KR20180064197A - Method for manufacturing negative electrode for rechargable lithium battery, negative electrode for rechargeable lithium battery manufactured by the same, and rechargeable lithium battery including the same - Google Patents

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KR20180064197A
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김영상
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Abstract

The present invention relates to a method of manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery, comprising the following steps: forming a negative electrode active material layer by coating a negative electrode active material on a current collector; and coating a protective film on the negative electrode active material layer, wherein the protective film is coated through a thermal deposition process. According to the present invention, a negative electrode for a lithium secondary battery manufactured by the method, and the lithium secondary battery including the same can preventing the generation of lithium dentrite and can enhance the charge / discharge life of the battery.

Description

리튬 이차전지용 음극의 제조 방법, 이를 사용하여 제조된 리튬 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지{METHOD FOR MANUFACTURING NEGATIVE ELECTRODE FOR RECHARGABLE LITHIUM BATTERY, NEGATIVE ELECTRODE FOR RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY MANUFACTURED BY THE SAME, AND RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY INCLUDING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary battery, a negative electrode for a lithium secondary battery manufactured using the same, and a lithium secondary battery including the negative electrode. 2. Description of the Related Art INCLUDING THE SAME}

본 명세서는 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법, 이를 사용하여 제조된 리튬 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery, a negative electrode for a lithium secondary battery manufactured using the same, and a lithium secondary battery comprising the same.

최근 휴대용 전자 기기 및 전기 자동차의 구동용 전원으로 리튬 이차전지가 주목 받는다. 유기 전해액을 사용함에 따라 기존의 알칼리 수용액을 사용한 전지보다 2배 이상의 높은 방전 전압을 나타내며 높은 파워를 나타낼 수 있기 때문이다.2. Description of the Related Art Recently, lithium secondary batteries have attracted attention as power sources for driving portable electronic devices and electric vehicles. The use of the organic electrolyte makes it possible to exhibit a discharge voltage which is twice as high as that of a battery using an existing alkaline aqueous solution and exhibit high power.

전기 자동차 등에 탑재되는 리튬 이차전지는 경량화 및 부피저감을 통한 에너지 밀도 증대를 필요로 한다. 이를 위해 리튬을 이용한 음극재의 개발이 지속되고 있다. A lithium secondary battery mounted on an electric automobile or the like requires an increase in energy density through weight reduction and volume reduction. For this purpose, the development of anode materials using lithium is continuing.

탄소계 음극재 용량이 ~370mAh/g인 것에 비해 리튬 음극재 용량은 약 ~3,860mAh/g로, 10배에 가까운 이론 용량을 가질 수 있다. 또한 탄소계 음극재를 포함하는 음극의 두께가 약 50 내지 60 um이고, 리튬 음극재를 포함하는 음극의 두께가 약 5 내지 20um이다. 따라서 리튬 음극재를 포함하는 경우 리튬 이차전지의 부피를 1/3이상 감소시킬 수 있다. The capacity of the carbon anode material is ~ 370 mAh / g, while the capacity of the lithium anode material is ~ 3,860 mAh / g, which is close to 10 times the theoretical capacity. The thickness of the negative electrode including the carbon-based negative electrode material is about 50 to 60 占 퐉, and the thickness of the negative electrode including the lithium negative electrode material is about 5 to 20 占 퐉. Therefore, when the lithium negative electrode material is included, the volume of the lithium secondary battery can be reduced by at least 1/3.

그러나 리튬을 음극재로 사용하는 경우 1) 덴드라이트(dendrite)가 형성되고, 2) 데드 리튬(dead Li)이 발생하며, 3) 부피가 팽창하는 문제점이 발생한다. However, when lithium is used as an anode material, a problem arises that 1) dendrite is formed, 2) dead lithium occurs, and 3) the volume expands.

고 전류 밀도의 충전 및 방전 과정 중, 리튬 음극의 표면에서 리튬 덴드라이트가 발생한다. 이러한 리튬 덴드라이트는 분리막을 관통하여 양극과의 쇼트를 야기하거나, 표면적의 증가로 인해 음극과 전해질 간의 반응에 의한 박막(SEI)을 지속적으로 형성하여 전해액 고갈을 야기하고 데드 리튬의 발생을 야기할 수 있다. 이에 따르면 전지의 사이클 효율이 감소한다. Lithium dendrite is generated on the surface of the lithium negative electrode during charging and discharging at a high current density. These lithium dendrites penetrate the separator to cause a short circuit with the anode, or the surface (SEI) due to the reaction between the anode and the electrolyte is continuously formed due to an increase in surface area, resulting in electrolyte depletion and generation of dead lithium . This reduces the cycle efficiency of the battery.

리튬 이온 전지에서 탄소계 음극재를 리튬으로 대체할 경우 중량당, 부피당 에너지밀도를 증가시킬 수 있으나, 충전 및 방전 중 형성되는 리튬 덴드라이트의 형성을 억제하는 것이 필요한 실정이다. When replacing the carbonaceous anode material with lithium in a lithium ion battery, it is necessary to suppress the formation of lithium dendrite formed during charging and discharging although the energy density per volume and volume can be increased.

본 발명은 리튬 덴드라이트의 형성을 억제하는 보호막 포함하는 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법, 이로부터 제조된 리튬 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공하고자 한다. The present invention provides a method for manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery comprising a protective film for inhibiting the formation of lithium dendrite, a negative electrode for a lithium secondary battery manufactured from the negative electrode, and a lithium secondary battery comprising the same.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not intended to limit the invention to the precise form disclosed. It can be understood.

본 발명의 일 실시예에 따른 집전체 위에 음극 활물질을 코팅하여 음극 활물질층을 형성하는 단계, 및 상기 음극 활물질층 위에 보호막을 코팅하는 단계를 포함하고 상기 보호막을 코팅하는 단계는 열 증착 공정을 이용한다.The negative electrode active material layer may be formed by coating a negative electrode active material on a current collector according to an embodiment of the present invention and a protective layer may be coated on the negative electrode active material layer. .

상기 보호막은 약 10 nm 내지 약 500nm의 두께로 형성될 수 있다. The protective film may be formed to a thickness of about 10 nm to about 500 nm.

상기 음극 활물질층을 형성하는 단계와 상기 보호막을 형성하는 단계 중 적어도 하나는 진공에서 수행될 수 있다.At least one of the step of forming the anode active material layer and the step of forming the protective film may be performed in vacuum.

상기 보호막을 형성하는 단계는 챔버를 개방하고 수행될 수 있다.The step of forming the protective film may be performed by opening the chamber.

상기 집전체는 구리, 금, 니켈 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.The current collector may be at least one selected from the group consisting of copper, gold, nickel, and alloys thereof.

상기 음극 활물질은 리튬, 리튬 합금, 및 탄소재를 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.The negative electrode active material may be at least one selected from the group consisting of lithium, a lithium alloy, and a carbonaceous material.

상기 보호막은 리튬할라이드일 수 있다.The protective film may be lithium halide.

상기 음극 활물질층은 제1 보트를 이용하여 형성되고, 상기 보호막은 제2 보트를 이용하여 형성되며, 상기 제1 보트와 상기 제2 보트 사이에 격벽이 위치할 수 있다. The negative active material layer is formed using a first boat, the protective film is formed using a second boat, and a partition wall may be positioned between the first boat and the second boat.

상기 음극 활물질층은 상기 보호막과 직접 접촉할 수 있다.The negative active material layer may be in direct contact with the protective film.

일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 음극은 전술한 방법을 이용하여 제조될 수 있다. A cathode for a lithium secondary battery according to an embodiment can be manufactured using the above-described method.

일 실시예에 따른 리튬 이차전지는 양극, 음극, 및 상기 양극 및 상기 음극 사이에 위치하는 분리막을 포함하고 상기 음극은 전술한 방법을 이용하여 제조될 수 있다.
A lithium secondary battery according to an embodiment includes a cathode, a cathode, and a separator disposed between the anode and the cathode, and the cathode can be manufactured using the above-described method.

전술한 실시예에 의하면 보호막이 균일하게 형성되는 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법을 제공할 수 있으며, 이로부터 제조된 리튬 이차전지용 음극 및 리튬 이차전지는 리튬 덴드라이트 형성을 억제하고 전지의 충방전 수명이 증대될 수 있다.According to the above-described embodiments, it is possible to provide a method of manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery in which a protective film is uniformly formed. The negative electrode and the lithium secondary battery for a lithium secondary battery manufactured from the method can suppress lithium dendrite formation, Can be increased.

도 1은 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극의 개략적인 단면 이미지이다.
도 2는 본 발명의 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법에 따른 개략적인 단면 이미지이다.
도 3은 실시예 1의 풀 스트리핑(Full stripping) 테스트 결과 그래프이다.
도 4 내지 도 10은 실시예 및 비교예에 따른 전지의 충전/방전 평가 그래프이다.
도 11 내지 도 13은 실시예 및 비교예에 따른 ESCA 뎁스 프로파일(depth profile) 측정 그래프이다.
1 is a schematic cross-sectional image of a cathode for a lithium secondary battery according to the present invention.
2 is a schematic cross-sectional image according to a method for manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention.
3 is a graph showing a full stripping test result of Example 1. Fig.
Figs. 4 to 10 are graphs showing charging / discharging evaluations of batteries according to Examples and Comparative Examples. Fig.
11 to 13 are graphs of ESCA depth profile measurement according to the embodiment and the comparative example.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 기재를 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 기재의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, the well-known functions or constructions will not be described in order to clarify the present invention.

본 기재를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로 본 기재가 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.In order to clearly illustrate the present disclosure, portions that are not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification. In addition, since the sizes and thicknesses of the individual components shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, the present invention is not necessarily limited thereto.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서 설명의 편의를 위해 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에"있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In the drawings, the thickness is enlarged to clearly represent the layers and regions. The thickness of some layers and regions is exaggerated for convenience of explanation in the drawings. Whenever a portion such as a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "on" or "on" another portion, it includes not only the case where it is "directly on" another portion but also the case where there is another portion in between.

리튬 이차전지는 사용하는 분리막과 전해질의 종류에 따라 리튬 이온 전지(이하, "리튬 이차전지"라 칭함), 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있고, 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다. 이들 전지의 구조와 제조방법은 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.The lithium secondary battery can be classified into a lithium ion battery (hereinafter referred to as a "lithium secondary battery"), a lithium ion polymer battery, and a lithium polymer battery depending on the type of separation membrane and electrolyte used. Dolls, pouches, etc., and can be divided into a bulk type and a thin film type depending on the size. The structure and the manufacturing method of these cells are well known in the art, and detailed description thereof will be omitted.

보다 구체적으로, 리튬 이차전지는 음극, 양극 및 분리막을 차례로 적층한 다음 스피럴 상으로 권취된 상태로 전지 용기에 수납하여 구성될 수 있다.More specifically, the lithium secondary battery may be constructed by stacking a cathode, an anode, and a separator in this order, and then winding the battery in a spiral wound state.

음극은 집전체 및 집전체 위에 형성된 음극 활물질층을 포함하며, 음극 활물질층은 음극 활물질을 포함할 수 있다. 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 음극은 집전체, 집전체 위에 형성된 음극 활물질층, 음극 활물질층 위에 형성된 보호막을 포함할 수 있다. The negative electrode includes a current collector and a negative electrode active material layer formed on the current collector, and the negative electrode active material layer may include a negative electrode active material. Specifically, the negative electrode according to an embodiment of the present invention may include a current collector, a negative electrode active material layer formed on the current collector, and a protective film formed on the negative electrode active material layer.

일 실시예에 따른 음극은 집전체에 음극 활물질을 코팅하여 음극 활물질층을 형성하는 단계, 및 음극 활물질층 위에 보호막을 형성하는 단계를 통해 제조될 수 있다. The negative electrode according to one embodiment may be manufactured by forming a negative electrode active material layer by coating a negative electrode active material on the current collector, and forming a protective film on the negative electrode active material layer.

음극 집전체로는 구리, 금, 니켈, 및 이들의 합금을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The negative electrode current collector may include, but is not limited to, at least one selected from the group including copper, gold, nickel, and alloys thereof.

음극 활물질로는, 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬, 리튬 합금, 탄소재, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질 및 전이 금속 산화물을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. Examples of the negative electrode active material include a material capable of reversibly intercalating / deintercalating lithium ions, lithium, a lithium alloy, a carbon material, a material doped and dedoped to lithium, and a transition metal oxide It can be one.

음극 활물질층을 형성하는 방법은 음극 활물질을 집전체 상에 직접 코팅하는 방법을 사용할 수 있으며, 이에 제한되지 않고 음극 활물질을 별도의 지지체 상부에 코팅하고 건조한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻어진 필름을 집전체상에 라미네이션하는 방법을 사용할 수도 있다. 여기에서 지지체는 음극 활물질층을 지지할 수 있는 어떠한 물질도 가능하며, 일 예로 마일라 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름일 수 있다. The negative electrode active material layer may be formed by coating the negative electrode active material directly on the current collector. However, the present invention is not limited thereto. For example, the negative electrode active material may be coated on a separate support and dried. A method of laminating the whole phase may be used. Here, the support may be any material capable of supporting the negative electrode active material layer, and may be, for example, a mylar film or a polyethylene terephthalate (PET) film.

보호막은 리튬할라이드를 포함할 수 있으며, 일 예로 플루오르화리튬(LiF)일 수 있다. 리튬할라이드는 밴드갭이 크며 UV optics에 일반적으로 사용하는 물질로써, 녹는점이 845℃로 비교적 낮아, 진공 열 증착법에 적합할 수 있다. The protective film may include lithium halide, and may be, for example, lithium fluoride (LiF). Lithium halide has a large bandgap and is generally used in UV optics. Its melting point is relatively low at 845 ℃, which is suitable for vacuum thermal evaporation.

일 실시예에 따른 보호막은 열 증착 공정을 이용하여 균일한 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 보호막은 약 10 nm 내지 약 500nm의 두께로 균일하게 형성될 수 있다. 보호막은 음극 활물질층과 직접 접촉할 수 있으며, 보호막과 음극 활물질층 사이에 이물질 또는 이에 따른 이물질층이 위치하지 않는다. The protective layer according to one embodiment may be formed to have a uniform thickness using a thermal deposition process. The protective film may be uniformly formed to a thickness of about 10 nm to about 500 nm. The protective film may be in direct contact with the negative active material layer, and no foreign matter or foreign matter layer is located between the protective film and the negative active material layer.

보호막은 리튬 덴드라이트의 형성에 따른 전지의 성능 저하를 방지하고, 충방전을 거듭하더라도 고용량 특성이 안정적으로 발현되어, 수명 특성 및 안정성이 우수한 리튬 이차전지를 제공한다. The protective film prevents deterioration of the performance of the battery due to the formation of lithium dendrite and stably exhibits high capacity characteristics even after repeated charging and discharging, thereby providing a lithium secondary battery excellent in life characteristics and stability.

보호막을 형성하는 단계는 열 증착 공정을 이용할 수 있다. 열 증착 공정은 실시예에 따라 음극 활물질을 형성하는 단계와 동일한 조건이거나 동일하지 않은 조건에서 진행될 수 있다. 일 예로, 진공 상태에서의 열 증착 공정의 경우 보호막의 두께 및 표면 제어에 유리하며 제조 공정이 단순할 수 있다. The step of forming the protective film may employ a thermal evaporation process. The thermal evaporation process may be carried out under the same or not the same conditions as those for forming the negative electrode active material according to the embodiment. For example, in the case of a thermal deposition process in a vacuum state, it is advantageous to control the thickness and the surface of the protective film, and the manufacturing process can be simple.

진공이 아닌 상태에서 보호막을 형성하는 경우, 리튬 박막은 대기 중의 질소, 산소, 미세한 수분등과 반응하여, Li3N, LiOH, Li2O, Li2CO3등의 피막을 형성할 수 있다. 상기 피막에 의해 전지의 신뢰성 및 성능이 저하될 수 있다. 이와 같이 형성된 피막은 저항층으로 작용하면서 리튬 덴드라이트의 성장을 방치할 수 있다.
When a protective film is formed in a non-vacuum state, the lithium thin film reacts with nitrogen, oxygen, minute water, etc. in the atmosphere to form a film of Li 3 N, LiOH, Li 2 O, Li 2 CO 3 or the like. The reliability and performance of the battery may be deteriorated by the coating. The thus formed film can act as a resistive layer and can neglect the growth of lithium dendrites.

이하에서는 전술한 음극을 제외한 리튬 이차전지의 양극 및 분리막에 대해 개략적으로 설명한다. Hereinafter, the anode and the separator of the lithium secondary battery other than the above-described cathode will be schematically described.

본 발명의 실시예에 따른 양극은 집전체 및 집전체에 형성되는 양극 활물질 층을 포함한다. The positive electrode according to an embodiment of the present invention includes a current collector and a positive electrode active material layer formed on the current collector.

양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. 구체적으로는 알루미늄, 코발트, 망간, 니켈, 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.As the cathode active material, a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium (a lithiated intercalation compound) can be used. Specifically, it may include at least one selected from the group including aluminum, cobalt, manganese, nickel, and combinations thereof.

양극 활물질층은 바인더 및 도전재 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. The cathode active material layer may further include at least one of a binder and a conductive material.

바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 일 예로 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등일 수 있으며 이에 제한되는 것은 아니다. The binder serves to adhere the positive electrode active material particles to each other well and adhere the positive electrode active material to the current collector well. Examples of the binder include polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose, hydroxypropylcellulose, diacetylcellulose, polyvinylchloride, Polyvinyl pyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, acrylic resin, polyvinyl chloride, Styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon, and the like.

도전재는 양극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 일 예로, 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 등을 사용할 수 있고, 또한 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 재료를 1종 또는 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The conductive material is used for imparting conductivity to the anode. Any conductive material can be used without causing any chemical change in the battery. Examples of the conductive material include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Metal powders such as black, carbon fiber, copper, nickel, aluminum, and silver, metal fibers, and the like, and conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used alone or in combination.

음극과 양극은 활물질, 도전재 및 바인더를 용매 중에서 혼합하여 활물질 조성물을 제조하고, 이 조성물을 전류 집전체에 도포하여 제조한다. 이와 같은 전극 제조 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 용매로는 N-메틸피롤리돈 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The negative electrode and the positive electrode are prepared by mixing an active material, a conductive material and a binder in a solvent to prepare an active material composition, and applying the composition to an electric current collector. The method of manufacturing the electrode is well known in the art, and therefore, a detailed description thereof will be omitted herein. As the solvent, N-methylpyrrolidone or the like can be used, but it is not limited thereto.

리튬 이차전지의 종류에 따라 양극과 음극 사이에 분리막이 위치할 수 있다. Depending on the type of the lithium secondary battery, the separator may be positioned between the anode and the cathode.

분리막으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 분리막, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 분리막, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 분리막 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있다. The separator may be polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride or a multilayer film of two or more thereof. The separator may be a polyethylene / polypropylene bilayer separator, a polyethylene / polypropylene / polyethylene triple separator, a polypropylene / polyethylene / polypropylene A three-layer separation film, or the like can be used.

또한 본 발명에서 사용될 수 있는 전해액은 A+B-와 같은 구조의 염으로, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고 B-는 PF6-, BF4-, Cl-, Br-, I-, ClO4-, AsF6-, CH3CO2-, CF3SO3-, N(CF3SO2)2-, C(CF2SO2)3-와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC),디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP),에틸메틸카보네이트(EMC), 감마-부티로락톤(γ-부티로락톤) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해또는 해리된 것이 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
A + is an alkali metal cation such as Li +, Na +, K +, or an ion composed of a combination thereof, and B- is an ion selected from the group consisting of PF6-, BF4- A salt comprising an ion such as Cl-, Br-, I-, ClO4-, AsF6-, CH3CO2-, CF3SO3-, N (CF3SO2) 2-, C (CF2SO2) 3- or a combination thereof (DEC), dimethyl carbonate (DMC), dipropyl carbonate (DPC), dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran , An organic solvent composed of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), ethylmethyl carbonate (EMC), gamma-butyrolactone (? -Butyrolactone) or a mixture thereof. But is not limited to.

이하에서는 비교예 1 및 실시예 1 내지 8을 통해 본 발명에 따른 전지의 성능을 살펴본다.
Hereinafter, the performance of the battery according to the present invention will be described with reference to Comparative Example 1 and Examples 1 to 8.

비교예Comparative Example 1 One

20 um 두께의 구리 집전체를 기판으로 사용하였다. 1.7 g의 리튬(Honzo metal, Japan)을 몰리브덴 보트(Molybdenum boat)에 장입한 후, 진공 열 증착법을 이용하여 구리 집전체 위에 10 um 두께의 리튬을 5 cm x 5 cm 면적으로 균일하게 증착하였다. A copper collector having a thickness of 20 μm was used as a substrate. 1.7 g of lithium (Honzo metal, Japan) was charged into a molybdenum boat, and 10 μm thick lithium was uniformly deposited on the copper collector using a vacuum thermal evaporation method in an area of 5 cm × 5 cm.

초기 진공도는 7 x 10-7 torr 이하로 유지하였고, 증착 시 압력은 6 내지 8 x 10-6 torr에서 진행하였다. 리튬의 증착 속도는 3 nm/sec로 일정하게 유지하였으며, 리튬 박막의 균일도 향상을 위해 기판을 4 rpm으로 회전시켰다. 상기 공정은 듀포인트(dew point)가 -45 ℃이하로 유지되는 드라이룸에서 진행되었으며, 드라이룸 내의 대기를 이용하여 환기시킨 이후 리튬을 준비하였다.
The initial vacuum degree was maintained at 7 x 10 -7 torr or less, and the deposition pressure was 6 to 8 x 10 -6 torr. The deposition rate of lithium was kept constant at 3 nm / sec, and the substrate was rotated at 4 rpm to improve the uniformity of the lithium thin film. The process was conducted in a dry room where the dew point was maintained at -45 캜 or lower, and lithium was prepared after ventilation using the atmosphere in the dry room.

실시예Example 1: ex-situ  1: ex-situ LiFLiF 박막 코팅 16nm Thin film coating 16nm

비교예 1에서 형성된 10um의 리튬 박막 상부에 리튬할라이드 중 하나인 플루오르화리튬(LiF)을 코팅하였다. 플루오르화리튬(TASCO, 3N, 3-6mm)을 증착하기 위한 초기 진공도는 리튬 박막의 증착시 조건과 동일하며, 3 nm/min의 증착 속도로 16nm의 LiF 코팅층을 증착하였다. 이를 제외하고는 비교예 1과 동일하다.
The lithium thin film of 10 mu m formed in Comparative Example 1 was coated with lithium fluoride (LiF), which is one of the lithium halides. The initial vacuum degree for depositing lithium fluoride (TASCO, 3N, 3-6 mm) was the same as that for the deposition of lithium thin film, and a 16 nm LiF coating layer was deposited at a deposition rate of 3 nm / min. The same as Comparative Example 1 except for this.

실시예Example 2: ex-situ  2: ex-situ LiFLiF 박막 코팅 50nm Thin film coating 50nm

실시예 1과 동일한 조건 하에서, 리튬 박막 위에 50nm의 플루오르화리튬을 증착하였다.
Under the same conditions as in Example 1, 50 nm lithium fluoride was deposited on the lithium thin film.

실시예Example 3: ex-situ  3: ex-situ LiFLiF 박막 코팅 80nm Thin film coating 80nm

실시예 1과 동일한 조건 하에서, Li 박막 위에 80nm의 LiF 코팅층을 증착하였다.
Under the same conditions as in Example 1, a LiF coating layer of 80 nm was deposited on the Li thin film.

실시예Example 4: in-situ  4: in-situ LiFLiF 박막 코팅 16nm Thin film coating 16nm

실시예 1과 동일한 조건 하에서, 구리 기판 위에 10um의 리튬 박막을 증착한 이후에 진공을 유지하면서 바로 플루오르화리튬을 16nm 두께로 증착하였다.
Under the same conditions as in Example 1, a lithium thin film of 10 nm was deposited on a copper substrate, and then lithium fluoride was deposited to a thickness of 16 nm immediately while maintaining a vacuum.

실시예Example 5: in-situ  5: in-situ LiFLiF 박막 코팅 50nm Thin film coating 50nm

실시예 4과 동일한 조건 하에서, 10um의 리튬 박막 위에 50nm의 플루오르화리튬을 증착하였다.
Under the same conditions as in Example 4, 50 nm of lithium fluoride was deposited on a 10-um lithium thin film.

실시예Example 6: in-situ  6: in-situ LiFLiF 박막 코팅 80nm Thin film coating 80nm

실시예 4와 동일한 시험 조건하에서, 10um의 리튬 박막 위에 80 nm의 플루오르화리튬을 증착하였다.
Under the same test conditions as in Example 4, 80 nm of lithium fluoride was deposited on a 10 um lithium thin film.

전술한 비교예 1 및 실시예 1 내지 6은 다음 표 1에 정리된 바와 같다.
The above-described Comparative Example 1 and Examples 1 to 6 are summarized in Table 1 below.

  리튬 박막Lithium thin film 기판Board 보호막Shield 비고Remarks 비교예1Comparative Example 1 Li 10um Li 10um 구리 20umCopper 20um 없음none   실시예1Example 1 Li 10um Li 10um 구리 20umCopper 20um LiF 16nmLiF 16 nm 챔버 개방 후 LiF 재증착LiF deposition after chamber opening 실시예2Example 2 Li 10umLi 10um 구리 20umCopper 20um LiF 50nmLiF 50 nm 챔버 개방 후 LiF 재증착LiF deposition after chamber opening 실시예3Example 3 Li 10umLi 10um 구리 20umCopper 20um LiF 80nmLiF 80 nm 챔버 개방 후 LiF 재증착LiF deposition after chamber opening 실시예4Example 4 Li 10umLi 10um 구리 20umCopper 20um LiF 16nmLiF 16 nm 진공 상태에서 연속으로 LiF 증착Continuous LiF deposition in vacuum 실시예5Example 5 Li 10umLi 10um 구리 20umCopper 20um LiF 50nmLiF 50 nm 진공 상태에서 연속으로 LiF 증착Continuous LiF deposition in vacuum 실시예6Example 6 Li 10umLi 10um 구리 20umCopper 20um LiF 80nmLiF 80 nm 진공 상태에서 연속으로 LiF 증착Continuous LiF deposition in vacuum

코인셀Coin cell 제조 및 전기화학 성능 평가  Manufacturing and electrochemical performance evaluation

전술한 비교예 1, 실시예 1 내지 6에 대한 리튬 박막을 이용하여 코인셀을 제조하고 전기화학 성능을 평가하였다. Coin 2032로 제조하였고, 양극은 구리 집전체에 증착된 리튬 박막을 직경 14 mm로 펀칭하여 사용하였고, 음극은 500 um두께의 리튬 포일(Honjo)을 직경 16mm로 펀칭하였다. 그리고 양극과 음극 사이에 PP(polypropylene, 25um, celgard) 재질의 분리막을 두고 asymmetric cell을 제조하였다. 전해액으로는 EC:EMC = 3:7 (v/v)에 1M LiPF 6 (솔브레인)를 용해시켜 사용하였으며 별도의 첨가제는 사용하지 않았다. A coin cell was prepared using the lithium thin films of Comparative Example 1 and Examples 1 to 6 described above and electrochemical performance was evaluated. Coin 2032. The positive electrode was formed by punching the lithium thin film deposited on the copper current collector to a diameter of 14 mm and the negative electrode was punched with a lithium foil (Honjo) having a thickness of 500 μm to a diameter of 16 mm. Asymmetric cell was fabricated by separating PP (polypropylene, 25um, celgard) separator between anode and cathode. As the electrolyte, 1M LiPF 6 (Solbrain) was dissolved in EC: EMC = 3: 7 (v / v) and no additional additives were used.

한편 코팅막 적용 전/후의 전기화학 성능을 평가하기에 앞서 증착된 리튬 박막이 음극으로 활용가능한지에 대해 살펴보았다. 구체적으로, 비교적 낮은 전류밀도에서 리튬박막을 모두 스트리핑(stripping)시켜 용량 발현율(%)을 측정하였다. 용량 발현율은 10um 두께로 증착된 리튬박막에 대해 증착전/후의 무게를 측정하고, 상기 무게 차이로부터 증착된 리튬의 무게를 산출하였다. 이로부터 이론용량(Q0)를 계산하였으며, 풀 스트리핑 테스트로부터 실제용량(Q1)을 측정하였다. On the other hand, before evaluating the electrochemical performance before and after the application of the coating film, we examined whether the lithium thin film deposited can be used as a cathode. Specifically, the capacity expression ratio (%) was measured by stripping all of the lithium thin films at a relatively low current density. The capacity development rate was measured before and after deposition on a lithium thin film deposited to a thickness of 10 탆, and the weight of lithium deposited from the weight difference was calculated. From this, the theoretical capacity (Q 0 ) was calculated and the actual capacity (Q 1 ) was measured from the full stripping test.

도 3에 나타난 바와 같이, 용량에 대한 전압 테스트 결과는 증착된 리튬 박막의 두께로부터 이론적으로 1.931mAh/cm2의 용량이 계산되었으며, 실제 측정된 값은 1.929mAh/cm2로 용량 발현율이 99.9%를 나타냄을 확인하였다. 이때 측정조건은 0.166mA/cm2의 정전류를 인가하였고, 전압이 1V가 되는 시점에서 측정을 종료하였다. As shown in FIG. 3, the capacity test result for the capacity was theoretically calculated to be 1.931 mAh / cm 2 from the thickness of the deposited lithium thin film. Actually, the measured value was 1.929 mAh / cm 2 , Respectively. At this time, a constant current of 0.166 mA / cm < 2 > was applied under the measurement conditions, and the measurement was terminated when the voltage reached 1 V. [

이후 전기화학 성능을 평가하기 위해 1mA/cm2의 전류 밀도에서 충/방전(Toyo) 실험을 진행하였고, 충/방전 시간은 60분으로 총 충/방전 심도는 각각 1mAh/cm2였다. 중단전압은 +1V, -1V로 설정하였다.To evaluate the electrochemical performance, a charge / discharge test was carried out at a current density of 1 mA / cm 2. The charge / discharge time was 60 minutes, and the total charge / discharge depth was 1 mAh / cm 2 . The breakdown voltage was set at + 1V, -1V.

도 4 내지 도 10은 각각 비교예 1, 실시예 1 내지 6에 따른 리튬 박막의 충전/방전 테스트 결과 그래프이다. 충/방전 심도 기준은 초기 충전시 약 5um 두께의 리튬이 리튬 박막 표면에 충전되었다가 다시 방전되는 조건이다. FIGS. 4 to 10 are graphs of charge / discharge test results of the lithium thin film according to Comparative Example 1 and Examples 1 to 6, respectively. The charge / discharge depth criterion is a condition in which lithium is charged to the surface of the lithium thin film and discharged again at the time of initial charging.

초기 10 사이클까지는 비교예 1 및 실시예 1 내지 6 모두 저항의 큰 증가 없이 유사한 전압 곡선(voltage profile)을 보이고 있으며, 충/방전이 원활하게 이루어짐을 알 수 있다. Until the initial 10 cycles, Comparative Example 1 and Examples 1 to 6 show a similar voltage profile without a large increase in resistance, and it can be seen that charging / discharging is smooth.

반면 10 사이클 이후부터는 10um의 리튬 박막(양극) 기준에서 충전 시에 큰 저항 변화가 없는 반면, 방전 시에 종료 단계에서 전압이 급격히 증가함을 알 수 있다. 충전/방전을 거치면서 방전시에 기존 리튬 박막으로부터 리튬이 스트리핑 되며, 균일하게 스트리핑 되지 않음에 따른 비표면적의 급격한 변화 및 이를 통한 음극과 전해질 간의 박막의 급격한 성장으로 인해 저항이 갑자기 증가하는 것으로 보인다. On the other hand, there is no large resistance change at the time of charging from the 10th cycle on the basis of the lithium thin film (anode) of 10um, but it is understood that the voltage is rapidly increased at the ending stage during discharging. Lithium is stripped from the existing lithium thin film during charging and discharging, and the resistance suddenly increases due to the rapid change of the specific surface area due to the non-uniform stripping and the rapid growth of the thin film between the cathode and the electrolyte .

비교예 1에 비해 실시예 3의 경우 사이클 수명이 14회로 개선되었으며, 이는 균일하게 코팅된 보호막으로부터 리튬 이온의 이동도가 향상됨을 의미한다. 특히 실시예 6은 사이클 수명이 17회까지 개선됨을 확인하였다. 비교예 1 및 실시예 1 내지 6에 따른 사이클 수명은 다음 표 2에 정리된 바와 같다.
The cycle life was improved by 14 cycles in Example 3 compared to Comparative Example 1, which means that the mobility of lithium ions from the uniformly coated protective film is improved. In particular, Example 6 confirmed that the cycle life was improved up to 17 times. The cycle life according to Comparative Example 1 and Examples 1 to 6 is as summarized in Table 2 below.

평가 중단 시간Evaluation Downtime 사이클cycle 비교예1Comparative Example 1 21 시간21 hours 10.510.5 실시예1Example 1 24 시간24 hours 1212 실시예2Example 2 26 시간26 hours 1313 실시예3Example 3 28 시간28 hours 1414 실시예4Example 4 26 시간26 hours 1313 실시예5Example 5 29 시간29 hours 14.514.5 실시예6Example 6 34 시간34 hours 1717

도 11은 비교예 1이고, 도 12는 Li 10um 상부에 LiF가 80nm 두께로 ex-situ로 코팅된 실시예 3이고, 도 13은 in-situ로 코팅된 실시예 6에 대한 ESCA 뎁스 프로파일 측정 결과이다. 측정장비는 VG scientific사의 ESCA LAB250이며, 원소분석을 위해 X-ray는 monochromatic Al 15kV 15mA를 약 1.1mm2 영역에 조사하여 분석하였으며, 뎁스 프로파일을 위해 이온건(Ion gun)은 3kV의 Ar+이온을 3mm2영역에 조사하여 스퍼터링하였다. 이때, 스퍼터링 속도는 Ta2O5 3.6nm/min을 기준으로 하였다. FIG. 11 is Comparative Example 1, FIG. 12 is Example 3 where LiF is ex-situ coated with LiF at a thickness of 80 nm, and FIG. 13 is a graph showing ESCA depth profile measurement results of Example 6 coated in- to be. For the elemental analysis, X-ray was analyzed by irradiating monochromatic Al 15kV 15mA to about 1.1mm 2 area. For the depth profile, the ion gun was irradiated with 3kV Ar + ion Was sputtered in an area of 3 mm 2 . At this time, the sputtering rate was based on Ta 2 O 5 of 3.6 nm / min.

ESCA 뎁스 프로파일 측정 결과에 따르면, 비교예 1는 표면부에 C 및 O 등이 위치함을 확인하였다. 이는 리튬 증착후 대기노출에 따른 Li2CO3, LiOH 등에 의한 것으로 보이며 그 하부에 Li2O가 존재하고 있음을 확인하였다. 비교예 1의 경우 깊이 방향으로 O가 감소하면서 퓨어 리튬이 위치함을 확인하였다. According to the measurement results of the ESCA depth profiles, in Comparative Example 1, it was confirmed that C and O are located on the surface portion. It is believed that Li 2 CO 3 , LiOH and the like due to atmospheric exposure to lithium after the deposition of lithium exist, and Li 2 O is present in the lower part. In the case of Comparative Example 1, it was confirmed that pure lithium was located while O was decreased in the depth direction.

도 12를 참조하여 실시예 3을 살펴보면, 표면부에서 F가 검출되어 LiF가 코팅이 됨을 확인할 수 있으며, F가 없어지는 부분에서 O가 급격히 증가함에 따라 LiF코팅면 하부에 Li2O 가 존재함을 알 수 있었다. Referring to FIG. 12, it can be seen that F is detected at the surface portion and LiF is coated, and Li 2 O exists at the lower portion of the LiF coated surface as O rapidly increases at the portion where F disappears And it was found.

반면 도 13에 나타난 실시예 6에 따르면 in-situ로 LiF를 코팅한 경우 F가 표면부에 크게 검출되고 깊이 방향으로 감소하는 위치에 산소가 거의 검출되지 않는 것을 확인하였다. 즉, LiF층과 바로 접하는 Li 전극이 위치함을 확인할 수 있었다.On the other hand, according to Example 6 shown in FIG. 13, it was confirmed that when LiF was coated in situ, F was largely detected on the surface portion and oxygen was hardly detected in a position where the depth decreased in the depth direction. That is, it was confirmed that the Li electrode directly contacting the LiF layer was located.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It is obvious to those who have. Accordingly, it should be understood that such modifications or alterations should not be understood individually from the technical spirit and viewpoint of the present invention, and that modified embodiments fall within the scope of the claims of the present invention.

Claims (11)

집전체 위에 음극 활물질을 코팅하여 음극 활물질층을 형성하는 단계, 및
상기 음극 활물질층 위에 보호막을 코팅하는 단계를 포함하고
상기 보호막을 코팅하는 단계는 열 증착 공정을 이용하는 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법.
Forming a negative electrode active material layer by coating a negative electrode active material on the current collector, and
And coating a protective film on the negative active material layer
Wherein the coating of the protective layer is performed by a thermal deposition process.
제1항에서,
상기 보호막은 약 10 nm 내지 약 500nm의 두께로 형성되는 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법.
The method of claim 1,
Wherein the protective film is formed to a thickness of about 10 nm to about 500 nm.
제1항에서,
상기 음극 활물질층을 형성하는 단계와 상기 보호막을 형성하는 단계 중 적어도 하나는 진공에서 수행되는 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법.
The method of claim 1,
Wherein at least one of the step of forming the negative electrode active material layer and the step of forming the protective film is performed in a vacuum.
제3항에서,
상기 보호막을 형성하는 단계는 챔버를 개방하고 수행되는 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법.
4. The method of claim 3,
Wherein the forming of the protective film is performed by opening the chamber.
제1항에서,
상기 집전체는 구리, 금, 니켈 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법.
The method of claim 1,
Wherein the current collector is at least one selected from the group consisting of copper, gold, nickel, and alloys thereof.
제1항에서,
상기 음극 활물질은 리튬, 리튬 합금, 및 탄소재를 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법.
The method of claim 1,
Wherein the negative electrode active material is at least one selected from the group consisting of lithium, a lithium alloy, and a carbonaceous material.
제1항에서,
상기 보호막은 리튬할라이드인 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법.
The method of claim 1,
Wherein the protective film is lithium halide.
제1항에서,
상기 음극 활물질층은 제1 보트를 이용하여 형성되고, 상기 보호막은 제2 보트를 이용하여 형성되며, 상기 제1 보트와 상기 제2 보트 사이에 격벽이 위치하는 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법.
The method of claim 1,
Wherein the negative active material layer is formed using a first boat, the protective film is formed using a second boat, and the partition is positioned between the first boat and the second boat.
제1항에서,
상기 음극 활물질층은 상기 보호막과 직접 접촉하는 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법.
The method of claim 1,
Wherein the negative active material layer is in direct contact with the protective film.
제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법을 이용하여 형성된 리튬 이차전지용 음극.
An anode for a lithium secondary battery formed by using the method for manufacturing a cathode for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 9.
양극,
음극, 및
상기 양극 및 상기 음극 사이에 위치하는 분리막을 포함하고
상기 음극은 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 리튬 이차전지용 음극의 제조 방법을 이용하여 형성된 리튬 이차전지.
anode,
Cathode, and
And a separator disposed between the anode and the cathode
The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 9, wherein the negative electrode is formed using the method for manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery.
KR1020160164544A 2016-12-05 2016-12-05 Method for manufacturing negative electrode for rechargable lithium battery, negative electrode for rechargeable lithium battery manufactured by the same, and rechargeable lithium battery including the same KR20180064197A (en)

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