KR20170120314A - Composite of vanadium oxide, cathode for lithium secondary battery comprising the same and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바나듐 산화물 복합체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바나듐 산화물 매트릭스 내 탄소나노튜브(CNT) 집합체가 분산된 구조를 갖는 바나듐 산화물 복합체를 리튬 이차전지의 양극활물질로 적용하는 기술에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 탄소나노튜브(CNT) 집합체를 사용하기 때문에 바나듐 산화물 매트릭스 내에서 탄소나노튜브가 용이하게 분산되어, 별도의 분산 과정 없기 때문에 제조 과정이 단순화된다. 이러한 바나듐 산화물 복합체는 전기 전도도가 향상될 뿐만 아니라, 충·방전 과정 중 바나듐이 전해액으로 용출됨으로 인한 전극 구조의 붕괴를 억제할 수 있다.The present invention relates to a vanadium oxide composite, and more particularly, to a technique for applying a vanadium oxide composite having a structure in which a carbon nanotube (CNT) aggregate in a vanadium oxide matrix is dispersed to a cathode active material of a lithium secondary battery. According to the present invention, since the carbon nanotube (CNT) aggregate is used, the carbon nanotubes are easily dispersed in the vanadium oxide matrix, and the manufacturing process is simplified because there is no separate dispersion process. Such a vanadium oxide composite not only improves the electric conductivity but also can suppress the collapse of the electrode structure due to the elution of vanadium into the electrolyte during the charging and discharging processes.
Description
본 발명은 바나듐 산화물 복합체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바나듐 산화물 매트릭스 내 탄소나노튜브(CNT) 집합체가 분산된 구조를 갖는 바나듐 산화물 복합체를 리튬 이차전지의 양극활물질로 적용하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a vanadium oxide composite, and more particularly, to a technique for applying a vanadium oxide composite having a structure in which a carbon nanotube (CNT) aggregate in a vanadium oxide matrix is dispersed to a cathode active material of a lithium secondary battery.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서 이차전지의 사용이 실현화되고 있다. 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대해 많은 연구가 행해지고 있고, 특히, 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.2. Description of the Related Art As technology development and demand for mobile devices have increased, demand for secondary batteries as energy sources has been rapidly increasing. In recent years, the use of secondary batteries as a power source for electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles . Accordingly, a lot of research has been conducted on a secondary battery that can meet various demands, and in particular, there is a high demand for a lithium secondary battery having a high energy density, a high discharge voltage, and an output stability.
리튬 이차전지의 기술은 최근 현저한 발전을 통하여 현재 다양한 분야에서 응용되고 있으나, 전지의 용량, 안전성, 출력, 대형화, 초소형화 등의 관점에서 현재 리튬 이차전지의 한계를 극복할 수 있는 다양한 전지들이 연구되고 있다. 대표적으로 현재의 리튬 이차전지에 비해 용량 측면에서 이론 용량이 매우 큰 금속-공기 전지(Metal-air battery), 안전성 측면에서 폭발 위험이 없는 전고체 전지(All solid battery), 출력 측면에서 리튬 이차전지에 비해 출력 특성이 우수한 슈퍼 캐퍼시터(Supercapacitor), 대형화 측면에서는 나트륨-황(Na-S) 전지 혹은 레독스 플로우 전지(RFB: Rex flow battery), 초소형화 측면에서는 박막전지(Thin film battery) 등이 학계 및 산업계에서 지속적인 연구가 진행되고 있다.Lithium secondary battery technology has been applied to various fields at present through remarkable development. However, in view of capacity, safety, output, enlargement and miniaturization of batteries, various batteries capable of overcoming the limitations of current lithium secondary batteries have been studied . Metal-air batteries, which have a theoretical capacity in terms of capacity in comparison with current lithium secondary batteries, all solid batteries that do not have explosion risk in terms of safety, lithium secondary batteries in terms of output, (Na-S) or redox flow battery (RFB) in the aspect of enlargement, and a thin film battery in the aspect of miniaturization. Continuous research is underway in academia and industry.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극활물질로 LiCoO2 등의 금속 산화물과 음극 활물질로 탄소 재료를 사용하며, 음극과 양극 사이에 폴리올레핀계 다공성 분리막을 넣고, LiPF6 등의 리튬염을 가진 비수성 전해액을 함침시켜 제조된다. 그러나 현재 대부분의 상용 리튬 이차전지의 양극활물질로 사용되고 있는 LiCoO2는 작동 전압이 높고 용량이 크다는 장점이 있으나, 자원량의 한계로 인하여 상대적으로 고가이고, 충ㆍ방전 전류량이 약 150 mAh/g 정도로 낮으며, 4.3 V 이상의 전압에서는 결정구조가 불안정하고, 전해액과 반응을 일으켜 발화의 위험성을 갖고 있는 등 여러 가지 문제점을 갖고 있다. 더욱이, LiCoO2은 제조 공정상에서 일부 변수(Parameter)의 변화에도 매우 큰 물성 변화를 나타내는 단점을 가지고 있다.Generally, a lithium secondary battery uses a metal oxide such as LiCoO 2 as a cathode active material and a carbon material as a negative electrode active material, and a polyolefin-based porous separator is sandwiched between a cathode and an anode, and a non-aqueous electrolytic solution having a lithium salt such as LiPF 6 Impregnated. However, LiCoO 2, which is used as a cathode active material in most commercial lithium secondary batteries, has a high operating voltage and a large capacity. However, due to the limit of the amount of resources, LiCoO 2 is relatively expensive and has a charge / discharge current of about 150 mAh / g And the crystal structure is unstable at a voltage of 4.3 V or more, causing a reaction with the electrolytic solution, and there is a risk of ignition. Moreover, LiCoO 2 has a disadvantage in that it exhibits a very large change in physical properties even when some parameters are changed on the manufacturing process.
이러한 LiCoO2의 대안으로 제시된 것 중의 하나는 LiMn2O4이다. LiMn2O4는 LiCoO2 보다 용량은 낮으나 저가이면서 공해 요인이 없다는 장점을 가지고 있다.One of the alternatives to this LiCoO 2 is LiMn 2 O 4 . LiMn 2 O 4 has a lower capacity than LiCoO 2 but has a low cost and no pollution factor.
양극활물질의 대표적인 예인 LiCoO2 와 LiMn2O4의 구조를 살펴보면, LiCoO2 는 층상 구조(Layered structure)를 가지며, LiMn2O4는 경우는 스피넬(Spinel) 구조를 갖는다. 이 두 물질은 공통적으로 결정성(Crystallinity)이 우수할 때 전지로서 우수한 성능을 가지게 된다. 따라서 특히 박막 전지를 제작할 때 이 두 물질의 결정화를 위해서 박막의 제작 시 또는 후공정으로 반드시 열처리 공정을 수반하여야만 한다. 따라서 이 두 물질을 이용한 전지의 제작을 의료용 또는 특수한 용도로 고분자(예컨대, 플라스틱) 재료 위에 구현하는 것은 고분자 물질이 열처리 온도에서 견디지 못한다는 이유로 현재까지는 불가능하다.Looking at the typical examples of the structure of LiCoO 2 and LiMn 2 O 4 of the positive electrode active material, LiCoO 2 has a layered structure (Layered structure), LiMn 2 O 4 has a spinel if (Spinel) structure. These two materials commonly have excellent performance as a battery when they have excellent crystallinity. Therefore, in order to crystallize the two materials, it is necessary to carry out the heat treatment process during the manufacture of the thin film or the post-process. Therefore, the fabrication of a battery using these two materials on a polymer (e.g., plastic) material for medical or special purposes is impossible up to now because the polymer material can not withstand the heat treatment temperature.
상기 두 물질이 가지고 있는 단점을 해결하기 위하여 제시된 것이 바나듐 산화물이다. 바나듐 산화물은 용량은 낮으나 비정질(Amorphous) 상태에서도 매우 우수한 전극 특성을 갖는다는 장점을 가지고 있다. 그리고 바나듐 산화물의 경우, 상기 두 물질보다 합성이 비교적 용이하며, 특히 상온에서 합성이 가능하다는 이유로 매우 주목을 받고 있다. 상온에서 합성된 비정질 바나듐 산화물의 경우 결정성의 바나듐 산화물보다 오히려 그 성능(예컨대, 수명 또는 효율)이 우수하다. 그러므로 바나듐 산화물을 양극활물질로 이용한다면 상온 공정이 가능해지고, 따라서 플라스틱과 같은 고분자 물질 위에 이차전지를 제작하는 것이 가능하게 된다. 이러한 이유에서 여러 가지의 화학적 방법 및 진공 박막 합성법에 의한 바나듐 산화물은 앞으로 이차전지의 양극활물질로 응용될 가능성이 매우 높을 것으로 예측되고 있다. In order to solve the disadvantages of the two materials, vanadium oxide is proposed. The vanadium oxide has an advantage that it has very good electrode characteristics even in the amorphous state although the capacity is low. In the case of vanadium oxide, the synthesis of the vanadium oxide is relatively easy and the synthesis is possible at room temperature. The amorphous vanadium oxide synthesized at room temperature is superior to the crystalline vanadium oxide in its performance (for example, life or efficiency). Therefore, if vanadium oxide is used as a cathode active material, a room temperature process becomes possible, and it becomes possible to manufacture a secondary battery on a polymer material such as a plastic. For this reason, vanadium oxides by various chemical methods and vacuum thin film synthesis methods are expected to be highly applicable to cathode active materials of secondary batteries in the future.
그러나, 바나듐 산화물을 양극활물질로 사용한 리튬 이차전지는 아직 실용화되지는 못했는데, 그 이유는 바나듐 산화물 양극이 충분한 충ㆍ방전 특성을 나타내지 못하고 있기 때문이다.However, a lithium secondary battery using vanadium oxide as a cathode active material has not yet been put into practical use, because the vanadium oxide anode does not exhibit sufficient charge / discharge characteristics.
전지의 성능을 결정하는 인자로는 총 에너지 저장 용량, 순간 출력 밀도, 자기 방전율 등을 들 수 있다. 특히 이차전지의 경우 반복적으로 충ㆍ방전하여 사용하기 때문에 충ㆍ방전 횟수에 따른 용량의 변화가 적어야 한다. 이러한 것을 사이클 특성이라 하며, 이러한 특성은 초정밀 전자 및 반도체 공학의 발달에 힘입어 최근에 개발되고 생산되는 전자 제품(또는 부품)들의 수명이 연장됨에 따라 이를 구동하는 에너지원의 사이클 성능의 개선이 더욱 절실하게 요구되고 있다.Factors determining the performance of the battery include total energy storage capacity, instantaneous power density, and self-discharge rate. Particularly, in the case of the secondary battery, since the battery is repeatedly charged and discharged, the change in capacity due to the number of times of charge and discharge must be small. These characteristics are referred to as the cycle characteristics. These characteristics are due to the development of ultra-precision electronic and semiconductor engineering, and the life cycle of recently developed and produced electronic products (or parts) is extended, It is demanded desperately.
본 발명은 상기와 같은 요구 및 종래 문제를 해결하고자 한 것으로, 본 발명자들은 바나듐 산화물의 낮은 전기 전도도와 이온 확산계수로 인한 문제를 해결하여, 충ㆍ방전 특성 및 수명 특성이 우수한 양극활물질 및 그 제조방법을 제공하고자 본 발명을 완성하였다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems and to solve the conventional problems. The present inventors have solved the problem caused by the low electric conductivity and the ion diffusion coefficient of vanadium oxide and have found that a cathode active material having excellent charge / discharge characteristics, The present invention has been completed.
따라서 본 발명의 목적은 전기 전도도가 향상되고, 용출에 의해 전극 구조가 붕괴되지 않는 바나듐 산화물 복합체를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a vanadium oxide composite in which the electric conductivity is improved and the electrode structure is not collapsed by elution.
본 발명의 다른 목적은 바나듐 산화물 복합체를 양극활물질로 적용한 리튬 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a positive electrode for a lithium secondary battery to which a vanadium oxide composite is applied as a positive electrode active material and a lithium secondary battery comprising the same.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 바나듐 산화물 복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method for producing the vanadium oxide composite.
상기의 과제를 해결하고자, 본 발명은 바나듐 산화물 매트릭스 내에 탄소나노튜브 집합체가 분산된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 바나듐 산화물 복합체와 이를 양극활물질로 적용하는 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a vanadium oxide composite having a structure in which a carbon nanotube aggregate is dispersed in a vanadium oxide matrix, a cathode to which the anode composite is applied, and a lithium secondary battery comprising the same.
본 발명에 따르면, 탄소나노튜브(CNT) 집합체를 사용하기 때문에 바나듐 산화물 매트릭스 내에서 탄소나노튜브가 용이하게 분산되어, 별도의 분산 과정 없기 때문에 제조 과정이 단순화된다. 이러한 바나듐 산화물 복합체는 전기 전도도가 향상될 뿐만 아니라, 충·방전 과정 중 바나듐이 전해액으로 용출됨으로 인한 전극 구조의 붕괴를 억제할 수 있다.According to the present invention, since the carbon nanotube (CNT) aggregate is used, the carbon nanotubes are easily dispersed in the vanadium oxide matrix, and the manufacturing process is simplified because there is no separate dispersion process. Such a vanadium oxide composite not only improves the electric conductivity but also can suppress the collapse of the electrode structure due to the elution of vanadium into the electrolyte during the charging and discharging processes.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 바나듐 산화물 복합체의 SEM 이미지이다.
도 2는 본 발명의 실시예와 비교예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 사이클 진행에 따른 용량 유지율 및 효율 특성을 나타낸 데이터이다.1 is an SEM image of a vanadium oxide composite prepared according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a capacity retention rate and efficiency characteristics of a lithium secondary battery manufactured according to Examples and Comparative Examples according to the progress of a cycle.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 한정되지 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
바나듐 산화물 복합체Vanadium oxide complex
본 발명은 탄소나노튜브(Carbon Nanotube: CNT) 집합체가 바나듐 산화물 매트릭스 내에서 분산된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 바나듐 산화물 복합체를 개시한다.The present invention discloses a vanadium oxide composite characterized in that a carbon nanotube (CNT) aggregate is dispersed in a vanadium oxide matrix.
바나듐 산화물(Vanadium Oxide, Vanadate) 기반의 재료는 이론적으로 높은 비용량을 가지는 바나듐의 수많은 산화 상태의 전환으로 인하여 전극 재료로서 적합하나, 전기 전도도(Electric conductivity)와 이온 확산계수(Ion diffusion coefficient)가 낮은 문제점이 있으며, 바나듐이 전해액으로 용출되어 전극 구조가 붕괴되는 문제점이 있다.The material based on vanadium oxide (Vanadium Oxide) is theoretically suitable as an electrode material due to the conversion of many oxidation states of vanadium having a high specific capacity. However, electric conductivity and ion diffusion coefficient There is a problem in that vanadium is eluted into the electrolytic solution and the electrode structure is collapsed.
이에 본 발명에서는 바나듐 산화물만의 특징적 이점을 보유하면서도, 바나듐 산화물의 낮은 전기전도도 및 이온 확산계수를 보완하고, 충·방전 과정 중 전극 구조의 붕괴를 방지하기 위하여, 바나듐 산화물 내에 도전재로서 탄소나노튜브를 집합체의 형태로 포함시키고, 이를 매트릭스화(Matrixing)하여 도전 구조체를 형성함으로써, 본 발명의 목적을 달성하고자 한다.Therefore, in order to complement the low electrical conductivity and ion diffusion coefficient of vanadium oxide and to prevent the collapse of the electrode structure during the charging and discharging processes, The purpose of the present invention is achieved by including tubes in the form of aggregates and matrixing them to form conductive structures.
탄소나노튜브는 육각형으로 배열된 탄소 원자들이 튜브 형태를 이루고 있는 물질로, 1 내지 100 nm의 직경을 갖는다. 탄소나노튜브는 특유의 카이랄성(Chirality)에 따라 부도체, 전도체 또는 반도체 성질을 나타내며, 탄소 원자들이 강력한 공유결합으로 연결되어 있어 인장강도가 강철보다 대략 100배 이상 크고, 유연성과 탄성 등이 뛰어나며, 화학적으로도 안정한 특성을 가진다.Carbon nanotubes are substances in which the carbon atoms arranged in a hexagonal shape are in the form of a tube and have a diameter of 1 to 100 nm. Carbon nanotubes exhibit nonconductive, conductive, or semiconducting properties depending on their unique chirality. The carbon atoms are connected by a strong covalent bond, so tensile strength is about 100 times larger than steel, and excellent flexibility and elasticity , And is chemically stable.
이러한 탄소나노튜브의 종류에는, 한 겹으로 구성되고 직경이 약 1 nm인 단일벽 탄소나노튜브(Single-walled carbon nanotube, SWCNT), 두 겹으로 구성되고 직경이 약 1.4 내지 3 nm인 이중벽 탄소나노튜브(Double-walled carbon nanotube, DWCNT) 및 셋 이상의 복수의 겹으로 구성되고 직경이 약 5 내지 100 nm인 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled carbon nanotube, MWCNT)가 있다. 본 발명의 바나듐 산화물 복합체를 구성하는 탄소나노튜브에는 이들 모두가 특별한 제한 없이 사용될 수 있으나, 단일벽 또는 이중벽 탄소나노튜브는 응집된 형태의 집합체(예컨대, 후술하는 번들 타입)를 적용하는 것이 바람직하며, 다중벽 탄소나노튜브는 그 자체로 적용 가능하다.Examples of such carbon nanotubes include single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) composed of one layer and having a diameter of about 1 nm, double-walled carbon nanotubes composed of two layers and having a diameter of about 1.4 to 3 nm Walled carbon nanotube (DWCNT), and a multi-walled carbon nanotube (MWCNT) having a diameter of about 5 to 100 nm, which is composed of a plurality of pellets or more. Although all of the carbon nanotubes constituting the vanadium oxide composite of the present invention can be used without any particular limitation, it is preferable to apply aggregated aggregates (for example, a bundle type described below) of single wall or double wall carbon nanotubes , Multi-walled carbon nanotubes are themselves applicable.
즉, 본 발명에서 사용하는 용어 '탄소나노튜브 집합체'란 달리 언급되지 않는 한, 단일벽 또는 이중벽 탄소나노튜브의 응집된 형태이거나, 다중벽 탄소나노튜브를 의미한다. 이러한 집합체 형태의 탄소나노튜브를 적용하게 되면, 바나듐 산화물 매트릭스 내에서 엉김 현상이 없으므로 용이하게 분산되어 별도의 분산 과정을 생략할 수 있고, 뿐만 아니라 바나듐 산화물 복합체의 전기 전도도를 향상시키는데 기여할 수 있어 양극활물질로 적용하기에 바람직하다.That is, the term 'carbon nanotube aggregate' used in the present invention means aggregated forms of single wall or double wall carbon nanotubes or multiwall carbon nanotubes unless otherwise stated. When such aggregate-type carbon nanotubes are applied, there is no entanglement in the vanadium oxide matrix, so that they can be easily dispersed to omit a separate dispersion process, and also contribute to improve the electrical conductivity of the vanadium oxide composite, It is preferable for application as an active material.
또한 본 발명에서 사용하는 용어 '번들(Bundle)'이란 달리 언급되지 않는 한, 복수 개의 탄소나노튜브가 나란하게 배열 또는 뒤엉켜 있는, 다발(Bundle) 혹은 로프(Rope) 형태를 지칭한다.The term 'Bundle' used in the present invention refers to a bundle or a rope shape in which a plurality of carbon nanotubes are arranged or intertwined in parallel, unless otherwise stated.
본 발명에 따른 탄소나노튜브는 아크방전법(Arc-discharge), 레이저증착법(Laser vaporization), 플라즈마화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 열화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition), 기상합성법(Vapor phase growth), 전기분해법, Flame 합성법 등에 의해 합성될 수 있다. 일례로, 레이저증착법으로 직경이 1nm 이하로 균일한 단일벽 탄소나노튜브를 고수율로 성장시킬 수 있고, 이렇게 성장된 단일벽 탄소나노튜브는 길이 방향으로 성장하다가 개개의 반데르발스 인력(Van der waals force)에 의해 서로 묶여서 덩어리를 이루며, 다발로 뭉쳐 번들(Bundle) 형태의 집합체를 나타내게 된다.The carbon nanotubes according to the present invention can be fabricated by various methods such as arc-discharge, laser vaporization, plasma enhanced chemical vapor deposition, thermal chemical vapor deposition, vapor phase vapor deposition phase growth, electrolysis, Flame synthesis, and the like. For example, single-walled carbon nanotubes having a diameter of 1 nm or less can be grown at a high yield by a laser deposition method, and the grown single-walled carbon nanotubes are grown in the longitudinal direction, waals force to form a mass, and bundles are bundled to form a bundle-like aggregate.
이와 같은 번들 타입의 탄소나노튜브 집합체는 기본적으로 복수 개의 탄소나노튜브 가닥이 서로 모여 다발을 이루고 있는 형상을 가지며, 이들 각각의 가닥은 직선형, 곡선형 또는 이들이 혼합되어 있는 형태를 갖는다. 또한 이들이 뭉쳐진 번들 타입의 탄소나노튜브 집합체 또한 선형, 곡선형 또는 이들의 혼합 형태를 가질 수 있다. 일 구현예에 따르면, 이와 같은 번들 타입의 탄소나노튜브 집합체는 50nm 내지 100㎛의 두께를 가질 수 있다.Such a bundle-type carbon nanotube aggregate basically has a shape in which a plurality of carbon nanotube strands are bundled together to form a bundle, and each of the bundles has a straight, curved, or mixed shape. Also, bundles of bundled carbon nanotubes aggregated therein may also have a linear shape, a curved shape, or a mixture thereof. According to one embodiment, such a bundle-type carbon nanotube aggregate may have a thickness of 50 nm to 100 μm.
일 구현예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 가닥의 평균 입경은 1 ~ 20nm이고, 번들 타입의 탄소나노튜브 집합체는 그 평균 길이가 1 내지 1,000㎛, 바람직하게는 10 내지 300㎛의 범위를 가질 수 있으며, 또한 벌크 밀도(Bulk density)가 80 내지 250 kg/m3, 바람직하게는 100 내지 220 kg/m3의 범위의 집합체일 수 있다. 이와 같은 범위의 평균 입경, 평균 길이 및 벌크 밀도를 갖는 번들 타입의 탄소나노튜브 집합체는 상기 바나듐 산화물 매트릭스의 전도성을 개선하는데 더욱 유리한 구조에 해당한다. 상기 탄소나노튜브는 상기 바나듐 산화물 매트릭스 내에서 네트워크 구조를 가지게 되는데, 길이가 긴 탄소나노튜브는 이와 같은 네트워크 형성에서 보다 유리하며, 그 결과 네트워크 간 접촉의 빈도가 감소하므로, 접촉 저항값이 줄어들어 전도성 증가에 보다 기여하게 된다.According to one embodiment, the carbon nanotube strands have an average particle diameter of 1 to 20 nm, and the bundle-type carbon nanotube aggregates have an average length of 1 to 1,000 μm, preferably 10 to 300 μm , And a bulk density in the range of 80 to 250 kg / m 3 , preferably 100 to 220 kg / m 3 . A bundle-type carbon nanotube aggregate having an average particle diameter, an average length and a bulk density in this range is a more favorable structure for improving the conductivity of the vanadium oxide matrix. The carbon nanotubes have a network structure in the vanadium oxide matrix. The carbon nanotubes having a longer length are more advantageous in forming such a network, and as a result, the frequency of inter-network contact is reduced, More than the other.
보다 구체적으로, 1200℃의 오븐 안에 있는 그래파이트 타케트에 레이저를 조사하여 그래파이트를 기화시키는데, 이때 오븐은 헬륨이나 아르곤 가스를 채워넣어 압력을 500 Torr 정도로 유지할 수 있다. 그래파이트 타게트에서 기화된 탄소 클러스터들은 저온으로 냉각되어 있는 Cu 집전체(Collector) 에서 흡착되어 응축되며, 이와 같이 얻어진 응축 물질은 탄소나노튜브와 탄소 나노입자 그리고 탄소 파티클이 함께 섞여있는 상태가 된다. 타게트가 순수한 그래파이트로 만들어진 경우에는 응축 물질 내에 다중벽 탄소나노튜브가 합성되어 있지만, 순수한 그래파이트 대신에 Co, Ni, Fe, Y 등을 적절한 비율로 혼합시킨 그래파이트를 타게트로 사용하면 균일한 단일벽 탄소나노튜브를 합성시킬 수 있으며, 번들(Bundle) 형태를 이루게 된다.More specifically, a graphite tank in an oven at 1200 ° C is irradiated with a laser to vaporize the graphite. At this time, the oven can be filled with helium or argon gas to maintain the pressure at about 500 Torr. The carbon clusters vaporized in the graphite target are adsorbed and condensed in a Cu collector which is cooled at a low temperature, and thus the condensed material obtained is mixed with carbon nanotubes, carbon nanoparticles and carbon particles. When the target is made of pure graphite, multi-walled carbon nanotubes are synthesized in the condensed material. However, when graphite in which Co, Ni, Fe, Y, etc. are mixed in an appropriate ratio instead of pure graphite is used as a target, The nanotubes can be synthesized and form a bundle.
또한 본 발명에 따른 바나듐 산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 것으로서, The vanadium oxide according to the present invention is represented by the following formula (1)
[화학식 1] VaOb V a O b
(단, 상기 화학식에서 1 ≤ a ≤ 6 이고, 2 ≤ b ≤ 13 이다)(Provided that 1? A? 6 and 2? B? 13 in the above formula)
예컨대 바나듐의 산화수에 따라, VO2, V2O5, V3O7, V6O13 군으로부터 선택된 1종일 수 있다. 또한 상기 바나듐 산화물은 특별히 제한되지는 않지만 비정질인 것이 전자 전도성이 향상되어, 고용량의 리튬 이차전지를 제조할 수 있기 때문에 더욱 바람직하다.Depending on the oxidation number of the vanadium, for example, VO 2 , V 2 O 5 , V 3 O 7 , V 6 O 13 Lt; / RTI > Although the vanadium oxide is not particularly limited, it is more preferable that amorphous is improved because the electron conductivity is improved and a high capacity lithium secondary battery can be produced.
바나듐 산화물 복합체 제조방법Method for manufacturing vanadium oxide complex
이하에서는 바나듐 산화물 매트릭스 내에 상술한 탄소나노튜브 집합체를 분산시킨 바나듐 산화물 복합체에 대해 설명한다. 먼저 제조 과정을 구체적으로 설명하면, 과산화수소(H2O2)가 함유된 수용액에 양극활물질로서 바나듐 산화물을 첨가하여 반응시키면 산소(O2) 가스가 발생되며 수 분에서 수 시간 내에 투명한 수용액 즉, 졸(Sol)이 형성된다. 하기 화학식 1은 본 발명의 일 구현예에 따라 바나듐 산화물로서 오산화 바나듐(Vanadium Pentoxide: V2O5)을 적용한 화학 반응을 설명한 것이다.Hereinafter, the vanadium oxide composite in which the carbon nanotube aggregates are dispersed in the vanadium oxide matrix will be described. First, when a vanadium oxide is added to an aqueous solution containing hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) as a cathode active material and reacted, an oxygen (O 2 ) gas is generated and a transparent aqueous solution, Sol (Sol) is formed. The following
[화학식 2](2)
V2O5 + nH2O2 → V2O5·nH2O (Sol) + n/2 O2 (Gas)V 2 O 5 + nH 2 O 2 ? V 2 O 5? NH 2 O (Sol) + n / 2 O 2 (Gas)
상기 화학식 1에서 n은 약 1.8 정도이며, 약간의 오차가 있을 수 있다. 질량비는 H2O가 반응하여 새로운 화합물이 형성되는 것이 아니라 오산화 바나듐(V2O5)의 구조 내에 H2O가 들어가는 것이기 때문에 결정수처럼 작용하며, H2O2의 농도, 반응온도 등의 조건에 따라 변화된다.In
산소 발생이 멈추면 수용액에 양털 모양의 침전물이 발생하고, 시간이 지남에 따라 침전물이 팽창하여 적갈색의 겔(Gel)로 변화하는데, 바람직하게는 겔(Gel)로 변하기 전인 졸(Sol) 상태일 때, 탄소나노튜브(CNT) 집합체를 첨가하고 스터링(Stirring) 등을 통해 균일하게 혼합한다. 이때 추가적으로 초음파(Sonication) 처리를 수행한다. 이후 수분 제거 및 산화를 위해 CNT가 손실되지 않는 온도에서 박스 가열로(Box furnace)를 이용하여 열처리(Heat treatment)한다.When the generation of oxygen stops, wooly precipitate forms in the aqueous solution, and the precipitate expands over time to change into a reddish brown gel. Preferably, the sol is in a sol state before being converted into a gel. , A carbon nanotube (CNT) aggregate is added and uniformly mixed through a stirrer or the like. At this time, an additional sonication process is performed. Thereafter, heat treatment is performed using a box furnace at a temperature at which the CNT is not lost for moisture removal and oxidation.
리튬 이자전지용 양극Anode for lithium-ion batteries
상기한 바와 같은 탄소나노튜브 집합체가 분산된 바나듐 산화물 복합체는 리튬 이차전지용 양극활물질로 적용될 수 있으며, 본 발명에 따르면, 상기 바나듐 산화물 복합체를 포함하는 리튬 이차전지용 양극이 제공된다. The vanadium oxide composite in which the carbon nanotube aggregate is dispersed as described above can be applied as a cathode active material for a lithium secondary battery. According to the present invention, there is provided a cathode for a lithium secondary battery comprising the vanadium oxide composite.
본 발명의 양극은 상술한 바와 같이, 탄소나노튜브 집합체가 분산된 바나듐 산화물 복합체를 양극활물질로서 사용하여, 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 예를 들어, 상기 양극활물질, 바인더, 필요에 따라 도전재 또는 충진제 등을 분산매(용매)에 분산, 혼합시켜 슬러리를 만들고 이를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 본 발명의 양극을 제조할 수 있다.As described above, the anode of the present invention can be produced by a conventional method known in the art using a vanadium oxide composite in which a carbon nanotube aggregate is dispersed as a cathode active material. For example, a slurry is prepared by dispersing and mixing the above-mentioned cathode active material, a binder, a conductive material or a filler as necessary in a dispersion medium (solvent) and applying the slurry to a cathode current collector, followed by drying and rolling, can do.
본 발명에 따라 탄소나노튜브 집합체가 분산된 바나듐 산화물 복합체를 양극활물질로 사용할 경우, 적은 양의 용매로도 원하는 점도를 얻을 수 있어 양극 슬러리 제조시 사용되는 용매(예컨대, NMP) 사용량 또한 크게 절감할 수 있다.When a vanadium oxide composite in which a carbon nanotube aggregate is dispersed is used as a cathode active material according to the present invention, a desired viscosity can be obtained even with a small amount of solvent, and the amount of a solvent (for example, NMP) .
상기 바인더는 양극활물질과 도전재 등의 결합 및 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로, 예컨대, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드-폴리헥사플루오로프로필렌 공중합체(PVdF/HFP), 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알코올, 폴리비닐에테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌옥사이드, 알킬화 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌, 폴리메틸(메트)아크릴레이트, 폴리에틸(메트)아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리비닐피롤리돈, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM) 고무, 술폰화 EPDM 고무, 스틸렌-부틸렌 고무, 불소 고무, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The binder is a component that assists in bonding between the positive electrode active material and the conductive material and bonding to the current collector. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-polyhexafluoropropylene copolymer (PVdF / HFP), polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyvinyl ether, polyethylene, polyethylene oxide, alkylated polyethylene oxide, polypropylene, polymethyl (meth) acrylate, polyethyl (meth) acrylate, polytetrafluoroethylene ), Polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polyvinylpyridine, polyvinylpyrrolidone, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber, sulfonated EPDM rubber, -Butylene rubber, fluororubber, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, and The mixture can be used at least one member selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
상기 바인더는 통상적으로 양극활물질을 포함한 양극재 전체 중량 100 중량부를 기준으로 1 ~ 50 중량부, 더욱 상세하게는 3 ~ 15 중량부 첨가된다. 바인더의 함량이 1 중량부 미만이면 양극활물질과 집전체와의 접착력이 불충분해질 수 있고, 50 중량부를 초과하면 접착력은 향상되지만 그만큼 양극활물질의 함량이 감소하여 전지 용량이 낮아질 수 있다.The binder is usually added in an amount of 1 to 50 parts by weight, more specifically 3 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the cathode material including the cathode active material. If the content of the binder is less than 1 part by weight, the adhesive force between the positive electrode active material and the current collector may be insufficient. If the amount of the binder is more than 50 parts by weight, the adhesive force may be improved, but the content of the positive electrode active material may be decreased.
본 발명의 탄소나노튜브 복합체를 양극활물질로 적용하면, 그 자체로 전기 전도성이 우수하므로, 양극을 구성하는 양극재에 별도의 도전재를 포함시킬 필요는 없으나, 필요에 따라 추가적으로 그 목적에 맞게 적용 가능하다.When the carbon nanotube composite of the present invention is used as a cathode active material, it is not necessary to include a separate conductive material in the cathode material constituting the anode, because it is excellent in electrical conductivity itself. However, if necessary, It is possible.
이때 적용 가능한 도전재는 리튬 이차전지의 내부 환경에서 부반응을 유발하지 않고 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 우수한 전기전도성을 갖는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 대표적으로는 흑연 또는 도전성 탄소를 사용할 수 있으며, 예컨대, 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 뎅카 블랙, 써멀 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 결정구조가 그라펜이나 그라파이트인 탄소계 물질; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화 아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 및 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 고분자;를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The conductive material is not particularly limited as long as it does not cause side reactions in the internal environment of the lithium secondary battery and does not cause chemical change in the battery and has excellent electrical conductivity. Typically, graphite or conductive carbon may be used. For example, graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, black black, thermal black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; A carbon-based material whose crystal structure is graphene or graphite; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Carbon fluoride; Metal powders such as aluminum and nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive oxides such as titanium oxide; And polyphenylene derivatives may be used singly or in combination of two or more, but the present invention is not limited thereto.
상기 도전재는 통상적으로 양극활물질을 포함한 양극재 전체 중량 100 중량부를 기준으로 0.5 ~ 50 중량부, 상세하게는 1 ~ 30 중량부로 첨가된다. 도전재의 함량이 0.5 중량부 미만으로 너무 적으면 전기전도성 향상 효과를 기대하기 어렵거나 전지의 전기화학적 특성이 저하될 수 있으며, 도전재의 함량이 50 중량부를 초과하여 너무 많으면 상대적으로 양극활물질의 양이 적어져 용량 및 에너지 밀도가 저하될 수 있다.The conductive material is usually added in an amount of 0.5 to 50 parts by weight, specifically 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the cathode material including the cathode active material. If the content of the conductive material is less than 0.5 parts by weight, the effect of improving electrical conductivity may not be expected or the electrochemical characteristics of the battery may deteriorate. If the content of the conductive material exceeds 50 parts by weight, the amount of the cathode active material And the capacity and the energy density may be lowered.
양극재에 도전재를 포함시키는 방법은 크게 제한되지 않으며, 양극활물질에의 코팅 등 당분야에 공지된 통상적인 방법을 사용할 수 있다. 또한 경우에 따라서는 양극활물질에 도전성의 제2 피복층이 부가됨으로 인해 상기와 같은 도전재의 첨가를 대신할 수도 있다.The method of incorporating the conductive material into the cathode material is not particularly limited, and conventional methods known in the art such as coating on the cathode active material can be used. In some cases, since the conductive second coating layer is added to the positive electrode active material, the addition of the conductive material as described above may be substituted.
본 발명의 양극을 구성하는 양극재에는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 충진제가 선택적으로 첨가될 수 있다. 이러한 충진제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전극의 팽창을 억제할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소 섬유 등의 섬유상 물질; 등을 사용할 수 있다.The positive electrode material constituting the positive electrode of the present invention may optionally contain a filler as a component for suppressing the expansion of the positive electrode. Such a filler is not particularly limited as long as it can inhibit the expansion of the electrode without causing chemical change in the battery, and examples thereof include olefin polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials such as glass fibers and carbon fibers; Etc. may be used.
상기 분산매로는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone), DMF(Dimethyl formamide), DMSO(Dimethyl sulfoxide), 에탄올, 이소프로판올, 물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the dispersion medium include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethyl formamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), ethanol, isopropanol, water and mixtures thereof.
상기 양극 집전체로는 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 알루미늄(Al), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 카본(C), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), ITO(In doped SnO2), FTO(F doped SnO2), 및 이들의 합금과, 알루미늄(Al) 또는 스테인리스스틸의 표면에 카본(C), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 또는 은(Ag)을 표면 처리한 것 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 양극 집전체의 형태는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포체 등의 형태일 수 있다.The positive electrode current collector may be formed of a metal such as platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), iridium (Ir), silver (Ag), ruthenium (Ru), nickel (Ni), stainless steel (STS) ), Molybdenum (Mo), chromium (Cr), carbon (C), titanium (Ti), tungsten (W), ITO (In doped SnO 2 ), FTO (F doped SnO 2 ) , A surface of aluminum (Al) or a stainless steel surface treated with carbon (C), nickel (Ni), titanium (Ti) or silver (Ag) may be used. The shape of the anode current collector may be in the form of a foil, a film, a sheet, a punched, a porous body, a foam or the like.
리튬 이차전지Lithium secondary battery
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 양극을 포함하는 리튬 이차전지가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a lithium secondary battery including the positive electrode.
일반적으로 리튬 이차전지는 양극재와 집전체로 구성된 양극, 음극재와 집전체로 구성된 음극, 및 상기 양극과 음극 간의 전기적 접촉을 차단하고 리튬이온을 이동케 하는 분리막으로 구성되며, 이들에 함침되어 리튬이온의 전도를 위한 전해액이 포함되어 있다.Generally, a lithium secondary battery is composed of a positive electrode composed of a positive electrode material and a current collector, a negative electrode composed of a negative electrode material and a current collector, and a separator intercepting electrical contact between the positive electrode and the negative electrode to move lithium ions, And an electrolytic solution for conduction of lithium ions is included.
상기 음극은 당분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 예를 들어, 음극활물질, 도전재, 바인더, 필요에 따라 충진제 등을 분산매(용매)에 분산, 혼합시켜 슬러리를 만들고 이를 음극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 음극을 제조할 수 있다.The cathode can be produced by a conventional method known in the art. For example, a negative electrode may be prepared by dispersing and mixing a negative electrode active material, a conductive material, a binder, and a filler as necessary in a dispersion medium (solvent) to prepare a slurry, applying the dispersion to an anode current collector, and then drying and rolling.
상기 음극활물질로는 리튬 금속이나 리튬 합금(예컨대, 리튬과 알루미늄, 아연, 비스무스, 카드뮴, 안티몬, 실리콘, 납, 주석, 갈륨 또는 인듐 등과 같은 금속과의 합금)를 사용할 수 있다.As the negative electrode active material, lithium metal or a lithium alloy (for example, an alloy of lithium and a metal such as aluminum, zinc, bismuth, cadmium, antimony, silicon, lead, tin, gallium or indium) may be used.
상기 음극 집전체로는 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 구리(Cu), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 카본(C), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), ITO(In doped SnO2), FTO(F doped SnO2), 및 이들의 합금과, 구리(Cu) 또는 스테인리스스틸의 표면에 카본(C), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 또는 은(Ag)을 표면 처리한 것 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 음극 집전체의 형태는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포체 등의 형태일 수 있다.The negative electrode collector may be formed of at least one selected from the group consisting of Pt, Au, Pd, Ir, Ag, Ru, Ni, STS, ), Molybdenum (Mo), chromium (Cr), carbon (C), titanium (Ti), tungsten (W), ITO (In doped SnO 2 ), FTO (F doped SnO 2 ) (C), nickel (Ni), titanium (Ti), or silver (Ag) on the surface of copper, copper or stainless steel may be used. The anode current collector may be in the form of a foil, a film, a sheet, a punched, a porous body, a foam or the like.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되어 이들 사이의 단락을 방지하고 리튬이온의 이동 통로를 제공하는 역할을 한다.The separation membrane is interposed between the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit therebetween and to provide a movement path of lithium ions.
분리막으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 올레핀계 폴리머, 유리섬유 등을 시트, 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포 등의 형태로 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질(예컨대, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등)이 사용되는 경우에는 상기 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 구체적으로는, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막을 사용한다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10㎛, 두께는 일반적으로 5 ~ 300㎛ 범위일 수 있다.As the separation membrane, an olefin-based polymer such as polyethylene or polypropylene, glass fiber or the like may be used in the form of a sheet, a multilayer, a microporous film, a woven fabric and a nonwoven fabric, but is not limited thereto. On the other hand, when a solid electrolyte such as a polymer (for example, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte or the like) is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separation membrane. Specifically, an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. The pore diameter of the separator is generally in the range of 0.01 to 10 mu m, and the thickness may generally be in the range of 5 to 300 mu m.
상기 전해액으로는 비수계 전해액(비수계 유기 용매)으로서 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤을 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.As the electrolyte solution, carbonate, ester, ether, or ketone may be used alone or as a mixture of two or more of them as a non-aqueous liquid electrolyte (non-aqueous organic solvent), but the present invention is not limited thereto.
예를 들어, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, γ-부틸로락톤, n-메틸 아세테이트, n-에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 인산 트리에스테르, 디부틸 에테르, N-메틸-2-피롤리디논, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(Franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란과 같은 테트라하이드로푸란 유도체, 디메틸설폭시드, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런 및 그 유도체, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산 메틸, 트리메톡시 메탄, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기 용매가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the solvent include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate, methylpropyl carbonate, ethylpropyl carbonate, methyl ethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, Ethyl acetate, n-propyl acetate, phosphoric acid triester, dibutyl ether, N-methyl-2-pyrrolidinone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydroxyfurfurane (Franc), 2-methyltetrahydrofuran Dimethylformamide, dioxolane and derivatives thereof, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, trimethoxymethane, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dioxolane, - dimethyl-2-imidazolidinone, methyl propionate, ethyl propionate and the like can be used but are not limited thereto It is not.
상기 전해액에는 리튬염을 더 첨가하여 사용할 수 있으며(이른바, 리튬염 함유 비수계 전해액), 상기 리튬염으로는 비수계 전해액에 용해되기 좋은 공지의 것, 예를 들어 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiPF3(CF2CF3)3, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.(Lithium salt-containing non-aqueous electrolyte solution), and the lithium salt may be a known one which is soluble in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4, LiB 10 Cl 10 , LiPF 6, LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiPF 3 (CF 2 CF 3) 3, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylate lithium, lithium tetraphenylborate, imide, and the like, but not always limited thereto.
상기 (비수계) 전해액에는 충·방전 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, 에틸렌글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위해 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온보존 특성을 향상시키기 위해 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.The above (non-aqueous) electrolytic solution may contain, for the purpose of improving charge / discharge characteristics, flame retardancy, etc., for example, pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, n-glyme, Amide, nitrobenzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrroles, 2-methoxyethanol, . In some cases, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride, ethylene trifluoride or the like may be further added to impart nonflammability, or a carbon dioxide gas may be further added to improve high-temperature storage characteristics.
본 발명의 리튬 이차전지는 당 분야의 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 예를 들어, 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막을 넣고, 비수 전해액을 투입함으로써 제조할 수 있다.The lithium secondary battery of the present invention can be produced by a conventional method in the art. For example, a porous separator may be placed between the anode and the cathode, and a non-aqueous electrolyte may be added.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 고속 충·방전 사이클 조건에서 향상된 용량 특성(급격한 용량 저하 방지)을 나타낼 뿐만 아니라, 사이클 특성, 레이트(Rate) 특성 및 수명 특성이 우수한 바, 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지 셀에 적용됨은 물론, 중대형 디바이스의 전원인 전지모듈의 단위전지로 특히 적합하게 사용될 수 있다.The lithium secondary battery according to the present invention not only exhibits improved capacity characteristics (rapid capacity decrease prevention) under high-speed charge / discharge cycle conditions, but also excellent cycle characteristics, rate characteristics and life characteristics, The present invention can be suitably used as a unit cell of a battery module which is a power source of a medium and large-sized device.
이러한 측면에서, 본 발명은 또한 상기 리튬 이차전지 2개 이상이 전기적으로 연결(직렬 또는 병렬)되어 포함된 전지모듈을 제공한다. 상기 전지모듈에 포함되는 리튬 이차전지의 수량은 전지모듈의 용도 및 용량 등을 고려하여 다양하게 조절될 수 있음은 물론이다.In this respect, the present invention also provides a battery module in which two or more lithium secondary batteries are electrically connected (in series or in parallel). It is needless to say that the number of lithium secondary batteries included in the battery module may be variously controlled in consideration of the use and capacity of the battery module.
나아가, 본 발명은 당 분야의 통상적인 기술에 따라 상기 전지모듈을 전기적으로 연결한 전지팩을 제공한다.Further, the present invention provides a battery pack in which the battery module is electrically connected according to a conventional technique.
상기 전지모듈 및 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용가능하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The battery module and the battery pack may include a power tool; An electric vehicle including an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), and a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV); Electric truck; Electric commercial vehicle; Or a power storage system, but is not limited thereto.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the embodiments according to the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention.
<< 실시예Example >>
1. 탄소나노튜브(1. Carbon nanotubes ( CNTCNT ) 집합체가 분산된 바나듐 산화물 복합체) Aggregated vanadium oxide complex
1. 오산화 바나듐(V2O5) 분말 1g을 50mL의 30 wt%의 과산화수소(H2O2) 수용액에 교반하며 실온에서 24시간동안 보관하여 졸(Sol) 상태의 오산화 바나듐(V2O5)을 제조하였다.1. 1 g of vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) powder was stirred in 50 mL of an aqueous solution of 30 wt% hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and stored at room temperature for 24 hours to obtain vanadium pentoxide (V 2 O 5 ).
2. 번들 타입으로 응집된 단일벽 탄소나노튜브(CNT) 0.2g을 상기 제조된 졸(Sol) 상태의 오산화 바나듐(V2O5)에 혼합 후 1시간 동안 교반하였다.2. 0.2 g of the single-walled carbon nanotube (CNT) agglomerated as a bundle type was mixed with vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) in the prepared sol state and stirred for 1 hour.
3. 상기 혼합액을 실온에서 3시간 동안 수조식 초음파(Bath type sonication)로 세정하였다. 3. The mixed solution was washed with a bath type sonication at room temperature for 3 hours.
4. 상기 혼합액을 원심분리하고 워싱(Washing)한 후 70℃에서 수분을 제거하였다.4. The mixture was centrifuged and washed, and water was removed at 70 ° C.
5. 박스 가열로(Box furnace)를 이용하여 300℃에서 5시간 열처리하였다.5. Heat treatment at 300 ° C for 5 hours in a box furnace.
이렇게 제조된 바나듐 산화물 복합체를 도 1에 도시하였으며, 바나듐 산화물매트릭스(20) 내에 포함된 번들 타입의 탄소나노튜브 집합체(10)를 확인할 수 있다.The thus prepared vanadium oxide composite is shown in FIG. 1, and a bundle type
2. 양극 제조2. Anode manufacturing
상기 제조된 바나듐 산화물 복합체 90 중량%; 및 바인더로 PVDF 10 중량%;를 함께 NMP에 첨가하여 제조된 슬러리를 양극 집전체인 알루미늄(Al) 포일 위에 코팅하고 압연 및 건조하여 리튬 이차전지용 양극을 제조하였다. (로딩 = 1.5 mAh/㎠)90 wt% of the vanadium oxide composite prepared above; And 10 wt% of PVDF as a binder were added to NMP together, and the slurry thus prepared was coated on an aluminum foil as a positive current collector, followed by rolling and drying to prepare a positive electrode for a lithium secondary battery. (Loading = 1.5 mAh / cm 2)
3. 리튬 이차전지 제조3. Lithium secondary battery manufacturing
음극활물질로 Li metal foil을 사용하여 리튬 이차전지용 음극을 제조하였다. (로딩 = 30 mAh/㎠)A negative electrode for a lithium secondary battery was prepared using Li metal foil as an anode active material. (Loading = 30 mAh / cm 2)
상기와 같이 제조된 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 분리막을 개재하고, 리튬염 함유 비수계 전해액(1.0M의 LiPF6가 에틸렌카보네이트(EC) : 디메틸카보네이트(DMC) = 1 : 1의 부피비로 혼합된 유기 용매에 용해된 것)을 주입하여, 코인 셀(Coin cell) 타입 리튬 이차전지를 제조하였다.A lithium-salt-containing nonaqueous electrolyte solution (1.0 M LiPF 6 was mixed at a volume ratio of 1: 1 ethylene carbonate (EC): dimethyl carbonate (DMC)) in a volume ratio of 1: 1 with a porous polyethylene separator interposed between the prepared positive electrode and negative electrode. Dissolved in an organic solvent) was injected to prepare a coin cell type lithium secondary battery.
<< 비교예Comparative Example >>
양극활물질로서 오산화 바나듐(V2O5)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예와 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example except that vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) was used as the positive electrode active material.
<실험예><Experimental Example>
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬 이차전지에 대하여 방전 속도별로 용량 및 효율을 테스트(4.0 ~ 2.1V)하여, 그 결과를 하기 도 2에 나타내었다.The capacity and efficiency (4.0 to 2.1 V) of each lithium secondary battery prepared according to the above Examples and Comparative Examples were tested for each discharge speed. The results are shown in FIG.
도 2를 참고하면, 실시예에 따라 제조된 리튬 이차전지가 비교예에 따라 제조된 리튬 이차전지에 비해 사이클 진행에 따른 용량 유지율이 유의적으로 증가했으며, 효율 또한 개선된 것으로 나타났으며, 따라서 수명 특성이 향상된 것으로 확인되었다.Referring to FIG. 2, the capacity retention ratio of the lithium secondary battery manufactured according to the example was significantly increased as compared with the lithium secondary battery manufactured according to the comparative example, and the efficiency was also improved. Life characteristics were improved.
본 발명은 리튬 이차전지의 양극 재료의 분야에서 특히 유효하게 이용할 수 있다.The present invention can be effectively used particularly in the field of a cathode material of a lithium secondary battery.
10. 탄소나노튜브 집합체
20. 바나듐 산화물 매트릭스10. Carbon nanotube aggregate
20. The vanadium oxide matrix
Claims (11)
Wherein the carbon nanotube (CNT) aggregate is dispersed in a vanadium oxide matrix.
상기 탄소나노튜브 집합체는 번들 타입 형태인 것을 특징으로 하는 바나듐 산화물 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon nanotube aggregate is of a bundle type.
상기 탄소나노튜브 집합체는 다중벽 탄소나노튜브 형태인 것을 특징으로 하는 바나듐 산화물 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon nanotube aggregate is in the form of a multi-walled carbon nanotube.
상기 탄소나노튜브 집합체는 상기 바나듐 산화물 복합체 총 중량 기준 5 ~ 40 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 바나듐 산화물 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon nanotube aggregate comprises 5 to 40 wt% based on the total weight of the vanadium oxide composite.
상기 바나듐 산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극활물질.
[화학식 1] VaOb
(단, 상기 화학식에서 1 ≤ a ≤ 6 이고, 2 ≤ b ≤ 13 이다)
The method of claim 1, wherein
Wherein the vanadium oxide is represented by the following formula (1).
V a O b
(Provided that 1? A? 6 and 2? B? 13 in the above formula)
A positive electrode for a lithium secondary battery, comprising a vanadium oxide composite according to any one of claims 1 to 5 as a positive electrode active material.
상기 리튬 이차전지용 양극은 도전성 탄소 및 바인더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극.
The method according to claim 6,
The positive electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, further comprising conductive carbon and a binder.
A lithium secondary battery comprising the positive electrode for a lithium secondary battery according to claim 6.
ⅰ) 바나듐 산화물을 과산화 수소수(H2O2)에 첨가한 후, 교반하여 졸(Sol) 상태의 바나듐 산화물을 형성하는 단계;
ⅱ) 탄소나노튜브 집합체를 졸 상태의 바나듐 산화물과 혼합하여 함침시키는 단계;
ⅲ) 상기 ⅱ)의 혼합물을 초음파(Sonication) 처리하는 단계;
ⅳ) 상기 ⅲ)의 혼합물을 원심분리하여 워싱(Washing)하는 단계; 및
ⅴ) 상기 ⅳ)의 혼합물을 열처리하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 바나듐 산화물 복합체의 제조방법.
A method for producing a vanadium oxide composite,
I) adding vanadium oxide to hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and stirring to form a vanadium oxide in a sol state;
Ii) impregnating the carbon nanotube aggregate with vanadium oxide in a sol state;
Iii) subjecting the mixture of ii) to sonication;
Iv) centrifuging the mixture of iii) and washing; And
V) heat treating the mixture of iv);
≪ RTI ID = 0.0 > 1, < / RTI >
상기 ⅱ) 단계의 탄소나노튜브 집합체는 상기 바나듐 산화물 복합체 총 중량 기준 5 ~ 40 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 바나듐 산화물 복합체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the carbon nanotube aggregate in step (ii) is contained in an amount of 5 to 40 wt% based on the total weight of the vanadium oxide composite.
상기 ⅴ) 단계의 열처리는 150 ~ 600℃에서 3 ~ 24시간 가열하는 것을 특징으로 하는 바나듐 산화물 복합체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the heat treatment in the step (v) is performed at a temperature of 150 to 600 ° C for 3 to 24 hours.
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