KR20220052831A - 이차 전지용 전극, 이를 포함하는 이차 전지 및 전극 제조 방법 - Google Patents

이차 전지용 전극, 이를 포함하는 이차 전지 및 전극 제조 방법 Download PDF

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KR20220052831A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극은, 전극 집전체; 및 상기 전극 집전체 상에 위치하는 전극층을 포함하고, 상기 전극층은 활물질, 도전재, 바인더가 건식으로 혼합된 전극 조성물을 포함하고, 상기 바인더는 제1 섬유 및 상기 제1 섬유로부터 섬유화되어 있는 제2 섬유를 포함하고, 상기 제1 섬유의 직경은 상기 제2 섬유의 직경보다 크다.

Description

이차 전지용 전극, 이를 포함하는 이차 전지 및 전극 제조 방법{ELECTRODE FOR SECONDARY BATTERY, SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME, AND METHOD OF MANUFACTURING ELECTRODE}
본 발명은 이차 전지용 전극, 이를 포함하는 이차 전지, 및 전극 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 인장 강도 및 유연성이 향상된 이차 전지용 전극, 이를 포함하는 이차 전지, 및 전극 제조 방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차 전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전률이 낮은 리튬 이차 전지가 사용화되어 널리 사용되고 있다.
특히, 이차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북, 웨어러블 디바이스 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 가지고 있다.
또한, 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라, 대기 오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석 연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.
기존의 이차 전지용 전극은 일반적으로 습식 방법으로 제조되었다. 그러나 습식 방법으로 전극을 제조하는 경우, 고온에서의 열처리 과정이 필수적으로 요구되어, 금속 산화물이 손상될 우려가 있었다. 이에 따라, 건식 방법으로 제조된 전극 개발에 대한 필요성이 높아지고 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 인장 강도 및 유연성이 향상된 이차 전지용 전극, 이를 포함하는 이차 전지, 및 전극 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극은, 전극 집전체; 및 상기 전극 집전체 상에 위치하는 전극층을 포함하고, 상기 전극층은 활물질, 도전재, 바인더가 건식으로 혼합되어 있는 전극 조성물을 포함하고, 상기 바인더는 제1 섬유 및 상기 제1 섬유로부터 섬유화되어 있는 제2 섬유를 포함하고, 상기 제1 섬유의 직경은 상기 제2 섬유의 직경보다 크다.
상기 제1 섬유의 직경은 6.1um 이상 64.9 um 이하일 수 있다.
상기 제2 섬유의 직경은 0.01um 이상 2.0um 이하일 수 있다.
상기 바인더의 함량은 상기 전극 조성물의 전체 중량을 기준으로 1중량% 내지 5중량%일 수 있다.
상기 이차 전지용 전극은 접촉각(Contact angle)의 편차가 0.01도 이상 5.0도 이하일 수 있다.
상기 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, Polytetrafluoroethylene)를 포함할 수 있다.
상기 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2), 리튬 망간 산화물, 리튬 동 산화물(Li2CuO2), 바나듐 산화물, Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 복합 산화물, 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물, 화학식 Li 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4, 디설파이드 화합물, Fe2(MoO4)3,,리튬 망간 산화물(LMO, Lithium Manganese Oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 전극 조성물은 프리스탠딩 필름으로 제조되고, 상기 프리스탠딩 필름이 상기 전극 집전체 상에 부착될 수 있다.
상기 프리스탠딩 필름은 13kgf/cm2 이상 30kgf/cm2이하의 인장 강도를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차 전지용 전극 제조 방법은, 활물질, 도전재, 및 바인더를 건식으로 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물에 제1 속도로 전단력을 가하여 제1 전극 조성물이 제조되는 단계; 상기 제1 전극 조성물에 제2 속도로 전단력을 가하여 제2 전극 조성물이 제조되는 단계; 및 상기 제2 전극 조성물을 포함하는 전극층이 전극 집전체 상에 위치하는 이차 전지용 전극을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 제1 속도는 상기 제2 속도보다 빠르다.
상기 제1 전극 조성물에 포함되는 상기 바인더는 제1 섬유를 포함하고, 상기 제2 전극 조성물에 포함되는 상기 바인더는 상기 제1 섬유 및 상기 제1 섬유로부터 섬유화되어 있는 제2 섬유를 포함하고, 상기 제1 섬유의 직경은 상기 제2 섬유의 직경보다 클 수 있다.
상기 제1 섬유의 직경은 6.1um 이상 64.9 um 이하일 수 있다.
상기 제2 섬유의 직경은 0.01um 이상 2.0um 이하일 수 있다.
상기 제1 속도는 2000rpm 내지 6000rpm이고, 상기 제2 속도는 1rpm 내지 50rpm일 수 있다.
상기 바인더의 함량은 상기 전극 조성물의 전체 중량을 기준으로 1중량% 내지 5중량%일 수 있다.
상기 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, Polytetrafluoroethylene)를 포함할 수 있다.
상기 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2), 리튬 망간 산화물, 리튬 동 산화물(Li2CuO2), 바나듐 산화물, Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 복합 산화물, 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물, 화학식 Li 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4, 디설파이드 화합물, Fe2(MoO4)3,,리튬 망간 산화물(LMO, Lithium Manganese Oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 전극 조성물을 포함하는 전극층이 전극 집전체 상에 위치하는 이차 전지용 전극을 제조하는 단계에서, 상기 제2 전극 조성물은 프리스탠딩 필름으로 제조되어, 상기 전극 집전체 상에 부착될 수 있다.
상기 프리스탠딩 필름은 13kgf/cm2 이상 30kgf/cm2이하의 인장 강도를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차전지는 상술한 이차 전지용 전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고속 고전단 믹싱 단계와 저속 고전단 믹싱 단계를 포함하는 건식 방법으로 이차 전지용 전극 및 이를 포함하는 이차 전지를 제조함으로써, 전극의 인장 강도 및 유연성이 향상될 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지용 전극의 전극 조성물을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 이차 전지용 전극 제조 방법에 관한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에서, 이차 전지용 전극에 포함되는 바인더의 제1 섬유의 직경에 따라 인장 강도, 인장률 및 접촉각 편차를 각각 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에서, 이차 전지용 전극에 포함되는 바인더의 제2 섬유의 직경에 따라 인장 강도, 인장률 및 접촉각 편차를 각각 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극에 대해 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극은, 전극 집전체; 및 상기 전극 집전체 상에 프리스탠딩 필름(free standing film)으로 형성된 전극층을 포함한다. 전극층은, 활물질, 도전재, 및 바인더가 건식으로 혼합되어 있는 전극 조성물을 포함한다.
상기 전극층은 프리스탠딩 필름이 먼저 제조되고, 상기 프리스탠딩 필름이 상기 전극 집전체 상에 부착된 후 라미네이션 공정에 의해 형성될 수 있다. 여기서, 상기 프리스탠딩 필름은 13kgf/cm2 이상 30kgf/cm2이하의 인장 강도를 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 프리스탠딩 필름은 상기 전극 조성물에 포함되는 활물질, 도전재, 및 바인더가 서로 높은 결착력으로 혼합된 상태일 수 있고, 상기 프리스탠딩 필름은 롤(roll) 형태로 용이하게 보관될 수 있다. 또한, 생산성이 향상되고, 전극의 유연성 개선에 효과적일 수 있다. 그러나, 상기 프리스탠딩 필름의 인장 강도가 13kgf/cm2 미만인 경우, 충방전 시 전극 내 전극 활물질 사이에 균열이 발생되어, 전극의 유연성이 저하되어, 제조 공정 상 보관이 용이하지 않을 수 있다.
또한, 상기 이차 전지용 전극은 접촉각(Contact angle)의 편차가 0.01도 이상 5.0도 이하일 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 이차 전지용 전극은 접촉각(Contact angle)의 편차가 0.05도 이상 4.0도 이하일 수 있다. 일 예로, 상기 이차 전지용 전극은 접촉각(Contact angle)의 편차가 0.1도 이상 3.0도 이하일 수 있다. 여기서, 접촉각은 전극 표면의 각 모서리 및 정중앙 부분에 대한 접촉각의 평균 및 표준 편차를 의미할 수 있다.
이에 따라, 상기 이차전지용 전극은 접촉각의 편차가 작아, 상기 전극 조성물에 포함되는 바인더의 분산성이 향상될 수 있다. 또한, 이에 따른 바인더의 브릿징 효과가 우수하여, 상기 전극 조성물을 포함하는 전극의 저항 감소 효과가 우수할 수 있다.
그러나, 상기 이차전지용 전극의 접촉각이 5.0도 초과인 경우, 접촉 각의 편차가 커져, 상기 전극 조성물에 포함된 바인더의 분산성이 저하될 수 있다. 또한, 이에 따른 바인더의 브릿징 효과도 저하되어, 상기 전극 조성물을 포함하는 전극의 저항이 높고, 전지셀의 방전 용량 또한 저하될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 전극에 포함되는 각 구성 요소에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 전극의 전극 조성물을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지용 전극에 포함되는 전극층을 구성하는 전극 조성물에서, 상기 바인더는 복수의 활물질 입자(100) 사이에 위치하는 제1 섬유(200) 및 제2 섬유(300)를 포함한다. 여기서, 제2 섬유(300)는 제1 섬유(200)로부터 섬유화되어 있을 수 있다. 다르게 말하면, 제2 섬유(300)는 제1 섬유(200)로부터 연장되어 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 섬유(300)가 제1 섬유(200)로부터 섬유화된다는 의미는, 제1 섬유(200)에 소정의 압력 및/또는 마찰력이 가해짐에 따라, 제1 섬유(200)로부터 제2 섬유(300)가 뽑아져 나오거나 뻗어 나오는 것을 의미할 수 있다.
다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 섬유(300)는 제1 섬유(200)로부터 섬유화되어 있는 것 이외에도, 제2 섬유(300)는 제1 섬유(200)로부터 떨어져 나오거나, 상기 바인더 입자가 개별적으로 뭉쳐서 형성된 섬유도 포함할 수 있다.
상기 바인더는 활물질 입자들 간의 부착 및 활물질과 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
일 예로, 상기 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함할 수 있다. 여기서, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 전단력이 가해짐에 따라 입자에서 섬유가 뽑아져 나오는 특징을 가진다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 전극에서, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 바인더로 포함하는 전극 조성물에 강한 전단력이 가해져, 상기 전극 조성물은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 섬유화에 따른 물리적 혼합 방식에 의해 혼합될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 전극은 상기 전극 조성물이 별도의 용매 또는 첨가제 없이 건식으로 혼합될 수 있어, 활물질 입자 사이의 브릿징 또는 활물질 입자와 집전체 사이의 브릿징에 매우 효과적이면서도, 기존의 혼합 방식에 따른 고온에서의 열처리 과정에서 발생되는 활물질의 손상이 방지될 수 있다.
또한, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는 상기 바인더는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 방법에 의해, 서로 다른 속도의 전단력이 가해짐에 따라, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 입자에서 뽑아져 나오는 섬유의 직경이 상이할 수 있다. 일 예로, 상기 바인더는 제1 섬유(200) 및 제2 섬유(300)를 포함한다. 제1 섬유(200)의 직경은 제2 섬유(300)의 직경보다 크다.
제1 섬유(200)의 직경은 6.1um 이상 64.9 um 이하일 수 있다. 보다 바람직하게는, 제1 섬유(200)의 직경은 8um 이상 60 um 이하일 수 있다. 일 예로, 제1 섬유(200)의 직경은 10um 이상 55 um 이하일 수 있다.
제2 섬유(300)의 직경은 0.01um 이상 2.0um 이하일 수 있다. 보다 바람직하게는, 제2 섬유(300)의 직경은 0.05um 이상 1.5um 이하일 수 있다. 일 예로, 제2 섬유(300)의 직경은 0.1um 이상 1.0um 이하일 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 이차 전지용 전극은 상기 바인더의 제1 섬유(200) 및 제2 섬유(300)의 직경이 상술한 범위에 포함되어, 제1 섬유(200)에 의해 인장 강도가 향상될 수 있고, 제2 섬유(300)에 의해 상기 전극 조성물 내부의 입자간 브릿징 효과가 우수해질 수 있다. 이와 더불어, 제1 섬유(200)는 상기 바인더의 뭉침 현상을 방지하고, 분산성을 향상시킬 수 있어, 상기 전극 조성물을 포함하는 전극의 저항 감소 효과가 우수할 수 있다.
이와 달리, 제1 섬유(200)의 직경이 상술한 범위에서 벗어나는 경우, 제1 섬유(200)에 의한 뭉침 현상 방지가 저하되어, 인장 강도 및 인장률이 모두 저하될 수 있고, 전극 조성물의 분산성도 함께 저하될 수 있다. 또한, 제2 섬유(300)의 직경이 지나치게 큰 경우, 상기 전극 조성물 내부의 입자간 브릿징 효과가 저하될 수 있다.
또한, 상기 바인더의 함량은 상기 전극 조성물의 전체 중량을 기준으로 1중량% 이상 5중량% 이하일 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 바인더의 함량은 상기 전극 조성물의 전체 중량을 기준으로 1.5중량% 이상 4.5중량% 이하일 수 있다. 일 예로, 상기 바인더의 함량은 상기 전극 조성물의 전체 중량을 기준으로 2중량% 이상 4중량% 이하일 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 이차 전지용 전극은 상기 바인더가 상술한 범위의 함량으로 포함되어, 바인더의 섬유화가 극대화될 수 있고, 전극 조성물 내부의 입자간 브릿징 효과가 우수하여 인장 강도가 우수할 수 있다. 이와 더불어, 상기 바인더의 뭉침 현상을 방지하고, 분산성을 향상시킬 수 있어, 상기 전극 조성물을 포함하는 전극의 저항 감소 효과가 우수할 수 있다.
이와 달리, 상기 바인더의 총 함량이 1중량% 미만인 경우에는, 상기 전극 조성물 내부의 입자간 브릿징 효과가 불충분하여, 인장 강도 또한 크게 감소할 수 있다. 또한, 상기 바인더의 총 함량이 5중량% 초과인 경우에는, 상기 전극 조성물을 포함하는 전극에서 상기 바인더가 저항으로 작용되어, 높은 출력을 기대하기 어렵다는 문제가 있다.
상기 활물질은 양극 활물질일 수 있다. 상기 양극 활물질은, 일 예로, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2); 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); 바나듐 산화물; Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 리튬 망간 복합 산화물; 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물; 화학식 Li 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 활물질은 리튬 망간 산화물(LMO, Lithium Manganese Oxide)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 활물질은 전극 조성물의 전체 중량을 기준으로 85중량% 내지 99중량%로 포함될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 활물질은 전극 조성물의 전체 중량을 기준으로 87중량% 내지 98중량%로 포함될 수 있다. 일 예로, 상기 활물질은 전극 조성물의 전체 중량을 기준으로 89중량% 내지 97중량%로 포함될 수 있다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용 가능하다. 구체적인 예로는 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소 그래핀, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 여기서, 상기 도전재는 전극 총 중량에 대하여 1중량% 내지 10중량%로 포함될 수 있다.
상술한 이차 전지용 전극은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차 전지에서 양극으로 포함될 수 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차 전지는 상기 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체와 전해질을 포함할 수 있다.
상기 음극은 상기 이차전지용 전극과 같이, 음극 활물질, 고분자 물질, 도전재 등이 포함된 음극 슬러리가 음극 집전체에 도포되어 제조될 수 있다.
상기 음극 또한, 음극 활물질을 포함하는 음극 슬러리가 음극 집전체 상에 부착 또는 도포되는 형태로 제조될 수 있고, 상기 음극 슬러리는 역시 음극 활물질과 함께, 상기에서 설명한 바와 같은 도전재 및 고분자 물질을 더 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질은 당 업계에서 통상적인 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 사용할 수 있으며, 일 예로, 리튬 금속, 리튬 합금, 석유 코크, 활성화 탄소(activated carbon), 그래파이트(graphite), 규소, 주석, 금속 산화물 또는 기타 탄소류 등과 같은 물질이 사용될 수 있다.
상기 음극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 분리막은 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬 이차전지에서 세퍼레이터로 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 사용되는 전해액으로는 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 전해액은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다. 상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 상기 리튬염은 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다.
상기 전해액에는 상기 구성 성분들 외에도 전지의 수명 특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다. 이때 상기 첨가제는 전해액 총 중량에 대하여 0.1중량% 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차 전지용 전극 제조 방법에 관한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전극 제조 방법은, 활물질, 도전재, 및 바인더를 혼합하는 프리 믹싱 단계(S10), 제1 속도로 전단력을 가하여 제1 전극 조성물을 제조하는 고속 믹싱 단계(S20), 상기 제1 전극 조성물에 제2 속도로 전단력을 가하여 제2 전극 조성물을 제조하는 저속 믹싱 단계(S30), 상기 제2 전극 조성물을 사용하여 프리스탠딩 필름을 제조하는 단계(S40), 및 상기 프리스탠딩 필름을 전극 집전체 상에 부착한 후 라미네이션 공정을 통해 전극을 제조하는 단계(S50)를 포함한다.
여기서, 프리 믹싱 단계(S10)는 활물질, 도전재, 및 바인더를 건식으로 혼합할 수 있다. 상기 제1 속도는 상기 제2 속도보다 빠르다.
보다 구체적으로, 상기 제1 속도는 2000rpm 내지 6000rpm이고, 상기 제2 속도는 1rpm 내지 50rpm일 수 있다. 일 예로, 상기 제1 속도는 2500rpm 내지 5500rpm이고, 상기 제2 속도는 5rpm 내지 40rpm일 수 있다.
이에 따라, 고속 믹싱 단계(S20)는 상술한 범위의 속도로 수행되어, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 섬유화가 진행되기에 충분한 내부 압력과 마찰력을 가할 수 있다. 다만, 고속 믹싱 단계(S20)의 경우 믹싱 속도가 상대적으로 매우 빨라, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 뭉침이 빠르게 진행될 수 있어, 상대적으로 직경이 큰 제1 섬유(200)가 형성될 수 있고, 이로 인해 전극의 인장 강도가 보다 향상될 수 있다.
이와 달리, 고속 믹싱 단계(S20)가 상술한 범위를 벗어나서, 지나치게 빠른 속도로 진행되면 지나치게 큰 직경의 제1 섬유(200)가 형성되어, 제1 섬유(200)로부터 제2 섬유(300)를 섬유화하는 것이 어려워질 수 있다. 또한, 이와 반대로, 지나치게 느린 속도로 진행되면 지나치게 작은 직경의 제1 섬유(200)가 형성되어, 전극의 인장 강도가 저하될 수 있다.
또한, 저속 믹싱 단계(S30)는 상술한 범위의 속도로 수행되어, 믹싱 속도가 상대적으로 매우 느리며, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)에 강한 내부 압력을 가하는 반면 마찰력이 가해지는 속도가 매우 느릴 수 있다. 즉, 저속 믹싱 단계(S30)에서는 상술한 범위의 속도에서, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 간의 접촉 혹은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)와 활물질 간의 접촉으로, 상대적으로 직경이 작은 제2 섬유(300)가 형성될 수 있고, 이로 인해 전극 조성물 내부의 입자 간 브릿징 효과가 향상될 수 있다.
이와 달리, 저속 믹싱 단계(S30)가 상술한 범위를 벗어나서, 지나치게 빠른 속도로 진행되면 지나치게 큰 직경의 제2 섬유(300)가 형성되어, 전극 조성물 내부의 입자 간 브릿징 정도가 저하될 수 있다. 또한, 이와 반대로, 지나치게 느린 속도로 진행되면 제2 섬유(300) 간의 뭉침 현상이 발생되는 문제가 있다.
이하에서는, 보다 구체적인 실시예를 통해 본 발명의 내용을 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 권리 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
활물질, 도전재, 및 바인더를 Waring사의 블렌더(blender) 장비를 사용하여 건식으로 혼합한 혼합물을 제조하는 프리믹싱 단계를 수행한다. 여기서, 상기 활물질은 95 중량%의 리튬 망간 산화물(LMO, Lithium Manganese Oxide)이고, 상기 도전재는 2중량%의 Super C65이다. 또한, 상기 바인더는 3중량%의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이다. 이 때, 프리믹싱 단계(S10)는 5000rpm으로 1분동안 수행되어, 활물질, 도전재, 및 바인더의 혼합만이 유도된다.
이후, Hosokawa micron 사의 Nobilta NOB-130 장비를 사용하여, 상기 프리믹싱 단계(S10)에서 제조된 혼합물에 제1 속도로 전단력을 가하여 제1 전극 조성물을 제조하는 고속 믹싱 단계(S20)를 수행한다. 이 때, 고속 믹싱 단계(S20)는 3000rpm으로 10분동안 수행되어, 상기 제1 전극 조성물에는 제1 섬유(200)가 형성되어 있다.
이후, Irie Shokai 사의 Bench Kneader PBV-0.1L 장비를 사용하여, 상기 고속 믹싱 단계(S20)에서 제조된 상기 제1 전극 조성물에 제2 속도로 전단력을 가하여 제2 전극 조성물을 제조하는 저속 믹싱 단계(S30)를 수행한다. 이 때, 저속 믹싱 단계(S30)는 10rpm으로 5분동안 수행되어, 상기 제2 전극 조성물에는 제1 섬유(200)와 함께 제2 섬유(300)가 형성되어 있다.
<실시예 2>
상기 실시예 1에서, 고속 믹싱 단계(S20)는 5000rpm으로 수행되었다. 이 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 전극 조성물을 제조하였다.
<실시예 3>
상기 실시예 1에서, 고속 믹싱 단계(S20)는 5000rpm으로 수행되었고, 저속 믹싱 단계(S30)는 30rpm으로 수행되었다. 이 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 전극 조성물을 제조하였다.
<비교예 1>
상기 실시예 1에서, 고속 믹싱 단계(S20)는 500rpm으로 수행되었다. 이 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 전극 조성물을 제조하였다.
<비교예 2>
상기 실시예 1에서, 고속 믹싱 단계(S20)는 5000rpm으로 2분동안 수행되었다. 이 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 전극 조성물을 제조하였다.
<비교예 3>
상기 실시예 1에서, 저속 믹싱 단계(S30)는 60rpm으로 수행되었다. 이 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 전극 조성물을 제조하였다.
<비교예 4>
상기 실시예 1에서, 저속 믹싱 단계(S30)는 100rpm으로 수행되었다. 이 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 전극 조성물을 제조하였다.
<실험예 1(섬유 직경 측정)>
실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 4에서 제조된 각각의 전극 조성물에 대한 약 30개 이상의 SEM 이미지를 분석하였고, 측정된 섬유의 직경에 대한 평균값을 계산하였다. 그 결과는 표 1에 나타내었다.
　 조성 제1 섬유 (um) 제2 섬유 (um)
양극 활물질 (%) 도전재 (%) 바인더 (%)
실시예 1 95 2 3 45 0.1
실시예 2 95 2 3 21 0.1
실시예 3 95 2 3 18 0.5
비교예 1 95 2 3 6 0.1
비교예 2 95 2 3 65 0.1
비교예 3 95 2 3 43 2.5
비교예 4 95 2 3 45 5.1
<실험예 2(인장 강도 및 인장률 측정)>
실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 4에서 각각 제조된 상기 전극 조성물은 이노우에제작소 사의 롤밀(Roll Mill) 장비를 사용하여, 20mm의 길이 및 20mm의 폭의 크기를 가지는 프리스탠딩 필름을 제조하는 프리스탠딩 필름 제조 단계(S30)가 수행되었다. 제조된 각각의 프리스탠딩 필름에 대해 양쪽 끝을 지그로 고정한 후, Instron 사의 UTM 장비를 사용하여 프리스탠딩 필름의 인장 강도를 50mm/min의 속도로 각각 측정하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
또한, 제조된 각각의 프리스탠딩 필름에 대한 파단 시점의 길이/초기 샘플의 길이에 100을 곱하여 인장률을 계산하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
　 조성 최대인장 강도
(kgf/cm2)		 인장률
(%)
양극 활물질 (%) 도전재 (%) 바인더 (%)
실시예 1 95 2 3 16 105
실시예 2 95 2 3 15 104
실시예 3 95 2 3 13 105
비교예 1 95 2 3 11 100
비교예 2 95 2 3 12 101
비교예 3 95 2 3 6 105
비교예 4 95 2 3 4 106
<실험예 3(접촉각 측정)>
도 2를 참조하면, 실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 4에 대해, 실험예 2에서 각각 제조된 프리스탠딩 필름을 알루미늄 호일인 집전체 상에 롤 프레스한 후, 로딩값을 5mAh/cm2으로 하고, 공극률(porosity)은 30%의 조건으로 양극을 제조하는 전극 제조 단계(S40)가 수행되었다. 이후 제조된 전극 각각에 대해, 임의로 5cm*5cm의 크기로 샘플링하여 각 모서리 및 정중앙 부분에 해당되는 총 5곳에 증류수 200ul를 떨어뜨려 접촉각을 측정하여, 평균 및 표준 편차를 계산하였다. 그 결과는 표 3에 나타내었다.
　 조성 접촉각 (°)
양극 활물질 (%) 도전재 (%) 바인더 (%)
실시예 1 95 2 3 129.6±0.8
실시예 2 95 2 3 129.4±0.4
실시예 3 95 2 3 129.4±1.0
비교예 1 95 2 3 129.1±0.3
비교예 2 95 2 3 129.8±1.5
비교예 3 95 2 3 115.4±13.2
비교예 4 95 2 3 109.4±18.7
<실험 결과 분석>
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 이차 전지용 전극의 바인더의 제1 섬유(200)의 직경에 따라 인장 강도, 인장률 및 접촉각 편차를 각각 비교한 그래프이다. 특히, 도 3은 표 1 내지 표 3에서 나타난 결과 중에서, 실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 2의 인장 강도, 인장률 및 접촉각 편차를 각각 비교한 그래프이다. 이 때, 비교예 2, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 비교예 1 순으로, 제1 섬유(200)의 직경은 점차적으로 작아진다.
비교예 2의 경우 제1 섬유(200)의 직경이 65um로 실시예에 비해 큰 값을 가지며, 비교예 1의 경우 제1 섬유(200)의 직경이 6um로 실시예에 비해 작은 값을 가진다.
도 3을 참조하면, 비교예 2는 인장 강도, 인장률, 및 접촉각 편차 모두 우수하지 않은 것을 확인할 수 있다. 또한, 비교예 1은 접촉각 편차는 우수하나, 인장 강도 및 인장률이 우수하지 않은 것을 확인할 수 있다, 즉, 실시예에 비해 제1 섬유(200)의 직경이 지나치게 큰 경우, 인장 강도, 인장률, 및 접촉각 편차 모두 우수하지 않은 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예에 비해 제1 섬유(200)의 직경이 지나치게 작은 경우, 접촉각 편차가 우수하기는 하나, 인장강도 및 인장률이 저하되는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 상기 바인더에 포함되는 제1 섬유(200)가 실시예 1 내지 실시예 3과 같은 직경을 가지는 경우, 인장 강도, 인장률, 및 접촉각 편차가 전반적으로 모두 우수한 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 이차 전지용 전극의 바인더의 제2 섬유의 직경에 따라 인장 강도, 인장률 및 접촉각 편차를 각각 비교한 그래프이다. 특히, 도 4는 표 1 내지 표 3에서 나타난 결과 중에서, 실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 3, 및 비교예 4의 인장 강도, 인장률 및 접촉각 편차를 각각 비교한 그래프이다. 이 때, 실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 3, 및 비교예 4는 순으로, 제2 섬유(300)의 직경은 점차적으로 커진다.
도 4를 참조하면, 인장률은 전반적으로 우수한 것으로 보이나, 제2 섬유(300)의 직경이 점차적으로 커질수록, 인장 강도 및 접촉각 편차가 점차 저하되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 실시예에 비해 제2 섬유(300)의 직경이 지나치게 큰 경우, 인장 강도 및 접촉각 편차 모두 우수하지 않은 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 상기 바인더에 포함되는 제2 섬유가 실시예 1 내지 실시예 3과 같은 직경을 가지는 경우, 인장 강도, 인장률, 및 접촉각 편차가 전반적으로 모두 우수한 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (20)

  1. 전극 집전체; 및
    상기 전극 집전체 상에 위치하는 전극층을 포함하고,
    상기 전극층은 활물질, 도전재, 바인더가 건식으로 혼합된 전극 조성물을 포함하고,
    상기 바인더는 제1 섬유 및 상기 제1 섬유로부터 섬유화되어 있는 제2 섬유를 포함하고,
    상기 제1 섬유의 직경은 상기 제2 섬유의 직경보다 큰 이차 전지용 전극.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 섬유의 직경은 6.1um 이상 64.9 um 이하인 이차 전지용 전극.
  3. 제2항에서,
    상기 제2 섬유의 직경은 0.01um 이상 2.0um 이하인 이차 전지용 전극.
  4. 제1항에서,
    상기 바인더의 함량은 상기 전극 조성물의 전체 중량을 기준으로 1중량% 내지 5중량%인 이차 전지용 전극.
  5. 제1항에서,
    상기 이차 전지용 전극은 접촉각(Contact angle)의 편차가 0.01도 이상 5.0도 이하인 이차 전지용 전극.
  6. 제1항에서,
    상기 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, Polytetrafluoroethylene)를 포함하는 이차 전지용 전극.
  7. 제1항에서,
    리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2), 리튬 망간 산화물, 리튬 동 산화물(Li2CuO2), 바나듐 산화물, Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 복합 산화물, 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물, 화학식 Li 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4, 디설파이드 화합물, Fe2(MoO4)3,,리튬 망간 산화물(LMO, Lithium Manganese Oxide) 중 적어도 하나를 포함하는 이차 전지용 전극.
  8. 제1항에서,
    상기 전극 조성물은 프리스탠딩 필름으로 제조되고,
    상기 프리스탠딩 필름이 상기 전극 집전체 상에 부착되는 이차 전지용 전극.
  9. 제8항에서,
    상기 프리스탠딩 필름은 13kgf/cm2 이상 30kgf/cm2이하의 인장 강도를 가지는 이차 전지용 전극.
  10. 활물질, 도전재, 및 바인더를 건식으로 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 혼합물에 제1 속도로 전단력을 가하여 제1 전극 조성물이 제조되는 단계;
    상기 제1 전극 조성물에 제2 속도로 전단력을 가하여 제2 전극 조성물이 제조되는 단계; 및
    상기 제2 전극 조성물을 포함하는 전극층이 전극 집전체 상에 위치하는 이차 전지용 전극을 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 속도는 상기 제2 속도보다 빠른, 이차 전지용 전극 제조 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 제1 전극 조성물에 포함되는 상기 바인더는 제1 섬유를 포함하고,
    상기 제2 전극 조성물에 포함되는 상기 바인더는 상기 제1 섬유 및 상기 제1 섬유로부터 섬유화되어 있는 제2 섬유를 포함하고,
    상기 제1 섬유의 직경은 상기 제2 섬유의 직경보다 큰 이차 전지용 전극 제조 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 제1 섬유의 직경은 6.1um 이상 64.9 um 이하인, 이차 전지용 전극 제조 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 제2 섬유의 직경은 0.01um 이상 2.0um 이하인 이차 전지용 전극 제조 방법.
  14. 제10항에서,
    상기 제1 속도는 2000rpm 내지 6000rpm이고,
    상기 제2 속도는 1rpm 내지 50rpm인 이차 전지용 전극 제조 방법.
  15. 제10항에서,
    상기 바인더의 함량은 상기 전극 조성물의 전체 중량을 기준으로 1중량% 내지 5중량%인 이차 전지용 전극 제조 방법.
  16. 제10항에서,
    상기 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, Polytetrafluoroethylene)를 포함하는 이차 전지용 전극 제조 방법.
  17. 제10항에서,
    상기 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2), 리튬 망간 산화물, 리튬 동 산화물(Li2CuO2), 바나듐 산화물, Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 복합 산화물, 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물, 화학식 Li 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4, 디설파이드 화합물, Fe2(MoO4)3, 리튬 망간 산화물(LMO, Lithium Manganese Oxide) 중 적어도 하나를 포함하는 이차 전지용 전극 제조 방법.
  18. 제10항에서,
    상기 제2 전극 조성물을 포함하는 상기 전극층이 전극 집전체 상에 위치하는 이차 전지용 전극을 제조하는 단계에서,
    상기 제2 전극 조성물은 프리스탠딩 필름으로 제조되어, 상기 전극 집전체 상에 부착되는, 이차 전지용 전극 제조 방법.
  19. 제18항에서,
    상기 프리스탠딩 필름은 13kgf/cm2 이상 30kgf/cm2이하의 인장 강도를 가지는 이차 전지용 전극 제조 방법.
  20. 제1항의 이차 전지용 전극을 포함하는 이차 전지.
KR1020210137264A 2020-10-21 2021-10-15 이차 전지용 전극, 이를 포함하는 이차 전지 및 전극 제조 방법 KR20220052831A (ko)

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