KR20190042669A - 배터리 전극 결합제 - Google Patents

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발라야 팔라니
스리라마 하리하란
처우 와이 클레멘트 콱
사트야나라야나 레디 가젤라
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내셔널 유니버시티 오브 싱가포르
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Abstract

아자디라크타 인디카(azadirachta indica), 트리티쿰 애스티붐(triticum aestivum), 접착제 및 모링가 올레이페라(moringa oleifera)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분의 수성 조성물을 포함하는 배터리 전극 결합제가 제공된다. 또한 배터리 전극 결합제를 포함하는 배터리 전극, 배터리 전극 결합제를 포함하는 배터리 전극의 제조 방법, 및 배터리 전극을 포함하는 배터리가 제공된다.

Description

배터리 전극 결합제
본 발명은 배터리 전극 결합제, 및 배터리 전극에서 이의 용도에 관한 것이다.
높은 파워 밀도 및 높은 에너지 밀도를 갖는 재충전 가능한 리튬 이온 배터리(LIB) 및 나트륨 이온 배터리(NIB)는 전기 자동차(EV) 및 스마트 그리드에서의 적용을 위해 유망한 에너지 저장 장치로 간주되었다. 배터리에서 사용되는 전극은 전형적으로 (ⅰ) 리튬/나트륨 이온이 삽입되는/삽입-제거되는 전기화학적 활성 성분(전극 활물질); (ⅱ) 전자 전달을 촉진하는 전도성 첨가제; (ⅲ) 집전기로 활물질 및 전도성 첨가제에 결합하는 배터리 전극 결합제; 및 (ⅳ) 전자를 수집하는 집전기(보통 음극용 금속 구리 및 양극용 금속 알루미늄)로 이루어진다.
배터리 전극 결합제는 전극의 물리적 구조를 유지할 수 있으므로, 전극 형성에서 중요한 역할을 담당한다. 이러한 결합제 없이는, 전극이 부서질 것이다. 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)는 배터리 전극에서 결합제 물질로 널리 사용된다. 그 우수한 전기화학적 안정성 및 우수한 결합능에도 불구하고, 리튬-이온 배터리에서의 그 적용은 일부 제한을 갖는다. 첫 번째로, PVDF는 절연성이다. 두 번째로, PVDF는 이를 용액 형태로 만들기 위해, N-메틸-2-피롤리돈(NMP)과 같은 고가의 독성 유기 용매를 필요로 한다. 세 번째로, 승온에서, 플루오르화 중합체는 리튬화 흑연(LixC6)과 반응하여 LiF 및 >C=CF- 이중 결합을 형성하며 상기 반응은 안전성 우려를 유도하는 고발열성이다.
이러한 제한을 극복하기 위해, 수용성 결합제, 예컨대 카복시메틸 셀룰로스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 PVDF 결합제에 대한 대안으로 연구되었다. 그러나, 이들 결합제는 전극 물질 및 집전기 간 충분한 접착성이 없거나 심한 응집을 겪어서 불량한 분산 및 높은 전극 저항을 야기한다.
따라서, 개선된 수계 결합제에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하고/하거나 개선된 배터리 전극 결합제를 제공하고자 한다.
일반적으로, 본 발명은 낮은 전극 저항, 우수한 전기화학적 안정성 및 전극에 포함되는 전극 활물질 및 집전기 간 우수한 접착성을 갖는 수계 결합제에 관한 것이다. 또한, 수계 결합제는 풍부한 자연 발생 성분을 포함한다. 또한, 수계 결합제의 제조 방법은 무독성이며 쉽게 이용 가능한 물 이외 용매의 사용을 필요로 하지 않는다. 이는 수계 결합제를 사용하는 전극 제작 공정뿐만 아니라 배터리 제작을 경제적으로 그리고 환경 친화적으로 만든다. 이는 다시, 본 발명에 따른 수계 결합제를 포함하는 배터리의 비용을 낮춘다.
제1 양태에 따르면, 본 발명은 아자디라크타 인디카(azadirachta indica), 트리티쿰 애스티붐(triticum aestivum), 접착제 및 모링가 올레이페라(moringa oleifera)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분의 수성 조성물을 포함하는 배터리 전극 결합제를 제공한다.
각각의 아자디라크타 인디카, 트리티쿰 애스티붐, 접착제 및 모링가 올레이페라는 임의의 형태이고 임의의 적합한 원천에서 유래될 수 있다. 특정 양태에 따르면, 아자디라크타 인디카는 아자디라크타 인디카의 나무껍질 추출물일 수 있다. 또 다른 특정 양태에 따르면, 모링가 올레이페라는 모링가 올레이페라의 나무껍질 추출물일 수 있다.
배터리 전극 결합제는 수중 분산된 적어도 하나의 성분을 포함할 수 있고, 이에 의해 적어도 하나의 성분의 수성 조성물을 포함한다. 특히, 수성 조성물은 적어도 하나의 성분의 임의의 하나의 하기 조합을 포함할 수 있다:
(ⅰ) 아자디라크타 인디카 및 트리티쿰 애스티붐;
(ⅱ) 트리티쿰 애스티붐 및 접착제;
(ⅲ) 아자디라크타 인디카 및 접착제;
(ⅳ) 접착제 및 모링가 올레이페라;
(ⅴ) 아자디라크타 인디카 및 모링가 올레이페라;
(ⅵ) 아자디라크타 인디카, 접착제 및 모링가 올레이페라; 또는
(ⅶ) 접착제.
배터리 전극 결합제는 수중 분산된 적합한 비율의 적어도 하나의 성분을 포함할 수 있다.
특정 양태에 따르면, 수성 조성물에 포함된 적어도 하나의 성분 대 물의 중량비는 1:1∼1:20의 범위일 수 있다. 특히, 중량비는 1:2∼1:19, 1:4∼1:18, 1:5∼1:15, 1:7∼1:13, 1:8∼1:12 1:10∼1:11일 수 있다. 보다 구체적으로, 중량비는 1:10일 수 있다.
본 발명의 제2 양태는 상술된 바와 같은 전극 활물질 및 결합제를 포함하는 배터리 전극을 제공한다. 특히, 배터리 전극은 양극 또는 음극일 수 있다. 더욱 구체적으로, 배터리 전극은 배터리 전극이 양극인 경우 양극 활물질을 포함할 수 있고 배터리 전극이 음극인 경우 음극 활물질을 포함할 수 있다.
전극 활물질은 임의의 적합한 전극 활물질일 수 있다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리에 있어서, 전극 활물질은 Li+-함유 화합물, 전이 금속 산화물, 리튬 금속 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 배터리가 나트륨 이온 배터리인 경우, 전극 활물질은 Na+-함유 화합물, 전이 금속 산화물, 나트륨 금속 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
특정 양태에 따르면, 배터리 전극은 전도성 물질을 추가로 포함할 수 있다. 전도성 물질은 임의의 적합한 전도성 물질일 수 있다. 예를 들어, 전도성 물질은 비제한적으로 아세틸렌 블랙, 수퍼 P 카본 블랙, 흑연, 하드 카본, 카본 나노튜브 또는 이의 조합과 같이, 리튬 이온 및 나트륨 이온 배터리에서 사용되는 임의의 적합한 전도성 물질일 수 있다.
본 발명은, 제3 양태에 따르면, 상술된 배터리 전극을 포함하는 배터리를 제공한다. 배터리는 임의의 적합한 배터리, 예컨대 비제한적으로 리튬 이온 배터리 또는 나트륨 이온 배터리일 수 있다.
제4 양태에 따르면,
- 상술된 배터리 전극 결합제를 전극 활물질과 혼합하여 전극 코팅 조성물을 형성하는 단계; 및
- 집전기 상에 전극 코팅 조성물을 코팅하여 배터리 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 배터리 전극의 제조 방법이 제공된다.
특정 양태에 따르면, 배터리 전극 결합제는 아자디라크타 인디카, 트리티쿰 애스티붐, 접착제 및 모링가 올레이페라로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분을 물에 용해시켜 형성될 수 있으며, 여기서 물은 25∼90℃의 온도일 수 있다.
혼합은 균질 용액을 형성하기 위한 소정 기간 동안의 교반을 포함할 수 있다. 소정 기간은 임의의 적합한 기간일 수 있다. 예를 들어, 소정 기간은 0.1∼12시간일 수 있다. 특히, 소정 기간은 0.5∼10시간, 1.0∼9.5시간, 1.5∼9.0시간, 2.0∼8.5시간, 2.5∼8.0시간, 3.0∼7.5시간, 3.5∼7.0시간, 4.0∼6.5시간, 4.5∼6.0시간, 5.0∼6.5시간 또는 5.5∼6.0시간일 수 있다. 보다 구체적으로, 소정 기간은 0.5∼5.0시간일 수 있다.
특정 양태에 따르면, 혼합은 전도성 물질의 혼합을 추가로 포함할 수 있다. 전극 활물질 및 전도성 물질은 전술된 바와 같을 수 있다.
이 방법은 코팅 후 배터리 전극을 건조하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 건조는 임의의 적합한 방법에 의할 수 있다. 특히, 건조는 진공 챔버 또는 불활성 기체 분위기에서 배터리 전극의 건조를 포함할 수 있다.
본 발명이 완전히 이해되고 실제 효과로 쉽게 투입될 수 있도록 하기 위해, 이제 비제한적이고 단지 예시적인 구현예로 설명될 것이며, 설명은 첨부되는 예시적 도면이 참조된다. 도면에서,
도 1은 결합제로 PVDF, CMC 또는 결합제 AB를 사용하는 Li4Ti5O12 대 Li/Li+의 첫 번째 사이클의 전압 프로필(C/5에서)의 비교를 나타낸다;
도 2는 상이한 C-율에서 PVDF 결합제(도 2a), 결합제 AC(도 2b) 및 결합제 CD(도 2c)를 사용하는 Li4Ti5O12 대 Li의 충전 및 방전 곡선을 나타낸다;
도 3은 1C에서 결합제 AC(1:1) 및 PVDF를 사용하는 Li4Ti5O12 대 Li의 사이클링 성능을 나타낸다;
도 4는 PVDF 결합제(도 4a) 및 결합제 AC(도 4b)를 사용하는 2.6∼4.2 V의 전압 범위로 다양한 C-율에서 NMC의 초기 충전-방전 곡선을 나타낸다;
도 5는 C/5에서 PVDF 및 결합제 AC로 제조된 NMC 전극을 사용하는 코인 전지의 사이클 수명 비교를 나타낸다;
도 6은 C/5에서 결합제 AB를 사용하는 MCMB 대 Li/Li+의 전압 프로필을 나타낸다;
도 7은 C/5에서 결합제 AB(1:1)를 사용하는 LiMn0.8Fe0.15Mg0.05PO4 대 Li/Li+의 전압 프로필을 나타낸다;
도 8은 C/5에서 결합제 AB(1:1)를 사용하는 LiMn2O4 대 Li/Li+의 전압 프로필을 나타낸다;
도 9는 C/5에서 결합제 C(도 9a) 및 PVDF(도 9b)를 사용하는 α-Fe2O3 대 Li/Li+의 전압 프로필을 나타낸다;
도 10은 C/5에서 결합제 C를 사용하는 NaTi2(PO4)3 대 Na/Na+의 전압 프로필을 나타낸다; 그리고
도 11은 결합제 AC를 포함하는 전극을 사용하여 제조된 18650 원형 배터리, NMC 대 LTO의 전압 프로필을 나타낸다.
상술된 바와 같이, 수계이고 현재 공지된 수계 결합제의 문제를 극복할 수 있는 개선된 배터리 전극 결합제에 대한 필요성이 존재한다. 특히, 본 발명은 저-비용이며, 제조하기 용이하고, 취급하기 용이하고 안전하고, 환경 친화적인 수계 결합제를 제공한다. 본 발명의 수계 결합제는 또한 이것이 코팅되는 전극의 집전기와 우수한 접착성을 갖는다. 특히, 본 발명의 결합제는 우수한 접착력뿐만 아니라 전극의 활물질 및 전도성 물질 간에 우수한 전기적 네트워크를 형성하는 능력을 가져서 배터리 내의 전자 수송 및 이온 확산을 촉진한다. 또한, 결합제가 수계이므로, 결합제가 코팅되는 집전기의 부식이 없거나 최소이다.
본 발명은 또한 수계 결합제를 포함하는 배터리 전극 및 배터리를 제공한다. 본 발명의 결합제를 포함하는 전극은 또한 요망되는 특성, 예컨대 더 우수한 기계적 강도, 더 높은 유연성, 개선된 전지 성능 및 더 적은 분극 관점에서의 고율 성능을 나타낸다.
제1 양태에 따르면, 아자디라크타 인디카, 트리티쿰 애스티붐, 접착제 및 모링가 올레이페라로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분의 수성 조성물을 포함하는 배터리 전극 결합제가 제공된다.
각각의 아자디라크타 인디카, 트리티쿰 애스티붐, 접착제 및 모링가 올레이페라는 임의의 형태이고 임의의 적합한 원천으로부터 유래될 수 있다. 예를 들어, 각각의 성분은 고체 또는 액체 형태일 수 있다. 특히, 각각의 성분은 고체 형태일 수 있다. 더욱 구체적으로, 각각의 성분은 분말 형태일 수 있다.
특정 양태에 따르면, 아자디라크타 인디카는 아자디라크타 인디카의 나무껍질 추출물일 수 있다. 또 다른 특정 양태에 따르면, 접착제는 상업적인 액체 접착제(예컨대 Deli 브랜드)일 수 있다.
배터리 전극 결합제는 수중 분산된 아자디라크타 인디카, 트리티쿰 애스티붐, 접착제 및 모링가 올레이페라로 이루어진 군으로부터 선택되는 요망되는 비율의 하나 이상의 성분을 포함할 수 있고, 이에 의해 적어도 하나의 성분의 수성 조성물을 포함한다.
적어도 하나의 성분이 분산되는 물은 임의의 적합한 온도일 수 있다. 특정 양태에 따르면, 물은 분산 전에 사전-가열될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 성분이 분산되는 물은 25∼90℃의 온도일 수 있다. 특히, 온도는 30∼90℃, 35∼85℃, 40∼80℃, 45∼75℃, 50∼70℃, 55∼65℃, 58-60℃일 수 있다. 보다 구체적으로, 물이 가열되는 온도는 70℃일 수 있다. 이러한 사전-가열은 본 발명의 결합제를 사용하여 전극을 형성하는 경우, 전극 활물질 및 집전기 간 접착을 촉진할 수 있다. 물이 가열되는 온도가 비교적 낮으므로, 과도한 에너지가 요구되지 않아 결합제의 제조 비용이 낮게 유지된다.
적어도 하나의 성분은 적합한 비율로 수중 분산될 수 있다. 예를 들어, 적어도 2개 또는 3개 성분이 적합한 비율로 수중 분산될 수 있다. 수성 조성물이 2개 성분을 포함하는 경우, 성분의 중량 비율은 0.1:1∼1:1일 수 있다. 특히, 각각의 두 성분의 중량 비율은 0.2:1∼0.9:1, 0.3:1∼0.8:1, 0.4:1∼0.7:1, 0.5:1∼0.6:1일 수 있다. 보다 구체적으로, 중량비는 1:1일 수 있다. 수성 조성물이 3개 성분을 포함하는 경우, 성분의 중량 비율은 0.1:0.1:1∼1:1:1일 수 있다. 특히, 중량 비율은 0.25:0.5:1, 0.5:0.5:1, 1:0.5:1, 1:1:0.5일 수 있다.
수성 조성물은 임의의 하나의 성분 또는 성분들이 가변 중량비로 포함되는 성분들의 조합을 포함할 수 있다. 특정 양태에 따르면, 수성 조성물은 적어도 하나의 성분의 임의의 하나의 하기 조합을 포함할 수 있다:
(ⅰ) 아자디라크타 인디카 및 트리티쿰 애스티붐;
(ⅱ) 트리티쿰 애스티붐 및 접착제;
(ⅲ) 아자디라크타 인디카 및 접착제;
(ⅳ) 접착제 및 모링가 올레이페라;
(ⅴ) 아자디라크타 인디카 및 모링가 올레이페라;
(ⅵ) 아자디라크타 인디카, 접착제 및 모링가 올레이페라; 또는
(ⅶ) 접착제.
적어도 하나의 성분 또는 적어도 하나의 성분의 조합은 적합한 양의 수중에 분산되어 요망되는 점도의 배터리 전극 결합제를 형성할 수 있다. 특정 양태에 따르면, 수중 분산된 성분의 총 중량 대 물의 중량비는 1:1∼1:20일 수 있다. 특히, 중량비는 1:2∼1:19, 1:4∼1:18, 1:5∼1:15, 1:7∼1:13, 1:8∼1:12, 1:10∼1:11일 수 있다. 보다 구체적으로, 중량비는 1:4, 1:8, 1:10일 수 있다.
본 발명의 제2 양태는 전극 활물질 및 상술된 바와 같은 결합제를 포함하는 배터리 전극을 제공한다. 특히, 배터리 전극은 양극(캐쏘드) 또는 음극(애노드)일 수 있다. 보다 구체적으로, 배터리 전극은 배터리 전극이 양극인 경우 양극 활물질을 포함할 수 있고 배터리 전극이 음극인 경우 음극 활물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 목적을 위해, 양극은 배터리가 부하에 연결되는 경우, 전자를 흡수할 수 있는 전극을 나타낼 수 있다. 상기 명명법에서, 이는 캐쏘드를 나타낸다.
본 발명의 목적을 위해, 음극은 작동 동안 전자를 방출할 수 있는 전극을 나타낼 수 있다. 상기 명명법에서, 이는 애노드를 나타낸다.
전극 활물질은 전극을 위해 또는 전극 내에서 또는 전극 상에서 또는 전극으로 사용될 수 있는 무기 물질 또는 무기 화합물 또는 성분을 나타낸다. 이들 화합물 또는 성분은 리튬/나트륨 이온 또는 금속 리튬/나트륨을 흡수(삽입)할 수 있고 이의 화학적 성질로 인해 이들을 다시 리튬/나트륨 이온 배터리의 작동 조건 하에 방출할 수 있다. 전기화학적 전지 또는 배터리에서의 용도를 위해, 전극 활물질이 지지체에 적용될 수 있다. 예를 들어, 지지체는 금속 지지체, 예컨대 비제한적으로 캐쏘드에 대해서는 알루미늄 및 애노드에 대해서는 구리일 수 있다. 지지체는 또한 집전기로 나타낼 수 있다.
전극 활물질은 임의의 적합한 전극 활물질일 수 있다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리에 있어서, 전극 활물질은 비제한적으로 Li+-함유 화합물, 전이 금속 기재 산화물, 탄소 기재 물질, 리튬 금속 또는 이의 조합로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 배터리가 나트륨 이온 배터리인 경우, 전극 활물질은 Na+-함유 화합물, 전이 금속 기재 산화물, 탄소 기재 물질, 나트륨 금속 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
전극 활물질은 리튬/나트륨 이온의 가역적 삽입 및 삽입제거가 가능한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 리튬/나트륨 이온의 가역적 삽입 및 삽입제거가 가능한 물질은 탄소-기재 물질일 수 있고, 이것이 리튬/나트륨 배터리에서 사용되는 일반적인 탄소-기재 전극 활물질을 위해 사용되는 한 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 물질은 결정형 탄소, 무정형 탄소, 또는 이의 혼합물일 수 있다. 결정형 탄소의 예에는 비제한적으로 무정형, 플레이트, 플레이크, 원형 또는 섬유 천연 흑연, 또는 인공 흑연이 포함된다. 무정형 탄소의 예에는 비제한적으로 연성 탄소(저온 소결 탄소), 경성 탄소, 메조상 피치 카바이드, 메조 카본 마이크로비드(MCMB), 소결 코크스, 합금-기재 물질, 예컨대 규소, 주석 등이 포함된다. 특히, 전극 활물질은 흑연을 포함할 수 있다.
전이 금속 기재 산화물의 예에는 비제한적으로 텅스텐 산화물, 몰리브덴 산화물, 티탄 산화물, 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물, 나트륨 티타네이트, 리튬 바나듐 포스페이트, 나트륨 바나듐 포스페이트, 프러시안 블루 유사체, Li-풍부 Mn/Ni 층화 산화물 등이 포함된다.　
특히, 전극 활물질은 비제한적으로 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC), 리튬 코발트 산화물, 메조 카본 마이크로 비드(MCMB), Li4Ti5O12, LiMn0.8Fe0.15Mg0.05,PO4, LiFePO4, LiMn2O4, LiNi0.5Mn1.5O4, α-Fe2O3, NaTi2(PO4)3, 또는 이의 조합일 수 있다.
특정 양태에 따르면, 배터리 전극은 전도성 물질을 추가로 포함할 수 있다. 전도성 물질은 배터리 전극의 전기 전도성을 개선할 수 있다. 전도성 물질은 임의의 적합한 전도성 물질일 수 있다. 예를 들어, 전도성 물질에는 화학적 변화의 유도를 배제하거나 실질적으로 배제할 수 있는 물질이 포함된다. 예시적인 전도성 물질에는 비제한적으로 탄소-기재 물질, 예컨대 천연 흑연, 인공 흑연, 수퍼 P 카본 블랙, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 경성 카본, 카본 나노튜브 또는 탄소 섬유; 하나 이상의 금속, 예컨대 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등을 포함하는 금속 분말 또는 금속 섬유(등)의 금속-기재 물질; 전도성 중합체 물질, 예컨대 폴리페닐렌 유도체; 또는 이의 조합이 포함된다. 특히, 전도성 물질은 수퍼 P 카본 블랙 단독 또는 다른 적합한 전도제와의 조합일 수 있다.
본 발명은, 제3 양태에 따르면, 상술된 배터리 전극을 포함하는 배터리를 제공한다. 배터리는 임의의 적합한 배터리, 예컨대 비제한적으로 리튬 이온 배터리 또는 나트륨 이온 배터리일 수 있다.
특정 양태에 따르면, 배터리는 음극, 음극을 마주하는 양극, 및 음극과 양극 사이에 배치된 전해질을 포함할 수 있고, 여기서 적어도 하나의 음극 및 양극은 결합제를 포함한다.
전해질은 임의의 적합한 전해질일 수 있다. 특히, 전해질은 리튬/나트륨 전해질 염이 단일 용매 또는 상이한 부피비로 혼합된 2개 이상의 용매를 포함하는 용매 혼합물 중에 용해된 액체를 포함한다. 예를 들어, 용매 혼합물은 각각 1:1 또는 1:1:1의 부피비로 2개 또는 3개 용매의 조합을 포함할 수 있다. 액체는 바람직하게는 전해질 염에 대한 용매이다. 이어서 Li/Na 전해질 염은 바람직하게는 전해질 용액으로 존재한다. 예를 들어, 전해질 용액은 에틸렌 카보네이트(EC), 디메틸 카보네이트(DMC) 및 디에틸렌 카보네이트(DEC)의 용매 혼합물 중 균일하게 용해된 리튬 헥사플루오로 포스페이트(LiPF6)를 포함할 수 있다.
양극 및 음극은 세퍼레이터를 사용하여 분리될 수 있고, 리튬/나트륨 배터리에서 일반적으로 사용되는 임의의 세퍼레이터가 사용될 수 있다. 특정 양태에 따르면, 세퍼레이터는 뛰어난 전해질 용액 함유능을 가지면서, 전해질의 이온성 이동에 대해 낮은 저항을 가질 수 있다. 세퍼레이터는 또한 전자에 대해 비-전도체일 수 있다. 예를 들어, 세퍼레이터는 비제한적으로 유리 섬유 또는 중합체로부터 선택되는 물질을 포함할 수 있다. 적합한 중합체에는 비제한적으로 폴리에스테르, 바람직하게는 폴리에틸렌 테레프탈레이트; 폴리올레핀, 바람직하게는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌; 폴리아크릴로니트릴; 폴리비닐리덴 플루오라이드; 폴리비닐리덴-헥사플루오로프로필렌; 폴리에테르 이미드; 폴리이미드, 폴리에테르; 폴리에테르 케톤 및 이의 혼합물이 포함된다. 세퍼레이터는 이것이 리튬/나트륨 이온에 대해 투과성이도록 다공성을 가질 수 있다.
제4 양태에 따르면,
- 상술된 배터리 전극 결합제를 전극 활물질과 혼합하여 전극 코팅 조성물을 형성하는 단계; 및
- 집전기 상에 전극 코팅 조성물을 코팅하여 배터리 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 배터리 전극의 제조 방법이 제공된다.
특히, 전극 코팅 조성물은 슬러리일 수 있다. 보다 구체적으로, 전극 코팅 조성물은 점성 슬러리일 수 있다.
전극 활물질 및 집전기는 상술된 바와 같을 수 있다.
특정 양태에 따르면, 배터리 전극 결합제는 아자디라크타 인디카, 트리티쿰 애스티붐, 접착제 및 모링가 올레이페라로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분을 물에 용해시켜 형성될 수 있고, 물은 25∼90℃의 온도일 수 있다.
혼합은 균질 용액을 형성하기 위한 소정 기간 동안의 교반을 포함할 수 있다. 소정 기간은 임의의 적합한 기간일 수 있다. 예를 들어, 소정 기간은 0.1∼12시간일 수 있다. 특히, 소정 기간은 0.5∼10시간, 1.0∼9.5시간, 1.5∼9.0시간, 2.0∼8.5시간, 2.5∼8.0시간, 3.0∼7.5시간, 3.5∼7.0시간, 4.0∼6.5시간, 4.5∼6.0시간, 5.0∼6.5시간 또는 5.5∼6.0시간일 수 있다. 보다 구체적으로, 소정 기간은 0.5∼5시간일 수 있다.
특정 양태에 따르면, 혼합은 전도성 물질의 혼합을 추가로 포함할 수 있다. 전도성 물질은 상술된 바와 같을 수 있다.
코팅은 집전기의 표면 상에서 균일한 층의 전극 코팅 조성물의 코팅을 포함할 수 있다. 코팅은 임의의 적합한 방법에 의할 수 있다. 예를 들어, 코팅은 적합한 두께의 코팅을 제공하기 위해 금속 메쉬, 예컨대 니켈 또는 스테인리스 스틸, 구리 또는 알루미늄 상에서 전극 코팅 조성물의 닥터 블레이드 방법, 어플리케이터 방법, 바 코팅, 직접 침지, 또는 실크 스크린 방법 또는 딥 코팅에 의할 수 있다. 예를 들어, 닥터 블레이드 방법에서, 전극 코팅 조성물은 집전기 상에 코팅될 수 있고, 소정 슬릿 폭을 갖는 블레이드에 의해 적합하고 균일한 두께로 균등화될 수 있다. 특히, 코팅은 닥터 블레이드 방법에 의해 집전기 상에서 전극 코팅 조성물의 코팅을 포함할 수 있다.
방법은 코팅 후 배터리 전극을 건조하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 건조는 적합한 조건 하에 임의의 적합한 방법에 의할 수 있다. 특히, 건조는 진공 챔버에서 배터리 전극의 건조를 포함할 수 있다. 건조는 진공 조건 하에 또는 불활성 기체 분위기, 예컨대 아르곤 또는 질소에서 수행될 수 있다.
건조는 임의의 적합한 온도에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 건조는 80∼250℃의 온도에서 수행될 수 있다. 특히, 건조는 90∼225℃, 100∼200℃, 120∼180℃, 130∼170℃, 140∼160℃, 145∼150℃의 온도에서 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 건조는 약 120℃의 온도에서 수행될 수 있다.
건조는 적합한 기간 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 건조는 전극으로부터 수분이 배출될 때까지, 예컨대 3∼15시간 동안 수행될 수 있다. 특히, 건조는 4∼11시간, 5∼10시간, 6∼9시간, 7∼8시간 동안 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 건조는 약 10시간 동안 수행된다.
이어서 건조된 전극은 배터리 전극을 제조하기 위해 프레스 장치에 의해 프레스 처리를 거칠 수 있다. 프레스 처리는 적합한 온도, 예컨대 실온 또는 25∼100℃의 온도에서 수행될 수 있다. 프레스 처리는 5∼15 kPa의 임의의 적합한 압력에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 프레스 처리는 약 12 kPa에서 롤 프레스의 사용을 포함할 수 있다.
본 발명은 하기 비제한적인 실시예에 의해 예시될 것이다.
실시예 1
A:B=1:1의 중량비로 결합제 A 및 결합제 B를 혼합하여 아자디라크타 인디카(결합제 A) 및 트리티쿰 애스티붐(결합제 B)을 포함하는 배터리 전극 결합제를 제조하였다. 이어서 이들을 70℃의 온도까지 가열된 수중에 분산시켰다. 고체 결합제(결합제 AB) 및 물을 1:10의 중량비로 혼합하였다.
이어서 90:10의 중량비로 전극 활물질 Li4Ti5O12(리튬 티타네이트, LTO) 및 결합제 AB를 혼합하여 평가 전극을 제조하였다. 전도성 물질은 첨가하지 않았다. 결합제 AB 및 활물질을 함유하는 슬러리를 0.5시간 동안 교반하여 균질 혼합물을 얻었다. 이후, 슬러리를 3∼4 ㎎/㎠의 부하로 알루미늄 호일 상에 코팅하였다.
이어서 코팅된 전극을 10시간 동안 120℃의 온도로 진공 챔버에서 하룻밤 동안 건조하여 수분을 배출시켰다. 그 뒤 건조된 전극을 실온에서 롤 프레스를 사용해서 프레스하여 필요한 압축을 제공하였다. 이어서 전극을 원형 디스크로 절단하고 글러브 박스 내로 옮겼다. 전극을 세퍼레이터 막으로 분리된 리튬 금속과 조합하여 절반 전지를 제조하였다. 그 뒤 전체 어셈블리를 에틸렌 카보네이트(EC) 및 디에틸렌 카보네이트(DEC) 1:1 v/v 부피비 중 1.2M LiPF6 내로 침지시켰다.
비교를 위해, 전극을 또한 PVDF 및 CMC 결합제를 사용하여 제조하였다. 중량비 1:10으로 PVDF 및 NMP를 혼합하여 PVDF 결합제를 제조하였다. 중량비 1:40으로 CMC 및 물을 혼합하여 CMC 결합제를 제조하였다. 전극은 활물질, 전도성 첨가제 및 PVDF 또는 CMC 결합제를 90:0:10의 비로 함유하였다.
도 1은 결합제 AB, PVDF 및 CMC를 사용하는 Li4Ti5O12(LTO) 대 Li/Li+의 첫 번째 사이클의 전압 프로필을 비교한다. 모든 절반 전지를 전압 윈도우 1.0∼2.5 V로 0.2 C에서 사이클링하였다. 모든 3개 전지는 사용된 결합제와 무관하게 Li/Li+ 대비 1.55 V의 평균 삽입 전위를 나타내었다. 그러나, 결합제 AB를 사용하여 제조된 전지는 다른 결합제를 사용하여 제조된 전지에 비해 166 mAh g-1의 훨씬 더 높은 탈-리튬화능을 나타내었다.
실시예 2
결합제가 각각 결합제 AC(결합제 A 및 접착제(결합제 C)의 혼합물)(A 대 C의 중량비는 1:1임), 결합제 CD(결합제 C 및 모링가 올레이페라(결합제 D)의 혼합물)(C 대 D의 중량비는 1:1임) 및 PVDF인 것을 제외하고, 실시예 1에 따라 3개 전극을 제조하였다. 전극을 1:1:1 v/v/v의 부피비로 EC:DEC:디메틸렌 카보네이트(DMC) 중 1.3M LiPF6 중에 침지시켜 더 우수한 이온 확산을 촉진하였다.
도 2는 0.1C 내지 2C 범위의 상이한 C-율에서 PVDF(도 2a), 결합제 AC(도 2b) 및 결합제 CD(도 2c)를 사용한 LTO 전극의 방전율 성능 및 방전 프로필을 나타낸다. 전극 내 활물질의 전형적인 부하는 약 12∼14 ㎎/㎠이며, 이는 상업적으로 이용 가능한 배터리에서 채택되는 부하, 즉 업계 표준과 동등하다.
도 2b 및 2c에 나타낸 바와 같이, 결합제 AC/CD 기재 전극의 충전 용량은 모든 C-율에서 PVDF(도 2a) 기재 결합제의 충전 용량보다 높다. 충전 용량은 모든 고려된 전극에 있어서, 특히 PVDF 결합제를 갖는 전극에 있어서 방전율 상승과 함께 감소하였다. 방전율 증가와 함께, 결합제 AC/CD를 포함하는 전극이 더 큰 개선을 나타낸다. 0.2 C에서 2C로의 충전 용량에서 검출되는 충전능 감소는 각각 AC/CD 기재 전극 및 PVDF-기재 전극에 있어서 약 12% 및 20%이다. 따라서, 결합제 AC/CD 기재 LTO 애노드는 PVDF-기재 전극에 비해 더 우수한 성능을 나타낸다. 또한, AC 결합제를 사용하는 LTO 전지는 도 3에 나타낸 바와 같이 PVDF 결합제를 사용하는 LTO 전지에 비해 개선된 사이클 성능을 나타내었다.
실시예 3
실시예 2에서 제조된 LTO 전극과 유사하게, 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC) 전극을 또한 결합제 AC 및 PVDF를 사용하여 제조하였다. 도 4는 2.6∼4.2의 전압 범위에서 다양한 전류 밀도로 PVDF(도 4a) 및 결합제 AC(도 4b)를 사용하는 NMC 전극의 충전-방전 프로필을 나타낸다. 실온 및 1C 율에서 결합제 AC 및 PVDF 결합제를 포함하는 NMC 전극의 사이클링 성능을 도 5에 나타낸다. 결합제 AC를 사용하여 제조된 전지에 있어서 더 우수한 방전 안정성이 관찰되는 반면, PVDF 결합제로 제조된 전지는 11%만큼 용량을 소실한다.
실시예 4
A:B=1:1의 중량비로 결합제 A 및 결합제 B를 혼합하여 결합제 AB를 수득하였다. 이어서 이를 70℃의 온도까지 가열된 수중에 분산시켰다. 고체 결합제(결합제 AB) 및 물을 1:8의 중량비로 혼합하였다.
그 뒤 중량비 90:2:8로 메조 카본 마이크로 비드(MCMB), 전도성 첨가제로 아세틸렌 블랙 및 결합제 AB를 혼합하여 평가 전극을 제조하였다. 결합제 AB 및 활물질을 함유하는 슬러리를 0.5시간 동안 교반하여 균질 블렌딩을 얻었다. 이후, 슬러리를 13∼15 ㎎/㎠의 부하로 구리 호일 상에 코팅하였다.
이어서 코팅된 전극을 10시간 동안 120℃의 온도로 진공 챔버에서 건조하여 수분을 배출시켰다. 그 뒤 건조된 전극을 롤 프레스를 사용해서 프레스하여 필요한 압축을 제공하였다. 이어서 전극을 원형 디스크로 절단하고 글러브 박스 내로 옮겼다. 전극을 세퍼레이터 막으로 분리된 리튬 금속과 조합하여 절반 전지를 제조하였다. 그 뒤 전체 어셈블리를 1:1 v/v의 EC 및 DEC 중 1.2M LiPF6을 포함하는 전해질 내로 침지시켰다.
도 6은 전압 윈도우 0∼3.0 V에서 사이클링된 메조 카본 마이크로 비드(MCMB) 대 Li/Li+의 전압 프로필을 나타낸다. 알 수 있듯이, MCMB에서의 평균 리튬 삽입 전위는 Li/Li+ 대비 약 0.1 V로 약 306 mAh g-1의 첫 번째 탈리튬화능을 가지며, 이는 376 mAh g-1의 그 이론치 탈리튬화능에 가깝다. 이는 약 0 V의 더 낮은 전위 범위에서의 결합제 AB의 상용성을 예시한다.
실시예 5
A:B=1:1의 중량비로 결합제 A 및 결합제 B를 혼합하여 결합제 AB를 수득하였다. 이어서 이를 70℃의 온도까지 가열된 수중에 분산시켰다. 고체 결합제(결합제 AB) 및 물을 1:4의 중량비로 혼합하였다.
이어서 중량비 65:25:10으로 LiMn0.8Fe0.15Mg0.05PO4(LMFP), 전도성 첨가제로 수퍼 P 카본 블랙 및 결합제 AB를 혼합하여 평가 전극을 제조하였다. 결합제 AB 및 활물질을 함유하는 슬러리를 0.5시간 동안 교반하여 균질 블렌딩을 얻었다. 이후, 슬러리를 13∼15 ㎎/㎠의 부하로 알루미늄 호일 상에 코팅하였다.
이어서 코팅된 전극을 10시간 동안 120℃의 온도로 진공 챔버에서 건조하여 수분을 배출시켰다. 그 뒤 건조된 전극을 롤 프레스를 사용해서 프레스하여 필요한 압축을 제공하였다. 이어서 전극을 원형 디스크로 절단하고 글러브 박스 내로 옮겼다. 전극을 세퍼레이터 막으로 분리된 리튬 금속과 조합하여 절반 전지를 제조하였다. 그 뒤 전체 어셈블리를 1:1 부피비의 EC 및 DEC의 혼합물 중 1.2M LiPF6 내로 침지시켰다.
도 7은 전압 윈도우 2.3∼4.6 V에서 사이클링된 LiMn0.8Fe0.15Mg0.05PO4 대 Li/Li+의 전압 프로필을 나타낸다. 알 수 있듯이, Li/Li+ 대비 Mn2+/Mn3+ 및 Fe2+/Fe3+ 산화환원 커플에 해당하는 4.0 V 및 3.5 V에서 명확한 방전 정체기가 나타난다. 수득된 방전 용량은 156 mAh g-1로, 이는 163 mAh g-1의 그 이론치 방전 용량에 가깝다. 이는 약 4.6 V의 더 높은 전위 범위에서 결합제 AB의 상용성을 예시한다.
실시예 6
A:B=1:1의 중량비로 결합제 A 및 결합제 B를 혼합하여 결합제 AB를 수득하였다. 이어서 이를 70℃의 온도까지 가열된 수중에 분산시켰다. 고체 결합제(결합제 AB) 및 물을 1:10의 중량비로 혼합하였다.
이어서 중량비 80:10:10으로 LiMn2O4, 전도성 첨가제로 수퍼 P 카본 블랙 및 결합제 AB를 혼합하여 평가 전극을 제조하였다. 결합제 AB 및 활물질을 함유하는 슬러리를 0.5시간 동안 교반하여 균질 블렌딩을 얻었다. 이후, 슬러리를 12∼15 ㎎/㎠의 부하로 알루미늄 호일 상에 코팅하였다.
이어서 코팅된 전극을 10시간 동안 120℃의 온도로 진공 챔버에서 건조하여 수분을 배출시켰다. 그 뒤 건조된 전극을 롤 프레스를 사용해서 프레스하여 필요한 압축을 제공하였다. 이어서 전극을 원형 디스크로 절단하고 글러브 박스 내로 옮겼다. 전극을 세퍼레이터 막으로 분리된 리튬 금속과 조합하여 절반 전지를 제조하였다. 그 뒤 전체 어셈블리를 EC 및 DEC의 1:1 v/v 혼합물 중 1.2M LiPF6 내로 침지시켰다.
도 8은 전압 윈도우 3.0∼4.6 V에서 사이클링된 LiMn2O4 대 Li/Li+의 전압 프로필을 나타낸다. 알 수 있듯이, LiMn2O4에 특징적인 경사 전압 프로필은 4.0 V의 평균 전압으로 수득된다. 또한, 수득된 방전 용량은 약 136 mAh g-1로, 이는 148 mAh g-1의 그 이론치 방전 용량에 가깝다. 본 실시예는 최대 4.6 V의 더 높은 전위 범위에서의 결합제 AB의 상용성을 추가로 예시한다.
실시예 7
본 실시예에서는 접착제(결합제 C)를 결합제로 사용하였다. 이어서 결합제 C를 70℃의 온도까지 가열된 수중에 분산시켰다. 고체 결합제(결합제 C) 및 물을 1:10의 중량비로 혼합하였다.
이어서 중량비 75:15:10으로 α-Fe2O3, 전도성 첨가제로 수퍼 P 카본 블랙 및 결합제 C를 혼합하여 평가 전극을 제조하였다. 결합제 C 및 활물질을 함유하는 슬러리를 0.5시간 동안 교반하여 균질 블렌딩을 얻었다. 이후, 슬러리를 13∼15 ㎎/㎠의 부하로 구리 호일 상에 코팅하였다.
이어서 코팅된 전극을 10시간 동안 120℃의 온도로 진공 챔버에서 건조하여 수분을 배출시켰다. 그 뒤 건조된 전극을 롤 프레스를 사용해서 프레스하여 필요한 압축을 제공하였다. 이어서 전극을 원형 디스크로 절단하고 글러브 박스 내로 옮겼다. 전극을 세퍼레이터 막으로 분리된 리튬 금속과 조합하여 절반 전지를 제조하였다. 그 뒤 전체 어셈블리를 EC 및 DEC의 1:1 v/v 혼합물 중 1.2M LiPF6 내로 침지시켰다.
도 9는 α-Fe2O3 대 Li/Li+의 전압 프로필을 나타낸다. 도 9a에서 알 수 있듯이, 결합제 C를 사용하는 첫 번째 방전 전압 프로필은 상기 물질의 전환 반응에 의해 리튬 저장에 전형적인, 약 0.8 V에서 평탄한 정체기를 나타낸다. 첫 번째 사이클의 방전 및 충전 용량은 1604 mAh g-1 및 1225 mAh g-1로, 77%의 높은 첫 번째 사이클의 쿨롱 효율로 이어진다. 이는 단지 1351 및 722 mAh g-1의 첫 번째 사이클 방전 및 충전 용량을 전달하는 통상적인 PVDF 결합제를 사용하는 α-Fe2O3 대 Li/Li+와 뚜렷이 대조된다(도 9b). 명백하게, PVDF 결합제로 제조된 α-Fe2O3 전극의 첫 번째 사이클의 쿨롱 효율은 단지 53%로, 이는 결합제 C로 제조된 α-Fe2O3 전극보다 낮다. 첫 번째 사이클에서의 낮은 쿨롱 효율은 PVDF 결합제로 제조된 전환 유형 전극에서 일반적으로 나타났다. 놀랍게도, 결합제 C로의 PVDF의 대체는 시스템의 첫 번째 사이클의 쿨롱 효율을 유의미하게 개선하였다. 첫 번째 사이클에서 리튬의 영구 손실을 야기하므로, 낮은 쿨롱 효율이 매우 바람직하지 못함을 주지하는 것이 중요하다. 또한, 결합제 C를 갖는 α-Fe2O3는 98%의 초기 탈리튬화능을 보유한 반면, PVDF를 갖는 α-Fe2O3는 10 사이클 후 67%만을 보유하였다.
실시예 8
본 실시예에서는 접착제(결합제 C)를 결합제로 사용하였다. 이어서 결합제 C를 0.5시간 동안 70℃의 온도까지 가열된 수중에 분산시켰다. 고체 결합제(결합제 C) 및 물을 1:10의 중량비로 혼합하였다.
이어서 중량비 80:10:10으로 NaTi2(PO4)3, 전도성 첨가제로 수퍼 P 카본 블랙 및 결합제 C를 혼합하여 평가 전극을 제조하였다. 결합제 C 및 활물질을 함유하는 슬러리를 0.5시간 동안 교반하여 균질 블렌딩을 얻었다. 이후, 슬러리를 13∼15 ㎎/㎠의 부하로 구리 호일 상에 코팅하였다.
이어서 코팅된 전극을 10시간 동안 120℃의 온도로 진공 챔버에서 건조하여 수분을 배출시켰다. 그 뒤 건조된 전극을 롤 프레스를 사용해서 프레스하여 필요한 압축을 제공하였다. 이어서 전극을 원형 디스크로 절단하고 글러브 박스 내로 옮겼다.
나트륨 저장을 평가하기 위해, Na 금속을 카운터 및 참조 전극으로 사용한 반면, 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트 중 1M NaClO4를 전해질로 사용하였다.
도 10은 NaTi2(PO4)3 대 Na/Na+의 전압 프로필을 나타낸다. 알 수 있듯이, 두 번째 사이클에서 얻은 NaTi2(PO4)3의 용량은 126 mAh g-1로, 이는 133 mAh g-1의 그 이론치 한계에 가깝다. 본 실시예는 나트륨 이온 배터리에서 사용하기 위한 결합제의 상용성을 나타낸다.
실시예 9
실시예 2에 기재된 바와 같이 제조된 결합제 AC(1:1)를 사용해서 제작된 18650 원형 배터리(업계 형식)의 성능을 평가하였다. 이어서 LTO 또는 NMC, 전도성 첨가제 수퍼 P 카본 블랙 및 결합제 AC를 혼합하여 평가 전극을 제조하였다. LTO의 전극 조성은 86:7:7이었던 반면, NMC에 대한 전극 조성은 90:5:5였다. 결합제 AC 및 전극 물질을 혼합하여 슬러리를 제조하고 혼합물을 5∼7시간 동안 교반하여 균질 블렌딩을 얻었다. 이후, 두 슬러리를 20∼30 ㎎/㎠의 부하로 알루미늄 호일 상에 코팅하였다.
이어서 코팅된 전극을 10시간 동안 120℃의 온도로 진공 챔버에서 건조하여 수분을 배출시켰다. 그 뒤 건조된 전극을 롤 프레스를 사용해서 프레스하여 필요한 압축을 제공하였다. 전극을 세퍼레이터와 함께 권취하여 다층화된 젤리를 수득한 후 18650 캔 및 캡에 밀봉하고, 이후 글러브 박스 내로 옮겼다. 이어서 EC:DEC:DMC 용매 혼합물(1:1:1 v/v/v 부피 기준) 중 1.3M LiPF6을 포함하는 전해질을 충전한 후 배터리를 밀봉하였다.
도 11은 상이한 C-율에서 전압 윈도우 1.5∼3.0 V로 사이클링된 18650 원형 NMC/LTO 배터리의 방전 프로필을 나타낸다. 알 수 있듯이, 결합제 AC를 포함하는 18650 원형 배터리(NMC/LTO)는 낮은 C-율에서 약 1.01 Ah의 높은 용량을 나타내었다. 특히, 상기 배터리는 PVDF 결합제를 포함하는 배터리에 비해 최대 4C의 더 높은 용량을 나타낸다(도면은 나타내지 않음). 결합제 AC를 포함하는 18650 원형 배터리(NMC/LTO)의 용량 보유(C/5 내지 4C)는 73% 만큼 높다. 본 실시예는 업계 적용을 위한 본 발명의 배터리 전극 결합제의 잠재적 용도를 추가로 예시한다.
코멘트
본 발명에 따른 결합체가 기존 결합제에 비해 장점을 제공함을 실시예로부터 알 수 있다. 저비용 및 환경 친화적임에 더하여, 배터리에서 사용되는 결합제는 긴 사이클 수명 및 성능을 또한 제공해야 한다. 예를 들어, 결합제 AC는 삽입 호스트에 고율 성능 및 사이클 수명을 전달하는 반면, 결합제 C는 큰 부피 변화를 거치는 전환 호스트의 뛰어난 저장 성능을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 결합제는 나트륨-이온 배터리에서 PVDF 결합제의 대체물로 간주될 수 있다. 나트륨 기재 원료는 저렴하고 풍부하게 이용 가능하므로, 나트륨-이온 배터리가 스마트 그리드와 같은 대규모 에너지 저장 시스템을 뒷받침하기 위한 최적 후보인 것으로 예상된다. 그러나, 상기 기술은 여전히 그 신생 단계에 머물러 있다. 본 발명에 따른 결합제, 예컨대 결합제 C의 나트륨-이온 배터리 애노드에서의 배치는 뛰어난 용량 보유와 함께 6분/사이클의 신속한 방전 시간으로 2000 사이클 동안 배터리를 사이클링할 수 있도록 한다. 이는 4%의 용량만을 보유하는 PVDF 결합제와 크게 대비된다. 따라서, 본 발명의 결합제는 또한 나트륨-이온 배터리 기술을 위해 유익하다.
상기 설명에서 예시적인 구현예를 기재하였으나, 관련 기술의 당업자는 여러 변형이 본 발명에서 벗어나지 않고 수행될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (16)

  1. 아자디라크타 인디카(azadirachta indica), 트리티쿰 애스티붐(triticum aestivum), 접착제 및 모링가 올레이페라(moringa oleifera)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분의 수성 조성물을 포함하는 배터리 전극 결합제.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 아자디라크타 인디카는 아자디라크타 인디카의 나무껍질 추출물이고/이거나 상기 모링가 올레이페라는 모링가 올레이페라의 나무껍질 추출물인 배터리 전극 결합제.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 수성 조성물은
    (ⅰ) 아자디라크타 인디카 및 트리티쿰 애스티붐;
    (ⅱ) 트리티쿰 애스티붐 및 접착제;
    (ⅲ) 아자디라크타 인디카 및 접착제;
    (ⅳ) 접착제 및 모링가 올레이페라;
    (ⅴ) 아자디라크타 인디카 및 모링가 올레이페라;
    (ⅵ) 아자디라크타 인디카, 접착제 및 모링가 올레이페; 또는
    (ⅶ) 접착제
    를 포함하는 배터리 전극 결합제.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수성 조성물에 포함되는 성분 대 물의 중량비는 1:1∼1:20인 배터리 전극 결합제.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 따른 결합제 및 전극 활물질을 포함하는 배터리 전극.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전극 활물질은
    (a) 상기 배터리가 리튬 이온 배터리인 경우, Li+-함유 화합물, 전이 금속 산화물, 탄소-기재 물질, 리튬 금속 또는 이의 조합; 또는
    (b) 배터리가 나트륨 이온 배터리인 경우, Na+-함유 화합물, 전이 금속 산화물, 탄소-기재 물질, 나트륨 금속 또는 이의 조합;
    으로부터 선택되는 배터리 전극.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    전도성 물질을 추가로 포함하는 배터리 전극.
  8. 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항의 배터리 전극을 포함하는 배터리.
  9. - 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항의 배터리 전극 결합제를 전극 활물질과 혼합하여 전극 코팅 조성물을 형성하는 단계; 및
    - 집전기 상에 전극 코팅 조성물을 코팅하여 배터리 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 배터리 전극의 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 배터리 전극 결합제는 아자디라크타 인디카, 트리티쿰 애스티붐, 접착제 및 모링가 올레이페라로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분을 물에 용해시켜 형성되며, 상기 물은 25∼90℃의 온도인 방법.
  11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 전극 활물질은
    (a) 상기 배터리가 리튬 이온 배터리인 경우, Li+-함유 화합물, 전이 금속 산화물, 탄소-기재 물질, 리튬 금속 또는 이의 조합; 또는
    (b) 상기 배터리가 나트륨 이온 배터리인 경우, Na+-함유 화합물, 전이 금속 산화물, 탄소-기재 물질, 나트륨 금속 또는 이의 조합;
    으로부터 선택되는 방법.
  12. 청구항 9 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합은 전도성 물질의 혼합을 추가로 포함하는 방법.
  13. 청구항 9 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합은 균질 전극 코팅 조성물을 형성하기 위한 소정 기간 동안의 교반을 포함하는 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 소정 기간은 0.1∼12시간인 방법.
  15. 청구항 9 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 코팅 후 배터리 전극을 건조하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 건조는 진공 챔버 또는 불활성 기체 분위기에서 배터리 전극을 건조하는 것을 포함하는 방법.
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