KR20170048282A - 카본블랙 분산액 - Google Patents

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KR20170048282A
KR20170048282A KR1020170051457A KR20170051457A KR20170048282A KR 20170048282 A KR20170048282 A KR 20170048282A KR 1020170051457 A KR1020170051457 A KR 1020170051457A KR 20170051457 A KR20170051457 A KR 20170051457A KR 20170048282 A KR20170048282 A KR 20170048282A
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안병훈
이종원
김동현
권계민
최상훈
최현
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 명세서에는 카본블랙; 분산매; 및 중량 평균 분자량이 5만 초과인 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 카본블랙 분산액, 이의 제조방법, 이를 이용한 전극 슬러리 및 전극의 제조방법, 상기 카본블랙 분산액을 이용하여 제조한 전극 및 이차 전지에 관한 것이다.

Description

카본블랙 분산액{CARBON BLACK DISPERSION}
본 발명은 카본블랙 분산액에 관한 것이다. 또, 본 발명은 상기 분산액의 제조방법, 상기 분산액을 이용하여 전극 슬러리 및 전극을 제조하는 방법과, 상기 방법에 의하여 제조된 전극 및 이를 포함하는 전지에 관한 것이다.
카본블랙은 다양한 기술분야에서 착색, 차광 또는 도전을 위한 재료로서 사용되고 있으며, 각종 용도에서 요구되는 요건을 만족하기 위하여, 카본블랙을 용제 중에 미세하게 분산하는 것이 중요해졌다.
한편, 최근, 전자기기에 소형, 경량이면서도 대용량인 전지를 탑재하고자 하는 요구가 커지고 있다. 또한, 자동차 용도의 대형 이차 전지의 성능 향상도 계속 요구되고 있다. 이와 같은 요구에 부응하여, 이차 전지의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 통상적으로 이차 전지의 전극은 전극 활물질, 바인더 수지 및 도전재를 포함하는 슬러리를 집전체의 표면에 도포하여 형성된다. 이 때, 카본블랙이 도전재로 첨가될 수 있다.
카본블랙은, 비표면적이 크기 때문에 응집력이 강하고, 전극 형성용 슬러리 안에서 균일하게 분산되는 것이 어렵다. 카본블랙의 분산성이 불충분한 경우, 균일한 도전 네트워크가 형성하지 못하기 때문에 전극의 내부 저항의 감소를 충분히 달성하지 못할 뿐만 아니라, 부분적인 응집에 의하여 전극 내부에 저항 분포가 생겨 전지 사용시 전류가 집증하여 부분적인 발열 또는 열화가 발생할 수 있다. 또한, 충방전을 반복하는 경우, 집전체와 전극 층 사이, 또는 활물질과 카본블랙 사이의 계면 접착성이 나빠져, 전지 성능이 저하될 수 있는데, 카본블랙의 분산성이 불충분할 경우, 상기와 같은 계면 접착력의 악화는 더욱 심해질 수 있다.
카본블랙의 분산을 위하여, 각종 첨가제, 예를 들면 계면활성제 등의 분산제나 안료 분산 수지를 이용하여 방법이 시도되고 있다. 그러나, 계면활성제를 이용하는 방법은 수계에서의 분산에는 유리하지만, 유기용매에서의 분산에는 부적합하다. 안료 분산 수지를 이용하는 경우에도 카본블랙이 쉽게 재응집하거나, 경시안정성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 전지의 전극 제조시, 계면활성제나 안료 분산 수지의 첨가량을 적게하는 경우 충분한 분산성을 얻을 수 없고, 충분한 분산성을 얻기 위하여 계면활성제나 안료 분산 수지의 첨가량을 증가시키는 경우, 전극 활물질의 함량이 적어져 전지 용량이 저하될 수 있다.
카본블랙을 기상 또는 액상으로 산화 처리하여 입자 표면에 산성 관능기를 도입하는 방법이 시도되고 있으나, 플라스마나 오존 처리와 같은 기상 산화에서는 처리 효율의 낮거나 처리 장치가 고가인 등의 문제가 있고, 액상 처리에서는, 초산이나 과산화 수소 등의 강산을 사용하기 때문에, 작업 안전성 등에 문제가 있다.
또한, 카본블랙의 분산성을 향상시키기 위하여, 비닐 피롤리돈계 수지를 첨가하는 방법이 시도되고 있다. 그러나, 비닐 피롤리돈계 수지의 흡습성에 의해 전극 슬러리 안이나 전극 도막에 수분이 포함되기 쉽고, 활물질이 열화될 수도 있다.
일본 특개평7-268268호
본 명세서의 일 실시상태는 분산성이 향상되고, 추후 전극 제조시 집전체에의 접착력이 향상된 카본블랙 분산액을 제공한다. 본 명세서의 다른 실시상태들은 상기 카본블랙 분산액의 제조방법, 상기 카본블랙 분산액을 이용하여 전극 슬러리 및 전극을 제조하는 방법과, 상기 방법에 의하여 제조된 전극 및 이를 포함하는 전지에 관한 것이다.
본 출원의 일 실시상태는 카본블랙; 분산매; 및 중량 평균 분자량이 5만 초과인 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 카본블랙 분산액을 제공한다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 폴리비닐부티랄 수지의 중량 평균 분자량은 15만 이상이다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 폴리비닐부티랄 수지의 수산기 함유 반복 단위의 함유량이 15 중량% 이상이다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 카본블랙 분산액은 중량 평균 분자량이 5만 초과인 제1 폴리비닐부티랄 수지; 및 상기 제1 폴리비닐부티랄 수지 보다 중량 평균 분자량이 작은 제2 폴리비닐부티랄 수지를 포함한다. 여기서, 제2 폴리비닐부티랄 수지는 제1 폴리비닐부티랄 수지 보다 중량 평균 분자량이 작은 한 중량 평균 분자량이 5만 초과일 수도 있지만, 5만 이하일 수도 있다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 카본블랙 분산액은 상기 카본블랙의 표면에 상기 폴리비닐부티랄 수지가 도입된 카본블랙 복합체를 포함한다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 분산액 중의 카본블랙의 분산 입경(D50)이 0.03~3μm, 바람직하게는 0.5 내지 2 μm, 예컨대 0.5 내지 1.5 μm이다. 여기서, 카본블랙의 분산 입경은 카본블랙의 1차 입자들이 서로 응집되어 형성된 2차 입자의 입경을 의미한다. 이와 같은 분산 입경은 레이저 회절 입도 분석 방식에 의하여 측정될 수 있다.
본 출원의 또 하나의 실시상태는 카본블랙, 분산매 및 전술한 폴리비닐부티랄 수지를 혼합하는 단계를 포함하는 카본블랙 분산액의 제조방법을 제공한다. 예컨대, 상기 카본블랙 분산액은 폴리비닐부티랄 수지가 용해되어 있는 분산매에 카본블랙을 첨가하거나, 카본블랙을 분산매에 첨가한 후 폴리비닐부티랄 수지를 용해하거나, 분산매에 카본블랙과 폴리비닐부티랄 수지를 함께 첨가 및 혼합하여 제조할 수 있다.
본 출원의 또 하나의 실시상태는 상기 카본블랙 분산액, 전극 활물질 및 바인더 수지를 혼합하는 단계를 포함하는 전극 슬러리의 제조방법을 제공한다.
본 출원의 또 하나의 실시상태는 상기 카본블랙 분산액, 전극 활물질 및 바인더 수지를 혼합하여 전극 슬러리를 제조하는 단계; 및 상기 전극 슬러리를 이용하여 전극을 성형하는 단계를 포함하는 전극의 제조방법을 제공한다.
본 출원의 또 하나의 실시상태는 상기 카본블랙 분산액, 전극 활물질, 및 바인더 수지를 포함하는 전극 슬러리를 제공한다.
본 출원의 또 하나의 실시상태는 상기 카본블랙 분산액, 전극 활물질, 및 바인더 수지를 포함하는 전극 슬러리를 이용하여 제조된 전극 및 이 전극을 포함하는 이차 전지를 제공한다. 상기 전극이 전극 슬러리를 이용하여 제조되었다는 것은 상기 전극 슬러리, 이의 건조물 또는 이의 경화물을 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서에 기재된 실시상태들에 따르면, 극성기인 수산기와 비극성기인 부티랄기를 포함하는 폴리비닐부티랄 수지로서 특정 분자량 범위를 갖는 것으로 사용함으로써 서로 다른 극성을 갖는 카본블랙과 NMP와 같은 분산매가 서로 섞일수 있도록 하는데 유리하다. 또한 전술한 폴리비닐부티랄 수지를 사용함으로써 도전재가 분산되지 않아서 발생하는 전극의 접착력이 낮은 문제를 개선할 수 있다. 이에 의하여, 본 명세서에 기재된 실시상태들에 따른 카본블랙 분산체는 분산성 및 저장 안정성이 양호할 뿐만 아니라, 전극 슬러리에 도전재로서 첨가하였을 때 집전체에의 전극의 접착력도 향상시킬 수 있다.
이하에서, 상기 실시상태들을 상세히 설명한다.
상기 실시상태에 따른 카본블랙 분산액은, 카본블랙; 분산매; 및 중량 평균 분자량이 5만 초과인 폴리비닐부티랄 수지를 포함한다. 상기 폴리비닐부티랄 수지는 중량 평균 분자량이 큰 경우, 저분자량 폴리비닐부틸랄 수지를 동일양 사용했을 때보다 추후 전극을 제조하였을 때 집전체에 대한 접착력이 개선될 수 있다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 폴리비닐부티랄 수지의 중량 평균 분자량은 15만 이상이다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 폴리비닐부티랄 수지의 중량 평균 분자량은 20만 이상이다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 폴리비닐부티랄 수지의 중량 평균 분자량은 35만 이하이다.
폴리비닐부티랄 수지의 중량 평균 분자량은 하기 조건하에서 GPC(Gel permeation chromatography)를 사용하여 측정된다. 분자량 측정시, 용매는 DMF가 사용된다. 분산액 상태에서는 원심 분리하여 상등액의 분자량을 측정 할 수 있으며, 전극 및 전지 상태에서는 전극을 긁어서 THF를 이용하여 폴리비닐부틸랄 수지를 추출하여 분자량을 측정할 수 있다.
- 컬럼: 극성 겔 M + L
- 용매: 0.05 M LiBr 염을 포함하는 DMF(0.45 μm filtered)
- 유속 : 1.0 ml/min
- 주입 용적 : 100 μL (0.45 μm filtered)
- 측정 시간: 30 min
- 검출장치: Waters RI detector
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 폴리비닐부티랄 수지의 수산기 함유 반복 단위의 함유량이 15 중량% 이상이다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 폴리비닐부티랄 수지의 수산기 함유 반복 단위의 함유량이 20 중량% 이상이다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 폴리비닐부티랄 수지의 수산기 함유 반복 단위의 함유량이 35 중량% 이하이다.
상기 폴리비닐부티랄 수지의 수산기 함량이 높은 경우, 카본블랙 분산액의 믹싱 에너지가 높아져, 전지 상태의 안정성이 향상될 수 있다. 상기 폴리비닐부티랄 수지의 수산기 함유 반복 단위의 함유량은 NMR을 통하여 측정될 수 있다. 일반적으로 폴리비닐부티랄 수지는 수계에서 제조되는데, 수산기 함량이 높아지면 폴리비닐부티랄 수지가 물에 녹아 공정 라인을 막게 된다. 이에 따라 원활한 생산이 어려워, 수산기 함유 반복단위의 함량이 높은 폴리비닐부티랄 수지가 거의 양산되지 않았다. 그러나, 본 발명에서는 수산기 함유 반복 단위의 함량이 전술한 바와 같이 높은 경우 카본블랙 분산액에 유용하게 사용될 수 있다는 사실을 밝혀내었다.
상기 폴리비닐부티랄 수지 중의 아세틸기 함유 반복 단위의 함유량이 5 중량% 이하이다. 아세탈기는 폴리비닐부티랄 수지 내에 존재하는 경우 점도 상승으로 인하여 분산을 저해할 수 있으므로, 아세틸기 함유 반복 단위는 5 중량% 이하에서 가능한 적을수록 바람직하다. 아세탈기 함유 반복단위는 NMR을 통하여 측정될 수 있다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 카본블랙 분산액은 중량 평균 분자량이 5만 초과인 제1 폴리비닐부티랄 수지; 및 상기 제1 폴리비닐부티랄 수지 보다 중량 평균 분자량이 작은 제2 폴리비닐부티랄 수지를 포함한다. 이와 같이 분자량이 상이한 2종 이상의 폴리비닐부티랄 수지를 사용하는 경우, PDI가 넓어지고, 예컨대 4~7일 수 있다. 이에 따라, 저분자량 수지에 의한 분산성 향상을 도모함과 동시에 고분자량 수지에 의한 접착력 향상을 달성할 수 있다. PDI도 GPC(Gel permeation chromatography)를 사용하여 측정될 수 있다. 상기 방법에 의하여 중량 평균 분자량(Mw), 수 평균 분자량(Mn)을 구한 후, 중량 평균 분자량/수 평균 분자량(Mw/Mn)으로부터 분자량 분포(PDI)가 계산될 수 있다.
여기서, 제2 폴리비닐부티랄 수지는 제1 폴리비닐부티랄 수지 보다 중량 평균 분자량이 작은 한 중량 평균 분자량이 5만 초과일 수도 있지만, 5만 이하일 수도 있다. 중량 평균 분자량이 5만 이하인 폴리비닐부티랄 수지를 사용하는 경우, 점도를 낮추어 카본블랙의 분산성을 향상시킬 수 있으며, 중량 평균 분자량이 5만 초과인 폴리비닐부티랄 수지를 사용함으로써 재료의 유연성을 증가시킬 수 있다. 구체적으로, 카본블랙 분산 과정을 보면, 먼저 분자량이 낮은 폴리비닐부티랄 수지를 이용하여 비드밀 혹은 분산기를 이용하여 분산을 진행함으로써, 분자량이 낮은 폴리비닐부티랄 수지에 의하여 카본블랙 분산액의 점도 저하 및 분산성 향상 효과를 나타낼 수 있다. 이어서, 분자량이 높은 폴리비닐부티랄 수지를 믹서를 사용하여 혼합함으로써, 분자량이 높은 폴리비닐부티랄 수지에 의하여 전지의 유연성을 향상시킬 수 있다.
하나의 예에 따르면, 제2 폴리비닐부티랄수지로서 중량 평균 분자량이 1천 이상 5만 미만인 폴리비닐부티랄 수지를 사용할 수 있다. 제2 수지의 중량 평균 분자량이 1천 이상인 경우 최종 물성 저하(유연성 감소 등)를 방지할 수 있고, 5만 이하인 경우 점도 상승을 방지하여 분산성을 향상시킬 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 폴리비닐부티랄 수지로는 하기 화학식 1의 부티랄 함유 단위, 하기 화학식 2의 아세틸기 함유 단위 및 하기 화학식 3의 수산기 함유 단위를 포함하는 수지를 사용할 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에 있어서, R은 탄소수 1 내지 20의 알킬기이다. 상기 R은 탄소수 1 내지 5의 알킬기, 구체적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기일 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00002
[화학식 3]
Figure pat00003
상기 폴리비닐부티랄 수지로는 전술한 반복 단위의 함유량 및 중량 평균 분자량을 만족하는 한, 각종의 시판품, 합성품을 단독으로, 또는 2종 이상 아울러 사용할 수 있다. 또, 수산기를 아실화, 우레탄화 반응 등의 화학 수식법에 의해 조정한 것도 사용할 수도 있다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 카본블랙으로서는, 시판의 퍼니스 블랙, 채널 블랙, 서멀 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙 등 각종의 것을 이용할 수 있다. 또, 중공 카본블랙 등도 사용할 수 있다.
또한, 카본블랙의 1차 입자 입경으로서는, 1 내지 50 nm일 수 있다. 여기서 1차 입자의 입경은 응집되지 않은 카본블랙 입자의 입경을 의미하며 SEM 또는 TEM와 같은 전자현미경 등으로 측정될 수 있다.
일 예에 따르면, 카본블랙의 비표면적은 30 m2/g 내지 1,500 m2/g이며, 예컨대 30 m2/g 내지 350 m2/g일 수 있다. 카본블랙의 비표면적은 BET(Brunauer-Emmett-Tellery)를 사용하여 측정할 수 있으며, 구체적으로 분말 표면에 질소 가스(N2)를 흡착시켜 흡착된 질소가스의 양을 측정하여 BET 식으로 계산하여 표면적을 구할 수 있다.
카본블랙은 필요에 따라 당기술분야에 알려진 방법으로 표면처리될 수 있다. 예컨대 아세틸렌가스에 의하여 표면처리됨으로써 불순물이 제거될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 따르면, 상기 분산매는 비공유 전자쌍을 가지는 질소원자(N) 및 산소원자(O)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 헤테로 원자를 포함하는 유기 용매일 수 있다.
구체적으로, 상기 분산매는 디메틸포름아미드(DMF), 디에틸 포름아미드, 디메틸 아세트아미드(DMAc), N-메틸 피롤리돈(NMP) 등의 아미드계 극성 유기 용매; 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올(이소프로필 알코올), 1-부탄올(n-부탄올), 2-메틸-1-프로판올(이소부탄올), 2-부탄올(sec-부탄올), 1-메틸-2-프로판올(tert-부탄올), 펜탄올, 헥사놀, 헵탄올 또는 옥탄올 등의 알코올류; 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 1,3-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 또는 헥실렌글리콜 등의 글리콜류; 글리세린, 트리메티롤프로판, 펜타에리트리톨, 또는 소르비톨 등의 다가 알코올류; 에틸렌글리콜모노 메틸에테르, 디에틸렌글리콜모노 메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 모노 메틸에테르, 테트라 에틸렌글리콜모노 메틸에테르, 에틸렌글리콜모노 에틸에테르, 디에틸렌글리콜모노 에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 모노 에틸에테르, 테트라 에틸렌글리콜모노 에틸에테르, 에틸렌글리콜모노 부틸 에테르, 디에틸렌글리콜모노 부틸 에테르, 트리에틸렌글리콜 모노 부틸 에테르, 또는 테트라 에틸렌글리콜모노 부틸 에테르 등의 글리콜 에테르류; 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 메틸프로필 케톤, 또는 사이클로펜타논 등의 케톤류; 초산에틸, γ-부틸 락톤, 및 ε-프로피오락톤 등의 에스테르류 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
특히, N-메틸-2-피롤리돈은 락탐 구조를 포함한 5원 고리의 구조를 갖는 유기 화합물로, 디메틸포름아미드나 디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드 등과 같이 비프로톤성 극성 용매에 속한다. 높은 용해성을 가지기 위해, 특히 고분자 화학의 분야를 중심으로 다양한 물질에 대한 용매로서 이용된다. 따라서, N-메틸-2-피롤리돈을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 카본블랙, 분산매 및 폴리비닐부티랄 수지의 함량은 분산액의 용도에 따라 적절히 결정될 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 분산액 중의 카본블랙의 균일 분산을 위해 상기 폴리비닐부티랄 수지는 카본블랙의 비표면적(BET)에 따라 달라질 수 있다. 예컨대 폴리비닐부티랄 수지는 카본블랙 100 중량부에 대하여 1 내지 100 중량부, 예컨대 1 내지 50 중량부로 포함될 수 있다. 더욱 구체적으로, 폴리비닐부티랄 수지는 카본블랙 100 중량부를 기준으로 5 내지 40 중량부, 예컨대 5 내지 30 중량부로 사용될 수 있다. 상기 폴리비닐부티랄 수지의 함량이 상기 함량범위 내일 때 분산액 중 카본블랙의 균일 분산성을 향상시킬 수 있다. 상기 범위를 초과하여 과량의 폴리비닐부티랄 수지가 첨가되는 경우에도 분산성 향상 효과가 크게 증가하지 않는다.
일 실시상태에 따르면, 카본블랙 분산액 중 분산매는 50 내지 99 중량% 포함될 수 있고, 카본블랙은 비표면적에 따라 다르지만 예컨대 1 내지 50 중량%, 예컨대 10 내지 25 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 카본블랙을 용매에 균일하게 분산시킬 수 있다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 분산액 중의 카본블랙의 분산 입경(D50)이 0.03~3μm이다. 카본블랙의 분산 입경은, 0.03μm이상 2 μm이하, 바람직하게는 0.05 μm이상 1 μm이하, 0.1 μm이상 1 μm이하, 더욱 바람직하게는 0.05 μm이상, 0.5 μm이하로 미세화하는 것이 바람직하다. 카본블랙의 분산 입경이 0.03 μm미만의 조성물은, 그 제작이 어려운 경우가 있다. 또, 카본블랙의 분산 입경이 3 μm를 넘는 조성물은, 도공했을 때에 막결함을 일으키거나 저장 안정성이 나쁜 경우가 있다. 카본블랙의 분산 입경이 상기 범위 내인 경우 카본블랙 분산액은 카본블랙의 균일 분산으로 보다 우수한 전기적, 열적, 기계적 특성을 나타낼 수 있고, 또 저점도 유지로 작업성 또한 향상되어 다양한 분야에서의 적용 및 실용화가 가능하다. 여기서 말하는 분산 입경이란, 체적 입도 분포에 있어서, 입자 지름의 미세한 것으로부터 그 입자의 체적 비율을 적산해 갈 때, 50%가 되는 것의 입자 지름(D50)이다. 카본블랙의 분산 입경은 레이저 회절 입도 분석 방식을 사용하여 측정될 수 있으며, 예컨대 말번사의 Mastersizer 3000으로 측정할 수 있다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 카본블랙 분산액의 점도는 1-30 Pa.s, 더 바람직하게는 5-15 Pa.s일 수 있다. 분산액의 점도는 Haake 레오미터로 측정할 수 있으며, 구체적으로 1.2/s의 Shear에서 점도를 측정할 수 있다.
전술한 실시상태에 따른 카본블랙 분산액은, 카본블랙, 분산매 및 전술한폴리비닐부티랄 수지를 혼합하는 단계를 포함하는 제조방법에 의하여 제조될 수 있다. 예컨대, 상기 카본블랙 분산액은 폴리비닐부티랄 수지가 용해되어 있는 분산매에 카본블랙을 첨가하거나, 카본블랙을 분산매에 첨가한 후 폴리비닐부티랄 수지를 용해하거나, 분산매에 카본블랙과 폴리비닐부티랄 수지를 함께 첨가 및 혼합하여 제조할 수 있다. 이 ?, 목적하는 분산 입경을 얻기 위하여 볼 밀(ball mill), 비드 밀(bead mill), 바스켓 밀(basket mill) 등의 밀링(milling)방법, 또는 호모게나이져, 비즈밀, 롤 밀, 바스켓밀, 어트리션밀, 만능 교반기, 클리어 믹서 또는 TK믹서 등을 이용하여 분산 과정을 이용할 수 있다.
일 예에 따르면, 카본블랙과 분산매를 혼합하여 카본블랙 슬러리를 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 카본블랙 슬러리에 중량 평균 분자량이 5만 초과인 폴리비닐부티랄 수지를 혼합하는 단계(단계 2)를 포함하는 방법에 의하여 제조될 수 있다.
이하 각 단계별로 상세히 설명한다.
상기 카본블랙 분산액의 제조를 위한 단계 1은 카본블랙과 분산매를 혼합하여 카본블랙 슬러리를 제조하는 단계이다. 이때 카본블랙 및 분산매의 종류 및 사용량은 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 카본블랙과 분산매의 혼합은, 통상의 혼합 방법, 구체적으로는 호모게나이져, 비즈밀, 볼밀, 바스켓밀, 어트리션밀, 만능 교반기, 클리어 믹서 또는 TK믹서 등과 같은 혼합 장치를 이용하여 수행될 수 있다.
또, 상기 카본블랙과 분산매의 혼합시, 카본블랙과 분산매의 혼합성, 또는 분산매 중 카본블랙의 분산성을 높이기 위하여 캐비테이션 분산 처리가 수행될 수도 있다. 상기 캐비테이션 분산 처리는 액체에 고에너지를 인가했을 때 물에 생긴 진공 기포가 파열되는 것에 의해 생긴 충격파를 이용한 분산 처리방법으로서, 상기 방법에 의해 카본블랙의 특성을 손상시키는 일 없이 분산시킬 수 있다. 구체적으로 상기 캐비테이션 분산 처리는 초음파, 제트 밀, 또는 전단 분산 처리에 의해 수행될 수 있다.
상기 분산처리 공정은 카본블랙의 양 및 분산제의 종류에 따라 적절히 수행될 수 있다.
구체적으로는 초음파 처리를 수행할 경우, 주파수 10 kHz 내지 150 kHz의 범위이며, 진폭은 5 내지 100 ㎛의 범위이며, 조사 시간은 1 내지 300분일 수 있다. 상기 초음파 처리 공정 수행을 위한 초음파 발생 장치로서는, 예를 들면 초음파 호모지나이저 등을 이용할 수 있다. 또, 제트 밀 처리를 수행할 경우, 압력은 20 MPa 내지 250 MPa일 수 있으며, 1회 이상, 구체적으로는 2회 이상 복수 회 수행될 수 있다. 또, 상기 제트 밀 분산 장치로는 고압 습식 제트 밀 등을 이용할 수 있다.
상기 캐비테이션 분산 처리 공정시 온도는 특별히 한정되지 않으나, 분산매의 증발에 의한 분산액의 점도 변화의 우려가 없는 온도 하에서 수행될 수 있다. 구체적으로는 50 ℃ 이하, 보다 구체적으로는 15 내지 50 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.
또, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본블랙 분산액의 제조를 위한 단계 2는, 상기 단계 1에서 제조된 카본블랙 슬러리에 상기한 폴리비닐부티랄 수지를 혼합하는 단계이다. 이때 상기 폴리비닐부티랄 수지의 종류 및 사용량은 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 혼합 공정은 통상의 혼합 또는 분산 방법에 의해 수행될 수 있으며, 구체적으로는, 구체적으로는, 볼 밀(ball mill), 비드 밀(bead mill), 바스켓 밀(basket mill) 등의 밀링(milling)방법, 또는 호모게나이져, 비즈밀, 롤 밀, 바스켓밀, 어트리션밀, 만능 교반기, 클리어 믹서 또는 TK믹서에 의해 수행될 수 있다. 보다 구체적으로는 비드 밀을 이용한 밀링 방법에 의해 수행될 수 있다. 이때 비드 밀의 크기는 카본블랙의 종류와 양, 그리고 폴리비닐부티랄 수지의 종류에 따라 적절히 결정될 수 있으며, 구체적으로는 상기 비드 밀의 직경은 0.5 내지 2mm일 수 있다.
상기와 같은 제조방법에 따라 분산매 중에 카본블랙이 균일 분산된 분산액에 제조될 수 있다.
본 출원의 또 하나의 실시상태는 상기 카본블랙 분산액, 전극 활물질 및 바인더 수지를 혼합하는 단계를 포함하는 전극 슬러리의 제조방법을 제공한다.
본 출원의 또 하나의 실시상태는 상기 카본블랙 분산액, 전극 활물질 및 바인더 수지를 혼합하여 전극 슬러리를 제조하는 단계; 및 상기 전극 슬러리를 이용하여 전극을 성형하는 단계를 포함하는 전극의 제조방법을 제공한다.
전극 슬러리 및 전극의 제조방법 및 재료, 예컨대 전극 활물질, 바인더 수지 등은 당 기술분야에 알려져 있는 것들이 사용될 수 있다. 예컨대, 바인더 수지로는 PVDF 등이 사용될 수 있다. 전극 슬러리 내의 PVDF와 같은 바인더 수지는 금속 박막과 전극 활물질을 접착시키기 위하여 사용되는 반면, 전술한 카본블랙 분산액 내의 폴리비닐부티랄 수지는 전극 활물질과 혼합되기 전 카본블랙을 분산시키기 위한 것이다. 이미 전극 활물질이 첨가된 전극 슬러리 중의 바인더 수지는 카본블랙을 분산시키는 역할을 할 수 없으므로, 전극 슬러리 중의 바인더 수지와 카본블랙 분산액 내의 폴리비닐부티랄 수지는 구분된다.
상기 전극을 성형하는 단계는 슬러리를 집전체에 도포하고, 필요에 따라 건조 또는 경화함으로써 수행될 수 있다.
본 출원의 또 하나의 실시상태는 상기 카본블랙 분산액, 전극 활물질, 및 바인더 수지를 포함하는 전극 슬러리를 제공한다.
본 출원의 또 하나의 실시상태는 상기 카본블랙 분산액, 전극 활물질, 및 바인더 수지를 포함하는 전극 슬러리를 이용하여 제조된 전극 및 이 전극을 포함하는 이차 전지를 제공한다. 상기 전극이 전극 슬러리를 이용하여 제조되었다는 것은 상기 전극 슬러리, 이의 건조물 또는 이의 경화물을 포함하는 것을 의미한다.
상기 이차 전지는 양극, 음극, 및 전해질을 포함하고, 양극 및 음극 중 적어도 하나가 상기 카본블랙 분산액을 포함하는 전극 슬러리에 의하여 제조될 수 있다. 상기 전지는 필요에 따라 양극과 음극 사이에 구비된 분리막을 더 포함할 수 있다.
상기 이차 전지는 리튬이온 이차 전지일 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1 내지 8 및 비교예 1 및 2
N-메틸피롤리돈(NMP) 용매 500 g에 카본블랙(Denka사 FX-35, 1차 입자 입경 23nm, 비표면적 BET 135m2/g)이 15 중량%(카본블랙 분산액 기준), 하기 표 1의 폴리비닐부티랄이 1.5 중량%(카본블랙 분산액 기준)가 되도록 분산시켰다. 이때 비즈 밀(beads mill)을 이용하였다. 이때 분산 타켓은 입도(D50) 1 마이크로미터가 되도록 하였다. 제조된 카본블랙 분산액의 분산 입경 및 점도를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
이어서, 상기에서 제조된 카본블랙 분산액을 이용하여 전극 슬러리를 제조하였다. 전극 슬러리 고형분 100 중량부를 제조하기 위하여, 상기 카본블랙 분산액, Li-Ni-Mn계 양극 활물질 97.35 중량부, 및 PVdF계 바인더 1 중량부를 혼합하였다. 이 때 상기 카본블랙 분산제 중의 카본블랙 및 폴리비닐부티랄 수지는 각각 전극 슬러리 고형분 100 중량부를 기준으로 각각 1.5 중량부 및 0.15 중량부로 포함되도록 하였다. 이어서, 알루미늄 집전체 상에 상기 전극 슬러리를 도포한 후 롤 프레스로 압연하여 양극 극판(합제 밀도 3.3 g/cc)을 제조하였다.
한편, 음극 활물질 97.3 중량부, 도전재 0.7 중량부, 증점제(CMC) 1 중량부음극 슬및 바인더(SBR) 1 중량부를 포함하는 음극 슬러리를 구리 집전체에 도포한 다음 이를 압연하여 합제밀도가 1.6 g/cc인 음극 극판을 제조하였다.
상기에서 제조된 카본블랙 분산액을 적용한 양극 및 음극을 이용하여 모노 셀을 제조하였다. 구체적으로, 상기 음극 극판과 양극 극판 사이에 폴리에틸렌 세퍼레이터를 넣고, 이를 전지케이스에 넣은 다음, 전해액을 주입하여 전지를　조립하였다.　이때, 전해액은 1.0M LiPF6가 용해된 에틸렌 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트　및 디에틸 카보네이트 (1/2/1 부피비)의 혼합용액을 사용하였다.
접착력 측정
접착력 측정을 위하여, 상기와 같이 제조된 양극 극판(전지 제조 전)을 15 mm X 150 mm의 동일크기로 잘라 슬라이드 글라스에 고정시킨 후, 집전체에서 벗겨내어 180도 벗김강도 측정하였다. 평가는 5개 이상의 벗김 강도를 측정하여 평균값으로 정하였다. 접착력 측정 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
모노 셀 평가
상기에서 제조된 전지를 상온에서 1.0C/1.0C 충방전을 3회 진행하고, 마지막 방전 용량 기준으로 SOC를 설정하였다. SOC50에서 6.5C로 방전 펄스(pulse)를 가하여 10초 저항을 측정하였다.
폴리비닐부티랄 수지 구성 단위 (wt%) 분자량 (DMF)
　 PVB PVAc PVA Mn Mw PDI
실시예 1 68.3 0.9 30.8 72K 273K 3.80
실시예 2 75.0 1.2 23.8 102K 348K 3.20
실시예 3 74.1 2.3 23.6 44K 160K 3.60
실시예 4 72 2.5 25.5 19K 57K 2.70
비교예 1 - - - - - -
비교예 2 78.0 2.5 19.5 14K 37K 2.65
실시예 5 85.0 2.5 12.5 30K 99K 3.30
실시예 6 80.7 2.1 17.3 56K 177K 3.40
실시예 7* 73.5 1.8 24.7 30K 190K 6.34
실시예 7(1)* 72 2.5 25.5 19K 57K 2.70
실시예 7(2)* 75 1.2 23.8 102K 348K 3.20
실시예 8** 74.6 1.8 23.7 54K 250K 4.43
실시예 8(1)** 74.1 2.3 23.6 44K 160K 3.60
실시예 8(2)** 75.0 1.2 23.8 102K 348K 3.20
* 실시예 7의 상기 구성단위의 함량 및 분자량은 실시예 7(1)의 폴리비닐부티랄 수지와 실시예 7(2)의 폴리비닐부티랄 수지를 함께 사용하였을 때, 카본블랙 분산액 전체를 기준으로 한 값이다.
** 실시예 8의 상기 구성단위의 함량 및 분자량은 실시예 8(1)의 폴리비닐부티랄 수지와 실시예 8(2)의 폴리비닐부티랄 수지를 함께 사용하였을 때, 카본블랙 분산액 전체를 기준으로 한 값이다.
카본블랙 분산액 전극
접착력
(gf/10mm)		 6.5C, 25도 방전 SOC50 DC-IR(ohm)
입도 (D10) 입도
(D50)		 입도
(D90)		 점도(Pa.s, @1.2/s)
실시예 1 0.30 0.92 3.62 9.6 77 1.147
실시예 2 0.33 1.01 3.68 11.3 80 1.177
실시예 3 0.34 1.08 3.68 8.7 40 1.133
실시예 4 0.29 0.90 3.48 8.3 36 1.138
비교예 1 분산 wetting 안됨
비교예 2 0.34 0.99 3.29 7.8 14 1.292
실시예 5 0.36 0.96 3.33 8.2 30 1.193
실시예 6 0.34 0.99 3.48 8.6 35 1.183
실시예 7 0.30 0.96 3.91 9.1 60 1.149
실시예 8 0.32 0.94 3.57 9.5 64 1.145
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 비교예 1에서는 카본블랙의 분산이 되지 않았으며, 비교예 2에 비하여 실시예들에서는 전극 접착력이 크게 향상되었다. 특히, 수산기를 함유하는 PVA 함량이 20 중량% 이상인 폴리비닐부티랄수지를 사용한 경우, 전극 접착력 특성이 더욱 우수한 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 이하의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (14)

  1. 카본블랙; 분산매; 및 중량 평균 분자량이 5만 초과인 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 카본블랙 분산액.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 폴리비닐부티랄 수지의 중량 평균 분자량은 15만 이상인 것인 카본블랙 분산액.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 폴리비닐부티랄 수지의 중량 평균 분자량은 20만 이상인 것인 카본블랙 분산액.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 폴리비닐부티랄 수지의 수산기 함유 반복 단위의 함유량이 15 중량% 이상인 것인 카본블랙 분산액.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 폴리비닐부티랄 수지의 수산기 함유 반복 단위의 함유량이 20 중량% 이상인 것인 카본블랙 분산액.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 카본블랙 분산액의 점도는 1-30 Pa.s인 것인 카본블랙 분산액.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 카본블랙 분산액은 중량 평균 분자량이 5만 초과인 제1 폴리비닐부티랄 수지; 및 상기 제1 폴리비닐부티랄 수지 보다 중량 평균 분자량이 작은 제2 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 것인 카본블랙 분산액.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 분산액 중의 카본블랙의 분산 입경(D50)이 0.03~3 μm인 것인 카본블랙 분산액.
  9. 카본블랙, 분산매, 및 중량 평균 분자량이 5만 초과인 폴리비닐부티랄 수지를 혼합하는 단계를 포함하는 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항의 카본블랙 분산액의 제조방법.
  10. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항의 카본블랙 분산액, 전극 활물질 및 바인더 수지를 혼합하는 단계를 포함하는 전극 슬러리의 제조방법.
  11. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항의 카본블랙 분산액, 전극 활물질 및 바인더 수지를 혼합하여 전극 슬러리를 제조하는 단계; 및 상기 전극 슬러리를 이용하여 전극을 성형하는 단계를 포함하는 전극의 제조방법.
  12. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항의 카본블랙 분산액, 전극 활물질, 및 바인더 수지를 포함하는 전극 슬러리.
  13. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항의 카본블랙 분산액, 전극 활물질, 및 바인더 수지를 포함하는 전극 슬러리를 이용하여 제조된 전극.
  14. 청구항 13에 따른 전극을 포함하는 이차 전지.
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