KR20170122378A - A silicon electrode comprising guar gum and a method of manufacturing the same - Google Patents

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최정희
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Abstract

The present invention relates to a silicon electrode comprising guar gum and to a manufacturing method thereof, wherein the manufacturing method comprises the following steps: preparing slurry by mixing a binder composed of a polymer including an electrode active material, a conductive material, guar gum, and a carboxyl group with a solvent; applying the slurry to a metal current collector; and cross-linking the guar gum and the polymer applied to the metal current collector. Therefore, by forming a dense network structure through cross-linking between the guar gum and the polymer comprising the carboxyl group, a volume change of the electrode during charging and discharging of lithium ions can be reduced to obtain an effect of improving mechanical performance of the electrode.

Description

구아검을 포함하는 실리콘 전극 및 그 제조방법 {A silicon electrode comprising guar gum and a method of manufacturing the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a silicon electrode including guar gum and a method of manufacturing the same.

본 발명은 구아검을 포함하는 실리콘 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구아검과 카르복실기를 포함하는 폴리머의 가교결합을 통해 치밀한 그물구조를 형성하여 리튬 이온의 충,방전 동안 전극의 부피변화를 줄일 수 있어 전극의 기계적 성능이 향상되는 구아검을 포함하는 실리콘 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon electrode containing guar gum and a method for producing the same. More particularly, the present invention relates to a silicon electrode which comprises a guar gum and a polymer containing a carboxyl group to form a dense network structure, To a silicon electrode containing guar gum which can improve the mechanical performance of the electrode, and a method of manufacturing the same.

산업발전 및 생활수준 향상에 맞춰 휴대 전자기기의 소형화와 장시간 연속 사용을 목표로 부품의 경량화와 저소비 전력화에 대한 연구와 더불어 소형이면서 고용량을 실현할 수 있는 고성능 에너지 저장소자가 요구되고 있다. 이에 최근에는 리튬 이온 전지(Lithium ion battery, LIB)가 전기자동차, 전지전력 저장시스템 등 대용량 전력저장전지와 휴대전화, 캠코더, 노트북 등의 휴대전자기기 등과 같은 소형의 고성능 에너지원으로 사용되고 있다.In order to achieve miniaturization and long-term continuous use of portable electronic devices in accordance with the improvement of industrial development and living standards, there is a need for a lightweight and low power consumption part and a high performance energy storage device capable of realizing a compact and high capacity. Recently, a lithium ion battery (LIB) has been used as a small-sized, high-performance energy source such as an electric vehicle, a large-capacity power storage battery such as a battery power storage system, and a portable electronic device such as a mobile phone, a camcorder and a notebook.

특히, 리튬 이온 전지는 높은 에너지 밀도, 면적당 큰 용량, 낮은 자기방전율이 및 긴 수명의 장점을 가지고 있다. 또한, 메모리 효과가 없기 때문에 사용자가 사용하는 데 편리하며, 수명이 길다는 특성을 지니고 있다. 리튬 이온 전지의 구조는 리튬 이온을 삽입, 탈리 가능한 음극(Anode)과 양극(Cathode), 리튬염(Lithium salt) 및 비수계 전해액(Electrolyte)으로 구성되어 있다. 비수계 전해액을 사용하는 이유는 리튬(Li)이 물에 대해 반응성이 높아서 수계 전해액을 사용할 경우 안정하게 존재할 수 없기 때문이다. 이러한 리튬 이온 전지의 대표적인 양극활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등의 리튬 전이금속 화합물을 주로 사용하며, 이들 물질은 결정구조 내로 리튬이온이 삽입/탈리(intercalation/deintercalation)할 수 있다. 음극활물질은 리튬금속, 탄소 또는 흑연 등이 주로 사용되며 양극활물질과는 반대로 전기화학적 반응 전위가 낮다. 전해질은 주로 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트 등의 극성 유기용매에 LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2, LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiN(SO2C2F5)2 등의 리튬이온을 포함하는 염을 용해시켜 사용한다.In particular, lithium ion batteries have advantages of high energy density, large capacity per area, low self-discharge rate and long life. In addition, since there is no memory effect, it is convenient for the user to use and has a characteristic that the life is long. The structure of the lithium ion battery is composed of an anode and a cathode capable of inserting and removing lithium ions, a lithium salt and a non-aqueous electrolytic solution. The reason why the non-aqueous liquid electrolyte is used is that lithium (Li) is highly reactive with respect to water and can not exist stably when an aqueous electrolyte is used. Typical lithium-ion battery cathode active materials include lithium transition metal compounds such as LiCoO 2 , LiNiO 2 and LiMn 2 O 4 , and these materials can intercalate / deintercalate lithium ions into the crystal structure . Lithium metal, carbon or graphite is mainly used for the negative electrode active material. In contrast to the positive electrode active material, the electrochemical reaction potential is low. The electrolyte is mainly composed of LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiN ((LiPF 4 ) 2 ) in a polar organic solvent such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, SO 2 C 2 F 5 ) 2, and the like.

이러한 리튬 이온 전지는 현존의 최고성능을 가지는 이차 전지임에도 불구하고 전자기기 측면에서는 현재 성능보다 고성능의 이차 전지를 필요로 하고 있다. 리튬 이온 전지의 고성능화는 양극활물질과 음극활물질의 특성 향상이 중요한 역할을 점하고 있는 바, 고성능 음극활물질의 개발은 중요한 과제이며 특히 음극활물질은 비약적인 비용량의 향상이 진행되고 있다. 현재 개발되고 있는 음극활물질 중 대표적인 재료인 실리콘은 리튬 이온과 반응에 의해 4200mAh/g의 이론용량을 갖는 고용량 음극활물질 중 하나이다. 이러한 실리콘 음극활물질의 경우 강한 고분자 바인더와 함께 충,방전 사이클 동안 음극의 기계적 균열을 방지함으로서 전지의 전기화학적 성능을 조절한다. 하지만 실리콘 음극활물질의 경우 리튬 이온 충,방전 동안 기존 부피의 400% 이상의 극심한 부피팽창에 의해 음극활물질이 손실되는 등의 문제가 발생하며, 이로 인해 용량이 매우 빠르게 감소한다는 단점이 있다. Although such a lithium ion battery is a secondary battery having the highest performance, it requires a secondary battery having higher performance than the current performance in terms of electronic devices. Improvement in the performance of the lithium ion battery plays an important role in improving the properties of the positive electrode active material and the negative electrode active material, and development of a high performance negative electrode active material is an important task. Silicon, a representative material of the anode active materials currently being developed, is one of high capacity anode active materials having a theoretical capacity of 4200 mAh / g by reaction with lithium ions. Such a silicon anode active material, together with a strong polymeric binder, prevents the mechanical cracking of the cathode during charging and discharging cycles, thereby regulating the electrochemical performance of the battery. However, in the case of a silicon anode active material, there is a disadvantage that the capacity is reduced very quickly due to loss of the anode active material due to extreme volume expansion of 400% or more of the existing volume during lithium ion charging and discharging.

이와 같은 음극활물질의 부피팽창을 억제하기 위해 최근에는 '대한민국특허청 공개특허 제10-2012-0136131호'와 같이 음극활물질의 표면에 코팅층을 형성하는 시도가 이루어지고 있다. 하지만 이러한 시도는 공정이 복잡하고 제조비용이 증가하여 리튬 이온 전지의 단가를 상승시킨다는 문제점이 있다.In recent years, attempts have been made to form a coating layer on the surface of an anode active material as in Korean Patent No. 10-2012-0136131 in order to suppress the volume expansion of the anode active material. However, such an attempt tends to complicate the process and increase the manufacturing cost, thereby raising the unit price of the lithium ion battery.

대한민국특허청 공개특허 제10-2012-0136131호Korean Patent Application Publication No. 10-2012-0136131 대한민국특허청 공개특허 제10-2014-0134954호Korean Patent Application Publication No. 10-2014-0134954 대한민국특허청 공개특허 제10-2016-0037334호Korean Patent Application Publication No. 10-2016-0037334

따라서 본 발명의 목적은 구아검과 카르복실기를 포함하는 폴리머의 가교결합을 통해 치밀한 그물구조를 형성하여 리튬 이온의 충,방전 동안 전극의 부피변화를 줄일 수 있어 전극의 기계적 성능이 향상되는 구아검을 포함하는 실리콘 전극 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a lithium ion battery, which comprises forming a dense net structure through cross-linking of a polymer containing guar gum and a carboxyl group to reduce the volume change of the electrode during charging and discharging lithium ions, And a method of manufacturing the same.

상기한 목적은, 전극활물질, 도전재, 구아검 및 카르복실기를 포함하는 폴리머로 이루어진 바인더를 용매에 혼합시켜 슬러리를 제조하는 단계와; 상기 슬러리를 금속집전체에 도포하는 단계와; 상기 금속집전체에 도포된 상기 구아검 및 상기 폴리머를 가교결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구아검을 포함하는 실리콘 전극 제조방법에 의해 달성된다.The above object can be accomplished by a method for producing a slurry by mixing a binder comprising a polymer comprising an electrode active material, a conductive material, a guar gum and a carboxyl group in a solvent; Applying the slurry to a metal current collector; And a step of cross-linking the guar gum and the polymer applied to the metal current collector.

여기서, 상기 슬러리를 제조하는 단계는, 상기 구아검 및 상기 폴리머는 1:1 내지 1:4 중량비로 혼합되며, 상기 구아검 및 상기 폴리머를 가교결합시키는 단계는, 상기 구아검의 하이드록시기(-OH)와 상기 폴리머의 카르복실기(-COOH)가 가교결합되어 가교바인더를 형성하는 것이 바람직하다.In the step of preparing the slurry, the guar gum and the polymer are mixed at a weight ratio of 1: 1 to 1: 4, and the step of cross-linking the guar gum and the polymer comprises mixing the hydroxy group -OH) and the carboxyl group (-COOH) of the polymer are crosslinked to form a crosslinking binder.

또한, 상기 구아검 및 상기 폴리머를 가교결합시키는 단계는, 상기 금속집전체를 80 내지 110℃에서 가열하여 상기 용매를 건조하는 단계와; 가열 온도를 130 내지 170℃로 상승시켜 진공 분위기 하에서 상기 금속집전체 내의 상기 구아검 및 상기 폴리머를 가교결합시켜 가교바인더를 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.The step of cross-linking the guar gum and the polymer may include heating the metal current collector at 80 to 110 ° C to dry the solvent; And raising the heating temperature to 130 to 170 DEG C to crosslink the guar gum and the polymer in the metal current collector in a vacuum atmosphere to form a crosslinking binder.

상기 폴리머는, 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리말레산(polymaleic acid), 폴리메타크릴산(polymethacrylic acid), 폴리프로필아크릴산(polypropylacrylic acid), 폴리아크릴산-폴리말레산 코폴리머(poly(acrylic acid-co-maleic acid)) 및 이의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.The polymer may be selected from the group consisting of polyacrylic acid, polymaleic acid, polymethacrylic acid, polypropylacrylic acid, polyacrylic acid- co-maleic acid) and mixtures thereof.

상기 도전재는 카본블랙(carbon black), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT), 탄소나노섬유(carbon nano fiber, CNF), 활성탄(activated carbon), 그라파이트(graphite), 그래핀(graphene), 소프트카본(soft carbon), 하드카본(hard carbon), 변형탄소(modified carbon), 탄소복합소재(carbon composite) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 금속집전체는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 철(Fe), 몰리브덴(Mo) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.The conductive material may be at least one selected from the group consisting of carbon black, carbon nano tube (CNT), carbon nano fiber (CNF), activated carbon, graphite, graphene, Wherein the metal current collector is selected from the group consisting of soft carbon, hard carbon, modified carbon, carbon composite, and mixtures thereof, and the metal current collector is selected from the group consisting of copper (Cu), aluminum ), Platinum (Pt), gold (Au), nickel (Ni), titanium (Ti), iron (Fe), molybdenum (Mo), and mixtures thereof.

상기한 목적은 또한, 전극활물질, 도전재, 구아검 및 카르복실기를 포함하는 폴리머로 이루어진 바인더를 용매에 혼합시켜 슬러리를 금속집전체에 도포하고, 상기 금속집전체에 도포된 상기 구아검 및 상기 폴리머를 가교결합시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 구아검을 포함하는 실리콘 전극에 의해서도 달성된다.The above-mentioned object can also be achieved by a method for producing a conductive paste, which comprises mixing a binder composed of a polymer containing an electrode active material, a conductive material, a guar gum and a carboxyl group in a solvent to apply a slurry to a metal current collector, Is cross-linked with the silicon electrode.

상술한 본 발명의 구성에 따르면 구아검과 카르복실기를 포함하는 폴리머의 가교결합을 통해 치밀한 그물구조를 형성하여 리튬 이온의 충,방전 동안 전극의 부피변화를 줄일 수 있어 전극의 기계적 성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.According to the structure of the present invention described above, it is possible to reduce the volume change of the electrode during charge and discharge of lithium ions by forming a dense net structure through crosslinking of the polymer containing guar gum and carboxyl group, thereby improving the mechanical performance of the electrode Can be obtained.

도 1은 본 발명에 따른 구아검을 포함하는 실리콘 전극 제조방법의 순서도이고,
도 2는 구아검 및 카르복실기를 포함하는 폴리머의 가교결합을 나타내는 상태도이고,
도 3은 바인더의 종류에 따른 전지 용량유지율을 측정한 그래프이고,
도 4는 가교결합된 폴리아크릴산-구아검 바인더의 혼합 중량비에 따른 용량유지율을 측정한 그래프이다.
1 is a flowchart of a method of manufacturing a silicon electrode including guar gum according to the present invention,
2 is a state diagram showing cross-linking of a polymer containing guar gum and a carboxyl group,
3 is a graph showing the battery capacity retention rate according to the type of the binder,
4 is a graph showing the capacity retention rate according to the mixing weight ratio of the cross-linked polyacrylic acid-guar gum binder.

이하 본 발명의 실시예에 따른 구아검을 포함하는 실리콘 전극 및 그 제조방법을 도면을 통해 상세히 설명한다.Hereinafter, a silicon electrode including guar gum according to an embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the drawings.

도 1에 도시된 바와 같이 먼저 슬러리를 제조한다(S1).First, as shown in FIG. 1, a slurry is prepared (S1).

실리콘 전극을 형성하기 위해 제조되는 슬러리는 전극활물질, 도전재 및 바인더를 용매에 투입한 후 이를 균일하게 혼합되도록 교반을 수행하여 제조된다. 여기서 용매는 바인더를 용해시킬 수 있어야 하고, 또한 활물질과 도전재가 원활하게 혼합되어 분산될 수 있는 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 가장 바람직한 용매는 물, 증류수 또는 n-메틸 피롤리돈(n-methyl-2-pyrrolidonem NMP)이 될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.The slurry prepared for forming the silicon electrode is prepared by putting the electrode active material, the conductive material and the binder into a solvent and then performing stirring so as to uniformly mix the same. Here, it is preferable that the solvent should be capable of dissolving the binder, and that the active material and the conductive material can be smoothly mixed and dispersed. The most preferred solvent can be, but is not limited to, water, distilled water or n-methyl-2-pyrrolidonem NMP.

전극활물질은 실리콘 또는 실리콘합금으로 이루어진 것으로 음극활물질 및 양극활물질 어디에도 적용가능하나 실리콘을 포함하는 전극활물질의 경우 일반적으로 음극활물질에 적용된다. 실리콘을 포함하는 전극활물질을 구성할 경우 리튬 이온과 반응에 의해 4200mAh/g의 이론용량을 갖는 고용량 음극활물질이 될 수 있다. 경우에 따라서 실리콘 또는 실리콘합금에 탄소소재를 추가하여 전극활물질을 형성할 수도 있다.The electrode active material is made of silicon or a silicon alloy and can be applied to both the negative electrode active material and the positive electrode active material, but in the case of the electrode active material including silicon, it is generally applied to the negative electrode active material. When constituting an electrode active material containing silicon, it can be a high capacity anode active material having a theoretical capacity of 4200 mAh / g by reaction with lithium ions. In some cases, a carbon material may be added to silicon or a silicon alloy to form an electrode active material.

도전재는 전극을 구성하는 기본 물질 중 하나로서 전극활물질 입자간 또는 금속 집전체와의 전도도 향상을 위해 소량 첨가되는 미세분말 탄소로서, 첨가되는 종류에 따라 전극의 전도성이 달라지게 된다. 이러한 도전재는 카본블랙(carbon black), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT), 탄소나노섬유(carbon nano fiber, CNF), 활성탄(activated carbon), 그라파이트(graphite), 그래핀(graphene), 소프트카본(soft carbon), 하드카본(hard carbon), 변형탄소(modified carbon), 탄소복합소재(carbon composite) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.The conductive material is one of the basic materials constituting the electrodes, and is a fine powdered carbon added in small quantities to improve the conductivity between the electrode active material particles or the metal current collector. The conductivity of the electrode varies depending on the kind of the conductive material. The conductive material may be selected from the group consisting of carbon black, carbon nano tube (CNT), carbon nano fiber (CNF), activated carbon, graphite, graphene, soft It is preferably selected from the group consisting of soft carbon, hard carbon, modified carbon, carbon composite, and mixtures thereof.

본 발명의 바인더는 실리콘 전극이 충,방전을 반복하는 동안 실리콘의 부피팽창에 따라 리튬 이온 전지의 사이클 특성이 저하되는 것을 방지하기 위한 바인더를 사용한다. 이러한 본 발명의 바인더는 구아검 및 카르복실기(-COOH)를 포함하는 폴리머의 가교결합(crosslinking)이 가능한 바인더를 사용한다. 구아검(guar gum, GG)은 cyamopsis tetragonolobus의 종자에서 얻어진 다당류로서 비교적 선형구조를 가지고 있다. 또한 분자 내에 극성이 큰 하이드록실기(-OH)를 다수 포함하고 있으며, 리튬 이온에 대해 전도성이 있다고 알려져 있다. The binder of the present invention uses a binder to prevent the cycle characteristics of the lithium ion battery from deteriorating due to the volume expansion of silicon while the silicon electrode is repeatedly charged and discharged. The binder of the present invention uses a binder capable of cross-linking a polymer containing guar gum and a carboxyl group (-COOH). Guar gum (GG) is a polysaccharide obtained from seeds of cyamopsis tetragonolobus and has a relatively linear structure. It also contains a large number of hydroxyl groups (-OH) with high polarity in the molecule and is known to be conductive to lithium ions.

여기서 카르복실기를 포함하는 폴리머는 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리말레산(polymaleic acid), 폴리메타크릴산(polymethacrylic acid), 폴리프로필아크릴산(polypropylacrylic acid), 폴리아크릴산-폴리말레산 코폴리머(poly(acrylic acid-co-maleic acid)) 및 이의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.Herein, the polymer containing a carboxyl group may be selected from the group consisting of polyacrylic acid, polymaleic acid, polymethacrylic acid, polypropylacrylic acid, polyacrylic acid-poly maleic acid copolymer acrylic acid-co-maleic acid) and mixtures thereof.

본 발명에서 활물질, 도전재 및 바인더의 중량부는 각각 활물질이 90중량부 이상, 도전재가 5중량부 미만, 바인더가 5중량부 미만 혼합되는 것이 바람직하다. 활물질의 경우 90중량부 미만일 경우 전지의 에너지 밀도가 낮아지기 때문에 전지에 적용하기 적합하지 않다. 또한 도전재가 5중량부를 초과할 경우 전지 수명 특성이 줄어든다는 문제가 생기며, 바인더가 5중량부를 초과할 경우 그 만큼 활물질 및 도전재의 함량이 낮아져 전지 특성이 감소하게 된다. 가장 바람직한 활물질, 도전재, 및 바인더의 중량비는 96.9 : 0.1 : 3이다.In the present invention, it is preferable that the active material, the conductive material and the binder are mixed in an amount of 90 parts by weight or more, 5 parts by weight or less of the conductive material and 5 parts by weight or less of the binder, respectively. When the active material is used in an amount of less than 90 parts by weight, the energy density of the battery is lowered, which is not suitable for battery applications. When the conductive material is more than 5 parts by weight, there is a problem that the battery life characteristic is reduced. When the binder is more than 5 parts by weight, the content of the active material and the conductive material is lowered to thereby decrease the battery characteristics. The weight ratio of the most preferable active material, conductive material, and binder is 96.9: 0.1: 3.

슬러리를 금속집전체에 도포한다(S2).The slurry is applied to the metal current collector (S2).

전도도를 갖는 금속집전체의 상부에 전극활물질, 도전재, 바인더 및 용매의 혼합으로 이루어진 슬러리를 도포한다. 여기서 금속집전체는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 철(Fe), 몰리브덴(Mo) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 또한 금속집전체에 도포되는 슬러리의 경우 구아검과 카르복실기를 포함하는 폴리머의 혼합비가 1:1 내지 1:4 중량비인 것을 사용하는데, 혼합비가 1:1로부터 구아검의 양이 늘어날 경우 카르복실기의 양이 부족하여 잔존하는 하이드록시기가 생길 수 있으며 이는 전해액과 반응하여 전지 수명에 좋지 않은 영향을 끼친다. 또한 혼합비가 1:4로부터 카르복실기를 포함하는 폴리머가 늘어날 경우 그만큼 구아검의 함유량이 줄어 치밀한 그물구조를 형성하기에 충분하지 못하다는 문제가 있다. 따라서 구아검과 카르복실기를 포함하는 폴리머의 혼합비는 1:1 내지 1:4 중량비가 가장 바람직하다.A slurry composed of a mixture of an electrode active material, a conductive material, a binder and a solvent is applied to an upper portion of the metal current collector having conductivity. Here, the metal current collector is made of copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt), gold (Au), nickel (Ni), titanium (Ti), iron (Fe), molybdenum . ≪ / RTI > In the case of a slurry applied to a metal current collector, a mixture of guar gum and a polymer containing a carboxyl group is used in a weight ratio of 1: 1 to 1: 4. When the amount of guar gum is increased from 1: 1, May result in a residual hydroxy group, which reacts with the electrolyte and adversely affects battery life. Also, when the mixing ratio of the polymer containing carboxyl groups is increased from 1: 4, there is a problem that the content of guar gum is not sufficient enough to form a dense net structure. Therefore, the mixing ratio of the guar gum and the polymer containing a carboxyl group is most preferably 1: 1 to 1: 4 by weight.

슬러리가 도포된 금속집전체를 건조 및 구아검과 카르복실기를 포함하는 폴리머를 가교결합한다(S3).The slurry-coated metal current collector is dried and cross-linked with a polymer including a guar gum and a carboxyl group (S3).

슬러리가 도포된 금속집전체를 건조기를 통해 가열하여 먼저 슬러리 내에 존재하는 용매를 건조시킨다. 이때 가열 온도는 80 내지 110℃인 것이 바람직한데, 80℃ 미만일 경우 용매가 건조되지 않으며, 110℃ 미만일 경우 일부 구아검 및 폴리머의 가교결합이 일어날 수 있다. 가교결합의 경우 진공 분위기 하에서 행해져야 하기 때문에 용매를 건조하는 단계에서는 110℃를 초과하는 온도로 가열하지 않아야 한다. 그 후 가열 온도를 증가시켜 슬러리 내의 구아검 및 폴리머를 가교결합하여 가교바인더(crosslinking binder)를 형성하도록 한다. 이때 가열 온도를 130 내지 170℃로 증가시키며, 진공 분위기 하에서 가교결합이 이루어지는 것이 바람직하다. 130℃ 미만에서는 완벽한 가교결합이 이루어지지 않고 일부 가교결합되지 않는 구아검 및 폴리머가 잔존하게 되며, 170℃ 이상일 경우 높은 온도로 인해 부 반응이 일어날 우려가 있다.The slurry-coated metal current collector is first heated through a drier to dry the solvent present in the slurry. In this case, the heating temperature is preferably 80 to 110 ° C. If the temperature is lower than 80 ° C., the solvent is not dried. If the temperature is lower than 110 ° C., crosslinking of some guar gum and polymer may occur. In the case of cross-linking, the solvent should not be heated to a temperature exceeding 110 占 폚 in the step of drying the solvent since it must be carried out under a vacuum atmosphere. The heating temperature is then increased to crosslink the guar gum and polymer in the slurry to form a crosslinking binder. At this time, it is preferable that the heating temperature is increased to 130 to 170 ° C and crosslinking is performed in a vacuum atmosphere. When the temperature is less than 130 ° C, complete crosslinking is not effected and some crosslinked guar gum and polymer remain. When the temperature is higher than 170 ° C, adverse reaction may occur due to high temperature.

구아검과 유사한 구조로 이루어지며 현재 바인더로 연구되고 있는 카르복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose, CMC), 알지네이트(alginate), 잔탄검(xanthan gum) 등과 같은 경우에는 하이드록실기(-OH) 뿐만 아니라 카르복실기(-COOH)를 함께 포함하고 있다. 메틸셀룰로오스, 알지네이트, 잔탄검 등의 경우 복잡한 구조 및 카르복실기를 포함하고 있어 이 구조들끼리 서로 엉켜 복잡한 그물구조가 이루어지도록 하며, 이를 통해 부피팽창을 억제한다는 취지로 연구되고 있다. 좀 더 상세히 설명하면 메틸셀룰로오스, 알지네이트, 잔탄검에 포함된 하이드록실기와 폴리머에 포함된 카르복실기가 결합하게 되면 하나의 물이 생성되면서 탈수축합반응에 의해 하이드록실기와 카르복실기가 에스테르(-COO-) 가교결합을 하게 된다. 이와 같은 과정을 통해 바인더가 치밀한 그물구조를 형성하여 전극의 부피팽창을 억제하고자 한다.In the case of carboxymethyl cellulose (CMC), alginate, xanthan gum, etc., which are made of a structure similar to guar gum and currently being studied as a binder, not only a hydroxyl group (-OH) but also a carboxyl group -COOH). Methyl cellulose, alginate, xanthan gum, etc., contain complex structures and carboxyl groups, and these structures are intertwined to each other to form a complicated net structure, thereby suppressing volume expansion. More specifically, when a hydroxyl group contained in methyl cellulose, alginate or xanthan gum is combined with a carboxyl group contained in the polymer, a water is formed and a hydroxyl group and a carboxyl group are esterified (-COO- ) Cross-linking. Through such a process, the binder forms a dense net structure to suppress the volume expansion of the electrode.

이에 비해 구아검은 카르복실기를 포함하지 않고 오직 하이드록실기만 포함하고 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 구아검의 하이드록실기가 폴리머의 카르복실기와 가교결합하여 가교바인더가 된다. 구아검을 통해 형성되는 본 발명의 가교바인더는 종래에 연구되는 메틸셀룰로오스, 알지네이트 및 잔탄검에 비해 부피팽창을 억제하는 정도가 크며, 이로 인해 전극의 성능을 향상시킬 수 있다. 이는 구아검이 하이드록실기는 포함하고 있으나, 메틸셀룰로오스, 알지네이트 및 잔탄검과 같이 카르복실기는 포함하고 있지 않은 구조로 이루어져 있기 때문에 가능하다. 구아검의 경우 하이드록실기만 포함하고 있기 때문에 구아검끼리 결합하는 일이 발생하지 않으며, 구아검의 전량이 폴리머와 가교결합하여 치밀한 그물구조를 형성한다. 이에 비해 메틸셀룰로오스, 알지네이트 및 잔탄검은 하이드록실기 뿐 아니라 하이드록실기와 반응하는 카르복실기도 함께 포함하고 있기 때문에 전량이 폴리머와 가교결합하지 않고 일부 자기들끼리 결합하는 문제가 생긴다. 따라서 카르복실기를 포함할 경우 사용되는 양에 비해 부피팽창 억제 효과가 조금 떨어진다는 단점이 있다. 뿐만 아니라 카르복실기는 실리콘과도 반응이 이루어지기 때문에 전극활물질로 사용되는 실리콘과 일부 결합하여 폴리머의 가교결합이 일어나지 않는 문제가 발생할 수 있다. 이 경우 치밀한 그물구조를 형성하기 어려워 부피팽창을 억제하기 용이하지 않다.On the other hand, it does not contain a guar black carboxyl group but contains only a hydroxyl group. As shown in FIG. 2, the hydroxyl group of guar gum crosslinks with the carboxyl group of the polymer to form a crosslinked binder. The crosslinked binder of the present invention formed through guar gum has a greater degree of suppression of volume expansion than methyl cellulose, alginate and xanthan gum which have been studied in the past, thereby improving the performance of the electrode. This is possible because guar gum contains a hydroxyl group but does not contain a carboxyl group such as methyl cellulose, alginate and xanthan gum. Since guar gum contains only hydroxyl groups, there is no binding between guar gums, and the whole amount of guar gum crosslinks with the polymer to form a dense net structure. On the other hand, since not only methyl cellulose, alginate and xanthan gum black hydroxyl groups but also carboxyl groups reacting with hydroxyl groups are included together, there arises a problem that some of them are not entirely crosslinked with the polymer and some of them are bonded to each other. Therefore, when a carboxyl group is contained, the effect of inhibiting the volume expansion is somewhat less than the amount used. In addition, since the carboxyl group is also reacted with silicon, a problem may occur that the polymer is partially crosslinked with silicon used as an electrode active material, thereby preventing cross-linking of the polymer. In this case, it is difficult to form a dense net structure, and it is not easy to suppress the volume expansion.

또한 구아검은 다른 분자들에 비해 복잡하지 않고 가지가 많이 형성되지 않은 선형 구조(linear structure)로 형성되는데, 선형구조로 형성될 경우 하이드록실기가 폴리머의 카르복실기와 결합하기 용이하기 때문에 가교결합에 유리하다. 선형 구조가 아닌 복잡한 구조로 형성될 경우 서로 뭉쳐져 있기 때문에 하이드록실기와 카르복실기가 서로 만나기 용이하지 못하며, 이로 인해 가교결합에 어려움이 있다. 따라서 선형 구조로 이루어진 구아검을 바인더에 적용하기 가장 적합하다.In addition, guar black is formed as a linear structure which is not complicated and has less branching than other molecules, and when formed into a linear structure, the hydroxyl group easily binds to the carboxyl group of the polymer, Do. When formed into a complex structure rather than a linear structure, the hydroxyl group and the carboxyl group are difficult to meet with each other because of the fact that they are clustered together, which makes it difficult to cross-link. Therefore, it is most suitable to apply guar gum having a linear structure to a binder.

이하에서는 본 발명의 실시예를 좀 더 명확하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described more clearly.

<실시예><Examples>

음극활물질로서 그라파이트(graphite)와 실리콘합금의 혼합물을 사용하고, 도전재로서 탄소나노튜브(carbon nano tube)를 사용하며, 바인더로서 구아검(guar gum) 및 폴리아크릴산(polyacylic acid)을 1:1 중량비로 넣어 n-메틸 피롤리돈(n-methyl-2-pyrrolidone)을 용매로 하는 슬러리를 제조한다. 이때 활물질 : 도전재 : 바인더의 중량비는 96.9 : 0.1 : 3이 되도록 한다.A mixture of graphite and a silicon alloy is used as a negative electrode active material, a carbon nano tube is used as a conductive material, and guar gum and polyacylic acid are mixed in a ratio of 1: 1 By weight to prepare a slurry containing n-methyl-2-pyrrolidone as a solvent. At this time, the weight ratio of active material: conductive material: binder is 96.9: 0.1: 3.

이러한 중량비로 혼합된 상태의 슬러리를 금속집전체가 되는 구리(Cu) 호일의 상부에 코팅한 후, 100℃에서 가열하여 슬러리 내의 용매를 건조한다. 그리고 다시 150℃의 진공 분위기 하에서 2시간 동안 가열을 통해 구아검 및 폴리아크릴산 바인더가 가교결합을 형성할 수 있도록 한다.The slurry in a mixed state at this weight ratio is coated on top of a copper (Cu) foil to be a metal current collector, and then heated at 100 DEG C to dry the solvent in the slurry. Then, the mixture is heated again in a vacuum atmosphere at 150 ° C for 2 hours so that the guar gum and the polyacrylic acid binder can form cross-linking.

만들어진 전극은 리튬 금속 호일을 상대전극으로 하는 코인셀 반쪽전지로 조립하여 0.005 내지 1.5V 전위창에서 충,방전 시험을 진행하였다. 비교예로서는 구아검을 대신하여 카르복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose, CMC), 알지네이트(alginate), 잔탄검(xanthan gum)을 각각 1:1 중량비로 넣어 폴리아크릴산과 가교결합을 진행하여 형성되는 가교바인더를 사용한 전극을 제조하였다. 또한 카르복시메틸셀룰로오스와 스티렌 부타디엔 고무(styrene butadiene rubber, SBR)가 가교결합을 하지 않고 혼합만 된 상태의 바인더를 사용하여 전극을 제조하고 이를 각각 테스트해 보았다.The prepared electrode was assembled into a coin cell half cell having a lithium metal foil as a counter electrode, and charge and discharge tests were conducted at a potential window of 0.005 to 1.5V. As a comparative example, in place of guar gum, carboxymethyl cellulose (CMC), alginate and xanthan gum were added at a weight ratio of 1: 1, respectively, and crosslinked with polyacrylic acid, . In addition, the electrode was manufactured using a binder in which carboxymethylcellulose and styrene butadiene rubber (SBR) were mixed only without cross-linking, and tested.

도 3은 실시예 및 비교예를 전극으로 형성하여 100사이클(cycle) 후 전지의 용량유지율을 확인한 그래프로, 가교결합하지 않고 혼합만 된 상태의 스티렌 부타디엔 고무-카르복시메틸셀룰로오스(SBR-CMC)의 경우 용량유지율이 11.5%이며, 가교결합된 폴리아크릴산-카르복시메틸셀룰로오스(c-PAA-CMC)의 경우 용량유지율이 15.8%인 것을 확인할 수 있다. 또한 가교결합된 폴리아크릴산-구아검(c-PAA-GG)의 경우 용량유지율이 37.9%로 매우 높은 것을 확인할 수 있으며, 가교결합된 폴리아크릴산-알지네이트(c-PAA-Alg) 및 가교결합된 폴리아크릴산-잔탄검(c-PAA-XG)의 경우 각각 용량유지율이 28.6% 및 30.4%로 높은 편이기는 하지만 구아검에 비해서는 낮은 것을 확인할 수 있다.FIG. 3 is a graph showing the capacity retention rate of the battery after 100 cycles after the electrodes and the electrodes of the examples and the comparative examples are formed. FIG. 3 is a graph showing the capacity retention rate of the battery after styrene butadiene rubber-carboxymethyl cellulose (SBR-CMC) , The capacity retention rate was 11.5%, and the capacity retention ratio of the cross-linked polyacrylic acid-carboxymethyl cellulose (c-PAA-CMC) was found to be 15.8%. (C-PAA-GG) exhibited a very high capacity retention ratio of 37.9%, and the cross-linked polyacrylic acid-alginate (c-PAA-Alg) and cross- The retention capacity of acrylic acid-xanthan gum (c-PAA-XG) was 28.6% and 30.4%, respectively, but it was lower than that of guar gum.

도 4는 본 발명에 따른 가교결합된 폴리아크릴산-구아검(c-PAA-GG) 중 폴리아크릴산과 구아검의 중량비에 따른 영향을 확인하는 그래프이다. 바인더로서 c-PAA-GG를 1:1, 1.5:1, 2:1, 3:1 및 4:1로 혼합하여 가교한 후, 이를 전극으로 제조고 100사이클 후 용량유지율을 확인한 결과이다. 가교결합하지 않고 단일로 폴리아크릴산 및 구아검을 각각 확인한 결과는 용량유지율이 23.1% 및 15.7%로 낮게 나오는 것을 확인할 수 있다. FIG. 4 is a graph showing the effect of the weight ratio of polyacrylic acid and guar gum in the cross-linked polyacrylic acid-guar gum (c-PAA-GG) according to the present invention. C-PAA-GG as a binder were mixed at 1: 1, 1.5: 1, 2: 1, 3: 1 and 4: 1 and crosslinked. As a result of confirming the polyacrylic acid and guar gum as a single without cross-linking, it can be confirmed that the capacity retention ratio is as low as 23.1% and 15.7%.

또한 1:1중량비로 혼합될 경우 용량유지율은 37.9%, 1.5:1중량비로 혼합될 경우는 54.1%, 2:1중량비로 혼합될 경우 49.4%, 3:1로 혼합될 경우 39.3%, 4:1중량비로 혼합될 경우 42.8%의 용량유지율을 확인할 수 있다. 따라서 폴리아크릴산과 구아검을 가교결합한 바인더를 사용할 경우 용량유지율이 우수한 것을 알 수 있으며, 특히 폴리아크릴산:구아검의 중량비가 1.5:1인 경우 가장 우수한 것을 알 수 있다. 이는 구아검이 잔존하지 않으면서 폴리아크릴산과 가교결합되는 최적의 비율인 것을 예측할 수 있다.When the mixture was mixed at a weight ratio of 1: 1, the capacity retention rate was 37.9%. When the mixture was mixed at a weight ratio of 1.5: 1, 54.1%, 49.4% 1, the capacity retention rate of 42.8% can be confirmed. Therefore, it is found that the capacity retention ratio is excellent when a binder obtained by crosslinking polyacrylic acid and guar gum is used. In particular, it can be seen that the weight ratio of polyacrylic acid: guar gum is the most excellent when the weight ratio is 1.5: 1. It can be predicted that this is the optimum ratio of crosslinking with polyacrylic acid without leaving guar gum.

즉, 구아검의 경우 종래에 연구되는 메틸셀룰로오스, 알지네이트 및 잔탄검과 달리 카르복실기를 포함하지 않으며 오직 하이드록시기만 포함하기 때문에 종래에 비해 부피팽창을 억제하는 정도가 크며, 구아검과 카르복실기를 포함하는 폴리머의 가교결합을 통해 치밀한 그물구조를 형성하여 리튬 이온의 충,방전 동안 전극의 부피변화를 줄일 수 있어 전극의 기계적 성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.That is, unlike the methyl cellulose, alginate and xanthan gum which have been studied in the prior art, guar gum does not contain a carboxyl group but contains only a hydroxy group, so that the degree of volume expansion is largely suppressed, Polymer network to form a dense net structure, thereby reducing the volume change of the electrode during the charging and discharging of lithium ions, thereby improving the mechanical performance of the electrode.

Claims (8)

전극활물질, 도전재, 구아검 및 카르복실기를 포함하는 폴리머로 이루어진 바인더를 용매에 혼합시켜 슬러리를 제조하는 단계와;
상기 슬러리를 금속집전체에 도포하는 단계와;
상기 금속집전체에 도포된 상기 구아검 및 상기 폴리머를 가교결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구아검을 포함하는 실리콘 전극 제조방법.
Preparing a slurry by mixing a binder composed of a polymer including an electrode active material, a conductive material, a guar gum, and a carboxyl group in a solvent;
Applying the slurry to a metal current collector;
And cross-linking the guar gum and the polymer applied to the metal current collector.
제1항에 있어서,
상기 슬러리를 제조하는 단계는,
상기 구아검 및 상기 폴리머는 1:1 내지 1:4 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 구아검을 포함하는 실리콘 전극 제조방법.
The method according to claim 1,
The step of preparing the slurry may comprise:
Wherein the guar gum and the polymer are mixed in a weight ratio of 1: 1 to 1: 4.
제 1항에 있어서,
상기 구아검 및 상기 폴리머를 가교결합시키는 단계는,
상기 구아검의 하이드록시기(-OH)와 상기 폴리머의 카르복실기(-COOH)가 가교결합되어 가교바인더를 형성하는 것을 특징으로 하는 구아검을 포함하는 실리콘 전극 제조방법.
The method according to claim 1,
The step of cross-linking the guar gum and the polymer comprises:
Wherein the hydroxy group (-OH) of the guar gum is cross-linked with the carboxyl group (-COOH) of the polymer to form a crosslinking binder.
제 1항에 있어서,
상기 구아검 및 상기 폴리머를 가교결합시키는 단계는,
상기 금속집전체를 80 내지 110℃에서 가열하여 상기 용매를 건조하는 단계와;
가열 온도를 130 내지 170℃로 상승시켜 진공 분위기 하에서 상기 금속집전체 내의 상기 구아검 및 상기 폴리머를 가교결합시켜 가교바인더를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구아검을 포함하는 실리콘 전극 제조방법.
The method according to claim 1,
The step of cross-linking the guar gum and the polymer comprises:
Heating the metal current collector at 80 to 110 DEG C to dry the solvent;
And raising the heating temperature to 130 to 170 占 폚 to crosslink the guar gum and the polymer in the metal current collector in a vacuum atmosphere to form a crosslinking binder.
제 1항에 있어서,
상기 폴리머는,
폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리말레산(polymaleic acid), 폴리메타크릴산(polymethacrylic acid), 폴리프로필아크릴산(polypropylacrylic acid), 폴리아크릴산-폴리말레산 코폴리머(poly(acrylic acid-co-maleic acid)) 및 이의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 구아검을 포함하는 실리콘 전극 제조방법.
The method according to claim 1,
Preferably,
Polyacrylic acid, polymaleic acid, polymethacrylic acid, polypropylacrylic acid, poly (acrylic acid-co-maleic acid) ), And mixtures thereof. &Lt; Desc / Clms Page number 19 &gt;
제 1항에 있어서,
상기 도전재는 카본블랙(carbon black), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT), 탄소나노섬유(carbon nano fiber, CNF), 활성탄(activated carbon), 그라파이트(graphite), 그래핀(graphene), 소프트카본(soft carbon), 하드카본(hard carbon), 변형탄소(modified carbon), 탄소복합소재(carbon composite) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 구아검을 포함하는 실리콘 전극 제조방법.
The method according to claim 1,
The conductive material may be at least one selected from the group consisting of carbon black, carbon nano tube (CNT), carbon nano fiber (CNF), activated carbon, graphite, graphene, A method of manufacturing a silicon electrode comprising the steps of: forming a conductive layer on a substrate; forming a conductive layer on the conductive layer; forming a conductive layer on the conductive layer;
제 1항에 있어서,
상기 금속집전체는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 철(Fe), 몰리브덴(Mo) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 구아검을 포함하는 실리콘 전극 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal current collector is made of copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt), gold (Au), nickel (Ni), titanium (Ti), iron (Fe), molybdenum &Lt; / RTI &gt; wherein the silicon dioxide is selected from the group consisting of silicon dioxide and silicon dioxide.
전극활물질, 도전재, 구아검 및 카르복실기를 포함하는 폴리머로 이루어진 바인더를 용매에 혼합시켜 슬러리를 금속집전체에 도포하고, 상기 금속집전체에 도포된 상기 구아검 및 상기 폴리머를 가교결합시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 구아검을 포함하는 실리콘 전극.

A slurry is applied to a metal current collector by mixing a binder composed of a polymer containing an electrode active material, a conductive material, a guar gum, and a carboxyl group in a solvent, and the slurry is formed by crosslinking the guar gum and the polymer applied to the metal current collector Wherein the silicon electrode is a silicon oxide film.

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