KR20160072769A - Electrode for rechargeable lithium battery, rechargeable lithium battery, and method of fabricating electrode for rechargeable lithium battery - Google Patents
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Abstract
Description
리튬 이차 전지용 전극, 리튬 이차 전지 및 리튬 이차 전지용 전극의 제조 방법에 관한 것이다.An electrode for a lithium secondary battery, a lithium secondary battery, and a method for manufacturing an electrode for a lithium secondary battery.
최근, 휴대 전자 기기, 전기 자동차, 전력저장용 등의 전원으로서 고에너지(energy) 밀도를 가지며 고용량인 리튬 이온(lithium ion) 이차 전지가 광범위하게 이용되고 있다. 2. Description of the Related Art In recent years, a lithium ion secondary battery having a high energy density and a high capacity as a power source for portable electronic devices, electric vehicles, and electric power storage has been widely used.
특히, 장치 등의 소형화, 다기능화에 따라 장치의 소비 전력이 증대되고 있어, 리튬 이온 이차 전지의 고용량화가 강하게 요구되고 있다. 이러한 요구에 따라, 리튬 이온 이차 전지를 고용량화하기 위해서는 전지 내의 활물질의 비율을 증가시킬 필요가 있다. Particularly, the power consumption of the apparatus is increased due to miniaturization and multifunctionalization of the apparatus and the like, and a high capacity of the lithium ion secondary battery is strongly demanded. In accordance with this demand, in order to increase the capacity of the lithium ion secondary battery, it is necessary to increase the ratio of the active material in the battery.
구체적으로는 전지 내의 활물질의 비율을 증가시키기 위해, 활물질을 두껍게 집전체에 도포하고, 활물질층을 고밀도화해서 전극을 제작한다. Specifically, in order to increase the ratio of the active material in the battery, the active material is thickly applied to the current collector, and the active material layer is densified to manufacture the electrode.
그러나 활물질을 두껍게 집전체에 도포함으로써, 다음과 같은 문제가 발생한다. However, when the active material is thickly applied to the current collector, the following problems arise.
충방전 사이클에 있어서의 활물질의 부피변화에 의해 집전체에 응력이 걸리고 집전체로부터 활물질이 박리되기 쉬워진다.A stress is applied to the current collector due to a change in the volume of the active material in the charge-discharge cycle, and the active material tends to peel off from the current collector.
이에 대해, 일본공개특허 제2014-038795호(특허문헌 1)에서는 활물질을 줄무늬형으로 집전체에 도포함으로써 줄무늬형의 활물질 사이에 위치하는 공간에 의해 응력을 완화시키고, 집전체로부터의 활물질의 박리를 방지하고 있다. On the other hand, in Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2014-038795 (Patent Document 1), the active material is applied to the current collector in a striped shape to relax the stress by the space located between the active materials in the stripe form, .
또한, 활물질을 두껍게 집전체에 도포하고 건조시켜 전극을 제작할 경우 활물질이 건조 경화할때 수축함으로써 활물질층에 크랙(crack)이 생기기 쉬워진다.In addition, when the active material is thickly applied to the current collector and then dried to produce an electrode, the active material shrinks when dried and cured, and cracks are likely to occur in the active material layer.
이에 대해, 일본공개특허 제2014-022220호(특허문헌 2)에서는 점도가 상이한 활물질 도포액을 2회로 나누어서 집전체에 도포하고, 활물질 도포액을 건조시킴으로써 크랙 발생을 억제하고 있다. On the other hand, Japanese Laid-Open Patent Application No. 2014-022220 (Patent Document 2) discloses that the active material coating liquid having different viscosity is divided into two portions and applied to the current collector, and the active material coating liquid is dried to suppress cracking.
또한, 활물질층을 두껍게 고밀도로 하면, 활물질층에 있어서의 리튬 이온 전도가 저하되는 문제가 있다. 리튬 이온 전도가 저하되면, 특히 활물질층의 집전체 측에서는 리튬 이온의 주고받음이 율속(律速)이 되고, 충방전 반응이 진행되지 않고 용량이 저하된다. 이에 더하여, 활물질층의 깊이 방향에서의 충방전 반응이 더욱 불균일해지고, 특히 음극에서는 충전 시 음극 표면에 리튬 석출 등의 비가역 반응이 일어나고, 이에 의해서도 용량이 저하된다. When the active material layer is made thick and dense, there is a problem that the lithium ion conductivity in the active material layer is lowered. When the lithium ion conductivity is lowered, the transfer of lithium ions is rate-controlled particularly on the collector side of the active material layer, and the charge / discharge reaction does not proceed and the capacity decreases. In addition, the charging / discharging reaction in the depth direction of the active material layer becomes more uneven, and particularly irreversible reaction such as lithium precipitation occurs on the surface of the negative electrode at the time of charging in the negative electrode.
이 문제를 해결하기 위하여, 전극의 활물질층 내의 이온 전도를 개선하기 위한 연구가 진행되고 있다.In order to solve this problem, researches for improving ion conduction in the active material layer of the electrode are underway.
예를 들면, 일본공개특허 제2007-250510호(특허문헌 3)에서는 활물질층에 공극을 형성하고, 공극에 의해 리튬 이온을 부드럽게 이동시킴으로써 활물질층 내의 이온 전도를 개선하고 있다. For example, Japanese Laid-Open Patent Application No. 2007-250510 (Patent Document 3) improves ion conductivity in the active material layer by forming voids in the active material layer and smoothly moving lithium ions through the voids.
또한 일본공개특허 제2013-251147호(특허문헌 4)에서는 활물질층에 비스듬한 컷 아웃을 넣고, 활물질층의 내부에 흡수할 수 있는 전해액의 양을 증가시킴으로써 활물질층 내의 이온 전도를 개선하고 있다.Japanese Laid-Open Patent Application No. 2013-251147 (Patent Document 4) discloses a method of improving ion conductivity in the active material layer by inserting an oblique cutout into the active material layer and increasing the amount of the electrolyte capable of being absorbed into the active material layer.
그러나 상기 특허문헌 1 내지 4에 개시된 리튬 이온 이차 전지에서는 사이클 수명에 대해서 만족할 수 있는 값을 얻을 수 없었다. However, in the lithium ion secondary batteries disclosed in the above Patent Documents 1 to 4, a satisfactory value for the cycle life could not be obtained.
구체적으로, 상기 특허문헌 3에서와 같이 활물질층에 공극을 형성한 경우 공극이 형성된 활물질층에 대향하는 전극에서는 균일하게 충방전 반응이 행해지지 않으므로, 충방전 사이클에 있어서 전극의 국부적인 열화가 발생하고, 사이클 수명으로서 만족할 수 있는 값을 얻을 수 없었다. Specifically, when a gap is formed in the active material layer as in Patent Document 3, the charge / discharge reaction is not uniformly performed in the electrode opposed to the active material layer in which the gap is formed, so that local deterioration of the electrode occurs in the charge- And a value that can be satisfied as the cycle life could not be obtained.
또한 상기 특허문헌 4에서와 같이 경사지게 컷 아웃을 넣은 활물질층의 경우 벤 자국부에 있어서 전자 전도성이 저하되는 점에서, 균일하게 충방전 반응이 행해지지 않는다.In addition, in the case of the active material layer in which the cutout is inclined as in the case of Patent Document 4, the electron conductivity is lowered in the benching portion, so that the charging / discharging reaction is not uniformly performed.
따라서 상기 특허문헌 3에서와 마찬가지로, 충방전 사이클에 있어서 전극의 국부적인 열화가 생기고, 사이클 수명으로서 만족할 수 있는 값을 얻을 수 없었다. Therefore, as in the case of Patent Document 3, local deterioration of the electrode occurs in the charge-discharge cycle, and a value that can be satisfied as the cycle life can not be obtained.
일 구현예는 사이클 수명 특성을 향상시키는 리튬 이차 전지용 전극을 제공하기 위한 것이다.One embodiment is to provide an electrode for a lithium secondary battery that improves cycle life characteristics.
다른 일 구현예는 상기 리튬 이차 전지용 전극을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.Another embodiment is to provide a lithium secondary battery including the electrode for the lithium secondary battery.
또 다른 일 구현예는 상기 리튬 이차 전지용 전극의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.Another embodiment is to provide a method for manufacturing the electrode for a lithium secondary battery.
일 구현예는 집전체; 및 상기 집전체 위에 배치된 활물질층을 포함하고, 상기 활물질층은 띠형으로 연장되는 복수 개의 활물질 패턴, 그리고 인접하는 상기 활물질 패턴 사이에 배치된 복수 개의 카본층을 포함하고, 상기 카본층 간의 간격은 1mm 초과 10 mm 미만인 리튬 이차 전지용 전극을 제공한다.One embodiment includes a current collector; And an active material layer disposed on the current collector, wherein the active material layer includes a plurality of active material patterns extending in a strip shape, and a plurality of carbon layers disposed between the adjacent active material patterns, The electrode for a lithium secondary battery is more than 1 mm but less than 10 mm.
상기 카본층은 상기 활물질층을 막 두께 방향으로 가로질러 배치될 수 있다.The carbon layer may be disposed across the active material layer in the film thickness direction.
상기 카본층은 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙 및 카본 블랙 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The carbon layer may include at least one of acetylene black, Ketjen black, and carbon black.
다른 일 구현예는 양극 및 음극을 포함하고, 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나는 상기 전극인 리튬 이차 전지를 제공한다.Another embodiment provides a lithium secondary battery including a positive electrode and a negative electrode, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode is the electrode.
또 다른 일 구현예는 양극 및 음극을 포함하고, 상기 음극은 상기 전극인 리튬 이차 전지를 제공한다.Another embodiment provides a lithium secondary battery comprising a positive electrode and a negative electrode, wherein the negative electrode is the electrode.
또 다른 일 구현예는 집전체 위에 활물질을 포함하는 슬러리를 소정의 간격으로 띠형으로 도포하여 복수 개의 제1 활물질 패턴을 형성하는 단계; 카본 분산액을 적어도 상기 각 제1 활물질 패턴의 측면을 덮도록 도포하여, 상기 각 제1 활물질 패턴의 측면에 카본층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 활물질 패턴의 사이에 위치하는 상기 집전체 위에 활물질을 포함하는 슬러리를 도포하여 복수 개의 제2 활물질 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 리튬 이차 전지용 전극의 제조 방법을 제공한다.According to another embodiment, a method of manufacturing a semiconductor device includes: forming a plurality of first active material patterns by applying a slurry containing an active material on a current collector in a strip shape at predetermined intervals; Coating a carbon dispersion to cover at least sides of the first active material pattern to form a carbon layer on a side surface of each first active material pattern; And forming a plurality of second active material patterns by applying a slurry containing an active material on the current collector positioned between the first active material patterns.
기타 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.The details of other embodiments are included in the detailed description below.
리튬 이차 전지의 사이클 수명 특성을 향상시킬 수 있다.The cycle life characteristics of the lithium secondary battery can be improved.
도 1은 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 전극을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 전극을 모식적으로 나타내는 확대 단면도이다.
도 4는 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 전극의 제조 공정을 순서대로 나타낸 도면이다.1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a lithium secondary battery according to one embodiment.
2 is a perspective view schematically showing an electrode for a lithium secondary battery according to one embodiment.
3 is an enlarged cross-sectional view schematically showing an electrode for a lithium secondary battery according to an embodiment.
FIG. 4 is a view showing the manufacturing process of the electrode for a lithium secondary battery according to an embodiment in order.
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.
본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.It is to be understood that where a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "on" another portion, unless stated otherwise in this specification, .
이하, 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지에 대해 도 1을 참고하여 설명한다.Hereinafter, a lithium secondary battery according to one embodiment will be described with reference to FIG.
도 1은 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다. 구체적으로, 도 1은 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지(10)를 두께 방향으로 절단했을 때의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a lithium secondary battery according to one embodiment. Specifically, FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of a lithium
도 1을 참고하면, 리튬 이차 전지(10)는 양극(20), 음극(30) 및 세퍼레이터층(40)을 포함한다. 리튬 이차 전지(10의 충전 도달 전압(산화 환원 전위)은, 예를 들면, 4.3V(vs.Li/Li+) 이상 5.0V 이하가 된다.1, the lithium
상기 리튬 이차 전지(10)의 형태는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 원통형, 각형, 라미네이트(laminate)형, 버튼(button)형 등 어떠한 것일 수 있다. The shape of the lithium
이하, 상기 음극(30)에 대해 도 2를 참고하여 설명한다.Hereinafter, the
도 2는 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 전극을 모식적으로 나타내는 사시도이다. 구체적으로, 도 2는 일 구현예에 따른 음극(30)을 두께 방향으로 절단한 경우를 모식적으로 나타내는 사시도이다.2 is a perspective view schematically showing an electrode for a lithium secondary battery according to one embodiment. 2 is a perspective view schematically showing a case where the
상기 음극(30)은 집전체(31) 및 상기 집전체(31) 위에 배치된 음극 활물질층(32)을 포함한다. The
상기 집전체(31)는 도전체라면 어떤 것도 가능하고, 예를 들면, 구리, 스테인리스강, 니켈 도금 강철 등일 수 있다.The
상기 음극 활물질층(32)은 상기 집전체(31)의 면 방향으로 띠형으로 연장되는 복수 개의 음극 활물질 패턴(33, 34)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 음극 활물질 패턴(33)과 음극 활물질 패턴(34)은 상기 집전체(31) 위에 교대로 줄무늬형으로 병렬로 배치될 수 있다.The negative electrode
또한 음극 활물질 패턴(33)과 음극 활물질 패턴(34) 사이에는 카본층(35)이 배치될 수 있다. 또한 음극 활물질 패턴(33)의 상면과 음극 활물질 패턴(34)의 하면에 카본층(35)이 배치될 수도 있다. 일 구현예에 따르면, 적어도 음극 활물질 패턴(33)과 음극 활물질 패턴(34)의 사이에 카본층(35)이 배치될 수 있다.A
또한 음극 활물질 패턴(33)과 음극 활물질 패턴(34)의 사이에 배치된 카본층(35)은 음극 활물질층(32)을 막 두께 방향으로 관철되도록 배치될 수 있다.The
상기 음극 활물질 패턴(33)과 음극 활물질 패턴(34)의 사이에 위치하는 카본층(35)끼리의 간격 A는 1 mm 초과 10 mm 미만일 수 있다.The gap A between the
상기 음극 활물질 패턴(33, 34)은 미립자형의 음극 활물질과 바인더가 적층된 집합체일 수 있다. The negative
상기 음극 활물질은 탄소계 물질을 포함할 수 있다. 상기 탄소계 물질은 탄소 원자를 포함하고, 동시에 전기화학적으로 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 물질이다. The negative electrode active material may include a carbon-based material. The carbon-based material is a material that contains carbon atoms and can simultaneously store and release lithium ions electrochemically.
상기 탄소계 물질로는, 예를 들면, 인조흑연, 천연흑연, 인조흑연과 천연흑연과의 혼합물, 인조흑연을 피복한 천연흑연 등의 흑연을 들 수 있다.Examples of the carbon-based material include graphite such as artificial graphite, natural graphite, a mixture of artificial graphite and natural graphite, and natural graphite coated with artificial graphite.
상기 바인더는 음극 활물질 입자를 서로 양호하게 부착시키고, 음극 활물질을 집전체에 양호하게 부착시키는 역할을 할 수 있다. 상기 바인더의 예로는, 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 카르복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose, CMC), 히드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 카르복시화(carboxylation)된 폴리염화비닐, 폴리비닐플루오라이드(polyvinyl fluoride), 에틸렌 옥사이드(ethylene oxide)를 함유하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 아크릴화(acrylic) 스티렌-부타디엔 고무, 에폭시 수지(epoxy resin), 나일론(nylon) 등을 들 수 있지만, 이것들에 한정되지 않는다.The binder may well adhere the negative electrode active material particles to each other and adhere the negative electrode active material to the current collector in a satisfactory manner. Examples of the binder include polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), hydroxypropyl cellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinyl chloride , Polyvinyl fluoride, polymers containing ethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride, (PVDF), polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber (SBR), acrylic styrene-butadiene rubber, epoxy resin, and nylon. .
상기 음극 활물질 패턴(33, 34)은 도전보조제를 더 포함할 수도 있다. 상기 도전보조제는 아세틸렌 블랙(acetylene black), 케첸 블랙(ketjen black) 및 카본 나노튜브(carbon nanotube) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The negative electrode
상기 카본층(35)은 도전성을 갖는 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙 및 카본 블랙 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The
이하, 도 3을 참고하여 음극 활물질층(32)을 설명한다.Hereinafter, the anode
도 3은 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 전극을 모식적으로 나타내는 확대 단면도이다. 구체적으로, 도 3은 일 구현예에 따른 음극(30)을 두께 방향으로 절단했을 때의 단면의 일부를 확대한 도면이다.3 is an enlarged cross-sectional view schematically showing an electrode for a lithium secondary battery according to an embodiment. 3 is an enlarged view of a part of a cross section when the
도 3을 참고하면, 음극 활물질층(32)에 배치된 음극 활물질 패턴(33) 및 음극 활물질 패턴(34)은 각각 미립자형의 음극 활물질(37)이 겹쳐지고 압축되어 형성될 수 있다. 또한 음극 활물질 패턴(33)과 음극 활물질 패턴(34) 사이는, 도 3으로부터 알 수 있듯이, 음극 활물질 패턴 내부와 비교하여 음극 활물질(37) 간의 겹침이 적을 수 있다. 이로 인해, 음극 활물질 패턴(33)과 음극 활물질 패턴(34) 사이의 카본층(35)을 통과하는 이온은 음극 활물질(37)에 방해 받지 않고, 음극 활물질층(32)의 막 두께 방향에 따라 직선적으로 스무스(smooth)하게 이동하는 것이 가능하다. 따라서, 이온이 스무스하게 이동할 수 있는 점에서, 음극 활물질층(32) 내에서의 이온 전도가 높아지고, 음극 활물질층(32) 내부에서의 충방전 반응이 신속하게 진행되게 된다. 그 결과, 음극(30)에서는 충방전 반응이 보다 균일하게 행해지기 때문에, 음극(30)에서의 리튬 석출과 같은 불가역 반응을 원인으로 하는 리튬 이차 전지(10)의 용량 저하를 피할 수 있고, 리튬 이차 전지(10)의 사이클 수명 특성을 개선할 수 있다. 3, the negative electrode
또한, 음극 활물질 패턴(33)과 음극 활물질 패턴(34)의 사이에는 카본층(35)이 배치될 수 있다. 음극 활물질 패턴(33)과 음극 활물질 패턴(34) 사이에서는 음극 활물질(37) 간의 겹침이 적은 것이 원인이 되어 음극 활물질층(32) 내의 전자전도성이 저하될 우려가 있다. 그러나, 일 구현예에 따르면, 음극 활물질 패턴(33)과 음극 활물질 패턴(34) 사이에 도전성을 가지는 아세틸렌 블랙 등을 포함하는 카본층(35)을 배치함으로써 음극 활물질(37) 간의 겹침이 적음으로 인한 음극 활물질층(32)의 전자전도성의 저하를 피할 수 있다. A
또한, 상기 카본층(35)은 비표면적이 큰 아세틸렌 블랙 등을 포함하므로 전해액에 젖기 쉬운 성질을 가진다. 따라서, 전해액은 카본층(35)에 유도되고, 음극 활물질 패턴(33과 음극 활물질 패턴(34) 사이에 스무스하게 침투할 수 있다. 그 결과, 전해액에 포함되는 이온이 음극 활물질 패턴(33)과 음극 활물질 패턴(34) 사이를 스무스하게 이동할 수 있고, 음극 활물질층(32) 내에서의 이온 전도를 보다 높일 수 있다. Also, since the
음극 활물질 패턴(33, 34)의 내부에서는 미립자형의 음극 활물질(37) 간에 미소한 간극이 점재하고 있어, 이들 미세한 간극이 연결됨으로써 이온이 음극 활물질층(32) 내부를 이동하기 위한 이동 경로(38)를 형성하고 있다. In the inside of the negative electrode
그리고, 상기 음극 활물질 패턴(33, 34) 내부의 이온 이동 경로(38)는 미립자형의 음극 활물질(37)의 윤곽에 따라 꼬불꼬불 구부러진 형상을 하고 있기 때문에, 이온이 상기 이온 이동 경로(38)를 통해서 음극 활물질 패턴(33, 34) 내부를 음극 활물질층(32)의 막 두께 방향으로 이동할 경우에는 이온은 음극 활물질(37)을 피하면서 구불구불 구부러지는 것이 될 수 있다. 따라서, 이온이 이온 이동 경로(38)를 통하는 경우 음극 활물질 패턴(33)과 음극 활물질 패턴(34) 사이의 카본층(35)을 통하는 경우와 비교하여 이온이 스무스하게 이동하는 것이 어렵다. 이에 대하여, 일 구현예에서는 음극 활물질층(32) 내에 이온의 확산 경로 및 전자이동 경로로서의 카본층(35)을 배치하고 있어, 이 카본층(35)에서는 음극 활물질(37) 간의 겹침이 적다는 점에서, 이온은 음극 활물질(37)에 방해될 일 없고 직선적으로 스무스하게 이동하는 것이 가능하다. Since the
상기 활물질층의 두께는 특별히 제한되지 않으며 적절히 선택할 수 있다. The thickness of the active material layer is not particularly limited and may be appropriately selected.
이하, 상기 음극(30)의 제조 방법에 대해 도 4를 참고하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the
도 4는 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 전극의 제조 공정을 순서대로 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 4는 일 구현예에 따른 음극(30)의 각 제조 공정에 있어서의 음극(30)을 두께 방향으로 절단했을 때의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.FIG. 4 is a view showing the manufacturing process of the electrode for a lithium secondary battery according to an embodiment in order. 4 is a diagram schematically showing a cross section when the
우선, 음극 활물질(37), 바인더 등을 건식 혼합하여 음극 합제를 제조한 다음, 상기 음극 합제를 적당한 용매에 분산시켜 점도를 조정하여 슬러리(slurry) 형의 음극 합제 슬러리를 제조할 수 있다.First, a negative electrode material mixture is prepared by dry mixing the negative electrode
또한 카본층(35)을 형성하기 위한 카본 분산액을 제조할 수 있다. 구체적으로, 아세틸렌 블랙 등의 탄소 재료를 적당한 용매에 분산시켜 카본 분산액을 제조할 수 있다.Further, a carbon dispersion for forming the
이어서, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 음극 합제 슬러리를 집전체(31)의 일면 위에 소정의 간격을 두고 줄무늬형으로 도포할 수 있다. 이때, 노즐(nozzle)을 이용해서 도포할 수도 있고, 붓으로 그리듯 집전체(31) 위에 도포할 수도 있다. 이때, 간격이 1mm 보다 크고 10mm 미만이 되도록 줄무늬형으로 음극 합제 슬러리를 도포할 수 있다.4 (a), the negative electrode material mixture slurry can be applied in a striped pattern on a surface of the
상기 음극합제 슬러리를 송풍형 건조기 등을 이용하여 건조시켜 음극 활물질 패턴(33)을 형성할 수 있다. The negative electrode
이어서, 상기 카본 분산액을 도포할 수 있다. 적어도 음극 활물질 패턴(33)의 측면을 덮도록 카본 분산액을 노즐 등을 이용하여 도포할 수 있다. 이때, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 집전체(31)의 일면 전체에, 즉, 음극 활물질 패턴(33)의 상면 및 측면, 그리고 음극 활물질 패턴(33)의 사이에 위치하는 집전체(31)의 일면 위에 카본 분산액을 도포 할 수도 있다. The carbon dispersion may then be applied. The carbon dispersion can be applied by using a nozzle or the like so as to cover at least the side surface of the negative electrode
또한, 송풍형 건조기 등을 이용하여 카본 분산액을 건조시킴으로써, 적어도 음극 활물질 패턴(33)의 측면에 카본층(35)을 형성할 수 있다.Further, the
이어서, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 음극 활물질 패턴(33)의 사이에 위치하는 집전체(31)의 일면 위에 음극 활물질 패턴(33)과 겹치지 않도록 상기 음극 합제 슬러리를 줄무늬형으로 도포할 수 있다.4C, the negative electrode material mixture slurry is striped so as not to overlap the negative electrode
또한, 송풍형 건조기 등을 이용하여 건조시키고, 음극 활물질 패턴(33)의 사이에 음극 활물질 패턴(34)을 형성할 수 있다.Further, the negative electrode
또한, 음극 활물질 패턴(33, 34)을 원하는 밀도가 되도록 압연한 후, 다시 송풍형 건조기 등을 이용하여 건조시켜 음극(30)을 제조할 수 있다.Further, the negative electrode
이하, 상기 양극(20)에 대해 설명한다.Hereinafter, the
상기 양극(20)은 이하에서 설명하는 사항 이외에는 일 구현예에 따른 상기 음극(30)과 동일하게 구성될 수 있다. 따라서, 여기에서는 음극(30)과 공통되는 사항에 대해서는 설명을 생략한다. The
양극(20)의 형태는 음극(30)과 동일하며, 도 2 및 도 3에 의해 나타낼 수 있다. The shape of the
도 2 및 3에서는, 양극(20)의 집전체(21)는 음극(30)의 집전체(31)에 대응하고, 양극 활물질층(22)은 음극 활물질층(32)에 대응하고, 양극 활물질 패턴은 음극 활물질 패턴(33, 34)에 대응하며, 양극(20)에 있어서의 카본층은 음극(30)에 있어서의 카본층(35)에 대응하고, 양극 활물질은 음극 활물질(37)에 대응할 수 있다. 2 and 3, the
양극(20)의 집전체(21)는 도전체라면 어떤 것이라도 양호하고, 예를 들면, 알루미늄, 스테인리스강, 니켈 도금 강철 등을 들 수 있다. The
양극 활물질 패턴은 미립자형의 양극 활물질을 적어도 포함하며, 도전재 및 바인더 중 적어도 하나를 추가로 포함할 수 있다.The positive electrode active material pattern includes at least a particulate positive electrode active material, and may further include at least one of a conductive material and a binder.
상기 양극 활물질은, 예를 들면, 리튬을 포함하는 고용체 산화물이지만, 전기 화학적으로 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 물질이라면 특별히 제한되지 않는다. The cathode active material is, for example, a solid solution oxide containing lithium, but is not particularly limited as long as it is a material capable of occluding and releasing lithium ions electrochemically.
고용체 산화물은, 예를 들면, LiaMnxCoyNizO2(1.150≤a≤1.430, 0.45≤x≤0.6, 0.10≤y≤0.15, 0.20=z≤0.28), LiMnxCoyNizO2(0.3≤x≤0.85, 0.10≤y≤0.3, 0.10≤z≤0.3), LiMn1.5Ni0.5O4, Li1.20Mn0.55Co0.10Ni0.15O2 등을 들 수 있다.The solid solution oxides include, for example, Li a Mn x Co y Ni z O 2 (1.150? A? 1.430, 0.45? X? 0.6, 0.10? Y? 0.15, 0.20 = z? 0.28), LiMn x Co y Ni z O 2 (0.3? X? 0.85, 0.10? Y? 0.3, 0.10? Z? 0.3), LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 , Li 1.20 Mn 0.55 Co 0.10 Ni 0.15 O 2 .
상기 도전재는, 예를 들면, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙 등의 카본블랙, 천연흑연, 인조흑연 등을 들 수 있으나, 양극의 도전성을 높이기 위한 것이라면 특별히 제한되지 않는다. Examples of the conductive material include carbon black such as ketjen black and acetylene black, natural graphite, and artificial graphite. However, the conductive material is not particularly limited as long as it enhances the conductivity of the anode.
상기 바인더는 예를 들면, 폴리비닐리덴플루오라이드, 에틸렌-프로필렌-디엔 삼원 공중합체, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 플루오르 고무, 폴리비닐아세테이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌, 니트로셀룰로오스 등을 들 수 있으나, 양극 활물질 및 도전재를 집전체 위로 결착시킬 수 있고, 동시에 양극의 고전위를 견디는 내산화성 및 전해액 안정성을 갖는 것이라면, 특별히 제한되지 않는다.The binder may be selected from, for example, polyvinylidene fluoride, ethylene-propylene-diene terpolymer, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, fluor rubber, polyvinyl acetate, polymethyl methacrylate, polyethylene, Cellulose, and the like. However, it is not particularly limited as long as it can bind the positive electrode active material and the conductive material on the current collector, and at the same time, has oxidation resistance and electrolyte stability to withstand the high potential of the positive electrode.
상기 양극(20)의 양극 활물질층(22)은 음극(30)과 마찬가지로 띠형으로 연장되는 복수 개의 양극 활물질 패턴을 갖는 것으로 설명했으나, 양극(20)은 이러한 형태가 아닐 수도 있으며, 일 구현예에서는 양극(20) 및 음극(30) 중 적어도 하나가 전술한 패턴을 갖는 활물질층을 가지고 있으면 된다.Although the positive electrode
이하, 상기 양극(20)의 제조 방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the
양극(20)이 제조 방법은 상기 음극(30)의 제조 방법과 동일할 수 있다. 다시 말해, 양극 활물질, 바인더 등을 건식 혼합하여 양극 합제를 제조하고, 이어서 양극 합제를 적당한 유기 용매에 분산시켜 양극 합제 슬러리를 제조할 수 있다. 이후의 공정에 대해서는 상기 음극(30)의 제조 방법과 동일하므로 여기서는 설명을 생략한다.The manufacturing method of the
이하, 상기 세퍼레이터층(40)에 대해 설명한다.Hereinafter, the
상기 세퍼레이터층(40)은 세퍼레이터 및 전해액을 포함할 수 있다.The
상기 세퍼레이터는 특별히 제한되지 않고, 리튬 이차 전지의 세퍼레이터로서 사용되는 것이라면 어떠한 것이어도 된다. 예를 들면, 우수한 고율방전 성능을 나타내는 다공막이나 부직포 등을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.The separator is not particularly limited, and any separator may be used as long as it is used as a separator of a lithium secondary battery. For example, a porous film or nonwoven fabric exhibiting excellent high rate discharge performance can be used singly or in combination.
구체적으로, 상기 세퍼레이터의 원단을 이루는 기재는 예를 들면, 폴리올레핀계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 비닐리덴플루오라이드-퍼플루오로비닐에테르 공중합체, 비닐리덴플루오라이드-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 비닐리덴플루오라이드-트리플루오로에틸렌 공중합체, 비닐리덴플루오라이드-플루오로에틸렌 공중합체, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로아세톤 공중합체, 비닐리덴플루오라이드-에틸렌 공중합체, 비닐리덴플루오라이드-프로필렌 공중합체, 비닐리덴플루오라이드-트리플루오로프로필렌 공중합체, 비닐리덴플루오라이드-테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 비닐리덴플루오라이드-에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체 등을 들 수 있다. 상기 폴리올레핀계 수지의 예로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등이 있으며, 상기 폴리에스테르계 수지의 예로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 등이 있다.Specifically, the substrate constituting the raw material of the separator is, for example, a polyolefin resin, a polyester resin, polyvinylidene fluoride (PVDF), a vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, a vinylidene fluoride- Vinylidene fluoride-fluoroethylene copolymers, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymers, vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymers, vinylidene fluoride-fluoroethylene copolymers, vinylidene fluoride-hexafluoro Vinylidene fluoride-ethylene copolymer, vinylidene fluoride-propylene copolymer, vinylidene fluoride-trifluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-ethylene copolymer, vinylidene fluoride- , Vinylidene fluoride-ethylene-tetrafluoroethylene There may be mentioned polymers. Examples of the polyolefin-based resin include polyethylene and polypropylene. Examples of the polyester-based resin include polyethylene terephthalate and polybutylene terephthalate.
상기 전해액은 비수용매에 전해질염을 함유시킨 조성을 가질 수 있다.The electrolytic solution may have a composition containing an electrolytic salt in a non-aqueous solvent.
상기 비수용매로는 예를 들면, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 클로로에틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트 등의 환형 카보네이트류; 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트 등의 쇄상 카보네이트류; γ-부티로락톤, γ-발레로락톤 등의 환형 에스테르류; 포름산 메틸(methyl formate), 아세트산 메틸(methyl acetate), 부티르산 메틸(butyric acid methyl) 등의 쇄상 에스테르류; 테트라하이드로푸란 또는 그 유도체; 1,3-디옥산, 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시 에탄, 1,4-디부톡시에탄, 메틸 디글라임 등의 에테르류; 아세토니트릴, 벤조니트릴 등의 니트릴류; 디옥솔란 또는 그 유도체; 에틸렌 술파이드, 술포란, 술톤 또는 그 유도체 등을 단독 또는 2종 이상의 혼합물로 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, chloroethylene carbonate and vinylene carbonate; Chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate; cyclic esters such as? -butyrolactone and? -valerolactone; Chain esters such as methyl formate, methyl acetate and butyric acid methyl; Tetrahydrofuran or a derivative thereof; Ethers such as 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,4-dibutoxyethane and methyl diglyme; Nitriles such as acetonitrile and benzonitrile; Dioxolane or derivatives thereof; Ethylene sulfide, sulfolane, sultone or a derivative thereof may be used alone or as a mixture of two or more thereof, but is not limited thereto.
상기 전해질염은, 예를 들면, LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiPF6, LiPF6 - x(CnF2n+1)x (1<x<6, n=1 또는 2), LiSCN, LiBr, LiI, Li2SO4, Li2B10Cl10, NaClO4, NaI, NaSCN, NaBr, KClO4, KSCN 등의 리튬, 나트륨 또는 칼륨의 1종을 포함하는 무기이온 염; LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)(C4F9SO2), LiC(CF3SO2)3, LiC(C2F5SO2)3, (CH3)4NBF4, (CH3)4NBr, (C2H5)4NClO4, (C2H5)4NI, (C3H7)4NBr, (n-C4H9)4NClO4, (n-C4H9)4NI, (C2H5)4N-말레에이트, (C2H5)4N-벤조에이트, (C2H5)4N-프탈레이트, 스테아릴 술폰산 리튬, 옥틸 술폰산 리튬, 도데킬벤젠술폰산 리튬 등의 유기이온 염 등을 들 수 있고, 이들의 이온성 화합물을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.The electrolyte salt may be, for example, LiClO 4, LiBF 4, LiAsF 6, LiPF 6, LiPF 6 - x (CnF 2n + 1) x (1 <x <6, n = 1 or 2), LiSCN, LiBr, LiI, Li 2 SO 4, Li 2 B 10 Cl 10, NaClO 4, NaI, NaSCN, NaBr, KClO 4, an inorganic ion salt containing lithium, sodium or potassium, such as one type of KSCN; LiCF 3 SO 3, LiN (CF 3 SO 2) 2, LiN (C 2 F 5 SO 2) 2, LiN (CF 3 SO 2) (C 4 F 9 SO 2), LiC (CF 3 SO 2) 3, LiC (C 2 F 5 SO 2 ) 3, (CH 3) 4 NBF 4, (CH 3) 4 NBr, (C 2 H 5) 4 NClO 4, (C 2 H 5) 4 NI, (C 3 H 7 ) 4 NBr, (nC 4 H 9) 4 NClO 4, (nC 4 H 9) 4 NI, (C 2 H 5) 4 N- maleate, (C 2 H 5) 4 N- benzoate, (C 2 H 5 ) 4 N-phthalate, lithium stearylsulfonate, lithium octylsulfonate, and lithium dodecylbenzenesulfonate. These ionic compounds may be used singly or in combination of two or more.
상기 전해질염의 농도는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 0.8 내지 1.5 mol/L의 농도로 사용할 수 있다.The concentration of the electrolyte salt is not particularly limited and may be, for example, 0.8 to 1.5 mol / L.
상기 전해액은 각종 첨가제를 첨가할 수 있다. 상기 첨가제로는 음극 작용 첨가제, 양극 작용 첨가제, 에스테르계 첨가제, 탄산에스테르계 첨가제, 황산에스테르계 첨가제, 인산에스테르계 첨가제, 붕산에스테르계 첨가제, 산무수물계 첨가제, 전해질계 첨가제 등을 들 수 있다. 이들 중에서 어느 1종 또는 2종 이상의 첨가제를 전해액에 첨가할 수 있다.Various additives may be added to the electrolytic solution. Examples of the additives include an anode active additive, an anode active additive, an ester based additive, a carbonic acid ester additive, a sulfuric acid ester additive, a phosphate ester additive, a boric acid ester additive, an acid anhydride additive and an electrolyte additive. Any one or more of these additives may be added to the electrolytic solution.
이하, 리튬 이차 전지(10)의 제조 방법에 대해 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing the lithium
전술한 세퍼레이터를 상기 양극(20) 및 상기 음극(30) 사이에 배치시켜어 전극 구조체를 제조한 다음, 상기 전극 구조체를 원하는 형태, 예컨대 원통형, 각형, 라미네이트형, 버튼형 등으로 가공하고, 해당 형태의 용기에 삽입한다. 이어서, 해당 용기 내에 상기 전해액을 주입하여 세퍼레이터 내의 각 기공에 전해액을 함침시킴으로써, 리튬 이차 전지를 제작할 수 있다.The separator is disposed between the
상기 리튬 이차 전지(10) 내의 양극 및 음극은 일 구현예에 따른 양극(20) 및 음극(30)을 이용하고 있으나, 양극 및 음극 중 적어도 하나로 일 구현예에 따른 양극(20) 또는 음극(30)을 사용할 수 있다.The
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다. 또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described. However, the embodiments described below are only intended to illustrate or explain the present invention, and thus the present invention should not be limited thereto. In addition, contents not described here can be inferred sufficiently technically if they are skilled in the art, and a description thereof will be omitted.
(음극 제조)(Cathode manufacture)
실시예 1Example 1
천연흑연 98 중량%, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 1 중량% 및 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 1 중량%를 혼합하고, 또한 도포에 적합한 점도 조정을 위해 물을 첨가해서 음극 합제 슬러리를 제조하였다.Water was added to 98 wt% of natural graphite, 1 wt% of carboxymethyl cellulose (CMC) and 1 wt% of styrene-butadiene rubber (SBR) to adjust the viscosity suitable for application, and an anode mix slurry was prepared.
또한, 아세틸렌 블랙 5 중량%, 물 75 중량% 및 에탄올 20 중량%로 이루어진 카본 분산액을 제조하였다.Further, a carbon dispersion comprising 5% by weight of acetylene black, 75% by weight of water and 20% by weight of ethanol was prepared.
상기 음극 합제 슬러리를 집전체(31)인 구리 박의 일면에 줄무늬형으로 도포하고, 80℃로 설정한 송풍형 건조기로 15분 건조하고, 음극 활물질 패턴(33)을 형성하였다. 이때, 줄무늬의 간격, 즉, 음극 활물질 패턴(33)의 간격이 2mm가 되도록 형성하였다.The negative electrode mixture slurry was coated on one surface of a copper foil as a
이어서, 상기 카본 분산액을 집전체(31)의 상면 전체로 도포하고, 80℃로 설정한 송풍형 건조기로 15분 건조하여 카본층(35)을 형성하였다.Subsequently, the carbon dispersion was applied to the entire upper surface of the
이어서, 상기 음극 활물질 패턴(33)의 사이에, 음극 활물질 패턴(33)과 겹치지 않도록 해서 상기 음극 합제 슬러리를 도포하고, 80℃로 설정한 송풍형 건조기로 15분 건조하여, 음극 활물질 패턴(33)의 사이에 음극 활물질 패턴(34)을 형성하였다.The negative electrode mixture slurry was applied between the negative electrode
소정의 밀도가 되도록 음극 활물질 패턴(33, 34)을 압연한 후, 150℃로 6시간 진공 건조하여 음극(30)을 제조하였다. 제조된 음극(30)의 음극 활물질층(32)의 충전 밀도는 1.60g/cc 이었다. The negative electrode
실시예 2Example 2
줄무늬의 간격, 즉, 음극 활물질 패턴(33)의 간격을 3mm가 되도록 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극(30)하였다.The
실시예 3Example 3
줄무늬의 간격, 즉, 음극 활물질 패턴(33)의 간격을 5mm가 되도록 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극(30)을 제조하였다.The
비교예 1Comparative Example 1
상기 음극 합제 슬러리를 집전체(31)인 구리 박의 일면 전체에 균일하게 도포하고 건조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음(30)을 제조하였다.A negative electrode (30) was prepared in the same manner as in Example 1, except that the negative electrode material mixture slurry was uniformly coated on one surface of the copper foil as the current collector (31) and dried.
비교예 2Comparative Example 2
카본 분산액을 도포하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극(30)을 제조하였다.A
비교예 3Comparative Example 3
카본 분산액을 도포하지 않으며, 줄무늬의 간격, 즉, 음극 활물질 패턴(33)의 간격을 10mm가 되도록 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극(30)을 제조하였다.The
비교예 4Comparative Example 4
줄무늬의 간격, 즉, 음극 활물질 패턴(33)의 간격을 10mm가 되도록 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극(30)을 제조하였다.The
비교예 5Comparative Example 5
줄무늬의 간격, 즉, 음극 활물질 패턴(33)의 간격을 1mm가 되도록 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극(30)을 제조하였다.The
평가 1: 음극의 강도Evaluation 1: Intensity of cathode
실시예 1 내지 3과 비교예 4 및 5에 따른 음극(30)에 대해 JIS K5600의 크로스커트법을 이용하여 음극 활물질층(32)의 강도를 평가하였다.The strength of the negative electrode
평가 결과의 분류에 대한 내용을 하기 표 1에 나타내었다.The classification of the evaluation results is shown in Table 1 below.
평가 결과, 실시예 1 내지 3 및 비교예 4에 따른 음극(30)에서는 "분류 2"라는 결과가 얻어졌고, 비교예 5에 따른 음극(30)에서는 "분류 3"이라는 결과가 얻어졌다. 다시 말해, 줄무늬의 간격이 2mm 내지 10mm인 실시예 1 내지 3 및 비교예 4에 따른 음극은 줄무늬의 간격이 1mm인 비교예 5의 음극과 비교하여 음극 활물질층의 강도가 높음을 알 수 있다.As a result of the evaluation, results of "classification 2" were obtained in the
그 이유로는 다음과 같다. The reasons are as follows.
음극 활물질 패턴(33)과 음극 활물질 패턴(34) 사이의 카본층(35)에서는 미립자형의 음극 활물질(37) 간의 겹침이 적기 때문에, 음극 활물질층(32)이 무너지기 쉽다. 따라서, 줄무늬의 간격, 즉, 음극 활물질 패턴(33)과 음극 활물질 패턴(34) 사이의 카본층(35) 간의 간격 A를 좁게 하여 음극 활물질층(32) 내에 상기 카본층(35)이 많이 분포되게 되면 음극 활물질층(32)이 무너지기 쉬워지므로 음극 활물질층(32)의 강도가 낮아졌다고 볼 수 있다. Since the
음극 활물질층(32)의 강도가 저하되면, 리튬 이차 전지의 제조 공정에 있어서 활물질 탈락이 생기는 원인이 되고, 리튬 이차 전지의 제조 공정에 있어서의 불량율을 높일 가능성이 있다. 또한, 음극 활물질층(32)의 강도가 저하됨으로써 충방전에 수반하는 활물질의 부피변화에 의해 음극 활물질(37)이 집전체(31)로부터 탈락하기 쉬워져, 그 결과 사이클 수명이 저하될 수 있다 If the strength of the negative electrode
이에 따라, 음극 활물질 패턴(33)과 음극 활물질 패턴(34) 사이의 카본층(35) 간의 간격 A는 음극 활물질층(32)의 강도 저하를 막기 위해 1mm 보다 크게 형성할 수 있다.The gap A between the anode
(코인 셀 제작)(Coin cell production)
고용체 산화물 Li1 . 20Mn0 . 55Co0 . 10Ni0 . 15O2 96 중량%, 케첸 블랙 2 중량% 및 폴리비닐리덴플루오라이드 2 중량%를 N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 양극 합제 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 합제 슬러리를 집전체인 알루미늄박 위 전체에 균일하게 도포하고, 80℃로 설정한 송풍형 건조기로 15분 건조하였다. 이어서, 상기 집전체를 압연하고, 100℃로 6시간 진공 건조하고 양극을 제조하였다. 양극의 양극 활물질층의 충전 밀도는 3.0g/cc 이었다. Solid solution oxide Li 1 . 20 Mn 0 . 55 Co 0 . 10 Ni 0 . 96% by weight of 15 O 2 , 2% by weight of Ketjenblack and 2% by weight of polyvinylidene fluoride were dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a positive electrode mixture slurry. The positive electrode material mixture slurry was uniformly applied to the entire aluminum foil as a current collector, and was dried for 15 minutes by a blower dryer set at 80 캜. Then, the current collector was rolled and vacuum-dried at 100 DEG C for 6 hours to prepare a positive electrode. The filling density of the positive electrode active material layer of the positive electrode was 3.0 g / cc.
상기 양극을 직경 13mm로 절단하고, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 5에 따른 음극을 직경 15.5mm로 절단하고, 직경 19mm의 두께 25㎛의 폴리에틸렌 미다공막으로 이루어지는 세퍼레이터를 양극과 음극 사이에 끼우고, CR2032 코인 셀 전지 케이스에 수용하였다.The positive electrode was cut to a diameter of 13 mm and the negative electrode according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 was cut to a diameter of 15.5 mm and a separator made of a polyethylene microporous membrane having a diameter of 19 mm and a thickness of 25 占 퐉 was placed between the positive electrode and the negative electrode And then housed in a CR2032 coin cell battery case.
이어서, 1.5M의 LiPF6을 에틸렌 카보네이트/디에틸카보네이트/플루오로에틸렌 카보네이트(10/70/20 부피비)의 혼합 용액에 용해한 전해액을 상기 전지 케이스에 주입하여 밀폐하여 리튬 이차 전지를 제작하였다.Next, an electrolyte solution in which 1.5 M LiPF 6 was dissolved in a mixed solution of ethylene carbonate / diethyl carbonate / fluoro ethylene carbonate (10/70/20 volume ratio) was injected into the battery case and sealed to manufacture a lithium secondary battery.
평가 2: 리튬 이차 전지의 방전 레이트 특성Evaluation 2: Discharge rate characteristic of lithium secondary battery
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 5에 따른 리튬 이차 전지를 25℃로 5mA의 정전류에서 4.2V까지 충전하고, 4.2V 정전압에서 전류값이 0.1mA가 될 때까지 충전한 후, 10분의 휴지(休止)를 두고, 5mA의 정전류에서 2.75V가 될 때까지 방전하였다. 이어서, 상기와 마찬가지로 충전하고, 10mA의 정전류에서 2.75V가 될 때까지 방전하여 방전 레이트 특성을 평가하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.The lithium secondary batteries according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 were charged to 4.2 V at a constant current of 5 mA at 25 캜 and charged until the current value reached 0.1 mA at a constant voltage of 4.2 V, The battery was discharged at a constant current of 5 mA until it reached 2.75 V with a rest (stop). Then, the battery was charged in the same manner as described above, and discharged at 2.9 V at a constant current of 10 mA to evaluate discharge rate characteristics. The results are shown in Table 2 below.
하기 표 2에서 방전율(%)은 5mA 정전류에 있어서의 방전 용량에 대한 10mA 정전류에 있어서의 방전 용량의 백분율로 산출된다.In the following Table 2, the discharge rate (%) is calculated as a percentage of the discharge capacity at a constant current of 10 mA to the discharge capacity at a constant current of 5 mA.
평가 3: 리튬 이차 전지의 사이클 특성Evaluation 3: Cycle characteristics of lithium secondary battery
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 5에 따른 리튬 이차 전지를 25℃로 5mA의 정전류에서 4.2V까지 충전하고, 4.2V 정전압에서 전류값이 0.1mA가 될 때까지 충전한 후, 10분의 휴지(休止)를 두고, 5mA의 정전류에서 2.75V가 될 때까지 방전하였다. 이때의 방전 용량을 1 사이클째의 방전 용량으로 하여 충방전 사이클을 100회 반복하여 사이클 특성을 평가하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.The lithium secondary batteries according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 were charged to 4.2 V at a constant current of 5 mA at 25 캜 and charged until the current value reached 0.1 mA at a constant voltage of 4.2 V, The battery was discharged at a constant current of 5 mA until it reached 2.75 V with a rest (stop). The discharge capacity at this time was regarded as the discharge capacity of the first cycle, and the cycle characteristics were evaluated by repeating a charge-discharge cycle 100 times. The results are shown in Table 2 below.
하기 표 2에서 용량유지율(%)은 1 사이클째의 방전 용량에 대한 100사이클째의 방전 용량의 백분율로 산출된다.In the following Table 2, the capacity retention rate (%) is calculated as a percentage of the discharge capacity at the 100th cycle with respect to the discharge capacity at the first cycle.
음극활물질 패턴 형성되지 않음No carbon layer
Negative electrode active material pattern not formed
음극활물질 패턴의 간격 2mmNo carbon layer
Spacing of negative active material pattern 2 mm
음극활물질 패턴 간격 10mmNo carbon layer
Negative electrode active
카본층의 간격 A 10mmWith carbon layer
Gap of carbon layer A 10 mm
카본층의 간격 A 2mmWith carbon layer
Spacing of carbon layer A 2 mm
카본층의 간격 A 3mmWith carbon layer
Gap of carbon layer A 3 mm
카본층의 간격 A 5mmWith carbon layer
Gap of carbon layer A 5 mm
상기 표 2를 참고하면, 실시예 1 내지 3에 따른 리튬 이차 전지의 방전 레이트 특성 및 사이클 수명 특성은 비교예 1 내지 4 대비 향상됨을 알 수 있다.Referring to Table 2, it can be seen that the discharge rate characteristics and cycle life characteristics of the lithium secondary batteries according to Examples 1 to 3 are improved compared to Comparative Examples 1 to 4.
구체적으로, 실시예 1 내지 3의 경우 비교예 1 대비 방전 레이트 특성이 향상되었다. 이는 실시예 1 내지 3에 따른 음극의 음극 활물질층 내부에서의 충방전 반응이 신속하게 진행되고 있는 것을 나타낸다. 실시예 1 내지 3에 따른 음극에서는 음극 활물질층 내에 패턴 및 카본층이 형성되어 있으므로 음극 활물질층 내의 이온 전도가 비교예 1에 비해 높아지고, 충방전 반응이 신속하게 진행된 것으로 보인다.Specifically, the discharge rate characteristics of Comparative Examples 1 to 3 were improved in Examples 1 to 3. This indicates that the charge-discharge reaction in the negative electrode active material layer of the negative electrode according to Examples 1 to 3 is progressing rapidly. In the negative electrode according to Examples 1 to 3, since the pattern and the carbon layer are formed in the negative electrode active material layer, the ion conductivity in the negative electrode active material layer is higher than that in Comparative Example 1, and the charge / discharge reaction seems to progress rapidly.
또한, 충방전 반응이 신속하게 진행됨으로써, 실시예 1 내지 3에 따른 음극에서는 충방전 반응이 보다 균일하게 행해지고, 음극에서의 리튬 석출과 같은 불가역 반응을 원인으로 하는 리튬 이차 전지의 용량 저하가 억제된다. 그 결과, 실시예 1 내지 3의 리튬 이차 전지의 사이클 수명 특성은 비교예 1과 비교하여 향상된 것으로 보인다. In addition, the charging / discharging reaction progresses rapidly, so that the charging and discharging reaction is more uniformly performed in the negative electrode according to Examples 1 to 3, and the capacity reduction of the lithium secondary battery caused by the irreversible reaction such as lithium precipitation in the negative electrode is suppressed do. As a result, the cycle life characteristics of the lithium secondary batteries of Examples 1 to 3 seem to be improved as compared with Comparative Example 1.
한편, 줄무늬의 간격, 즉, 음극 활물질 패턴의 간격이 동일한 실시예 및 비교예의 방전 레이트 특성 및 사이클 수명 특성을 검토하면, 실시예 1 및 비교예 2는 줄무늬의 간격, 즉, 음극 활물질 패턴의 간격이 2mm인 점에서 같지만, 카본층을 갖는 실시예 1은 카본층이 없는 비교예 2와 비교하여 방전 레이트 특성 및 사이클 수명 특성이 향상되었다.On the other hand, examining the discharge rate characteristics and cycle life characteristics of the examples and comparative examples in which the intervals of the stripe patterns, that is, the intervals of the negative electrode active material patterns are the same, Example 1 and Comparative Example 2 show the intervals of stripes, Was 2 mm. However, in Example 1 having a carbon layer, discharge rate characteristics and cycle life characteristics were improved as compared with Comparative Example 2 in which there was no carbon layer.
이는, 카본층은 비표면적이 큰 카본 블랙 등을 포함하므로 전해액에 젖기 쉽고, 따라서 전해액 중의 리튬 이온이 카본층을 통해서 음극 활물질 패턴의 사이에 스무스하게 이동할 수 있다. 이에 더하여, 전자가 카본층을 통해서 음극 활물질 패턴의 사이를 스무스하게 이동할 수 있기 때문에, 카본층을 갖는 실시예 1의 방전 레이트 특성 및 사이클 수명 특성은 카본층이 없는 비교예 2와 비교하여 향상된 것으로 보인다. 이와 같이, 실시예 1에서는 카본층이 이온 확산 경로 및 전자이동 경로로서 기능하고 있는 것으로 보인다. This is because the carbon layer contains carbon black or the like having a large specific surface area, so that the carbon layer is easily wetted with the electrolyte solution, and therefore lithium ions in the electrolyte can smoothly move between the negative electrode active material patterns through the carbon layer. In addition, since the electrons can move smoothly between the anode active material patterns through the carbon layer, the discharge rate characteristics and the cycle life characteristics of the Example 1 having the carbon layer are improved as compared with Comparative Example 2 in which the carbon layer is not provided see. As described above, in the first embodiment, the carbon layer seems to function as an ion diffusion path and an electron transfer path.
또한, 줄무늬의 간격, 즉, 음극 활물질 패턴의 간격이 10mm로 같은 비교예 3 및 비교예 4를 참고하면, 카본층을 갖는 비교예 4의 방전 레이트 특성 및 사이클 수명 특성은 카본층이 없는 비교예 3과 동일한 정도로 나타난다. 또한, 비교예 3 및 비교예 4의 방전 레이트 특성 및 사이클 수명 특성은 음극 활물질 패턴 및 카본층이 없는 비교예 1과 동일한 정도로 나타난다.Further, with reference to Comparative Example 3 and Comparative Example 4 in which the interval of the stripe, that is, the interval of the negative electrode active material pattern is 10 mm, the discharge rate characteristic and the cycle life characteristic of Comparative Example 4 having a carbon layer are comparative examples 3 < / RTI > The discharge rate characteristics and cycle life characteristics of Comparative Example 3 and Comparative Example 4 are the same as those of Comparative Example 1 in which the negative electrode active material pattern and the carbon layer are not present.
이는 줄무늬의 간격, 즉, 음극 활물질 패턴의 간격이 10mm로 커짐으로써, 패턴 형성에 따른 효과와 카본층 형성에 의한 효과가 작아졌기 때문으로 보인다. This is because the effect of the pattern formation and the effect of the carbon layer formation are reduced by increasing the interval of the stripe, that is, the interval of the negative electrode active material pattern to 10 mm.
또한, 실시예 1 내지 3에서는 줄무늬의 간격, 즉, 음극 활물질 패턴과 음극 활물질 패턴 사이의 카본층 간의 간격 A를 좁게 할수록, 방전 레이트 특성 및 사이클 수명 특성이 향상되고 있다. 이는, 이온의 확산 경로 및 전자이동 경로로서의 카본층이 증가하기 때문에, 음극 활물질층 내의 이온 전도가 높아져서 충방전 반응이 신속하게 진행되며, 음극에 있어서의 충방전 반응이 보다 균일하게 행해지기 때문으로 보인다.Further, in Examples 1 to 3, the discharge rate characteristics and the cycle life characteristics are improved as the interval of the striations, that is, the interval A between the carbon layers between the negative electrode active material pattern and the negative electrode active material pattern is narrowed. This is because the ion conduction in the negative electrode active material layer becomes high due to the increase of the carbon diffusion layer and the electron transfer path of the ion, so that the charging / discharging reaction proceeds rapidly and the charging / discharging reaction in the negative electrode is performed more uniformly see.
상기 카본층에 의한 효과는, 음극 활물질 패턴(33)과 음극 활물질 패턴(34) 사이의 카본층 간의 간격 A가 10mm 정도가 되면 현저하게 나타나기 어려워지므로 카본층 간의 간격 A는 10mm 미만일 수 있다. The effect of the carbon layer becomes less noticeable when the gap A between the carbon layers between the negative electrode
그리고, 상기의 결과로, 카본층 간의 간격 A가 좁아질수록, 즉, 이온 확산 경로 및 전자이동 경로로서의 카본층이 증가할수록, 전극의 충방전 반응이 균일하게 일어나며, 방전 레이트, 사이클 특성이 개선된다고 보인다. 그러나, 카본층 간의 간격 A가 좁아지면, 음극 활물질층의 강도가 저하되는 경향이 있다. 따라서, 카본층 간의 간격 A는 음극 활물질층의 강도 저하를 막도록 1mm 보다 클 수 있다. As a result, as the gap A between the carbon layers becomes narrower, that is, as the carbon layer as the ion diffusion path and the electron movement path increases, the charging / discharging reaction of the electrode occurs uniformly and the discharge rate and cycle characteristics are improved . However, if the gap A between the carbon layers is narrowed, the strength of the negative electrode active material layer tends to decrease. Therefore, the gap A between the carbon layers may be larger than 1 mm to prevent the strength of the negative electrode active material layer from lowering.
일 구현예에 따른 리튬 이차 전지는 활물질층 내에 이온 확산 경로 및 전자이동 경로로서의 카본층이 설치되어 있는 점에서, 활물질층 내의 이온 전도가 높고, 전극에서의 충방전 반응을 신속하게 진행시킬 수 있다. 따라서, 충방전 반응이 보다 균일하게 행해지고, 전극에 있어서의 반응 불균일에 의한 열화 등을 원인으로 하는 용량 저하를 억제할 수 있고, 그 결과 리튬 이차 전지의 사이클 수명 특성을 개선할 수 있다. The lithium secondary battery according to one embodiment has a high ion conductivity in the active material layer and can accelerate the charging / discharging reaction at the electrode because the carbon layer as the ion diffusion path and the electron migration path is provided in the active material layer . Therefore, the charging / discharging reaction can be performed more uniformly, and the capacity decrease due to the deterioration due to the non-uniformity of the reaction in the electrode can be suppressed, and as a result, the cycle life characteristics of the lithium secondary battery can be improved.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, And falls within the scope of the invention.
10 리튬 이차 전지
20 양극
21,31 집전체
22 양극 활물질층
30 음극
32 음극 활물질층
33, 34 활물질 패턴
35 카본층
37 활물질
38 이온 이동 경로
40 세퍼레이터층10 lithium secondary battery
20 anode
21,31 collection
22 cathode active material layer
30 cathode
32 Anode active material layer
33, 34 Active material pattern
35 carbon layer
37 active material
38 ion transport path
40 Separator layer
Claims (6)
상기 집전체 위에 배치된 활물질층을 포함하고,
상기 활물질층은 띠형으로 연장되는 복수 개의 활물질 패턴, 그리고 인접하는 상기 활물질 패턴 사이에 배치된 복수 개의 카본층을 포함하고,
상기 카본층 간의 간격은 1mm 초과 10 mm 미만인 리튬 이차 전지용 전극.Collecting house; And
And an active material layer disposed on the current collector,
Wherein the active material layer includes a plurality of active material patterns extending in a strip shape and a plurality of carbon layers disposed between the adjacent active material patterns,
Wherein the distance between the carbon layers is greater than 1 mm and less than 10 mm.
상기 카본층은 상기 활물질층을 막 두께 방향으로 가로질러 배치되는 리튬 이차 전지용 전극.The method of claim 1,
Wherein the carbon layer is disposed across the active material layer in the film thickness direction.
상기 카본층은 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙 및 카본 블랙 중 적어도 하나를 포함하는 리튬 이차 전지용 전극.The method of claim 1,
Wherein the carbon layer comprises at least one of acetylene black, ketjen black, and carbon black.
상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 전극인 리튬 이차 전지.An anode, and a cathode,
Wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode is an electrode according to any one of claims 1 to 3.
상기 음극은 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 전극인 리튬 이차 전지.An anode, and a cathode,
Wherein the negative electrode is the electrode according to any one of claims 1 to 3.
카본 분산액을 적어도 상기 각 제1 활물질 패턴의 측면을 덮도록 도포하여, 상기 각 제1 활물질 패턴의 측면에 카본층을 형성하는 단계; 및
상기 제1 활물질 패턴의 사이에 위치하는 상기 집전체 위에 활물질을 포함하는 슬러리를 도포하여 복수 개의 제2 활물질 패턴을 형성하는 단계
를 포함하는 리튬 이차 전지용 전극의 제조 방법.Forming a plurality of first active material patterns by applying a slurry containing an active material on a current collector in a strip shape at predetermined intervals;
Coating a carbon dispersion to cover at least sides of the first active material pattern to form a carbon layer on a side surface of each first active material pattern; And
Forming a plurality of second active material patterns by applying a slurry containing an active material on the collector positioned between the first active material patterns
And an electrode for a lithium secondary battery.
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