KR20170011657A - 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법, 이를 이용한 리튬 이차전지 - Google Patents

리튬 이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법, 이를 이용한 리튬 이차전지 Download PDF

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홍수형
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신상용
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Abstract

본 발명은 리튬이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법, 이를 이용한 리튬이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 구형 흑연 입자 표면에 난흑연화성 탄소를 코팅함으로써 입자의 강도를 향상시켜 전지로 제조하였을 경우 충방전 과정의 부피팽창 현상을 완화 하는데 기여하고, 증가된 입자강도는 충방전 과정 중에 유지됨으로써 추가 SEI 형성이 억제되어 상온 및 저온에서의 방전 출력성능 뿐 만 아니라 수명 성능도 향상 시킨 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법, 이를 이용한 리튬 이차전지에 관한 것이다.

Description

리튬 이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법, 이를 이용한 리튬 이차전지{Negative active material for lithium secondary battery, preparing method thereof and lithium secondary battery using the same}
본 발명은 리튬이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법, 이를 이용한 리튬이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 구형 흑연 입자 표면에 난흑연화성 탄소를 코팅함으로써 입자의 강도를 향상시켜 전지로 제조하였을 경우 충방전 과정의 부피팽창 현상을 완화시키는데 기여하고, 증가된 입자강도는 충방전 과정 중에 유지됨으로써 추가 SEI 형성이 억제되어 상온 및 저온에서의 방전 출력성능 뿐 만 아니라 수명 성능도 향상시킨 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법, 이를 이용한 리튬 이차전지에 관한 것이다.
최근 스마트폰, 전동공구, 드론과 같은 소형전자기기의 발전과 다양화에 더불어 리튬이차전지는 고에너지밀도, 고출력, 장수명의 성능을 요구 받고 있다.
특히, 스마트폰과 같은 모바일 전자기기는 디자인도 매우 중요시 되고 있어 얇고 가벼워야하므로, 전지도 그에 맞추어 얇아지고 있는 추세이며, 기기 사용시간을 최대화하기 위해 에너지밀도도 최대로 높여야 하는 상황이다. 따라서 기존의 하드케이스를 사용하는 원통형 및 각형 전지 타입보다는 디자인 자유도가 높고 포장재가 얇은 파우치 포장재 재질의 전지가 널리 사용되고 있다. 그러나 파우치 포장재 재질의 전지는 하드케이스에 비해 전지 충방전 도중 필연적으로 발생하는 부피팽창을 억제하는 기계적 억제력이 약한 문제가 있다. 따라서, 얇게 설계한 소형 전자기기 디바이스에서 리튬 이차전지의 부피팽창은 매우 중요한 요소가 된다. 이러한 부피팽창은 고에너지밀도로 설계한 전지일수록 전극 압연률을 높이게 되므로 더욱 심화된다. 따라서 얇은 파우치 포장재 재질의 리튬 이차전지의 부피팽창을 완화하는 것은 매우 중요한 문제로 대두되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 기존의 가격 경쟁력과 에너지 밀도를 중시하여 천연을 주로 사용하던 스마트폰용 전지분야에서 점차 인조흑연 사용비율이 높아지고 있는 추세이다. 인조흑연은 천연흑연에 비해 흑연결정자의 층간거리가 넓어 충방전시의 부피팽창률이 천연흑연에 비해 작은 것으로 알려져 있다. 그러나, 인조흑연은 천연흑연에 비해 에너지밀도가 낮고, 제조공정상 3,000℃ 정도의 고온에서 소성하는 관계로 천연흑연에 비해 가격이 높은 수 밖에 없어, 최근 리튬 이차전지 산업계에 요구되는 저가격화 및 고에너지 밀도화에 바람직하지 않다고 할 수 있다.
또한, 휴대용 전자기기의 성능이 발전하면서 소형 모터를 구동하고 스피커를 사용하는 등의 사용 패턴이 증가되어 출력성능 향상이 요구되고 있고, 다양한 환경에서 사용되므로 저온에서의 출력성능 향상도 요구받고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 흑연입자를 미세화하여 피치(pitch)와 같은 탄소전구체로 구형조립화 후 소성하는 방법으로 탄소복합체 입자를 제조하는 방법을 개시하였으나 제조방법이 복잡하고 흑연입자 미세화 과정에서 충방전 전압형태가 바뀌는 등 에너지밀도 측면의 손실 등의 문제가 여전히 남아있다.
또한, 흑연입자 표면에 금속촉매를 부착하고 탄소섬유를 흑연입자표면에 성장시킴으로서 충방전 반응면적을 넓히고, 입자 사이의 완충역할을 할 수 있는 탄소섬유 층에 의해 전해액이 더욱 많은 양으로 함침되고, 충방전 시의 부피팽창은 탄소섬유 층의 기계적 완충작용에 의해 해소시키는 음극 활물질 제조방법에 대해 개시하고 있으나, 여전히 제조공정이 복잡하고 비용이 상승하는 문제가 남아있었다.
따라서 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 가격이 저렴하면서도 에너지 밀도가 높은 구형 천연흑연을 모재로 하여 표면을 충분한 양의 난흑연화성 탄소로 피복함으로서 입자의 강도를 향상시켜, 충방전 중 피복된 탄소층의 고강도 특성으로 인해 흑연입자의 부피 팽창시 입자의 공극 내부로 팽창하도록 하여, 입자 외부로 팽창을 효과적으로 억제할 수 있음을 발견하여, 리튬 이차전지의 충방전시 부피팽창을 개선 할 수 있는 음극 활물질 제조기술을 개발하였다.
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 구형 천연흑연계 입상소재의 표면에 특정 함량 이상의 난흑연화성 탄소를 형성시킴으로써, 천연흑연의 입자강도를 향상 시킴으로써 전극제조시의 압연공정에서 입자의 구조를 유지할 수 있으며, 압연 후 충방전 시 흑연입자의 기계적 부피변화에 대해 강화된 입자의 강도로 인해 억제력이 발휘되어 리튬 이차전지의 충방전 시 부피변화율이 개선되고, 부피변화가 억제됨에 따라 전극의 기계적 변형이 적어 전해액 분해반응이 추가로 발생되지 않아 충방전 속도 및 수명성능 향상 등의 전지 특성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상술한 리튬 이차전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 열경화성 수지가 코팅된 구형 천연흑연계 입상소재를 비활성기체 분위기 하에서 열처리하여 탄소화시킨 탄소복합체를 포함하며, 상기 탄소복합체의 입자강도(St)는 30 MPa이상인 것을 특징으로 하는 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 탄소복합체는 하기 [식 1]에 따라 계산된 라만R값이 0.1 내지 0.5일 수 있다.
라만 R값 = Id/Ig [식 1]
(상기 식 1에서 Id는 라만 분광분석기에 의해 측정된 그래프에서 1350 내지 1380 ㎝-1의 흡수영역의 피크의 세기를 의미하고, Ig는 라만 분광분석기에 의해 측정된 그래프에서 1580 내지 1600㎝-1의 흡수영역의 피크의 세기를 의미한다.)
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소복합체는 펠렛밀도 측정시 하기 식3에 따라 계산되는 압력 60kg/cm2지점의 밀도값과 압력 200kg/cm2지점의 밀도값을 일직선으로 연결하였을 때의 기울기 값이 0.001 내지 0.002일 수 있다.
(ρ2 - ρ1)/(P2-P1) [식3]
(상기 식 3에서 ρ1는 60kg/cm2지점의 밀도값(g/cc)이며, ρ2는 200kg/cm2지점의 밀도값(g/cc)이고, P1은 60 kg/cm2압착시의 압력값이며, P2는 200 kg/cm2압착시의 압력값이다.)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열경화성 수지는 제한되지 않으나, 폴리우레탄 및 폴리이소시아누레이트를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열경화성 수지는 전체 음극 활물질에 대하여, 9 내지 45 중량% 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 난흑연화성 구형 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법에 있어서,
a) 입상소재와 폴리올 조성물과 이소시아네이트계 화합물을 포함하는 열경화성 수지 조성물을 혼합하는 단계;
b) 상기 열경화성 수지 조성물과 입상소재의 혼합물을 건조 및 경화시켜 열경화성 수지가 코팅된 입상소재를 제조하는 단계;
c) 상기 열경화성 수지가 코팅된 입상소재를 비활성기체 분위기 하에서 열처리하여 탄소화시킨 탄소복합체를 제조하는 단계; 및
d) 상기 탄소복합체를 해쇄하는 단계;를 포함하며,
상기 d) 해쇄하는 단계는 모터에 의해 회전하는 원형 로터에 의해 회전하고, 회전 로터에 적어도 2개 이상의 분쇄바가 장착되어 있으며, 분쇄바의 단면 형상은 원형 내지는 타원인 형태의 분쇄기로 처리하는 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법, 이를 이용한 리튬 이차전지에 따르면 구형 천연흑연계 입상소재의 표면에 난흑연화성 탄소층을 형성시킴으로써, 입자강도를 향상시켜 리튬 이차전지의 충방전 시 부피팽창률을 완화 시킬 수 있는 장점이 있다. 이로 인해 충방전 사이클 진행 중에 음극 활물질 및 전극의 기계적 안정성이 확보되어 추가적인 전해액 분해반응이 줄어들어 출력성능과 수명성능이 개선되는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법에 대하여 바람직한 실시형태 및 평가시험항목을 상세히 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이고, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서의, 라만 R값 이란 상대적인 결정화도를 나타내는 의미로 사용되었다. 구체적으로, 하기 수학식 1로 표현되며, Id는 라만 분광분석에서 1350 내지 1380 ㎝-1의 흡수영역의 피크, 즉 D 피크의 세기 값을 의미하고, Ig는 라만 분광분석에서 1580 내지 1600 ㎝-1의 흡수영역의 피크, 즉 G 피크의 세기 값을 의미한다.
[수학식 1]
라만 R = Id/Ig
상기 두 영역 피크의 세기와 폭에 따라 흑연의 결정화도를 판단할 수 있는데, D 피크는 탄소 구조의 비결정질 상태와 관련이 있으며, G 피크는 SP2혼성궤도 결합의 흑연결정 구조를 나타낸다.
라만 R값, 즉 Id/Ig 값이 증가할수록 상대적인 결정화도는 감소된다. 즉, 흑연의 비결정질 구조가 증가(Id 증가)하고, 결정질 분자구조가 감소(Ig 감소)하여 결정화도가 낮아지기 때문이다
리튬 이차전지용 음극 활물질을 제조하기 위하여, 천연흑연계 입상소재의 표면에 열경화성 수지를 코팅하고 비활성기체 분위기 하에서 열처리하여 특정 함량 이상의 난흑연화성 탄소층을 형성시킴으로써, 입자의 기계적 강도가 향상될 수 있다. 리튬 이차전지용 전극으로 제조시 음전극의 압연공정 후 충방전 시 흑연입자의 기계적 부피변화에 대해 강화된 입자의 강도로 인해 부피팽창이 억제되어 리튬 이차전지의 충방전 시 부피변화율이 개선되고, 억제된 부피변화율로 인해 전극의 기계적 변형이 적어 전해액 분해반응이 추가로 발생되지 않아 충방전 속도 및 수명성능 향상 등의 효과를 발견하였다. 또한, 입자의 기계적 강도를 향상시키기 위해 특정 함량 범위의 열경화성 수지 조성물이 코팅되어야 함을 발견하였다. 그러나 이 때 소성 공정 이후 입자 표면에 형성된 난흑연화성 탄소층끼리의 융착(necking)에 의해 해쇄공정 시 흑연입자 및 코팅된 탄소층의 손상이 발생하는 문제가 있었다. 이에 본 발명자들은 열경화성 수지의 함량이 높은 경우에도 입자의 손상 없이 해쇄할 수 있는 공정 조건을 발견하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 천연흑연계 입상소재는 당해 기술분야에 자명하게 공지된 것이면 제한되지 않으나, 평균입경이 3 내지22 ㎛, 더욱 바람직하게는 5.0 내지 20㎛인 천연 결정질 흑연 및 천연 결정맥상 흑연 중에서 1종 이상이 선택될 수 있다.
상기 천연흑연계 입상소재의 평균입경이 3㎛ 미만일 경우에는 구형화에 참여하지 못한 미세 인편상 흑연입자가 존재할 확률이 커지며, 열경화성 수지 코팅 공정에서 인편상 입자가 면대면 접촉을 하는 관계로 소성 후 해쇄공정에서 난흑연화성 탄소층끼리의 융착 강도가 높아져 해쇄하기 어려워져 결국 목표입경 대비 제조된 음극 활물질의 입자사이즈가 증가할 수 있다. 반면, 평균입경이 22㎛ 초과일 경우 난흑연화성 탄소층 형성에 필요한 열경화성 수지 조성물의 함량이 증가하고, 평균입경이 증가하여 리튬이온의 확산경로가 길어지게 되어, 충방전 속도 저하가 우려된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질의 라만 R값은 0.1 내지 0.5 가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 0.4가 바람직하다. 상술한 범위일 때, 입자강도 향상을 극대화할 수 있고, 전지 수명특성 및 출력 특성을 현저히 향상시킬 수 있어 효과적이다.
R 값이 0.1 이하일 경우는 난흑연화성 탄소가 충분치 못하여 구형으로 결구된 구형천연흑연 입자를 구성하고 있는 인편상 흑연과 흑연을 결착하는 기계적 강도가 약하여 입자강도 향상효과를 기대하기 어렵다. 반면 R 값이 0.5 이상의 경우는 전지 용량 및 초기 충방전 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 입자표면의 탄소층이 서로 붙는 현상(necking)으로 인해 해쇄 공정시 제품의 수득률이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 해쇄시 분쇄 에너지 요구량 증가로 입상소재의 표면이 손상되어 초기 충방전 효율이 급격히 저하될 우려가 있다.
상기 천연흑연계 입상소재의 내부에는 탄소 성분 외에 전도성 향상 및 촉매효과를 기대할 수 있는 금속입자가 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음극활물질은 구형 천연흑연계 입상소재의 표면에 열경화성 수지로부터 유래된 난흑연화성 탄소층을 포함한다. 본 발명에 기재된 "유래된"의 의미는 별다른 언급이 없는 한 열경화성 수지를 열처리하여 탄소화시켜 형성된 것을 의미한다.
상기 난흑연화성 탄소층을 균일하게 형성시킴으로써, 천연흑연계 입상소재 표면에 노출된 흑연의 엣지(edge)면을 효과적으로 코팅하여 흑연 엣지면과 전해액의 부반응을 효과적으로 억제 할 수 있다. 상기 입상소재 표면에 형성된 난흑연화성 탄소층은 인편상 흑연이 상호 결구된 결합지점에 스며들거나 표면에 부착되어 천연흑연 입상소재의 입자강도를 향상시키는데 기여할 수 있다. 이는 전지의 전기화학 반응 중에 리튬이온이 흑연층 내부로 삽입됨으로써 발생하는 팽창응력을 억제하여 입자 자체가 외부로 팽창하는 것을 억제해줄 수 있다. 또한 충방전 반응이 반복되는 과정에서 흑연입자의 변형이 적어 수명이 개선되고, 기계적 변형에 의해 생성되는 흑연의 노출면이 적어 노출되는 면에 의한 추가적인 전해액 분해반응에 의한 SEI반응도 적어 충방전 출력성능이 우수하게 되는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열경화성 수지는 열처리하여 난흑연화성 탄소층을 형성할 수 있는 고분자수지이면 제한되지 않는다. 본 발명에 따른 열경화성 수지가 코팅된 입상소재의 열처리를 통하여 탄소화함으로써 생성되는 탄소복합체를 리튬 이차전지용 음극 활물질로 사용할 수 있다.
일반적으로 열처리 온도가 증가하면 흑연구조가 점차적으로 발달하나, 난흑연화성 탄소(non-graphitzable carbons)란 2,500℃ 이상의 온도에서조차 흑연구조로 발달하지 않는 탄소를 의미한다. 이러한 난흑연화성 탄소는 기계적 물성이 우수하여 인편상 흑연의 물리적 인력에 의해 결구된 형태의 구형 천연흑연의 입자강도를 향상시키는데 도움이 된다. 상기 열경화성 수지는 예를 들면, 석탄계 피치 및 석유계 피치 등의 피치, 페놀수지, 퓨란수지, 폴리우레탄 및 폴리이소시아누레이트를 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 폴리우레탄 및 폴리이소시아누레이트를 포함할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열경화성 수지는 폴리올 조성물 및 이소시아네이트계 화합물을 포함하는 열경화성 수지 조성물이 입상소재의 표면에서 경화되어 폴리우레탄 수지를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 폴리우레탄 수지는 폴리올 조성물 내에 함유된 폴리올 화합물 및 이소시아네이트계 화합물의 반응에 의하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 폴리우레탄 수지는 이소시아네이트계 화합물의 종류 및 함량에 따라폴리이소시아누레이트를함유할수있다.
상기 폴리이소시아누레이트는 이소시아네이트계 화합물의 흡열반응으로 생성될 수 있으며, 상기 폴리올 조성물 내에 촉매 특히, 염기성 촉매에 의해 촉진될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리올 화합물은 폴리우레탄 수지 제조에 사용되는 통상적인 것으로 특별히 한정하지는 않는다. 구체적으로는 폴리에테르계 폴리올, 폴리에스테르계 폴리올, 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜 폴리올, 피에이치디 폴리올(Polyharnstoff Dispersion(PHD) polyol), 아민(Amine) 변성 폴리올, 만니히(Manmich)폴리올 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상이 바람직하며, 보다 바람직하게는 폴리에스테르 폴리올, 아민(Amine) 변성 폴리올, 만니히(Manmich)폴리올 또는 이들의 혼합물이 효과적이다.
상기 폴리올 화합물의 분자량은 제한되지 않으나, 300 내지 3,000g/mol인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 400 내지 1,500g/mol인 것이 효과적이다. 폴리올의 분자량이 300g/mol 미만일 경우에는 모노올의 형성으로 합성된 폴리우레탄 수지의 열안정성이 저하되어 탄화공정에서 용융이 발생하는 단점이 있으며, 폴리올의 분자량이 3,000g/mol을 초과할 경우에는, 폴리올 구조 내에 비정질 탄소사슬이 증가하여 폴리우레탄 수지의 열안정성이 저하될 우려가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리올 화합물과 반응하는 이소시아네이트계 화합물은 폴리우레탄 수지 제조에 사용되는 통상적인 것으로 특별히 한정하지는 않는다. 구체적으로는 헥사메틸렌디이소시아네이트(HDI), 이소포론디이소시아네이트(IPDI), 4,4'-디시클로헥실메탄디이소시아네이트(H12MDI), 폴리에틸렌 폴리페닐 이소시아네이트, 톨루엔 디이소시아네이트(TDI), 2,2‘-디페닐메탄 디이소시아네이트(2,2'-MDI), 2,4’-디페닐메탄 디이소시아네이트(2,4'-MDI), 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트(4,4'-MDI,monomeric MDI), 폴리머릭 디페닐메탄 디이소시아네이트(polymeric MDI), 오르토톨루이딘 디이소시아네이트(TODI), 나프탈렌 디오소시아네이트(NDI), 크실렌 디이소시아네이트(XDI), 라이신디이소시아네이트(LDI) 및 트리페닐메탄 트리이소시아네이트(TPTI) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상이 바람직하며, 보다 바람직하게는 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트(4,4'-MDI, monomeric MDI), 폴리머릭 디페닐메탄 디이소시아네이트(polymeric MDI) 또는 폴리에틸렌 폴리페닐 이소시아네이트가 효과적이다.
상기 폴리올 화합물과 이소시아네이트계 화합물의 혼합비율은 상기 폴리올 화합물 100 중량부에 대하여 상기 이소시아네이트계 화합물이 50 내지 250 중량부 포함하는 것이 효과적이다. 이소시아네이트계 화합물의 함량이 50 중량부 미만일 경우에는 열안정성을 높여주는 이소시아누레이트 결합의 형성이 충분하지 못하여, 탄소화 공정시 이흑연화성 탄소와 유사하게 레진이 용융되어 코팅층의 형상 안정성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 이 경우, 천연흑연계 입상소재 내에 함유된 Al를 비롯한 금속 원소의 노출 또는 용출의 우려가 있다.
또한, 이소시아네이트의 함량이 250 중량부 초과일 경우에는 이소시아누레이트 결합이 과도하게 생성되어, 탄소화 공정 후 비표면적이 증가되고 이에 따라 수분 흡착율이 높아지고 전지충방전 시 초기 표면부반응이 증가될 우려가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 폴리올 조성물은 폴리올 화합물과 이소시아네이트계 화합물의 반응을 효과적으로 유도하기 위해 촉매를 더 포함할 수 있다. 상기 촉매는 당해 기술분야에 자명하게 공지된 폴리우레탄 합성용 촉매이면 제한되지 않는다. 예를 들면, 펜타메틸디에틸렌 트리아민(pentamethyldiethylene triamine), 디메틸 사이클로헥실아민(dimethyl cyclohexyl amine), 비스-(2-디메틸 아미노에틸)에테르(Bis-(2-dimethyl aminoethyl)ether), 트리에틸렌 디아민((triethylene diamine) 포타슘 옥토에이트 (potassium octoate), 트리스(디메틸아미노메틸)페놀(tris(dimethylaminomethyl)phenol), 포타슘 아세테이트(potassium acetate) 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 촉매의 함량은 폴리올 화합물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부 첨가하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게 0.5 내지 3 중량부 첨가하는 것이 폴리우레탄 수지와 폴리시아누레이트 수지가 적절히 형성될 수 있어 효과적이다. 촉매의 함량이 0.1중량부 이하일 경우는 폴리올 화합물과 이소시아네이트계 화합물의 반응이 너무 느리게 진행되어 음극 활물질 제조 효율이 감소하는 문제가 발생할 수 있으며, 촉매의 함량이 5 중량부 초과일 때는 반응이 너무 빠르게 진행되어 폴리우레탄 수지가 불균일하게 형성되고, 입상 소재의 표면이 불균일해짐에 따라 음극 활물질의 물성이 저하되고, 천연흑연계 입상소재 내에 함유된 Al를 비롯한 금속 원소의 노출 또는 용출되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 폴리올 조성물은 가공성 향상을 위하여 유기용매 및 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 유기용매는 당해 기술분야에 자명하게 공지된 유기용매이면 제한되지 않으며, 예를 들면, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 메시틸렌 등의 방향족 탄화수소류, 메틸에틸케톤, 아세톤, 메틸아밀케톤, 메틸이소부틸케톤, 시클로헥사논 등의 케톤류, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 헥사놀, 시클로헥산올, 에틸렌글리콜, 글리세린 등의 알코올류 중에서 1종 또는 2종 이상 선택할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리올 조성물의 고형분 함량은 제한되지 않으나 10 내지 70중량%일 수 있으며, 보다 바람직하게 10 내지 60중량%일 수 있다. 혼련 공정의 타입에 따라 점도를 조절할 필요가 있을 시 용매의 양을 가감하여 폴리올 조성물의 고형분 함량을 제어할 수 있다.
상기 폴리올 조성물의 고형분의 함량이 10중량% 미만일 경우에는 상대적으로 유기용매의 함량이 많아 건조 및 경화시 불필요한 에너지가 소비되는 문제가 있으며, 용매 사용량 증가에 따라 제조단가가 상승할 우려가 있다. 또한, 고형분 함량이 70중량% 초과일 경우에는 전체적인 열경화성 수지 조성물의 점도가 너무 높아 입상소재 표면에 균일하게 코팅되지 않을 수 있으며, 점도가 높아져 열경화성 수지 조성물 또는 폴리올 조성물의 액상 원료를 펌프로 이송하는데 어려움이 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열경화성 수지는 전체 음극 활물질에 대하여, 9 내지 45 중량% 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게 25 내지 40중량% 포함할 수 있다. 상기의 함량은 열경화성 수지의 기준이며 탄화수율을 약 30% 적용한 음극 활물질 중 난흑연화성 탄소의 비율로 환산할 경우 난흑연화성 탄소함량은 3 내지 20 중량%이다. 즉, 탄소 전구체의 종류와 탄화수율에 따라 열경화성 수지 및 전구체의 함량은 상기 탄소함량을 고려해서 적절히 선택할 수 있다.
상기 열경화성 수지의 함량이 9중량% 미만일 경우에는 입자강도 향상 효과가 두드러지지 않아 전지의 부피팽창 완화 및 장기수명 향상 등의 성능 개선 효과를 발휘하기 어렵다. 반면 수지의 함량이 45% 이상일 경우는 에너지 밀도가 낮고 초기효율이 낮은 난흑연화성 탄소 함량이 너무 많아 입자강도는 우수하지만, 용량 및 초기 충방전 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 입자표면의 탄소층이 서로 붙는 현상(necking)으로 인해 해쇄 공정시 제품의 수득률이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 해쇄시 분쇄 에너지 요구량 증가로 입상소재의 표면이 손상되어 초기 충방전 효율이 급격히 저하될 우려가 있다.
다음으로, 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법은
열경화성 수지가 코팅된 구형 천연흑연계 입상소재를 비활성기체 분위기 하에서 열처리하여 탄소화시키는 단계;를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로
a) 천연흑연계 입상소재와 폴리올 조성물과 이소시아네이트계 화합물을 포함하는 열경화성 수지 조성물을 혼합하는 단계;
b) 상기 열경화성 수지 조성물과 구형 천연흑연계 입상소재의 혼합물을 건조 및 경화시켜 열경화성 수지가 코팅된 입상소재를 제조하는 단계;
c) 상기 열경화성 수지가 코팅된 구형 천연흑연계 입상소재를 비활성기체 분위기 하에서 열처리하여 탄소화시킨 탄소복합체를 제조하는 단계; 및
d) 상기 탄소복합체를 해쇄하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 해쇄공정은 입자간의 융착시 과도한 힘에 의해 탄소층 및 흑연입자 자체의 손상을 배재할 수 있도록 마일드한 기계적 마찰응력을 가하는 단계를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, a)단계에서 상기 혼합은 천연흑연계 입상소재와 열경화성 수지 조성물을 동시에 혼합하거나, 상기 폴리올 조성물과 천연흑연계 입상소재를 먼저 혼합하고, 이소시아네이트계 화합물을 추후에 투입할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
상기 천연흑연계 입상소재는 구형이거나 구형이 아닐 수 있으며, 비천연흑연계 입상소재를 더 포함할 수 있다. 상기 입상소재는 당해 기술분야에 탄소계 및 탄소복합계 음극 활물질로 자명하게 공지된 것이면 제한되지 않고 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열경화성 수지 조성물은 전체 음극 활물질에 대하여, 9 내지 45 중량%를 포함할 수 있으며, 상기 함량으로 포함할 때, 입자강도 향상에 의한 부피팽창 억제 효과 및 수명과 출력향상 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 a)단계에서, 혼합 방법은 제한되지 않으나, 일축 혼련기, 이축 혼련기 또는 배치식 혼련기에서 10℃ 이하에서 수행될 수 있다. 바람직하게는 -20 내지 10℃에서 수행되는 것이 경화를 지연시키고 혼련 균일도를 향상시킬 수 있으므로 효과적이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 b)단계에서 건조 및 경화는 챔버 및 배기구가 구비된 장치에서 60 내지 150℃의 열풍 가열로 수행될 수 있다.
상기 챔버 및 배기구가 구비된 장치는 당해 기술분야에 자명한 장치로 제한없이 적용될 수 있으며, 열풍건조기, 기류건조기, cake dryer, 링드라이어 등이 예시될 수 있다.
상기 건조 및 경화는 60 내지 150℃의 열풍 가열일 수 있으며, 열풍의 속도는 3 내지 15m/sec일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 c)단계의 열처리는 탄소복합체를 형성할 수 있는 온도 범위이면 제한되지 않으며, 예를 들면 700 내지 1,500℃의 온도에서 수행할 수 있다. 종래의 열처리는 500 내지 1,000℃에서 1차 열처리를 하고, 900 내지 1,500℃온도에서 2차 열처리하여 열경화성 수지를 탄소화 할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 상기 열처리는 비활성 기체 분위기하에서 수행되며, 비활성 기체는 헬륨, 질소, 아르곤 또는 이들의 혼합가스를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열처리 단계는 700 내지 1,500℃ 에서 수행되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 800 내지 1,300℃ 에서 수행되는 것이 효과적이다. 열처리를 700℃ 미만에서 수행할 경우, 저분자량 가스들의 휘발이 덜 됨으로써 재료 내부에 잔류하게 입상소재 표면의 열가소성 수지가 충분히 탄소화되지 못하여 전지의 특성이 저하될 우려가 있다. 또한, 열처리를 1,500℃ 초과하여 수행할 경우 필요 이상의 열량 공급으로 제조비 상승의 원인이 되며, 높은 온도로 인하여 원료에서 배출된 타르 가스의 열분해 생성물로 제품의 오염이 발생하는 문제가 있다. 또한 상업적인 측면에서도 전기로가 1,500℃이상의 열처리 온도를 견디기 위해서는 전기로의 재질 및 구성이 열에 강한 소재로 바뀌어야 하므로 제조비용 및 공정비용이 상승하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 d) 단계는 상기 탄소복합체를 회전식 로터 방식의 분쇄기를 이용해 해쇄할 수 있다.
상기 d)단계의 해쇄는 소성후의 음극 활물질 입자간 융착 현상을 해소하여 낱개의 입자로 분리하기 위하여 수행하는 공정이다. 해쇄 공정은 일반적인 분쇄기라면 어떤 것이라도 적용 가능하지만 가급적 입자표면의 코팅층의 손상을 방지하기 위해 약한 분쇄방법을 적용하는 것이 바람직하다.
상기 분쇄기는 모터에 의해 회전하는 원형 로터에 의해 회전하고, 회전 로터에 적어도 2개 이상의 분쇄바가 장착되어 있으며, 분쇄바의 단면 형상은 더욱 바람직 하게는 원형 내지는 타원형 형태의 분쇄기인 것이 좋다. 예를 들면, 핀 밀, fine impact mill 또는 로터가 장착된 기류방식의 분급기 및 입자끼리의 충돌에 의한 사이클론밀 등이 적합하며, 이 중 적어도 1개 및 2개 이상의 조합으로 사용 가능하다. 보다 바람직하게는 fine impact mill을 사용하는 것이 탄소복합체의 표면 손상을 방지할 수 있으므로 효과적이다.
본 발명의 상술한 제조방법으로 제조된 리튬 이차전지는 전극밀도 1.6g/cc 조건에서 초기 충전 과정에서의 부피팽창률이 15% 이내이며 상온, 1C-rate 전류밀도 100cycle 충방전 진행후의 용량 유지율은 초기 1C-rate 시작시의 용량대비 90% 이상의 용량 유지율을 나타낸다. 또한 상온에서 5C rate 전류밀도 조건의 방전 용량은 상온 0.2C 방전용량 대비 90% 이상의 성능을 나타낼 수 있다. 또한, 0℃에서의 2C rate 전류밀도 방전 용량은 상온 0.2C rate 방전 용량 대비90% 이상의 성능을 나타낼 수 있다.
이하, 본 발명의 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 이의 제조방법에 대하여 바람직한 실시형태 및 물성측정 방법에 관하여 상세히 설명한다.
<평가 시험 항목>
1) 측정셀의 제조방법 및 충방전 특성평가
측정셀은 코인형 반쪽전지로서 음극활물질과 바인더를 97:3의 비율로 제조한 전극과 상대전극으로 리튬금속박을 사용하였으며, 분리막을 사이에 두고 유기전해액으로 EC/DEC가 1:1 비율로 혼합되어 있고 1M의 LiPF6가 용해된 전해액을 함침하여 2016 type코인셀로 제조하였다.
2) 충방전특성평가
충전은 0.1 C rate로 0.005V까지 정전류법으로 탄소전극에 리튬이온을 삽입시키고 0.005V부터 정전류법으로 리튬이온 삽입을 진행시키다가 전류가 0.01mA가 될 때 리튬이온 삽입을 종료하였다. 방전은 0.1C rate로 정전류법으로 종지전압을 1.5V로하여 리튬이온을 탄소전극으로부터 탈리시켰다. 삽입량 대비 탈리량의 비율이 초기효율이며, 탈리된 양을 무게당 용량으로 변환하여 가역용량을 계산하였다.
3) 상온 방전 출력 특성평가
상온 출력특성 평가는 1.75g/cc전극밀도에서 25℃에서 리튬이온 방전시의 출력 특성을 측정한 것으로서 초기 0.1 C로 3사이클 충방전 진행 후 0.2C로 3사이클 충방전을 진행하고 이후부터 방전(리튬이온 탈리) C rate만 단계적으로 증가시키면서 0.2C rate 가역용량 대비 2 C-rate 가역용량의 유지율을 측정하였다.
4) 저온 방전 출력 특성평가
저온 출력특성 평가는 25℃에서 리튬이온 방전시의 출력 특성을 측정한 것으로서 초기 0.1 C로 3사이클 충방전 진행 후 0.2C로 3사이클 충방전을 진행하고 이후부터 방전(리튬이온 탈리) C rate만 단계적으로 증가시키면서 0.2C rate 가역용량 대비 0℃에서의 5 C-rate 가역용량의 유지율을 측정하였다.
5) 저온 충전 출력 특성평가
저온 충전 출력특성 평가는 0℃에서 리튬이온 충전시의 출력 특성을 측정한 것으로서 초기 0.1 C로 3사이클 충방전 진행 후 0.2C로 3사이클 충방전을 진행하고 이후에 0℃에서 0.2C로 충전하여 상온 0.2C 충전 대비 충전지수를 측정하였다.
6) 전지부피팽창률 측정
리튬산화물계 양극활물질을 양극으로 사용하며, 음극을 본 개발품 으로 적용하여 양극, 분리막 및 음극을 각각 한장씩 적용하여 폴리머코팅 Al 파우치 필름으로 포장하여 제작한 단전극 풀셀을 측정용 전지로 준비한다. 이때 전지의 포장재 사이즈는 초회 충전시 부반응에 의한 가스발생을 고려하여 충분한 사이즈로 제작하여 가스방을 만들어준다. 제작된 풀셀은 25℃의 온도로 유지된 전지 충방전 테스트용 항온 챔버에서 12시간 유지시킨 후 첫번째 사이클의 충전을 진행하며 충전조건은 0.2C의 전류밀도, 정전류 방식으로 진행하며 0.01V에 도달하면 전압을 유지하여 0.02C의 전류밀도가 될 때 종료하는 조건으로 한다. 이후 전지의 두께 를 측정하여 충전전과 후와 비교한다. 상기 사항은 사이클 진행에 따라 수회 반복 가능하다.
7) 라만 R값의 측정
라만 분광분석기에 의해 측정된 그래프에서 1350 내지 1380 ㎝-1의 흡수영역의 피크의 세기를 Id로 하고, 1580 내지 1600㎝-1의 흡수영역의 피크의 세기를 Ig로 하여 하기 수학식1에 의해 계산한다.
[수학식 1]
라만 R값 = Id/Ig
8) 입자강도 측정
광학식 현미경과 압착용 압력로드가 장착된 압착강도 측정기로 측정되며, 측정 대상 입자를 선택하여 설정한 압력 값으로 압착을 하며 로드의 거리 변화율을 측정하며, 입자파괴강도는 하기 수학식 2에 의해 계산된다.
[수학식2]
입자파괴강도 St(Sx)=a×P/πd2
a = 2.8 (The equation of Hiramatsu et al.)
St : tensile strength (MPa)
P : test force (N)
d : particle diameter (mm)
9) 펠렛밀도 측정
밑면적이 4.9 cm2인 원기둥 형태의 몰드에 음극활물질 분말을 1.5g 장입 후 평균 1,200 kg의 압력으로 압착하여 압착된 펠릿의 밀도를 측정하였다.
[실시예 1]
음극 활물질의 제조
이축 연속 혼련기에 D50이 12㎛인 구형 천연흑연을 20kg/hr, 폴리올 조성물에서 폴리올(SSP-104HC, 애경유화 社)을 2.12kg/hr 및 아세톤을 2.3kg/hr의 투입속도로 동시 투입한 다음, 교반 진행 중에 혼련기의 혼련조 중간 부분에 이소시아네이트(JG55K, 금호미쓰이화학 社)를 4.12 kg/hr의 투입속도로 투입한다. 혼련기의 냉각 자켓의 온도는 -15℃로 설정하였으며, (※ 이때 교반기 내부 반죽의 실제 온도는 약 7℃로 측정) 건조공정은 연속식 컨베이어벨트 타입 열풍건조기를 사용하였으며, 건조기 실내온도는 80℃로 설정하였고, 15분간 건조 및 경화 반응을 진행하여 열경화성 수지가 코팅된 구형 흑연인 탄소복합체를 수득하였다. 수득된 탄소복합체를 질소분위기에서 800℃에서 1차 열처리하고, 1300℃에서 2차 열처리한 후 분쇄바의 단면이 원형인 fine impact mill로 해쇄 및 400mesh 망체 분급 방식으로 평균입경 약 13㎛인 난흑연화성 탄소층이 형성된 음극 활물질을 제조하였다. 제조된 음극 활물질의 물성을 측정하여 하기 표 에 나타내었다. 난흑연화성 탄소의 탄화수율을 30% 에 맞게 설정하여 폴리올과 이소시아네이트의 양을 결정하여 투입한다.
[실시예2]
폴리올을 4.2kg/hr, 아세톤을 1.8kg/hr, 이소시아네이트를 (JG55K, 금호미쓰이화학 社) 8.24kg/hr로 한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예]
임펠러 방식 교반기에 D50이 13㎛인 구형 천연흑연 10kg과 탄화수율이 65%이며 평균입경이 약 2um로 미분쇄된 석유계 피치를 0.65kg동시 투입하여 150rpm으로 30분간 혼합하여 피치 미분말이 고르게 분포한 흑연피치 복합체를 제조하였다. 제조된 복합체는 질소분위기에서 700℃에서 1차 열처리하고, 1300℃에서 2차 열처리하여 이흑연화성 탄소층이 형성된 음극 활물질을 제조하였다. 소성된 분말은 fine impact mill로 해쇄 및 400mesh 망체 분급방식으로 분급하여 음극 활물질을 제조하였다. 이흑연화성 탄소의 전구체인 핏치는 탄화수율 64%로 설정하여 투입하였다.
[비교예2]
폴리올 100g과 이소시아네이트 194g을 교반용 임펠러의 회전속도를 3000rpm으로 하여 30초간 교반하여 열경화성 레진을 합성한 후 분쇄공정을 거쳐 질소분위기 하에서 800℃로 1차 소성을 한 후 jet mill 분쇄방법으로 분쇄하여 평균입경 8um의 탄소분말을 얻은 후, 질소분위기 하에서 1300℃의 온도로 소성 후 분급하여 난흑연화성 탄소계 음극활물질을 제조하였다.
[비교예3]
폴리올 6.37kg/hr, 아세톤 2.7kg/hr 및 이소시아네이트를 (JG55K, 금호미쓰이화학 社) 12.36 kg/hr로 한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 4]
탄소복합체를 질소분위기에서 800℃에서 1차 열처리하고, 1300℃에서 2차 열처리한 후 분쇄바의 단면이 사각형인 fin mill로 해쇄 및 400mesh 망체 분급 방식으로 평균입경이 약 13㎛인 난흑연화성 탄소층이 형성된 음극 활물질을 수득한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[실험예 1] 이차전지의제조
(a) 전극 제작
상기 제조된 음극 활물질 97 중량부에 SBR(Stylene Butadiene Rubber) 1.5 중량부, CMC(Carboxyl Methyl Cellulose) 1.5 중량부를 첨가하여 증류수를 첨가하며 슬러지 형태로 균일하게 교반하여 구리 호일 상에 균일하게 코팅하였다. 코팅은 닥터블레이드를 사용하여 110㎛로 균일하게 코팅하였고 60℃ 오븐에서 30분간 건조하여 전극밀도가 1.6g/cc가 되도록 프레스공정을 시행하였다. 호일상의 전극을 넓이 1cm2의 원형으로 펀칭하여 120℃ 진공오븐에서 12시간 건조하였다. Full cell의 경우 3 ×4 cm의 사이즈로 펀칭하였다.
(b) 시험 전지의 제작
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 음극 활물질은 수계전해질 이차전지의 음극에 사용하였으며, 음극활물질의 충전(리튬삽입) 용량 및 방전(리튬탈리) 용량이 대극의 성능에 영향을 받지 않고 단독적으로 정밀하게 평가하기 위하여 리튬 금속을 대극으로 사용하여 리튬이차전지를 구성하고, 특성을 평가하였다.
리튬이차전지는 2016사이즈(직경 20mm, 두께 16mm)의 코인형 전지로 아르곤분위기 하의 글로브 박스 내에서 조립되었으며, 1mm두께의 금속 리튬을 코인형 전지캔의 바닥에 압착하였고 그 위에 폴리프로필렌 재질의 분리막을 형성하고, 음극을 리튬과 마주보게 하였다. 이때, 사용된 전해질은 EC(Ethylene Carbonate)와 DMC(Dimethyl Carbonate), EMC(Ethyl Methyl Carbonate)를 부피비 1:1:1로 혼합하여 제조된 용매에 1.2M의 LiPF6 염을 첨가하여 제조된 것으로 코인형 전지에 투입하여 캔 커버를 닿고 압착하여 리튬 이차전지를 조립하였다. Full cell의 경우 포장재를 폴리머코팅 알루미늄 파우치 필름으로 하였다.
(c) 전지 용량 측정
상기 조립된 리튬2차전지에 대한 특성 분석은 TOYO SYSTEM社에서 제조된 TOSCAT-3100 충방전 시험장치를 이용하여 정전류-정전압법(CCCV)에 의해 25℃에서 충방전을 시행하였다. 여기서 '충전'은 음극에 리튬이 삽입되는 반응으로 코인형 전지의 전압이 낮아지는 반응이고, '방전'은 리튬이 음극에서 탈리되어 대극쪽으로 이동하는 반응으로, 코인형 전지의 전압이 높아지는 반응이다. 또한 여기서 정전류-정전압 조건은 코인형 전지의 전압이 0.01V가 될 때까지 일정한 전류밀도(0.1C 기준)로 충전을 행하고, 그 후에 전압을 유지한 채 전류밀도가 0.01 C가 될 때까지 일정하게 감소시켜 충전을 진행한다. 이 때 공급한 전기량을 전극의 음극활물질의 중량으로 나눈 값을 음극활물질의 단위중량 당 충전용량(mAh/g)이라 하였다. 충전 종료 후, 10분간 전지의 작동을 멈추고 방전을 시행하였다. 방전은 코인형 전지의 전압이 1.5V가 될 때까지 일정한 전류로 시행하였고, 이 때 방전한 전기량을 전극의 음극활물질의 중량으로 나눈 값을 음극활물질의 단위중량 당 방전용량(mAh/g)이라 하였다. 가역용량은 방전용량으로 정의하였으며 비가역용량은 충전용량에서 방전용량을 뺀 용량으로 계산하였고 효율은 충전용량 대비 방전용량을 퍼센트(%)로 계산하였다. 기본적인 코인형 전지의 특성값은 동일시료로 제작한 동일 전지 3개 이상의 특성값을 평균하여 나타내었다.
(d) 고율 충방전 특성 측정
상기 조립된 리튬2차전지에 대한 고율 충방전 특성 분석은 (c)와 동일하게 정전류-정전압법(CCCV)에 의해 25℃에서 시행하였다. 고율 충방전 특성은 충방전시의 전류밀도를 변화시켜,공급 또는 방전되는 일정한 전류밀도를 사이클 별로 증가시켜 그 전류밀도에서 충방전되어 측정되는 용량(mAh/g)으로 나타내었다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

Claims (8)

  1. 폴리올 조성물 및 이소시아네이트계 화합물을 포함하는 열경화성 수지 조성물이 코팅된 탄소계 입상소재를 비활성기체 분위기 하에서 열처리하여 탄소화시킨 탄소복합체를 포함하며,
    상기 탄소복합체의 입자강도(St)는 30 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소복합체는 하기 [식 1]에 따라 계산된 라만R값이 0.1 내지 0.5인 것을 특징으로 하는 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질.
    라만 R값 = Id/Ig [식 1]
    (상기 식 1에서 Id는 라만 분광분석기에 의해 측정된 그래프에서 1350 내지 1380 ㎝-1의 흡수영역의 피크의 세기를 의미하고, Ig는 라만 분광분석기에 의해 측정된 그래프에서 1580 내지 1600㎝-1의 흡수영역의 피크의 세기를 의미한다.)
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소복합체는 펠렛밀도 측정시 하기 식3에 따라 계산되는 압력 60kg/cm2지점의 밀도값과 압력 200kg/cm2지점의 밀도값을 일직선으로 연결하였을 때의 기울기 값이 0.001 내지 0.002인 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질
    (ρ2 - ρ1)/(P2-P1) [식3]
    (상기 식 3에서 ρ1는 60kg/cm2지점의 밀도값(g/cc)이며, ρ2는 200kg/cm2지점의 밀도값(g/cc)이고, P1은 60 kg/cm2압착시의 압력값이며, P2는 200 kg/cm2압착시의 압력값이다.)
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열경화성 수지는 폴리우레탄 및 폴리이소시아누레이트를 포함하는 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 열경화성 수지는 전체 음극 활물질에 대하여, 9 내지 45 중량% 포함하는 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질.
  6. 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법에 있어서,
    a) 입상소재와 폴리올 조성물과 이소시아네이트계 화합물을 포함하는 열경화성 수지 조성물을 혼합하는 단계;
    b) 상기 열경화성 수지 조성물과 입상소재의 혼합물을 건조 및 경화시켜 열경화성 수지가 코팅된 입상소재를 제조하는 단계;
    c) 상기 열경화성 수지가 코팅된 입상소재를 비활성기체 분위기 하에서 열처리하여 탄소화시킨 탄소복합체를 제조하는 단계; 및
    d) 상기 탄소복합체를 해쇄하는 단계;를 포함하며,
    상기 d) 해쇄하는 단계는 모터에 의해 회전하는 원형 로터에 의해 회전하고, 회전 로터에 적어도 2개 이상의 분쇄바가 장착되어 있으며, 분쇄바의 단면 형상은 원형 내지는 타원인 형태의 분쇄기로 처리하는 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 a)단계의 혼합은 일축 혼련기, 이축 혼련기 또는 배치식 혼련기에서 10℃ 이하에서 수행하며,
    상기 b)단계의 건조 및 경화는 챔버, 열처리부 및 배기구가 구비된 장치에서 60 내지 150℃의 열풍 가열로 수행되는 것을 특징으로 하는 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 c)단계의 열처리는 1차 열처리 및 2차 열처리 중에서 적어도 하나를 포함하고,
    상기 1차 열처리는 500 내지 1,000℃ 온도에서, 상기 2차 열처리는 900 내지 1,500℃ 온도에서 진행하는 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109638370A (zh) * 2018-12-19 2019-04-16 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种软包锂离子电池的化成方法
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