KR20200105236A - An anode active material, an anode comprising the anode active material and a secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 음극 활물질, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative active material, a negative electrode including the negative active material, and a secondary battery including the same.
전지는 양극과 음극에 전기 화학 반응이 가능한 물질을 사용함으로써 전력을 발생시키는 것이다. 이러한 전지 중 대표적인 예로는 양극 및 음극에서 리튬 이온이 삽입(intercalation)/탈리(deintercalation) 될 때의 화학전위(chemical potential)의 변화에 의하여 전기 에너지를 생성하는 리튬 이차전지가 있다.A battery generates electric power by using a material capable of electrochemical reaction for the positive and negative electrodes. A typical example of such a battery is a lithium secondary battery that generates electrical energy by a change in chemical potential when lithium ions are intercalated/deintercalated in the positive electrode and the negative electrode.
리튬 이차전지는 리튬 이온의 가역적인 삽입/탈리가 가능한 물질을 양극과 음극 활물질로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해질 또는 폴리머 전해질을 충전시켜 제조한다.Lithium secondary batteries are manufactured by using a material capable of reversible insertion/desorption of lithium ions as a positive electrode and a negative electrode active material, and filling an organic electrolyte or a polymer electrolyte between the positive electrode and the negative electrode.
리튬 이차전지의 양극 활물질로는 리튬 복합금속 화합물이 주로 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합금속 산화물들이 연구되고 있다.Lithium composite metal compounds are mainly used as positive electrode active materials for lithium secondary batteries, for example, LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , LiNi 1-x Co x O 2 (0<x<1), LiMnO 2 etc. Composite metal oxides are being studied.
리튬 이차전지의 음극 활물질로는 리튬의 삽입/탈리가 가능한 흑연 등이 대표적으로 사용되어 왔으나, 이러한 흑연을 이용한 전극은 전하 용량이 365mAh/g (이론값: 372mAh/g)으로 낮기 때문에, 우수한 용량 특성을 나타내는 리튬 이차전지를 제공하는데 한계가 있었다.As a negative active material for lithium secondary batteries, graphite, which can insert/desorb lithium, has been typically used, but since the electrode using such graphite has a low charge capacity of 365mAh/g (theoretical value: 372mAh/g), it has excellent capacity. There was a limit to providing a lithium secondary battery exhibiting characteristics.
낮은 가역용량과 낮은 율속 특성(rate performance)의 문제점 등이 대두되면서 다양한 리튬 이차전지 적용에 어려움이 있어, 새로운 음극 활물질에 대한 연구가 진행되고 있다.As problems such as low reversible capacity and low rate performance emerge, it is difficult to apply various lithium secondary batteries, and thus research on a new negative active material is in progress.
리튬 이차전지의 음극 활물질로 새롭게 각광받고 있는 물질 중 하나로서 실리콘은 전하 용량의 이론값이 4200 mAh/g으로 기존의 음극 활물질보다 확연히 높은 용량을 가지며, 지구상에 매장량이 풍부하며 환경 친화적인 물질이라는 장점을 갖고 있어 다양한 장치의 적용에 적합한 물질로서 대두되고 있다.As one of the newly spotlighted materials as negative active materials for lithium secondary batteries, silicon has a significantly higher capacity than existing negative active materials with a theoretical charge capacity of 4200 mAh/g. It has an advantage and is emerging as a material suitable for application of various devices.
대한민국 등록특허 제10-1875950호 및 제10-0570651호는 음극 활물질로 실리콘을 포함하는 리튬 이차전지에 대해 개시하고 있으나, 실리콘과 같은 무기물계 음극 활물질은 리튬의 삽입/탈리, 즉, 전지의 충방전 시 300% 이상의 부피변화가 발생하여 집전체와 활물질의 접촉이 약해지면서 용량이 점점 감소된다는 문제가 있으며, 또한, 실리콘의 전기 전도성이 낮아 리튬의 삽입/탈리 시 일어나는 전하 전달 반응이 원활하게 발생하지 않는다는 문제가 있어, 높은 전하 용량에 따른 장점에도 불구하고 낮은 사이클 수명 특성 및 용량 유지율을 나타내는 단점이 있다.Korean Registered Patent Nos. 10-1875950 and 10-0570651 disclose lithium secondary batteries containing silicon as a negative electrode active material, but inorganic negative active materials such as silicon include lithium insertion/desorption, that is, charging of the battery. There is a problem that the capacity gradually decreases as the contact between the current collector and the active material weakens due to a volume change of more than 300% during discharge.In addition, the electrical conductivity of silicon is low, so that the charge transfer reaction that occurs when lithium is inserted/desorbed smoothly occurs. There is a problem of not doing so, and there is a disadvantage of showing a low cycle life characteristic and a capacity retention rate despite the advantage of a high charge capacity.
본 발명은 이차전지의 충방전 용량과 용량 유지율을 증가시킬 수 있는 음극 활물질, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극 및 상기 음극을 포함하는 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a negative electrode active material capable of increasing the charge/discharge capacity and capacity retention rate of a secondary battery, a negative electrode including the negative electrode active material, and a secondary battery including the negative electrode.
또한, 본 발명은 충방전 시 음극의 부피 팽창이 억제되어, 수명이 증가된 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a secondary battery with increased life by suppressing volume expansion of a negative electrode during charging and discharging.
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 단량체의 졸-겔 반응 생성물을 포함하는 음극 활물질을 제공한다:The present invention provides a negative active material comprising a sol-gel reaction product of a monomer represented by the following Formula 1:
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서, X는 할로겐 원소, -OR 또는 이고, m 및 n은 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이고, R은 C1 내지 C4의 알킬기이다.In Formula 1, X is a halogen element, -OR, or And m and n are each independently an integer of 0 to 3, and R is a C1 to C4 alkyl group.
또한, 본 발명은 상기 음극 활물질을 포함하는 음극을 제공한다.In addition, the present invention provides a negative electrode including the negative active material.
또한, 본 발명은 상기 음극; 양극; 다공성 분리막; 및 전해액;을 포함하는 이차전지를 제공한다.In addition, the present invention is the cathode; anode; Porous separator; It provides a secondary battery comprising; and an electrolyte.
본 발명에 따른 음극 활물질은 이차전지의 음극에 포함되어, 이차전지의 충방전 용량 및 수명을 증가시키고, 충방전 시 음극의 부피 팽창을 억제하여 이차전지의 수명을 향상시킬 수 있다. The negative electrode active material according to the present invention is included in the negative electrode of the secondary battery, increases the charge/discharge capacity and life of the secondary battery, and suppresses the volume expansion of the negative electrode during charging and discharging, thereby improving the life of the secondary battery.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 리튬 이차전지(half-cell)의 충방전 용량(capacity) 변화 곡선이다.
도 2는 도 1에서 실시예 1 및 비교예 3의 결과만을 분리한 용량 곡선이다.1 is a graph showing a change in charge/discharge capacity of a lithium secondary battery (half-cell) according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
2 is a capacity curve obtained by separating only the results of Example 1 and Comparative Example 3 in FIG. 1.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 이차전지의 음극에 포함되어, 이차전지의 충방전 용량과 용량 유지율을 증가시킬 수 있는 음극 활물질 및 이를 포함하는 음극과 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material that is included in a negative electrode of a secondary battery and can increase charge/discharge capacity and capacity retention of a secondary battery, and a negative electrode and a secondary battery including the same.
본 발명의 음극 활물질은 졸-겔 반응을 통해 생성되어, 추가적인 환원 처리 공정을 필요로 하지 않으므로, 제조 공정이 단축될 수 있다는 장점을 갖는다. 또한 본 발명의 음극 활물질은 졸-겔 반응을 통해 생성되는 과정에서 겔 내부에 공동(void)을 갖게 되어, 이차전지의 충방전 시 음극의 부피 팽창이 억제되는 효과를 가지며, 이에 이차전지의 수명이 증가될 수 있다.The negative electrode active material of the present invention is produced through a sol-gel reaction and does not require an additional reduction treatment process, and thus has an advantage that the manufacturing process can be shortened. In addition, the negative electrode active material of the present invention has a void in the gel during the process of being generated through the sol-gel reaction, and thus has the effect of suppressing the volume expansion of the negative electrode during charging and discharging of the secondary battery. Can be increased.
음극 활물질Negative active material
본 발명의 음극 활물질은 하기 화학식 1로 표시되는 단량체의 졸-겔 반응 생성물을 포함하는 것을 특징으로 한다.The negative active material of the present invention is characterized by including a sol-gel reaction product of a monomer represented by the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서,In Formula 1,
X는 할로겐 원소, -OR 또는 이고, m 및 n은 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이고, R은 C1 내지 C4의 알킬기이다.X is a halogen element, -OR or And m and n are each independently an integer of 0 to 3, and R is a C1 to C4 alkyl group.
바람직하게, 상기 화학식 1에서 m 및 n은 각각 독립적으로 1 또는 2일 수 있다.Preferably, m and n in Formula 1 may be 1 or 2 each independently.
일 실시예를 들어, 상기 화학식 1로 표시되는 단량체는 하기 화학식 2 내지 4로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.For example, the monomer represented by Formula 1 may include a compound represented by Formulas 2 to 4 below.
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
상기 화학식 2 내지 4에 있어서, X는 할로겐 원소, -OR 또는 이고, R은 C1 내지 C4의 알킬기이다.In Formulas 2 to 4, X is a halogen element, -OR, or And R is a C1 to C4 alkyl group.
다른 실시예를 들어, 상기 화학식 1로 표시되는 단량체는 하기 화학식 5 내지 8로 표시되는 화합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다.For another example, the monomer represented by Formula 1 may include one or more of the compounds represented by Formulas 5 to 8.
[화학식 5][Formula 5]
[화학식 6][Formula 6]
[화학식 7][Formula 7]
[화학식 8][Formula 8]
일 실시예를 들어, 상기 화학식 1로 표시되는 단량체의 졸-겔 반응 생성물은, 상기 화학식 1로 표시되는 단량체를 50 내지 99.9 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하며, 90 내지 99 중량%로 포함하는 것이 바람직하다.For example, the sol-gel reaction product of the monomer represented by Formula 1 is characterized by comprising 50 to 99.9% by weight of the monomer represented by Formula 1, and comprising 90 to 99% by weight It is desirable.
상기 화학식 1로 표시되는 단량체의 졸-겔 반응은 이 기술분야에서 통상적으로 사용되는 졸-겔 반응으로 이해될 수 있으며, 예를 들어, 상기 화학식 1로 표시되는 단량체를 졸-겔 반응한 뒤, 원심분리를 통해 용매 및 미반응 촉매를 제거한 후 건조하면, 상기 음극 활물질이 제조될 수 있다.The sol-gel reaction of the monomer represented by Formula 1 may be understood as a sol-gel reaction commonly used in the art. For example, after a sol-gel reaction of the monomer represented by Formula 1, When the solvent and the unreacted catalyst are removed through centrifugation and then dried, the negative active material may be prepared.
졸-겔 반응을 통해 제조된 상기 음극 활물질은 추가적인 환원 처리 공정을 필요로 하지 않으므로, 제조 공정이 단축될 수 있다는 장점을 갖는다.Since the negative active material prepared through a sol-gel reaction does not require an additional reduction treatment process, the manufacturing process can be shortened.
상기 음극 활물질을 포함하는 음극A negative electrode including the negative active material
상기 음극은 리튬 이온을 삽입 및 탈리할 수 있는 상기 음극 활물질을 포함하며, 이에 따라 상기 음극을 포함하는 이차전지의 충방전 용량과 용량 유지율이 증가될 수 있다. 상기 음극 활물질을 포함하는 상기 음극은 졸-겔 반응을 통해 생성되는 과정에서 겔 내부에 공동(void)을 갖게 되어, 충방전 시 부피 팽창이 억제되는 효과를 가지며, 이에 상기 이차전지의 수명(충방전 cycle)이 증가될 수 있다.The negative electrode includes the negative active material capable of intercalating and deintercalating lithium ions, and accordingly, the charge/discharge capacity and capacity retention rate of the secondary battery including the negative electrode may be increased. The negative electrode including the negative active material has a void in the gel during the process of being generated through a sol-gel reaction, and thus has an effect of suppressing volume expansion during charging and discharging, and thus the life (charge) of the secondary battery. Discharge cycle) can be increased.
일 실시예에 따르면, 상기 음극은 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면에 배치되는 상기 음극 활물질을 포함할 수 있다. 상기 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 또는 이들의 조합 등을 사용할 수 있다. According to an embodiment, the negative electrode may include a current collector and the negative active material disposed on at least one surface of the current collector. As the current collector, a copper foil, a nickel foil, a stainless steel foil, a titanium foil, a nickel foam, a copper foam, a polymer substrate coated with a conductive metal, or a combination thereof may be used.
예를 들어, 상기 음극은 상기 음극 활물질, 바인더 및 도전재를 용매 중에서 혼합하여 음극 슬러리을 제조하고, 이 음극 슬러리를 집전체에 도포하여 제조될 수 있으나, 필요한 경우 증점제를 용매에 분산시켜 사용할 수도 있으며, 상술된 바에 제한되지 않고, 당해 기술분야에 알려진 방법을 통해 제조될 수 있다.For example, the negative electrode may be prepared by mixing the negative electrode active material, a binder, and a conductive material in a solvent to prepare a negative electrode slurry, and then applying the negative electrode slurry to a current collector, but if necessary, a thickener may be dispersed in a solvent. , It is not limited to the bar described above, and may be manufactured through a method known in the art.
구체적으로, 상기 바인더는 활물질의 페이스트화, 활물질의 상호 접착, 집전체와의 접착, 활물질 팽창 및 수축에 대한 완충효과 등의 역할을 하는 물질로서, 예를 들면 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌-폴리비닐리덴플루오라이드의 공중합체(P(VdF/HFP)), 폴리(비닐아세테이트), 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 알킬레이티드폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐에테르, 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리(에틸아크릴레이트), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 스티렌-부타디엔고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무 등이 있다. 상기 바인더의 함량은 활물질에 대하여 0.1 내지 30 중량%, 바람직하게는 1 내지 10 중량%이다. 상기 바인더의 함량이 너무 적으면 활물질과 집전체와의 접착력이 불충분하고, 바인더의 함량이 너무 많으면 접착력은 좋아지지만 활물질의 함량이 그만큼 감소하여 전지용량을 고용량화 하는데 불리하다.Specifically, the binder is a material that plays a role of a buffering effect on the expansion and contraction of the active material, such as forming a paste of the active material, mutual adhesion of the active material, adhesion to the current collector, and, for example, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoro. Low-propylene-polyvinylidene fluoride copolymer (P(VdF/HFP)), poly(vinyl acetate), polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, alkylated polyethylene oxide, polyvinyl ether, poly (Methyl methacrylate), poly(ethyl acrylate), polytetrafluoroethylene, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polyvinylpyridine, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, and the like. The content of the binder is 0.1 to 30% by weight, preferably 1 to 10% by weight, based on the active material. If the content of the binder is too small, the adhesive strength between the active material and the current collector is insufficient. If the content of the binder is too high, the adhesion is improved, but the content of the active material decreases, which is disadvantageous in increasing the battery capacity.
상기 도전재는 전자 전도성을 향상시키는 물질로서, 흑연계 도전재, 카본 블랙계 도전재, 금속 또는 금속 화합물계 도전재로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있다. 상기 흑연계 도전재의 예로는 인조흑연, 천연 흑연 등이 있으며, 카본 블랙계 도전재의 예로는 카본블랙, 케첸 블랙(ketjen black), 덴카 블랙(denka black), 써멀 블랙(thermal black), 채널 블랙(channel black), 아세틸렌 블랙(acethylene black), 카본나노튜브, 그래핀, 그래핀산화물, 플러렌 및 카본나노파이버 등이 있으며, 금속계 또는 금속 화합물계 도전재의 예로는 주석, 산화주석, 인산주석(SnPO4), 산화티타늄, 티탄산칼륨, LaSrCoO3, LaSrMnO3와 같은 페로브스카이트(perovskite) 물질이 있다. 그러나 상기 열거된 도전재에 한정되는 것은 아니다. 상기 도전재의 함량은 전극 활물질에 대하여 1.0 내지 20 중량%인 것이 바람직하다. 도전재의 함량이 1.0 중량%보다 적은 경우에는 전기 화학적 특성이 저하되고, 20 중량%을 초과하는 경우에는 중량당 에너지 밀도가 감소한다.The conductive material is a material that improves electronic conductivity, and at least one selected from the group consisting of a graphite conductive material, a carbon black conductive material, and a metal or metal compound conductive material may be used. Examples of the graphite-based conductive material include artificial graphite and natural graphite, and examples of the carbon black-based conductive material include carbon black, ketjen black, denka black, thermal black, and channel black. channel black), acetylene black, carbon nanotubes, graphene, graphene oxide, fullerene and carbon nanofibers, and examples of metallic or metallic compound-based conductive materials include tin, tin oxide, tin phosphate (SnPO 4). ), titanium oxide, potassium titanate, LaSrCoO 3 , and perovskite materials such as LaSrMnO 3 . However, it is not limited to the conductive materials listed above. The content of the conductive material is preferably 1.0 to 20% by weight based on the electrode active material. When the content of the conductive material is less than 1.0% by weight, the electrochemical properties decrease, and when it exceeds 20% by weight, the energy density per weight decreases.
상기 증점제는 활물질 슬러리의 점도조절 역할을 할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면 카르복시메틸 셀룰로오스, 하이드록시메틸 셀룰로오스, 하이드록시에틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스 등이 사용될 수 있다.The thickener is not particularly limited as long as it can control the viscosity of the active material slurry. For example, carboxymethyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, and the like may be used.
활물질, 바인더, 도전재 등이 분산되는 상기 용매로는 비수용매 또는 수계용매가 사용된다. 비수용매로는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, N,N-디메틸아미노프로필아민, 에틸렌옥사이드, 테트라히드로퓨란 등을 들 수 있다.A non-aqueous solvent or an aqueous solvent is used as the solvent in which the active material, the binder, and the conductive material are dispersed. Examples of the non-aqueous solvent include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, N,N-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, and tetrahydrofuran.
상기 음극을 포함하는 이차전지Secondary battery including the negative electrode
본 발명은 상기 음극 활물질을 포함하는 상기 음극, 양극, 다공성 분리막 및 전해액을 포함하는 이차전지를 제공한다.The present invention provides a secondary battery including the negative electrode, the positive electrode, a porous separator, and an electrolyte solution including the negative electrode active material.
일 실시예를 들어, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있으며, 상기 이차전지의 외형은 캔으로 된 원통형 또는 각형인 것이 바람직하다. 또한, 상기 이차전지는 파우치형 전지를 포함할 수 있다.For example, the secondary battery may be a lithium secondary battery, and it is preferable that the secondary battery has a cylindrical shape or a square shape of a can. In addition, the secondary battery may include a pouch type battery.
상기 양극은 리튬 이온을 삽입 및 탈리할 수 있는 양극 활물질을 포함하며, 이러한 양극 활물질로는 코발트, 망간, 니켈에서 선택되는 최소한 1종 및 리튬의 복합산화물 중 1종 이상의 것이 바람직하고, 그 대표적인 예로는 하기에 기재된 리튬 함유 화합물이 바람직하게 사용될 수 있다.The positive electrode includes a positive electrode active material capable of intercalating and desorbing lithium ions, and the positive electrode active material is preferably at least one selected from cobalt, manganese, and nickel, and one or more of a composite oxide of lithium, and a representative example thereof The lithium-containing compounds described below can be preferably used.
LixMn1-yMyA2 (1)Li x Mn 1 -yM y A 2 (1)
LixMn1-yMyO2-zXz (2)Li x Mn 1 -yM y O 2 -zX z (2)
LixMn2O4-zXz (3)Li x Mn 2 O 4-z X z (3)
LixMn2-yMyM'zA4 (4)Li x Mn 2-y M y M'z A 4 (4)
LixCo1-yMyA2 (5)Li x Co 1-y M y A 2 (5)
LixCo1-yMyO2-zXz (6)Li x Co 1-y M y O 2-z X z (6)
LixNi1-yMyA2 (7)Li x Ni 1-y M y A 2 (7)
LixNi1-yMyO2-zXz (8)Li x Ni 1-y M y O 2-z X z (8)
LixNi1-yCoyO2-zXz (9)Li x Ni 1-y Co y O 2-z X z (9)
LixNi1-y-zCoyMzAα (10)Li x Ni 1-yz Co y M z A α (10)
LixNi1-y-zCoyMzO2-αXα (11)Li x Ni 1-yz Co y M z O 2-α X α (11)
LixNi1-y-zMnyMzAα (12)Li x Ni 1-yz Mn y M z A α (12)
LixNi1-y-zMnyMzO2-αXα (13)Li x Ni 1-yz Mn y M z O 2-α X α (13)
상기 식 (1) 내지 (13)에서, 0.9≤x≤1.1, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.5, 0≤α≤2이고, M과 M'은 동일하거나 서로 다르며, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, Sn, V, Ge, Ga, B, As, Zr, Mn, Cr, Fe, Sr, V 및 희토류 원소로 이루어진 군에서 선택되며, A는 O, F, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되고, X는 F, S 및 P로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.In the above formulas (1) to (13), 0.9≤x≤1.1, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.5, 0≤α≤2, M and M'are the same or different, and Mg, Al, It is selected from the group consisting of Co, K, Na, Ca, Si, Ti, Sn, V, Ge, Ga, B, As, Zr, Mn, Cr, Fe, Sr, V and rare earth elements, A is O, F , S and P are selected from the group consisting of, X may be selected from the group consisting of F, S and P.
일 실시예에 따르면, 상기 양극은 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면에 배치되는 양극 활물질을 포함할 수 있다. 상기 집전체로는 알루미늄 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 알루미늄 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 또는 이들의 조합 등을 사용할 수 있다. According to an embodiment, the positive electrode may include a current collector and a positive electrode active material disposed on at least one surface of the current collector. As the current collector, an aluminum foil, a nickel foil, a stainless steel foil, a titanium foil, a nickel foam, an aluminum foam, a polymer substrate coated with a conductive metal, or a combination thereof may be used.
예를 들어, 상기 양극은 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 용매 중에서 혼합하여 양극 슬러리을 제조하고, 이 양극 슬러리를 집전체에 도포하여 제조될 수 있으나, 필요한 경우 증점제를 용매에 분산시켜 사용할 수도 있으며, 상술된 바에 제한되지 않고, 당해 기술분야에 알려진 방법을 통해 제조될 수 있다.For example, the positive electrode may be prepared by mixing a positive electrode active material, a binder, and a conductive material in a solvent to prepare a positive electrode slurry, and then applying the positive electrode slurry to a current collector, but if necessary, a thickener may be dispersed in a solvent and used. It is not limited to the above, and may be prepared through a method known in the art.
상기 바인더, 상기 도전재, 상기 용매 및 상기 증점제는 상기 음극에서 사용된 것과 동일한 것을 예로 들 수 있다.The binder, the conductive material, the solvent, and the thickener may be the same as those used in the negative electrode.
상기 다공성 분리막은 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로 리튬 이차전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용할 수 있으나, 전해질의 이온 이동에 대하여 낮은 저항을 가지며, 전해액에 대한 함습력이 우수한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 다공성 분리막은 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택될 수 있고, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 고분자를 사용하는 것이 바람직하며, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 것이 사용될 수 있고, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수도 있다.The porous separator separates the negative electrode and the positive electrode and provides a passage for lithium ions, and can be used as long as it is commonly used in a lithium secondary battery, but has low resistance to ion movement of the electrolyte, and has a moisture absorption power for the electrolyte. It is desirable to use a superior one. For example, the porous separator may be selected from glass fiber, polyester, Teflon, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), or a combination thereof, and a polyolefin-based polymer such as polyethylene, polypropylene, etc. It is preferable to use, and a coating containing a ceramic component or a polymer material may be used to secure heat resistance or mechanical strength, and may be optionally used in a single layer or multilayer structure.
상기 전해액은 비수용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.The electrolyte may include a non-aqueous solvent and a lithium salt.
상기 비수용매는 이차전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다.The non-aqueous solvent serves as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the secondary battery can move.
일 실시예를 들어, 상기 비수용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다. 상기 카보네이트계 용매로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있으며, 상기 에스테르계 용매로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 1,1-디메틸에틸 아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone) 등이 사용될 수 있다. 상기 에테르계 용매로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있으며, 상기 비양성자성 용매로는 R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류 디메틸포름아미드 등의 아미드류, 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다.For example, as the non-aqueous solvent, a carbonate-based, ester-based, ether-based, ketone-based, alcohol-based, or aprotic solvent may be used. The carbonate-based solvents include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methylpropyl carbonate (MPC), ethylpropyl carbonate (EPC), methylethyl carbonate (MEC), ethylene carbonate ( EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), and the like may be used, and as the ester solvent, methyl acetate, ethyl acetate, n-propyl acetate, 1,1-dimethylethyl acetate, methylpropionate , Ethyl propionate, γ-butyrolactone, decanolide, valerolactone, mevalonolactone, caprolactone, and the like may be used. Dibutyl ether, tetraglyme, diglyme, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran, etc. may be used as the ether solvent, and cyclohexanone may be used as the ketone solvent. have. In addition, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, etc. may be used as the alcohol-based solvent, and R-CN (R is a C2 to C20 linear, branched, or cyclic hydrocarbon group, wherein Amides such as nitriles such as dimethylformamide, dioxolanes such as 1,3-dioxolane, sulfolanes such as 1,3-dioxolane, and the like may be used.
상기 비수용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있다.The non-aqueous solvent may be used alone or in combination of one or more, and the mixing ratio in the case of using one or more mixtures may be appropriately adjusted according to the desired battery performance.
상기 리튬염은 상기 비수용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질이다. 상기 리튬염의 대표적인 예로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(x 및 y는 자연수), LiCl, LiI, LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB) 또는 이들의 조합을 들 수 있다.The lithium salt is dissolved in the non-aqueous solvent, acts as a source of lithium ions in the battery, enables basic operation of a lithium secondary battery, and promotes the movement of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode. Representative examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiClO 4 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN(C x F 2x+1 SO 2 )(C y F 2y +1 SO 2 ) (x and y are natural numbers), LiCl, LiI, LiB(C 2 O 4 ) 2 (lithium bis(oxalato) borate; LiBOB), or a combination thereof.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다. 이하의 실시예 및 비교예에서 함량을 나타내는 "%" 및 "부"는 특별히 언급하지 않는 한 중량 기준이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are for explaining the present invention more specifically, and the scope of the present invention is not limited by the following examples. The following examples can be appropriately modified and changed by a person skilled in the art within the scope of the present invention. In the following Examples and Comparative Examples, "%" and "parts" indicating the content are based on weight unless otherwise specified.
실시예 및 비교예: 졸-겔 반응을 이용한 음극 활물질의 제조Examples and Comparative Examples: Preparation of negative electrode active material using sol-gel reaction
실시예 1 내지 7Examples 1 to 7
하기 표 1을 참조하여, 실리콘산화물의 전구체를 에탄올에 용해한 후 염기성 촉매(NH4OH)를 포함하는 순수를 1:7 몰 비로 졸-겔 반응을 유도하였다. 졸-겔 반응 후, 원심분리하여 남아있는 용제와 암모니아수를 제거하였다. (본 발명의 일 실시예에서는 원심분리를 이용하였으나, 진공 여과장치를 이용하는 것도 무방하다) 상기 반응을 통해 얻은 물질을 90℃에서 진공 건조한 후 잔류 불순물 제거를 위해 불활성 분위기로 450℃에서 1시간동안 열처리하여 다공성 구조를 가지는 파우더 형태의 겔(gel)인, 실시예 1 내지 7에 따른 음극 활물질을 제조하였다.Referring to Table 1 below, after dissolving the precursor of silicon oxide in ethanol, a sol-gel reaction was induced in a 1:7 molar ratio of pure water containing a basic catalyst (NH 4 OH). After the sol-gel reaction, the remaining solvent and aqueous ammonia were removed by centrifugation. (In one embodiment of the present invention, centrifugation was used, but a vacuum filtration device may be used.) After vacuum drying the material obtained through the reaction at 90° C. for 1 hour at 450° C. in an inert atmosphere to remove residual impurities. An anode active material according to Examples 1 to 7 was prepared by heat treatment, which is a powder-type gel having a porous structure.
비교예 1 내지 3Comparative Examples 1 to 3
하기 표 1을 참조하여, 비교예의 음극 활물질을 제조하였다. 비교예 1에 따른 음극 활물질의 경우, 실시예 1 내지 7과 동일한 졸-겔 반응을 통해 실리카 입자 형태로 제조되었으며, 비교예 3에 따른 음극 활물질의 경우, 실시예 1 내지 7과 동일한 졸-겔 반응을 통해 제조된 실리카 입자에 환원 분위기로 1500℃에서 5시간 동안 열 처리하여 제조되었으며, 비교예 2에 따른 음극 활물질의 경우, 졸-겔 반응이 아닌 일반 Si 분말(Aldrich社, 325메쉬-40um)을 음극 활물질로 사용하였다.Referring to Table 1 below, a negative active material of Comparative Example was prepared. The negative active material according to Comparative Example 1 was prepared in the form of silica particles through the same sol-gel reaction as in Examples 1 to 7, and in the case of the negative active material according to Comparative Example 3, the same sol-gel as in Examples 1 to 7 It was prepared by heat-treating the silica particles prepared through the reaction at 1500°C for 5 hours in a reducing atmosphere, and in the case of the negative active material according to Comparative Example 2, a general Si powder (Aldrich, 325 mesh-40 um), not a sol-gel reaction. ) Was used as a negative active material.
제조예: 상기 음극 활물질을 포함하는 음극 및 리튬 이차전지(coin type half-cell, 2016 R-type)의 제조Preparation Example: Preparation of a negative electrode including the negative active material and a lithium secondary battery (coin type half-cell, 2016 R-type)
실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 3에 따른 음극 활물질 90 중량%, 도전재로서 Super-P(카본블랙) 5 중량%, 바인더로서 SBR(스티렌부타디엔러버) 2.5 중량% 및 증점제로서 CMC(카복시메틸셀룰로오스) 2.5 중량%를 순수로 혼합하여 음극 활물질 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 활물질 슬러리를 구리 호일 전류 집전체에 도포하여 음극을 제조하였다. 90% by weight of the negative electrode active material according to Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3, Super-P (carbon black) 5% by weight as a conductive material, SBR (styrene butadiene rubber) 2.5% by weight as a binder, and CMC (carboxy) as a thickener Methylcellulose) 2.5% by weight of pure water was mixed to prepare a negative active material slurry. The negative active material slurry was applied to a copper foil current collector to prepare a negative electrode.
반대 전극으로 Li 금속호일을 사용하고 분리막으로 폴리에틸렌 재질의 다공성막을 사용하였다. 전해질로 FEC(플루오르에틸렌카보네이트) 5 중량%를 포함하고 1.3M LiPF6 EC(에틸렌카보네이트):DEC(디에틸카보네이트)=3:7 전해액을 주입하여 코인 형태의 리튬 이차전지를 제조하였다.Li metal foil was used as the counter electrode and a porous membrane made of polyethylene was used as the separator. A coin-shaped lithium secondary battery was prepared by injecting an electrolyte containing 5% by weight of FEC (fluoroethylene carbonate) and 1.3M LiPF 6 EC (ethylene carbonate):DEC (diethyl carbonate) = 3:7 electrolyte.
실험예: 리튬 이차전지의 용량·수명 특성 평가Experimental Example: Evaluation of capacity and life characteristics of lithium secondary batteries
상기에서 제조예에서 제조된 리튬 이차전지를 25℃에서 정전류/정전위 제어가 가능한 충방전기를 이용하여 정전류 실험을 수행하였다. 각각의 코인 전지가 가지는 용량의 C/5의 전류로 전압이 0.01V(vs. Li/Li+)에 이를 때까지 정전류로 충전하고, 이어서 전압이 1.2V(vs. Li/Li+)에 이를 때까지 C/5의 정전류로 방전하였다. 도 1은 50회까지 충방전을 실시하였을 때의 충방전 용량(capacity) 변화 곡선이며, 도 2는 도 1에서 실시예 1 및 비교예 3의 결과만을 분리한 용량 곡선이다. 비교예에 비하여 실시예의 경우 수명특성이 우수하다는 것을 알 수 있다. The lithium secondary battery prepared in Preparation Example above was subjected to a constant current experiment using a charge/discharger capable of constant current/static potential control at 25°C. With a current of C/5 of the capacity each coin battery has, it is charged with a constant current until the voltage reaches 0.01V (vs. Li/Li + ), and then the voltage reaches 1.2V (vs. Li/Li + ). Discharged at a constant current of C/5 1 is a charge/discharge capacity change curve when charging/discharging is performed up to 50 times, and FIG. 2 is a capacity curve obtained by separating only the results of Example 1 and Comparative Example 3 in FIG. 1. Compared to the comparative example, it can be seen that the example has excellent life characteristics.
방전용량은 1회 사이클 시 용량이며, 하기 수학식 1을 이용하여 리튬 이차전지의 용량 유지율(capacity retention ratio, %)을 계산하고, 하기 표 2에 나타내었다.The discharge capacity is the capacity at one cycle, and the capacity retention ratio (%) of the lithium secondary battery was calculated using Equation 1 below, and is shown in Table 2 below.
[수학식 1][Equation 1]
용량 유지율[%]=[50번째 사이클에서의 방전용량/1번째 사이클에서의 방전용량]×100Capacity retention rate [%] = [discharge capacity at the 50th cycle / discharge capacity at the first cycle] × 100
(공정상 merit: ○/X)Need for reduction treatment
(Merit in process: ○/X)
상기 표 2, 도 1 및 도 2를 통해 확인할 수 있는 것과 같이, 본 발명에 따른 음극 활물질을 이용하여 제조된 음극을 포함하는 이차전지의 경우, 50회 충방전 반복 시에도 우수한 용량 유지율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.As can be seen from Table 2, Figs. 1 and 2, in the case of a secondary battery including a negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to the present invention, it shows excellent capacity retention even when repeated charging and discharging 50 times. I can confirm.
반면 본 발명에 따른 음극 활물질이 아닌, 종래 기술에 따른 음극 활물질을 이용하여 제조된 음극을 포함하는 이차전지의 경우, 방전 용량이 떨어지고, 용량 유지율이 매우 낮은 것을 확인할 수 있다. 비교예 3에 따른 음극 활물질을 이용하는 경우, 낮은 방전 용량과 용량 유지율 저하를 억제하기 위해, 환원처리 공정이 추가적으로 요구되어, 제조 공정이 복잡하고 비용이 증가하는 문제가 있다.On the other hand, in the case of a secondary battery including a negative electrode manufactured using a conventional negative electrode active material other than the negative electrode active material according to the present invention, it can be seen that the discharge capacity is low and the capacity retention rate is very low. In the case of using the negative active material according to Comparative Example 3, in order to suppress a lower discharge capacity and capacity retention rate, a reduction treatment process is additionally required, which complicates the manufacturing process and increases the cost.
Claims (7)
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서,
X는 할로겐 원소, -OR 또는 이고,
m 및 n은 각각 독립적으로 O 내지 3의 정수이고,
R은 C1 내지 C4의 알킬기이다.
A negative active material comprising a sol-gel reaction product of a monomer represented by the following formula (1):
[Formula 1]
In Formula 1,
X is a halogen element, -OR or ego,
m and n are each independently an integer of O to 3,
R is a C1 to C4 alkyl group.
상기 화학식 1에 있어서, m 및 n은 각각 독립적으로 1 또는 2인 것을 특징으로 하는 음극 활물질.
The method according to claim 1,
In Formula 1, m and n are each independently 1 or 2, characterized in that the negative active material.
상기 화학식 1로 표시되는 단량체는 하기 화학식 2 내지 4로 표시되는 화합물 중 하나 이상을 포함하는 것인, 음극 활물질:
[화학식 2]
[화학식 3]
[화학식 4]
상기 화학식 2 내지 4에 있어서,
X는 할로겐 원소, -OR 또는 이고,
R은 C1 내지 C4의 알킬기이다.
The method according to claim 1,
The monomer represented by Formula 1 includes one or more of the compounds represented by the following Formulas 2 to 4, a negative active material:
[Formula 2]
[Formula 3]
[Formula 4]
In Formulas 2 to 4,
X is a halogen element, -OR or ego,
R is a C1 to C4 alkyl group.
상기 화학식 1로 표시되는 단량체는 하기 화학식 5 내지 8로 표시되는 화합물을 포함하는 것인, 음극 활물질:
[화학식 5]
[화학식 6]
[화학식 7]
[화학식 8]
The method according to claim 1,
The monomer represented by Formula 1 includes a compound represented by Formulas 5 to 8 below:
[Formula 5]
[Formula 6]
[Formula 7]
[Formula 8]
A negative electrode comprising the negative active material of any one of claims 1 to 4.
흑연, 소프트카본, 하드카본, 카본블랙, 카본나노튜브, 그래핀, 그래핀산화물, 플러렌 및 카본나노파이버로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 도전재를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.
The method of claim 5,
A negative electrode comprising at least one conductive material selected from the group consisting of graphite, soft carbon, hard carbon, carbon black, carbon nanotube, graphene, graphene oxide, fullerene, and carbon nanofiber.
The cathode of claim 5; anode; Porous separator; And an electrolyte solution.
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---|---|---|---|---|
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