KR20150005084A - 도전성이 개선된 양극 합제, 그를 구비하는 양극 및 전기화학소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도전성이 개선된 양극 합제, 그를 구비하는 양극 및 전기화학소자에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물을 포함하는 양극 합제로서, 상기 리튬 망간계 산화물은, 2.5 내지 3.5 V로의 방전과정에서, 입자의 표면부터 중심 방향으로 결정구조가 입방정계(cubic) 구조에서 정방정계(tetragonal) 구조로 상전이되어 코어-쉘 구조를 가지며, 상기 방전과정에서 상전이로 인해 형성되는 정방정계 구조의 쉘 부의 표면에 형성된 도전재, 고분자 바인더 및 도전성 고분자를 더 포함하는 양극 합제, 그를 포함하는 양극 및 전기화학소자에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물에서, 정방정계의 구조로 존재하는 쉘 부의 표면에 도전성 고분자가 위치하여, 전기전도도를 향상시킴으로써 3 V 영역에서의 반응의 참여도를 높이고, 도전경로를 제공하여 전기화학소자의 용량과 수명특성 및 율특성을 개선할 수 있다.

Description

도전성이 개선된 양극 합제, 그를 구비하는 양극 및 전기화학소자{Cathode material improved conductivity, cathode and electrochemical device including the same}
본 발명은 도전성이 개선된 양극 합제, 그를 구비하는 양극 및 전기화학소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전기전도도를 향상시킴으로써 3 V 영역에서의 반응의 참여도를 높이고 도전경로를 제공하여 전기화학소자의 용량과 수명특성 및 율특성을 개선시킨 양극 합제, 그를 구비하는 양극 및 전기화학소자에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC 등 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전기화학소자의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 전기화학소자 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 최근 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석 연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로는 주로 니켈수소 금속 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 상용화 단계에 있다.
이러한 리튬 이차전지의 양극 활물질로는 탄소재료가 주로 사용되고 있고, 리튬 금속, 황 화합물 등의 사용도 고려되고 있다. 또한, 양극 활물질로는 주로 리튬 함유 코발트 산화물(LiCoO2)이 사용되고 있고, 그 외에 층상 결정구조의 LiMnO2, 스피넬 결정구조의 LiMn2O4 등의 리튬 함유 망간 산화물과, 리튬 함유 니켈 산화물(LiNiO2)의 사용도 고려되고 있다.
상기 양극 활물질들 중 LiCoO2는 수명 특성 및 충방전 효율이 우수하여 가장 많이 사용되고 있지만, 구조적 안정성이 떨어지고, 원료로서 사용되는 코발트의 자원적 한계로 인해 고가이므로 가격 경쟁력에 한계가 있다는 단점을 가지고 있어서 전기자동차 등과 같은 분야의 동력원으로 대량 사용함에는 한계가 있다.
LiNiO2계 양극 활물질은 비교적 값이 싸고 높은 방전용량의 특성을 나타내고 있으나, 충방전 사이클에 동반하는 체적 변화에 따라 결정구조의 급격한 상전이가 나타나고, 공기와 습기에 노출되었을 때 안전성이 급격히 저하되는 문제점이 있다.
또한, LiMnO2, LiMn2O4 등의 리튬 망간 산화물은 열적 안전성이 우수하고 가격이 저렴하다는 장점이 있지만, 용량이 작고, 사이클 특성이 나쁘며, 고온 특성이 열악하다는 문제점이 있다.
이러한 리튬 망간 산화물 중에서 스피넬계 LiMn2O4의 경우, 4 V 영역(3.7 내지 4.3 V)과 3 V 영역(2.5 내지 3.5 V)에서 비교적 평탄한 전위를 나타내며, 이론적으로 각각 120 mAh/g 정도의 용량을 갖는다. 그러나, 3 V 영역에서는 사이클 및 저장 특성이 매우 떨어져서, 그 활용이 어려운 것으로 알려져 있다. 그 원인으로는 Jahn-Teller distortion의 상전이 현상에 의해 4 V 영역에서 입방정계상(cubic phase)의 단일상으로 존재하다가, 3 V 영역에서는 입방정계상과 정방정계상(tetragonal phase)의 복합상(two-phase)으로 변화되는 현상과, 망간의 전해액으로의 용출 현상 등을 들 수 있다. 특히 부피의 수축, 팽창으로 인한 도전재 및 고분자 바인더의 집전체와의 단락이 문제될 수 있다.
이러한 이유로 인해, 스피넬계 리튬 망간 산화물의 3 V 영역 활용시, 일반적으로는 실제 용량이 이론 용량보다 낮은 편이며, C-rate 특성도 낮은 편이다.
따라서, 스피넬계 리튬 망간 산화물의 3 V 영역의 활용에 대한 연구는 그 해결이 매우 어려운 것으로 알려져 있으며, 그 중 일부 연구는 각각 정방정계상(tetragonal phase)의 형성 및 S-도핑(doping)에 의한 효과에 의해 3 V 영역에서 사이클 특성이 향상되었다고 보고하고 있으나, 그 효과가 미미하거나 향상 원인에 대하여 확실한 이유를 밝혀내지 못하였다.
따라서, 3 V 영역에서 용량 특성 및 우수한 수명 특성을 발휘하는 스피넬계 리튬 망간 산화물에 대한 필요성이 높은 실정이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 2.5 내지 3.5 V로의 방전 과정에서, 입자의 표면부터 중심 방향으로 결정구조가 변화되는 코어-쉘 상전이 현상을 나타내는 특성을 확인하여, 쉘 부의 정방정계 구조의 전기전도도의 향상을 위해 상기 쉘 부의 표면에 형성된 도전성 고분자를 더 포함함으로써 우수한 용량 및 수명 특성을 발휘하는 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물을 포함하는 양극 합제, 그를 포함하는 양극 및 전기화학소자를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물을 포함하는 양극 합제로서, 상기 리튬 망간계 산화물은, 2.5 내지 3.5 V로의 방전과정에서, 입자의 표면부터 중심 방향으로 결정구조가 입방정계(cubic) 구조에서 정방정계(tetragonal) 구조로 상전이되어 코어-쉘 구조를 가지며, 상기 방전과정에서 상전이로 인해 형성되는 정방정계 구조의 쉘 부의 표면에 형성된 도전재, 고분자 바인더 및 도전성 고분자를 더 포함하는 양극 합제가 제공된다.
여기서, 상기 리튬 망간계 산화물은, 하기 화학식 1의 조성을 갖는 것일 수 있다.
[화학식 1]
Li1 + xMyMn2 -x- yO4 - zQz
상기 화학식 1에서, 0≤x≤0.3, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 이고, M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr,Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소이며, Q는 N, F, S 및 Cl로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소이다.
그리고, 상기 도전성 고분자는, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
그리고 상기 폴리티오펜은, 폴리(3,4-에틸렌디옥시)티오펜일 수 있다.
그리고, 상기 도전재는, 흑연, 탄소섬유, 카본블랙, 아세틸렌블랙, 케트젠블랙 및 카본나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
그리고, 상기 고분자 바인더는, 폴리비닐리덴 풀루오라이드 (polyvinylidene fluoride, PVDF), 헥사풀루오로프로필렌 (hexafluoro propylene, HFP), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoro propylene), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸 메타크릴레이트 (polymethyl methacrylate), 폴리부틸아크릴레이트 (polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드 (polyethylene oxide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 (cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란 (cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란 (pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose), 아크릴로니트릴스티렌부타디엔 공중합체 (acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer) 및 폴리이미드 (polyimide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
그리고, 상기 양극 합제는, 상기 리튬 망간계 산화물 85 내지 95 중량%, 상기 도전재 1 내지 7 중량%, 상기 고분자 바인더 1 내지 7 중량% 및 도전성 고분자 0.5 내지 1.5 중량%를 포함하는 것일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 집전체 및 상기 집전체 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하는 양극으로서, 상기 양극 활물질층은, 본 발명에 따른 양극 합제를 구비하는 양극이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 세퍼레이터 및 비수 전해액을 포함하는 전기화학소자에 있어서, 상기 양극은, 본 발명의 양극인 전기화학소자가 제공된다.
여기서, 상기 전기화학소자는, 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물에서, 정방정계의 구조로 존재하는 쉘 부의 표면에 형성된 도전성 고분자를 더 포함하여, 전기전도도를 향상시킴으로써 3 V 영역에서의 반응의 참여도를 높이고, 도전경로를 제공하여 전기화학소자의 용량과 수명특성 및 율특성을 개선할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 코인형 반쪽 전지의 레이트 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따른 양극 합제는, 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물을 포함하는 양극 합제로서, 상기 리튬 망간계 산화물은, 2.5 내지 3.5 V로의 방전과정에서, 입자의 표면부터 중심 방향으로 결정구조가 입방정계(cubic) 구조에서 정방정계(tetragonal) 구조로 상전이되어 코어-쉘 구조를 가지며, 상기 방전과정에서 상전이로 인해 형성되는 정방정계 구조의 쉘 부의 표면에 형성된 도전재, 고분자 바인더 및 도전성 고분자를 더 포함한다.
일반적인 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물은 4 V 영역(3.7 내지 4.3 V)에서 입방정계(cubic) 구조의 단일상으로 존재하다가, 3 V 영역(2.5 내지 3.5 V)에서 Mn3+가 과량 존재하여 Jahn-Teller distortion 효과에 의해 입방정계(cubic) 구조에서 정방정계(tetragonal)구조로 상전이되는 코어-쉘 상전이 현상이 발생하면서, 충방전 특성이 크게 감소하게 된다. 예를 들어, 동일한 조건으로 전기화학소자를 제조하였을 때, 4 V 영역에서의 실제 용량은, 이론 용량에 근접하지만(이론 용량은 3 V 영역과 4 V 영역 모두에서 약 120 mAh/g 임), 3 V 영역에서의 일반적인 실제 용량(약 90 mAh/g)은 이론 용량에 크게 미치지 못한다.
이는, 상기 코어-쉘 상전이를 통해 결과적으로, 코어 부의 입방정계 구조의 리튬 망간계 산화물이, 전기전도도가 낮은 쉘 부의 정방정계 구조의 리튬 망간계 산화물에 둘러싸여, 반응에 참여할 수 없거나 또는 저율방전 시에는 반응에 참여하더라도 고율방전 시에는 반응에 참여하지 못하게 됨으로써 율특성 저하로 이어져, 용량이 감소될 수 있다.
하지만 본 발명에서는, 상기 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물의 쉘 부의 표면에 형성된 도전성 고분자를 더 포함하여, 쉘 부에 존재하는 정방정계 구조의 전기전도도를 향상시킴으로써 3 V 영역에서의 반응의 참여도를 높이고, 도전경로를 제공하여 전기화학소자의 용량과 수명특성 및 율특성을 개선할 수 있다.
여기서, 상기 리튬 망간계 산화물은, 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.
[화학식 1]
Li1 + xMyMn2 -x- yO4 - zQz
상기 화학식 1에서, 0≤x≤0.3, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 이고, M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr,Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소이며, Q는 N, F, S 및 Cl로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소이다. 참고로, z와 y는 M과 Q의 산화수 상태에 따라 달라질 수 있으며, 이는 상기 화학식 1에서 쉽게 계산될 수 있다.
일반적으로 리튬 망간계 산화물은 다수의 1차 입자들이 응집된 2차 입자의 구조로 이루어져 있다. 상기 코어-쉘 구조의 상전이 현상은 1차 입자 자체에서 일어날 수도 있고, 1차 입자들이 응집된 2차 입자에서 외주면(쉘 부)의 1차 입자들이 정방정계 구조로 상전이하고, 코어 부의 1차 입자들은 입방정계 구조로 유지되는 형태일 수 있다.
한편, 상기 도전성 고분자는, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 여기서, 상기 폴리티오펜은, 폴리(3,4-에틸렌디옥시)티오펜일 수 있다.
그리고, 상기 도전재는, 전기화학소자에서 화학변화를 일으키지 않는 전자 전도성 물질이면 특별한 제한이 없다. 일반적으로 카본블랙(carbon black), 흑연, 탄소섬유, 카본나노튜브, 금속분말, 도전성 금속산화물 등을 사용할 수 있고, 현재 도전재로 시판되고 있는 상품으로는 아세틸렌 블랙계열 (쉐브론 케미컬 컴퍼니(Chevron Chemical Company) 또는 걸프 오일 컴퍼니 (Gulf Oil Company) 제품 등), 케트젠블랙 (Ketjen Black) EC 계열(아르막 컴퍼니 (Armak Company) 제품), 불칸 (Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼 P (엠엠엠(MMM)사 제품)등이 있다.
그리고, 상기 고분자 바인더는, 폴리비닐리덴 풀루오라이드 (polyvinylidene fluoride, PVDF), 헥사풀루오로프로필렌 (hexafluoro propylene, HFP), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoro propylene), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸 메타크릴레이트 (polymethyl methacrylate), 폴리부틸아크릴레이트 (polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드 (polyethylene oxide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 (cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란 (cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란 (pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose), 아크릴로니트릴스티렌부타디엔 공중합체 (acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer) 및 폴리이미드 (polyimide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
한편, 상기 양극 합제는, 상기 리튬 망간계 산화물 85 내지 95 중량%, 상기 도전재 1 내지 7 중량%, 상기 고분자 바인더 1 내지 7 중량% 및 도전성 고분자 0.5 내지 1.5 중량%를 포함하는 것일 수 있다.
상기 수치범위를 만족함으로써, 양극 활물질층에서의 상기 리튬 망간계 산화물의 양이 충분히 확보되어, 전기화학소자의 용량이 작아지는 것을 방지할 수 있고, 정방정계 구조로 상전이된 리튬 망간계 산화물의 쉘 부에서의 전기전도도를 향상시켜 전기화학소자의 용량과 수명특성을 향상시킬 수 있다.
특히, 상기 도전성 고분자의 함량이 1.5 중량%를 초과하게 되면 상기 양극 합제의 겔화가 발생하여 양극 합제의 코팅시 문제가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 양극은, 집전체 및 상기 집전체 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하는 양극으로서, 상기 양극 활물질층은, 본 발명에 따른 양극 합제를 구비한다.
상기 양극에 사용되는 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 상기 양극 합제가 용이하게 접착할 수 있고, 전기화학소자의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 구체적으로 양극용 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다. 또한, 상기 집전체는 상기 물질들로 이루어진 기재들을 적층하여 사용할 수도 있다.
상기 양극은, 본 발명의 양극 합제와 고비점 용제를 이용해 혼련하여 양극 합제 슬러리로 한 후, 이 양극 합제 슬러리를 집전체에 도포하여, 건조, 가압 성형한 후, 50 내지 250 ℃ 정도의 온도로 2시간 정도 진공 하에서 가열 처리함으로써 제조될 수 있다.
또한, 상기 양극 활물질층의 두께(집전체 한 면당)는 30 내지 120 ㎛, 또는 50 내지 100 ㎛일 수 있다. 상기 양극 활물질층이 이러한 두께 범위를 만족하는 경우, 양극 활물질층에서의 활물질량이 충분히 확보되어, 전기화학소자의 용량이 작아지는 것을 방지할 수 있고, 사이클 특성이나 레이트 특성이 개선될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전기화학소자는, 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 세퍼레이터 및 비수 전해액을 포함하며, 상기 양극은 본 발명의 양극이다.
이때, 상기 전기화학소자는, 전기 화학 반응을 하는 모든 소자를 포함하며, 구체적인 예를 들면, 모든 종류의 이차전지, 연료전지, 태양전지 또는 슈퍼 커패시터 소자와 같은 커패시터(capacitor) 등이 있다. 특히, 상기 이차전지 중 리튬 금속 이차전지, 리튬이온 이차전지, 리튬 폴리머 이차전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차전지 등을 포함하는 리튬 이차전지가 바람직하다.
그리고, 본 발명에 따른 전기화학소자는, 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 세퍼레이터와 전극의 스택(stack, lamination), 폴딩(folding) 및 스택/폴딩 공정이 가능하다.
그리고, 전기화학소자의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.
여기서, 상기 음극은, 집전체 및 상기 집전체 상에 형성된 음극 활물질층을 포함할 수 있으며, 상기 음극에 사용되는 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 상기 음극 활물질층이 용이하게 접착할 수 있고, 전기화학소자의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 구체적으로 음극용 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다. 또한, 상기 집전체는 상기 물질들로 이루어진 기재들을 적층하여 사용할 수도 있다.
이때, 상기 음극 활물질로는 통상적으로 리튬 이온이 흡장 및 방출될 수 있는 리튬 금속, 탄소재, 금속 화합물 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
구체적으로 상기 탄소재로는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소(hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(meso-carbon microbeads), 액정피치(Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.
그리고, 상기 금속 화합물로는 Si, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Bi, Al, Ga, In, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Mg, Sr, Ba 등의 금속 원소를 1종 이상 함유하는 화합물을 들 수 있다. 이들 금속 화합물은 단체, 합금, 산화물(TiO2, SnO2 등), 질화물, 황화물, 붕화물, 리튬과의 합금 등, 어떤 형태로도 사용할 수 있지만, 단체, 합금, 산화물, 리튬과의 합금은 고용량화될 수 있다. 그 중에서도, Si, Ge 및 Sn으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유할 수 있고, Si 및 Sn으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 것이 전기화학소자를 더 고용량화할 수 있다.
상기 음극은, 음극 활물질, 도전재, 고분자 바인더, 고비점 용제를 이용해 혼련하여 음극 합제 슬러리로 한 후, 이 음극 합제 슬러리를 집전체에 도포하여, 건조, 가압 성형한 후, 50 내지 250 ℃ 정도의 온도로 2시간 정도 진공 하에서 가열 처리함으로써 제조될 수 있다.
또한, 상기 음극 활물질층의 두께는 1 내지 100 ㎛, 또는 3 내지 70 ㎛일 수 있다. 상기 음극 활물질층이 이러한 두께 범위를 만족하는 경우, 음극 활물질층에서의 활물질량이 충분히 확보되어, 전기화학소자의 용량이 작아지는 것을 방지할 수 있고, 사이클 특성이나 레이트 특성이 개선될 수 있다.
여기서, 상기 도전재 및 고분자 바인더는 양극에 사용되는 전술한 물질들이 사용될 수 있다.
한편, 상기 세퍼레이터는, 전기화학소자에 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.
상기 부직포로는 폴리올레핀계 부직포 외에 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르 (polyester), 폴리아세탈 (polyacetal), 폴리아미드 (polyamide), 폴리카보네이트 (polycarbonate), 폴리이미드 (polyimide), 폴리에테르에테르케톤 (polyetheretherketone), 폴리에테르설폰 (polyethersulfone), 폴리페닐렌 옥사이드 (polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌 설파이드 (polyphenylenesulfide), 폴리에틸렌 나프탈렌 (polyethylenenaphthalene) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포를 들 수 있다. 부직포의 구조는 장섬유로 구성된 스폰본드 부직포 또는 멜트 블로운 부직포일 수 있다.
상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 5 내지 50 ㎛일 수 있고, 다공성 기재에 존재하는 기공 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.01 내지 50 ㎛ 및 10 내지 95 %일 수 있다.
한편, 상기 다공성 기재로 구성된 세퍼레이터의 기계적 강도 향상 및 양극과 음극 사이의 단락 억제를 위해, 상기 다공성 기재의 적어도 일면에, 무기물 입자 및 고분자 바인더를 구비하는 다공성 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 다공성 코팅층에서는 고분자 바인더가 무기물 입자들이 서로 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 서로 부착(즉, 고분자 바인더가 무기물 입자 사이를 연결 및 고정)시키고 있으며, 또한 다공성 코팅층은 고분자 바인더에 의해 다공성 기재와 결착된 상태를 유지한다. 다공성 코팅층의 무기물 입자들은 실질적으로 서로 접촉한 상태로 최밀 충전된 구조로 존재하며, 무기물 입자들이 접촉된 상태에서 생기는 틈새 공간(interstitial volume)이 다공성 코팅층의 기공이 된다.
이때, 사용되는 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 상기 무기물 입자는 적용되는 전기화학소자의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는 경우 전기화학소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있다.
또한, 무기물 입자로서 유전율이 높은 무기물 입자를 사용하는 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
전술한 이유들로 인해, 상기 무기물 입자는 유전율 상수가 5 이상, 또는 10 이상인 고유전율 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자의 비제한적인 예로는 BaTiO3, Pb(ZrxTi1 -x)O3 (PZT, 여기서 0 < x < 1), Pb1 - xLaxZr1 - yTiyO3 (PLZT, 여기서, 0 < x < 1, 0 < y < 1임), (1-x)Pb(Mg1 /3Nb2 /3)O3-xPbTiO3 (PMN-PT, 여기서 0 < x < 1), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, SiC, TiO2 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
특히, 전술한 BaTiO3, Pb(ZrxTi1 -x)O3 (PZT, 여기서 0 < x < 1), Pb1 - xLaxZr1 -yTiyO3 (PLZT, 여기서, 0 < x < 1, 0 < y < 1임), (1-x)Pb(Mg1 /3Nb2 /3)O3 - xPbTiO3 (PMN-PT, 여기서 0 < x < 1), 하프니아(HfO2)와 같은 무기물 입자들은 유전율 상수 100 이상인 고유전율 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 일정 압력을 인가하여 인장 또는 압축되는 경우 전하가 발생하여 양쪽 면 간에 전위차가 발생하는 압전성(piezoelectricity)을 가짐으로써, 외부 충격에 의한 양(兩) 전극의 내부 단락 발생을 방지하여 전기화학소자의 안전성 향상을 도모할 수 있다. 또한, 전술한 고유전율 무기물 입자와 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자들을 혼용할 경우 이들의 상승 효과는 배가될 수 있다.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 리튬 원소를 함유하되 리튬을 저장하지 아니하고 리튬 이온을 이동시키는 기능을 갖는 무기물 입자를 지칭하는 것으로서, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 입자 구조 내부에 존재하는 일종의 결함(defect)으로 인해 리튬 이온을 전달 및 이동시킬 수 있기 때문에, 전기화학소자 내 리튬 이온 전도도가 향상되고, 이로 인해 전기화학소자의 성능 향상을 도모할 수 있다. 상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자의 비제한적인 예로는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트(LixAlyTiz(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 1, 0 < z < 3), 14Li2O-9Al2O3-38TiO2-39P2O5 등과 같은 (LiAlTiP)xOy 계열 glass (0 < x < 4, 0 < y < 13), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), Li3.25Ge0.25P0.75S4 등과 같은 리튬게르마니움티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0 < x < 4, 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 < w < 5), Li3N 등과 같은 리튬나이트라이드(LixNy, 0 < x < 4, 0 < y < 2), Li3PO4-Li2S-SiS2 등과 같은 SiS2 계열 글래스(LixSiySz, 0 < x < 3, 0 < y < 2, 0 < z < 4), LiI-Li2S-P2S5 등과 같은 P2S5 계열 글래스(LixPySz, 0 < x < 3, 0 < y < 3, 0 < z < 7) 또는 이들의 혼합물 등이 있다.
그리고, 상기 무기물 입자의 크기는 제한이 없으나, 세퍼레이터의 적절한 공극률을 위해, 평균입도가 0.001 ㎛ 내지 10 ㎛ 범위일 수 있다.
그리고, 상기 다공성 코팅층 형성에 사용되는 고분자 바인더로는 당 업계에서 다공성 코팅층 형성에 통상적으로 사용되는 고분자를 사용할 수 있다. 특히, 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg)가 -200 내지 200 ℃인 고분자를 사용할 수 있는데, 이는 최종적으로 형성되는 다공성 코팅층의 유연성 및 탄성 등과 같은 기계적 물성을 향상시킬 수 있기 때문이다. 이러한 고분자 바인더는 무기물 입자들 사이를 연결 및 안정하게 고정시켜주는 바인더 역할을 충실히 수행함으로써, 다공성 코팅층이 도입된 세퍼레이터의 기계적 물성 저하 방지에 기여한다.
또한, 고분자 바인더는 이온 전도 능력을 반드시 가질 필요는 없으나, 이온 전도 능력을 갖는 고분자를 사용할 경우 전기화학소자의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 따라서, 고분자 바인더는 가능한 유전율 상수가 높은 것을 사용할 수 있다. 실제로 전해액에서 염의 해리도는 전해액 용매의 유전율 상수에 의존하기 때문에, 상기 고분자의 유전율 상수가 높을수록 전해질에서의 염 해리도를 향상시킬 수 있다. 이러한 고분자 바인더의 유전율 상수는 1.0 내지 100 (측정 주파수 = 1 kHz) 범위가 사용 가능하며, 특히 10 이상일 수 있다.
전술한 기능 이외에, 고분자 바인더는 액체 전해액 함침시 겔화됨으로써 높은 전해액 팽윤도(degree of swelling)를 나타낼 수 있는 특징을 가질 수 있다. 이에 따라, 고분자 바인더의 용해도 지수는 15 내지 45 MPa1 /2 또는 15 내지 25 MPa1 /2 및 30 내지 45 MPa1 /2 범위이다. 따라서, 폴리올레핀류와 같은 소수성 고분자들보다는 극성기를 많이 갖는 친수성 고분자들이 더 사용될 수 있다. 용해도 지수가 15 MPa1/2 미만 및 45 MPa1 /2를 초과할 경우, 통상적인 전기화학소자용 액체 전해액에 의해 팽윤(swelling)되기 어려울 수 있기 때문이다.
이러한 상기 고분자 바인더는, 폴리비닐리덴 풀루오라이드 (polyvinylidene fluoride, PVDF), 헥사풀루오로프로필렌 (hexafluoro propylene, HFP), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoro propylene), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸 메타크릴레이트 (polymethyl methacrylate), 폴리부틸아크릴레이트 (polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드 (polyethylene oxide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 (cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란 (cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란 (pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose), 아크릴로니트릴스티렌부타디엔 공중합체 (acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer) 및 폴리이미드 (polyimide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있으나, 이에만 한정하는 것은 아니다.
그리고, 상기 무기물 입자와 고분자 바인더의 중량비는 50:50 내지 99:1, 또는 60:40 내지 90:10, 또는 70:30 내지 80:20일 수 있다.
또한, 무기물 입자와 고분자 바인더로 구성되는 다공성 코팅층의 두께는 특별한 제한이 없으나, 0.01 내지 20 ㎛ 범위일 수 있다. 또한, 기공 크기 및 기공도 역시 특별한 제한이 없으나, 기공 크기는 0.01 내지 10 ㎛ 범위일 수 있고, 기공도는 5 내지 90 % 범위일 수 있다.
한편, 상기 비수 전해액은, 전해질 염과 유기용매를 포함할 수 있으며, 상기 전해질 염은 리튬염이다. 상기 리튬염은 리튬 이차전지용 비수 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- , CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
전술한 비수 전해액에 포함되는 유기용매로는 리튬 이차전지용 비수 전해액에 통상적으로 사용되는 것들을 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들면 에테르, 에스테르, 아미드, 선형 카보네이트, 환형 카보네이트 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
그 중에서 대표적으로는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 또는 이들의 혼합물인 카보네이트 화합물을 포함할 수 있다.
상기 환형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 및 이들의 할로겐화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 있다. 이들의 할로겐화물로는 예를 들면, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 선형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 상기 카보네이트계 유기용매 중 환형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 보다 더 잘 해리시킬 수 있으며, 이러한 환형 카보네이트에 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 보다 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있다.
또한, 상기 유기용매 중 에테르로는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르 및 에틸프로필 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고 상기 유기용매 중 에스테르로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 비수 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전기화학소자의 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전기화학소자 조립 전 또는 전기화학소자 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
1. 실시예
1-1. 양극의 제조
우선, 리튬 망간계 산화물로서 LiMn2O4 90.6 중량%, 도전재로서 super C 4.4 중량%, 고분자 바인더로서 KF-7208(PVDF) 4.1 중량% 및 도전성 고분자로서 폴리(3,4-에틸렌디옥시)티오펜 0.9 중량%의 혼합물을, NMP 용매에 혼합하여 양극 합제를 제조하였다. 그 후, 20 ㎛ 두께의 알루미늄 호일에 상기 양극 합제를 롤코팅법으로 코팅한 후, 130 ℃에서 건조시킴으로써 양극을 제조하였다.
1-2. 코인형 반쪽 전지의 제조
상기 1-1에서 제조된 양극, 금속 리튬 호일의 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 폴리에틸렌 세퍼레이터를 개재하여 전극 조립체를 제조하였다.
상기 전극 조립체를 전지 케이스에 넣은 후, 에틸렌 카보네이트(EC)와 에틸메틸 카보네이트(EMC)의 부피비가 3:7로 혼합된 비수 용매에 1M의 LiPF6가 첨가된 전해액을 주입하여 코인형 반쪽 전지를 제조하였다.
2. 비교예
2-1. 양극의 제조
리튬 망간계 산화물로서 LiMn2O4 91.5 중량%, 도전재로서 super C 4.4 중량% 및 고분자 바인더로서 KF-7208(PVDF) 4.1 중량%의 혼합물을, NMP 용매에 혼합하여 양극 합제를 제조하는 것을 제외하고는, 실시예와 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.
2-2. 코인형 반쪽 전지의 제조
상기 2-1에서 제조된 양극을 사용하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 코인형 반쪽 전지를 제조하였다.
3. 레이트 특성 평가
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 코인형 반쪽 전지를 이용하여 충방전 특성을 평가하였다.
(1) 1, 2번째 사이클
충전시 0.1 C의 전류밀도로 4.43 V까지 정전류 충전 후, 4.43 V의 정전압으로 일정하게 유지시켜 전류밀도가 0.02 C가 되면 충전을 종료하였다. 방전시 0.1 C의 전류밀도로 2.5 V까지 정전류 모드로 방전을 완료하였다. 동일한 조건으로 충방전 1회를 더 수행하였다.
(2) 3, 4번째 사이클
충전시 0.2 C의 전류밀도로 4.43 V까지 정전류 충전 후, 4.43 V의 정전압으로 일정하게 유지시켜 전류밀도가 0.02 C가 되면 충전을 종료하였다. 방전시 0.5 C의 전류밀도로 2.5 V까지 정전류 모드로 방전을 완료하였다. 동일한 조건으로 충방전 1회를 더 수행하였다.
(3) 5, 6번째 사이클
충전시 0.2 C의 전류밀도로 4.43 V까지 정전류 충전 후, 4.43 V의 정전압으로 일정하게 유지시켜 전류밀도가 0.02 C가 되면 충전을 종료하였다. 방전시 1 C의 전류밀도로 2.5 V까지 정전류 모드로 방전을 완료하였다. 동일한 조건으로 충방전 1회를 더 수행하였다.
(4) 7, 8번째 사이클
충전시 0.2 C의 전류밀도로 4.43 V까지 정전류 충전 후, 4.43 V의 정전압으로 일정하게 유지시켜 전류밀도가 0.02 C가 되면 충전을 종료하였다. 방전시 2 C의 전류밀도로 2. 5 V까지 정전류 모드로 방전을 완료하였다. 동일한 조건으로 충방전 1회를 더 수행하였다.
(5) 9, 10번째 사이클
충전시 0.2 C의 전류밀도로 4.43 V까지 정전류 충전 후, 4.43 V의 정전압으로 일정하게 유지시켜 전류밀도가 0.02 C가 되면 충전을 종료하였다. 방전시 0.5 C의 전류밀도로 2.5 V까지 정전류 모드로 방전을 완료하였다. 동일한 조건으로 충방전 1회를 더 수행하였다.
도 1은 상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 코인형 반쪽 전지의 레이트 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다. 도 1을 참조하면, 실시예의 경우 비교예의 경우보다 율특성이 향상되었음을 알 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (10)

  1. 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물을 포함하는 양극 합제로서,
    상기 리튬 망간계 산화물은, 2.5 내지 3.5 V로의 방전과정에서, 입자의 표면부터 중심 방향으로 결정구조가 입방정계(cubic) 구조에서 정방정계(tetragonal) 구조로 상전이되어 코어-쉘 구조를 가지며,
    상기 방전과정에서 상전이로 인해 형성되는 정방정계 구조의 쉘 부의 표면에 형성된 도전재, 고분자 바인더 및 도전성 고분자를 더 포함하는 양극 합제.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 망간계 산화물은, 하기 화학식 1의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 양극 합제:
    [화학식 1]
    Li1 + xMyMn2 -x- yO4 - zQz
    상기 화학식 1에서, 0≤x≤0.3, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 이고, M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr,Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소이며, Q는 N, F, S 및 Cl로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소이다.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 고분자는, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 양극 합제.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 폴리티오펜은, 폴리(3,4-에틸렌디옥시)티오펜인 것을 특징으로 하는 양극 합제.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도전재는, 흑연, 탄소섬유, 카본블랙, 아세틸렌블랙, 케트젠블랙 및 카본나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 양극 합제.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 바인더는, 폴리비닐리덴 풀루오라이드 (polyvinylidene fluoride, PVDF), 헥사풀루오로프로필렌 (hexafluoro propylene, HFP), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoro propylene), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸 메타크릴레이트 (polymethyl methacrylate), 폴리부틸아크릴레이트 (polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드 (polyethylene oxide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 (cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란 (cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란 (pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose), 아크릴로니트릴스티렌부타디엔 공중합체 (acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer) 및 폴리이미드 (polyimide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 양극 합제.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 양극 합제는, 상기 리튬 망간계 산화물 85 내지 95 중량%, 상기 도전재 1 내지 7 중량%, 상기 고분자 바인더 1 내지 7 중량% 및 도전성 고분자 0.5 내지 1.5 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 합제.
  8. 집전체 및 상기 집전체 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하는 양극으로서,
    상기 양극 활물질층은, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 양극 합제를 구비하는 양극.
  9. 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 세퍼레이터 및 비수 전해액을 포함하는 전기화학소자에 있어서,
    상기 양극은, 제8항의 양극인 전기화학소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전기화학소자는, 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
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