KR20160064025A - 우수한 성능을 갖는 바인더 조성물 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지용 바인더 조성물 및 이를 사용한 리튬 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 공액 디엔계(conjugated dienes) 라텍스(latex) 입자(A)와 아크릴계 코폴리머(copolymer) 라텍스(latex) 입자(B)를 각각 적어도 1 종류 이상 포함하며, 상기 공액 디엔계 라텍스 입자(A)의 종류와 상기 아크릴레이트계 공중합체 라텍스 입자(B)의 종류의 합이 조성물 전체에서 3 이상의 조합으로 혼합된 것을 특징으로 하는 이차전지용 바인더 조성물 및 이를 사용한 리튬 이차전지를 제공한다.

Description

우수한 성능을 갖는 바인더 조성물 및 이를 포함하는 이차전지{Binder Composition Having Higher Performance and Lithium Secondary Battery Comprising the Same}
본 발명은 이차전지용 바인더 조성물, 이를 사용한 리튬 이차전지에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고 사이클 수명이 길며 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 환경 문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있으며, 리튬 이차전지는 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로도 사용되고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 일반적으로 리튬 전이금속 산화물을 양극 활물질로 사용하고 흑연계 물질을 음극 활물질로 사용하고 있다. 리튬 이차전지의 전극은 이러한 활물질과 바인더 수지 성분을 혼합하여 용매에 분산시켜 슬러리를 만들고, 이것을 집전체 표면에 도포하여 건조 후 합제층을 형성시켜 제작된다.
일반적으로, 리튬 이차전지는, 양극의 리튬 이온이 음극으로 삽입되고 탈리되는 과정을 반복하면서 충전과 방전이 진행된다. 이러한 리튬 이온의 삽입, 탈리가 반복적으로 진행되면서, 전극 활물질 또는 도전재 사이의 결합이 느슨해지고, 입자간 접촉저항이 증가하게 된다. 그 결과 전극의 옴저항이 상승하여 전지 특성이 저하될 수 있다. 따라서, 바인더는 전극에서의 리튬 이온의 삽입, 탈리에 따른 전극 활물질의 팽창, 수축에 대해 완충작용을 할 수 있어야 하므로, 탄성을 갖는 고분자인 것이 바람직하다.
또한, 바인더는 극판 건조 과정에서 전극 활물질과 집전체 사이의 결착력이 유지될 수 있을 정도의 접착력이 요구된다. 특히, 방전 용량을 높이기 위해, 이론적 방전 용량이 372 mAh/g인 천연 흑연에 방전 용량이 큰 실리콘, 주석, 실리콘-주석 합금 등과 같은 재료를 복합하여 사용하는 경우, 충전 및 방전이 진행됨에 따라 재료의 부피 팽창이 현저히 증가하게 되고, 이로 인해 음극재의 이탈이 발생하여, 결과적으로, 반복적인 사이클이 진행되면서 전지의 용량이 급격히 저하되고, 사이클 수명이 짧아질 수 있다.
또한, 바인더의 전해액 스웰링은 리튬 이온 전지의 부피 팽창을 좌우하므로 전해액 스웰링(Swelling)이 낮은 바인더가 요구된다. 리튬 이온 전지는 전지 내부 전해질의 분해 시 발생하는 가스에 의해 부풀어 오르는 현상이 생기게 되는데, 이러한 현상을 '전해액 스웰링'이라 한다. 전해질의 분해는 고온에서 촉진되므로, 전지를 고온에서 방치할 경우, 스웰링 현상을 촉진하게 된다. 전지의 온도가 올라가면 전해액이 분해하거나 부반응이 일어나 이산화탄소나 일산화탄소와 같은 가스가 발생하여 전지의 두께가 증가하기 때문이다. 한편, 고온 저장에서의 두께 증가는 소형전지에서 중요하게 고려되는 사항으로서, 소형 기기 사용에 따라 전지의 온도가 급격히 올라가게 되어 고온에서의 두께 및 안전성의 문제가 있다.
따라서, 강한 접착력으로 전극 제조 시 전극 활물질 간 또는 전극 활물질과 집전체 사이의 분리를 방지하고, 강한 물성으로 반복되는 충방전 시 발생되는 전극 활물질의 부피 팽창을 제어하여 전극의 구조적 안정성 및 이로 인한 전지의 성능향상을 도모할 수 있는 바인더 및 전극 재료에 대한 연구가 당업계에서 절실히 요구되고 있다.
현재 상용화되어 있는 대표적인 바인더로는, 폴리불화비닐리덴(PVdF)과 스티렌-부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber: SBR)/카르복시 메틸 셀룰로오스(carboxy methyl cellulose: CMC) 등이 있고, 양극에 비해 충방전 시 부피 팽창이 큰 음극의 경우에는, 상기 PVdF에 비해 사용량이 적고 우수한 결착력을 갖는 SBR/CMC가 사용되고 있다.
기존의 용매계 바인더인 폴리불화비닐리덴(PVdF)이 위와 같은 요구를 충족시키지 못함에 따라, 최근에는 스티렌-부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber: SBR)를 수상에서 중합하여 유화 입자를 제조하고, 중성제 등과 혼합하여 사용하는 방법이 제시되었으며, 현재 상업적으로도 사용되고 있다. 이러한 바인더의 경우, 환경 친화적이고, 바인더 사용 함량을 줄여 전지 용량을 높일 수 있는 장점이 있으나, 이 경우에도 고무 탄성에 의해 접착 지속력은 향상되지만 접착력 자체에서는 큰 효과를 보지 못하고 있다.
따라서, 전지의 사이클 특성을 향상시키면서도 전극의 구조적 안정성을 도모하고, 또한 접착력이 우수한 바인더 개발에 대한 필요성이 높은 실정이다.
상기한 바와 같이, 바인더는 탄성을 가진 것이 바람직하며, 이차전지 내에서 접착력 및 접착 유지력이 우수하여 충방전 사이클 진행 후에 용량이 유지되며, 전해액 스웰링이 낮아 전극의 두께 증가가 최소화되어야 한다. 예를 들어, SBR 라텍스 또는 열경화성 수지의 경우, 전해액 스웰링은 가교결합도에 의해 영향을 받을 수 있다.
본 출원의 발명자들은, 공액 디엔계 라텍스 입자와 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자 3 종류 이상을 소정의 비율로 혼합하고, 이를 리튬 이차전지에 적용하는 경우, 고온에서 전지의 부피 팽창을 감소시키는 동시에, 우수한 접착력을 발휘할 수 있음에 착안하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 바인더 조성물은,
공액 디엔계(conjugated dienes) 라텍스(latex) 입자(A)와 아크릴계 코폴리머(copolymer) 라텍스(latex) 입자(B)를 각각 적어도 1 종류 이상 포함하며, 상기 공액 디엔계 라텍스 입자(A)의 종류와 상기 아크릴레이트계 공중합체 라텍스 입자(B)의 종류의 합이 조성물 전체에서 3 이상의 조합으로 혼합된 것을 특징으로 한다.
본 출원의 발명자들은, 상기 바인더 조성물을 3 종 이상 혼합하여 바인더를 만들 경우, 예상치 못하게, 2 종의 바인더 조성물을 혼합한 기존의 바인더에 비해, 전지의 성능이 향상됨을 확인하였다.
즉, 3종 이상 혼합한 바인더는 기존 2종의 바인더에 비해 전극의 접착력을 향상시키는 것과 동시에, 이를 사용한 전지는 전극의 저항이 감소되며, 우수한 용량 유지율을 나타낸다.
'다른 종류의 라텍스 입자'는 중합체(polymer)인 라텍스 입자의 단량체(monomer) 조성이 상이한 것을 의미하며, 반드시 모든 단량체가 상이할 것을 요하지 않는다.
예를 들어, 공액 디엔계 라텍스 입자(A1)가 부타디엔 단량체, 스티렌 단량체, 아크릴산 단량체, 및 히드록시에틸아크릴레이트 단량체로 이루어져 있고, 공액 디엔계 라텍스 입자(A2)가 스티렌 단량체, 부타디엔 단량체, 메틸메타크릴레이트 단량체, 아크릴산 단량체, 및 이타콘산 단량체로 이루어져 있더라도, 상기 공액 디엔계 라텍스 입자(A1)과 공액 디엔계 라텍스 입자(A2)는 상이한 종류의 입자에 해당한다.
즉, 상기 공액 디엔계 라텍스 입자들(A1, A2)은 모두 부타디엔 단량체, 스티렌 단량체, 아크릴산 단량체를 포함하고 있으나, 나머지 단량체들의 조성이 상이하므로, 다른 종류의 라텍스 입자에 해당한다.
한편, 상기 3 이상의 조합으로 혼합된 라텍스 입자들은 각각 독립적인 상으로 존재하여 접착력 향상에 기여한다.
예를 들어, 상기 공액 디엔계 라텍스 입자들(A1, A2)의 경우, 독립적인 상으로 존재하며, 이들은 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)와도 독립적인 상으로 존재함은 물론이다.
구체적으로, 상기 공액 디엔계 라텍스 입자(A)와 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)는 중량비를 기준으로 50:50 내지 99:1의 비율로 함유되어 있을 수 있다. 상세하게는 70:30 내지 99:1, 더욱 상세하게는 90:10 내지 99:1로 포함되어 있을 수 있다.
즉, 3종 이상의 라텍스 입자를 혼합하면서, 라텍스 입자 중 공액 디엔계 라텍스 입자(A)의 함량이 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)의 함량 보다 큰 것이 스웰링 특성과 접착력 측면에서 바람직하다.
또한, 공액 디엔계 라텍스 입자(A)와, 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)의 함량이 상기 범위에 속하는 경우에, 각각의 라텍스 입자들이 독립적인 상으로 존재하며, 전극 내에서 바인더로서 접착력 향상에 기여할 수 있다.
상기 함량비와 관련하여, 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)는 입자 표면에 접착력을 제공하는 관능기를 포함하고, 상대적으로 스웰링도가 높다. 따라서, 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)가 포함되지 않거나, 함량이 극히 적은 경우, 오히려 전극의 저항이 증가하고, 이온 전도도가 저하될 수 있다.
그러나, 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)는 카보네이트계 전해액과 친화성이 좋은 단량체를 포함하므로, 전지를 고온에서 방치할 경우, 전해액 스웰링 현상이 촉진되어 전해액이 분해되거나 부반응이 일어나 전극의 두께가 증가하고, 종국에는 전극의 탈리를 유발할 수 있다.
본 출원의 발명자들이 확인한 바에 따르면, 상기 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)의 함량이 조성물의 전체 고형분 질량을 기준으로 90 중량%를 초과하는 경우, 고온에서 팽윤되어 전극의 두께를 증가시키고 종국에는, 전극의 탈리가 유발될 수 있으므로, 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)의 함량은 전체 고형분 질량의 90 중량% 미만인 것이 바람직하며, 공액 디엔계 라텍스 입자(A) 보다 적게 포함되는 것이 더욱 바람직하다.
이에, 본 발명에 따른 바인더 조성물은 3종 이상의 라텍스 입자를 포함하면서, 다량의 공액 디엔계 라텍스 입자(A)와 함께, 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)를 소정량 포함하여, 리튬 이차전지의 제반 성능을 향상시킨다.
상기 함량 범위로 혼합된 바인더 조성물은, 상기 공액 디엔계 라텍스 입자(A)의 종류와 상기 아크릴레이트계 공중합체 라텍스 입자(B)의 종류의 합이 조성물 전체에서 3 또는 4 인 조합으로 혼합된 것으로 구성될 수 있다. 관련 예시들을 하기에 나열한다.
- 1 종류의 공액 디엔계 라텍스 입자(A)와 2 종류의 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)의 조합;
- 2 종류의 공액 디엔계 라텍스 입자(A)와 1 종류의 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)의 조합;
- 1 종류의 공액 디엔계 라텍스 입자(A)와 3 종류의 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)의 조합;
- 2 종류의 공액 디엔계 라텍스 입자(A)와 2 종류의 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)의 조합;
- 3 종류의 공액 디엔계 라텍스 입자(A)와 1 종류의 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)의 조합.
상기한 공액 디엔계 라텍스 입자(A)의 평균 입경은 50 nm 이상 내지 700 nm 이하인 것이 바람직하다.
상기 공액 디엔계 라텍스 입자(A)는, 고온에서 전해액 스웰링 현상이 작고, 고무 탄력성을 가진 바인더로서 전극의 두께 및 가스 발생 현상을 감소시킨다. 그러나, 평균 입경이 50 nm 미만인 경우 또는 700 nm 를 초과하는 경우에는, 전극 접착력이 현저하게 저하되어 바인더로서의 역할을 기대할 수 없으므로 바람직하지 않다.
같은 이유로, 상기 공액 디엔계 라텍스 입자(A)의 평균 입경은 60 nm 내지 300 nm일 수 있다.
상기한 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)의 평균 입경은 30 nm 이상 내지 800 nm 이하인 것이 바람직하다.
상기 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)는 접착력이 우수한 바인더로서, 전극 제조시 전극 활물질 간 또는 전극 활물질과 집전체 사이의 분리를 방지한다. 그러나. 평균 입경이 30 nm 미만인 경우에는 접착력이 저하될 수 있고, 800 nm를 초과하는 경우에는, 스웰링이 높아져 바인더로서의 역할을 기대할 수 없으므로 바람직하지 않다.
같은 이유로, 상기 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)의 평균 입경은 70 nm 내지 650 nm일 수 있다.
한편, 상기 공액 디엔계 라텍스 입자(A)는, 예를 들어, (가) 공액 디엔계 단량체 또는 공액 디엔계 올리고머, (나) 아크릴레이트계 단량체, (메타)아크릴산 에스테르계 단랑체, 비닐계 단량체, (메타)아크릴 아미드계 단량체 및 니트릴계 단량체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 단량체, 및 (다) 불포화 모노카르본산계 단량체의 중합체일 수 있다.
상기 라텍스 입자(B)는, 예를 들어, (가) (메타)아크릴산 에스테르계 단량체와, (나) 아크릴레이트계 단량체, 비닐계 단량체, (메타)아크릴 아미드계 단량체 및 니트릴계 단량체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 단량체, 및 (다) 불포화 모노카르본산계 단량체의 중합체일 수 있다.
상기 공액 디엔계 단량체는, 1,3-부타디엔, 이소프렌, 클로로프렌, 및 피레리덴으로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 단량체일 수 있다.
상기 공액 디엔계 올리고머는, 예를 들어, 1,3-부타디엔, 이소프렌, 클로로프렌, 및 피레리덴으로 이루어진 군에서 선택되는 둘 이상의 단량체들의 중합체, 스티렌-부타디엔 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체, 스티렌-이소프렌 공중합체, 아크릴레이트-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔계 중합체 또는 이들 중합체가 부분적으로 수소화, 에폭시화, 브롬화된 중합체 및 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 (메타)아크릴산 에스테르계 단량체는 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 프로필아크릴레이트, 이소프로필아크릴레이트, n-부틸아크릴레이트, 이소부틸아크릴레이트, n-아밀아크릴레이트, 이소아밀아크릴레이트, n-에틸헥실아크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트, 2-히드록시에틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, 프로필메크릴레이트, 이소프로필메크릴레이트, n-부틸메타크릴레이트, 이소부틸메타크릴레이트, n-아밀메타크릴레이트, 이소아밀메타크릴레이트, n-헥실메타크릴레이트, n-에틸헥실 메타크릴레이트, 2-에틸헥실 메타크릴레이트, 히드록시에틸 메타크릴레이트, 및 히드록시프로필 메타크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 단량체일 수 있다.
상기 아크릴레이트계 단량체는 메타아크릴록시 에틸에틸렌우레아, β-카르복시 에틸아크릴레이트, 알리파틱 모노아크릴레이트, 디프로필렌 디아크릴레이트, 디트리메틸로프로판 테트라아크릴레이트, 하이드록시에틸 아크릴레이트, 디펜타에리트리올 헥사아크릴레이트, 펜타에리트리올 트리아크릴레이트, 펜타에리트리올 테트라아크릴레이트, 라우릴 아크릴레이트, 세릴 아크릴레이트, 스테아릴 아크릴레이트, 라우릴 메타 아크릴레이트, 세틸 메타 아크릴레이트, 및 스테아릴 메타 아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 단량체일 수 있다.
상기 비닐계 단량체는 스티렌, α-메틸스티렌, β-메틸스티렌, p-t-부틸스티렌 및 디비닐벤젠으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 단량체일 수 있다.
상기 (메타)아크릴 아미드계 단량체는 아크릴 아미드, n-메틸올 아크릴아미드, n-부톡시 메틸아크릴아미드, 메타크릴아미드, n-메틸올 메타크릴아미드, n-부톡시 메틸메타크릴아미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 단량체일 수 있다.
상기 니트릴계 단량체는, 알케닐 시아나이드(cyanide)일 수 있고, 비제한적으로, 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴, 알릴 시아나이드 등일 수 있다.
상기 불포화 모노카르본산계 단량체는, 말레인산, 푸마르산, 메타크릴산, 아크릴산, 글루타르산, 이타콘산, 테트라하이드로프탈산, 코로톤산, 이소크로톤산 및 나딕산으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 단량체일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 공액 디엔계 라텍스 입자(A)는,
부타디엔 단량체, 스티렌 단량체, 아크릴산 단량체, 히드록시에틸아크릴레이트 단량체, 메틸메타크릴레이트 단량체, 및 이타콘산 단량체로 이루어진 군에서 선택된 둘 이상의 중합체일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 공액 디엔계 라텍스 입자(A)는, 부타디엔 단량체, 스티렌 단량체, 아크릴산 단량체, 및 히드록시에틸아크릴레이트 단량체로 의 중합체(A1); 또는 스티렌 단량체, 부타디엔 단량체, 메틸메타크릴레이트 단량체, 아크릴산 단량체, 및 이타콘산 단량체의 중합체(A2);일 수 있다.
한편, 상기 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)는,
부틸 아크릴레이트 단량체, 스티렌 단량체, 아크릴산 단량체, 히드록시 부틸아크릴레이트 단량체, 이타콘산 단량체로 이루어진 군에서 선택된 둘 이상의 중합체일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)는, 부틸 아크릴레이트 단량체, 스티렌 단량체, 아크릴산 단량체, 및 히드록시 부틸아크릴레이트 단량체의 중합체(B1); 또는 부틸 아크릴레이트 단량체, 스티렌 단량체, 아크릴산 단량체, 및 이타콘산 단량체의 중합체(B2);일 수 있다.
상기 라텍스 입자들(A1, A2, B1, B2) 각각은, 경우에 따라 중합개시제, 가교제, 커플링제, 버퍼, 분자량 조절제, 유화제 등의 기타의 성분들을 하나 또는 둘 이상 포함할 수 있으며, 이에 대해서는 이후에 상술하도록 한다.
본 발명에 따른 바인더 조성물은 상기와 같은 라텍스 입자들(A, B)을 각각 적어도 1 종류 이상 포함하며, 공액 디엔계 라텍스 입자(A)의 종류와 상기 아크릴레이트계 공중합체 라텍스 입자(B)의 종류의 합이 조성물 전체에서 3 이상의 조합으로 이루어져야 한다.
따라서, 상기 조성물은 상기 라텍스 입자들(A1, A2, B1, B2)의 경우, 라텍스 입자들(A1, A2, B1), 라텍스 입자 (A1, B1, B2)의 조합 등으로 이루질 수 있으며, 라텍스 입자(A1, A2), 라텍스 입자(A1, B2)와 같이 2 종류의 조합으로만 이루어지는 경우 보다 뛰어난 효과를 발휘한다.
한편, 공액 디엔계 라텍스 입자(A)만 3 종류, 또는 아크릴레이트계 공중합체 라텍스 입자(B)만 3 종류로 조합된 경우에도, 본 발명에 따른 바인더 조성물에 포함될 수 있음은 물론이다.
상기 라텍스 입자(A)와 라텍스 입자(B)의 제조방법은 특별히 제한되지 않고, 공지의 현탁 중합법, 유화 중합법, 시드 중합법 등에 따라 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 하나의 비제한적인 예에서, 상기 라텍스 입자(A)와 라텍스 입자(B)는 유화 중합법에 의해 제조할 수 있고, 이 경우, 상기 라텍스 입자(A) 및 라텍스 입자(B)의 평균 입경은, 유화제의 양에 의해 조절할 수 있다. 일반적으로 유화제의 양이 증가할수록 입자의 크기는 작아지고, 유화제의 양이 감소할수록 입자의 크기는 커지는 경향을 나타낸다. 따라서, 원하는 입자의 크기, 반응시간, 반응 안정성 등을 고려하여 유화제 사용량을 조절 사용하여 원하는 평균 입경을 구현할 수 있다.
중합 온도 및 중합 시간은 중합 방법 중합 개시제의 종류 등에 따라 적절히 결정할 수 있으며, 예를 들어, 중합 온도는 50℃ 내지 300℃ 일 수 있고, 중합 시간은 1 내지 20 시간일 수 있다.
상기 중합 개시제는 무기 또는 유기 과산화물이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 포타슘 퍼설페이트, 소듐 퍼설페이트, 암모늄 퍼설페이트 등을 포함하는 수용성 개시제와, 큐멘 하이드로 퍼옥사이드, 벤조일 퍼옥사이드 등을 포함하는 유용성 개시제를 사용할 수 있다. 또한, 상기 중합개시제와 함께 과산화물의 개시반응을 촉진시키기 위해 활성화제를 더욱 포함할 수 있으며, 상기 활성화제로는 소듐 포름알데히드 설폭실레이트, 소듐 에틸렌디아민 테트라아세테이트, 황산 제1철 및 덱스트로오스로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것일 수 있다.
상기 가교제는, 바인더의 가교를 촉진시키는 물질로서 바인더 중량을 기준으로 50 중량% 이하의 범위에서 첨가할 수 있다. 예를 들어, 디에틸렌트리아민(diethylene triamine), 트리에틸렌 테트라아민(triethylene tetramine), 디에틸아미노 프로필아민(diethylamino propylamine), 자일렌 디아민(xylene diamine), 이소포론 디아민(isophorone diamine) 등의 아민류, 도데실 석시니 안하이드리드(dodecyl succinic anhydride), 프탈릭 안하이드리드(phthalic anhydride) 등의 산무수물, 폴리아미드 수지, 폴리설파이드 수지, 페놀수지, 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 디에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 트리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트, 네오펜틸 글리콜 디메타크릴레이트, 트리 메틸롤 프로판 트리메타크릴레이트, 트리 메틸롤 메탄 트리아크릴레이트, 글리시딜 메타 아크릴레이트 등이 사용되며, 그라프팅제는 아릴 메타크릴레이트(AMA), 트리아릴 이소시아누레이트(TAIC), 트리아릴 아민(TAA), 디아릴 아민(DAA) 등이 사용될 수 있다.
상기 커플링제는 활물질과 바인더 사이의 접착력을 증가시키기 위한 물질로서, 두 개 이상의 기능성기를 가지고 있는 것을 특징으로 하며, 함량이 바인더 중량을 기준으로 30 중량% 이하의 범위에서 첨가할 수 있다. 하나의 기능성기는 실리콘, 주석, 또는 흑연계 활물질 표면의 히드록실기나 카르복시기와 반응하여 화학적인 결합을 형성하고, 다른 기능성기는 본 발명에 따른 나노 복합체와의 반응을 통하여 화합결합을 형성하는 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 트리에톡시실일프로필 테트라설파이드 (triethoxysilylpropyl tetrasulfide), 머캅토프로필 트리에톡시실란(mercaptopropyl triethoxysilane), 아미노프로 필트리에톡시실란(aminopropyl triethoxysilane), 클로로프로필트리에톡시실란 (chloropropyl triethoxysilane), 비닐 트리에톡시실란(vinyltriethoxysilane), 메타아크릴옥시 프로필 트리에톡시실란(methacryloxytpropyl triethoxysilane), 메타아크릴옥시프로필 트리에톡시실란(methacryloxypropyl triethoxysilane), 글리시독시프로필 트리에톡시실란 (glycidoxypropyl triethoxysilane), 이소시안아토프로필 트리에톡시실란(isocyanatopropyl triethoxysilane), 시안아토프로필트리에톡시실란(cyanatopropyl triethoxysilane) 등의 실란계 커플링제가 사용될 수 있다.
상기 버퍼는, 그것의 함량이 바인더 중량을 기준으로 30 중량% 이하의 범위 내일 수 있고, 예를 들어, NaHCO3, NaOH, 및 NH4OH 로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
상기 분자량 조절제로는, 예를 들어, 메르캅탄류 또는 터비놀렌, 디펜텐, t-테르피엔 등의 테르핀류나 클로로포름, 사염화탄소 등의 할로겐화 탄화수소 등을 사용할 수 있다.
상기 유화제는, 친수성(hydrophilic) 기와 소수성(hydrophobic) 기를 동시에 가지고 있는 물질이다. 비제한적인 예에서, 음이온성 유화제와 비이온성 유화제로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
비이온성 유화제를 음이온 유화제와 함께 사용하면, 입자 크기와 분포 조절에 도움이 되며, 이온성 유화제의 정전기적 안정화에 더하여 고분자 입자의 반데르발스 힘을 통한 콜로이드 형태의 추가적인 안정화를 제공할 수 있다. 비이온성 유화제를 단독으로 사용하는 경우는 많지 않은데, 이는 음이온 유화제보다 덜 안정한 입자가 생성되기 때문이다.
음이온성 유화제는, 포스페이트계, 카르복실레이트계, 설페이트계, 석시네이트계, 설포석시네이트계, 설포네이트계, 디설포네이트계로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다. 비제한적인 예에서, 소디움 알킬 설페이트, 소디움 폴리옥시에틸렌 설페이트, 소디움 라우릴 에테르 설페이트, 소디움 폴리옥시에틸렌 라우릴 에테르 설페이트(Sodium polyoxyethylene lauryl ether sulfate), 소디움 라우릴 설페이트(Sodium lauryl sulfate), 소디움 알킬 설포네이트, 소디움 알킬 에테르 설포네이트, 소디움 알킬벤젠 설포네이트, 소디움 리니어 알킬벤젠 설포네이트, 소디움 알파-올레핀 설포네이트, 소디움 알코올 폴리옥시에틸렌 에테르 설포네이트, 소디움 디옥틸 설포석시네이트(Sodium dioctyl sulfosuccinate), 소디움 퍼플루오로옥탄설포네이트, 소디움 퍼플루오로부탄설포네이트, 알킬디페닐옥사이드 디설포네이트(Alkyl diphenyloxide disulfonate), 소디움 디옥틸 설포석시네이트(Sodium dioctyl sulfosuccinate, DOSS), 소디움 알킬-아릴 포스페이트, 소디움 알킬 에테르 포스테이트, 소디움 라우오릴 사르코시네이트 등으로 이루어진 군에서 선택된 것일 수 있다. 다만, 이들로 제한되는 것은 아니고, 공지된 음이온성 유화제들은 모두 본 발명의 내용으로 포함될 수 있다.
상기 비이온성 유화제는, 에스테르형, 에테르형, 에스테르·에테르형 등일 수 있다.
비제한적인 예에서, 폴리옥시에틸렌글리콜, 폴리옥시에틸렌글리콜메틸에테르, 폴리옥시에틸렌모노알릴에테르, 폴리옥시에틸렌비스페놀-A 에테르, 폴리프로필렌글 리콜, 폴리옥시에틸렌네오펜틸에테르, 폴리옥시에틸렌세틸에테르, 폴리옥시에틸렌라 우릴에테르, 폴리옥시에틸올레일에테르, 폴리옥시에틸렌스테아릴 에테르, 폴리옥시에틸렌데실에테르, 폴리옥시에틸렌옥틸에테르 등일 수 있다. 다만, 이들로 제한되는 것은 아니고, 공지된 비이온성 유화제들은 모두 본 발명의 내용으로 포함될 수 있다.
본 발명의 비제한적인 실시예에서, 공액 디엔계 라텍스 입자(A) 중합체 고형분 전체 중량을 기준으로, 상기 (가) 공액 디엔계 단량체 또는 공액디엔계 중합체는 1 내지 97.9 중량%로 포함되어 있고, 상기 (나)군 단량체는 1 내지 60 중량%로 포함되어 있으며, (다) 불포화 모노카르본산계 단량체는 1 내지 20 중량%로 포함되어 있을 수 있다. 유화제, 버퍼, 가교제 등의 기타 성분들은 선택적으로 0.1 내지 10 중량%의 범위 내에서 포함되어 있을 수 있다.
아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B) 고형분 전체 중량을 기준으로, 상기 (가) (메타)아크릴산 에스테르계 단량체는 1 내지 97.9 중량%로 포함되어 있고, 상기 (나)군 단량체는 1 내지 60 중량%로 포함되어 있으며, (다) 불포화 모노카르본산계 단량체는 1 내지 20 중량%로 포함되어 있을 수 있다. 유화제, 버퍼, 가교제 등의 기타 성분들은 선택적으로 0.1 내지 10 중량%의 범위 내에서 포함되어 있을 수 있다.
한편, 바인더를 제조하는 과정에서 산화 방지제 및 방부제가 첨가될 수 있다. 특히, 공액 디엔 중합체가 바인더에 포함되어 사용되는 경우, 전지의 작동 과정에서 연화, 겔화 등으로 물성의 열화를 일으키기 쉬워 전지의 수명이 단축될 수 있으므로, 이러한 열화를 감소시키기 위하여 산화 방지제가 바람직하게 사용될 수 있다.
라텍스 입자(A)와 라텍스 입자(B)는 독립적인 상으로 존재할 때, 접착력의 향상 효과가 향상되므로 상기 입자 간 응집(agglomeration)이 일어나지 않도록 하는 것이 중요하다.
하나의 바람직한 예에서, 각각 제조된 라텍스 입자(A)와 라텍스 입자(B)의 pH를 조절하여 혼합물에서 상기 입자들(A, B)이 응집되지 않고 독립된 상을 유지할 수 있다.
라텍스 입자(B)의 pH가 산성인 경우, 라텍스 입자(A)와 응집이 발생할 수 있으므로, 이를 염기로 적정하여 pH를 조절함으로써 독립된 상을 유지시킬 수 있다. 이 때, 상기 염기는, 예를 들어, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화리튬 등이 사용될 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 수산화리튬일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 바인더 조성물에는 점도 조절제 및 충진제로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 물질이 더 포함되어 있을 수 있다. 상기 점도 조절제 및 충진제에 대해서는 이후에서 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 또한, 상기 바인더 조성물 및 리튬을 흡장/방출할 수 있는 전극 활물질을 포함하는 이차전지의 전극용 합제를 제공한다. 상기 이차전지의 전극용 합제는 도전재를 추가로 포함할 수 있다. 상기 도전재에 대해서는 이후에서 더욱 상세히 설명한다.
상기 전극 활물질의 바람직한 예로는 리튬 전이금속 산화물 분말 또는 탄소 분말을 들 수 있다. 본 발명은 또한, 상기 전극용 합제가 집전체에 도포되어 구성되는 이차전지용 전극을 제공한다. 상기 전극은 전극용 합제를 집전체 상에 도포한 후, 건조 및 압연하여 제조할 수 있다. 상기 이차전지용 전극은 양극일 수도 있고, 음극일 수도 있다.
양극은 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재, 바인더 등의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조하며, 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질, 도전재, 바인더 등의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조한다. 경우에 따라서는, 음극에 도전재가 포함되지 않을 수도 있다.
상기 양극 활물질은 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1+xM1-yM'yPO4-zXz (여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
음극 활물질로는, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성 탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연재료; 리튬과 합금이 가능한 Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt, Ti 등의 금속 및 이러한 원소를 포함하는 화합물; 금속 및 그 화합물과 탄소 및 흑연재료의 복합물; 리튬 함유 질화물 등을 들 수 있다. 그 중에서도 탄소계 활물질, 실리콘계 활물질, 주석계 활물질, 또는 실리콘-탄소계 활물질이 더욱 바람직하며, 이들은 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다.
상기 도전재는 전극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 전극 합제 전체 중량을 기준으로 0.01 ~ 30 중량%로 첨가될 수 있다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 나노튜브나 플러렌 등의 탄소 유도체, 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 전극에서 집전체는 활물질의 전기화학적 반응에서 전자의 이동이 일어나는 부위로서, 전극의 종류에 따라 양극 집전체와 음극 집전체가 존재한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄,은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
이들 집전체들은 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 전극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
전극 활물질, 도전재, 바인더 등의 혼합물(전극 합제)에는 점도 조절제 및 충진제로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질이 더 포함될 수도 있다.
상기 점도 조절제는 전극 합제의 혼합 공정과 그것의 집전체 상의 도포 공정이 용이할 수 있도록 전극 합제의 점도를 조절하는 성분으로서, 전극 합제 전체 중량을 기준으로 30 중량%까지 첨가될 수 있다. 이러한 점도 조절제의 예로는, 카르복시메틸셀룰로우즈, 폴리아크릴산 등이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 충진제는 전극의 팽창을 억제하는 보조성분으로서, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
본 발명은 상기 전극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
상기 리튬 이차전지는 일반적으로 전극 외에도 분리막 및 리튬염 함유 비수 전해질을 더 포함하는 것으로 구성되어 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머, 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 리튬 함유 비수계 전해액은 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다.
상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라하이드로푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해액에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
경우에 따라서는 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용될 수도 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N, N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄, 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propenesultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지를 단위전지로 하는 전지팩을 사용할 수 있고, 상기 전지팩은 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기 자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 디바이스 내지 장치들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 바인더 조성물은 공액 디엔계 라텍스 입자(A)의 종류와 아크릴레이트계 공중합체 라텍스 입자(B)의 종류의 합이 조성물 전체에서 3 이상의 조합으로 포함되어 있어서, 종래의 2 종의 조합으로 이루어진 바인더 조성물에 비해, 전극 물질들 상호간 및 전극 물질과 집전체 사이에서 더욱 우수한 결합력을 유지할 수 있고, 초기 용량 및 50 사이클 용량 유지율이 우수한 이차전지를 제공할 수 있으며, 고온에서 두께의 증가 및 가스 발생이 감소되므로, 안전성이 향상된 전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 3종 이상의 조합으로 이루어진 바인더는 음극 활물질로 천연 흑연계 활물질을 이용하는 경우뿐만 아니라, 전지의 두께변화에 유리한 인조 흑연계 활물질을 이용하는 경우에도, 전극의 구성물질 상호간 및 상기 구성물질과 집전체 사이의 접착력이 향상되는 효과를 보인다.
이하의 실시예, 비교예 및 실험예에서 본 발명의 내용을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
<공액 디엔계 라텍스 입자(A1)의 제조>
단량체는 1,3-부타디엔(45 g), 스티렌(50 g), 아크릴산(3 g), 히드록시에틸아크릴레이트(2 g), (buffer)로 NaHCO3(0.4 g), 소디움 라우릴 설페이트(0.4 g), 분자량 조절제로 도데실 메르캅탄(0.5 g)을 일괄 투여하였다.
이들을 혼합하여 80℃까지 승온시킨 후, 중합 개시제로서 포타슘 퍼설페이트를 넣어 반응을 개시한 후, 6 시간 동안 80℃를 유지하면서 반응시켜 부타디엔 라텍스 입자(A1)를 수득하였으며, 중합된 라텍스 입자(A1)의 pH는 4.5이었다.
중합된 라텍스 입자(A1)의 평균 입경은 185 nm이었다. 상기 평균 입경은 유화제의 양에 의해 조절하게 되는데, 일반적으로 유화제의 양이 증가할수록 입자의 크기는 작아지므로 원하는 크기, 반응시간, 반응 안정성 등을 고려하여 유화제 사용량을 조절해 사용할 수 있다.
<공액 디엔계 라텍스 입자(A2)의 제조>
단량체로서 스티렌 40.5 g, 1,3-부타디엔 49 g, 메틸메타크릴레이트 5 g, 아크릴산과 이타콘산 5 g, 가교제로서 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 0.5 g, 유화제로서 소듐 라우릴 설페이트, 중합개시제로서 포타슘 퍼설페이트를 물에 첨가하고, 혼합하여, 75℃에서 약 7 시간 동안 중합하였다.
중합된 라텍스 입자(A2)의 pH는 4.5이고, 평균 입경은 90 nm이었다.
<아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B1)의 제조>
단량체로서 부틸 아크릴레이트(70 g), 스티렌(20 g), 아크릴산(5g), 히드록시 부틸아크릴레이트(5 g), 버퍼로서 NaHCO3(0.4 g), 유화제로서 소디움 라우릴 설페이트(0.4 g)를 물에 첨가하고, 혼합하여 75℃까지 승온시킨 후, 중합 개시제로서 암모늄 퍼설페이트를 첨가하여 중합을 시작한다.
75℃의 온도로 유지하면서 약 6시간 동안 반응시켜 라텍스 입자(B1)를 제조하였다. 중합된 라텍스 입자(B1)의 pH는 3.5이고, 평균 입경은 470 nm이었다.
<아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B2)의 제조>
단량체로서 부틸 아크릴레이트 55.5 g, 스티렌 35g, 아크릴산과 이타콘산 7.5 g, 가교제로서 글리시딜 메타 아크릴레이트 2g, 유화제로서 소듐 라우릴 설페이트 및 폴리옥시에틸렌라우릴에테르 0.7g, 버퍼로서 NaHCO3 0.4g, 중합개시제로서 암모늄 퍼설페이트를 물에 첨가하고, 혼합하여 75℃의 온도에서 약 5 시간 동안 중합하였다.
중합된 라텍스 입자(B2)의 pH는 3.5이고, 평균 입경은 150 nm이었다.
<실시예 1> (3 종의 조합으로 혼합된 바인더 조성물)
<실시예 1-1>
상기 수득한 바인더를 고형물 질량 비율로 공액 디엔계 라텍스 입자(A1): 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B1): 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B2) = 80: 10: 10으로 혼합하여 바인더 조성물을 제조하였다. 혼합 후 Submicron particle sizer (Nicomp TM 380)을 사용, 라텍스 입자의 크기를 분석하여 응집(agglomeration)현상이 발생하지 않았음을 확인하였다.
<실시예 1-2>
상기 수득한 바인더를 고형물 질량 비율로 공액 디엔계 라텍스 입자(A1): 공액 디엔계 라텍스 입자(A2): 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B1) = 40: 40: 20으로 혼합하여 바인더 조성물을 제조하였다. 혼합 후 Submicron particle sizer (Nicomp TM 380)을 사용, 라텍스 입자의 크기를 분석하여 응집(agglomeration)현상이 발생하지 않았음을 확인하였다.
<실시예 2> (4 종의 조합으로 혼합된 바인더 조성물)
상기 수득한 바인더를 고형물 질량 비율로 공액 디엔계 라텍스 입자(A1): 공액 디엔계 라텍스 입자(A2): 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B1): 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B2) = 40: 40: 10: 10으로 혼합하여 바인더 조성물을 제조하였다. 혼합 후 Submicron particle sizer (Nicomp TM 380)을 사용, 라텍스 입자의 크기를 분석하여 응집(agglomeration)현상이 발생하지 않았음을 확인하였다.
<실시예 3> (전극 슬러리 및 전극의 제조)
<실시예 3-1>
음극은 물을 분산매로 하여 전체 고형분 100 g 중량 기준으로, 천연흑연 96.0 g, 도전재 0.5 g, 상기 실시예 1-1에서 제조된 리튬 이차전지용 바인더 2.5 g, 증점제로 카르복시 메틸셀룰로오즈 1.0 g을 혼합하고, 전체 고형분 함량이 50 중량%가 되도록 하여 음극용 슬러리를 제조하고 구리 호일에 도포한 후 진공건조하고 압착하여 음극을 제조하였다.
양극은 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)를 분산매로 사용하여 전체 고형분 100 g 중량을 기준으로, 활물질인 LiCoO2 96 g, 도전재 2 g, 및 PVDF 바인더 2
g을 혼합하여 양극용 슬러리를 제조한 후 알루미늄 호일에 도포하여 건조한
후 압착하여 양극을 제조하였다.
<실시예 3-2>
실시예 1-2에서 제조된 바인더를 이용하여 음극을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 3-1과 동일한 방법으로 양극 및 음극을 제조하였다.
<실시예 3-3>
실시예 2에서 제조된 바인더를 이용하여 음극을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 3-1과 동일한 방법으로 양극 및 음극을 제조하였다.
<실시예 4> (리튬 이차전지의 제조)
<실시예 4-1>
상기 실시예 3-1에서 제조된 음극 극판을 표면적 13.33 cm2으로 뚫고, 상기 실시예 3-1에서 제조된 양극 극판은 표면적 12.60 cm2으로 뚫어 단일셀(mono-cell)을 제작하였다. 탭(tap)을 상기 양극 및 음극의 상부에 부착하고, 음극과 양극 사이에 폴리올레핀 미세 다공막으로 만들어진 분리막을 개재시켜 상기 결과물을 알루미늄 파우치에 적재한 후 전해액 500 mg을 파우치 내부에 주입하였다. 전해액은 EC(ethyl carbonate) : DEC(diethyl carbonate) : EMC(ethyl-methyl carbonate) = 4 : 3 : 3(체적비) 혼합용매를 사용하여 LiPF6 전해질을 1M의 농도로 용해시켜 제조하였다.
이후, 진공포장기를 이용하여 상기 파우치를 밀봉하고 상온에서 12시간 동안 유지시킨 후, 약 0.05C 비율로 정전류 충전하고 전류의 약 1/6이 될 때까지 전압을 유지시켜주는 정접압 충전 과정을 거쳤다. 이 때, 셀 내부에 가스가 발생하므로 탈가스(degassing)와 재실링(resealing) 과정을 수행하여 리튬 이차전지를 완성하였다.
<실시예 4-2>
실시예 3-2에서 제조된 양극 및 음극을 이용한 것을 제외하고는, 실시예 4-1과 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 완성하였다.
<실시예 4-3>
실시예 3-3에서 제조된 양극 및 음극을 이용한 것을 제외하고는, 실시예 4-1과 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 완성하였다.
<비교예 1>
공액 디엔계 라텍스 입자(A1): 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B1) = 50: 50으로 혼합하여 바인더 조성물을 제조하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1~4와 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 제조하였다.
<비교예 2>
공액 디엔계 라텍스 입자(A1): 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B2) = 50: 50으로 혼합하여 바인더 조성물을 제조하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1~4와 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 제조하였다.
<비교예 3>
공액 디엔계 라텍스 입자(A2): 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B1) = 50: 50으로 혼합하여 바인더 조성물을 제조하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1~4와 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 제조하였다.
<비교예 4>
공액 디엔계 라텍스 입자(A2): 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B2) = 50: 50으로 혼합하여 바인더 조성물을 제조하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1~4와 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 제조하였다.
<실험예 1>
<접착력 실험>
실시예 3-1 내지 3-3 및 비교예 1 내지 4에 따른 바인더를 음극에 사용했을 때의 음극용 조성물과 집전체 사이의 접착력을 측정하는 실험을 수행하였다. 상기 실시예 3-1 내지 3-3 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 음극 극판을 일정한 크기로 잘라 슬라이드 글라스에 고정시킨 후, 집전체를 벗겨 내며 180ㅀ벗김 강도를 측정한 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 평가는 5개 이상의 벗김 강도를 측정하여 평균값으로 정하였다.
접착력 (gf/cm)
실시예 3-1 102.2
실시예 3-2 105.5
실시예 3-3 106.0
비교예 1 65.9
비교예 2 68.2
비교예 3 78.5
비교예 4 77.0
표 1을 참조하면, 실시예에 따른 음극의 접착력이, 비교예에 따른 음극의 접착력 보다 월등히 우수한 것을 확인할 수 있다.
즉, 2 종류의 라텍스 입자를 사용하는 경우 보다, 3 종류, 4 종류의 라텍스 입자를 사용하는 경우 집전체와 전극용 조성물 간 접착력이 월등히 향상된다. 3 종류의 라텍스 입자를 사용한 실시예 3-1, 3-2와 4 종류의 라텍스 입자를 사용한 실시예 3-3의 접착력을 비교하면, 상호 유사한 수준이다.
한편, 상기 실시예에서는 음극 활물질로 천연흑연을 사용하였으나, 본 발명에 따른 바인더 조성물은 충방전에 따른 부피 변화는 적으나, 입자 구조상 높은 접착력이 요구되는 인조흑연에도 바람직하게 사용될 수 있다.
<실험예 2>
<전지 테스트>
상기 실시예 4-1 내지 4-3 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 전지의 충방전 실험을 행하였다. 우선 충방전 전류 밀도를 0.2C로 하고, 충전 종지 전압을 4.2V(Li/Li+), 방전 종지 전압을 2.5V(Li/Li+)로 한 충방전 시험을 2회 시행하였다. 뒤이어, 충방전 전류 밀도를 1C로 하고 충전 종지 전압을 4.2V(Li/Li+), 방전 종지 전압을 3V(Li/Li+)로 한 충방전 시험을 48회 시행하였다. 모든 충전은 정전류/정전압으로 행하고, 정전압 충전의 종지 전류는 0.05C로 하였다. 총 50 사이클의 시험을 완료한 후 첫번째 사이클의 충방전 효율(초기효율 및 50 사이클 용량 유지율)을 구하였다. 그리고 50 사이클의 충전 용량을 첫 사이클의 충전 용량으로 나누는 용량비(50th/1st)를 구하여 용량 유지율로 간주하였다. 이들의 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
초기효율(%) 50 사이클 용량 유지율(%)
실시예 4-1 99.8 97.2
실시예 4-2 99.7 97.5
실시예 4-3 99.9 98.0
비교예 1 99.7 93.2
비교예 2 99.2 92.8
비교예 3 99.8 93.5
비교예 4 99.6 95.5
표 2를 참조하면, 실시예 4-1 내지 4-3와 비교예 1 내지 4의 초기 효율은 유사한 수준이나, 50 사이클 용량 유지율은 실시예가 비교예보다 뛰어난 것을 확인할 수 있다.
이는 반복되는 충방전에 의해 부피가 팽창하는 경우에도, 3종류 이상의 라텍스 입자로 구성된 바인더 조성물이 전극의 구성 성분간 결합력을 유지시키는 것에서 기인한 것으로 보인다. 즉, 본 발명에 따른 바인더 조성물은 수명 특성 및 안전성을 확보한 리튬 이차전지를 제공하는 효과를 가진다.
이상, 본 발명에 따른 실시예를 참조하여 발명의 내용을 상술하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (20)

  1. 이차전지용 바인더 조성물로서,
    공액 디엔계(conjugated dienes) 라텍스(latex) 입자(A)와 아크릴계 코폴리머(copolymer) 라텍스(latex) 입자(B)를 각각 적어도 1 종류 이상 포함하며, 상기 공액 디엔계 라텍스 입자(A)의 종류와 상기 아크릴레이트계 공중합체 라텍스 입자(B)의 종류의 합이 조성물 전체에서 3 이상의 조합으로 혼합된 것을 특징으로 하는 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 3 이상의 조합으로 혼합된 라텍스 입자들은 각각 독립적인 상으로 존재하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 공액 디엔계 라텍스 입자(A)와 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)는 중량비를 기준으로 50:50 내지 99:1의 비율로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 공액 디엔계 라텍스 입자(A)와 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)는 중량비를 기준으로 70:30 내지 99:1의 비율로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서, 1 종류의 공액 디엔계 라텍스 입자(A)와 2 종류의 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서, 2 종류의 공액 디엔계 라텍스 입자(A)와 1 종류의 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 조성물.
  7. 제 1 항에 있어서, 1 종류의 공액 디엔계 라텍스 입자(A)와 3 종류의 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 조성물.
  8. 제 1 항에 있어서, 2 종류의 공액 디엔계 라텍스 입자(A)와 2 종류의 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서, 3 종류의 공액 디엔계 라텍스 입자(A)와 1 종류의 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 조성물.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 라텍스 입자(A)의 평균 입경은 50 내지 700 nm인 것을 특징으로 하는 조성물.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 라텍스 입자(B)의 평균 입경은 30 내지 800 nm인 것을 특징으로 하는 조성물.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 공액 디엔계 라텍스 입자(A)는,
    (가) 공액 디엔계 단량체 또는 공액 디엔계 올리고머;
    (나) 아크릴레이트계 단량체, (메타)아크릴산 에스테르계 단랑체, 비닐계 단량체, (메타)아크릴 아미드계 단량체 및 니트릴계 단량체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 단량체; 및
    (다) 불포화 모노카르본산계 단량체;
    의 중합체인 것을 특징으로 하는 조성물.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)는,
    (가) (메타)아크릴산 에스테르계 단량체;
    (나) 아크릴레이트계 단량체, 비닐계 단량체, (메타)아크릴 아미드계 단량체 및 니트릴계 단량체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 단량체; 및
    (다) 불포화 모노카르본산계 단량체;
    의 중합체인 것을 특징으로 하는 조성물.
  14. 제 12 항에 있어서, 공액 디엔계 라텍스 입자 중합체(A) 고형분 전체 중량을 기준으로, 상기 (가) 공액 디엔계 단량체 또는 공액 디엔계 올리고머는 1 내지 97.9 중량%로 포함되어 있고, 상기 (나)군 단량체는 1 내지 60 중량%로 포함되어 있으며, (다) 불포화 모노카르본산계 단량체는 1 내지 20 중량% 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 조성물.
  15. 제 13 항에 있어서, 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B) 고형분 전체 중량을 기준으로, 상기 (가) (메타)아크릴산 에스테르계 단량체는 1 내지 97.9 중량%로 포함되어 있고, 상기 (나)군 단량체는 1 내지 60 중량%로 포함되어 있으며, (다) 불포화 모노카르본산계 단량체는 1 내지 20 중량% 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 조성물.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 공액 디엔계 라텍스 입자(A)는,
    부타디엔 단량체, 스티렌 단량체, 아크릴산 단량체, 히드록시에틸아크릴레이트 단량체, 메틸메타크릴레이트 단량체, 및 이타콘산 단량체로 이루어진 군에서 선택된 둘 이상의 중합체인 것을 특징으로 하는 조성물.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 아크릴계 코폴리머 라텍스 입자(B)는,
    부틸 아크릴레이트 단량체, 스티렌 단량체, 아크릴산 단량체, 히드록시 부틸아크릴레이트 단량체, 이타콘산 단량체로 이루어진 군에서 선택된 둘 이상의 중합체인 것을 특징으로 하는 조성물.
  18. 제 1 항에 따른 바인더 조성물과, 리튬을 흡장, 방출할 수 있는 전극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극 합제.
  19. 제 18 항에 따른 전극 합제가 집전체에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  20. 제 19 항에 따른 이차전지용 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
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