KR20160043939A - Three-dimensional porous-structured electrode , and electrochemical device having the electrode - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a three-dimensional structure electrode, a manufacturing method thereof, and an electrochemical device including the electrode. Specifically, the three-dimensional structure electrode includes: a porous non-woven fabric including a plurality of polymer fibers; a positive electrode active material particle including a lithium metal oxide, a derivative of the lithium metal oxide, or a mixture of the lithium metal oxide and the derivative, wherein a gap between the polymer fabrics included in the porous non-woven fabric is evenly filled with the positive electrode active material and the conductive material, and a gas hole is formed. The electrochemical device includes the three-dimensional structure electrode.

Description

삼차원구조 전극, 및 이를 포함하는 전기 화학 소자 {THREE-DIMENSIONAL POROUS-STRUCTURED ELECTRODE , AND ELECTROCHEMICAL DEVICE HAVING THE ELECTRODE}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a three-dimensional structure electrode, and an electrochemical device including the same. BACKGROUND OF THE INVENTION [0002]

삼차원구조 전극, 및 이를 포함하는 전기 화학 소자에 관한 것이다.Dimensional structure electrode, and an electrochemical device including the same.

최근 스마트 폰, 태블릿 PC, 고성능 노트북 PC 등의 IT 전자 기기에 대한 시장 수요의 증가하고 있다. 이와 더불어, 지구 온난화 및 자원 고갈에 대한 대책의 일환으로, 전기 자동차, 스마트 그리드(Smart Grid)와 같은 대용량 전력 저장 장치에 대한 요구가 크게 늘어나면서, 이차 전지를 비롯한 전기 화학 소자에 대한 수요는 급격히 증가하고 있다. Recently, market demand for IT electronic devices such as smart phones, tablet PCs and high-performance notebook PCs is increasing. In addition, as a measure against global warming and depletion of resources, demand for large-capacity power storage devices such as electric vehicles and smart grids has been greatly increased, and demand for electrochemical devices including secondary batteries has rapidly increased .

특히, 리튬 이차 전지는 우수한 사이클 수명 및 높은 에너지 밀도로 인하여, 가장 주목 받는 이차 전지에 해당된다. 하지만, 고출력 및 고용량에 대한 요구에 부합하기 위해서는, 이를 만족하는 전기 화학 소자에 대한 개선책 마련이 필요한 실정이다.Particularly, lithium secondary batteries are considered to be the most popular secondary batteries due to their excellent cycle life and high energy density. However, in order to meet the demand for high power and high capacity, it is necessary to prepare an improvement measure for an electrochemical device that satisfies this requirement.

이와 관련하여, 전기 화학 소자의 용량에 기여하는 전극은, 금속 집전체 및 그 위에 도포된 활물질, 도전제, 및 바인더의 혼합물로 이루어지지만, 이러한 전극의 구성 물질 중 실질적으로 전기 화학 소자의 용량 및 에너지 밀도에 기여하는 것은 활물질 뿐이다.In this connection, the electrode contributing to the capacity of the electrochemical device is composed of the metal current collector and the mixture of the active material, the conductive agent, and the binder coated thereon, Only active materials contribute to energy density.

따라서, 도전재 및 바인더 등의 첨가 물질을 최소화할 때, 전극의 중량 당 또는 체적 당 용량이 증가하게 되고, 궁극적으로는 전기 화학 소자의 에너지 밀도를 높일 수가 있다.Therefore, when the additive materials such as the conductive material and the binder are minimized, the capacity per weight or volume of the electrode is increased, and ultimately the energy density of the electrochemical device can be increased.

이와 더불어, 금속 집전체 대신 가벼운 소재의 집전체를 사용하는 것이 좋다. 금속 집전체의 경우, 전극 내에서 차지하는 무게 및 부피가 크기 때문에, 전극의 중량 당, 체적 당 용량을 감소시키는 원인 중 하나가 되기 때문이다.In addition, it is preferable to use a lightweight current collector instead of a metal current collector. In the case of a metal current collector, it is one of the causes of reducing the capacity per volume and volume per electrode, because the weight and the volume in the electrode are large.

또한, 도전재 역할을 하는 전도성 물질을 사용하면, 전극이 균일한 전자전도 네트워크를 가질 수 있다. 전극 내 활물질 사이에 균일한 전자전도 네트워크를 형성함으로써 전자 전도성을 향상시키고, 그 결과 전기 화학 소자의 출력 특성을 개선하는 데 도움을 줄 수 있기 때문이다. Further, by using a conductive material serving as a conductive material, the electrode can have a uniform electronic conduction network. This is because it is possible to improve the electronic conductivity by forming a uniform electronic conduction network between the active materials in the electrode, and as a result, to improve the output characteristics of the electrochemical device.

이처럼, 도전재 및 바인더 등의 첨가 물질을 최소화하고, 금속 집전체 대신 가벼운 소재의 집전체를 사용하며, 우수한 전자전도 네트워크를 형성한 전극을 전기 화학 소자에 적용할 때, 고용량, 고출력, 및 고에너지 밀도 등의 우수한 특성을 달성할 수 있으나, 아직까지 이러한 세 가지 측면을 모두 고려한 전극의 연구는 부족한 실정이다.As described above, when an electrode material such as a conductive material and a binder is minimized, a collector made of a light material is used instead of a metal current collector, and an electrode having a good electronic conduction network is applied to an electrochemical device, Energy density, etc. However, research on the electrode considering all three aspects is still insufficient.

본 발명자들은, 앞서 지적된 문제점을 해결하기 위하여, 첨가 물질의 최소화, 가벼운 소재의 집전체, 및 우수한 전자전도 네트워크의 세 가지 측면을 모두 고려하여, 삼차원 구조의 전극을 개발하였다. 이에 대한 구체적인 내용은 다음과 같다.In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have developed a three-dimensional structure electrode considering all three aspects of the minimization of additive materials, a lightweight current collector, and a good electronic conduction network. The details of this are as follows.

본 발명의 일 구현예에서는, 다공성 부직포에 포함된 복수의 고분자 섬유 사이에 활물질 입자 및 전도성 물질이 균일하게 충진되고, 상기 복수의 고분자 섬유에 의해 상호 연결된 형태의 기공을 포함하는, 삼차원 구조 전극을 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a three-dimensional structure electrode comprising a plurality of polymer fibers contained in a porous nonwoven fabric, wherein the active material particles and the conductive material are uniformly filled and pores are interconnected by the plurality of polymer fibers .

본 발명의 다른 일 구현예에서는, 상기 삼차원 구조 전극을 포함하는 전기 화학 소자를 제공할 수 있다.In another embodiment of the present invention, an electrochemical device including the three-dimensional structure electrode may be provided.

본 발명의 일 구현예에서는, 복수의 고분자 섬유를 포함하는, 다공성 부직포; 활물질 입자; 및 전도성 물질;을 포함하고, 상기 다공성 부직포에 포함된 복수의 고분자 섬유 사이에, 상기 활물질 입자 및 상기 전도성 물질이 균일하게 충진되고, 기공이 형성된 형태인, 삼차원 구조 전극을 제공한다.In one embodiment of the present invention, a porous nonwoven fabric comprising a plurality of polymer fibers; Active material particles; And a conductive material, wherein the active material particles and the conductive material are uniformly filled between the plurality of polymer fibers contained in the porous nonwoven fabric, and pores are formed.

아울러, 상기 삼차원 구조 전극은, 리튬메탈계 산화물, 산화물, 실리콘(Si), 주석(Sn), 게르마늄(Ge), 황(S), 이들의 유도체, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나인 활물질 입자를 사용한다.The three-dimensional structure electrode may include at least one selected from the group consisting of a lithium metal-based oxide, an oxide, silicon (Si), tin (Sn), germanium (Ge), sulfur (S), a derivative thereof, One active material particle is used.

한편, 상기 삼차원 구조 전극의 기공도는, 5 내지 95 부피%인 것일 수 있다.On the other hand, the porosity of the three-dimensional structure electrode may be 5 to 95% by volume.

한편, 상기 삼차원 구조 전극에 포함된 각 물질의 함량에 대해, 다음과 같이 설명한다.The content of each material contained in the three-dimensional structure electrode will be described as follows.

상기 삼차원 구조 전극 내 다공성 부직포의 함량은, 상기 삼차원 구조 전극의 총 중량에 대한 중량%로, 5 내지 70 %인 것일 수 있다.The content of the porous nonwoven fabric in the three-dimensional structure electrode may be 5 to 70% by weight based on the total weight of the three-dimensional structure electrode.

상기 삼차원 구조 전극 내 활물질 입자의 함량은, 상기 삼차원 구조 전극의 총 중량에 대한 중량%로, 20 내지 95 %인 것일 수 있다.The content of the active material particles in the three-dimensional structure electrode may be 20 to 95% by weight based on the total weight of the three-dimensional structure electrode.

상기 삼차원 구조 전극 내 활물질 입자 및 전도성 물질의 함량 비율은, 상기 활물질 입자에 대한 상기 전도성 물질의 중량 비율로, 0.1:100 내지 50:100인 것일 수 있다.The ratio of the active material particles and the conductive material in the three-dimensional structure electrode may be 0.1: 100 to 50: 100 in terms of the weight ratio of the conductive material to the active material particles.

다른 한편, 상기 삼차원 구조 전극에 포함된 각 물질의 평균 직경에 대해, 다음과 같이 설명한다.On the other hand, the average diameter of each material contained in the three-dimensional structure electrode will be described as follows.

상기 복수의 고분자 섬유의 평균 직경은, 0.001 내지 1000 ㎛인 것일 수 있다.The average diameter of the plurality of polymer fibers may be 0.001 to 1000 탆.

상기 활물질 입자의 평균 직경은, 0.001 내지 30 ㎛인 것일 수 있다.The average diameter of the active material particles may be 0.001 to 30 탆.

또한, 상기 삼차원 구조 전극의 면적 당 중량 및 두께에 대해, 다음과 같이 설명한다.The weight per unit area and the thickness of the three-dimensional structure electrode will be described as follows.

상기 삼차원 구조 전극의 두께는, 1 내지 1000 ㎛인 것일 수 있다.The thickness of the three-dimensional structure electrode may be 1 to 1000 탆.

상기 삼차원 구조 전극의 면적 당 중량은, 0.001mg/cm2 내지 1g/cm2 인 것일 수 있다.The weight per area of the three-dimensional structure electrode may be 0.001 mg / cm 2 to 1 g / cm 2 .

상기 삼차원 구조 전극은, 복수개의 전극이 다층 구조를 형성한 것일 수 있으며, 이러한 다층 구조인 삼차원 구조 전극의 면적 당 중량은 0.002 g/cm2 내지 10 g/cm2 일 수 있다.The three-dimensional structure electrode may have a plurality of electrodes formed in a multilayer structure, and the weight per area of the three-dimensional structure electrode having such a multi-layer structure may be 0.002 g / cm 2 to 10 g / cm 2 .

다른 한편, 상기 삼차원 구조 전극에 포함된 각 물질에 대한 상세한 설명은 다음과 같다.On the other hand, a detailed description of each material contained in the three-dimensional structure electrode is as follows.

상기 복수의 고분자 섬유를 이루는 고분자는, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리술폰, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에터이미드, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴릭엑시드, 폴리비닐피롤리돈, 아가로즈, 알지네이트, 폴리비닐리덴 헥사플로로프로필렌, 폴리우레탄, 나일론 6, 폴리피롤, 폴리 3,4-에틸렌디옥시티오펜, 폴리아닐린, 이들의 유도체, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것일 수 있다.The polymer comprising the plurality of polymer fibers may be at least one selected from the group consisting of polyethylene terephthalate, polyimide, polyamide, polysulfone, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polyethylene, polypropylene, polyetherimide, polyvinyl alcohol, polyethylene oxide , Polyacrylic acid, polyvinylpyrrolidone, agarose, alginate, polyvinylidene hexafluoropropylene, polyurethane, nylon 6, polypyrrole, poly 3,4-ethylenedioxythiophene, polyaniline, derivatives thereof, And mixtures thereof.

이와 독립적으로, 상기 복수의 고분자 섬유를 이루는 고분자는, 카본 나노 튜브(carbon nanotube), 그래핀, 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드, 폴리피롤, 폴리 3,4-에틸렌디옥시티오펜, 폴리아닐린, 이들의 유도체, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것일 수 있고, 카본 나노 섬유(carbon nanotube)일 수 있다.Independently, the polymer comprising the plurality of polymer fibers may be selected from the group consisting of carbon nanotubes, graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, polypyrrole, poly 3,4-ethylenedioxythiophene, polyaniline, And derivatives thereof, and mixtures thereof, and may be at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes.

상기 전도성 물질은, 카본 나노 튜브(carbon nanotube), 은 나노와이어, 니켈 나노와이어, 금 나노와이어, 그래핀, 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드, 폴리피롤, 폴리 3,4-에틸렌디옥시티오펜, 폴리아닐린, 이들의 유도체 및 이들의 혼합물을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나인 것일 수 있다.The conductive material may be selected from the group consisting of carbon nanotubes, silver nanowires, nickel nanowires, gold nanowires, graphene, graphen oxide, reduced graphene oxide, polypyrrole, poly 3,4- Polyaniline, derivatives thereof, and mixtures thereof.

상기 삼차원 구조 전극에 대한 상세한 설명은 다음과 같다.A detailed description of the three-dimensional structure electrode is as follows.

상기 삼차원 구조 전극은, 극성일 수 있다.The three-dimensional structure electrode may be polar.

상기 삼차원 구조 전극은, 양극 또는 음극 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The three-dimensional structure electrode may be any one selected from a positive electrode and a negative electrode.

상기 삼차원 구조 전극은, 고분자를 용매에 용해시켜, 고분자 용액을 제조하는 단계; 활물질 입자 및 전도성 물질을 분산매에 분산시켜, 콜로이드 용액을 제조하는 단계; 상기 고분자 용액 및 상기 콜로이드 용액을 동시에 방사하여, 삼차원 구조 섬유를 제조하는 단계; 및 상기 삼차원 구조 섬유를 압착하여, 삼차원 구조 전극을 수득하는 단계;를 포함하고, 상기 고분자 용액 및 상기 콜로이드 용액을 동시에 방사하여, 삼차원 구조 섬유를 제조하는 단계;는, 복수의 고분자 섬유를 포함하는 다공성 부직포를 형성시키고, 상기 다공성 부직포에 포함된 복수의 고분자 섬유 사이에, 상기 활물질 입자 및 상기 전도성 물질이 균일하게 충진시키고, 기공을 형성시키는 일련의 공정을 통해 제조될 수 있다.The three-dimensional structure electrode may include a step of dissolving the polymer in a solvent to prepare a polymer solution; Dispersing the active material particles and the conductive material in a dispersion medium to prepare a colloid solution; Simultaneously spinning the polymer solution and the colloidal solution to prepare a three-dimensional structural fiber; And compressing the three-dimensional structural fibers to obtain a three-dimensional structure electrode, wherein the step of simultaneously spinning the polymer solution and the colloidal solution to produce a three-dimensional structural fiber comprises: A porous nonwoven fabric may be formed and a plurality of polymer fibers contained in the porous nonwoven fabric may be manufactured through a series of processes in which the active material particles and the conductive material are uniformly filled and pores are formed.

상기 일련의 공정에서, 상기 활물질 입자로는, 리튬메탈계 산화물, 산화물, 실리콘(Si), 주석(Sn), 게르마늄(Ge), 황(S), 이들의 유도체, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 사용한다.In the above series of processes, the active material particles may include a lithium metal oxide, an oxide, silicon (Si), tin (Sn), germanium (Ge), sulfur (S), derivatives thereof, At least one selected from the group is used.

구체적으로, 상기 고분자 용액 및 상기 콜로이드 용액을 동시에 방사하여, 삼차원 구조 섬유를 제조하는 단계;에 대해, 다음과 같이 설명한다.Specifically, the step of simultaneously spinning the polymer solution and the colloidal solution to produce a three-dimensional structural fiber will be described as follows.

이중 전기 방사, 이중 전기 분무(electrospray), 이중 스프레이(spray), 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나의 방법인 것일 수 있다.Electrospray, double spray, dual spray, electrospray, double spray, and combinations thereof.

상기 고분자 용액의 방사 속도는 2 내지 15 ㎕/min이고, 상기 콜로이드 용액의 방사 속도는 30 내지 100 ㎕/min인 것일 수 있다.The spinning speed of the polymer solution may be 2 to 15 μl / min, and the spinning speed of the colloid solution may be 30 to 100 μl / min.

한편, 고분자를 용매에 용해시켜, 고분자 용액을 제조하는 단계;에 대해, 다음과 같이 설명한다.On the other hand, the step of dissolving the polymer in a solvent to prepare a polymer solution will be described as follows.

상기 고분자 용액 내 고분자의 함량은, 상기 고분자 용액의 총 중량에 대한 중량%로, 5 내지 30 %인 것일 수 있다.The content of the polymer in the polymer solution may be 5 to 30% by weight based on the total weight of the polymer solution.

상기 용매는, 디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide), 디메틸아세트아미드(N,N-dimethylacetamide), 메틸 피롤리돈 (N-Methylpyrrolidone) 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나인 것일 수 있다.The solvent may be at least one selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, have.

또한, 활물질 입자 및 전도성 물질을 분산매에 분산시켜, 콜로이드 용액을 제조하는 단계;에 대해, 다음과 같이 설명한다.The step of dispersing the active material particles and the conductive material in a dispersion medium to prepare a colloidal solution is described as follows.

상기 콜로이드 용액 내 활물질 입자의 함량은, 상기 콜로이드 용액의 총 중량에 대한 중량%로, 1 내지 50 %인 것일 수 있다.The content of the active material particles in the colloidal solution may be 1 to 50% by weight based on the total weight of the colloidal solution.

구체적으로는, 상기 활물질 입자를 분쇄하는 단계; 및 상기 분쇄된 활물질 입자 및 상기 전도성 물질을 상기 분산매에 분산시켜, 상기 콜로이드 용액을 제조하는 단계;을 포함하는 것일 수 있다.Specifically, the method includes: pulverizing the active material particles; And dispersing the pulverized active material particles and the conductive material in the dispersion medium to prepare the colloidal solution.

이와 독립적으로, 상기 활물질 입자에 상기 전도성 물질을 투입하여, 혼합 분말을 제조하는 단계; 상기 혼합 분말을 분쇄하여, 활물질 입자/전도성 물질 복합체를 수득하는 단계; 및 상기 복합체를 상기 분산매에 분산시켜, 상기 콜로이드 용액을 제조하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.Independently from each other, adding the conductive material to the active material particles to produce a mixed powder; Pulverizing the mixed powder to obtain an active material particle / conductive material composite; And dispersing the complex in the dispersion medium to prepare the colloidal solution.

상기 콜로이드 용액 내 활물질 입자 및 전도성 물질의 함량 비율은, 상기 활물질 입자에 대한 상기 전도성 물질의 중량 비율로, 0.1:100 내지 50:100인 것일 수 있다.The content ratio of the active material particles and the conductive material in the colloidal solution may be 0.1: 100 to 50: 100 in terms of the weight ratio of the conductive material to the active material particles.

상기 콜로이드 용액은 분산제를 더 포함하는 것이고, 상기 콜로이드 용액 내 분산제의 함량은, 상기 콜로이드 용액의 총 중량에 대한 중량%로, 0.001 내지 10 %인 것일 수 있다.The colloid solution may further comprise a dispersing agent, and the content of the dispersing agent in the colloid solution may be 0.001 to 10% by weight based on the total weight of the colloid solution.

구체적으로, 상기 분산제는, 폴리비닐피롤리돈, 폴리3,4-에틸렌디옥시티오펜, 및 이들의 혼합물울 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나인 것일 수 있다.Specifically, the dispersant may be at least one selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone, poly 3,4-ethylenedioxythiophene, and mixtures thereof.

상기 분산매는, 증류수(deionized water), 이소프로필알콜(iso-propylalcohol), 부탄올(buthalol), 에탄올(ethanol), 헥산올(hexanol), 아세톤(Acatone), 디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide), 디메틸아세트아마이드(N,N-dimethylacetamide), 메틸 피롤리돈(N,N-Methylpyrrolidone) 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.The dispersion medium may be selected from the group consisting of deionized water, iso-propylalcohol, buthalol, ethanol, hexanol, acetone, N, N-dimethylformamide, , N, N-dimethylacetamide, N, N-methylpyrrolidone, and combinations thereof.

본 발명의 다른 일 구현예에서는, 양극; 음극; 상기 양극 및 음극 사이에 위치하는 분리막; 상기 양극, 음극 및 분리막에 함침된 전해질;을 포함하고, 상기 양극 또는 상기 음극 중 적어도 하나는, 전술한 것 중 어느 하나에 따른 삼차원 구조 전극인 것인, 전기 화학 소자를 제공한다.In another embodiment of the present invention, cathode; A separator disposed between the anode and the cathode; And an electrolyte impregnated into the positive electrode, the negative electrode and the separation membrane, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode is a three-dimensional structure electrode according to any one of the above-mentioned aspects.

상기 전기 화학 소자는, 리튬이차전지, 수퍼커패시터(Super Capacitor), 리튬-황 전지, 나트륨 이온 전지, 리튬-공기전지, 징크-공기전지, 알루미늄-공기전지, 및 마그네슘 이온 전지를 포함하는 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.The electrochemical device includes a group including a lithium secondary battery, a super capacitor, a lithium-sulfur battery, a sodium ion battery, a lithium-air battery, a zinc-air battery, an aluminum-air battery, and a magnesium ion battery It can be any one selected.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 전술한 3차원 밀집 충진 구조에 의하여, 첨가 물질을 최소화하고 가벼운 소재의 집전체를 사용함으로써 전극의 무게 및 체적 당 용량을 향상시키면서, 균일한 전자전도 네트워크를 형성함으로써 전기 화학 소자의 고출력 특성에 기여하는, 삼차원 구조 전극을 제공할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the three-dimensional densely packed structure described above minimizes the additive material and uses a lightweight current collector to form a uniform electronic conduction network while improving the capacity per weight and volume of the electrode Thereby contributing to the high output characteristics of the electrochemical device.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 전극의 무게 및 체적 당 용량이 우수하고, 고에너지 밀도 및 고출력 특성을 지닌 전기 화학 소자를 제공할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, it is possible to provide an electrochemical device having excellent weight per unit volume and volume, high energy density, and high output characteristics.

도 1은, 본 발명의 일 구현예에 따른 삼차원 구조 전극과 함께, 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 삼차원 구조 전극의 제조방법을 대략적으로 도시한 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 섬유 구조 전극을 포함하는 리튬 이차 전지 모듈의 개략도이다.
도 3a 내지 3c는, 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 전극의 윗 부분, 아랫 부분, 및 단면을 각각 주사 전자 현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM)으로 관찰한 결과이다.
도 4 a 및 4b는. 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 전극의 외관 사진이다.
도 5는, 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 삼차원 구조 전극 및 비교예 1에 의해 제조된 전극의 각 전자전도도를 측정하여 비교한 결과이다.
도 6a는, 본 발명의 실시예 1에 의해 제작된 리튬 이차 전지 및 비교예 1에 의해 제작된 리튬 이차 전지에 대해, 활물질 입자의 중량 당 방전 용량을 관찰한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6b는, 본 발명의 실시예 1에 의해 제작된 리튬 이차 전지 및 비교예 1에 의해 제작된 리튬 이차 전지에 대해, 전극 중량 당 방전 용량을 관찰한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7a는, 본 발명의 실시예 2에 의해 제작된 리튬 이차 전지 및 비교예 2에 의해 제작된 리튬 이차 전지에 대해, 활물질 입자의 중량 당 방전 용량을 관찰한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7b는, 본 발명의 실시예 2에 의해 제작된 리튬 이차 전지 및 비교예 2에 의해 제작된 리튬 이차 전지에 대해, 전극 중량 당 방전 용량을 관찰한 결과를 나타내는 그래프이다.
FIG. 1 schematically shows a method of manufacturing a three-dimensional structure electrode according to another embodiment of the present invention, together with a three-dimensional structure electrode according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic view of a lithium secondary battery module including a three-dimensional fiber structure electrode according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3A to 3C show results of observing the upper portion, the lower portion, and the cross-section of the electrode manufactured according to Example 1 of the present invention with a scanning electron microscope (SEM).
Figures 4a and 4b illustrate. 1 is an external view of an electrode manufactured according to Example 1 of the present invention.
Fig. 5 shows the results obtained by measuring the respective electronic conductivities of the three-dimensional structure electrode manufactured in Example 1 of the present invention and the electrode manufactured in Comparative Example 1. Fig.
6A is a graph showing the results of observing the discharge capacity per weight of active material particles for a lithium secondary battery fabricated by Example 1 of the present invention and a lithium secondary battery fabricated by Comparative Example 1. FIG.
FIG. 6B is a graph showing the results of observing the discharge capacity per electrode weight for the lithium secondary battery fabricated in Example 1 of the present invention and the lithium secondary battery fabricated in Comparative Example 1. FIG.
FIG. 7A is a graph showing the results of observing the discharge capacity per weight of active material particles for a lithium secondary battery fabricated by Example 2 of the present invention and a lithium secondary battery fabricated by Comparative Example 2. FIG.
FIG. 7B is a graph showing the results of observing the discharge capacity per electrode weight for the lithium secondary battery fabricated in Example 2 of the present invention and the lithium secondary battery fabricated in Comparative Example 2. FIG.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, it should be understood that the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.

다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Whenever a component is referred to as "including" an element throughout the specification, it is to be understood that the element may include other elements, not the exclusion of any other element, unless the context clearly dictates otherwise. Also, singular forms include plural forms unless the context clearly dictates otherwise.

도 1은, 본 발명의 일 구현예에 따른 삼차원 구조 전극과 함께, 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 삼차원 구조 전극의 제조방법을 대략적으로 도시한 것이다. 이하의 설명에서는, 도 1을 참고하여 설명한다. 이와 관련하여, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.FIG. 1 schematically shows a method of manufacturing a three-dimensional structure electrode according to another embodiment of the present invention, together with a three-dimensional structure electrode according to an embodiment of the present invention. The following description will be made with reference to Fig. In this regard, like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

본 발명의 일 구현예에서는, 복수의 고분자 섬유를 포함하는, 다공성 부직포; 활물질 입자; 및 전도성 물질;을 포함하고, 상기 다공성 부직포에 포함된 복수의 고분자 섬유 사이에, 상기 활물질 입자 및 상기 전도성 물질이 균일하게 충진되고, 기공이 형성된 형태인, 삼차원 구조 전극을 제공한다.In one embodiment of the present invention, a porous nonwoven fabric comprising a plurality of polymer fibers; Active material particles; And a conductive material, wherein the active material particles and the conductive material are uniformly filled between the plurality of polymer fibers contained in the porous nonwoven fabric, and pores are formed.

아울러, 상기 삼차원 구조 전극은, 리튬메탈계 산화물, 산화물, 실리콘(Si), 주석(Sn), 게르마늄(Ge), 황(S), 이들의 유도체, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나인 활물질 입자를 사용한다.The three-dimensional structure electrode may include at least one selected from the group consisting of a lithium metal-based oxide, an oxide, silicon (Si), tin (Sn), germanium (Ge), sulfur (S), a derivative thereof, One active material particle is used.

도 1을 참고하면, 상기 삼차원 구조 전극은 3차원 충진 구조(super lattice)로서, 상기 다공성 부직포에 포함된 복수의 고분자 섬유(10)가 지지체 역할을 하며, 상기 복수의 고분자 섬유(10) 사이에는 상기 양극 활물질 입자(20) 및 상기 전도성 물질(30)이 균일하게 충진되고, 상기 복수의 고분자 섬유(10)에 의해 상호 연결된 기공 구조(interconnected porous network)가 형성된 형태이다.1, the three-dimensional structure electrode is a three-dimensional structure (super lattice), in which a plurality of polymer fibers 10 contained in the porous nonwoven fabric serve as a support, and between the plurality of polymer fibers 10 The anode active material particles 20 and the conductive material 30 are uniformly filled and an interconnected porous network is formed by the plurality of polymer fibers 10. [

이는, 첨가 물질의 최소화, 가벼운 소재의 집전체, 및 우수한 전자전도 네트워크의 세 가지 측면이 모두 고려된 형태의 전극이다.This is a type of electrode in which all three aspects of minimizing additive materials, a lightweight current collector, and a good electronic conduction network are all considered.

구체적으로, 별도의 바인더를 포함하지 않음으로써 첨가 물질을 최소화하고, 금속 집전체를 대신하여 가벼운 소재인 상기 다공성 부직포를 사용함으로써, 전극의 무게 및 체적 당 용량을 향상시킬 수 있다.Specifically, the weight of the electrode and the capacity per volume can be improved by minimizing the additive material by not including a separate binder and using the porous nonwoven fabric as a light material in place of the metal current collector.

이와 더불어, 상기 3차원 충진 구조 내 활물질 입자가 상기 전도성 물질에 둘러싸인 형태를 이룸으로써, 전자전도 네트워크를 균일화하여 전기 화학 소자의 고출력 특성에 기여할 수 있고, 이는 일반적인 전극과 대비하여 율별 방전 특성이 향상된 것일 수 있다. 특히, 전자 전도성이 좋지 않은 활물질 입자를 적용할 경우에도 출력 특성이 극대화될 수 있다.In addition, by forming the active material particles in the three-dimensional filling structure surrounded by the conductive material, the electronic conduction network can be made uniform, contributing to high output characteristics of the electrochemical device, and the discharge characteristic can be improved Lt; / RTI > Especially, when the active material particles having poor electron conductivity are applied, the output characteristics can be maximized.

이하, 본 발명의 일 구현예에서 제공하는 삼차원 구조 전극에 대하여, 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the three-dimensional structure electrode provided in one embodiment of the present invention will be described in more detail.

전술한 바와 같이, 상기 삼차원 구조 전극은 상기 다공성 부직포에 포함된 복수의 고분자 섬유(10)가 3차원적으로 불규칙하고 연속적으로 연결된 집합체를 형성함에 따라, 불균일한 다수의 공간을 형성하게 된다.As described above, the three-dimensionally structured electrode forms a plurality of unevenly spaced spaces as a plurality of polymer fibers 10 contained in the porous nonwoven fabric are aggregated three-dimensionally irregularly and continuously.

이처럼 형성된 공간 사이에, 상기 활물질 입자 및 상기 전도성 물질이 균일하게 충진되고, 상기 복수의 고분자 섬유(10)에 의해 상호 연결된 기공 구조(interconnected porous network)가 형성된다.Between the spaces thus formed, the active material particles and the conductive material are uniformly filled, and an interconnected porous network is formed by the plurality of polymer fibers 10.

구체적으로, 상기 삼차원 구조 전극의 기공도는, 5 내지 95 부피%인 것일 수 있다. 기공도가 상기 범위 내인 경우, 전해질을 용이하게 흡수할 수 있는 동시에 이온의 이동도를 적절하게 조절할 수 있어, 전기화학소자의 성능 개선에 기여할 수 있다. Specifically, the porosity of the three-dimensional structure electrode may be 5 to 95% by volume. When the porosity is within the above range, the electrolyte can be easily absorbed and the mobility of ions can be appropriately controlled, thereby contributing to the improvement of the performance of the electrochemical device.

다만, 95 부피%를 초과하는 경우 전극의 로딩값이 체적에 비해 너무 작아지는 문제가 발생하고, 상기 활물질 입자 및 상기 전도성 물질 간의 거리가 멀어져 전자전도 네트워크가 잘 형성되지 않을 수 있다. 이와 달리, 5 부피% 미만인 경우에는 기공도가 너무 작아 삼차원 구조 전극의 이온 전도성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 이에, 상기와 같이 기공도를 한정하는 바이다.However, if it exceeds 95% by volume, there arises a problem that the loading value of the electrode is too small as compared with the volume, and the distance between the active material particles and the conductive material is distant, and the electronic conduction network may not be formed well. On the other hand, if the volume ratio is less than 5 vol%, the ion conductivity of the three-dimensional structure electrode may be deteriorated because the porosity is too small. Thus, the porosity is limited as described above.

더욱 구체적으로, 상기 삼차원 구조 전극의 기공도는 30 내지 90 부피 %일 수 있고, 이 경우 상기 삼차원 구조 전극의 이온 전도성이 더욱 높아지며, 기계적 강도가 향상될 수 있다.More specifically, the porosity of the three-dimensional structure electrode may be 30 to 90% by volume. In this case, the ion conductivity of the three-dimensional structure electrode may be further increased and the mechanical strength may be improved.

아울러, 상기 삼차원 구조 전극의 기공도는, 상기 활물질 입자의 직경 또는 함량에 의해 제어될 수 있는 것이며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.In addition, the porosity of the three-dimensional structure electrode can be controlled by the diameter or content of the active material particles, which will be described later.

한편, 상기 삼차원 구조 전극에 포함된 각 물질의 함량에 대해, 다음과 같이 설명한다.The content of each material contained in the three-dimensional structure electrode will be described as follows.

상기 삼차원 구조 전극 내 다공성 부직포의 함량은, 상기 삼차원 구조 전극의 총 중량에 대한 중량%로, 5 내지 70 %인 것일 수 있다. 금속 집전체 대신 상기 범위의 다공성 부직포를 함유함으로써, 전극의 중량 당, 체적 당 용량을 증대시킬 수 있다.The content of the porous nonwoven fabric in the three-dimensional structure electrode may be 5 to 70% by weight based on the total weight of the three-dimensional structure electrode. By containing the porous nonwoven fabric in the above range instead of the metal current collector, the capacity per volume and volume of the electrode can be increased.

다만, 70 중량%를 초과하는 경우 상기 다공성 부직포에 대비하여 상기 활물질 입자 및 상기 전도성 물질의 함량이 지나치게 줄어들고, 이에 따라 전자 전도성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 이와 달리, 5 중량% 미만인 경우에는 상기 다공성 부직포가 지지체의 역할을 충분히 수행하지 못하며, 이로 인해 삼차원 구조 전극의 구조를 유지할 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 이 때문에, 상기와 같이 삼차원 구조 전극 내 다공성 부직포의 함량을 한정하는 바이다.However, if it exceeds 70% by weight, the content of the active material particles and the conductive material may be excessively reduced as compared with the porous nonwoven fabric, resulting in a problem of deteriorated electron conductivity. On the other hand, if the content is less than 5% by weight, the porous nonwoven fabric does not sufficiently perform the role of the support, and the structure of the three-dimensional structure electrode can not be maintained. Therefore, the content of the porous nonwoven fabric in the three-dimensional structure electrode is limited as described above.

상기 삼차원 구조 전극 내 활물질 입자의 함량은, 상기 삼차원 구조 전극의 총 중량에 대한 중량%로, 20 내지 95 %인 것일 수 있다. 이러한 범위를 만족할 경우, 전기 화학 소자의 용량 및 에너지 밀도를 향상시킬 수 있고, 상기 범위의 삼차원 구조 전극의 기공도를 형성하는 데 기여한다.The content of the active material particles in the three-dimensional structure electrode may be 20 to 95% by weight based on the total weight of the three-dimensional structure electrode. When this range is satisfied, the capacity and the energy density of the electrochemical device can be improved, and the porosity of the three-dimensional structure electrode in the above range can be formed.

이는, 상기 활물질 입자가 상기 삼차원 구조 전극을 구성하는 물질 중 전기 화학 소자의 용량 및 에너지 밀도 발현에 실질적으로 기여하는 요인이며, 상기 삼차원 구조 전극 내 활물질 입자의 함량이 상기 삼차원 구조 전극의 기공도를 결정하는 요인 중 하나가 되기 때문이다.This is because the active material particles substantially contribute to the expression of the capacity and the energy density of the electrochemical device among the materials constituting the three-dimensional structure electrode, and the content of the active material particles in the three-dimensional structure electrode is the porosity of the three- This is one of the determining factors.

다만, 95 중량%를 초과하는 경우 상기 다공성 부직포에 대비하여 상기 활물질 입자의 함량이 지나치게 상기 다공성 부직포가 지지체의 역할을 충분히 수행하지 못하고, 이로 인해 삼차원 구조 전극의 구조를 유지하지 못하는 의 문제가 발생할 수 있다. 이와 달리, 20 중량% 미만인 경우에는 상기 활물질 입자 및 상기 전도성 물질 간의 전자전도 네트워크를 형성하기 어렵고, 이로 인해 전극의 출력 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 이 때문에, 상기와 같이 삼차원 구조 전극 내 활물질 입자의 함량을 한정하는 바이다.However, if it exceeds 95% by weight, the content of the active material particles in excess of the porous nonwoven fabric may not sufficiently perform the role of the support, and thus the structure of the three-dimensional structure electrode may not be maintained . On the other hand, if it is less than 20% by weight, it is difficult to form an electronic conduction network between the active material particles and the conductive material, and the output characteristics of the electrode may be deteriorated. Therefore, the content of the active material particles in the three-dimensional structure electrode is limited as described above.

상기 삼차원 구조 전극 내 활물질 입자 및 전도성 물질의 함량 비율은, 상기 활물질 입자에 대한 상기 전도성 물질의 중량 비율로, 0.1:100 내지 50:100인 것일 수 있다. 상기 범위의 전도성 물질을 함유함으로써, 전극 내 전자전도 네트워크를 제공하여 전기 화학 소자의 출력을 향상시키는 데 기여할 수 있다. The ratio of the active material particles and the conductive material in the three-dimensional structure electrode may be 0.1: 100 to 50: 100 in terms of the weight ratio of the conductive material to the active material particles. By containing the conductive material within the above range, it is possible to contribute to improving the output of the electrochemical device by providing an electronic conduction network in the electrode.

다만, 상기 범위를 초과하는 전도성 물질을 함유할 경우에는 그 제조를 위한 방사 용액의 분산 상태가 유지되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 이에 대해서는 후술할 본 발명의 다른 일 구현에서 보다 자세히 설명한다. 이와 달리, 상기 범위 미만인 경우에는 전도성 물질에 의한 전자전도 네트워크 형성이 불충분하여 전극의 출력특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있기 때문에, 상기와 같이 활물질 입자 및 전도성 물질의 함량 비율을 한정하는 바이다.However, if the conductive material exceeds the above range, the dispersion state of the spinning solution for the production may not be maintained, which will be described in detail in another embodiment of the present invention to be described later. On the other hand, in the case of less than the above range, since the formation of the electronic conduction network by the conductive material is insufficient, the output characteristics of the electrode may be deteriorated, so that the content ratio of the active material particles and the conductive material is limited as described above.

다른 한편, 상기 삼차원 구조 전극에 포함된 각 물질의 평균 직경에 대해, 다음과 같이 설명한다.On the other hand, the average diameter of each material contained in the three-dimensional structure electrode will be described as follows.

상기 복수의 고분자 섬유의 평균 직경은, 0.001 내지 1000 ㎛인 것일 수 있다. 상기 범위의 평균 직경을 갖는 복수의 고분자 섬유가 3차원적으로 집합체를 형성함에 따라, 상기 활물질 입자 및 상기 전도성 물질이 충진되기에 용이한 공간을 확보할 수 있고, 균일한 기공 구조를 가질 수 있어 전극 내 전해질의 흡수 및 이온의 이동이 원활할 수 있다. The average diameter of the plurality of polymer fibers may be 0.001 to 1000 탆. Since a plurality of polymer fibers having an average diameter in the above range form an aggregate three-dimensionally, it is possible to secure a space easily to fill the active material particles and the conductive material, and to have a uniform pore structure The absorption of the electrolyte in the electrode and the movement of ions can be smooth.

다만, 1000 ㎛를 초과하는 경우 상기 복수의 고분자 섬유에 의해 형성되는 지지체의 두께가 매우 두꺼워져, 상기 활물질 입자 및 상기 전도성 물질이 채워질 기공이 감소하는 문제가 발생할 수 있다. 이와 달리, 0.001 ㎛ 미만인 경우에는 상기 지지체의 역할을 하기에 취약한 물성을 가지는 문제가 발생할 수 있다. 이 때문에, 상기와 같이 복수의 고분자 섬유의 평균 직경을 한정하는 바이다.However, if the thickness exceeds 1000 μm, the thickness of the support formed by the plurality of polymer fibers becomes very thick, and the pores to be filled with the active material and the conductive material may be reduced. On the other hand, when the thickness is less than 0.001 탆, the support may have a poor physical property. Therefore, the average diameter of the plurality of polymer fibers is limited as described above.

구체적으로, 상기 복수의 고분자 섬유의 평균 직경은 약 0.01 내지 1 ㎛일 수 있으며, 이 경우 상기의 효과가 극대화될 수 있다.Specifically, the average diameter of the plurality of polymer fibers may be about 0.01 to 1 탆, and in this case, the above effect can be maximized.

상기 활물질 입자의 평균 직경은, 0.001 내지 30 ㎛, 구체적으로는 0.001 내지 10 ㎛인 것일 수 있다. 이러한 범위의 평균 직경을 갖는 활물질 입자는, 상기 삼차원 구조 전극의 기공도를 전술한 범위로 제어하는 데 기여한다. 또한, 후술할 삼차원 전극의 제조방법에 있어서, 상기 활물질 입자를 포함하는 콜로이드 용액 내 분산성을 향상시키고, 이중 전기 방사 방법에서의 문제 발생을 최소화함으로써 최종적으로 수득된 삼차원 구조 전극의 기공을 균일하게 할 수 있다. The average diameter of the active material particles may be 0.001 to 30 탆, specifically 0.001 to 10 탆. The active material particles having an average diameter in this range contribute to controlling the porosity of the three-dimensional structure electrode to the above-described range. In addition, in the method for producing a three-dimensional electrode to be described later, the dispersibility in the colloid solution containing the active material particles is improved, and the occurrence of problems in the double electrospinning method is minimized, whereby the pores of the finally obtained three- can do.

다만, 30 ㎛를 초과하는 경우에는 그 제조를 위한 방사 용액의 분산 상태가 유지되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 0.001 ㎛미만인 경우에는 입자의 크기가 지나치게 작아 취급하기 힘든 문제가 발생할 수 있기 때문에, 상기와 같이 활물질 입자의 평균 직경을 한정하는 바이다.However, if it is more than 30 탆, there may arise a problem that the dispersion state of the spinning solution for the production thereof is not maintained. On the other hand, if it is less than 0.001 탆, the particle size is too small, The average diameter of the active material particles is limited.

또한, 상기 삼차원 구조 전극의 면적 당 중량 및 두께에 대해, 다음과 같이 설명한다.The weight per unit area and the thickness of the three-dimensional structure electrode will be described as follows.

상기 삼차원 구조 전극의 면적 당 중량은, 0.001mg/cm2 내지 1g/cm2 인 것일 수 있다. 이러한 범위는, 상기 삼차원 구조 전극 내 첨가 물질을 최소화하고, 금속 집전체 대신 상기 다공성 부직포를 사용함에 따라, 전극의 면적 당 중량이 향상된 것에 해당된다. 즉, 상기 범위의 면적 당 중량에 의해, 전기 화학 소자의 용량이 개선될 수 있다.The weight per area of the three-dimensional structure electrode may be 0.001 mg / cm 2 to 1 g / cm 2 . This range corresponds to an increase in the weight per unit area of the electrode as the material added in the three-dimensional structure electrode is minimized and the porous nonwoven fabric is used in place of the metal current collector. That is, the capacity of the electrochemical device can be improved by the weight per area of the above range.

다만, 0.001 mg/cm2 미만인 경우에는 전극의 에너지 밀도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있기 때문에, 상기와 같이 삼차원 구조 전극의 면적 당 중량 하한을 한정하는 바이다.However, if it is less than 0.001 mg / cm 2, the energy density of the electrode may be lowered. Therefore, the lower limit of the weight per unit area of the three-dimensional structure electrode is limited as described above.

한편, 상기 삼차원 구조 전극이 하나의 층으로 형성된 경우, 그 면적 당 중량이 1g/cm2를 초과할 수 없다.On the other hand, when the three-dimensional structure electrode is formed as one layer, its weight per area can not exceed 1 g / cm 2 .

이와 관련하여, 상기 삼차원 구조 전극은, 복수개의 전극이 다층 구조를 형성한 것일 수 있다. 이로써, 상기 활물질 구조 전극 내 활물질 입자의 로딩 값이 극대화 될 수 있고, 그 결과 전기 화학 소자의 용량 및 에너지 밀도를 개선할 수 있다.In this regard, the three-dimensional structure electrode may have a plurality of electrodes formed in a multi-layered structure. As a result, the loading value of the active material particles in the active material structure electrode can be maximized, and as a result, the capacity and the energy density of the electrochemical device can be improved.

구체적으로, 상기 다층 구조인 삼차원 구조 전극의 면적 당 중량은 0.002 g/cm2 내지 10 g/cm2 인 것일 수 있다.Specifically, the weight per area of the three-dimensional structure electrode may be 0.002 g / cm 2 to 10 g / cm 2 .

이와 독립적으로, 상기 삼차원 구조 전극의 두께는, 1 내지 1000 ㎛인 것일 수 있다. 상기 범위 내에서, 두께가 두꺼워질 수록 전극의 에너지 밀도가 우수해질 수 있다. Independent thereto, the thickness of the three-dimensional structure electrode may be 1 to 1000 mu m. Within this range, the thicker the thickness, the better the energy density of the electrode.

일반적으로, 전극의 두께가 두꺼워질수록 두께 방향의 전자 전도성이 저하되어 전지의 출력 특성이 감소되는 문제가 있다. 하지만, 상기 삼차원 구조 전극의 경우, 상기 두께 범위에서, 두께 방향으로도 원활한 전자전도 네트워크가 유지되는 이점이 있다.Generally, as the thickness of the electrode increases, the electron conductivity in the thickness direction decreases, and the output characteristic of the battery decreases. However, in the case of the three-dimensional structure electrode, there is an advantage that a smooth electronic conduction network is maintained in the thickness range and also in the thickness direction.

다른 한편, 상기 삼차원 구조 전극에 포함된 각 물질에 대한 상세한 설명은 다음과 같다.On the other hand, a detailed description of each material contained in the three-dimensional structure electrode is as follows.

상기 복수의 고분자 섬유는 불균일하게 집합되어 상기 다공성 부직포를 형성할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않으나, 상기 상기 복수의 고분자 섬유를 이루는 고분자가 내열성 고분자일 경우 전극의 열 안정성 확보에 유리하다.The plurality of polymer fibers may be unevenly gathered to form the porous nonwoven fabric. However, if the polymer constituting the plurality of polymer fibers is a heat-resistant polymer, it is advantageous for securing thermal stability of the electrode.

구체적으로, 상기 복수의 고분자 섬유를 이루는 고분자는, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리술폰, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에터이미드, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴릭엑시드, 폴리비닐피롤리돈, 아가로즈, 알지네이트, 폴리비닐리덴 헥사플로로프로필렌, 폴리우레탄, 나일론 6, 폴리피롤, 폴리 3,4-에틸렌디옥시티오펜, 폴리아닐린, 이들의 유도체, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것일 수 있다.Specifically, the polymer comprising the plurality of polymer fibers may be at least one selected from the group consisting of polyethylene terephthalate, polyimide, polyamide, polysulfone, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polyethylene, polypropylene, polyetherimide, polyvinyl alcohol , Polyethylene oxide, polyacrylic acid, polyvinylpyrrolidone, agarose, alginate, polyvinylidene hexafluoropropylene, polyurethane, nylon 6, polypyrrole, poly 3,4-ethylenedioxythiophene, polyaniline, derivatives thereof , And a mixture thereof.

이와 독립적으로, 상기 복수의 고분자 섬유를 이루는 고분자는, 카본 나노 튜브(carbon nanotube), 그래핀, 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드, 폴리피롤, 폴리 3,4-에틸렌디옥시티오펜, 폴리아닐린, 이들의 유도체, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것일 수 있고, 카본 나노 섬유(carbon nanotube)일 수 있다. 이 경우, 상기 다공성 부직포의 강도 및 전자 전도도를 향상시킬 수 있다.Independently, the polymer comprising the plurality of polymer fibers may be selected from the group consisting of carbon nanotubes, graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, polypyrrole, poly 3,4-ethylenedioxythiophene, polyaniline, And derivatives thereof, and mixtures thereof, and may be at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes. In this case, the strength and electron conductivity of the porous nonwoven fabric can be improved.

상기 활물질 입자는, 앞서 언급한 리튬메탈계 산화물 산화물, 실리콘(Si), 주석(Sn), 게르마늄(Ge), 황(S), 이들의 유도체, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나인 것일 수 있다. 구체적으로, 리튬메탈계 산화물과 그 유도체는 양극 활물질로 알려져 있으며, 이를 적용한 전은 양극이 될 수 있다. 한편, 산화물, 실리콘(Si), 주석(Sn), 게르마늄(Ge), 황(S), 및 이들의 유도체는, 음극 활물질로 알려져 있으며, 이를 적용한 전은 음극이 될 수 있다.The active material particles may be at least one selected from the group consisting of the lithium metal oxide oxide, silicon (Si), tin (Sn), germanium (Ge), sulfur (S), derivatives thereof, Lt; / RTI > Specifically, the lithium metal oxide and the derivative thereof are known as a cathode active material, and the former can be a cathode. On the other hand, oxide, silicon (Si), tin (Sn), germanium (Ge), sulfur (S) and derivatives thereof are known as negative active materials.

또한, 상기 활물질 입자는, 그 표면이 카본(Carbon)계 화합물로 코팅된 것일 수 있다. 이에 대해서는 일반적으로 널리 알려진 바와 같기에, 자세한 설명을 생략한다.The active material particles may be coated with a carbon-based compound. Since this is generally known, a detailed description will be omitted.

상기 활물질 입자 중 리튬메탈계 산화물은, 리튬니켈계 산화물, 리튬코발트계 산화물, 리튬망간계 산화물, 리튬타이타늄계 산화물, 리튬니켈망간계 산화물, 리튬니켈코발트망간계 산화물, 리튬니켈코발트알루미늄계 산화물, 리튬인산철계 산화물, 리튬인산바나듐계 산화물, 리튬인산망간계, 리튬망간실리케이트계 산화물, 리튬철실리케이트계 산화물, 및 이들의 조합을 포함하는 군 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.Wherein the lithium metal oxide is at least one selected from the group consisting of lithium nickel oxide, lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide, lithium titanium oxide, lithium nickel manganese oxide, lithium nickel cobalt manganese oxide, lithium nickel cobalt aluminum oxide, And at least one selected from the group consisting of lithium iron phosphate-based oxide, lithium phosphate-based oxide, lithium manganese-based oxide, lithium manganese silicate-based oxide, lithium iron silicate-based oxide, and combinations thereof.

즉, 코발트, 망간, 니켈 또는 이들의 조합의 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. 그 구체적인 예로는, 하기 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다. That is, at least one of cobalt, manganese, nickel, or a composite oxide of a metal and lithium in combination thereof may be used. As a specific example thereof, a compound represented by any one of the following formulas can be used.

LiaA1-bRbD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1-bRbO2-cDc(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 및 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2-bRbO4-cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1 -b- cCobRcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cCobRcO2 - αZα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cCobRcO2-αZ2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbRcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cMnbRcO2-αZα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbRcO2 - αZ2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5 및 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5 및 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiTO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); 및 LiFePO4, LiMnPO4, LiCoPO4, Li3V2(PO4)3, Li4Ti5O12, LiMnSiO4, LiFeSiO4.Li a A 1-b R b D 2 wherein, in the formula, 0.90? A? 1.8 and 0? B? 0.5; Li a E 1- bR b O 2 -c D c wherein, in the formula, 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, and 0? C? 0.05; LiE (in the above formula, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05) 2-b R b O 4-c D c; Li a Ni 1 -b- c Co b R c D α where 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α ≦ 2; Li a Ni 1 -b- c Co b R c O 2 - ? Z ? Where 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05 and 0 <? LiaNi1-b-cCobRcO2-? Z2 wherein 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05 and 0 <? <2; Li a Ni 1 -b- c Mn b R c D ? Wherein, in the formula, 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, and 0 <? Li a Ni 1-bc Mn b R c O 2 -? Z ? Where 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05 and 0 <? Li a Ni 1 -b- c Mn b R c O 2 - ? Z 2 wherein 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05 and 0 <? Li a Ni b E c G d O 2 wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, and 0.001 ≤ d ≤ 0.1; Li a Ni b Co c Mn d GeO 2 wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤ 0.5, and 0.001 ≤ e ≤ 0.1; Li a NiG b O 2 (in the above formula, 0.90? A? 1.8 and 0.001? B? 0.1); Li a CoG b O 2 (in the above formula, 0.90? A? 1.8 and 0.001? B? 0.1); Li a MnGbO 2 (in the above formula, 0.90? A? 1.8 and 0.001? B? 0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (in the above formula, 0.90? A? 1.8 and 0.001? B? 0.1); QO 2; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiTO 2 ; LiNiVO 4; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0? F? 2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0? F? 2); And LiFePO 4, LiMnPO 4, LiCoPO 4 , Li 3 V 2 (PO 4) 3, Li 4 Ti 5 O 12, LiMnSiO 4, LiFeSiO 4.

상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn 또는 이들의 조합이고; R은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn 또는 이들의 조합이고; Z는 F, S, P 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn 또는 이들의 조합이고; T는 Cr, V, Fe, Sc, Y 또는 이들의 조합이고; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu 또는 이들의 조합이다.In the above formula, A is Ni, Co, Mn or a combination thereof; R is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, a rare earth element or a combination thereof; D is O, F, S, P or a combination thereof; E is Co, Mn or a combination thereof; Z is F, S, P or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V or a combination thereof; Q is Ti, Mo, Mn or a combination thereof; T is Cr, V, Fe, Sc, Y or a combination thereof; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu or a combination thereof.

아울러, 상기 활물질 입자 중 산화물은, 철계 산화물, 코발트계 산화물, 주석계 산화물, 타이타늄계 산화물, 니켈계 산화물, 징크계 산화물, 망간계 산화물, 실리콘계 산화물, 바나듐계 산화물, 구리계 산화물, 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.The oxide of the active material particle may be at least one selected from the group consisting of an iron-based oxide, a cobalt-based oxide, a tin-based oxide, a titanium-based oxide, a nickel-based oxide, a zinc-based oxide, a manganese-based oxide, a silicon-based oxide, a vanadium- And combinations thereof.

즉, FexOy, CoxOy, SnOy, TiOy, NiO, MnxOy, SixOy, VxOy, CuxOy 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다(상기 식에서, 0.90 ≤ x ≤ 2.2 및 0.9 ≤ y ≤ 6이다). That is, Fe x O y, Co x O y, S n O y, TiO y, NiO, Mn x O y, Si x O y, V x O y, Cu x O y is selected from the group comprising a combination thereof (Where 0.90? X? 2.2 and 0.9? Y? 6).

구체적으로, 후술할 실시예에서는 상기 활물질 입자로 리튬인산철(LiFePO4)을 선택하였다.Specifically, lithium phosphate (LiFePO 4 ) was selected as the active material particle in the following examples.

한편, 상기 전도성 물질은, 전자전도 네트워크를 형성할 수 있는 물질이라면 특별히 한정되지 않는다.On the other hand, the conductive material is not particularly limited as long as it is a material capable of forming an electronic conduction network.

예를 들면, 카본 나노 튜브(carbon nanotube), 은 나노와이어, 니켈 나노와이어, 금 나노와이어, 그래핀, 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드, 폴리피롤, 폴리 3,4-에틸렌디옥시티오펜, 폴리아닐린, 이들의 유도체 및 이들의 혼합물을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나인 것일 수 있다.For example, carbon nanotubes, silver nanowires, nickel nanowires, gold nanowires, graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, polypyrrole, poly 3,4-ethylenedioxythiophene, polyaniline , Derivatives thereof, and mixtures thereof.

상기 삼차원 구조 전극에 대한 설명은 다음과 같다.The three-dimensional structure electrode will be described as follows.

상기 삼차원 구조 전극은, 극성일 수 있다. 이 경우, 전해질에 대해 우수한 젖음성(wettability)을 구현할 수 있다. The three-dimensional structure electrode may be polar. In this case, excellent wettability with respect to the electrolyte can be realized.

상기 삼차원 구조 전극은, 양극 또는 음극 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The three-dimensional structure electrode may be any one selected from a positive electrode and a negative electrode.

상기 삼차원 구조 전극은, 고분자를 용매에 용해시켜, 고분자 용액을 제조하는 단계; 활물질 입자 및 전도성 물질을 분산매에 분산시켜, 콜로이드 용액을 제조하는 단계; 상기 고분자 용액 및 상기 콜로이드 용액을 동시에 방사하여, 삼차원 구조 섬유를 제조하는 단계; 및 상기 삼차원 구조 섬유를 압착하여, 삼차원 구조 전극을 수득하는 단계;를 포함하고, 상기 고분자 용액 및 상기 콜로이드 용액을 동시에 방사하여, 삼차원 구조 섬유를 제조하는 단계;는, 복수의 고분자 섬유를 포함하는 다공성 부직포를 형성시키고, 상기 다공성 부직포에 포함된 복수의 고분자 섬유 사이에, 상기 활물질 입자 및 상기 전도성 물질이 균일하게 충진시키고, 기공을 형성시키는 일련의 공정을 통해 제조될 수 있다.The three-dimensional structure electrode may include a step of dissolving the polymer in a solvent to prepare a polymer solution; Dispersing the active material particles and the conductive material in a dispersion medium to prepare a colloid solution; Simultaneously spinning the polymer solution and the colloidal solution to prepare a three-dimensional structural fiber; And compressing the three-dimensional structural fibers to obtain a three-dimensional structure electrode, wherein the step of simultaneously spinning the polymer solution and the colloidal solution to produce a three-dimensional structural fiber comprises: A porous nonwoven fabric may be formed and a plurality of polymer fibers contained in the porous nonwoven fabric may be manufactured through a series of processes in which the active material particles and the conductive material are uniformly filled and pores are formed.

이는, 상기 고분자 용액 및 상기 콜로이드 용액의 두 가지 용액을 동시에 분사함으로써, 전술한 바와 같이 우수한 특성의 삼차원 구조 전극을 제조하는 방법이다.This is a method for producing a three-dimensional structure electrode having excellent characteristics as described above by simultaneously spraying the two solutions of the polymer solution and the colloid solution.

상기 일련의 공정에서, 상기 활물질 입자로는, 리튬메탈계 산화물, 산화물, 실리콘(Si), 주석(Sn), 게르마늄(Ge), 황(S), 이들의 유도체, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 사용한다.In the above series of processes, the active material particles may include a lithium metal oxide, an oxide, silicon (Si), tin (Sn), germanium (Ge), sulfur (S), derivatives thereof, At least one selected from the group is used.

구체적으로, 상기 활물질 입자 및 전도성 물질을 포함하는 콜로이드 용액을 상기 고분자 용액과 동시에 방사함으로써, 지지체의 역할을 하는 복수의 고분자 섬유에 의해 상호 연결된 기공 구조(interconnected porous network)를 형성하고, 상기 활물질 입자 및 상기 전도성 물질에 의한 3차원 밀집 충진 구조를 형성하여, 삼차원 구조 전극을 제조하는 방법인 것이다.Specifically, a colloidal solution containing the active material particles and the conductive material is simultaneously radiated with the polymer solution to form an interconnected porous network by a plurality of polymer fibers serving as a support, And forming a three-dimensional dense packing structure by the conductive material, thereby manufacturing a three-dimensional structure electrode.

이하, 본 발명의 일 구현예에서 제공하는 삼차원 구조 전극의 제조방법에 대해 자세히 설명하며, 전술한 것과 중복되는 설명은 생략한다.Hereinafter, a method of manufacturing a three-dimensional structure electrode provided in an embodiment of the present invention will be described in detail, and a description overlapping with the above description will be omitted.

상기 고분자 용액 및 상기 콜로이드 용액을 동시에 방사하여, 삼차원 구조 섬유를 제조하는 단계;에 대해, 다음과 같이 설명한다.And simultaneously spinning the polymer solution and the colloidal solution to produce a three-dimensional structural fiber, will be described as follows.

이는, 상기 고분자 용액 및 상기 콜로이드 용액을 동시에 방사할 수 있는 방법이라면 특별히 한정되지 않으나, 이중 전기 방사, 이중 전기 분무(electrospray), 이중 스프레이(spray), 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나의 방법인 것일 수 있다. This is not particularly limited as long as the polymer solution and the colloidal solution can be simultaneously radiated. However, any method selected from the group including double electrospinning, electrospray, double spray, It may be one way.

구체적으로는, 이중 전기 방사의 방법을 사용할 수 있으며, 상기 3차원 밀집 충전 구조 및 균일한 기공을 형성하기에 유리하다.Specifically, a double electrospinning method can be used, which is advantageous for forming the three-dimensional dense filling structure and uniform pores.

또한. 50 분 내지 24 시간 동안 수행되는 것일 수 있다. 이러한 수행 시간의 범위 내에서 상기 삼차원 구조 전극이 형성될 수 있으며, 특히 수행 시간이 늘어남에 따라 상기 삼차원 구조 전극 내 활물질 입자의 로딩 값을 향상시킬 수 있다.Also. 50 minutes to 24 hours. The three-dimensional structure electrode can be formed within the range of the execution time, and the loading value of the active material particles in the three-dimensional structure electrode can be improved as the execution time increases.

상기 고분자 용액의 방사 속도는 2 내지 15 ㎕/min이고, 상기 콜로이드 용액의 방사 속도는 30 내지 100 ㎕/min인 것일 수 있다. 이러한 각 용액의 방사 속도 범위를 모두 만족할 때, 상기 삼차원 구조 전극이 형성될 수 있다. 특히, 상기 콜로이드 용액의 방사 속도를 상기 범위 내에서 증가시킬 경우, 상기 삼차원 구조 전극 내 활물질 입자의 로딩 값을 향상시킬 수 있다.The spinning speed of the polymer solution may be 2 to 15 μl / min, and the spinning speed of the colloid solution may be 30 to 100 μl / min. When the spinning speed range of each solution is satisfied, the three-dimensional structure electrode can be formed. Particularly, when the spinning speed of the colloid solution is increased within the above range, the loading value of the active material particles in the three-dimensional structure electrode can be improved.

다만, 상기 고분자 용액 방사 속도의 범위를 만족하지 않는 경우 상기 고분자 용액이 고르게 방사되지 못하여 비드(bead)가 형성되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 콜로이드 용액 방사 속도의 범위를 만족하지 않는 경우 상기 콜로이드 용액이 균일하게 방사되지 못하고 커다란 방울 상태로 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 이로 인해, 각 용액의 방사 속도를 상기와 같이 각각 한정하는 바이다.However, if the range of the spinning rate of the polymer solution is not satisfied, the polymer solution may not be uniformly radiated to form a bead. In addition, if the colloidal solution spinning rate is not satisfied, the colloid solution may not be uniformly radiated and fall into a large droplet state. For this reason, the spinning speed of each solution is individually limited as described above.

한편, 고분자를 용매에 용해시켜, 고분자 용액을 제조하는 단계;에 대해, 다음과 같이 설명한다.On the other hand, the step of dissolving the polymer in a solvent to prepare a polymer solution will be described as follows.

상기 고분자 용액 내 고분자의 함량은, 상기 고분자 용액의 총 중량에 대한 중량%로, 5 내지 30 %인 것일 수 있다. 이러한 범위를 만족할 경우 상기 고분자 용액의 분사에 의해 복수의 고분자 섬유가 형성되고, 이를 통해 상기 다공성 부직포가 형성될 수 있다.The content of the polymer in the polymer solution may be 5 to 30% by weight based on the total weight of the polymer solution. When the above range is satisfied, a plurality of polymer fibers are formed by the injection of the polymer solution, whereby the porous nonwoven fabric can be formed.

다만, 30 중량%를 초과하는 경우 상기 고분자 용액의 방사가 원활하지 않은 문제, 구체적으로, 상기 고분자 용액이 방사되는 노즐의 끝에서 굳어져 방사가 어려운 문제가 발생할 수 있다. 이와 달리, 5 중량% 미만인 경우에는 상기 고분자 용액이 고르게 방사되지 못하고 비드(Bead)가 형성되는 문제가 발생할 수 있다. 이를 고려하여, 상기와 같이 고분자 용액 내 고분자의 함량을 한정하는 바이다.However, if it exceeds 30% by weight, the polymer solution may not be radiated smoothly. In particular, the polymer solution may harden at the end of the nozzle through which the polymer solution is radiated. On the other hand, if it is less than 5% by weight, the polymer solution may not be uniformly radiated and a bead may be formed. In consideration of this, the content of the polymer in the polymer solution is limited as described above.

상기 용매는, 상기 고분자를 용해시킬 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide), 디메틸 아세트아미드(N,N-dimethylacetamide), 메틸피롤리돈(N,N-Methylpyrrolidone), 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나인 것일 수 있다.The solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the polymer. At least one selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-methylpyrrolidone, Lt; / RTI &gt;

또한, 활물질 입자 및 전도성 물질을 분산매에 분산시켜, 콜로이드 용액을 제조하는 단계;에 대해, 다음과 같이 설명한다.The step of dispersing the active material particles and the conductive material in a dispersion medium to prepare a colloidal solution is described as follows.

상기 콜로이드 용액 내 활물질 입자의 함량은, 상기 콜로이드 용액의 총 중량에 대한 중량%로, 1 내지 50 %인 것일 수 있다. 이러한 범위로 상기 콜로이드 용액 내 활물질 입자의 함량을 제어함으로써, 상기 삼차원 구조 전극 내 기공도를 조절할 수 있다.The content of the active material particles in the colloidal solution may be 1 to 50% by weight based on the total weight of the colloidal solution. By controlling the content of the active material particles in the colloidal solution to such a range, the porosity in the three-dimensional structure electrode can be controlled.

다만, 50 중량%를 초과하는 경우 상기 활물질 입자의 분산이 유지 되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 1 중량% 미만인 경우에는 삼차원 전극의 로딩 값이 너무 작아지는 문제가 발생할 수 있기 때문에, 상기와 같이 콜로이드 용액 내 활물질 입자의 함량을 한정하는 바이다.However, if it exceeds 50% by weight, dispersion of the active material particles may not be maintained, and if it is less than 1% by weight, the loading value of the three-dimensional electrode may become too small. Thereby limiting the content of the active material particles in the solution.

상기 단계에 대해 더욱 구체적 설명하면, 상기 활물질 입자를 분쇄하는 단계; 및 상기 분쇄된 활물질 입자 및 상기 전도성 물질을 상기 분산매에 분산시켜, 상기 콜로이드 용액을 제조하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.More specifically, the step of crushing the active material particles comprises: And dispersing the pulverized active material particles and the conductive material in the dispersion medium to prepare the colloidal solution.

이는, 상기 콜로이드 용액 내 상기 활물질 입자의 균일한 분산을 위한 것으로, 상기 상기 활물질 입자의 평균 직경을 한정한 것과 관련된 것이다. 구체적으로, 상기 콜로이드 제조 전 ㎛ 단위의 평균 직경을 가지는 활물질 입자에 대해, ㎚ 단위의 평균 직경을 가지도록 분쇄할 경우, 상기 콜로이드 용액 내 균일하게 분산되기 유리하다. This is for uniform dispersion of the active material particles in the colloidal solution and relates to limiting the average diameter of the active material particles. Specifically, when the active material particles having an average diameter in the unit of μm before the production of the colloid are pulverized to have an average diameter in the unit of nm, it is advantageous to uniformly disperse the particles in the colloid solution.

물론, 전술한 바와 같이, 상기 활물질 입자가 이미 ㎚ 단위 (즉, 0.001 ㎛ 이상 0.01 ㎛ 미만)의 평균 직경을 가지고 있다면, 이와 같은 분쇄 단계가 불필요할 수도 있다.Of course, as described above, if the active material particles already have an average diameter of nm units (i.e., 0.001 mu m or more and less than 0.01 mu m), such a pulverization step may be unnecessary.

이와 독립적으로, 상기 활물질 입자에 상기 전도성 물질을 투입하여, 혼합 분말을 제조하는 단계; 상기 혼합 분말을 분쇄하여, 활물질 입자/전도성 물질 복합체를 수득하는 단계; 및 상기 복합체를 상기 분산매에 분산시켜, 상기 콜로이드 용액을 제조하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.Independently from each other, adding the conductive material to the active material particles to produce a mixed powder; Pulverizing the mixed powder to obtain an active material particle / conductive material composite; And dispersing the complex in the dispersion medium to prepare the colloidal solution.

이는, 전술한 바와 같이 상기 활물질 입자를 분쇄시킴으로써 균일한 분산을 도모하고, 상기 전도성 물질과의 복합체를 형성함으로써 상기 활물질 입자의 표면에 대해 전자 전도성을 더욱 부여할 수 있다,This is because, as described above, by uniformly dispersing the active material particles by pulverizing the active material particles and forming a complex with the conductive material, electron conductivity can further be imparted to the surface of the active material particles.

상기 콜로이드 용액 내 활물질 입자 및 전도성 물질의 함량 비율은, 상기 활물질 입자에 대한 상기 전도성 물질의 중량 비율로, 0.1:100 내지 50:100인 것일 수 있다. The content ratio of the active material particles and the conductive material in the colloidal solution may be 0.1: 100 to 50: 100 in terms of the weight ratio of the conductive material to the active material particles.

상기 범위의 전도성 물질을 함유함으로써, 전극 내 전자전도 네트워크를 제공하여 전기 화학 소자의 출력을 향상시키는 데 기여할 수 있으며, 상기 상한 및 하한의 한정 이유는 전술한 바와 같다.The inclusion of the conductive material in the above range can contribute to enhancement of the output of the electrochemical device by providing an electronic conductivity network in the electrode, and the reason for the limitation of the upper limit and the lower limit is as described above.

상기 콜로이드 용액은 분산제를 더 포함하는 것이고, 상기 콜로이드 용액 내 분산제의 함량은, 상기 콜로이드 용액의 총 중량에 대한 중량%로, 0.001 내지 10 %인 것일 수 있다.The colloid solution may further comprise a dispersing agent, and the content of the dispersing agent in the colloid solution may be 0.001 to 10% by weight based on the total weight of the colloid solution.

상기 분산제는 상기 범위로 포함될 때, 상기 콜로이드 용액 내 활물질 입자 및 전도성 물질의 분산을 도울 수 있다. When the dispersant is included in the above range, dispersion of the active material particles and conductive material in the colloid solution can be assisted.

다만, 10 중량%를 초과하는 경우 분산제의 양이 너무 많아 상기 콜로이드 용액의 점도를 지나치게 높이는 문제가 발생할 수 있고, 0.001 중량% 미만인 경우에는 분산제의 양이 너무 적어 분산제로서의 역할을 하지 못하는 문제가 발생할 수 있기 때문에, 상기와 같이 함량을 한정하는 바이다.However, if the amount of the dispersing agent is more than 10% by weight, the amount of the dispersing agent may be excessively high, resulting in an excessively high viscosity of the colloid solution. If the amount is less than 0.001% by weight, The content is limited as described above.

구체적으로, 상기 분산제는, 폴리비닐피롤리돈, 폴리3,4-에틸렌디옥시티오펜, 및 이들의 혼합물울 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나인 것일 수 있다.Specifically, the dispersant may be at least one selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone, poly 3,4-ethylenedioxythiophene, and mixtures thereof.

또한, 상기 분산매는 상기 활물질 입자 및 상기 전도성 물질을 분산시킬 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 증류수(deionized water), 이소프로필알콜(iso-propylalcohol), 부탄올(buthalol), 에탄올(ethanol), 헥산올(hexanol), 아세톤(Acatone), 디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide), 디메틸아세트아마이드(N,N-dimethylacetamide), 메틸 피롤리돈(N,N-Methylpyrrolidone) 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.The dispersion medium is not particularly limited as long as it can disperse the active material particles and the conductive material. For example, deionized water, iso-propylalcohol, buthalol, ethanol, hexanol, acetone, N, N-dimethylformamide, , N, N-dimethylacetamide, N, N-methylpyrrolidone, and combinations thereof.

본 발명의 다른 일 구현예에서는, 양극; 음극; 상기 양극 및 음극 사이에 위치하는 분리막; 상기 양극, 음극 및 분리막에 함침된 전해질;을 포함하고, 상기 양극 또는 상기 음극 중 적어도 하나는, 전술한 삼차원 구조 전극인 것인, 전기 화학 소자를 제공한다.In another embodiment of the present invention, cathode; A separator disposed between the anode and the cathode; And an electrolyte impregnated into the positive electrode, the negative electrode, and the separator, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode is the three-dimensional structure electrode described above.

이는, 전술한 특징을 가진 삼차원 구조 전극을 포함함으로써, 전극의 무게 및 체적 당 용량이 우수하고, 고에너지 밀도 및 고출력 특성을 지닌 전기 화학 소자에 해당된다.This corresponds to an electrochemical device having a high energy density and a high output characteristic by including a three-dimensional structure electrode having the above-mentioned characteristics, and having an excellent capacity per weight and volume per electrode.

상기 전기 화학 소자는, 리튬 이차 전지, 수퍼커패시터(Super Capacitor), 리튬-황 전지, 나트륨 이온 전지, 리튬-공기 전지, 징크-공기 전지, 알루미늄-공기 전지, 및 마그네슘 이온 전지를 포함하는 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.The electrochemical device includes a group including a lithium secondary battery, a super capacitor, a lithium-sulfur battery, a sodium ion battery, a lithium-air battery, a zinc-air battery, an aluminum-air battery, and a magnesium ion battery It can be any one selected.

구체적으로는, 리튬 이차 전지일 수 있으며, 이에 대한 실시예를 후술하였다. 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 섬유 구조 전극을 포함하는 리튬 이차 전지 모듈의 개략도이다.Specifically, it may be a lithium secondary battery, and an embodiment thereof is described below. 2 is a schematic view of a lithium secondary battery module including a three-dimensional fiber structure electrode according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지(200)는 양극(212), 음극(213) 및 상기 양극(212)과 음극(213) 사이에 배치된 분리막(100), 상기 양극(212), 음극(213) 및 분리막(100)에 함침된 전해질(미도시)을 포함하며, 여기에 전지 용기(220), 및 상기 전지 용기(220)를 봉입하는 봉입 부재(240)를 주된 부분으로 하여 이차 전지 모듈이 구성될 수 있다. 2, a lithium secondary battery 200 according to an embodiment of the present invention includes an anode 212, a cathode 213, a separation membrane 100 disposed between the anode 212 and the cathode 213, (Not shown) impregnated into the anode 212, the cathode 213 and the separator 100 and includes a battery container 220 and a sealing member 240 for sealing the battery container 220 The secondary battery module can be configured as a main part.

일반적으로, 상기 리튬 이차전지(200)는 양극 활물질을 포함하는 양극(212)과 음극 활물질을 포함하는 음극(213)의 사이에 분리막(100)을 개재시키고, 양극(212), 음극(213) 및 분리막(100)을 전지 용기(220)에 수납하고, 리튬 이차전지용 전해질을 주입한 후, 전지 용기(220)를 밀폐시켜 분리막(100)의 기공에 리튬 이차전지용 전해질이 함침되도록 하여 제조될 수 있다. 상기 전지 용기(220)는 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등의 다양한 형태일 수 있다. 원통형 리튬 이차전지의 경우는, 양극(212), 음극(213) 및 분리막(100)를 차례로 적층한 다음 스피럴 상으로 권취된 상태로 전지 용기(220)에 수납하여 리튬 이차 전지를 구성할 수 있다. The lithium secondary battery 200 includes a separator 100 interposed between a positive electrode 212 including a positive electrode active material and a negative electrode 213 including a negative electrode active material and a positive electrode 212 and a negative electrode 213, And the separator 100 are accommodated in the battery container 220 and the electrolyte for the lithium secondary battery is injected into the pores of the separator 100 by sealing the battery container 220 after the electrolyte for the lithium secondary battery is injected. have. The battery container 220 may have various shapes such as a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, and a pouch shape. In the case of a cylindrical lithium secondary battery, a lithium secondary battery can be constructed by stacking an anode 212, a cathode 213, and a separator 100 in this order and then winding them in a spiral wound state in a battery container 220 have.

리튬 이차 전지의 구조와 제조 방법은 이 분야에 널리 알려져 있으므로 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.Since the structure and manufacturing method of the lithium secondary battery are well known in the art, a detailed description thereof will be omitted in order to avoid an ambiguous interpretation of the present invention.

또한, 상기 전해질로는 유기 용매에 리튬 염을 용해시킨 비수전해질, 폴리머 전해질, 무기 고체전해질, 폴리머 전해질 및 무기 고체전해질과의 복합 재료 등이 사용될 수 있다.Also, as the electrolyte, a nonaqueous electrolyte in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent, a polymer electrolyte, an inorganic solid electrolyte, a polymer electrolyte, and a composite material with an inorganic solid electrolyte may be used.

비수전해질의 비수성 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다. 비수성 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다. 비수성 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 널리 이해될 수 있다. 비수전해질의 비수성 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다. 비수성 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다. 비수성 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 널리 이해될 수 있다.The non-aqueous organic solvent of the non-aqueous electrolyte serves as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move. As the non-aqueous organic solvent, a carbonate-based, ester-based, ether-based, ketone-based, alcohol-based or aprotic solvent may be used. The non-aqueous organic solvent may be used singly or in combination of one or more thereof. In the case of mixing one or more of them, the mixing ratio may be suitably adjusted in accordance with the performance of the desired battery, which is widely understood by those skilled in the art . The non-aqueous organic solvent of the non-aqueous electrolyte serves as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move. As the non-aqueous organic solvent, a carbonate-based, ester-based, ether-based, ketone-based, alcohol-based or aprotic solvent may be used. The non-aqueous organic solvent may be used singly or in combination of one or more thereof. In the case of mixing one or more of them, the mixing ratio may be suitably adjusted in accordance with the performance of the desired battery, which is widely understood by those skilled in the art .

상기 리튬 염은 비수성 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질이다. The lithium salt is dissolved in a non-aqueous organic solvent to act as a source of lithium ions in the battery to enable the operation of a basic lithium secondary battery and to promote the movement of lithium ions between the positive and negative electrodes .

상기 리튬 염의 대표적인 예로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x + 1SO2)(CyF2y + 1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI, LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB) 또는 이들의 조합을 들 수 있으며, 이들을 지지(supporting) 전해염으로 포함한다. 리튬 염의 농도는 0.1 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬 염의 농도가 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.The lithium salt Representative examples are LiPF 6, LiBF 4, LiSbF 6 , LiAsF 6, LiC 4 F 9 SO 3, LiClO 4, LiAlO 2, LiAlCl 4, LiN (C x F 2x + 1 SO 2) (C y F 2y + 1 SO 2 ) where x and y are natural numbers, LiCl, LiI, LiB (C 2 O 4 ) 2 (lithium bis (oxalato) borate LiBOB) The concentration of the lithium salt is preferably within the range of 0.1 to 2.0 M. When the concentration of the lithium salt is included in the range, the electrolyte has an appropriate conductivity and viscosity, so that an excellent electrolyte Performance, and lithium ions can move efficiently.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 이에 따른 실험예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention and experimental examples therefor will be described. However, the following examples are only a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

리튬 이차 전지용 전극의 제조 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지의 제작Preparation of electrode for lithium secondary battery and production of lithium secondary battery including the same

실시예Example 1 One

고분자 용액의 제조 우선, 다공성 고분자를 제조하기 위한 고분자로는 고분자로는 폴리아크릴로나이트릴 (polyacrylonitrile, PAN)을 사용하고, 이를 용해시킬 용매로는 디메틸포름아마이드(N, N-dimethylformamide)을 사용하였다. Preparation of Polymer Solution First, polyacrylonitrile (PAN) is used as a polymer for producing a porous polymer, and N, N-dimethylformamide is used as a solvent for dissolving the polymer. Respectively.

상기 폴리아크릴로나이트릴 (polyacrylonitrile, PAN)을 디메틸포름아마이드(N, N-dimethylformamide)에 첨가시킨 후, 용액 내의 폴리아크릴로나이트릴 (polyacrylonitrile, PAN)의 함량이 10 중량 퍼센트(wt%)가 되도록 고분자 용액을 제조하였다.After the polyacrylonitrile (PAN) is added to N, N-dimethylformamide, the content of polyacrylonitrile (PAN) in the solution is 10 wt% (wt%) So that a polymer solution was prepared.

콜로이드 용액의 제조 또한, 활물질 입자 및 전도성 물질을 포함하는 콜로이드 용액을 제조하기 위하여, 상기 활물질 입자로는 평균 직경 500 ㎚의 리튬인산철(LiFePO4)을 사용하고, 전도성 물질로는 카본나노튜브(carbonnanotube)를 사용하며, 분산매로는 증류수(deionized water) 및 이소프로필알콜(iso-propylalcohol)을 코솔벤트(co-solvant)로 사용하였다.In order to prepare a colloidal solution containing the produced addition, active material particles and a conductive material in a colloidal solution, with the active material particles and a lithium iron phosphate (LiFePO 4) having an average diameter of 500 ㎚, the conductive material include a carbon nanotube ( carbonnanotube. Deionized water and iso-propylalcohol were used as co-solvent for the dispersion medium.

구체적으로, 상기 리튬인산철(LiFePO4)을 상기 분산매(증류수(deionized water) :이소프로필알콜(iso-propylalcohol)로 표시되는 중량비= 3:7)에 분산시킨 후, 용액 내의 리튬인산철(LiFePO4)의 함량이 5 중량%가 되도록 활물질 입자 용액을 제조하였다. Specifically, the lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) was dispersed in the dispersion medium (weight ratio represented by deionized water: iso-propylalcohol = 3: 7), and lithium iron phosphate (LiFePO 4 4 ) was 5% by weight.

상기 활물질 입자 용액에 상기 카본나노튜브(carbonnanotube)를 리튬인산철(LiFePO4)의 중량에 대해 20 중량%로 첨가하여, 상기 리튬인산철(LiFePO4) 및 상기 카본나노튜브가 함께 분산된 콜로이드 용액을 제조하였다. 이때, 분산제인 폴리비닐피롤리돈을 상기 콜로이드 용액에 대해 1 중량% 함유되도록 첨가하였다. The active material particle solution to the addition of the carbon nanotubes (carbonnanotube) to 20% by weight relative to the weight of the lithium iron phosphate (LiFePO 4), wherein the lithium iron phosphate (LiFePO 4) and the carbon nanotube dispersion with a colloidal solution . At this time, polyvinylpyrrolidone as a dispersant was added to the colloid solution so as to contain 1 wt%.

이중 전기 방사를 통한 전극의 제조 상기 고분자 용액 및 상기 콜로이드 용액을 전기 방사 장치(구입처: 나노엔씨)에 도입한 후, 상기 고분자 용액의 분사 속도는 6 ㎕/min로, 상기 콜로이드 용액의 분사 속도는 65 ㎕l/min으로 하여, 약 240 분 동안 동시에 방사(이중 전기 방사)하여, 삼차원 구조 섬유를 제조하였다. Preparation of Electrode by Dual Electrospinning The polymer solution and the colloid solution were introduced into an electrospinning apparatus (Nano , Inc. of the place of purchase), and the injection rate of the polymer solution was 6 l / min. At 65 l l / min, and simultaneously spinning (double electrospinning) for about 240 minutes to prepare a three-dimensional structural fiber.

상기 제조된 삼차원 구조 섬유는, 롤 프레스(Roll Press, 구입처: ㈜기배이앤티)를 이용하여 압축하였다. 이를 통해, 활물질의 로딩이 약 5 ㎎/cm2이고, 두께는 약 30 ㎛인 삼차원 구조 전극을 수득할 수 있었다.The three-dimensional structural fiber was compressed using a roll press (purchased from Kibo & Co., Ltd.). As a result, a three-dimensional structure electrode having an active material loading of about 5 mg / cm 2 and a thickness of about 30 탆 could be obtained.

리튬 이차 전지의 제작 상기 수득된 삼차원 구조 전극을 양극으로 적용하여, 리튬 이차 전지를 제작하였다. Fabrication of Lithium Secondary Battery The lithium secondary battery was fabricated by applying the obtained three-dimensional structure electrode as a positive electrode.

구체적으로, 음극으로는 리튬 메탈을 사용하였으며, 분리막으로는 폴리에틸렌 (polyethylene, Tonen 20μm)을 사용하였다.Specifically, lithium metal was used as a cathode, and polyethylene (Tonen 20 μm) was used as a separation membrane.

유기용매(EC:DEC = 1:1(v:v))에 LiPF6 의 농도가 1M이 되도록 용해하여 비수성 전해액을 제조하였다. The nonaqueous electrolytic solution was prepared by dissolving LiPF 6 in an organic solvent (EC: DEC = 1: 1 (v: v)) to a concentration of 1M.

상기와 같이 제조된 양극, 음극 및 분리막을 넣어 코인형 셀을 형성한 후, 상기 비수성 전해액을 주입하여 코인형 리튬 이차 전지를 제조하였다.A coin type lithium secondary battery was prepared by forming the coin type cells by inserting the prepared positive electrode, negative electrode and separator, and then injecting the non-aqueous electrolyte.

실시예Example 2 2

상기 이중 전기 방사를 약 480분 동안 수행한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법을 실시함으로써, 활물질 로딩이 약 10 ㎎/cm2이고, 두께는 약 55 ㎛의인 삼차원 구조 전극을 수득할 수 있었다.By performing the same method as in Example 1 except that the double electrospinning was performed for about 480 minutes, a three-dimensional structure electrode having an active material loading of about 10 mg / cm 2 and a thickness of about 55 탆 was obtained there was.

비교예Comparative Example 1 One

전극의 제조 양극 활물질로 리튬인산철(LiFePO4) 80 중량%, 도전재로 카본 블랙(Carbon Black) 10 중량%, 결합제로 폴리비닐리덴플루오라이드 (polyvinylidene fluoride, PVDF) 10 중량%를 용제인 N-메틸-2 피롤리돈(NMP)에 첨가하여, 양극 혼합물 슬러리를 제조하였다. Of manufacturing the positive electrode active material of an electrode of lithium iron phosphate (LiFePO 4) 80% by weight of carbon black (Carbon Black) as a conductive material, 10% by weight, a binder of polyvinylidene fluoride (polyvinylidene fluoride, PVDF) 10% by weight solvent N -Methyl-2-pyrrolidone (NMP) to prepare a positive electrode mixture slurry.

상기 양극 혼합물 슬러리를 두께가 20㎛인 양극 집전체의 알루미늄(Al) 박막에 도포한 뒤 건조하여 양극을 제조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하여 활물질 로딩이 약 5mg/cm2인 전극을 제조하였다.After the after applying the positive electrode mixture slurry to the cathode current collector of an aluminum (Al) thin film having a thickness of 20㎛ drying to prepare a positive electrode, the press roll (press roll) carried by the active material loading of about 5mg / cm 2 of electrode .

리튬 이차 전지의 제작 이러한 전극을 양극으로 사용한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제작하였다. Preparation of lithium secondary battery A lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that these electrodes were used as an anode.

비교예Comparative Example 2 2

상기 양극 혼합물 슬러리를 집전체 위에 도포 시 두께를 두껍게한 것을 제외하고, 비교예 1과 동일한 방법으로 하여 활물질 로딩이 약 10mg/cm2인 전극을 제조하고, 이를 양극을 사용하여 리튬 이차 전지를 제작하였다An electrode having an active material loading of about 10 mg / cm 2 was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 , except that the thickness of the slurry of the positive electrode mixture was applied on the current collector, and a lithium secondary battery was produced using the positive electrode And

리튬 이차 전지용 전극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지의 평가Evaluation of Electrode for Lithium Secondary Battery and Lithium Secondary Battery Containing It

시험예Test Example 1:  One: 실시예Example 1에서 제조된 전극의 관찰 Observation of electrode manufactured in 1

주사 전자 현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM)으로 실시예 1에 의해 제조된 전극의 윗 부분, 아랫 부분, 및 단면을 관찰하였으며, 그 결과가 각각 도 3a 내지 3c에 도시되어 있다. The upper portion, the lower portion, and the cross section of the electrode prepared in Example 1 were observed with a scanning electron microscope (SEM), and the results are shown in FIGS. 3A to 3C, respectively.

도 3a 및 3b에 따르면, 실시예 1의 경우 다공성 부직포에 포함된 다수의 고분자 섬유 사이에 존재하는 큰 공간들이 활물질 입자(리튬인산철, LiFePO4) 및 카본나노튜브에 의해 완벽하게 채워 졌으며, 상기 카본나노튜브에 의해 상기 활물질 입자가 감싸져 있으며, 균일한 전자전도 네트워크를 형성하는 것을 볼 수 있다. 3A and 3B, in Example 1, large spaces existing between a plurality of polymer fibers included in the porous nonwoven fabric were completely filled with active material particles (lithium iron phosphate, LiFePO 4 ) and carbon nanotubes, It can be seen that the active material particles are surrounded by the carbon nanotubes and a uniform electronic conduction network is formed.

또한, 도 3에 따르면, 실시예 1에 의해 제조된 전극의 단면에서도 활물질 입자 및 카본나노튜브가 균일하게 혼합되어, 전극의 두께 방향으로 전자전도 네트워크를 형성한 것을 확인할 수 있다. 3, it is confirmed that the active material particles and the carbon nanotubes are uniformly mixed even in the cross section of the electrode manufactured in Example 1, and the electronic conduction network is formed in the thickness direction of the electrode.

아울러, 도 4 a 및 4b는 실시예 1에 의해 제조된 전극의 외관 사진이다.4 (a) and 4 (b) are photographs of the external appearance of the electrode manufactured in Example 1.

도 4 a 및 4b에 따르면, 별도의 바인더를 사용하지 않았음에도 불구하고, 전극을 구부린 상태에서도 활물질 입자의 탈리 없이 전극 구조가 잘 유지되는 것을 확인할 수 있다.4A and 4B, it can be confirmed that the electrode structure is maintained well without desorbing the active material even when the electrode is bent even though no separate binder is used.

시험예Test Example 2:  2: 실시예Example 1 및  1 and 비교예Comparative Example 1에서 제조된 각 전극의 표면 저항 비교 Comparison of Surface Resistance of Each Electrode Made in 1

실시예 1 및 비교예 1을 통해 제조된 각 전극의 표면의 저항을 비교하기 위해, 전자전도도 측정을 진행하였다. In order to compare the resistances of the surfaces of the electrodes prepared in Example 1 and Comparative Example 1, the electronic conductivity was measured.

구체적으로, 상기 전자전도도 측정은, ㈜다솔이엔지 사의 4probe 팁을 이용하여 표면 저항을 측정한 것이며, 실시예 1 및 비교예 1에 따른 결과를 도 5에 기록하였다.Specifically, the electronic conductivity was measured by using a 4 probe tip manufactured by Dasol ENG Co., Ltd., and the surface resistance was measured. The results according to Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIG.

도 5에 따르면, 0.561 S/cm의 전자전도도를 기록한 비교예 1에 대비하여, 실시예 1은 3.5 S/cm로 약 6배 정도 증가한 수치를 나타내었다. 이를 통해, 실시예 1의 전극은 높은 전자전도도를 가지므로, 별도의 집전체 없이도 전극으로 사용할 수 있으며, 이를 포함하는 전지의 출력 특성 또한 향상시킬 수 있음을 유추할 수 있다. According to Fig. 5, in comparison with Comparative Example 1 in which the electronic conductivity of 0.561 S / cm was recorded, Example 1 showed an increase of about 6 times as 3.5 S / cm. As a result, it can be inferred that the electrode of Example 1 has high electron conductivity and can be used as an electrode without a separate current collector, and the output characteristics of the battery including the electrode can be improved.

시험예Test Example 3:  3: 실시예Example 1 및  1 and 비교예Comparative Example 1에서 제작된 각 전지의 성능 비교 Performance comparison of each cell manufactured in 1

실시예 1 및 비교예 1을 통해 제작된 각 전지의 성능을 측정하기 위하여, 코인셀 방전 전류 속도를 0.2 C에서 20 C로 증가시키면서 방전 용량을 관찰하였다.In order to measure the performance of each cell manufactured in Example 1 and Comparative Example 1, the discharge capacity was observed while the coin cell discharge current rate was increased from 0.2 C to 20 C.

도 6a에는, 실시예 1에 의해 제작된 리튬 이차 전지 및 비교예 1에 의해 제작된 리튬 이차 전지에 대해, 활물질 입자의 중량 당 방전 용량을 관찰한 결과를 나타내었다.6A shows the result of observing the discharge capacity per weight of the active material particles of the lithium secondary battery fabricated in Example 1 and the lithium secondary battery fabricated in Comparative Example 1. FIG.

도 6b은, 도 6a의 활물질 입자의 중량 대신, 전극 중량 당 방전 용량을 관찰한 결과를 나타내었다.6B shows the result of observing the discharge capacity per electrode weight instead of the weight of the active material particles of FIG. 6A.

도 6a에 따르면, 방전 전류 속도가 증가할수록 실시예 1의 리튬 이차 전지는 비교예 1의 리튬 이차 전지 보다 높은 방전 용량을 보인다. 이는, 비교예 1에서 카본블랙에 의한 전자전도 네트워크가 충분히 균일하게 형성되지 않고, 더욱이 바인더로 사용된 점착성 고분자가 상기 전자전도 네트워크에 방해가 되었기 때문이다. 이에 반해, 실시예 1의 전극은 비교예 1과 달리 점착성 고분자가 존재하지 않고, 카본나노튜브에 의해 균일한 전자전도 네트워크를 형성하기 때문에, 리튬 이차 전지를 구동할 때 비교예 1보다 우수한 성능을 보인다고 평가된다.6A, the lithium secondary battery of Example 1 exhibits a higher discharge capacity than the lithium secondary battery of Comparative Example 1 as the discharge current rate increases. This is because, in Comparative Example 1, the electronic conductive network formed by carbon black was not formed uniformly and the adhesive polymer used as a binder interfered with the electronic conduction network. On the contrary, the electrode of Example 1, unlike Comparative Example 1, does not have a sticky polymer and forms a uniform electronic conduction network by the carbon nanotube. Therefore, when the lithium secondary battery is driven, .

상기 결과를 전극 중량 당 용량으로 관찰하였을 때(도 6b), 금속 집전체를 사용한 비교예 1과 달리 실시예 1은 지지체로써 부직포 섬유만을 사용하고, 전자전도 네트워크 형성을 위해 카본나노튜브만을 사용하였기 때문에, 첨가 물질의 감소에 따라 전극 중량 당 방전 용량이 비교예 1에 대비하여 크게 증가한 것을 알 수 있다. 이를 통해, 실시예 1의 리튬 이차 전지는 비교예 1보다 가벼우면서 고출력, 고용량, 고에너지 밀도의 특성을 보인다고 할 수 있다. When the above results were observed in terms of the weight per electrode weight (FIG. 6B), unlike Comparative Example 1 in which a metal current collector was used, in Example 1, only the nonwoven fabric was used as a support and only carbon nanotubes were used to form an electronic conduction network Therefore, it can be seen that the discharge capacity per electrode weight is greatly increased as compared with Comparative Example 1 in accordance with the decrease of the additive material. As a result, the lithium secondary battery of Example 1 is lighter than Comparative Example 1, and exhibits high output, high capacity, and high energy density.

시험예Test Example 4:  4: 실시예Example 2 및  2 and 비교예Comparative Example 2에서 제작된 각 전지의 성능 비교 Comparison of performance of each cell manufactured in 2

실시예 1 및 비교예 1에 비해 활물질의 로딩 값을 증가시킨 실시예 2 및 비교에 2에 대해서도, 시험예 3과 동일한 방법으로 코인셀 방전 전류 속도를 0.2 C에서 20 C로 증가시키면서 활물질 입자의 중량 당, 전극 중량 당 방전 용량을 각각 관찰하였고, 각각에 따른 결과를 도 7a 및 7b에 나타내었다. With respect to Example 2 and Comparative Example 2 in which the loading value of the active material was increased as compared with Example 1 and Comparative Example 1, the coin cell discharge current rate was increased from 0.2 C to 20 C in the same manner as in Test Example 3, The discharge capacity per weight and the electrode weight were respectively observed, and the results according to each were shown in FIGS. 7A and 7B.

일반적으로는, 활물질의 로딩 값이 높아 질수록 일반적으로 전극의 두께가 높아지고, 이 경우 전극 두께 방향으로 균일한 전자전도 네트워크가 형성되기 어려우며, 그 결과 전지의 출력 특성이 감소하게 되는 경향이 있다. In general, as the loading value of the active material increases, the thickness of the electrode generally increases. In this case, it is difficult to form a uniform electronic conduction network in the electrode thickness direction, and as a result, the output characteristic of the battery tends to decrease.

하지만, 활물질의 로딩 값을 높인 실시예 2의 리튬 이차 전지의 경우, 방전 전류 속도가 증가할수록 비교예 2의 리튬 이차 전지 보다 높은 방전 용량을 보이며(도 7a), 전극 중량 당 방전 용량 또한 비교예 2에 대비하여 크게 증가한 것으로 확인된다(도 7b).However, in the case of the lithium secondary battery of Example 2 in which the loading value of the active material was increased, the discharge capacity was higher than that of the lithium secondary battery of Comparative Example 2 (Fig. 7A) 2 (Fig. 7B).

이를 통해, 실시예 2는 전술한 구조의 전극 내 카본나노튜브를 포함함으로써, 두께 방향으로도 균일한 전자전도 네트워크를 형성할 수 있고, 이를 통해 전지의 출력 특성이 감소되는 것이 억제된 것으로 유추된다.As a result, it can be deduced that Example 2 can form a uniform electronic network even in the thickness direction by including the carbon nanotubes in the electrode having the above-described structure, thereby suppressing the reduction of the output characteristics of the battery .

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.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 present invention as defined by the following claims. As will be understood by those skilled in the art. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

리튬 이차전지(200) 양극(212)
음극(213) 분리막(100)
전지 용기(220) 봉입 부재(240)
고분자 섬유(10) 활물질 입자(20)
전도성 물질(30)
The lithium secondary battery 200 anode 212,
Cathode 213 separator 100,
The sealing member 240 of the battery container 220,
Polymer fibers (10) Active particles (20)
Conductive materials (30)

Claims (16)

복수의 고분자 섬유를 포함하는, 다공성 부직포;
리튬메탈계 산화물, 산화물, 실리콘(Si), 주석(Sn), 게르마늄(Ge), 황(S), 이들의 유도체, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나인, 활물질 입자; 및
전도성 물질;을 포함하고,
상기 복수의 고분자 섬유에 의해 상호 연결된 기공 구조(interconnected porous network)가 형성되고,
상기 상호 연결된 기공 구조 내 상기 활물질 입자 및 상기 전도성 물질이 균일하게 충진되어, 3차원 충진 구조(super lattice)를 이룬 것인 삼차원 구조 전극.
A porous nonwoven fabric comprising a plurality of polymer fibers;
Wherein the active material particles are at least one selected from the group consisting of lithium metal-based oxides, oxides, silicon (Si), tin (Sn), germanium (Ge), sulfur (S), derivatives thereof and mixtures thereof; And
Conductive material;
An interconnected porous network is formed by the plurality of polymer fibers,
Wherein the active material particles and the conductive material in the interconnected pore structure are uniformly filled to form a three-dimensional super lattice structure.
제1항에 있어서,
상기 다공성 부직포는,
상기 복수의 고분자 섬유가 3차원적으로 불규칙하고 연속적으로 연결된 집합체인 것인,
삼차원 구조 전극.
The method according to claim 1,
The porous non-
Wherein the plurality of polymer fibers are aggregated three-dimensionally irregularly and continuously,
Three dimensional structure electrode.
제1항에 있어서,
상기 삼차원 구조 전극의 기공도는,
5 내지 95 부피%인 것인,
삼차원 구조 전극.
The method according to claim 1,
The porosity of the three-
5 to 95% by volume.
Three dimensional structure electrode.
제1항에 있어서,
상기 삼차원 구조 전극 내 다공성 부직포의 함량은,
상기 삼차원 구조 전극의 총 중량에 대한 중량%로, 5 내지 70 %인 것인,
삼차원 구조 전극.
The method according to claim 1,
The content of the porous nonwoven fabric in the three-
Dimensional structure electrode is 5 to 70% by weight based on the total weight of the three-dimensional structure electrode.
Three dimensional structure electrode.
제1항에 있어서,
상기 삼차원 구조 전극 내 활물질 입자 및 전도성 물질의 함량 비율은,
상기 활물질 입자에 대한 상기 전도성 물질의 중량 비율로, 0.1:100 내지 50:100인 것인,
삼차원 구조 전극.
The method according to claim 1,
The ratio of the active material particles and the conductive material in the three-
Wherein the weight ratio of the conductive material to the active material particles is 0.1: 100 to 50: 100.
Three dimensional structure electrode.
제1항에 있어서,
상기 복수의 고분자 섬유의 평균 직경은,
0.001 내지 1000 ㎛인 것인,
삼차원 구조 전극.
The method according to claim 1,
The average diameter of the plurality of polymer fibers may be,
0.001 to 1000 mu m.
Three dimensional structure electrode.
제1항에 있어서,
상기 활물질 입자의 평균 직경은,
0.001 내지 30 ㎛인 것인,
삼차원 구조 전극.
The method according to claim 1,
The average diameter of the active material particles,
0.001 to 30 탆.
Three dimensional structure electrode.
제1항에 있어서,
상기 삼차원 구조 전극의 두께는,
1 내지 1000 ㎛인 것인,
삼차원 구조 전극.
The method according to claim 1,
The thickness of the three-
1 to 1000 [mu] m.
Three dimensional structure electrode.
제1항에 있어서,
상기 삼차원 구조 전극의 면적 당 중량은,
0.001 mg/cm2 내지 1 g/cm2 인 것인,
삼차원 구조 전극.
The method according to claim 1,
The weight per area of the three-
0.001 mg / cm 2 to 1 g / cm 2 .
Three dimensional structure electrode.
제1항에 있어서,
상기 삼차원 구조 전극은,
복수개의 전극이 다층 구조를 형성한 것인,
삼차원 구조 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the three-dimensional structure electrode comprises:
Wherein a plurality of electrodes form a multilayer structure,
Three dimensional structure electrode.
제10항에 있어서,
상기 삼차원 구조 전극의 면적 당 중량은,
0.002 g/cm2 내지 10 g/cm2 인 것인,
삼차원 구조 전극.
11. The method of claim 10,
The weight per area of the three-
0.002 g / cm &lt; 2 &gt; to 10 g / cm &lt; 2 &
Three dimensional structure electrode.
제1항에 있어서,
상기 복수의 고분자 섬유를 이루는 고분자는,
폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리술폰, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에터이미드, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴릭엑시드, 폴리비닐피롤리돈, 아가로즈, 알지네이트, 폴리비닐리덴 헥사플로로프로필렌, 폴리우레탄, 나일론 6, 폴리피롤, 폴리 3,4-에틸렌디옥시티오펜, 폴리아닐린, 이들의 유도체, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것인,
삼차원 구조 전극.
The method according to claim 1,
The polymer constituting the plurality of polymer fibers may be,
Polyvinyl pyrrolidone, polyethylene terephthalate, polyimide, polyamide, polysulfone, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polyethylene, polypropylene, polyetherimide, polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyacrylic acid, polyvinylpyrrolidone At least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinylidene hexafluoropropylene, polyurethane, nylon 6, polypyrrole, poly 3,4-ethylenedioxythiophene, polyaniline, derivatives thereof, Lt; / RTI &gt;
Three dimensional structure electrode.
제1항에 있어서,
상기 전도성 물질은,
카본 나노 튜브(carbon nanotube), 은 나노와이어, 니켈 나노와이어, 금 나노와이어, 그래핀, 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드, 폴리피롤, 폴리 3,4-에틸렌디옥시티오펜, 폴리아닐린, 이들의 유도체 및 이들의 혼합물을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나인 것인,
삼차원 구조 전극.
The method according to claim 1,
The conductive material may be,
Carbon nanotubes, silver nanowires, nickel nanowires, gold nanowires, graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, polypyrrole, poly 3,4-ethylenedioxythiophene, polyaniline, derivatives thereof And mixtures thereof. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt;
Three dimensional structure electrode.
제1항에 있어서,
상기 삼차원 구조 전극은,
극성인 것인,
삼차원 구조 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the three-dimensional structure electrode comprises:
Lt; / RTI &gt;
Three dimensional structure electrode.
양극;
음극;
상기 양극 및 음극 사이에 위치하는 분리막;
상기 양극, 음극 및 분리막에 함침된 전해질;을 포함하고,
상기 양극 또는 상기 음극 중 적어도 하나는, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 삼차원 구조 전극인 것인,
전기 화학 소자.
anode;
cathode;
A separator disposed between the anode and the cathode;
And an electrolyte impregnated into the anode, the cathode, and the separator,
Wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode is a three-dimensional structure electrode according to any one of claims 1 to 14.
Electrochemical device.
제15항에 있어서,
상기 전기 화학 소자는,
리튬이차전지, 수퍼커패시터(Super Capacitor), 리튬-황 전지, 나트륨 이온 전지, 리튬-공기전지, 징크-공기전지, 알루미늄-공기전지, 및 마그네슘 이온 전지를 포함하는 군에서 선택된 어느 하나인 것인,
전기 화학 소자.
16. The method of claim 15,
Wherein the electrochemical device comprises:
The battery is any one selected from the group consisting of a lithium secondary battery, a super capacitor, a lithium-sulfur battery, a sodium ion battery, a lithium-air battery, a zinc- ,
Electrochemical device.
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