KR20150014878A - 비가역 첨가제가 포함되어 있는 이차전지용 양극 합제 - Google Patents

비가역 첨가제가 포함되어 있는 이차전지용 양극 합제 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비가역 첨가제가 포함되어 있는 이차전지용 양극 합제에 관한 것으로서, 상세하게는, 양극 활물질 및 양극의 비가역 효율을 낮추는 비가역 첨가제가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 합제를 제공한다.

Description

비가역 첨가제가 포함되어 있는 이차전지용 양극 합제 {Mixture for Cathode for Secondary Battery having irreversible Additives}
본 발명은 비가역 첨가제가 포함되어 있는 이차전지용 양극 합제에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이러한 리튬 이차전지의 양극 활물질로는 리튬 함유 코발트 산화물(LiCoO2)이 주로 사용되고 있고, 그 외에 스피넬 결정구조의 LiMn2O4 등과 같은 리튬 함유 망간 산화물과, 리튬 함유 니켈 산화물(LiNiO2) 등도 사용되고 있다. 음극 활물질로는 탄소재료가 주로 사용되고 있고, 리튬 금속, 황 화합물 등의 사용도 고려되고 있으며, 특히, 순수한 실리콘(Si)의 이론적 비용량(specific capacity)은 4200 mAh/g으로서 그라파이트 탄소의 372 mAh/g 보다 월등히 크므로, 상기 Si계 활물질을 사용하는 리튬 이차전지가 많은 관심을 끌고 있으며, 일부는 탄소재료와 혼합된 전극으로 사용되기도 한다.
그러나, 상기 음극이 양극에 비해 비가역 효율이 낮을 경우, 음극 활물질의 양이 과도하게 많이 투입되어 전지의 에너지 밀도에 부정적인 영향을 미치게 된다.
따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 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, 비가역 효율 설계에 효과적으로 사용할 수 있고, 높은 도전성으로 인해 전극의 도전 네트워크 구성을 개선시킬 수 있는 이차전지용 양극 합제를 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 양극합제는 양극 활물질 및 양극의 비가역 효율을 낮추는 비가역 첨가제가 포함되어 있는 것을 특징으로 한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 비가역 첨가제는 Li 대비 1.0V이상 내지 2.5V 이하의 작동전압을 가질 수 있다.
따라서, 상기 비가역 첨가제는 보통 양극의 작동 전압인 2.5 내지 4.25V 보다 낮아 초기의 충전시에만 반응에 참여하고 방전시에는 반응에 참여하지 않아, 전지의 비가역 효율을 효과적으로 설계할 수 있다.
또한, 상기 비가역 첨가제는 높은, 경우에 따라서, 도전성을 나타낼 수 있는 바, 전극의 도전 네트워크 구성을 개선시킬 수 있다.
이러한 경우에, 상기 비가역 첨가제의 전기 저항값은 5 μΩm 이상 내지 100 μΩm 이하일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 비가역 첨가제는 Li7/3Ti5/3O4으로 표현되는 리튬화된 리튬 티타늄 산화물일 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 비가역 첨가제는 리튬 몰리브덴 화합물일 수 있으며, 더욱 구체적으로, 하기 화학식 1로 표현되는 리튬 몰리브덴 황화물일 수 있다.
Li2+xMo6-yMyS8-z(1)
상기 식에서, -0.1≤x≤0.5, 0≤y≤0.5, -0.1≤z≤0.5이고,
M은 +2가 내지 +4가 산화수의 금속 또는 전이금속 양이온이다.
이러한 경우에, 상기 리튬 몰리브덴 황화물은 Li2.3Mo6S7.7일 수 있다.
한편, 상기 비가역 첨가제는 양극 합제 전체 중량을 기준으로 0.1 중량% 이상 내지 5 중량% 이하의 범위로 포함될 수 있다.
한편, 상기 양극 활물질은 하기 화학식 2 또는 3으로 표현되는 리튬 전이금속 산화물을 포함할 수 있다.
LixMyMn2-yO4-zAz (2)
상기 식에서,
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 하나 이상의 원소이며;
A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이고;
0.9≤x≤1.2, 0<y<2, 0≤z<0.2이다.
(1-x)LiM’O2-yAy -xLi2MnO3-y’Ay’ (3)
상기 식에서,
M’은 MnaMb이고;
M은 Ni, Ti, Co, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zr, Zn 및 2주기 전이금속들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며;
A는 PO4, BO3, CO3, F 및 NO3의 음이온으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고;
0<x<1, 0<y≤0.02, 0<y’≤0.02, 0.5≤a≤1.0, 0≤b≤0.5, a + b = 1이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 양극 합제는 바인더 및 도전재를 더 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 비가역 첨가제는 양극 집전체 상에서 양극 활물질과 균일하게 혼합되어 도포되거나, 양극 활물질과 층을 이루어 도포될 수 있다.
이러한 경우에, 상기 비가역 첨가제 층은 양극 집전체 상의 양극 활물질 층 상에 도포될 수 있으며, 상기 비가역 첨가제 층의 두께는 양극 합제 층의 전체 두께를 기준으로 0.1% 이상 내지 20% 미만일 수 있다.
또한, 상기 비가역 첨가제 층은 도전재를 더 포함할 수 있으며, 상세하게는, 상기 도전재는 비가역 첨가제 전체 중량을 기준으로 20 중량% 미만으로 포함되어 있을 수 있다.
본 발명은 상기 양극 합제를 전극집전체 상에 도포하여 제조되는 양극을 제공하는 바, 일반적으로, 상기 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 상기 도전재 및 바인더의 혼합물인 전극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은, 상기 화학식 2 또는 3으로 표현되는 리튬 전이금속 산화물 외에, 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 포함할 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
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 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.
한편, 상기 탄성을 갖는 흑연계 물질이 도전재로 사용될 수 있고, 상기 물질들과 함께 사용될 수도 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.
본 발명은, 상기 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체에 전해액이 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.
이러한 경우에, 상기 음극은 음극 활물질로서, 실리콘(Si)계 물질을 포함할 수 있는 바, 상기 실리콘계 물질은 실리콘 및 실리콘 산화물의 복합체 및/또는 실리콘 합금일 수 있다.
또한, 상기 음극 활물질은 탄소계 물질을 더 포함하고, 상기 탄소계 물질은 음극 활물질 전체 중량을 기준으로 70 중량% 이상 내지 99.9 중량% 이하로 포함될 수 있는 바, 상기 탄소계 물질은 결정질 인조 흑연, 결정질 천연 흑연, 비정질 하드카본, 저결정질 소프트카본, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 수퍼 P, 그래핀 (graphene), 및 섬유상 탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 상세하게는, 결정질 인조 흑연, 및/또는 결정질 천연 흑연일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 이차전지는 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 또는 리튬 폴리머 전지일 수 있다.
상기 리튬 이차전지들은 일반적으로 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극에 개재되는 분리막 및 리튬염 함유 비수 전해질로 구성되어 있으며, 리튬 이차전지의 기타 성분들에 대해 이하에서 설명한다.
상기 음극 활물질은, 상기 탄소계 물질, Si 외에, 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 포함할 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
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 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 비수 전해질은, 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있고, 비수 전해질로는 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, 상기 리튬염 함유 비수 전해질에는 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 구체적인 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, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩, 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
이 때, 상기 디바이스의 구체적인 예로는, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지용 양극 합제는, 양극 활물질 및 양극의 비가역 효율을 낮추는 비가역 첨가제가 포함되어 있어, 전지의 비가역 효율을 효과적으로 설계할 수 있으며, 전극의 도전 네트워크 구성을 개선시킬 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
양극 활물질로서 과량의 니켈을 포함하는 리튬 니켈 망간계 복합 산화물 93 중량%, Super-P(도전재) 3 중량%, PVdF(결합제) 3 중량% 및 비가역 첨가제로서 리튬 몰리브덴 황화물(Li2.3Mo6S7.7) 1 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 합제를 제조하였으며, 상기 양극 합제를 두께 15 ㎛의 알루미늄 호일에 도포하여 양극을 제조하였다.
<실시예 2>
양극 활물질로서 과량의 니켈을 포함하는 리튬 니켈 망간계 복합 산화물 94 중량%, Super-P(도전재) 3 중량% 및 PVdF(결합제) 3 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 합제를 제조하였으며, 상기 양극 합제를 두께 15 ㎛의 알루미늄 호일에 도포하고, 상기 알루미늄 호일에 도포된 양극 합제층 상에 비가역 첨가제로서 리튬 몰리브덴 황화물(Li2.3Mo6S7.7)을 6㎛ 두께로 도포하여 양극을 제조하였다.
<실시예 3>
양극 활물질로서 과량의 니켈을 포함하는 리튬 니켈 망간계 복합 산화물 92 중량%, Super-P(도전재) 3 중량%, PVdF(결합제) 3 중량% 및 비가역 첨가제로서 리튬 티타늄 산화물 (Li(Li1/3Ti5/3)O4) 2 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 합제를 제조하였으며, 상기 양극 합제를 두께 15 ㎛의 알루미늄 호일에 도포하여 양극을 제조하였다.
<실시예 4>
양극 활물질로서 과량의 니켈을 포함하는 리튬 니켈 망간계 복합 산화물 94 중량%, Super-P(도전재) 3 중량% 및 PVdF(결합제) 3 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 합제를 제조하였으며, 상기 양극 합제를 두께 15 ㎛의 알루미늄 호일에 도포하고, 상기 알루미늄 호일에 도포된 양극 합제층 상에 비가역 첨가제로서 리튬 티타늄 산화물 (Li(Li1/3Ti5/3)O4)을 10㎛ 두께로 도포하여 양극을 제조하였다.
<비교예 1>
리튬 몰리브덴 황화물(Li2.3Mo6S7.7) 또는 리튬 티타늄 산화물 (Li(Li1/3Ti5/3)O4)을 첨가하거나, 도포하지 않은 점을 제외하고, 양극 활물질로서 과량의 니켈을 포함하는 리튬 니켈 망간계 복합 산화물 94 중량%, Super-P(도전재) 3 중량% 및 PVdF(결합제) 3 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가여 양극 합제를 제조하였으며, 실시예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.
<실험예 1>
음극 활물질로 실리콘-탄소 복합체를 포함하는 음극으로서, 비가역 효율이 84% (충전용량 535 mAh/g)인 음극을 제조하고, 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 각각 제조한 양극의 비가역 효율 및 상기 양극과 음극을 포함하는 전지를 제조하여 측정한 전지의 용량을 각각 표 1에 나타내었다.
음극 효율 양극 효율 전지용량
실시예 1 84% 90% 1642 mAh
실시예 2 84% 89.7% 1638 mAh
실시예 3 84% 89.8% 1631 mAh
실시예 4 84% 90.1% 1634 mAh
비교예 1 84% 94% 1540 mAh
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 4와 같이 비가역 첨가제로서 리튬 몰리브덴 황화물 또는 리튬 티타늄 산화물을 포함하는 양극 합제의 경우, 상기 비가역 첨가제를 포함하고 있지 않은 비교예 1의 양극 합제에 비해 음극과의 비가역 효율의 차이가 적음을 확인할 수 있다. 이는 음극의 비가역에 해당하는 리튬이 양극의 비가역을 증가시킴으로써, 전체적으로 전지의 용량을 향상시키는 효과를 발휘함을 나타낸다.
이는 상기 리튬 몰리브덴 황화물 및 리튬 티타늄 산화물의 작동 전압이 Li 대비 1.0V이상 내지 2.5V 이하의 범위에 있어, 양극의 작동 전압에 비해 낮으므로, 초기의 충전시에만 반응에 참여하고, 방전시에는 반응에 참여하지 않기 때문이다.
이에 따라, 상기 리튬 몰리브덴 황화물 및 리튬 티타늄 산화물이 비가역 첨가제로서 양극 합제에 첨가되거나, 양극 합제층 상에 추가로 도포될 경우, 양극의 초기 비가역 효율을 음극과 유사한 범위로 맞춤으로써, 전지셀의 전체적인 전지셀의 용량 및 부피당 에너지 밀도를 최대화할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (28)

  1. 양극 활물질 및 양극의 비가역 효율을 낮추는 비가역 첨가제가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 합제.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 비가역 첨가제는Li 대비 1.0V이상 내지 2.5V 이하의 작동전압을 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 합제.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 비가역 첨가제는 높은 도전성을 나타내는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 합제.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 비가역 첨가제의 전기 저항값은 5 μΩm 이상 내지 100 μΩm 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 합제.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 비가역 첨가제는 리튬화된 리튬 티타늄 산화물(Lithiated LTO) 또는 리튬 몰리브덴 화합물인 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 합제.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 비가역 첨가제는 Li7/3Ti5/3O4으로 표현되는 리튬화된 리튬 티타늄 산화물인 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 합제.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 비가역 첨가제는 하기 화학식 1로 표현되는 리튬 몰리브덴 황화물인 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 합제:
    Li2+xMo6-yMyS8-z(1)
    상기 식에서, -0.1≤x≤0.5, 0≤y≤0.5, -0.1≤z≤0.5이고,
    M은 +2가 내지 +4가 산화수의 금속 또는 전이금속 양이온이다.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 리튬 몰리브덴 황화물은 Li2.3Mo6S7.7인 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 합제.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 비가역 첨가제는 양극 합제 전체 중량을 기준으로 0.1 중량% 이상 내지 5 중량% 이하의 범위로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 합제.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 하기 화학식 2 또는 3으로 표현되는 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 합제:
    LixMyMn2-yO4-zAz (2)
    상기 식에서,
    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 하나 이상의 원소이며;
    A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이고;
    0.9≤x≤1.2, 0<y<2, 0≤z<0.2이다.


    (1-x)LiM’O2-yAy -xLi2MnO3-y’Ay’ (3)
    상기 식에서,
    M’은 MnaMb이고;
    M은 Ni, Ti, Co, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zr, Zn 및 2주기 전이금속들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며;
    A는 PO4, BO3, CO3, F 및 NO3의 음이온으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고;
    0<x<1, 0<y≤0.02, 0<y’≤0.02, 0.5≤a≤1.0, 0≤b≤0.5, a + b = 1이다.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 합제는 바인더 및 도전재를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 합제.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 비가역 첨가제는 양극 집전체 상에서 양극 활물질과 균일하게 혼합되어 도포되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 합제.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 비가역 첨가제는 양극 집전체 상에서 양극 활물질과 층을 이루어 도포되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 합제.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 비가역 첨가제 층의 두께는 양극 합제 층의 전체 두께를 기준으로 0.1% 이상 내지 20% 미만인 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 합제.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 비가역 첨가제 층은 도전재를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 합제.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 도전재는 비가역 첨가제 전체 중량을 기준으로 20 중량% 미만으로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 합제.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 하나에 따른 양극 합제를 전극집전체 상에 도포하여 제조되는 것을 특징으로 하는 양극.
  18. 제 17 항에 따른 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체에 전해액이 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 음극은 음극 활물질로서, 실리콘(Si)계 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 실리콘계 물질은 실리콘 및 실리콘 산화물의 복합체 및/또는 실리콘 합금인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 음극 활물질은 탄소계 물질을 더 포함하고, 상기 탄소계 물질은 음극 활물질 전체 중량을 기준으로 70 중량% 이상 내지 99.9 중량% 이하로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 탄소계 물질은 결정질 인조 흑연, 결정질 천연 흑연, 비정질 하드카본, 저결정질 소프트카본, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 수퍼 P, 그래핀 (graphene), 및 섬유상 탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 탄소계 물질은 결정질 인조 흑연, 및/또는 결정질 천연 흑연인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  24. 제 18 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 또는 리튬 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  25. 제 18 항에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  26. 제 25 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  27. 제 26 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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