KR20220125482A - Lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리튬 이차 전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는 음극 활물질층의 일면에 바인더층이 적층된 리튬 이차 전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same. More particularly, it relates to an anode for a lithium secondary battery in which a binder layer is laminated on one surface of an anode active material layer, and a lithium secondary battery including the same.
이차 전지는 충전 및 방전이 반복 가능한 전지로서, 정보 통신 및 디스플레이 산업의 발전에 따라, 캠코더, 휴대폰, 노트북PC 등과 같은 휴대용 전자통신 기기들의 동력원으로 널리 적용되고 있다. 또한, 최근에는 하이브리드 자동차와 같은 친환경 자동차의 동력원으로서 이차 전지를 포함한 전지 팩의 개발 및 적용되고 있다. A secondary battery is a battery that can be repeatedly charged and discharged, and is widely applied as a power source for portable electronic communication devices such as camcorders, mobile phones, and notebook PCs with the development of information communication and display industries. In addition, recently, as a power source for an eco-friendly vehicle such as a hybrid vehicle, a battery pack including a secondary battery has been developed and applied.
이차 전지로서 예를 들면, 리튬 이차 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지 등을 들 수 있으며, 이들 중 리튬 이차 전지가 작동 전압 및 단위 중량당 에너지 밀도가 높으며, 충전 속도 및 경량화에 유리하다는 점에서 활발히 개발 및 적용되고 있다.Examples of the secondary battery include a lithium secondary battery, a nickel-cadmium battery, a nickel-hydrogen battery, and the like, and among them, the lithium secondary battery has high operating voltage and energy density per unit weight, and is advantageous for charging speed and weight reduction. It is being actively developed and applied in this respect.
예를 들면, 리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 분리막(세퍼레이터)을 포함하는 전극 조립체, 및 상기 전극 조립체를 함침시키는 전해질을 포함할 수 있다. 상기 리튬 이차 전지는 상기 전극 조립체 및 전해질을 수용하는 예를 들면, 파우치 형태의 외장재를 더 포함할 수 있다.For example, a lithium secondary battery may include an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator (separator), and an electrolyte impregnating the electrode assembly. The lithium secondary battery may further include, for example, a pouch-type casing accommodating the electrode assembly and the electrolyte.
최근, 전기차 산업의 발전으로 한번의 충전으로 장거리 운행이 가능하도록 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지에 대한 개발이 진행되고 있다. 대표적으로 실리콘계 음극 활물질을 사용하고 있지만 이는 탄소계 음극 활물질에 비하여 부피 팽창에 따른 수명 특성이 열위하는 문제가 있다. Recently, with the development of the electric vehicle industry, a lithium secondary battery having a high energy density is being developed so that a long-distance operation is possible with a single charge. Typically, a silicon-based anode active material is used, but compared to a carbon-based anode active material, lifespan characteristics due to volume expansion are inferior.
따라서, 높은 에너지 밀도와 수명 특성이 향상된 실리콘계 음극 개발을 위한 연구는 활발하게 진행 중에 있다. 예를 들면, 한국공개특허 제10-2020-0055448호는 실리콘계 화합물을 포함하는 다층 구조의 음극을 개시하고 있으나, 부피 팽창에 따른 음극의 충분한 수명 특성 및 안정성이 확보되기에는 한계가 있다.Therefore, research for the development of a silicon-based anode with improved high energy density and lifespan characteristics is being actively conducted. For example, Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2020-0055448 discloses a multi-layered anode including a silicon-based compound, but there is a limit in ensuring sufficient lifespan characteristics and stability of the anode according to volume expansion.
본 발명의 일 과제는 높은 에너지 밀도와 수명 특성이 향상된 리튬 이차 전지용 음극을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a negative electrode for a lithium secondary battery having improved high energy density and lifespan characteristics.
본 발명의 일 과제는 높은 에너지 밀도와 수명 특성이 향상된 리튬 이차 전지용 음극이 포함된 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다. One object of the present invention is to provide a lithium secondary battery including a negative electrode for a lithium secondary battery having improved high energy density and lifespan characteristics.
예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 음극은 음극 집전체; 상기 음극 집전체의 적어도 일면 상에 순차적으로 위치하는 제1 음극 활물질층 및 제2 음극 활물질층을 포함하는 음극 활물질층; 및 상기 제2 음극 활물질층 상에 위치하는 바인더층을 포함하고, 상기 제2 음극 활물질층은 실리콘계 활물질을 포함하며, 상기 바인더층은 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴아마이드 및 폴리비닐아세테이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 바인더를 포함할 수 있다.A negative electrode for a lithium secondary battery according to exemplary embodiments includes a negative electrode current collector; an anode active material layer including a first anode active material layer and a second anode active material layer sequentially positioned on at least one surface of the anode current collector; and a binder layer positioned on the second anode active material layer, wherein the second anode active material layer includes a silicone-based active material, and the binder layer includes polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, polyacrylamide and At least one binder selected from the group consisting of polyvinyl acetate may be included.
일 실시예들에 있어서, 상기 제1 음극 활물질층 및 상기 제2 음극 활물질층은 각각 실리콘계 활물질을 포함하며, 상기 제1 음극 활물질층 총 중량 중 상기 실리콘계 활물질의 함량은 제2 음극 활물질층 총 중량 중 실리콘계 활물질 함량보다 적을 수 있다.In some embodiments, the first anode active material layer and the second anode active material layer each include a silicon-based active material, and the content of the silicon-based active material in the total weight of the first anode active material layer is the total weight of the second anode active material layer. It may be less than the content of the silicon-based active material.
일 실시예들에 있어서, 상기 제1 음극 활물질층 및 제2 음극 활물질층은 각각 탄소계 활물질 및 상기 실리콘계 활물질의 블렌딩을 포함할 수 있다.In some embodiments, the first anode active material layer and the second anode active material layer may include a blend of the carbon-based active material and the silicon-based active material, respectively.
일 실시예들에 있어서, 상기 제1 음극 활물질층은 탄소계 활물질로 구성될 수 있다.In some embodiments, the first anode active material layer may be formed of a carbon-based active material.
일 실시예들에 있어서, 상기 실리콘계 음극 활물질은 실리콘(Si), 실리콘 합금, 실리콘 산화물, 실리콘-카본(Si-C) 복합체, 실리콘합금(Si-alloy)계-카본 복합체 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.In some embodiments, the silicon-based negative active material includes silicon (Si), a silicon alloy, silicon oxide, a silicon-carbon (Si-C) composite, a silicon alloy (Si-alloy)-based-carbon composite, or a mixture thereof. can do.
일 실시예들에 있어서, 상기 바인더층에 포함되는 바인더 함량은 함량은 음극 총 중량에 대하여 0.1 내지 5wt%일 수 있다.In some embodiments, the content of the binder included in the binder layer may be 0.1 to 5 wt% based on the total weight of the negative electrode.
일 실시예들에 있어서, 상기 바인더층은 바인더 및 용매를 포함하는 바인더 슬러리로 형성될 수 있다. In some embodiments, the binder layer may be formed of a binder slurry including a binder and a solvent.
일 실시예들에 있어서, 상기 바인더 슬러리는 첨가제를 포함하지 않는 것일 수 있다. In some embodiments, the binder slurry may not include an additive.
일 실시예들에 있어서, 상기 바인더 슬러리의 점도는 100 내지 3,000cp 일 수 있다. In some embodiments, the viscosity of the binder slurry may be 100 to 3,000 cp.
예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는 양극, 상기 음극 및 상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함할 수 있다.A lithium secondary battery according to example embodiments may include a positive electrode, the negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
전술한 본 발명의 실시예들에 따르는 리튬 이차 전지용 음극은 다층 구조의 음극 활물질층을 포함할 수 있다. 상기 음극 활물질층은 음극 집전체 상에 순차적으로 적층된 제1 음극 활물질층 및 제2 음극 활물질층을 포함하며, 상기 제1 음극 활물질층의 실리콘계 음극 활물질 함량은 제2 음극 활물질층의 실리콘계 음극 활물질 함량보다 적을 수 있다. 따라서, 전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.The negative electrode for a lithium secondary battery according to the above-described embodiments of the present invention may include a negative active material layer having a multi-layer structure. The anode active material layer includes a first anode active material layer and a second anode active material layer sequentially stacked on an anode current collector, and the content of the silicon-based anode active material of the first anode active material layer is the silicon-based anode active material of the second anode active material layer. may be less than the amount. Accordingly, the energy density of the battery can be improved.
예시적인 실시예들에 따르면, 음극 활물질층의 일면에 바인더층을 포함하여 전극의 접착력과 전지의 수명 특성을 개선시킬 수 있다. According to example embodiments, by including a binder layer on one surface of the anode active material layer, the adhesion of the electrode and the lifespan characteristics of the battery may be improved.
예시적인 실시예들에 따르면, 음극 활물질층은 바인더층에 PAA 계열 수계 바인더만을 포함하여 충전 및 방전 시 실리콘계 활물질의 팽창 및 수축을 완화하여 전지의 수명 특성을 개선시킬 수 있고, 우수한 사이클 특성도 확보할 수 있다.According to exemplary embodiments, the negative active material layer includes only the PAA-based water-based binder in the binder layer to relieve expansion and contraction of the silicon-based active material during charging and discharging, thereby improving battery life characteristics and securing excellent cycle characteristics. can do.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지의 음극을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 2 및 도 3은 각각 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면도 및 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view illustrating a negative electrode of a lithium secondary battery according to exemplary embodiments.
2 and 3 are schematic plan and cross-sectional views, respectively, of lithium secondary batteries according to exemplary embodiments.
본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 음극은 음극 집전체, 상기 음극 집전체의 일면에 형성된 다층 구조를 포함하는 음극 활물질층 및 상기 음극 활물질층의 일면에 형성된 수계 바인더층을 포함하여 전극 접착력을 확보하면서 에너지 밀도가 높고 및 수명 특성, 사이클 특성을 개선시킬 수 있다.The negative electrode for a lithium secondary battery according to embodiments of the present invention includes a negative electrode current collector, a negative electrode active material layer including a multilayer structure formed on one surface of the negative electrode current collector, and an aqueous binder layer formed on one surface of the negative electrode active material layer. It is possible to improve the energy density, lifespan characteristics, and cycle characteristics while securing a high energy density.
이하 도면을 참고하여, 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.Hereinafter, with reference to the drawings, an embodiment of the present invention will be described in more detail. However, the following drawings attached to the present specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical spirit of the present invention together with the above-described content of the present invention, so the present invention is described in such drawings It should not be construed as being limited only to the matters.
본 명세서에서 사용되는 용어, "제1" 및 "제2"의 의미는 "제1" 및 "제2"에 의해 수식되는 대상의 개수, 또는 순서를 한정하는 것이 아니라, 서로 다른 수식되는 대상을 구별하기 위해 사용된다.The terms "first" and "second" used herein do not limit the number or order of the objects modified by "first" and "second", but refer to different modified objects. used to distinguish
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지의 음극을 나타내는 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view illustrating a negative electrode of a lithium secondary battery according to exemplary embodiments.
도 1을 참조하면, 음극(130)은 음극 집전체(125)의 적어도 일면 상에 위치하는 음극 활물질층(120)을 포함한다. 나아가, 음극 활물질층(120)은 음극 집전체(125)의 양면(예를 들면, 상면 및 하면) 상에 형성될 수 있다.Referring to FIG. 1 , the
상기 음극 집전체(125)는 예를 들면, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄, 구리 또는 이들의 합금을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다.The negative electrode
일 실시예에 있어서, 음극 활물질층(120)은 제1 음극 활물질층(122) 및 제2 음극 활물질층(124)을 포함할 수 있다. 즉, 음극 활물질층(120)은 복수의 음극 활물질층이 적층된 다층 구조(예를 들면, 이중층 구조)일 수 있다. 이에 따라 음극 활물질층(120)이 단일층인 경우에 비하여 보다 우수한 사이클 특성을 확보할 수 있다.In an embodiment, the anode
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 음극 활물질층(122)은 음극 집전체(125)의 적어도 일면 상에 적층될 수 있고, 제1 음극 활물질층(122)의 상면 상에 제2 음극 활물질층(124)가 순차적으로 적층될 수 있다. 또한, 제2 음극 활물질층(124)의 상에 바인더층(126)이 적층되어 위치할 수 있다. 이에 따라 전극 접착력을 확보하면서 사이클 특성을 확보하여 수명 특성을 향상시킬 수 있다. As shown in FIG. 1 , the first negative
또한, 음극 집전체(125)의 상기 상면 및 하면 상에 각각 직접 접촉하여 형성될 수 있다. In addition, it may be formed in direct contact with each of the upper and lower surfaces of the negative electrode
일 실시예에 있어서, 상기 제1 음극 활물질층(122) 및 상기 제2 음극 활물질층(124)은 각각 실리콘계 활물질을 포함하여 이차 전지의 출력, 용량 특성을 현저히 향상시킬 수 있다. In an embodiment, the first anode
특히, 상기 제1 음극 활물질층(122)의 실리콘계 활물질 함량은 제2 음극 활물질층(124)의 실리콘계 활물질 함량보다 적게 포함될 수 있다. 이 경우, 제1 음극 활물질층(122)의 실리콘계 활물질 및 제2 음극 활물질층(124)의 실리콘계 활물질은 동일한 물질 또는 상이한 물질을 사용할 수 있다. In particular, the content of the silicon-based active material of the first anode
바람직한 일 실시예에 있어서, 제2 음극 활물질층(124)의 실리콘계 활물질을 상기 제1 음극 활물질층(122)의 실리콘계 활물질 함량보다 더 많이 포함하여 제2 음극 활물질층(124)과 직접적으로 접촉하고 있는 바인더층(126)이 실리콘계 활물질의 팽창을 더욱 억제할 수 있어 부피 팽창에 따른 수명 특성이 저하되는 단점을 개선할 수 있고, 전극의 에너지 밀도를 높이는데 도움을 줄 수 있다. In a preferred embodiment, the silicon-based active material of the second anode
일 실시예들에 있어서, 상기 제1 음극 활물질층(122) 및 제2 음극 활물질층(124)은 각각 탄소계 활물질 및 상기 실리콘계 활물질의 블렌딩을 포함할 수 있다. 따라서, 실리콘계 활물질을 통해 리튬 이차 전지의 용량 특성을 증가시키면서, 상기 탄소계 활물질을 통해 상기 실리콘계 활물질에 의한 지나친 전극 팽창을 완충시킬 수 있다. In some embodiments, the first negative
예를 들어서, 상기 탄소계 활물질로서 인조 흑연 및 천연 흑연을 함께 사용할 수 있다. 상기 인조 흑연은 상대적으로 수명 특성이 상기 천연 흑연 대비 우수하며, 이에 따라 상기 실리콘계 활물질 사용에 따른 전극 수명 저하를 보충할 수 있다. 상기 천연 흑연은 상기 인조 흑연 대비 입자 거칠기가 작으며, 상기 인조 흑연에 블렌딩 되어 탄소계 활물질의 구형도를 조절할 수 있다.For example, artificial graphite and natural graphite may be used together as the carbon-based active material. The artificial graphite has relatively superior lifespan characteristics compared to the natural graphite, and thus may compensate for the decrease in electrode lifespan due to the use of the silicon-based active material. The natural graphite has a smaller particle roughness than the artificial graphite, and may be blended with the artificial graphite to control the sphericity of the carbon-based active material.
일 실시예들에 있어서, 상기 음극 활물질 총 중량 중 상기 탄소계 활물질은 약 80 내지 97중량%, 상기 실리콘계 활물질은 약 3 내지 20중량%의 범위로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 상기 음극 활물질 총 중량 중 상기 탄소계 활물질은 85 내지 94중량%, 상기 실리콘계 활물질은 6 내지 15 중량%를 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서 음극 활물질의 접착력 및 기계적 안정성을 확보하면서 용량 및 출력을 현저히 증가시킬 수 있다.In some embodiments, the carbon-based active material may be included in an amount of about 80 to 97% by weight, and the silicon-based active material may be included in a range of about 3 to 20% by weight of the total weight of the negative active material, preferably the total weight of the negative active material Among the carbon-based active material is 85 to 94% by weight, the silicon-based active material may contain 6 to 15% by weight. Within the above range, it is possible to significantly increase capacity and output while ensuring adhesion and mechanical stability of the anode active material.
바람직한 일 실시예에 있어서, 제1 음극 활물질층(122)의 경우, 음극 활물질 총 중량 중 상기 탄소계 활물질은 약 90 내지 97중량%, 상기 실리콘계 활물질은 약 3 내지 10중량%의 범위로 포함될 수 있고, 제2 음극 활물질층(124)의 경우, 음극 활물질 총 중량 중 상기 탄소계 활물질은 약 80 내지 91중량%, 상기 실리콘계 활물질은 약 9 내지 20중량%의 범위로 포함될 수 있다. In a preferred embodiment, in the case of the first negative
일 실시예들에 있어서, 제1 음극 활물질층(122)은 실리콘계 활물질을 포함하지 않을 수도 있다. 이 경우, 상기 제1 음극 활물질층(122)은 탄소계 활물질로만 구성될 수 있다. In some embodiments, the first anode
일 실시예들에 있어서, 상기 실리콘계 활물질은 실리콘(Si), 실리콘합금, 실리콘산화물, 실리콘-카본(Si-C) 복합체, 실리콘합금(Si alloy)계-카본 복합체 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 실리콘산화물의 경우, SiOX(0<x<2)를 포함할 수 있다. In some embodiments, the silicon-based active material may include silicon (Si), a silicon alloy, a silicon oxide, a silicon-carbon (Si-C) composite, a silicon alloy-based-carbon composite, or a mixture thereof. have. For example, in the case of the silicon oxide, SiO X (0<x<2) may be included.
상기 제1 음극 활물질을 용매 내에서 바인더, 도전재 및/또는 분산재 등과 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조할 수 있다. 상기 슬러리를 음극 집전체(125)의 적어도 일면 상에 도포한 후, 건조 및 압축하여 제1 음극 활물질층(122)을 제조할 수 있다. 이후, 제1 음극 활물질층(122) 적어도 일면상에 제2 음극 활물질층(124)을 동일한 순서로 도포, 건조 및 압축하여 제조할 수 있다. 또한, 제1 음극 활물질층(122) 형성에서 사용된 것과 실질적으로 동일하거나 유사한 바인더 및 도전재가 제2 음극 활물질층(124)에도 사용될 수 있다.A slurry may be prepared by mixing and stirring the first negative active material with a binder, a conductive material, and/or a dispersing material in a solvent. After the slurry is applied on at least one surface of the negative electrode
또한, 상기 음극 활물질층(120)에 포함된 바인더는 유기계 바인더, 수계 바인더 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. In addition, the binder included in the negative
상기 유기계 바인더로는 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate)에서 선택된 1종 이상이 포함될 수 있고, 수계 바인더로는 예를 들어서 스티렌-부타디엔 러버(SBR)를 포함할 수 있다. 또한, 필요에 따라 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 같은 증점제와 함께 사용될 수 있다. Examples of the organic binder include vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylidenefluoride (PVDF), polyacrylonitrile, polymethylmethacrylate ) may be included, and the aqueous binder may include, for example, styrene-butadiene rubber (SBR). In addition, if necessary, it may be used together with a thickener such as carboxymethyl cellulose (CMC).
예를 들면, 음극 형성을 위한 바인더로서 PVDF 계열 바인더를 사용할 수 있다. 이 경우, 음극 활물질층(120) 형성을 위한 바인더의 양을 감소시키고 상대적으로 음극 활물질의 양을 증가시켜 이차 전지의 출력, 용량을 향상시킬 수 있다.For example, a PVDF-based binder may be used as a binder for forming the negative electrode. In this case, the output and capacity of the secondary battery can be improved by reducing the amount of the binder for forming the anode
또한, 도전재는 활물질 입자들 사이의 전자 이동을 촉진하기 위해 포함될 수 있다. 예를 들면, 상기 도전재는 흑연, 카본 블랙, 그래핀, 탄소 나노 튜브 등과 같은 탄소계열 도전재 및/또는 주석, 산화주석, 산화티타늄, LaSrCoO3, LaSrMnO3와 같은 페로브스카이트(perovskite) 물질 등을 포함하는 금속 계열 도전재를 포함할 수 있다.In addition, the conductive material may be included to promote electron movement between the particles of the active material. For example, the conductive material may be a carbon-based conductive material such as graphite, carbon black, graphene, or carbon nanotubes and/or a perovskite material such as tin, tin oxide, titanium oxide, LaSrCoO 3 , and LaSrMnO 3 . It may include a metal-based conductive material including the like.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 음극 활물질층(124)의 상면 상에 바인더층(126)이 적층될 수 있으며, 음극 집전체(125)에서 순차적으로 적층된 음극 활물질층 중에서 마지막 층에 바인더층(126)이 적층될 수 있다.In an embodiment, a
일 실시예에 있어서, 상기 바인더층(126)은 PAA 계열 바인더를 포함할 수 있으며, 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴아마이드 및 폴리비닐아세테이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 바인더를 포함할 수 있다. 따라서 기계적 강도를 향상시키고 전극 부피 팽창을 효율적으로 제어할 수 있음과 동시에 기존의 취성(brittle)한 단점이 보완될 수 있다.In one embodiment, the
일 실시예에 있어서, 바인더층(126)은 바인더 및 수계 용매를 포함하는 바인더 슬러리로 형성된 것일 수 있다. 수계 용매의 경우, 물, 증류수, 순수, 초순수 등이 제공될 수 있다. 바람직하게 상기 바인더 슬러리는 바인더 및 수계 용매를 포함하고, 부가적인 다른 첨가제를 포함하지 않을 수 있다. 따라서, 상기 바인더 슬러리를 제2 음극 활물질층(14)의 상면 상에 도포하여 전극 제조하는 경우 형성된 바인더층(126)은 100% 바인더로만 구성되며, 다른 첨가제를 포함하지 않을 수 있다. In an embodiment, the
일 실시예들에 있어서, 상기 바인더 슬러리의 점도는 3,000cp 이하일 수 있다. 바람직하게는 100 이상 내지 3,000cp 이하로 제공될 수 있다. 슬러리 점도가 3,000cp를 초과하는 경우 바인더층 표면 두께를 균일하게 제공하기 어렵고 슬러리가 바인더층 표면에 불균일하게 코팅되는 경우 전극의 부분적인 열화를 야기하고 전지의 용량을 감소시켜 사이클 특성 확보가 어려워 전지의 수명이 단축될 수 있다. 슬러리 점도가 100cp 미만인 경우, 코팅에 적합한 유변 물성의 확보가 어려워 활물질층 표면에 일정량 이상의 로딩으로 도포하기가 어려울 수 있다. 즉, 슬러리 농도가 너무 낮아 일정 수준의 슬러리 코팅을 위해 많은 양을 도포하는 경우 기코팅된 활물질층에 손상을 줄 수 있다. In some embodiments, the viscosity of the binder slurry may be 3,000 cp or less. Preferably, 100 or more to 3,000 cp or less may be provided. When the slurry viscosity exceeds 3,000cp, it is difficult to provide a uniform surface thickness of the binder layer, and when the slurry is unevenly coated on the surface of the binder layer, it causes partial deterioration of the electrode and reduces the capacity of the battery, making it difficult to secure cycle characteristics. lifespan may be shortened. When the slurry viscosity is less than 100cp, it may be difficult to secure rheological properties suitable for coating, so that it may be difficult to apply a certain amount or more to the surface of the active material layer. That is, if the slurry concentration is too low and a large amount is applied to coat the slurry at a certain level, the pre-coated active material layer may be damaged.
바인더층(126)은 바인더 슬러리를 음극 활물질층(120) 일면에 코팅하여 제조할 수 있으며, 코팅의 경우 슬롯 다이(Slot die) 코팅을 할 수 있고, 닥터 블레이드(doctor blade) 코팅으로 캐스팅하거나, 스프레이 코팅 등의 일반적인 코팅 방법으로 진행될 수 있으며, 상술한 코팅 공정에 반드시 제한되는 것은 아니다.The
상술한 바와 같이, 음극 활물질층(120)에는 바인더로 전술한 유기계 바인더, 수계 바인더 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있고, 필요에 따라 증점제를 더 포함하여 우수한 접착력과 분산성을 제공할 수 있다. As described above, the negative
일 실시예에 있어서, 상기 바인더층(126)에 포함되는 바인더 함량은 음극 총 중량에 대하여 0.1 내지 5wt%일 수 있다. In one embodiment, the binder content included in the
형성된 바인더층(126)에서 상기 바인더 슬러리에 포함되는 수계 용매의 경우 전극의 제조 과정에서 증발하게 되고 최종적으로 형성되는 바인더층(126)은 바인더로만 구성이 된다. 이 경우, 바인더층(126)에 포함되는 바인더 함량은 음극 총 중량에 대하여 0.1 내지 5wt%일 수 있다. 상기 함량은 바인더 슬러리 제조 시 수계 용매에 대한 바인더의 농도를 조절하거나 제2 음극 활물질층(124)에 도포되는 바인더 슬러리 코팅양, 슬러리 농도 또는 점도 등을 조절하여 음극 총 중량에 대한 함량으로 그 수치를 제어할 수 있다. In the case of the aqueous solvent contained in the binder slurry in the formed
상기 바인더층(126)에 포함되는 바인더 함량이 음극 총 중량에 대하여 1wt% 미만인 경우, 부피 팽창을 방지하기에 다소 미약한 문제가 있을 수 있고, 5wt%를 초과하면 취성이 강해지는 문제가 있을 수 있다. If the binder content included in the
상기 바인더층(126)의 두께의 경우 예를 들어 0.1 내지 20nm 일 수 있다. 코팅층이 너무 얇은 경우 전극의 부피 팽창을 억제하기 어려울 수 있고, 너무 두꺼운 경우 이들에 의한 저항이 발생할 수 있으므로 상기 두께 범위가 바람직하다.The thickness of the
또한, 상기 리튬 이차 전지용 음극(130)의 두께의 표준편차는 1.1 이하일 수 있다. 이에 따라, 균일한 두께를 갖는 코팅 전극을 제공할 수 있고, 전극의 사이클 성능 및 수명 특성을 개선시킬 수 있다. In addition, the standard deviation of the thickness of the
이하에서는, 상술한 리튬 이차 전지용 음극(130)을 포함하는 리튬 이차 전지를 설명한다.Hereinafter, a lithium secondary battery including the above-described
일 실시예에 있어서, 리튬 이차 전지는 양극(100), 전술한 상기 음극(130) 및 상기 양극(100)과 음극(130) 사이에 개재된 분리막(140)을 포함하는 전극 조립체(150)를 포함할 수 있다. 상기 전극 조립체(150)가 케이스(160) 내에 전해질과 함께 수용되어 함침될 수 있다. In one embodiment, the lithium secondary battery includes an
양극(100)은 양극 활물질을 양극 집전체(105)에 도포하여 형성한 양극 활물질층(110)을 포함할 수 있다. 상기 양극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 할 수 있는 화합물을 포함할 수 있다.The
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극 활물질은 리튬-전이금속 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 리튬-전이금속 산화물은 니켈(Ni)을 포함하며, 코발트(Co) 또는 망간(Mn) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 리튬-전이금속 산화물은 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다.In example embodiments, the positive active material may include a lithium-transition metal oxide. For example, the lithium-transition metal oxide may include nickel (Ni) and at least one of cobalt (Co) and manganese (Mn). For example, the lithium-transition metal oxide may be represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
Li1+aNi1-(x+y)CoxMyO2 Li 1+a Ni 1-(x+y) Co x M y O 2
상기 화학식 1 중, -0.05≤α≤0.15, 0.01≤x≤0.3, 0.01≤y≤0.3, 이고 M은 Mn, Mg, Sr, Ba, B, Al, Si, Ti, Zr 및 W 중 선택되는 선택된 1종 이상의 원소일 수 있다.In Formula 1, -0.05≤α≤0.15, 0.01≤x≤0.3, 0.01≤y≤0.3, and M is selected from Mn, Mg, Sr, Ba, B, Al, Si, Ti, Zr, and W It may be one or more elements.
예를 들면, 니켈(Ni)은 리튬 이차 전지의 출력 및/또는 용량과 연관된 금속으로 제공될 수 있다. 따라서, 리튬 금속 산화물을 상기 양극 활물질로 채용하고, 양극 활물질층을 양극 집전체에 접하게 형성함으로써, 양극을 통한 고출력, 고용량을 효과적으로 획득할 수 있다.For example, nickel (Ni) may be provided as a metal associated with the output and/or capacity of the lithium secondary battery. Therefore, by employing lithium metal oxide as the positive electrode active material and forming the positive electrode active material layer in contact with the positive electrode current collector, high output and high capacity through the positive electrode can be effectively obtained.
예를 들면, 망간(Mn)은 리튬 이차 전지의 기계적, 전기적 안정성과 관련된 금속으로 제공될 수 있다. 예를 들면, 코발트(Co)는 리튬 이차 전지의 전도성 또는 저항과 연관된 금속일 수 있다.For example, manganese (Mn) may be provided as a metal related to mechanical and electrical stability of a lithium secondary battery. For example, cobalt (Co) may be a metal associated with conductivity or resistance of a lithium secondary battery.
또한, 언급된 상기 양극 활물질의 경우, 금속 전구체의 공침법을 통해 형성될 수 있다. 금속 전구체 용액은 양극 활물질에 포함될 금속의 전구체들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 전구체는 리튬 전구체(예를 들면, 리튬 산화물), 니켈 전구체, 망간 전구체 및 코발트 전구체를 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속 전구체는 금속의 할로겐화물, 산화물, 수산화물, 산(acid)염 등을 형태로도 존재할 수 있다. In addition, in the case of the above-mentioned positive electrode active material, it may be formed through a co-precipitation method of a metal precursor. The metal precursor solution may include metal precursors to be included in the positive electrode active material. For example, the metal precursor may include a lithium precursor (eg, lithium oxide), a nickel precursor, a manganese precursor, and a cobalt precursor. In addition, the metal precursor may exist in the form of a metal halide, oxide, hydroxide, acid salt, or the like.
상술한 양극 활물질을 용매 내에서 바인더, 도전재 및/또는 분산재 등과 혼합 및 교반하여 양극 슬러리를 제조할 수 있다. 상기 양극 슬러리를 양극 집전체(105)에 코팅한 후, 건조 및 압축하여 양극 활물질층(110)을 형성할 수 있다. A positive electrode slurry may be prepared by mixing and stirring the above-described positive active material with a binder, a conductive material and/or a dispersing material in a solvent. After the positive electrode slurry is coated on the positive electrode
도 2 및 도 3은 각각 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면도 및 단면도이다. 구체적으로, 도 3은 도 2의 I-I' 라인을 따라 리튬 이차 전지의 두께 방향으로 절단한 단면도이다.2 and 3 are schematic plan and cross-sectional views, respectively, of lithium secondary batteries according to exemplary embodiments. Specifically, FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line I-I' of FIG. 2 in the thickness direction of the lithium secondary battery.
도 2 및 도 3을 참조하면, 리튬 이차 전지는 케이스(160) 내에 수용된 전극 조립체(150)를 포함할 수 있다. 전극 조립체(150)는 도 3에 도시된 바와 같이, 반복 적층된 양극(100), 음극(130) 및 분리막(140)을 포함할 수 있다.2 and 3 , the lithium secondary battery may include an
특히, 음극(130)은 음극 집전체(105)의 적어도 일면 상에 음극 활물질층(120)을 포함할 수 있다. 도 3에 상세히 도시되지 않았으나, 도 1을 참조로 설명한 바와 같이, 음극 활물질층(120)은 제1 음극 활물질층(122) 및 제2 음극 활물질층(124)의 적층 구조를 포함할 수 있다. 나아가, 제2 음극 활물질층(124) 상에 위치하는 바인더층(126)을 포함할 수 있다. In particular, the
즉, 음극(130)은 상기 제1 음극 활물질층(122)에 포함되는 실리콘계 활물질의 함량이 상기 제2 음극 활물질층(124)의 실리콘계 활물질 함량보다 적은 다층 구조이며, 상기 제2 음극 활물질층(124) 상에 접촉하는 PAA 계열의 수계 바인더층을 더 적층하는 경우, 우수한 사이클 특성을 확보하여 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다. That is, the
양극(100) 및 음극(130) 사이에는 분리막(140)이 개재될 수 있다. 분리막(140)은 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 포함할 수 있다. 분리막(140)은 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 형성된 부직포를 포함할 수도 있다.A
일부 실시예들에 있어서, 음극(130)의 면적(예를 들면, 분리막(140)과 접촉 면적) 및/또는 부피는 양극(100)보다 클 수 있다. 이에 따라, 양극(100)으로부터 생성된 리튬 이온이 예를 들면, 중간에 석출되지 않고 음극(130)으로 원활히 이동될 수 있다. 따라서, 상술한 양극 활물질층(112)의 출력 및 안정성의 동시 향상의 효과를 보다 용이하게 구현할 수 있다.In some embodiments, an area (eg, a contact area with the separator 140 ) and/or a volume of the
예시적인 실시예들에 따르면, 양극(100), 음극(130) 및 분리막(140)에 의해 전극 셀이 정의되며, 복수의 전극 셀들이 적층되어 예를 들면, 젤리 롤(jelly roll) 형태의 전극 조립체(150)가 형성될 수 있다. 예를 들면, 분리막(140)의 권취(winding), 적층(lamination), 접음(folding) 등을 통해 전극 조립체(150)를 형성할 수 있다.According to exemplary embodiments, an electrode cell is defined by the
전극 조립체(150)가 케이스(160) 내에 전해질과 함께 수용되어 리튬 이차 전지가 정의될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 전해질로서 비수 전해액을 사용할 수 있다.The
비수 전해액은 전해질인 리튬염과 유기 용매를 포함하며, 상기 리튬염은 예를 들면 Li+X-로 표현되며 상기 리튬염의 음이온(X-)으로서 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- , CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N- 등을 예시할 수 있다.The non-aqueous electrolyte includes a lithium salt serving as an electrolyte and an organic solvent, and the lithium salt is, for example, represented by Li + X − and F − , Cl − , Br − , I − , NO as an anion (X − ) of the lithium salt. 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , PF 6 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , ( CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - , SCN − and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N − and the like can be exemplified.
상기 유기 용매로서 예를 들면, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디메틸설퍼옥사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌 카보네이트, 설포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌 설파이트 및 테트라하이드로퓨란 등을 사용할 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2 이상이 조합되어 사용될 수 있다.As the organic solvent, for example, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC) ), methylpropyl carbonate, dipropyl carbonate, dimethylsulfuroxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, vinylene carbonate, sulfolane, gamma-butyrolactone, propylene sulfite and tetrahydrofuran can be used. . These may be used alone or in combination of two or more.
도 2에 도시된 바와 같이, 각 전극 셀에 속한 양극 집전체(105) 각각으로부터 및 음극 집전체로(125)부터 각각 전극 탭(양극 탭 및 음극 탭)이 돌출되어 케이스(160)의 일 단부까지 연장될 수 있다. 상기 전극 탭들은 케이스(160)의 상기 일 단부와 함께 융착되어 케이스(160)의 외부로 연장 또는 노출된 전극 리드(양극 리드(107) 및 음극 리드(127))와 연결될 수 있다. As shown in FIG. 2 , electrode tabs (positive electrode tab and negative electrode tab) protrude from each of the positive
도 2에서는 양극 리드(107) 및 음극 리드(127)가 평면 방향에서 케이스(160)의 상변으로부터 돌출되는 것으로 도시되었으나, 전극 리드들의 위치가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 전극 리드들은 케이스(160)의 양 측변 중 적어도 하나로부터 돌출될 수도 있으며, 케이스(160)의 하변으로부터 돌출될 수도 있다. 또는, 양극 리드(107) 및 음극 리드(127)는 각각 케이스(160)의 서로 다른 변으로부터 돌출되도록 형성될 수도 있다.In FIG. 2 , the
상기 리튬 이차 전지는 예를 들면, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등으로 제조될 수 있다.The lithium secondary battery may be manufactured, for example, in a cylindrical shape, a square shape, a pouch type, or a coin type using a can.
예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는 상술한 음극 구조에 따라 전극의 접착력이 좋고 고 에너지 밀도 및 수명 특성이 향상된 전지를 제공할 수 있다.The lithium secondary battery according to the exemplary embodiments may provide a battery having good electrode adhesion and improved high energy density and lifespan characteristics according to the above-described negative electrode structure.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments are presented to help the understanding of the present invention, but these examples are merely illustrative of the present invention and do not limit the appended claims, and are within the scope and spirit of the present invention. It is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications are possible, and it is natural that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.
실시예 1Example 1
(1) 바인더층을 포함하는 음극의 제조(1) Preparation of anode comprising a binder layer
제1 음극 활물질로 흑연 94.05중량%, 실리콘산화물(SiOX) 3중량%, 도전재로 탄소나노튜브(CNT) 0.25중량%, 바인더로 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 1.5중량% 및 증점제로 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 1.2중량%를 포함하여 제1 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 제1 음극 슬러리를 구리 기재 위에 도포, 건조 및 프레스를 실시하여 제1 음극 활물질층을 제조하였다.94.05 wt% of graphite as a first negative active material, 3 wt% of silicon oxide (SiO X ), 0.25 wt% of carbon nanotubes (CNT) as a conductive material, 1.5 wt% of styrene-butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl as a thickener A first negative electrode slurry was prepared including 1.2 wt% of cellulose (CMC). The first negative electrode slurry was applied on a copper substrate, dried and pressed to prepare a first negative electrode active material layer.
제2 음극 활물질로 흑연 88.05중량%, 실리콘산화물(SiOX) 9중량%, 도전재로 탄소나노튜브(CNT) 0.25중량%, 바인더로 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 1.5중량% 및 증점제로 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 1.2중량%를 포함하여 제2 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 제2 음극 슬러리를 상기 제1 음극 슬러리의 위에 도포, 건조 및 프레스를 실시하여 제2 음극 활물질층을 제조하였다.88.05 wt% of graphite as a second negative active material, 9 wt% of silicon oxide (SiO X ), 0.25 wt% of carbon nanotubes (CNT) as a conductive material, 1.5 wt% of styrene-butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl as a thickener A second negative electrode slurry was prepared including 1.2 wt% of cellulose (CMC). The second negative electrode slurry was applied on the first negative electrode slurry, dried and pressed to prepare a second negative electrode active material layer.
폴리아크릴산(PAA) 1 중량%을 순수(H2O)에 용해하여 바인더층을 제조하기 위한 바인더 슬러리를 준비하였다. 이후, 상기 (1)에서 제조된 제2 음극 활물질층의 일면에 바인더 슬러리(점도 3,000cp) bar 코팅, 건조 및 압연하여 바인더층을 포함하는 음극을 제조하였다.A binder slurry for preparing a binder layer was prepared by dissolving 1 wt% of polyacrylic acid (PAA) in pure water (H 2 O). Thereafter, a negative electrode including a binder layer was prepared by coating, drying, and rolling a bar of binder slurry (viscosity of 3,000 cp) on one surface of the second negative active material layer prepared in (1) above.
(2) 양극의 제조(2) Preparation of anode
양극 활물질으로 NCM, 도전재로 CNT 및 바인더로 PVDF를 각각 98:1:1의 질량비 조성으로 혼합하여 양극 합제를 제조한 후, 알루미늄 집전체 상에 코팅 후, 프레스 및 건조를 통해 양극을 형성하였다. A positive electrode mixture was prepared by mixing NCM as a positive electrode active material, CNT as a conductive material, and PVDF as a binder in a mass ratio of 98:1:1, respectively, after coating on an aluminum current collector, followed by pressing and drying to form a positive electrode. .
(3) 이차 전지의 제조(3) manufacture of secondary battery
상기 (1) 및 (2)에서 제조된 음극 및 양극을 각각 소정의 사이즈로 노칭(Notching)하여 적층하고 상기 양극 및 음극 사이에 세퍼레이터(폴리에틸렌, 두께 15㎛)를 개재하여 전극 셀을 형성한 후, 양극 및 음극의 탭부분을 각각 용접하였다. 용접된 양극/세퍼레이터/음극의 조립체를 파우치안에 넣고 전해액 주액부면을 제외한 3면을 실링 하였다. 이때 전극 탭이 있는 부분은 실링부에 포함시켰다. 실링부를 제외한 나머지 면을 통해 전해액을 주액하고 상기 나머지 면을 실링 후, 12시간이상 함침 시켰다. The negative electrode and the positive electrode prepared in (1) and (2) are each notched to a predetermined size and laminated, and a separator (polyethylene, thickness 15 μm) is interposed between the positive electrode and the negative electrode to form an electrode cell. , the tabs of the positive and negative electrodes were welded, respectively. The welded anode/separator/cathode assembly was placed in a pouch and three sides were sealed except for the electrolyte injection side. At this time, the part with the electrode tab was included in the sealing part. Electrolyte was injected through the remaining surfaces except for the sealing part, and the remaining surfaces were sealed and impregnated for more than 12 hours.
전해액은 EC/EMC/DEC(25/45/30; 부피비)의 혼합 용매에 1M LiPF6을 용해시킨 후, 비닐렌 카보네이트(VC) 1wt%, 1,3-프로펜설톤(PRS) 0.5wt% 및 리튬 비스(옥살레이토)보레이트(LiBOB) 0.5wt%를 첨가한 것을 사용하였다.The electrolyte solution was prepared by dissolving 1M LiPF 6 in a mixed solvent of EC/EMC/DEC (25/45/30; volume ratio), then vinylene carbonate (VC) 1wt%, 1,3-propensultone (PRS) 0.5wt% and 0.5 wt% of lithium bis(oxalato)borate (LiBOB) was used.
실시예 2-6Example 2-6
표 1에 기재된 바와 같이 바인더층에 포함되는 바인더 함량을 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.As shown in Table 1, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the binder content included in the binder layer was adjusted.
실시예 7-8Examples 7-8
표 1에 기재된 바와 같이 바인더 슬러리의 점도를 조절한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 3, except that the viscosity of the binder slurry was adjusted as shown in Table 1.
비교예 1Comparative Example 1
음극 활물질 슬러리 제조를 위해 인조 흑연 91.05중량%, 실리콘 산화물(SiOX) 6중량%, 바인더로 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 1.5 중량%, 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 1.2중량% 및 도전재로 탄소나노튜브(CNT) 0.25 중량%를 포함하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 구리 기재 위에 단일층으로 도포, 건조 및 프레스를 실시하여 바인더층을 불포함한 단일층의 음극을 제조하였다.91.05 wt% of artificial graphite, silicon oxide (SiO X ) for the preparation of negative electrode active material slurry A negative electrode slurry was prepared including 6 wt%, 1.5 wt% of styrene-butadiene rubber (SBR) as a binder, 1.2 wt% of carboxymethyl cellulose (CMC), and 0.25 wt% of carbon nanotubes (CNT) as a conductive material. The negative electrode slurry was applied as a single layer on a copper substrate, dried and pressed to prepare a single layer negative electrode without a binder layer.
양극 및 이차 전지의 제조는 상기 실시예 1의 (2) 양극의 제조 및 (3) 이차 전지의 제조와 동일하게 제조하였다. The positive electrode and the secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1 (2) preparation of the positive electrode and (3) preparation of the secondary battery.
비교예 2Comparative Example 2
음극 활물질 슬러리 제조를 위해 인조 흑연 91.05중량%, 실리콘 산화물(SiOX) 6중량%, 바인더로 폴리아크릴산(PAA) 2.7중량%, 도전재로 탄소나노튜브(CNT) 0.25중량%를 포함하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 구리 기재 위에 단일층으로 도포, 건조 및 프레스를 실시하여, 바인더층을 불포함한 단일층의 음극을 제조하였다.91.05 wt% of artificial graphite, silicon oxide (SiO X ) for the preparation of negative electrode active material slurry 6% by weight, polyacrylic acid (PAA) 2.7% by weight as a binder, and carbon nanotubes (CNT) 0.25% by weight as a conductive material to prepare a negative electrode slurry. The negative electrode slurry was applied as a single layer on a copper substrate, dried and pressed to prepare a single layer negative electrode without a binder layer.
양극 및 이차 전지의 제조는 상기 실시예 1의 (2) 양극의 제조 및 (3) 이차 전지의 제조와 동일하게 제조하였다. The positive electrode and the secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1 (2) preparation of the positive electrode and (3) preparation of the secondary battery.
비교예 3Comparative Example 3
바인더층의 바인더로 Na-CMC 3wt% 포함하는 점을 제외하고 실시예 3과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 3, except that 3 wt% of Na-CMC was included as the binder of the binder layer.
비교예 4Comparative Example 4
바인더층의 바인더로 Na-CMC 3wt% 포함하는 점을 제외하고 비교예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that 3wt% of Na-CMC was included as the binder of the binder layer.
비교예 5Comparative Example 5
바인더층을 포함하지 않는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the binder layer was not included.
유무binder layer
The presence or absence
종류bookbinder
type
점도(cp)binder slurry
Viscosity (cp)
실험예Experimental example
(1) 점도(1) Viscosity
점도는 점도계(viscometer TV-22, TOKI사제)를 이용하여 25℃, 30 rpm에서 측정되었다Viscosity was measured at 25°C and 30 rpm using a viscometer (viscometer TV-22, manufactured by TOKI).
(2) 전체 전극 두께 표준 편차(2) overall electrode thickness standard deviation
전극 두께를 마이크로 미터를 이용하여 측정하였다. 전체 전극 두께의 표준 편차는 전극의 두께를 20회 이상 측정하여 계산하였다. 측정 결과는 하기의 표 2에 나타낸다.The electrode thickness was measured using a micrometer. The standard deviation of the total electrode thickness was calculated by measuring the thickness of the electrode 20 times or more. The measurement results are shown in Table 2 below.
(3) 전극 접착력 측정(3) Measurement of electrode adhesion
접착력 측정 지그(jig)에 양면 테이프를 부착한 후 실시예 및 비교예들에서 제조된 양극의 집전체 면을 테이프에 위치시킨 후 롤러를 10회 왕복시켜 부착시켰다. 이후, 테이프를 폭 18mm로 절단하고 측정 지그 중앙부에 테이프 면이 아래를 향하도록 부착시켰다.After attaching the double-sided tape to the adhesive force measuring jig, the current collector side of the positive electrode prepared in Examples and Comparative Examples was placed on the tape, and then the roller was reciprocated 10 times to attach it. Then, the tape was cut to a width of 18 mm and attached to the center of the measuring jig with the tape side facing down.
접착력 측정기를 300rpm의 속도로 이동시키면서 제2 음극 활물질층을 제1 음극 활물질층으로부터 벗겨내며 제2 음극 활물질층의 제1 음극 활물질층 표면에 대한 접착력을 측정하였다.The adhesive force of the second anode active material layer to the surface of the first anode active material layer was measured while the second anode active material layer was peeled off from the first anode active material layer while the adhesive force meter was moved at a speed of 300 rpm.
제2 음극 활물질층이 제거된 양극에서 제1 음극 활물질층을 집전체로부터 동일한 조건으로 벗겨내며, 제1 음극 활물질층의 집전체 표면에 대한 접착력을 측정하였다. 측정 결과는 하기의 표 2에 나타낸다.From the positive electrode from which the second negative active material layer was removed, the first negative active material layer was peeled off from the current collector under the same conditions, and the adhesive force of the first negative active material layer to the current collector surface was measured. The measurement results are shown in Table 2 below.
(4) 용량 비율 평가(4) Dose ratio evaluation
상술한 실시예들 및 비교예들에 따른 이차 전지에 대하여 0.1C에서(총 3사이클)로 충방전을 반복하면서 각 사이클의 방전 용량을 측정하였다. 이후, 0.3C에서 충방전을 반복하면서 측정된 방전 용량을 측정하였다. 이들을 각각 방전용량을 기준으로 0.1C 방전 용량에 대하여 0.3C 방전 용량(3회째) 비율(%)을 계산하였으며, 결과는 하기의 표 2에 나타낸다.The discharge capacity of each cycle was measured while charging and discharging the secondary batteries according to the above-described Examples and Comparative Examples at 0.1 C (total of 3 cycles). Thereafter, the measured discharge capacity was measured while repeating charging and discharging at 0.3C. The ratio (%) of the 0.3C discharge capacity (third time) to the 0.1C discharge capacity was calculated based on the discharge capacity, respectively, and the results are shown in Table 2 below.
(5) 용량 유지율 평가 (5) Capacity retention rate evaluation
상술한 실시예 및 비교예들에 따른 리튬 이차전지로 충전(CC-CV 0.3 C 4.2V 0.05C CUT-OFF) 및 방전(CC 0.3C 2.5V CUT-OFF)을 200회 반복한 후, 200회에서의 방전용량을 1회 방전용량 대비 %로 계산하여 용량 유지율을 측정하였다.After repeating charging (CC-CV 0.3 C 4.2V 0.05C CUT-OFF) and discharging (CC 0.3C 2.5V CUT-OFF) 200 times with the lithium secondary battery according to the above-described embodiment and comparative examples, 200 times The capacity retention rate was measured by calculating the discharge capacity in % of the one-time discharge capacity.
(N/18mm)adhesion ratio
(N/18mm)
용량비율(%)0.3C/0.1C
Capacity ratio (%)
(200th)Cycle retention
(200 th )
표 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들은 PAA 계열 수계 바인더층을 포함하여 음극 활물질층이 단일층이면서 별도의 바인더층을 포함하지 않는 비교예 1 및 2에 비하여 전극 접착력을 확보하면서 사이클 특성을 확보할 수 있음을 확인하였다. Referring to Table 2, the examples of the present invention include a PAA-based water-based binder layer, the negative active material layer is a single layer, and compared to Comparative Examples 1 and 2 that does not include a separate binder layer, the cycle characteristics while securing electrode adhesion. It was confirmed that it can be obtained.
다만, 용량 특성의 경우 비교예 1 및 2가 실시예에 비하여 다소 높게 측정되었다. 이는 비교예 1 및 2는 바인더층을 포함하지 않는 활물질층이 단일층인 경우 전극의 저항이 작은 것에서 기인하는 것으로 판단된다. 반면, 사이클 특성이 현저하게 낮음을 통해 실시예들에 비해 수명 특성을 장담하기 어려움을 확인할 수 있다. However, in the case of capacity characteristics, Comparative Examples 1 and 2 were measured to be somewhat higher than those of Examples. This is determined to be due to the fact that in Comparative Examples 1 and 2, when the active material layer not including the binder layer is a single layer, the resistance of the electrode is small. On the other hand, it can be confirmed that it is difficult to guarantee the lifespan characteristics compared to the examples through the remarkably low cycle characteristics.
특히, 비교예 2의 경우 PAA계열 바인더층을 사용하더라도 표면층이 아닌 음극 활물질 단일층에 적용하는 경우 접착력이 저하되는 것을 확인할 수 있다.In particular, in the case of Comparative Example 2, even if the PAA-based binder layer is used, it can be confirmed that the adhesive strength is lowered when applied to a single layer of an anode active material rather than a surface layer.
비교예 3의 결과에 비추어 음극 활물질층이 다층 구조인 경우라도, Na-CMC 바인더층을 사용하는 것은 PAA계열 바인더층을 사용하는 경우 비해 용량 특성 및 사이클 특성이 열위함을 확인할 수 있다.In light of the results of Comparative Example 3, even when the anode active material layer has a multilayer structure, it can be confirmed that the use of the Na-CMC binder layer has inferior capacity characteristics and cycle characteristics compared to the case of using the PAA-based binder layer.
비교예 4의 경우, 바인더층을 포함하더라도 음극 활물질층이 다층 활물질층이 아닌 단일층인 경우 약간의 사이클 개선에 대한 효과를 확인하였지만 실시예의 다층 활물질층에 적용되는 경우에 비하여 효과가 미미함을 알 수 있다. 이는 바인더층의 효과를 극대화하기 위해서는 다층 활물질층에 적용되어야 하는 것의 의미한다. In the case of Comparative Example 4, although the negative active material layer was a single layer, not a multi-layer active material layer, even including a binder layer, the effect on a slight cycle improvement was confirmed. Able to know. This means that in order to maximize the effect of the binder layer, it should be applied to the multi-layered active material layer.
비교예 5의 경우, 음극 활물질층이 다층 구조이더라도 바인더층을 포함하지 않는 경우에는 사이클 특성이 저하됨을 확인할 수 있었다. In the case of Comparative Example 5, even though the negative active material layer had a multilayer structure, it was confirmed that cycle characteristics were deteriorated when the binder layer was not included.
상기 실시예 및 비교예들의 종합적인 결과에 비추어 제1 음극 활물질층의 실리콘계 활물질의 함량이 제2 음극 활물질층의 실리콘계 활물질 함량보다 적은 다층 구조의 활물질층에 PAA 계열의 수계 바인더층을 포함하는 경우, 기존에 수계 바인더를 이용하는 경우 문제가 될 수 있는 열위한 접착력을 개선하면서 우수한 사이클 특성을 확보하여 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있음을 확인 가능하다. In light of the comprehensive results of Examples and Comparative Examples, the content of the silicon-based active material of the first anode active material layer is less than the content of the silicon-based active material of the second anode active material layer In the case of including a PAA-based aqueous binder layer in the active material layer of a multilayer structure , it can be confirmed that the lifespan characteristics of the battery can be improved by securing excellent cycle characteristics while improving thermal adhesion, which can be a problem when using a conventional aqueous binder.
더불어 실시예 6의 결과에 비추어 바인더층에 포함되는 바인더함량이 전극 총 중량에 대하여 0.1 내지 5 중량% 포함하는 경우 실시예 1 내지 5의 경우, 전극의 용량 비율 및 용량 유지율이 향상되고 전극 수명 특성을 개선시킬 수 있음을 알 수 있다.In addition, in light of the results of Example 6, when the binder content included in the binder layer contains 0.1 to 5% by weight based on the total weight of the electrode, in the case of Examples 1 to 5, the capacity ratio and capacity retention rate of the electrode are improved, and the electrode lifespan characteristics are improved. can be improved.
또한, 실시예 7 및 8의 결과에 비추어 바인더층 형성 시 바인더 슬러리의 점도가 3,000cp를 초과하는 경우 전지의 용량을 감소시켜 사이클 특성 확보가 어렵고 100 cp 미만인 경우 역시 전극의 두께를 확보하기 어려워 역시 사이클 특성을 보장하기 어려움을 확인할 수 있다.In addition, in light of the results of Examples 7 and 8, when the viscosity of the binder slurry exceeds 3,000 cp when forming the binder layer, it is difficult to secure cycle characteristics by reducing the capacity of the battery, and when it is less than 100 cp, it is also difficult to secure the thickness of the electrode. It can be seen that it is difficult to guarantee cycle characteristics.
100: 양극 105: 양극 집전체
110: 양극 활물질층 120: 음극 활물질층
122: 제1 음극 활물질층 124: 제2 음극 활물질층
125: 음극 집전체 126: 바인더층
130: 음극 140: 분리막
150: 전극 조립체 160: 케이스100: positive electrode 105: positive electrode current collector
110: positive active material layer 120: negative active material layer
122: first anode active material layer 124: second anode active material layer
125: negative electrode current collector 126: binder layer
130: negative electrode 140: separator
150: electrode assembly 160: case
Claims (10)
상기 음극 집전체의 적어도 일면 상에 순차적으로 위치하는 제1 음극 활물질층 및 제2 음극 활물질층을 포함하는 음극 활물질층; 및
상기 제2 음극 활물질층 상에 위치하는 바인더층을 포함하고,
상기 제2 음극 활물질층은 실리콘계 활물질을 포함하며,
상기 바인더층은 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴아마이드 및 폴리비닐아세테이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 바인더를 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극.negative electrode current collector;
an anode active material layer including a first anode active material layer and a second anode active material layer sequentially positioned on at least one surface of the anode current collector; and
a binder layer positioned on the second anode active material layer;
The second anode active material layer includes a silicon-based active material,
The binder layer comprises at least one binder selected from the group consisting of polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, polyacrylamide and polyvinyl acetate, a negative electrode for a lithium secondary battery.
상기 제1 음극 활물질층 총 중량 중 상기 실리콘계 활물질의 함량은 제2 음극 활물질층 총 중량 중 실리콘계 활물질 함량보다 적은, 리튬 이차 전지용 음극.The method according to claim 1, wherein the first anode active material layer and the second anode active material layer each comprises a silicon-based active material,
The content of the silicon-based active material in the total weight of the first anode active material layer is less than the content of the silicon-based active material in the total weight of the second anode active material layer, a negative electrode for a lithium secondary battery.
청구항 1항에 따른 음극; 및
상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는, 리튬 이차 전지.
anode;
The negative electrode according to claim 1; and
A lithium secondary battery comprising a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
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