콘 산화물 표면의 수산화물 기와 바인더의 카르복실산기 사이의 수소결합을 갖는 것으로 알려져 있다. 반면, 본 발명에 따른 바인더는 실리콘 나노입자 표면과의 카테콜 상호작용과 배위결합의 이중접착메커니즘을이용한다. 특히, 도 2에서의 접착테스트를 통하여 확인된 바와 같이, 단분자 스케일과 벌크스케일에서 모두 카테콜 상호작용은 다른 결합 메커니즘보다 훨씬 강함이 증명되었다. 실리콘-알지네이트-카테콜 (Si-Alg-C)의 높은 용량은 바인더에 의한 접착특성이 가지는 중요성을 명확하게 증명하며, 이로써 새로운 실리콘 바인더 설계의 중요특성이 본발명을 통하여 제공된다. PVDF is known to bind to silicon oxide surfaces by weak van der Waals interactions. CMC and PAA, on the other hand, are known to have hydrogen bonds between the hydroxide groups on the silicon oxide surface and the carboxylic acid groups of the binder. On the other hand, the binder according to the present invention utilizes a double adhesion mechanism of catechol interactions and coordination bonds with silicon nanoparticle surfaces. In particular, as confirmed by the adhesion test in FIG. 2, catechol interactions at both monomolecular scale and bulk scale proved to be much stronger than other binding mechanisms. The high dose of silicon-alginate-catechol (Si-Alg-C) clearly demonstrates the importance of the adhesive properties by the binder, thereby providing the important properties of the new silicone binder design through the present invention.

예비 싸이클링후 전기화학적 임피던스 스펙트로스코피(EIS) 측정을 수행하였다. EIS 데이터는 도 4b에 도시된다. 도 4b를 참조하면, PVDF로부터 Alg, 알지네이트-카테콜 (Alg-C)로 갈수록 계면저항이 낮아지는 것을 알 수 있다. 관찰된 계면저항 경향성은 실리콘-알지네이트-카테콜 (Si-Alg-C)의 경우 실리콘 나노입자와 탄소전도체 사이의 보다 향상된 결합특성으로 이해될 수 있으며, 아울러 낮은 계면저항으로 인하여 탄소전도체는 밀도있는 필름구조를 그대로 유지할 수 있게 한다. 따라서, 상대적으로 얇은 SEI 층이 나노입자 사이에 형성될 수 있다. 밀도있는 필름특성에도 불구하고, 전극 내의 전해질의 통과성을 감소되지 않았으며, 이것은 역시 높은 비용량으로 증명될수있다. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements were performed after preliminary cycling. EIS data is shown in FIG. 4B. Referring to FIG. 4B, it can be seen that the interfacial resistance is lowered from PVDF to Alg and alginate-catechol (Alg-C). The observed interfacial resistance tendency can be understood as the improved bonding properties between silicon nanoparticles and the carbon conductors in the case of silicon-alginate-catechol (Si-Alg-C). The film structure can be maintained as it is. Thus, a relatively thin SEI layer can be formed between nanoparticles. Despite the dense film properties, the permeability of the electrolyte in the electrode was not reduced, which can also be proved with high specific capacity.

도 4에 도시된 주사전자현미경(SEM)은 모든 기계적 및 전기화학적 결과와, 알지네이트-카테콜 (Alg-C) 바인더의 탁월한 카테콜 접착을 설명한다. The scanning electron microscope (SEM) shown in FIG. 4 illustrates all the mechanical and electrochemical results and the excellent catechol adhesion of the alginate-catechol (Alg-C) binder.

C/2 속도로 5회싸이클후, Si-PVDF의 필름안정성은 상당히 나빠졌으며, 이것은 마이크로미터 크기의 다수 크랙을 통하여 알 수 있다. 황-알지네이트-카테콜 (S-Alg-C) 및 Si-Alg 사이에서, 알지네이트-카테콜 (Alg-C) 바인더의 카테콜 효과가 표면의 나노구조 변화를 발생시키는데, 충전-방전싸이클 이전에, 두 개 시료사이에서는 매우 적은 차이가 관찰되었다(도 4c의 윗부분). 하지만, 5회 싸이클 이후, 실리콘-알지네이트-카테콜 (Si-Alg-C)가 실리콘-알지네이트(Si-Alg)에 비하여 보다적은 수의 나노미터 크랙과 완만한 표면특성을 보여준다(도 4c의 아랫부분).
After five cycles at the C / 2 rate, the film stability of the Si-PVDF is significantly worse, which can be seen in the micrometer-sized majority of cracks. Between sulfur-alginate-catechol (S-Alg-C) and Si-Alg, the catechol effect of the alginate-catechol (Alg-C) binder causes a change in the nanostructure of the surface, before the charge-discharge cycle , Very little difference was observed between the two samples (upper part of Figure 4c). However, after five cycles, silicon-alginate-catechol (Si-Alg-C) shows fewer nanometer cracks and gentle surface properties compared to silicon-alginate (Si-Alg) (bottom of Figure 4c). part).

실험예Experimental Example 4 4

싸이클수명측정Cycle life measurement

모든 종류의 전지에서 싸이클 수명(도 5)은 실리콘전극 사용에 있어서 매우 중요한 요소이므로, 본 실험예에서는 이를 실험하였다. Since the cycle life (Fig. 5) is a very important factor in the use of the silicon electrode in all kinds of batteries, this experiment was tested.

실리콘이 보다 많이 사용되는 경우(실리콘: 카본블랙: 바인더=75:17:8의무게비), 실리콘-알지네이트-카테콜 (Si-Alg-C)과 다른 카르복실산 바인더를 갖는 전지는 Si-PVDF 보다는 보다 향상된 용량 유지 특성을 보여준다. 하지만, 카테콜 및 비카테콜 바인더를 갖는 모든 전지는 5-10 싸이클 후 일정수준의 용량감소를 보였다. 이러한 용량감소는 실리콘 나노입자 밀도가 너무 높기 때문에, 이들 나노입자의 결합을 유지하기 어려우며, 많은 수의 싸이클이 진행되는 동안 안정한 SEI 층을 촉진시킬 수 없다는 사실로 설명될 수 있다. 또한, 실리콘 나노입자의 고밀도는 나노입자의 응집현상을 촉진시켜, 불가피한 미분화를 촉진시킬 수 있고, 고밀도의 실리콘나노입자는 SEI 층 상에서의 기계적 스트레스를 유도할 수 있다. 더 나아가, 기계적으로 불안정한 SEI 층은 전해질 소모를 유도하고, 무질서한 SEI 층 성장을 촉진한다. When more silicon is used (weight ratio of silicon: carbon black: binder = 75: 17: 8), a battery having silicon-alginate-catechol (Si-Alg-C) and another carboxylic acid binder is Si-PVDF. Rather, it shows better capacity retention characteristics. However, all cells with catechol and non-catechol binders showed some level of capacity reduction after 5-10 cycles. This reduction in capacity can be explained by the fact that because the silicon nanoparticle density is too high, it is difficult to maintain the bonding of these nanoparticles and cannot promote a stable SEI layer during a large number of cycles. In addition, the high density of the silicon nanoparticles may promote the aggregation phenomenon of the nanoparticles, thereby promoting unavoidable micronization, and the high density silicon nanoparticles may induce mechanical stress on the SEI layer. Furthermore, the mechanically unstable SEI layer induces electrolyte consumption and promotes disordered SEI layer growth.

따라서, 본 발명자는 싸이클링성능을 향상시키고자, 실리콘 나노입자의밀도를 낮추었다(실리콘:카본블랙:바인더 = 60:20:20의무게비). 그 결과, 싸이클링성능은 상당히 향상되었다(도 5b). 1C의 속도로 측정할때, 실리콘-알지네이트-카테콜 (Si-Alg-C) 및 실리콘-알지네이트(Si-Alg)는 200 싸이클 경과 후에도 원래 용량의 75.3%와 68%를 각각 유지하였다. 반대로, Si-PVDF는 10 싸이클 경과 후 원래 용량의 대부분을 상실하였다. 따라서, 본발명에 따른 음극은 실리콘:카본블랙:바인더무게비가 60 내지 70: 10 내지 20: 10 내지 20인 것이 바람직하다.Therefore, the present inventors lowered the density of the silicon nanoparticles in order to improve the cycling performance (silicon: carbon black: binder = weight ratio of 60:20:20). As a result, the cycling performance was significantly improved (FIG. 5B). When measured at a rate of 1 C, silicon-alginate-catechol (Si-Alg-C) and silicon-alginate (Si-Alg) maintained 75.3% and 68% of their original capacity even after 200 cycles. In contrast, Si-PVDF lost most of its original capacity after 10 cycles. Therefore, the cathode according to the present invention preferably has a silicon: carbon black: binder weight ratio of 60 to 70:10 to 20:10 to 20.

싸이클링 성능을 보다 더 심층적으로 분석하기 위하여, 본 발명자는 첨가제함유 전해질을 사용하여 실리콘-알지네이트-카테콜 (Si-Alg-C) 및 실리콘-알지네이트(Si-Alg)를 테스트하였다. 이 테스트에서 첨가제는 실리콘 전극에서 안정한 SEI 층을 형성하는 것으로 알려진 비닐렌카보네이트(VC, 5중량%)이었다. 상기 첨가제의 첨가를 통하여, 용량유지는 상당히 향상되었으며 동시에 상기 용량 또한 200 싸이클 충-방전 동안 그대로 유지되었으며, 오히려 용량이 증가되는 현상이 관찰되었다. 비용량의 이러한 점진적 증가는 싸이클 동안 리튬 삽입/추출의 향상된동역학 특성과 관련된다. To further analyze cycling performance, we tested silicon-alginate-catechol (Si-Alg-C) and silicon-alginate (Si-Alg) using an additive-containing electrolyte. The additive in this test was vinylene carbonate (VC, 5% by weight) known to form a stable SEI layer on the silicon electrode. Through the addition of the additive, the capacity maintenance was significantly improved and at the same time the capacity also remained the same during the 200 cycle charge-discharge, rather the capacity increase was observed. This gradual increase in specific capacity is associated with improved kinetics of lithium insertion / extraction during the cycle.

상술한 비용량 향상 결과는 실리콘 음극 동작에 있어서 안정한 SEI층 형성의중요성을 증명한다. 또한, 도 5b에서는 싸이클링 데이터에 대한 쿨롱효율(Coulombic efficiencies (CEs))을 나타내는데, 본 실험예에서 분석된 CE 는 장기간 전지동작에 있어서 매우 중요한 요소이다. The above specific capacity improvement results demonstrate the importance of forming a stable SEI layer in silicon cathode operation. In addition, Fig. 5b shows the coulombic efficiencies (CEs) for cycling data. The CE analyzed in this experimental example is a very important factor in long-term battery operation.

도 5b를 참조하면, 비닐렌카보네이트(VC)가 함께 사용된 본발명의 실리콘-알지네이트-카테콜 (Si-Alg-C)는 다른전지에 비하여 월등한 CE 결과를 보여준다.Referring to FIG. 5B, the silicon-alginate-catechol (Si-Alg-C) of the present invention in which vinylene carbonate (VC) is used together shows superior CE results compared to other cells.

이상의 실험결과는 바인더가 실리콘 음극 동작에 있어서, 매우 중요한 역할을 한다는 것을 증명한다. 또한, 특이한 방수접착특성을 갖는 생물-유래 바인더는실리콘 나노입자 음극의 싸이클 수명과 용량을 향상시키는데 상당히 기여할 수 있음을 알 수 있다. 게다가, 본 발명에 따른 생물-유도바인더는 싸이클중 부피가변화되는 임의의 다른 모든 종류의 전지에도 사용될 수 있다. The above experimental results demonstrate that the binder plays a very important role in the operation of the silicon cathode. In addition, it can be seen that bio-derived binders having specific waterproof adhesive properties can contribute significantly to improving cycle life and capacity of silicon nanoparticle anodes. In addition, the bio-induced binder according to the present invention can be used for any other type of cell in which the volume of the cycle changes.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들을 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
So far I looked at the center of the preferred embodiment for the present invention. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments are to be regarded in an illustrative rather than a restrictive sense, and all differences within the equivalent scope should be construed as being included in the present invention.

Claims (16)

리튬 이차전지의 전극 바인더로서, 상기 바인더는
카르복실기를 포함하는 고분자사슬; 및
상기 고분자사슬의 카르복실기에 컨쥬게이트된 카테콜기-함유 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 전극 바인더.
As an electrode binder of a lithium secondary battery, the binder
A polymer chain containing a carboxyl group; And
An electrode binder of a lithium secondary battery comprising a catechol group-containing material conjugated to a carboxyl group of the polymer chain.
제 1항에 있어서,
상기 고분자사슬은 알지네이트인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 전극 바인더.
The method of claim 1,
The polymer chain is an electrode binder of a lithium secondary battery, characterized in that the alginate.
제 2항에 있어서,
상기 카테콜기-함유 물질은 도파민인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 전극 바인더.
The method of claim 2,
The catechol group-containing material is a dopamine electrode binder, characterized in that the.
제 1항에 있어서,
상기 바인더는 하기의 구조식을 갖는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 전극 바인더.
Figure pat00003

(상기 식에서 l, k는 양의 실수 이며 0 < l,k <1 임 또한 l + k = 1)
The method of claim 1,
The binder has the following structural formula, the electrode binder of a lithium secondary battery, characterized in that.
Figure pat00003

(Where l and k are positive real numbers and 0 <l, k <1 and l + k = 1)
리튬 이차전지의 전극 바인더 제조방법으로, 상기 방법은
알지네이트 용액을 제조하는 단계;
상기 알지네이트 용액에 도파민 용액을 첨가하여 혼합액을 제조하는 단계; 및
상기 혼합액을 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 전극 바인더 제조방법.
Method of manufacturing an electrode binder of a lithium secondary battery, the method
Preparing an alginate solution;
Preparing a mixed solution by adding a dopamine solution to the alginate solution; And
Method of manufacturing an electrode binder of a lithium secondary battery comprising the step of reacting the mixed solution.
제 5항에 있어서, 상기 알지네이트 용액을 제조하는 단계는
알지네이트를 포스페이트 완충 용액에 용해시키는 단계; 및
상기 용해된 알지네이트의 카르복실기를 활성화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 전극 바인더 제조방법.
The method of claim 5, wherein preparing the alginate solution
Dissolving alginate in phosphate buffer solution; And
Method of manufacturing an electrode binder of a lithium secondary battery comprising the step of activating the carboxyl group of the dissolved alginate.
제 6항에 있어서,
상기 반응에 의하여 상기 알지테이트의 카르복실기와 상기 도파민의 카테콜기가 컨쥬게이션되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 전극 바인더 제조방법.
The method according to claim 6,
The reaction method for producing an electrode binder of a lithium secondary battery, characterized in that the carboxyl group of the algitate and the catechol group of the dopamine is conjugated by the reaction.
리튬 이차전지 음극물질로서, 상기 물질은
실리콘 물질;
카르복실기를 포함하는 고분자사슬과, 상기 고분자사슬의 카르복실기에 컨쥬게이트된 카테콜기-함유 물질을 포함하는 바인더; 및
탄소 전도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극물질.
Lithium secondary battery negative electrode material, the material is
Silicone materials;
A binder comprising a polymer chain comprising a carboxyl group and a catechol group-containing material conjugated to the carboxyl group of the polymer chain; And
Lithium secondary battery negative electrode material comprising a carbon conductor.
제 8항에 있어서,
상기 실리콘 물질은 마이크로미터 이하의 실리콘 입자인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극물질.
The method of claim 8,
The silicon material is a lithium secondary battery negative electrode material, characterized in that the silicon particles of less than micrometer.
제 9항에 있어서, 상기 음극물질에서,
상기 실리콘 나노입자: 바인더 및 탄소전도체 무게비는 60 내지 70: 10 내지 20: 10 내지 20인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극물질.
The method of claim 9, wherein in the negative electrode material,
The silicon nanoparticles: binder and carbon conductor weight ratio is 60 to 70: 10 to 20: 10 to 20, characterized in that the lithium secondary battery negative electrode material.
제 10항에 있어서,
상기 탄소전도체는 카본 블랙인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극물질.
The method of claim 10,
The carbon conductor is a lithium secondary battery negative electrode material, characterized in that the carbon black.
제 8항에 있어서,
상기 고분자사슬은 알지네이트인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극물질.
The method of claim 8,
The polymer chain is a lithium secondary battery negative electrode material, characterized in that the alginate.
제 12항에 있어서,
상기 카테콜기-함유 물질은 도파민인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극물질.
13. The method of claim 12,
The catechol group-containing material is a dopamine lithium secondary battery negative electrode material, characterized in that.
제 8항에 있어서,
상기 바인더는 하기의 구조식을 갖는 것을 특징으로 리튬 이차전지 음극물질.
Figure pat00004

(상기 식에서 l, k는 양의 실수이며 0 < l,k <1 임 또한 l + k = 1)
The method of claim 8,
The binder has the following structural formula, the lithium secondary battery negative electrode material.
Figure pat00004

(Where l and k are positive real numbers and 0 <l, k <1 and l + k = 1)
양극, 음극 및 전해질을 포함하는 리튬 이차전지로서, 상기 리튬 이차전지의 음극은 제 8항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따른 음극 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.A lithium secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte, wherein the negative electrode of the lithium secondary battery is made of a negative electrode material according to any one of claims 8 to 14. 제 15항에 있어서,
상기 전해질은 비닐렌카보네이트(VC)를 첨가제로 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
16. The method of claim 15,
The electrolyte is a lithium secondary battery comprising vinylene carbonate (VC) as an additive.
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