KR20210059969A - Binder for manufacturing a positive electrode of lithium secondary battery, positive electrode of lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더, 이를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 및 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a binder for manufacturing a positive electrode of a lithium secondary battery, a positive electrode for a lithium secondary battery including the same, and a lithium secondary battery.
이차전지의 응용 영역이 전기 자동차(EV)나 에너지 저장 장치(ESS) 등으로 확대됨에 따라, 상대적으로 낮은 무게 대비 에너지 저장밀도(~250 Wh/kg)를 갖는 리튬-이온 이차전지는 이러한 제품에 대한 적용의 한계가 있다. 이와 달리, 리튬-황 전지는 이론상으로 높은 무게 대비 에너지 저장 밀도(~2,600 Wh/kg)를 구현할 수 있기 때문에, 차세대 이차전지 기술로 각광을 받고 있다.As the application area of secondary batteries expands to electric vehicles (EV) and energy storage devices (ESS), lithium-ion secondary batteries with relatively low weight-to-energy storage density (~250 Wh/kg) are suitable for these products. There is a limit to the application. In contrast, the lithium-sulfur battery is in the spotlight as a next-generation secondary battery technology because it can theoretically realize a high energy storage density (~2,600 Wh/kg) compared to its weight.
리튬-황 전지는 S-S 결합(Sulfur-Sulfur Bond)를 갖는 황 계열 물질을 양극 활물질로 사용하고, 리튬 금속을 음극 활물질로 사용한 전지 시스템을 의미한다. 상기 양극 활물질의 주재료인 황은 전세계적으로 자원량이 풍부하고, 독성이 없으며, 낮은 원자당 무게를 가지고 있는 장점이 있다.The lithium-sulfur battery refers to a battery system using a sulfur-based material having an S-S bond (Sulfur-Sulfur Bond) as a positive electrode active material and lithium metal as a negative electrode active material. Sulfur, which is the main material of the positive electrode active material, has the advantage of having abundant resources, non-toxic, and low weight per atom worldwide.
리튬-황 전지는 방전시에 음극 활물질인 리튬이 전자를 내어놓고 이온화되면서 산화되며, 양극 활물질인 황 계열 물질이 전자를 받아들여 환원된다. 여기서, 리튬의 산화반응은 리튬 금속이 전자를 내어놓고 리튬 양이온 형태로 변환되는 과정이다. 또한, 황의 환원반응은 S-S 결합이 2개의 전자를 받아들여 황 음이온 형태로 변환되는 과정이다. 리튬의 산화반응에 의해 생성된 리튬 양이온은 전해질을 통해 양극으로 전달되고, 황의 환원반응에 의해 생성된 황 음이온과 결합하여 염을 형성한다. 구체적으로, 방전 전의 황은 환형의 S8 구조를 가지고 있는데, 이는 환원반응에 의해 리튬 폴리설파이드(Lithium polysulfide, LiSx)로 변환된다. 리튬 폴리설파이드가 완전히 환원되는 경우에는 리튬 설파이드(Li2S)가 생성되게 된다.In a lithium-sulfur battery, lithium, which is a negative electrode active material, is oxidized while ionizing and releasing electrons during discharge, and a sulfur-based material, which is a positive electrode active material, receives electrons and is reduced. Here, the oxidation reaction of lithium is a process in which lithium metal releases electrons and is converted into lithium cation form. In addition, the reduction reaction of sulfur is a process in which the SS bond accepts two electrons and is converted into a sulfur anion form. The lithium cation generated by the oxidation reaction of lithium is transferred to the positive electrode through the electrolyte, and forms a salt by combining with the sulfur anion generated by the reduction reaction of sulfur. Specifically, sulfur before discharge has a cyclic S 8 structure, which is converted into lithium polysulfide (LiS x) by a reduction reaction. When lithium polysulfide is completely reduced, lithium sulfide (Li 2 S) is produced.
리튬-황 전지는 높은 에너지 저장 밀도의 장점을 가지고 있음에도 불구하고 실제 적용함에 있어서 여러 문제점이 존재한다. 구체적으로, 음극으로 사용되는 리튬 금속의 불안정성 문제, 양극의 낮은 전도성 문제, 전극 제조시 황 계열 물질의 승화 문제 및 반복적인 충·방전시 황 계열 물질의 손실 문제 등이 존재할 수 있다.Although the lithium-sulfur battery has the advantage of high energy storage density, there are several problems in practical application. Specifically, there may be a problem of instability of lithium metal used as a negative electrode, a problem of low conductivity of the positive electrode, a problem of sublimation of a sulfur-based material during electrode manufacturing, and a problem of loss of a sulfur-based material during repetitive charging and discharging.
종래의 리튬-황 전지용 양극에 사용되는 바인더는 리튬 이온전지와 동일한 바인더인 스티렌 부타디엔 고무/카르복시메틸 셀룰로오스(Styrene Butadiene Rubber/Carboxymethyl Cellulose, SBR/CMC)를 바인더로 사용하여 제조되었다. 상기 바인더는 높은 접착력을 유지하였으나, 스티렌 부타디엔 고무 및 카르복시메틸 셀룰로오스에 나트륨(Na)이 높은 함량으로 포함되어 있어 충·방전 진행에 따른 양극의 열화로 인하여 장기적인 안정성이 떨어지는 문제점이 있다. The binder used for the conventional lithium-sulfur battery positive electrode was prepared by using styrene butadiene rubber/carboxymethyl cellulose (SBR/CMC), which is the same binder as the lithium ion battery, as a binder. The binder maintains high adhesion, but since sodium (Na) is contained in a high content in styrene butadiene rubber and carboxymethyl cellulose, there is a problem in that long-term stability is deteriorated due to deterioration of the anode due to the progress of charging and discharging.
상기 문제점을 해결하기 위하여 전지의 수명을 증대시킬 수 있는 첨가제를 추가로 사용할 수 있으나, 이 경우 양극 내 양극 활물질의 함량이 감소하여 전지의 성능이 저하되는 문제가 발생하였다.In order to solve the above problem, an additive capable of increasing the life of the battery may be additionally used, but in this case, the content of the positive electrode active material in the positive electrode decreases, resulting in a problem that the performance of the battery is deteriorated.
따라서, 상기의 문제점을 해결할 수 있는 바인더가 필요한 상황이다.Therefore, there is a need for a binder capable of solving the above problems.
상기의 문제점을 해결하고자 본 발명자들은 다각적으로 연구를 수행한 결과, 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더로 중량평균분자량이 2,500 내지 270,000인 폴리에틸렌이민 및 폴리비닐피롤리돈을 사용하고, 이를 리튬-황 전지용 양극에 적용하면, 폴리에틸렌이민의 높은 점성으로 인하여 집전체에 대한 양극 활물질층의 접착력을 향상시킬 수 있고, 폴리비닐피롤리돈의 피롤리돈 작용기로 인하여 리튬-황 전지의 방전 반응 중 발생하는 리튬 폴리설파이드의 용출을 억제할 수 있어, 리튬-황 전지의 수명을 증가시킨다는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.In order to solve the above problems, the present inventors conducted various studies, and as a result of conducting a research on a lithium secondary battery, polyethyleneimine and polyvinylpyrrolidone having a weight average molecular weight of 2,500 to 270,000 were used as a binder for manufacturing a positive electrode of a lithium secondary battery. When applied to the positive electrode, it is possible to improve the adhesion of the positive electrode active material layer to the current collector due to the high viscosity of polyethyleneimine, and lithium generated during the discharge reaction of the lithium-sulfur battery due to the pyrrolidone functional group of polyvinylpyrrolidone. The present invention was completed by confirming that it was possible to suppress the elution of polysulfide, thereby increasing the life of the lithium-sulfur battery.
따라서, 본 발명은 리튬 이차전지, 바람직하게는 리튬-황 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a binder for manufacturing a positive electrode of a lithium secondary battery, which can improve the life characteristics of a lithium secondary battery, preferably a lithium-sulfur battery.
또한, 본 발명은 상기 바인더를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 및 리튬 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a positive electrode for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the binder.
상기 목적을 달성하기 위하여,To achieve the above object,
본 발명은 폴리에틸렌이민 및 폴리비닐피롤리돈을 포함하는 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더로,The present invention is a binder for manufacturing a positive electrode of a lithium secondary battery comprising polyethyleneimine and polyvinylpyrrolidone,
상기 폴리에틸렌이민의 중량평균분자량은 2,500 내지 270,000인, 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더를 제공한다.The polyethyleneimine has a weight average molecular weight of 2,500 to 270,000, providing a binder for manufacturing a positive electrode of a lithium secondary battery.
또한, 본 발명은 집전체; 및In addition, the present invention is a current collector; And
상기 집전체의 적어도 일면에 형성되는 양극 활물질층;을 포함하는 리튬 이차전지용 양극으로,A positive electrode for a lithium secondary battery comprising a positive electrode active material layer formed on at least one surface of the current collector,
상기 양극 활물질층은 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하며,The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material, a binder, and a conductive material,
상기 바인더는 상기 본 발명의 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더인, 리튬 이차전지용 양극을 제공한다.The binder provides a positive electrode for a lithium secondary battery, which is a binder for manufacturing the positive electrode of the lithium secondary battery of the present invention.
또한, 본 발명은 양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해액을 포함하는 리튬 이차전지로,In addition, the present invention is a positive electrode; cathode; A separator interposed between the anode and the cathode; And a lithium secondary battery containing an electrolyte,
상기 양극은 상기 본 발명의 양극인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지를 제공한다.The positive electrode provides a lithium secondary battery, characterized in that the positive electrode of the present invention.
본 발명의 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더는 중량평균분자량이 2,500 내지 270,000인 폴리에틸렌이민 및 폴리비닐피롤리돈을 포함함에 따라, 양극 집전체에 대한 양극 활물질층의 접착력을 향상시킬 수 있으며, 리튬-황 전지에 적용시 용출되는 리튬 폴리설파이드를 억제할 수 있어 리튬-황 전지의 수명 성능을 개선시킬 수 있다.As the binder for manufacturing a positive electrode of a lithium secondary battery of the present invention contains polyethyleneimine and polyvinylpyrrolidone having a weight average molecular weight of 2,500 to 270,000, adhesion of the positive electrode active material layer to the positive electrode current collector can be improved, and lithium- When applied to a sulfur battery, it is possible to suppress lithium polysulfide that is eluted, thereby improving the life performance of a lithium-sulfur battery.
도 1은 실험예 1의 리튬-황 전지의 수명특성 그래프이다.1 is a graph of life characteristics of a lithium-sulfur battery of Experimental Example 1.
이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
리튬 이차전지, 그 중에서도 리튬-황 전지는 양극 제조시 바인더로 스티렌 부타디엔 고무/카르복시메틸 셀룰로오스(SBR/CMC)가 주로 사용되었다. 상기 카르복시메틸 셀룰로오스는 증점제로서 바인더의 분산성을 개선시키기 위해 사용되는 첨가제이며, 상기 카르복시메틸 셀룰로오스 없이 스티렌 부타디엔 고무만을 사용하면 분산성이 감소하여 바인더의 가공성이 떨어지며, 충·방전 진행시 양극이 열화되어 안정성이 감소된다. 상기 문제점을 해결하기 위하여 스티렌 부타디엔 고무와 함께 카르복시메틸 셀룰로오스를 사용하였으나, 상기 카르복시메틸 셀룰로오스에 포함된 나트륨으로 인하여 전지의 열화가 일어나 만족할만한 수명 특성을 얻지 못한 문제가 있다.In lithium secondary batteries, especially lithium-sulfur batteries, styrene butadiene rubber/carboxymethyl cellulose (SBR/CMC) was mainly used as a binder when manufacturing a positive electrode. The carboxymethyl cellulose is an additive used to improve the dispersibility of the binder as a thickener, and if only styrene butadiene rubber is used without the carboxymethyl cellulose, the dispersibility decreases and the processability of the binder decreases, and the anode deteriorates during charging and discharging. The stability is reduced. In order to solve the above problem, carboxymethyl cellulose was used together with styrene butadiene rubber, but there is a problem that satisfactory lifespan characteristics are not obtained due to deterioration of the battery due to sodium contained in the carboxymethyl cellulose.
따라서, 본 발명에서는 열화가 발생하지 않으며, 수명 특성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더를 제공하고자 하였다.Accordingly, in the present invention, it is intended to provide a binder for manufacturing a positive electrode of a lithium secondary battery that does not cause deterioration and can improve lifespan characteristics.
리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더Binder for manufacturing positive electrode of lithium secondary battery
본 발명은 폴리에틸렌이민 및 폴리비닐피롤리돈을 포함하는 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더로,The present invention is a binder for manufacturing a positive electrode of a lithium secondary battery comprising polyethyleneimine and polyvinylpyrrolidone,
상기 폴리에틸렌이민의 중량평균분자량은 2,500 내지 270,000인, 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더에 관한 것이다.The polyethyleneimine has a weight average molecular weight of 2,500 to 270,000, and relates to a binder for manufacturing a positive electrode of a lithium secondary battery.
상기 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더는 양극 집전체 상에 형성되는 양극 활물질층에 포함되는 것으로, 상기 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine, PEI)은 높은 점성으로 인하여 양극 집전체에 대한 양극 활물질의 접착 능력을 향상시킬 수 있다. 따라서, 양극 활물질의 탈리를 방지할 수 있어 리튬 이차전지, 바람직하게는 리튬-황 전지의 수명 성능을 향상시킬 수 있다.The binder for manufacturing the positive electrode of the lithium secondary battery is included in the positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector, and the polyethyleneimine (PEI) improves the adhesion of the positive electrode active material to the positive electrode current collector due to its high viscosity. I can. Therefore, it is possible to prevent the desorption of the positive electrode active material, thereby improving the life performance of a lithium secondary battery, preferably a lithium-sulfur battery.
상기 폴리에틸렌이민의 중량평균분자량은 2,500 내지 270,000, 바람직하게는 40,000 내지 100,000이다. 상기 폴리에틸렌이민의 중량평균분자량이 2,500 미만이면 사용한 폴리에틸렌이민의 함량 대비 슬러리 형태인 양극 활물질층 형성용 조성물의 점도가 낮으며, 접착력 향상 효과를 얻을 수 없고, 중량평균분자량이 270,000을 초과하면 슬러리 형태의 양극 활물질층 형성용 조성물의 점도가 높아져 슬러리 전체에 포함된 고형분의 함량이 낮아지며, 그로 인하여 양극 집전체에 상기 슬러리를 코팅 및 건조하는 양극 제조 공정의 공정성이 저하될 수 있다.The weight average molecular weight of the polyethyleneimine is 2,500 to 270,000, preferably 40,000 to 100,000. If the weight average molecular weight of the polyethyleneimine is less than 2,500, the viscosity of the composition for forming the positive electrode active material layer in the form of a slurry is low compared to the content of the polyethyleneimine used, and the effect of improving adhesion cannot be obtained, and if the weight average molecular weight exceeds 270,000, it is in the form of a slurry. The viscosity of the composition for forming a positive electrode active material layer of is increased, so that the content of the solid content in the entire slurry is lowered, and thus the fairness of the positive electrode manufacturing process of coating and drying the slurry on the positive electrode current collector may be lowered.
따라서, 본 발명에서는 2,500 내지 270,000의 중량평균분자량의 폴리에틸렌이민을 사용함에 따라 리튬-황 전지의 수명 향상 효과를 얻을 수 있다.Accordingly, in the present invention, by using polyethyleneimine having a weight average molecular weight of 2,500 to 270,000, it is possible to obtain an effect of improving the life of the lithium-sulfur battery.
상기 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP)은 폴리비닐피롤리돈에 존재하는 피롤리돈(pyrrolidone) 작용기로 인하여 리튬 폴리설파이드의 용출을 억제할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 리튬-황 전지는 충·방전시 리튬 폴리설파이드가 발생하며, 상기 리튬 폴리설파이드가 용출되어 전지의 수명을 저하시킬 수 있다. 그러나 상기 폴리비닐피롤리돈의 피롤리돈 단량체 내부의 카르보닐 작용기와 리튬 폴리설파이드 내부의 리튬 이온 간의 강한 상호작용에 의해 Li-O 결합이 형성되어 리튬 폴리설파이드의 용출을 억제할 수 있어 리튬-황 전지의 수명을 향상시킬 수 있다.The polyvinylpyrrolidone (PVP) can suppress the elution of lithium polysulfide due to the pyrrolidone functional group present in the polyvinylpyrrolidone. More specifically, the lithium-sulfur battery generates lithium polysulfide during charging and discharging, and the lithium polysulfide is eluted to reduce the life of the battery. However, Li-O bonds are formed by the strong interaction between the carbonyl functional group inside the pyrrolidone monomer of the polyvinylpyrrolidone and the lithium ions inside the lithium polysulfide, thereby inhibiting the elution of lithium polysulfide. It can improve the life of the sulfur battery.
상기 폴리비닐피롤리돈의 중량평균분자량은 10,000 내지 1,300,000이며, 바람직하게는 55,000 내지 1,300,000이다.The weight average molecular weight of the polyvinylpyrrolidone is 10,000 to 1,300,000, preferably 55,000 to 1,300,000.
상기 폴리비닐피롤리돈의 중량평균분자량이 10,000 미만이면 슬러리 형태인 양극 활물질층 형성용 조성물의 점도가 낮아지며, 중량평균분자량이 1,300,000을 초과하면 상기 슬러리 형태의 양극 활물질층 형성용 조성물의 점도가 높아져 슬러리 전체에 포함된 고형분의 함량이 낮아지며, 그로 인하여 양극 집전체에 상기 슬러리를 코팅 및 건조하는 양극 제조 공정의 공정성이 저하될 수 있다.When the weight average molecular weight of the polyvinylpyrrolidone is less than 10,000, the viscosity of the composition for forming a slurry-type positive active material layer decreases, and when the weight average molecular weight exceeds 1,300,000, the viscosity of the composition for forming the slurry-type positive active material layer increases. The content of the solid content in the entire slurry is lowered, and thus, the processability of a positive electrode manufacturing process in which the slurry is coated and dried on a positive electrode current collector may be deteriorated.
상기 폴리에틸렌이민과 폴리비닐피롤리돈은 5:1 내지 1:5의 중량비, 바람직하게는 7:3 내지 3:7의 중량비로 혼합될 수 있다.The polyethyleneimine and polyvinylpyrrolidone may be mixed in a weight ratio of 5:1 to 1:5, preferably in a weight ratio of 7:3 to 3:7.
상기 폴리에틸렌이민이 상기 중량비 미만으로 포함되면 접착력 증대 효과가 미미하고, 상기 중량비를 초과하여 포함되면 상기 슬러리 형태의 양극 활물질층 형성용 조성물의 점도가 높아져 슬러리에 포함된 고형분의 함량이 낮아질 수 있다.If the polyethyleneimine is contained in an amount less than the weight ratio, the effect of increasing adhesion is insignificant, and if it is contained in an amount exceeding the weight ratio, the viscosity of the composition for forming the positive electrode active material layer in the form of a slurry increases, so that the content of solid content in the slurry may be lowered.
상기 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더는 바람직하게는 리튬-황 전지의 양극 제조용 바인더로 사용될 수 있다.The binder for manufacturing the positive electrode of the lithium secondary battery may be preferably used as a binder for manufacturing the positive electrode of the lithium-sulfur battery.
리튬 이차전지용 양극Anode for lithium secondary battery
또한, 본 발명은 집전체; 및In addition, the present invention is a current collector; And
상기 집전체의 적어도 일면에 형성되는 양극 활물질층;을 포함하는 리튬 이차전지용 양극에 관한 것으로,It relates to a positive electrode for a lithium secondary battery comprising; a positive electrode active material layer formed on at least one surface of the current collector,
상기 양극 활물질층은 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하며,The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material, a binder, and a conductive material,
상기 바인더는 상술한 본 발명의 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더일 수 있다.The binder may be a binder for manufacturing the positive electrode of the lithium secondary battery of the present invention described above.
상기 집전체는 양극의 제조에서 일반적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 양극 집전체의 종류는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 및 알루미늄으로부터 선택된 하나 이상의 소재일 수 있고, 필요한 경우 상기 소재의 표면에 카본, 니켈, 티탄 또는 은을 처리하여 사용할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 양극 집전체의 형태는 필름, 시트, 호일(foil), 네트(net), 다공질체, 발포체 및 부직포체로부터 선택될 수 있다. 양극 집전체의 두께는 특별히 한정되지 않고, 양극의 기계적 강도, 생산성이나 전지의 용량 등을 고려하여 적절한 범위로 설정할 수 있으며, 3 내지 500μm인 것이 바람직하다.The current collector is not particularly limited as long as it is generally used in the manufacture of a positive electrode. According to one embodiment of the present invention, the type of the positive electrode current collector may be one or more materials selected from stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, and aluminum, and if necessary, carbon, nickel, and titanium on the surface of the material. Alternatively, it can be used by treating silver. According to one embodiment of the present invention, the shape of the positive electrode current collector may be selected from a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric. The thickness of the positive electrode current collector is not particularly limited, and may be set in an appropriate range in consideration of the mechanical strength of the positive electrode, productivity, and capacity of a battery, and is preferably 3 to 500 μm.
상기 양극 활물질층은 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함할 수 있다.The positive active material layer may include a positive active material, a binder, and a conductive material.
상기 양극 활물질은 황 원소(Elemental sulfur, S8), 황-탄소 복합체, 황 계열 화합물 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 황 계열 화합물은 구체적으로, Li2Sn(n≥1), 유기황 화합물 또는 탄소-황 폴리머((C2Sx)n: x=2.5 ~ 50, n≥2)일 수 있다. 이들은 황 물질 단독으로는 전기 전도성이 없기 때문에 도전재와 복합하여 적용할 수 있다.The positive electrode active material may be selected from elemental sulfur (S 8 ), a sulfur-carbon composite, a sulfur-based compound, or a mixture thereof, but is not limited thereto. Specifically, the sulfur-based compound may be Li 2 S n (n≥1), an organosulfur compound or a carbon-sulfur polymer ((C 2 S x ) n : x=2.5 to 50, n≥2). These can be applied in combination with a conductive material because the sulfur material alone has no electrical conductivity.
또한, 상기 황-탄소 복합체는 황이 전해질로 유출되는 것을 감소시키고, 황이 포함된 전극의 전기 전도도를 높이기 위해 탄소와 황을 혼합시킨 양극 활물질의 일 양태이다.In addition, the sulfur-carbon composite is an aspect of a positive electrode active material in which carbon and sulfur are mixed to reduce the leakage of sulfur into the electrolyte and increase the electrical conductivity of the sulfur-containing electrode.
상기 황-탄소 복합체를 구성하는 탄소 물질은 결정질 또는 비정질 탄소일 수 있고, 도전성 탄소일 수 있다. 구체적으로, 그라파이트(graphite), 그래핀(graphene), 수퍼 P(Super P), 카본 블랙, 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유, 탄소나노섬유, 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 탄소나노링, 탄소 직물 및 풀러렌(C60)으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.The carbon material constituting the sulfur-carbon composite may be crystalline or amorphous carbon, or may be conductive carbon. Specifically, graphite, graphene, super P, carbon black, denka black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, carbon fiber, carbon a nanofiber, carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nano-rings, carbon fabric, and fullerene (C 60) may be selected from the group consisting of.
이러한 황-탄소 복합체로는 황-탄소나노튜브 복합체 등이 있다. 구체적으로, 상기 황-탄소나노튜브 복합체는 3차원 구조의 탄소나노튜브 응집체, 및 상기 탄소나노튜브 응집체의 내부표면 및 외부표면 중 적어도 일부에 구비된 황 또는 황 화합물을 구비한다.Examples of such a sulfur-carbon composite include a sulfur-carbon nanotube composite. Specifically, the sulfur-carbon nanotube composite includes a carbon nanotube aggregate having a three-dimensional structure, and a sulfur or sulfur compound provided on at least a portion of an inner surface and an outer surface of the carbon nanotube aggregate.
상기 양극 활물질은 양극 활물질층 총 중량에 대하여 30 내지 95 중량%로 포함될 수 있다.The positive electrode active material may be included in an amount of 30 to 95% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer.
상기 양극 활물질을 사용함에 따라, 본 발명의 리튬 이차전지용 양극은 리튬-황 전지용 양극일 수 있다.As the positive electrode active material is used, the positive electrode for a lithium secondary battery of the present invention may be a positive electrode for a lithium-sulfur battery.
상기 도전재는 천연 흑연 또는 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙 또는 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유 또는 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄 또는 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연 또는 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 도전재는 양극 활물질층 총 중량에 대하여 5 내지 20 중량%로 포함되는 것이 바람직할 수 있다. 도전재의 함량이 5 중량% 미만이면 도전재 사용에 따른 도전성 향상효과가 미미하고, 반면 20 중량%를 초과하면 양극 활물질의 함량이 상대적으로 적게되어 용량 특성이 저하될 우려가 있다.The conductive material is graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black, such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, or thermal black; Conductive fibers such as carbon fibers or metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum or nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide or potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Or it may be a polyphenylene derivative, but is not limited thereto. The conductive material may preferably be included in an amount of 5 to 20% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer. If the content of the conductive material is less than 5% by weight, the effect of improving the conductivity due to the use of the conductive material is insignificant, whereas if the content of the conductive material is more than 20% by weight, the content of the positive electrode active material is relatively small, and the capacity characteristics may be deteriorated.
상기 바인더는 상술한 본 발명의 바인더가 사용될 수 있으며, 상기 바인더는 양극 활물질층 총 중량에 대하여 0.1 내지 10 중량%로 포함될 수 있다. 상기 바인더가 0.1 중량% 미만으로 포함되면 바인더 사용에 따른 양극 활물질간 또는 양극 활물질과 집전체간 결착력 개선 효과가 미미하고, 10 중량%를 초과하면 양극 활물질의 함량이 상대적으로 감소하여 전지의 용량 및 수명특성이 저하될 수 있다.As the binder, the binder of the present invention described above may be used, and the binder may be included in an amount of 0.1 to 10% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer. When the binder is contained in an amount of less than 0.1% by weight, the effect of improving the binding strength between the positive electrode active material or between the positive electrode active material and the current collector according to the use of the binder is insignificant, and if it exceeds 10% by weight, the content of the positive electrode active material is relatively reduced, resulting in the capacity and capacity of the battery. Life characteristics may be deteriorated.
상기와 같은 양극은 통상의 방법에 따라 제조될 수 있으며, 구체적으로는 양극 활물질과 도전재 및 바인더를 용매 상에서 혼합하여 슬러리 상태로 제조한 양극 활물질층 형성용 조성물을, 집전체 위에 도포한 후 건조 및 선택적으로 압연하여 제조될 수 있다.The positive electrode as described above may be manufactured according to a conventional method, and specifically, a composition for forming a positive electrode active material layer prepared in a slurry state by mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder in a solvent is applied on a current collector and then dried. And it can be produced by selectively rolling.
이때 상기 용매로는 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 균일하게 분산시킬 수 있으며, 쉽게 증발되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란, 물, 이소프로필알코올 등을 들 수 있다.At this time, the positive electrode active material, the binder, and the conductive material may be uniformly dispersed as the solvent, and it is preferable to use one that evaporates easily. Specific examples include acetonitrile, methanol, ethanol, tetrahydrofuran, water, and isopropyl alcohol.
상기 도포 방법으로 예를 들면, 바 코팅법, 스크린 코팅법, 닥터 블레이드법, 딥 법, 리버스 롤법, 다이렉트 롤법, 그라비어법 또는 압출법이 적용될 수 있다. 상기 집전체 상에 양극 활물질층 형성용 조성물을 도포하는 양은 특별히 한정되는 것은 아니고, 최종적으로 목적하는 양극 활물질층의 두께를 고려하여 조절한다. 또한, 상기 양극 활물질층의 형성 공정 전 또는 후에 양극의 제조를 위해 요구되는 공지의 공정, 예를 들면, 압연이나 건조 공정이 수행될 수 있다. 상기 양극 활물질층 형성용 조성물에 의해 형성된 활성층의 두께는 목적하는 성능을 고려하여 적절하게 선택될 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 양극 활물질층의 두께는 1 내지 200㎛인 것이 바람직할 수 있다.As the coating method, for example, a bar coating method, a screen coating method, a doctor blade method, a dip method, a reverse roll method, a direct roll method, a gravure method, or an extrusion method may be applied. The amount of the composition for forming a positive electrode active material layer on the current collector is not particularly limited, and is finally adjusted in consideration of the thickness of the desired positive electrode active material layer. In addition, a known process required for manufacturing a positive electrode may be performed before or after the positive electrode active material layer forming process, for example, a rolling or drying process. The thickness of the active layer formed by the composition for forming the positive active material layer may be appropriately selected in consideration of desired performance, and is not particularly limited. According to one embodiment of the present invention, it may be preferable that the thickness of the positive electrode active material layer is 1 to 200 μm.
리튬 이차전지Lithium secondary battery
또한, 본 발명은 양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해액을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로,In addition, the present invention is a positive electrode; cathode; A separator interposed between the anode and the cathode; And it relates to a lithium secondary battery comprising an electrolyte,
상기 양극은 상술한 본 발명의 리튬 이차전지용 양극일 수 있다.The positive electrode may be the positive electrode for a lithium secondary battery of the present invention described above.
따라서, 본 발명의 리튬 이차전지는 리튬-황 전지일 수 있다.Accordingly, the lithium secondary battery of the present invention may be a lithium-sulfur battery.
상기 음극은 집전체와 그의 일면 또는 양면에 형성된 음극 활물질층으로 구성될 수 있다. 또는 상기 음극은 리튬 금속판일 수 있다.The negative electrode may include a current collector and a negative active material layer formed on one or both surfaces thereof. Alternatively, the negative electrode may be a lithium metal plate.
상기 집전체는 음극 활물질의 지지를 위한 것으로, 우수한 도전성을 가지고 리튬 이차전지의 전압영역에서 전기화학적으로 안정한 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 팔라듐, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸 표면에 카본, 니켈, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.The current collector is for supporting the negative active material, and is not particularly limited as long as it has excellent conductivity and is electrochemically stable in the voltage range of a lithium secondary battery. For example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, palladium , Calcined carbon, surface treated with carbon, nickel, silver, etc. on the surface of copper or stainless steel, aluminum-cadmium alloy, etc. may be used.
상기 음극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질과의 결합력을 강화시킬 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 메쉬, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태를 사용할 수 있다.The negative electrode current collector may form fine irregularities on its surface to enhance the bonding strength with the negative electrode active material, and various forms such as films, sheets, foils, meshes, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics may be used.
상기 음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션(Intercalation) 또는 디인터칼레이션(Deintercalation)할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 사용할 수 있다.The negative active material is a material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions, a material capable of reversibly forming a lithium-containing compound by reacting with lithium ions, a lithium metal or a lithium alloy Can be used.
상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션할 수 있는 물질은 예를 들어, 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다.The material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions may be, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof.
상기 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질은 예를 들어, 산화주석, 티타늄나이트레이트 또는 실리콘일 수 있다.A material capable of reversibly forming a lithium-containing compound by reacting with the lithium ions may be, for example, tin oxide, titanium nitrate, or silicon.
상기 리튬 합금은 예를 들어, 리튬(Li)과 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 알루미늄(Al) 및 주석(Sn)으로 이루어지는 군에서 선택되는 금속의 합금일 수 있다.The lithium alloy is, for example, lithium (Li) and sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), francium (Fr), beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium ( It may be an alloy of a metal selected from the group consisting of Ca), strontium (Sr), barium (Ba), radium (Ra), aluminum (Al), and tin (Sn).
전술한 양극과 음극 사이에는 추가적으로 분리막이 포함될 수 있다. 상기 분리막은 상기 양극과 음극을 서로 분리 또는 절연시키고, 양극과 음극 사이에 리튬 이온 수송을 가능하게 하는 것으로 다공성 비전도성 또는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 분리막은 필름과 같은 독립적인 부재일 수도 있고, 양극 및/또는 음극에 부가된 코팅층일 수 있다.A separator may be additionally included between the above-described anode and cathode. The separator separates or insulates the positive and negative electrodes from each other and enables transport of lithium ions between the positive and negative electrodes, and may be made of a porous non-conductive or insulating material. This separator may be an independent member such as a film, or may be a coating layer added to the anode and/or the cathode.
상기 분리막을 이루는 물질은 예를 들어 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀, 유리 섬유 여과지 및 세라믹 물질이 포함되나, 이에 한정되지 않고, 그 두께는 약 5 내지 50 ㎛, 바람직하게는 약 5 내지 25 ㎛일 수 있다.Materials constituting the separation membrane include, for example, polyolefins such as polyethylene and polypropylene, glass fiber filter paper, and ceramic materials, but are not limited thereto, and the thickness thereof is about 5 to 50 µm, preferably about 5 to 25 µm. I can.
상기 전해액은 리튬염을 함유하는 비수계 전해질로서 리튬염과 전해액으로 구성되어 있으며, 전해액으로는 비수계 유기 용매, 유기 고체 전해질 및 무기 고체 전해질 등이 사용된다.The electrolyte is a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt and is composed of a lithium salt and an electrolyte, and as the electrolyte, a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used.
상기 리튬염은 리튬 이차전지용, 바람직하게는 리튬-황 전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, LiSCN, LiBr, LiI, LiPF6, LiBF4, LiB10Cl10, LiSO3CF3, LiCl, LiClO4, LiSO3CH3, LiB(Ph)4, LiC(SO2CF3)3, LiN(SO2CF3)2, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, LiFSI, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬 등으로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 포함될 수 있다.The lithium salt may be used without limitation as long as it is commonly used in an electrolytic solution for a lithium secondary battery, preferably a lithium-sulfur battery. For example, LiSCN, LiBr, LiI, LiPF 6 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiSO 3 CF 3 , LiCl, LiClO 4 , LiSO 3 CH 3 , LiB(Ph) 4 , LiC(SO 2 CF 3 ) 3 , LiN (SO 2 CF 3) 2, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, may be included are one or more from LiFSI, chloro group consisting of borane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium or the like.
또한, 상기 전해액에서 리튬염의 농도는 0.2 내지 2 M, 구체적으로 0.6 내지 2 M, 더욱 구체적으로 0.7 내지 1.7 M일 수 있다. 상기 리튬염의 농도가 0.2 M 미만으로 사용하면 전해액의 전도도가 낮아져서 전해액 성능이 저하될 수 있고, 2 M을 초과하여 사용하면 전해액의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 감소될 수 있다.In addition, the concentration of the lithium salt in the electrolyte may be 0.2 to 2 M, specifically 0.6 to 2 M, more specifically 0.7 to 1.7 M. When the concentration of the lithium salt is less than 0.2 M, the conductivity of the electrolyte solution may be lowered and thus the electrolyte performance may be deteriorated, and when the concentration of the lithium salt exceeds 2 M, the viscosity of the electrolyte solution may increase, thereby reducing the mobility of lithium ions.
상기 비수계 유기용매는 리튬염을 잘 용해시켜야 하며, 본 발명의 비수계 유기용매로는, 예컨대, N-메틸-2-피롤리돈, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부티로락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소란, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소란, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소란 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있으며, 상기 유기 용매는 하나 또는 둘 이상의 유기용매들의 혼합물일 수 있다.The non-aqueous organic solvent should dissolve the lithium salt well, and the non-aqueous organic solvent of the present invention includes, for example, N-methyl-2-pyrrolidone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, di Ethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, gamma-butyrolactone, 1,2-dimethoxy ethane, 1,2-diethoxy ethane, tetrahydroxyfranc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1, 3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxene, diethyl ether, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate tryster, trimer Aprotic, such as oxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ether, methyl pyropionate, ethyl propionate, etc. An organic solvent may be used, and the organic solvent may be one or a mixture of two or more organic solvents.
상기 유기 고체 전해질로는, 예컨대, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(Agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, poly etch lysine, polyester sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, ionic dissociation. Group-containing polymers and the like can be used.
상기 무기 고체 전해질로는, 예컨대, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.As the inorganic solid electrolyte, for example, Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 Nitrides, halides, and sulfates of Li such as SiO 4 -LiI-LiOH and Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 may be used.
본 발명의 전해질에는 충·방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예컨대, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-ethylene carbonate), PRS(Propene sultone), FPC(Fluoro-propylene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.The electrolyte of the present invention includes pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, and nitro for the purpose of improving charge/discharge properties and flame retardancy. Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinone, N,N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride, etc. may be added. . In some cases, in order to impart non-flammability, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high-temperature storage characteristics. carbonate), PRS (Propene sultone), FPC (Fluoro-propylene carbonate), etc. may be further included.
상기 전해질은 액상 전해질로 사용할 수도 있고, 고체 상태의 전해질 분리막 형태로도 사용할 수 있다. 액상 전해질로 사용할 경우에는 전극을 물리적으로 분리하는 기능을 갖는 물리적인 분리막으로서 다공성 유리, 플라스틱, 세라믹 또는 고분자 등으로 이루어진 분리막을 더 포함한다.The electrolyte may be used as a liquid electrolyte or may be used in the form of a solid electrolyte membrane. When used as a liquid electrolyte, a separator made of porous glass, plastic, ceramic, or polymer as a physical separator having a function of physically separating the electrode may be further included.
본 발명의 리튬 이차전지, 바람직하게는 리튬-황 전지는 양극 활물질층에 상술한 본 발명의 바인더를 포함한다. 그에 따라, 집전체에 대한 양극 활물질층의 접착력이 우수하고, 리튬 폴리설파이드의 용출을 억제할 수 있어 리튬-황 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 종래의 스티렌 부타디엔 고무/카르복시메틸 셀룰로오스 바인더에서 발생하는 전지의 열화 등의 문제점을 해결할 수 있어 종래 바인더 사용 대비 약 100% 이상 리튬-황 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.The lithium secondary battery of the present invention, preferably a lithium-sulfur battery, includes the binder of the present invention described above in the positive electrode active material layer. Accordingly, the adhesion of the positive electrode active material layer to the current collector is excellent, the elution of lithium polysulfide can be suppressed, and the life characteristics of the lithium-sulfur battery can be improved. In addition, it is possible to solve problems such as battery deterioration occurring in the conventional styrene butadiene rubber/carboxymethyl cellulose binder, thereby improving the life characteristics of the lithium-sulfur battery by about 100% or more compared to the use of the conventional binder.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments are presented to aid in the understanding of the present invention, but the following examples are only illustrative of the present invention, and it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention. It is natural that changes and modifications fall within the scope of the appended claims.
<리튬-황 전지용 양극 제조><Manufacture of positive electrode for lithium-sulfur battery>
실시예 1.Example 1.
중량평균분자량이 70,000인 폴리에틸렌이미드와 중량평균분자량이 360,000인 폴리비닐피롤리돈을 3:7의 중량비로 혼합하여 바인더를 제조하였다. 황(Sigma-Aldrich 제품)을 CNT(Carbon Nanotube)와 함께 볼 밀을 사용하여 혼합한 후 155℃에서 열처리하여 황-탄소 복합체의 양극 활물질을 제조하였다. 도전재로는 덴카 블랙(Denka black)를 준비하였다.A binder was prepared by mixing polyethyleneimide having a weight average molecular weight of 70,000 and polyvinylpyrrolidone having a weight average molecular weight of 360,000 in a weight ratio of 3:7. Sulfur (manufactured by Sigma-Aldrich) was mixed with CNT (Carbon Nanotube) using a ball mill and then heat-treated at 155°C to prepare a sulfur-carbon composite cathode active material. Denka black was prepared as a conductive material.
상술한 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 용매인 물에 첨가하고 beads milling 방식으로 혼합하여 양극 활물질층 형성용 조성물을 제조하였다. 이때, 혼합비율은 중량비로 양극 활물질 : 도전재 : 바인더가 90 : 5 : 5가 되도록 하였다. 제조한 양극 활물질층 형성용 조성물을 알루미늄 포일(Al foil) 집전체에 도포한 후 50℃에서 2시간 건조하여 양극을 제조하였다.The above-described positive electrode active material, conductive material, and binder were added to water as a solvent and mixed in a beads milling method to prepare a composition for forming a positive electrode active material layer. At this time, the mixing ratio was a weight ratio of 90:5:5 of the positive electrode active material: the conductive material: the binder. The prepared composition for forming a positive electrode active material layer was applied to an aluminum foil current collector and then dried at 50° C. for 2 hours to prepare a positive electrode.
비교예 1.Comparative Example 1.
스티렌 부타디엔 고무 및 카르복시메틸 셀룰로오스를 3.5:1.5의 중량비호 혼합한 바인더를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 리튬-황 전지용 양극을 제조하였다.A positive electrode for a lithium-sulfur battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that a binder obtained by mixing styrene butadiene rubber and carboxymethyl cellulose in a weight ratio of 3.5:1.5 was used.
실험예 1. 리튬-황 전지의 수명특성 평가Experimental Example 1. Evaluation of life characteristics of lithium-sulfur battery
음극으로 약 100㎛ 두께를 갖는 리튬 호일을 사용하였으며, 분리막으로 폴리에틸렌을 사용하였다. 전해액으로 1,3-디옥소란(DOL)과 1,2-디메톡시 에탄(DME)의 혼합용매(1:1, v/v)에 0.38M의 LiTFSI와 0.31M의 LiNO3를 첨가한 전해액을 사용하였다.A lithium foil having a thickness of about 100 μm was used as a negative electrode, and polyethylene was used as a separator. An electrolyte in which 0.38M LiTFSI and 0.31M LiNO 3 were added to a mixed solvent (1:1, v/v) of 1,3-dioxolane (DOL) and 1,2-dimethoxyethane (DME) as an electrolyte. Was used.
양극으로는 상기 실시예 1 및 비교예 1의 리튬-황 전지용 양극을 각각 사용하여, 각각의 코인셀(coin cell) 형태의 리튬-황 전지를 제조하였다. 이 때 상기 실시예 1 및 비교예 1의 양극의 로딩량은 4.5 내지 5mAh/cm2 사이의 값으로 조절하였다.As a positive electrode, the positive electrodes for lithium-sulfur batteries of Example 1 and Comparative Example 1 were used, respectively, to prepare lithium-sulfur batteries in the form of respective coin cells. At this time, the loading amount of the positive electrode of Example 1 and Comparative Example 1 was adjusted to a value between 4.5 and 5 mAh/cm 2.
상기 코인셀(coin cell) 형태의 리튬-황 전지의 Galvanostatic charge/discharge 분석을 0.2 C, 1.5 V 내지 2.6 V 전압대(vs Li/Li+)에서 실시하여 수명 특성을 측정하였으며, 결과를 하기 도 1에 나타내었다.The galvanostatic charge/discharge analysis of the coin cell type lithium-sulfur battery was carried out in a voltage range of 0.2 C, 1.5 V to 2.6 V (vs Li/Li + ) to measure lifespan characteristics, and the results are shown in the following figure. It is shown in 1.
상기 실시예 1의 양극을 포함하는 리튬-황 전지는 3회 반복하여 측정하였다.The lithium-sulfur battery including the positive electrode of Example 1 was measured by repeating three times.
코인셀 단위의 리튬-황 전지의 수명 측정 결과, 리튬-황 전지용 양극의 바인더로 폴리에틸렌이미드(중량평균분자량 70,000) 및 폴리비닐피롤리돈(중량평균분자량 360,000)(3:7의 중량비)을 사용한 실시예 1의 리튬-황 전지는 100 사이클 이상 800mAh/g 이상의 방전용량을 유지하는 수명 성능을 보였다.As a result of measuring the lifetime of a lithium-sulfur battery in a coin cell unit, polyethyleneimide (weight average molecular weight 70,000) and polyvinylpyrrolidone (weight average molecular weight 360,000) (3:7 weight ratio) were used as binders for the positive electrode for lithium-sulfur batteries. The lithium-sulfur battery of Example 1 used showed a lifespan performance of maintaining a discharge capacity of 800 mAh/g or more for 100 cycles or more.
반면, 리튬-황 전지용 양극의 바인더로 스티렌 부타디엔 고무 및 카르복시메틸 셀룰로오스를 사용한 비교예 1의 리튬-황 전지는 0.2C 방전으로 50cycle 진행 후 500mAh/g 정도의 방전용량을 유지하였다.On the other hand, the lithium-sulfur battery of Comparative Example 1 using styrene butadiene rubber and carboxymethyl cellulose as binders for the lithium-sulfur battery positive electrode maintained a discharge capacity of about 500mAh/g after 50 cycles with 0.2C discharge.
이는 본 발명의 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더인 폴리에틸렌이민 및 폴리비닐피롤리돈의 화학적 특성으로 인해, 폴리설파이드의 흡착 및 환원 반응을 도와 황 계열 물질이 전해액으로 용출되는 것을 효과적으로 억제하였기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 상기 본 발명의 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더 사용을 통해, 종래에 사용된 증점제인 카르복시메틸 셀룰로오스에 다량 포함된 나트륨 이온에 의한 전지의 수명 열화 현상을 억제할 수 있음을 알 수 있다.It is judged that this is because the chemical properties of polyethyleneimine and polyvinylpyrrolidone, which are binders for manufacturing the positive electrode of the lithium secondary battery of the present invention, helped the adsorption and reduction reaction of polysulfide, effectively inhibiting the elution of sulfur-based substances into the electrolyte. do. In addition, it can be seen that through the use of the binder for manufacturing the positive electrode of the lithium secondary battery of the present invention, it is possible to suppress the deterioration of the battery life due to sodium ions contained in a large amount in carboxymethyl cellulose, a thickener used in the related art.
이로부터, 본원 발명의 바인더는 리튬 이차전지, 바람직하게는 리튬-황 전지의 수명 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.From this, it was found that the binder of the present invention can improve the life performance of a lithium secondary battery, preferably a lithium-sulfur battery.
Claims (8)
상기 폴리에틸렌이민의 중량평균분자량은 2,500 내지 270,000인, 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더.As a binder for manufacturing a positive electrode of a lithium secondary battery containing polyethyleneimine and polyvinylpyrrolidone,
The weight average molecular weight of the polyethyleneimine is 2,500 to 270,000, a binder for manufacturing a positive electrode of a lithium secondary battery.
상기 폴리비닐피롤리돈의 중량평균분자량은 10,000 내지 1,300,000인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더.The method of claim 1,
A binder for manufacturing a positive electrode of a lithium secondary battery, characterized in that the weight average molecular weight of the polyvinylpyrrolidone is 10,000 to 1,300,000.
상기 폴리에틸렌이민 및 폴리비닐피롤리돈은 5:1 내지 1:5의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더.The method of claim 1,
The polyethyleneimine and polyvinylpyrrolidone are mixed in a weight ratio of 5:1 to 1:5. A binder for manufacturing a positive electrode for a lithium secondary battery.
상기 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더는 리튬-황 전지의 양극 제조용 바인더인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더.The method of claim 1,
The binder for manufacturing a positive electrode for a lithium secondary battery is a binder for manufacturing a positive electrode for a lithium secondary battery, characterized in that the binder for manufacturing a positive electrode for a lithium-sulfur battery.
상기 집전체의 적어도 일면에 형성되는 양극 활물질층;을 포함하는 리튬 이차전지용 양극으로,
상기 양극 활물질층은 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하며,
상기 바인더는 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 리튬 이차전지의 양극 제조용 바인더인, 리튬 이차전지용 양극.Current collector; And
A positive electrode for a lithium secondary battery comprising a positive electrode active material layer formed on at least one surface of the current collector,
The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material, a binder, and a conductive material,
The binder is a binder for manufacturing a positive electrode of a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 4, a positive electrode for a lithium secondary battery.
상기 리튬 이차전지용 양극은 리튬-황 전지용 양극인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극.The method of claim 5,
The positive electrode for a lithium secondary battery is a positive electrode for a lithium secondary battery, characterized in that the positive electrode for a lithium-sulfur battery.
상기 양극은 제5항 또는 제6항 중 어느 한 항의 양극인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.anode; cathode; A separator interposed between the anode and the cathode; And a lithium secondary battery containing an electrolyte,
The lithium secondary battery, characterized in that the positive electrode is the positive electrode of any one of claims 5 or 6.
상기 리튬 이차전지는 리튬-황 전지인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method of claim 7,
The lithium secondary battery is a lithium secondary battery, characterized in that the lithium-sulfur battery.
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