KR20140032835A

KR20140032835A - 표면처리된 Ｓｉ 음극활물질

Info

Publication number: KR20140032835A
Application number: KR1020120099603A
Authority: KR
Inventors: 김경훈; 김장배; 이병배
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2014-03-17
Also published as: KR101572711B1

Abstract

본 발명은 표면처리된 Si 음극활물질에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Si 나노입자를 폴리도파민으로 표면처리함으로써 Si 나노입자 음극재의 분산성을 개선하고 추가적인 표면처리 반응사이트를 제공하여 2차 표면처리를 용이하게 한, Si 음극활물질, 그 표면처리 방법, 이를 포함하는 음극재 및 리튬이차전지에 관한 것이다.

Description

표면처리된 Ｓｉ 음극활물질{SURFACE-TREATED Si NEGATIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL}

본 발명은 표면처리된 Si 음극활물질에 관한 것이다.

최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기자동차의 에너지원으로까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고, 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다. 최근에는 이러한 이차전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발이 진행되고 있다.

현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다.

일반적인 리튬이차전지의 제조방법은 양극활물질, 음극활물질을 포함하는 슬러리를 각각의 집전체에 도포한 다음 절연체인 분리막과 함께 감거나 적층하여 전극조립체를 제조 및 준비하고, 상기 전극조립체를 전지케이스에 삽입하고, 상기 전지케이스에 전해액을 주입하여 밀봉하고, 초기 충전(formation)시 발생되는 가스를 제거하기 위한 디개싱(degassing)을 수행하는 것을 포함하여 이루어진다.

한편, 리튬이차전지의 성능 향상을 위하여는 고용량을 구현할 수 있는 양극활물질 및 음극활물질을 사용하는 것이 필요하다. 이 중 음극활물질로는 흑연과 같은 탄소계 재료가 주로 사용되고 있으나, 최근에는 흑연 대비 그 용량이 매우 높은 Si 음극활물질이 특히 주목받고 있다.

그러나, 이러한 고용량의 Si 음극소재는 충방전시 극심한 부피 변화가 수반되며 이로 인해 입자의 쪼개짐이 발생하여 수명 특성이 불량하다는 단점이 있다.

이를 극복하기 위한 방안으로 나노크기의 Si 입자를 적용하여 입자의 쪼개짐을 최소화시킬 수 있지만, 이 경우 Si 나노입자 간에 응집현상이 발생하며 이로 인한 전지의 저항 증가 및 용량 감소 등의 문제가 발생한다.

이에, Si 음극활물질, 특히 Si 나노입자의 분산성을 개선하고 추가적인 표면처리를 용이하게 함으로써, 궁극적으로 이를 적용한 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 개발이 요구되는 시점이다.

한국공개특허 제10-2009-0011888호

본 발명은 상기와 같은 요구 및 종래 문제를 해결하고자 한 것으로, Si 음극활물질(상세하게는, Si 나노입자)의 분산성을 개선하고 추가적인 표면처리를 용이하게 할 수 있는 개질된 Si 음극활물질을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기한 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은 폴리도파민으로 표면코팅된 것을 특징으로 하는 Si 음극활물질(상세하게는, Si 나노입자)을 제공한다.

또한, 상기 폴리도파민으로 표면코팅된 Si 음극활물질은 친수성 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 음극활물질을 제공한다.

또한, 상기 Si 음극활물질은 폴리도파민 외의 제2 코팅물질로 2차 코팅된 것을 특징으로 하는 음극활물질을 제공한다.

또한, 상기 폴리도파민 및 제2 코팅물질은 원-포트 코팅(One-pot coating)에 의해 코팅된 것을 특징으로 하는 음극활물질을 제공한다.

또한, 상기 2차 코팅은 폴리머 그래프팅(Polymer grafting)에 의해 수행된 것을 특징으로 하는 음극활물질을 제공한다.

또한, 상기 Si 음극활물질은 카본계 전도성 물질이 코팅된 것, 또는 Si 음극활물질과 카본계 전도성 물질이 복합체를 이룬 것임을 특징으로 하는 음극활물질을 제공한다.

그리고, 본 발명은 상기 Si 음극활물질, 및 바인더(상세하게는, 수계 바인더)를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극재를 제공한다.

또한, 상기 수계 바인더는 아크릴계 바인더, 우레탄 수지 및 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 음극재를 제공한다.

아울러, 본 발명은 상기 음극재를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.

나아가, 본 발명은 Si 음극활물질과 도파민을 혼합하고, 상기 도파민의 중합반응을 통해 상기 Si 음극활물질의 표면에 폴리도파민을 코팅하는 것을 특징으로 하는 음극활물질의 표면처리 방법을 제공한다.

또한, 상기 중합반응은 pH 8 ~ 9(상세하게는, pH 8.5)의 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 음극활물질의 표면처리 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면 Si음극재를 폴리도파민으로 표면처리함으로써, Si음극재(구체적으로, Si 나노입자)의 분산성을 개선하고 추가적인 표면처리 반응사이트를 제공하여 2차 표면처리를 용이하게 할 수 있다.

또한, 본 발명의 폴리도파민 처리는 처리대상의 표면 성질과 무관하게 코팅이 가능하고, 코팅 두께의 조절이 용이하며, 그 처리공정에서 물만을 사용하는바 환경친화적이다.

또한, 본 발명에 따르면 일반적인 습식 표면처리 과정에서 관찰되는 입자 간 응집이 발생하지 않는바 처리 후 별도의 해쇄 공정이 필요 없으며, 원재료 표면을 손상시키지 않고 코팅층을 형성할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따라 Si표면에 폴리도파민 코팅층이 형성된 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 폴리도파민 표면처리 및 2차 표면처리를 예시한 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 폴리도파민 표면처리 및 시간에 따른 코팅 두께를 예시한 개략도이다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

표면처리된 Si 음극활물질 및 그 표면처리 방법

본 발명의 음극활물질은 Si 음극활물질로서, 그 표면이 폴리도파민(Polydopamine)으로 코팅된 것이다.

Si 음극활물질은 흑연의 5배 이상에 이르는 g당 용량을 발현하는 재료이지만, 충방전시 리튬이온의 삽입, 탈리에 따른 수축, 팽창에 의하여 극심한 부피 변화가 일어나고 이로 인해 입자가 쪼개지거나 구조가 파괴되는 등 수명 특성이 열악한 단점이 있다.

이러한 Si 음극활물질의 내구성을 강화하기 위하여 그 입자크기를 나노화시킴으로써 입자의 쪼개짐을 최소화시킬 수 있지만, 이 경우 나노입자 간에 응집현상이 발생하여 표면 반응기의 수가 감소하는바 소정의 특성을 부여하기 위해 실시하는 입자의 표면처리가 어려워진다.

이에, 본 발명에서는 Si 음극활물질의 특성을 개량하기 위한 목적 하에, 그 표면을 폴리도파민으로 코팅처리함으로써, 분산성을 개선하고 추가적인 표면처리를 용이하게 하여 이를 적용한 음극 및 전지의 성능을 향상시킨 개질된 Si 음극활물질을 제공한다. 상기 폴리도파민은 홍합접착제를 모방한 무독성의 화학성분으로서, 도파민(하기 화학식)을 모노머로 하여 중합된 고분자를 의미한다.

<도파민>

구체적으로, 상기 Si 음극활물질은 나노크기의 Si입자일 수 있다.

일 구체예에서, 폴리도파민으로 표면코팅(표면개질)된 본 발명의 Si 음극활물질(예컨대, Si 나노입자)의 표면은 친수성을 나타낸다(도 1 참조). 이로 인해, 전극 제조시(특히, 수계 전극 제조시) 그 분산성이 크게 향상되어 입자간의 응집을 효율적으로 최소화시킬 수 있다.

또한, 상기 Si 음극활물질은 카본계 전도성 물질이 코팅된 것, 또는 Si 음극활물질과 카본계 전도성 물질이 복합체를 이룬 것일 수 있다. Si 음극활물질 단독으로는 도전성이 부족할 수 있는바, 이를 보완하기 위해 폴리도파민으로 표면개질하기 전에 도전성이 우수한 물질로 Si 음극활물질을 코팅하거나, 이와 복합체를 형성시키는 것이다.

상기 카본계 전도성 물질로는 리튬이차전지의 내부 환경에서 부반응을 유발하지 않고 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 우수한 전기전도성을 갖는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 뎅카 블랙, 써멀 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 결정구조가 그라펜이나 그라파이트인 탄소계 물질 등을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 음극활물질은 폴리도파민 코팅 후 추가적인 표면처리(표면개질)가 가능한 것이다. 즉 Si 음극활물질을 폴리도파민으로 표면개질하면 추가적인 표면처리 반응사이트가 제공되는바, 폴리도파민 외의 제2 코팅물질로 용이하게 2차 코팅을 수행할 수 있다.

또한, 폴리도파민 코팅은 어떤 표면이든 원재료의 표면을 손상시키지 않고 코팅층을 형성할 수 있는 특성이 있는바, 추가적인 표면처리를 더욱 용이하게 수행할 수 있다(도 2 참조).

폴리도파민 코팅에 이은 추가적인 표면처리에 사용가능한 2차 코팅의 목적 및 구체적인 코팅방법은 특별히 한정되지 아니한다.

일 구체예에서, 상기 폴리도파민 및 제2 코팅물질은 원-포트 코팅(One-pot coating)에 의해 코팅된 것일 수 있다. 즉 폴리도파민은 원-포트 코팅의 방법을 통해 원하는 성질을 갖는 다른 물질(작용기)과 함께 음극활물질에 코팅될 수 있으며, 그로부터 2차 표면개질이 가능해진다.

여기서, 원-포트 코팅(또는 원-포트 반응)이란 2 단계 이상의 반응과정에 의해 목표 화합물을 합성하는 경우, 도중 각 단계의 생성물(중간 생성물)을 단리 정제함이 없이 하나의 반응 용기 속에서 다음 단계의 반응물을 가하여 반응시키는 방법을 계속적으로 하여 목표 화합물을 얻는 합성조작을 의미한다. 원-포트 코팅은 중간 생성물의 단리 정제에 따른 물질의 손실을 피할 수 있으므로 부산물이 다음 단계의 반응을 방해하지 않는 한, 하나하나 중간 생성물을 단리 정제하여 다음 단계로 진행하는 방법에 비해 모든 수율을 향상시킬 수 있다.

다른 구체예에서, 상기 2차 코팅은 폴리머 그래프팅(Polymer grafting)에 의해 수행된 것일 수 있다. 즉 이미 음극활물질 표면에 형성된 선상의 폴리도파민에 다른 종류의 고분자를 가지 상태로 공중합시킴으로써 2차 표면개질을 수행할 수 있다.

폴리도파민으로 Si 나노입자와 같은 Si 음극활물질의 표면을 코팅하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 일 구체예로, Si 음극활물질과 도파민을 혼합하고, 상기 도파민의 중합반응을 통해 상기 Si 음극활물질의 표면에 폴리도파민을 코팅할 수 있다(도 3 참조). 여기서, 도파민의 중합반응은 pH 8 ~ 9의 분위기, 더욱 상세하게는 pH 8.5의 분위기에서 수행될 수 있다.

음극재

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기한 바와 같은 본 발명의 Si 음극활물질, 및 바인더를 포함하는 음극재가 제공된다.

바인더는 활물질과 도전재 등의 결합 및 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드-폴리헥사플루오로프로필렌 공중합체(PVdF/HFP), 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알코올, 폴리비닐에테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌옥사이드, 알킬화 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌, 폴리메틸(메트)아크릴레이트, 폴리에틸(메트)아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리비닐피롤리돈, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM) 고무, 술폰화 EPDM 고무, 스틸렌-부틸렌 고무, 불소 고무, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 표면개질된 Si 음극활물질은 비수계 바인더 및 수계 바인더 모두에 적용될 수 있으며, 바인더의 종류에 특별한 제한이 있는 것은 아니다.

일 구체예로, 본 발명의 표면개질된 Si 음극활물질은 수계 바인더에 적용할 수 있다. 폴리도파민으로 표면코팅된 본 발명의 Si 음극활물질(예컨대, Si 나노입자)의 표면은 친수성을 나타내는바, 수계 전극 제조시 그 분산성이 크게 향상되어 입자 간의 응집 발생을 최소화시킬 수 있다.

또한, 상기 수계 바인더는 용제계(비수계) 바인더와 달리 경제적, 친환경적이고, 작업자의 건강에도 무해한 장점이 있으며, 용제계 바인더에 비하여 결착효과가 크므로 동일체적당 활물질의 비율을 높일 수 있어 고용량화를 가능케 한다.

상기 수계 바인더로는 아크릴계 바인더를 포함하여 당분야에서 통상적으로 사용되는 것들을 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 아크릴계 바인더, 우레탄 수지 및 스티렌-부타디엔 고무(Styrene-Butadiene Rubber; SBR) 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 일 구체예로는, SBR을 사용할 수 있다.

수계 바인더를 사용할 경우, 본 발명의 음극재는 셀룰로오스계 분산제를 추가로 포함할 수 있다. 수계 바인더, 특히 SBR은 물에 서스펜션(suspension)하여 미립자가 분산된 형태로 제조되는데, 제조시에 슬러리의 점도가 매우 낮아서 혼합과 코팅의 진행이 원활하기 않을 수 있어, 셀룰로오스계 분산제(또는 증점제)를 추가로 투입하는 것이 바람직하다. 상기 셀룰로오스계 분산제로는 카르복시 메틸 셀룰로오스(CMC), 하이드록시 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 셀룰로오스 및 하이드록시 프로필 셀룰로오스로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

바인더는 통상적으로 활물질을 포함한 음극재 전체 중량 100 중량부를 기준으로 1 ~ 50 중량부, 더욱 상세하게는 3 ~ 15 중량부 첨가된다. 바인더의 함량이 1 중량부 미만이면 활물질과 집전체와의 접착력이 불충분해질 수 있으며, 50 중량부를 초과하면 접착력은 향상되지만 그만큼 활물질의 함량이 감소하여 전지 용량이 낮아질 수 있다.

본 발명의 음극재에는 전기전도성 향상을 위해 도전재가 더 포함될 수 있다.

도전재는 리튬이차전지의 내부 환경에서 부반응을 유발하지 않고 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 우수한 전기전도성을 갖는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 대표적으로는 흑연 또는 도전성 탄소를 사용할 수 있다.

예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 뎅카 블랙, 써멀 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 결정구조가 그라펜이나 그라파이트인 탄소계 물질; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화 아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 및 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 고분자;를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

도전재는 통상적으로 활물질을 포함한 음극재 전체 중량 100 중량부를 기준으로 0.5 ~ 50 중량부, 상세하게는 1 ~ 15 중량부, 더욱 상세하게는 3 ~ 10 중량부 첨가된다. 도전재의 함량이 0.5 중량부 미만으로 너무 적으면 전기전도성 향상 효과를 기대하기 어렵거나 전지의 전기화학적 특성이 저하될 수 있으며, 도전재의 함량이 50 중량부를 초과하여 너무 많으면 상대적으로 활물질의 양이 적어져 용량 및 에너지 밀도가 저하될 수 있다.

본 발명의 음극재에는 전극의 팽창을 억제하는 성분으로서 충진제가 선택적으로 첨가될 수 있다.

충진제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전극의 팽창을 억제할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소 섬유 등의 섬유상 물질; 등을 사용할 수 있다.

리튬이차전지

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기한 바와 같은 본 발명의 음극재를 포함하는 리튬이차전지가 제공된다.

본 발명의 리튬이차전지는 양극, 및 폴리도파민으로 표면코팅된 Si 음극활물질을 포함하는 음극을 구비하는 것이다.

일반적으로 리튬이차전지는 양극재와 집전체로 구성된 양극, 음극재와 집전체로 구성된 음극, 및 상기 양극과 음극 간의 전기적 접촉을 차단하고 리튬이온을 이동케하는 분리막으로 구성되며, 전극과 분리막 재료의 void에는 리튬이온의 전도를 위한 전해액이 포함되어 있다.

상기 양극 및 음극은 당분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 예를 들어, 1종 이상의 활물질, 도전재, 바인더, (필요에 따라) 충진제 등을 분산매(용매)에 분산, 혼합시켜 슬러리를 만들고 이를 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 양극 및 음극을 제조할 수 있다.

상기 분산매로는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone), DMF(dimethyl formamide), DMSO(dimethyl sulfoxide), 에탄올, 이소프로판올, 물, 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 집전체로는 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 카본(C), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), ITO(In doped SnO₂), FTO(F doped SnO₂), 및 이들의 합금과, 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 스테인리스스틸의 표면에 카본(C), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 또는 은(Ag)을 표면 처리한 것 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상세하게는, 양극 집전체로는 알루미늄을, 음극 집전체로는 구리를 사용한다. 집전체의 형태는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포체 등의 형태일 수 있다.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되어 이들 사이의 단락을 방지하고 리튬이온의 이동 통로를 제공하는 역할을 한다.

분리막으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 올레핀계 폴리머, 유리섬유 등을 시트, 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포 등의 형태로 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질(예컨대, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등)이 사용되는 경우에는 상기 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 상세하게는, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막을 사용한다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10㎛, 두께는 일반적으로 5 ~ 300㎛ 범위일 수 있다.

또한, 분리막으로서 무기물 입자, 바인더 고분자 및 용매를 포함하는 슬러리로부터 제조되어 안전성이 크게 강화된 유/무기 복합 다공성 분리막을 사용할 수 있다.

상기 전해액으로는 비수계 전해액(비수계 유기 용매)으로서 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤을 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 감마-부틸로락톤, n-메틸 아세테이트, n-에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 인산 트리에스테르, 디부틸 에테르, N-메틸-2-피롤리디논, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란과 같은 테트라하이드로푸란 유도체, 디메틸설폭시드, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런 및 그 유도체, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산 메틸, 트리메톡시 메탄, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기 용매가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 전해액에는 리튬염을 더 첨가하여 사용할 수 있으며(이른바, 리튬염 함유 비수계 전해액), 상기 리튬염으로는 비수계 전해액에 용해되기 좋은 공지의 것, 예를 들어 LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiPF₃(CF₂CF₃)_3,LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, CF₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 (비수계) 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, 에틸렌글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위해 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온보존 특성을 향상시키기 위해 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.

본 발명의 리튬이차전지는 당분야의 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 예를 들어, 각각 준비된 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막을 넣고, 비수 전해액을 투입함으로써 제조할 수 있다.

본 발명의 리튬이차전지는 폴리도파민 표면코팅에 의해 분산성이 크게 개선되고 추가적인 표면처리에 적합하게 개질된 Si 음극활물질을 사용하는바, 종래의 개질되지 않은 Si 음극활물질을 사용하는 경우 대비 전지의 성능이 크게 향상된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

폴리도파민으로 표면코팅된 것을 특징으로 하는 Si 음극활물질.
제1항에 있어서,
상기 Si 음극활물질은 Si나노입자인 것을 특징으로 하는 음극활물질.
제1항에 있어서,
상기 폴리도파민으로 표면코팅된 Si 음극활물질은 친수성 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 음극활물질.
제1항에 있어서,
상기 Si 음극활물질은 폴리도파민 외의 제2 코팅물질로 2차 코팅된 것을 특징으로 하는 음극활물질.
제4항에 있어서,
상기 폴리도파민 및 제2 코팅물질은 원-포트 코팅(One-pot coating)에 의해 코팅된 것을 특징으로 하는 음극활물질.
제4항에 있어서,
상기 2차 코팅은 폴리머 그래프팅(Polymer grafting)에 의해 수행된 것을 특징으로 하는 음극활물질.
제1항에 있어서,
상기 Si 음극활물질은 카본계 전도성 물질이 코팅된 것, 또는 Si 음극활물질과 카본계 전도성 물질이 복합체를 이룬 것임을 특징으로 하는 음극활물질.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 Si 음극활물질, 및 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극재.
제8항에 있어서,
상기 바인더는 수계 바인더인 것을 특징으로 하는 음극재.
제9항에 있어서,
상기 수계 바인더는 아크릴계 바인더, 우레탄 수지 및 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 음극재.
제8항에 따른 음극재를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
Si 음극활물질과 도파민을 혼합하고, 상기 도파민의 중합반응을 통해 상기 Si 음극활물질의 표면에 폴리도파민을 코팅하는 것을 특징으로 하는 음극활물질의 표면처리 방법.
제12항에 있어서,
상기 중합반응은 pH 8 ~ 9의 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 음극활물질의 표면처리 방법.
제13항에 있어서,
상기 중합반응은 pH 8.5의 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 음극활물질의 표면처리 방법.