KR20220144097A - 리튬 이차 전지용 음극, 이를 포함하는 이차 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

리튬 이차 전지용 음극, 이를 포함하는 이차 전지 및 이의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20220144097A
KR20220144097A KR1020210050337A KR20210050337A KR20220144097A KR 20220144097 A KR20220144097 A KR 20220144097A KR 1020210050337 A KR1020210050337 A KR 1020210050337A KR 20210050337 A KR20210050337 A KR 20210050337A KR 20220144097 A KR20220144097 A KR 20220144097A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
active material
negative electrode
secondary battery
electrode
material layer
Prior art date
Application number
KR1020210050337A
Other languages
English (en)
Inventor
황해숙
이미령
강희경
이종혁
Original Assignee
에스케이온 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에스케이온 주식회사 filed Critical 에스케이온 주식회사
Priority to KR1020210050337A priority Critical patent/KR20220144097A/ko
Priority to DE102022109468.5A priority patent/DE102022109468A1/de
Priority to US17/723,796 priority patent/US20220336810A1/en
Publication of KR20220144097A publication Critical patent/KR20220144097A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/133—Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0404—Methods of deposition of the material by coating on electrode collectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/043—Processes of manufacture in general involving compressing or compaction
    • H01M4/0435—Rolling or calendering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1393—Processes of manufacture of electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1395—Processes of manufacture of electrodes based on metals, Si or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/366—Composites as layered products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/485—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예들은 집전체 및 상기 집전체 상에 코팅되며 천연 흑연을 포함하는 음극 활물질을 포함하고 1.50g/cc 이상의 전극 밀도를 갖는 음극 활물질 층을 포함하며, 상기 음극 활물질 층으로부터 XRD 측정으로 얻어지는 상기 음극 활물질의 (110)면의 피크 강도(I110) 대비 (004)면의 피크 강도(I004)의 비(I004/I110)로 정의되는 XRD 배향지수(orientation index: OI)가 8 이하인 리튬 이차 전지일 수 있다.
상기 리튬 이차전지용 음극은 천연 흑연을 활물질 층에 포함하여 전해액의 함침 특성이 개선되고 수명특성 및 급속 충전 특성을 우수하게 제공할 수 있다.

Description

리튬 이차 전지용 음극, 이를 포함하는 이차 전지 및 이의 제조 방법 {ANODE FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY, SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME AND METHOD OF PREPARING THE SAME}
본 발명은 리튬 이차 전지용 음극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 음극 활물질으로 천연 흑연을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극, 이를 포함하는 이차 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
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 동력원으로서도 이차 전지를 포함한 전지 팩이 개발 및 적용되고 있다.
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 연구 개발이 진행되고 있다.
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.
한편, 음극에 쓰이는 음극 활물질로는 비정질 탄소 또는 결정질 탄소가 사용되고 있으며, 이 중에서도 결정질 탄소가 용량이 높아 주로 사용되고 있다. 이러한 결정질 탄소로는 천연흑연, 인조 흑연 등이 있다.
천연 흑연의 경우 인조 흑연에 비해 흑연화도가 높고 저가이며 높은 리튬이온 저장용량을 나타내는 점에서 유리하지만, 천연 흑연은 불규칙한 구조로 인해 가장자리 부분에서 발생하는 전해액 분해 반응으로 인하여 스웰링 현상이 발생하고, 충방전 효율 및 용량이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 이에 천연 흑연의 구형화도 및 표면 코팅 처리를 통해 이러한 문제점을 해결하는 연구들이 진행 중에 있다.
예를 들면, 한국공개특허 제10-1249349호는 천연 흑연을 포함하는 음극 활물질에 관한 기술을 개시하고 있으나, 저가이면서 동시에 우수한 급속 충전 성능을 제공하기엔 다소 한계가 있다.
한국공개특허 제10-1249349호
본 발명은 전해액의 함침 특성이 개선되고 전극의 급속 충방전 특성, 수명특성 및 용량 특성이 우수한 리튬 이차 전지용 음극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 리튬 이차 전지용 음극을 포함하는 리튬 이차 전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 음극은 집전체 및 상기 집전체 상에 코팅되며 천연 흑연을 포함하는 음극 활물질을 포함하고 1.50g/cc 이상의 전극 밀도를 갖는 음극 활물질 층을 포함하며, 상기 음극 활물질 층으로부터 XRD 측정으로 얻어지는 상기 음극 활물질의 (110)면의 피크 강도(I110) 대비 (004)면의 피크 강도(I004)의 비(I004/I110)로 정의되는 XRD 배향지수(orientation index: OI)가 8 이하일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 XRD 배향지수는 2 내지 8일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 음극 활물질 층의 전극 밀도는 1.50g/cc 내지 1.80g/cc일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 음극 활물질 층의 전극 밀도는 1.70g/cc 내지 1.80g/cc일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 천연 흑연은 구형화도가 0.88 내지 0.99일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 천연 흑연은 비정질 탄소층이 코팅될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 천연 흑연의 중량 대비 상기 비정질 코팅의 중량비는 1 내지 10 중량%일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 천연 흑연은 질소 흡착법으로 측정된 기공률이 0.01 내지 0.03g/cm3일 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는 양극, 상기 리튬 이차 전지용 음극 및 상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법은 천연 흑연을 포함하는 음극 활물질을 포함하는 음극 슬러리를 준비하는 단계, 상기 음극 슬러리를 집전체 상에 도포하고 건조하여, 예비 음극 활물질 층을 형성하는 단계 및 상기 예비 음극 활물질 층을 압연하여 1.50g/cc 이상의 전극 밀도를 갖는 음극 활물질 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 음극 활물질 층의 XRD 배향지수는 8 이하일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 예비 음극 활물질 층의 XRD 배향지수는 2 이상일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 음극 활물질 층의 전극 밀도는 1.50g/cc 내지 1.80g/cc일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 음극 활물질 층의 전극 밀도는 1.70g/cc 내지 1.80g/cc일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 천연 흑연은 구형화도가 0.88 내지 0.99일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 천연 흑연은 비정질 탄소층이 코팅될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차 전지의 음극은 비정질 코팅이 형성된 천연 흑연을 포함하며, 1.50g/cc 이상의 전극 밀도 범위에서 XRD로 측정된 I004/I110 값이 소정의 범위를 만족하도록 설계될 수 있다. 이에 따라, 전해액 함침성(wet-ability)이 개선되고 급속 충전 특성을 우수하게 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 제조방법은 1.50g/cc 이상의 전극 밀도를 갖도록 음극 활물질 층을 형성한 후 XRD로 측정된 I004/I110 값과 예비 음극 활물질 층의 I004/I110 값의 차이가 6 이하일 수 있다. 이에 따라 고밀도로 전극을 제조하더라도 활물질 입자의 변형을 최소화할 수 있어 전해액 함침성(wet-ability)이 개선되고 수명특성 및 고온 저장특성을 우수하게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 리튬 이차 전지용 음극은 인조 흑연 대비 가격 경쟁력이 우수하면서 전지 특성도 우수하게 제공할 수 있다.
도 1 및 도 2는 각각 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면도 및 단면도이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 4는 예시적인 실시예들 및 비교예들에 따라 제조된 음극의 밀도 조건을 변화한 경우 I004/I110(OI)값을 측정한 그래프이다.
본 발명의 실시예들에 따르면 소정의 범위의 전극 밀도, XRD 배향 특성 및 구형화도를 갖는 음극 활물질을 포함하며, 급속 충전 특성, 우수한 가격 경쟁력, 수명특성 및 고온 저장특성이 향상된 리튬 이차 전지용 음극이 제공된다.
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 아니 된다.
도 1을 참고하면, 리튬 이차 전지는 양극(100), 음극(130) 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막(140)을 포함하는 전극 조립체를 포함할 수 있다.
음극(130)은 음극 집전체(125) 및 음극 활물질을 음극 집전체(125)에 코팅하여 형성된 음극 활물질 층(120)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 음극 활물질로서 탄소계 물질이 사용되며, 바람직한 실시예에 있어서 천연 흑연이 사용될 수 있다.
천연 흑연은 예를 들면, 가장자리 면이 노출되어 있기 때문에 노출된 가장자리 면에 전해액 분해 반응이 진행되거나 전해액 함침성이 낮아 충방전 효율이 저하되는 문제가 있다. 즉, 충/방전 반복에 따라 팽창이 발생하여 입자 혹은 결정 구조의 손상이 야기될 수 있으며, 상대적으로 인조흑연에 비해 화학적, 기계적 안정성 또는 내구성이 낮을 수 있다.
반면, 천연 흑연은 상대적으로 인조 흑연에 비해 가격 경쟁력을 확보하면서 향상된 출력/용량 특성을 가질 수 있다. 따라서, 예를 들면 고-니켈(High-Ni) 양극 조성과 조합되어 리튬 이차 전지의 양극 및 음극으로부터 각각 고용량 특성을 구현할 수 있다.
일 실시예들에 있어서, 상기 음극 활물질은 활물질 코어로 제공되는 천연 흑연 및 상기 천연 흑연 표면에 형성된 비정질 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 비정질 코팅층은 예를 들면, 석탄계 또는 석유계 유래물질과 같이 흑연계 물질보다 결정화도가 낮거나 실질적으로 비결정질로 분류되는 탄소재료를 포함할 수 있다. 다시 말해 상기 천연 흑연은 비정질 탄소층이 코팅될 수 있으며, 상기 비정질 탄소층의 두께는 50 nm 내지 500 nm일 수 있다.
예를 들면, 상기 비정질 탄소층은 상기 천연 흑연 입자 표면의 세공을 매립하여 비표면적을 감소시키며 전해액의 분해반응 사이트를 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 구형의 천연 흑연의 경도, 음극 밀도 및 음극의 배향성을 높일 수 있고, 상기 천연 흑연 입자 표면에서의 지나친 활성 및 팽창으로 이한 성능 열화를 억제할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 비정질 코팅은 상기 천연 흑연 입자의 표면을 전체적으로 균일하게 덮는 코팅층으로 제공될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 비정질 코팅은 상기 천연 흑연 입자의 표면 상에 예를 들면, 섬(island) 형태의 층 혹은 패턴 형태로 형성되어 상기 천연 흑연 입자의 표면을 부분적으로 덮을 수도 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 천연 흑연은 입자가 구형화 처리되어 사용될 수 있다. 예를 들면, 판상형 흑연을 충격 블렌딩 혹은 밀링 등을 통해 분쇄할 수 있다. 이후, 분쇄된 흑연 미분을 HF, HCl, HNO3 등을 사용하여 산처리 한 후 수세할 수 있다. 산처리 및 수세된 미분 입자들을 가압 공정을 통해 구형 입자로서 변환시킬 수 있다,
예를 들면, 상기 천연 흑연의 구형화도는 0.88 이상일 수 있고, 바람직하게는 0.90 내지 0.99일 수 있다. 상기 천연 흑연의 구형화도가 상기 범위로 제공되는 경우 예를 들어 1.50g/cc 이상, 1.60g/cc 이상, 1.70g/cc 이상의 고밀도 전극을 제조하더라도 음극재들이 납작하게 눌리는 현상을 개선하여 음극의 배향성을 높일 수 있고, 전해액 함침성을 향상시켜 전극의 급속 충방전 특성을 우수하게 제공할 수 있다.
본 출원에서 사용되는 용어 "구형화도"는 (천연흑연 입자 투영 형상과 같은 면적을 가지는 상당 원의 둘레 길이)/(천연흑연 입자 투영 형상의 실제 둘레 길이)로 정의될 수 있다.
구형화 처리된 천연 흑연을 사용됨에 따라, 균일한 두께의 비정질 코팅이 용이하게 형성되며, 음극의 팽창을 보다 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 상기 비정질 코팅에 의해 상기 천연 흑연의 입자 비표면적이 감소되어 음극 활물질의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 천연 흑연는 피치 혹은 타르와 같은 비정질 탄소재료와 혼합될 수 있다, 이후, 예를 들면, 1,000 내지 2,000℃의 온도 범위에서 열처리하여 탄화물층과 같은 비정질 코팅이 형성된 천연 흑연을 수득할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 비정질 코팅은 탄화된 유기물을 포함할 수 있다. 상기 탄화된 유기물은 예를 들어, 구연산, 스테아르산, 수크로오스, 폴리불화비닐리덴, 카르복시메틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 폴리아크릴산, 폴리아크릴로니트릴, 글루코오스, 젤라틴, 페놀 수지, 나프탈렌 수지, 폴리아미드 수지, 퓨란 수지, 폴리비닐알코올 수지, 폴리이미드 수지, 셀룰로오스 수지, 스티렌 수지, 에폭시 수지 등과 같은 고분자로부터 형성될 수 있다,
일 실시예에 있어서, 상기 비정질 코팅층의 중량은 상기 활물질 코어(예를 들면, 천연 흑연 입자)의 중량 대비 약 1 내지 10중량%일 수 있다. 상기 범위 내에서 상기 활물질 코어의 활성을 지나치게 저해하지 않으면서 팽창 안정성을 향상시킬 수 있다. 바람직하게는, 상기 비정질 코팅층의 중량은 상기 활물질 코어(예를 들면, 천연 흑연 입자)의 중량 대비 약 2 내지 9중량%일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 천연 흑연은 입자 평균 입경(D50)은 약 5 내지 15㎛일 수 있다. D50은 누적 입경 분포에 있어서 체적분율 50%에서의 입자 직경을 의미한다. 상기 입경 범위에서 음극(130) 내 공극이 적절히 제어되어 음극 팽창률이 용이하게 억제될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 음극 활물질의 기공률(total pore volume ratio)는 0.01 내지 0.03 cm3/g일 수 있다. 상기 범위의 기공률을 갖는 음극 활물질을 사용하여 음극 활물질의 충방전 반복에 따른 입자 크랙을 방지하며 장시간 높은 용량/활성을 유지할 수 있다. 또한, 음극 활물질의 기공률이 지나치게 작은 경우에는 음극의 수축/팽창 반복 시 완충 공간이 충분히 제공되지 않아 입자 손상이 야기될 수도 있다.
바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 음극 활물질의 기공률은 0.01 내지 0.02 cm3/g, 보다 바람직하게는 0.01 내지 0.0195 cm3/g 일 수 있다.
상기 음극 활물질의 기공률은 질소 흡착법을 통해 측정될 수 있다. 예를 들면, BET 장비의 측정용 셀에 음극 활물질을 충전한 후 질소 흡착 및 탈착양을 측정하여 기공률을 측정할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상술한 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 코팅한 후, 건조 및 압축하여 음극 활물질 층(120)을 형성할 수 있다.
상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 음극 집전체(125)에 잘 부착시키는 역할을 한다. 제공되는 바인더로는 비수용성 바인더, 수용성 바인더 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 바인더의 중량은 음극 활물질 층(120) 총 중량 중 3중량% 이하일 수 있다.
상기 비수용성 바인더로는 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 또는 이들의 조합을 들 수 있다.
상기 수용성 바인더로는 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 고무, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴산 나트륨, 프로필렌과 탄소수가 2 내지 8의 올레핀 공중합체, (메타)아크릴산과 (메타)아크릴산알킬에스테르의 공중합체, 또는 이들의 조합을 들 수 있다.
상기 음극 바인더로 수용성 바인더를 사용하는 경우, 점성을 부여할 수 있는 셀룰로오스 계열 화합물을 더욱 포함할 수 있다. 이 셀룰로오스 계열 화합물로는 카르복시메틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필메틸 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스, 또는 이들의 알칼리 금속염 등을 1종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 알칼리 금속으로는 Na, K 또는 Li를 사용할 수 있다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.
이와 더불어, 상기 음극 집전체(125)로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 음극 활물질 층(120) 표면에서 측정된 XRD 배향지수는 8 이하일 수 있다.
본 출원에서 사용된 용어 "XRD 배향 지수(orientation index: OI)"는 I(004)/I(110)를 지칭할 수 있다. I(004)는 X-선 회절 분석 그래프를 통해 측정된 (004) 면의 피크 강도 또는 피크의 최대 높이이며, I(110)은 X-선 회절 분석 그래프를 통해 측정된 (110) 면의 피크 강도 또는 피크의 최대 높이일 수 있다.
상기 XRD 배향 지수는 상기 천연 흑연 또는 활물질 코어의 결정성을 나타낼 수 있다. 상기 XRD 배향 지수가 지나치게 작은 경우 상기 활물질 코어의 활성면의 노출이 심화되어 음극(130) 또는 이차 전지의 수명 특성이 열화거나 급속 충방전 특성이 저하될 수 있다.
바람직한 일 실시예에 있어서, 음극 활물질 층(120)에서의 용량 및 에너지 밀도를 고려하여 상기 XRD 배향지수는 2 내지 8 범위로 조절될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 음극 활물질 층(120)의 전극 밀도는 1.50g/cc 이상일 수 있다. 또는 1.60g/cc 이상일 수 있으며, 1.70g/cc 이상일 수 있다. 또한, 1.80g/cc 이하일 수 있다.
바람직하게는 1.50g/cc 내지 1.80g/cc일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1.70g/cc 내지 1.80g/cc일 수 있다. 예를 들어, 음극 활물질 층(120)의 전극 밀도가 1.80g/cc를 초과하는 경우, 가압에 의해 음극 활물질 입자가 손상되거나 구형화도가 낮아질 수 있다. 이에 따라, 활물질 코어가 지나치게 노출되어 수명 특성이 열화될 수 있다. 또한, 음극 활물질 층(120)의 전극 밀도는 1.50g/cc 미만인 경우, 음극(130)에서의 에너지 밀도가 저하되어 충분한 용량이 확보되지 않을 수 있다.
상술한 전극 밀도 범위 및 XRD 배향지수를 갖도록 음극 활물질 층(120)이 형성됨에 따라, 상대적으로 화학적, 기계적 안정성이 낮을 수 있는 천연 흑연을 활물질을 통해서도 충분한 수명 안정성 및 용량 유지 특성을 확보할 수 있다.
도 1을 참고하면, 리튬 이차 전지는 양극(100), 음극(130) 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막(140)을 포함하는 전극 조립체를 포함할 수 있으며, 도 2를 참고하면 상기 전극 조립체가 케이스(160) 내에 전해질과 함께 수용되어 함침될 수 있다.
양극(100)은 양극 활물질을 양극 집전체(105)에 도포하여 형성한 양극 활물질 층(110)을 포함할 수 있다. 상기 양극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 할 수 있는 화합물을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극 활물질은 리튬-전이금속 복합 산화물 입자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 리튬-전이금속 복합 산화물 입자는 니켈(Ni)을 포함하며, 코발트(Co) 또는 망간(Mn) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 리튬-전이금속 복합 산화물 입자는 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
LixNi1-yMyO2+z
화학식 1에서 0.9 ≤x≤1.1, 0≤y≤0.7, -0.1≤z≤0.1일 수 있다. M은 Na, Mg, Ca, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Co, Fe, Cu, Ag, Zn, B, Al, Ga, C, Si, Sn 또는 Zr로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 나타낼 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 화학식 1에서 Ni의 몰비 또는 농도(1-y)는 0.8이상일 수 있으며, 바람직한 실시예에 있어서 0.8을 초과할 수 있다.
Ni은 리튬 이차 전지의 출력 및 용량에 연관된 전이 금속으로 제공될 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같이 고함량(High-Ni) 조성을 상기 리튬-전이금속 복합 산화물 입자에 채용함에 따라, 고출력 양극 및 고출력 리튬 이차전지를 제공할 수 있다.
그러나, Ni의 함량이 증가됨에 따라, 상대적으로 양극 또는 이차 전지의 장기 보존 안정성, 수명 안정성이 저하될 수 있다. 그러나, 예시적인 실시예들에 따르면 Co를 포함시켜 전기 전도성을 유지하면서, Mn을 통해 수명 안정성, 용량 유지 특성을 향상시킬 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 양극 활물질 또는 상기 리튬-전이금속 복합 산화물 입자는 코팅 원소 또는 도핑 원소를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 코팅 원소 또는 도핑 원소는 Al, Ti, Ba, Zr, Si, B, Mg, P, W, V 또는 이들의 합금 혹은 이들의 산화물을 포함할 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2 이상이 조합되어 사용될 수 있다. 상기 코팅 또는 도핑 원소에 의해 상기 양극 활물질 입자가 패시베이션 되어, 외부 물체의 관통에 대한 안정성 및 수명이 더욱 향상될 수 있다.
양극 활물질을 용매 내에서 바인더, 도전재 및/또는 분산재 등과 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조할 수 있다. 상기 슬러리를 양극 집전체(105)에 도포, 건조 및 압축하여 양극(100)을 제조할 수 있다.
상기 양극 집전체(105)는 예를 들면, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄, 구리 또는 이들의 합금을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다.
상기 바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 전극 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 같은 증점제와 함께 사용될 수 있다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용 가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 등을 사용할 수 있고, 또한 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 재료를 1종 또는 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예시적인 실시예들에 따르면, 양극(100), 상기 리튬 이차 전지용 음극(130) 및 상기 양극(100) 및 상기 음극(130) 사이에 개재된 분리막(140)을 포함하는 리튬 이차 전지가 제공될 수 있다. 도 1을 참조하면, 리튬 이차 전지는 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
상기 리튬 이차 전지는 예를 들면, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등으로 제조될 수 있다.
도 3을 참고하면 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 음극(130)의 제조방법이 제공되며 하기에 설명하는 방법에 따라 제조될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 천연 흑연을 포함하는 음극 활물질을 포함하는 음극 슬러리를 준비할 수 있다(S10).
전술한 바와 같이 천연 흑연의 구형화도는 0.88 이상일 수 있고, 바람직하게는 0.90 내지 0.99일 수 있다. 상기 천연 흑연의 구형화도가 상기범위로 제공되는 경우 예를 들어 1.50g/cc 이상의 고밀도 전극을 제조하더라도 음극재들이 납작하게 눌리는 현상을 개선하여 음극의 배향성을 높일 수 있고, 전해액 함침성을 향상시켜 전극의 급속 충방전 특성을 우수하게 제공할 수 있다.
구형화도가 0.88 미만인 경우 음극 제조 시 고밀도로 압연(press)하는 경우 음극 배향지수가 낮아져 낮은 전극 밀도를 형성하여 단위 부피당 에너지 밀도가 낮아지는 문제점이 있다. 따라서, 천연 흑연의 구형화도가 0.88 내지 0.99인 경우, 1.50g/cc 이상의 고밀도 합제 전극을 형성하더라도 전해액 함침성이 개선되어 급속 충방전을 하더라도 출력특성을 향상시킬 수 있다.
용매 내에서 전술한 음극 활물질으로 소정 범위의 구형화도를 갖는 비정질 탄소층이 코팅된 천연 흑연, 바인더 및 도전재와 교반하여 음극 슬러리를 제조할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 음극 슬러리를 집전체(125) 상에 도포하고 건조하여, 예비 음극 활물질 층을 형성할 수 있다(S20). 상기 예비 음극 활물질 층의 XRD 배향지수는 2 이상일 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 예비 음극 활물질 층을 압연하여 1.50g/cc 이상의 전극 밀도를 갖는 음극 활물질 층(120)을 형성할 수 있다(S30). 상기 음극 활물질 층(120)의 XRD 배향지수는 8 이하일 수 있다.
바람직한 일 실시예에 있어서, 음극 활물질 층(120)에서의 용량 및 에너지 밀도를 고려하여 상기 XRD 배향지수는 2 내지 8 범위로 조절될 수 있다.
도 4를 참고하면, 상기 음극 활물질 층(120) 및 상기 예비 음극 활물질 층의 XRD 배향지수의 차이는 6 이하일 수 있다. 이 경우, 전술한 바와 같이 상기 XRD 배향지수는 XRD 측정으로 얻어지는 상기 음극 활물질의 (110)면의 피크 강도(I110) 대비 (004)면의 피크 강도(I004)의 비(I004/I110)로 정의될 수 있다.
일반적으로 OI(I004/I110) 갭 차이가 작을수록 압연 전 후 입자 변형이 작고 전극 배향 영향도가 낮음을 의미한다. 즉, 음극 활물질 층(120)의 압연 전후 OI(orientation index) 갭 차이가 6 이하인 경우에 활물질 코어의 활성면의 노출을 최소화하여 음극(130) 전극 내 전해액 함침성을 향상시킬 수 있고 전극의 급속 충방전 시 우수한 수명 특성 및 저장 특성을 제공할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 음극 활물질 층(120)의 전극 밀도는 1.50g/cc 이상일 수 있다. 또는 1.60g/cc 이상일 수 있으며, 1.70g/cc 이상일 수 있다. 또한, 1.80g/cc 이하일 수 있다. 바람직하게는 1.50 내지 1.80g/cc 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1.70 내지 1.80g/cc 일수 있다. 예를 들어, 음극 활물질 층(120)의 전극 밀도가 1.80g/cc를 초과하는 경우, 가압에 의해 음극 활물질 입자가 손상되거나 구형화도가 낮아질 수 있다. 이에 따라, 활물질 코어가 지나치게 노출되어 수명 특성이 열화될 수 있다. 또한, 음극 활물질 층(120)의 전극 밀도는 1.50g/cc 미만인 경우, 음극(130)에서의 에너지 밀도가 저하되어 충분한 용량이 확보되지 않을 수 있다.
상술한 전극 밀도 범위 및 XRD 배향지수를 갖도록 음극 활물질 층(120)이 형성됨에 따라, 상대적으로 화학적, 기계적 안정성이 낮을 수 있는 천연 흑연을 활물질을 통해서도 충분한 수명 안정성 및 용량 유지 특성을 확보할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 천연 흑연은 비정질 탄소층이 코팅될 수 있으며, 천연흑연은 질소 흡착법으로 측정된 기공률이 0.01 내지 0.03g/cm3 일 수 있다. 보다 구체적인 내용은 전술한 바와 동일하다.
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.
실시예들 및 비교예들
이차 전지의 제조
<음극>
음극활물질로 천연 흑연을 준비하고 바인더는 수계 바인더로 스티렌-부타디엔고무(SBR): 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)를 1.2:1.5로 혼합하여 준비하였다. 도전재로는 판상형 도전재를 준비하였다.
준비한 음극활물질: 바인더: 도전재를 94:3:3의 중량비로 혼합한 후, 이를 물에 분산시켜 음극 슬러리를 제조하였다. 이 음극 슬러리를 8㎛ 두께의 구리 박막 위에 도포한 후, 80℃ 오븐에서 2시간정도 건조한 뒤 음극활물질 층의 밀도가 1.7g/cc가 되도록 압연하고, 110℃ 진공 오븐에서 12시간 동안 추가 건조하여 이차전지용 음극을 제조하였다.
상기 제조된 음극, 상대전극으로 리튬 호일, 다공성 폴리에틸렌막을 세퍼레이터로, 그리고 전해액으로는 1M의 LiPF6를 포함하고 있는, 에틸렌카보네이트(EC)/에틸메틸카보네이트(EMC)/디에틸카보네이트(DEC)/플루오르에틸렌카본네이트(FEC)가 2/2/5/1의 부피비로 혼합된 용액을 사용하여, 통상적으로 알려져 있는 제조 공정에 따라 CR2016 코인형 반쪽 셀을 제조하였다.
<양극>
20Ah 정도의 용량을 가진 셀(cell)을 제작하기 위하여, 양극활물질로 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (평균입경(D50) = 12㎛), 도전재로 Denka Black, 플레이크 형상의 흑연계 도전재 KS6, 바인더로 PVDF를 사용하고 각각 96.5 : 1 : 1 : 1.5의 질량비 조성으로 양극 슬러리를 제조한 후, 이를 12㎛ 두께의 알루미늄 기재 위에 도포, 건조, 압연(press)를 실시하여 양극을 제조하였다.
<이차 전지>
상기 제조된 양극과 음극을 각각 적당한 사이즈로 Notching하여 적층하고 양극 극판과 음극 극판 사이에 분리막(폴리에틸렌, 두께 13㎛)를 개재하여 전지를 구성하고, 양극의 탭부분과 음극의 탭부분을 각각 용접을 하였다. 용접된 양극/분리막/음극의 조합체를 파우치 안에 넣고, 탭이 있는 부분은 실링 부위에 포함시켜 전해액 주액부면을 제외한 3면을 실링하였다. 나머지 한 부분으로 전해액을 주액하고 남은 한 면을 실링한 후, 24시간 이상 함침을 시켜 리튬 이차 전지를 제조하였다.
전해액은 EC/EMC/DEC (부피비 25:45:30)의 혼합 용매로 1M LiPF6 용액을 제조한 후, 플루오르에틸렌카본네이트(FEC) 7wt%, 1,3-프로펜설톤(PRS) 0.5wt%, 리튬 비스(옥살레이토)보레이트(LiBOB) 0.5wt% 및 에틸렌 설페이트(ESA) 0.5wt%를 첨가한 것을 사용하였다.
실험예
(1) XRD 배향지수 측정
XRD 분석은 전극에 대하여 회절 광원으로 Cu Kα 선(ray)을 이용하여, 10o 내지 120o의 회절각(2θ) 범위에서, 0.0065o/s의 스캔속도(scan rate)로 실시한다. 구체적으로, 다음 실험 조건에 따라 XRD 분석을 진행하였다.
XRD(X-Ray Diffractometer(X'pert)
Maker Rigaku
Anode material Cu
K-Alpha1 wavelength 1.540598
Figure pat00001
Generator voltage 45 kV
Tube current 40 mA
Scan Range 10~120o
Scan Step Size 0.0065o
Divergence slit 1/4o
Antiscatter slit 1/2o
(2) 초기 방전용량 측정
25℃에서 0.1C rate의 전류로 전지 전압이 0.01V(vs. Li)에 이를 때까지는 정전류를 인가하였고 전지 전압이 0.01V에 이르면 전류가 0.01C rate에 이를 때까지 정전압을 인가하여 충전하였다. 방전 시에 전압이 1.5V(vs. Li)에 이를 때까지 0.1C rate의 정전류로 방전하였다.
(3) 수명 특성(용량 유지율)측정
실시예 및 비교에 따라 제조된 전지를 사용하여 약 20Ah의 용량을 가진 셀(cell)로 제작한 후, 2C 충전/ 2C 방전 c-rate로 DOD100 범위 내에서 설정한 정온으로 유지되는 챔버에서 (25℃) 수명 평가를 진행하였다.
(4) 저장 특성(용량 유지율) 측정
20Ah 정도의 용량을 가진 셀(cell)로 제작한 후, 0.5C 충전 c-rate로 SOC100을 셋팅한 후, 범위 내에서 설정한 정온으로 유지되는 챔버에서 (60℃) 저장 평가를 진행하였다. 4주 간격으로 챔버에서 꺼내어 상온까지 냉각한 이후에, 0.5C 방전 C-rate로 용량을 측정한다. 이후 다시 SOC100을 셋팅하여 정온으로 유지되는 챔버에서 저장한다.
평가예
(1) 평가예 1
하기 표 2에 기재된 바와 같이, 서로 다른 XRD 배향지수, 전극 밀도 및 구형화도를 갖는 천연 흑연을 사용하여 상술한 바와 같이 이차 전지를 제조하여, 전지 특성을 측정하여 표 3에 기재하였다.
　 XRD 배향지수
I(004)/I(110)		 구형화도 전극 밀도
(g/cc)
실시예1 3.0 0.93 1.70
실시예2 2.5 0.94 1.70
실시예3 4.6 0.95 1.80
실시예4 8.0 0.88 1.50
실시예5 2.3 0.96 1.80
실시예6 7.0 0.91 1.70
비교예 1 12.5 0.87 1.70
비교예 2 15.1 0.96 1.70
　 초기 효율(%) 수명 특성(%) 고온 저장율(%)
실시예1 91.4 94 90.4
실시예2 90.5 95 90.1
실시예3 90.1 93 90.6
실시예 4 88.9 90 88.7
실시예 5 90.0 96 91.0
실시예 6 89.9 92 90.4
비교예 1 88.5 91 88.1
비교예 2 88.2 90 88.6
표 3의 결과를 살펴보면, XRD 배향지수가 8 이하이고, 구형화도가 0.88이상이며, 전극 밀도가 1.50g/cc 이상을 만족하는 실시예의 경우 초기 효율, 수명 특성 및 고온 저장율이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 특히, XRD 배향지수가 2 내지 8, 구형화도가 0.90 내지 0.99, 전극 밀도가 1.70g/cc 내지 1.80g/cc를 만족하는 경우에서 전지 특성이 더욱 개선되는 것을 확인할 수 있다.
(2) 평가예 2
실시예 1 및 비교예 1 내지 2를 하기 표 4에 기재된 바와 같이 전극 밀도에 따른 XRD 배향지수를 측정하였으며, 압연 전후 XRD 배향지수 차이를 함께 기재하였다. 또한, 이에 대한 전지 특성을 측정하여 표 5에 함께 기재하였다.
전극 밀도에 따른 XRD 배향지수(I(004)/I(110))
압연전 1.50g/cc 1.60g/cc 1.70g/cc 1.80g/cc XRD 배향지수 차이
실시예 1 2.1 3.8 6.8 7.2 8.0 5.1
비교예 1 3.3 9.3 10.8 12.5 14.5 9.2
비교예 2 3.4 11.8 14.8 15.1 17.6 11.7
XRD 배향지수 차이 초기 방전용량 수명특성
Ret(@100)		 고온
저장 특성
실시예 1 5.1 90.1 97 90.4
비교예 1 9.2 88.5 91 88.1
비교예 2 11.7 88.2 90 88.6
상기 표 4에서 XRD 배향지수 차이는 1.7g/cc 전극 밀도에서 XRD 배향지수와 압연 전 XRD 배향지수의 차이를 의미한다.
표 4 및 도 4를 참고하면, 실시예 및 비교예들 모두 압연 전 XRD 배향지수는 절대값 차이가 미미하지만 실시예 1의 경우 XRD 배향지수 차이가 가 6 이하로 측정되어 압연 전후 절대값 차이를 작은 것을 확인할 수 있다.
즉, 실시예는 활물질 입자 변형 또는 전극의 배향 영향도가 낮아 전해핵 함침성을 개선시킬 수 있고 이에 전극 급속 충방전 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 수명 특성 및 고온 저장 특성이 개선되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 인조 흑연이 비하여 저렴하게 제조할 수 있어 가격 경쟁력도 확보할 수 있다.
100: 양극 105: 양극 집전체
110: 양극 활물질 층 120: 음극 활물질 층
125: 음극 집전체 130: 음극
140: 분리막 150: 전극 조립체
160: 케이스
107: 양극 리드 127: 음극 리드

Claims (16)

  1. 집전체; 및
    상기 집전체 상에 코팅되며 천연 흑연을 포함하는 음극 활물질을 포함하고 1.50g/cc 이상의 전극 밀도를 갖는 음극 활물질 층을 포함하며,
    상기 음극 활물질 층으로부터 XRD 측정으로 얻어지는 상기 음극 활물질의 (110)면의 피크 강도(I110) 대비 (004)면의 피크 강도(I004)의 비(I004/I110)로 정의되는 XRD 배향지수(orientation index: OI)가 8 이하인, 리튬 이차 전지용 음극.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 XRD 배향지수는 2 내지 8인, 리튬 이차 전지용 음극.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 음극 활물질 층의 전극 밀도는 1.50g/cc 내지 1.80g/cc인, 리튬 이차 전지용 음극.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 음극 활물질 층의 전극 밀도는 1.70g/cc 내지 1.80g/cc인, 리튬 이차 전지용 음극.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 천연 흑연은 구형화도가 0.88 내지 0.99인, 리튬 이차 전지용 음극.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 천연 흑연은 비정질 탄소층이 코팅된, 리튬 이차 전지용 음극.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 천연 흑연의 중량 대비 상기 비정질 코팅의 중량비는 1 내지 10중량%인, 리튬 이차 전지용 음극.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 천연 흑연은 질소 흡착법으로 측정된 기공률이 0.01 내지 0.03g/cm3 인, 리튬 이차 전지용 음극.
  9. 양극;
    청구항 1의 리튬 이차 전지용 음극; 및
    상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는, 리튬 이차 전지.
  10. 천연 흑연을 포함하는 음극 활물질을 포함하는 음극 슬러리를 준비하는 단계;
    상기 음극 슬러리를 집전체 상에 도포하고 건조하여, 예비 음극 활물질 층을 형성하는 단계; 및
    상기 예비 음극 활물질 층을 압연하여 1.50g/cc 이상의 전극 밀도를 갖는 음극 활물질 층을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 음극 활물질 층 및 상기 예비 음극 활물질 층의 XRD 배향지수의 차이는 6 이하이고,
    상기 XRD 배향지수는 XRD 측정으로 얻어지는 상기 음극 활물질의 (110)면의 피크 강도(I110) 대비 (004)면의 피크 강도(I004)의 비(I004/I110)로 정의되는, 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 음극 활물질 층의 XRD 배향지수는 8 이하인, 리튬 이차 전지용 음극의 제조방법.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 예비 음극 활물질 층의 XRD 배향지수는 2 이상인, 리튬 이차 전지용 음극의 제조방법.
  13. 청구항 10에 있어서, 상기 음극 활물질 층의 전극 밀도는 1.50g/cc 내지 1.80g/cc인, 리튬 이차 전지용 음극의 제조방법.
  14. 청구항 10에 있어서, 상기 음극 활물질 층의 전극 밀도는 1.70g/cc 내지 1.80g/cc인, 리튬 이차 전지용 음극의 제조방법.
  15. 청구항 10에 있어서, 상기 천연 흑연은 구형화도가 0.88 내지 0.99인, 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법.
  16. 청구항 10에 있어서, 상기 천연 흑연은 비정질 탄소층이 코팅된, 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법.
KR1020210050337A 2021-04-19 2021-04-19 리튬 이차 전지용 음극, 이를 포함하는 이차 전지 및 이의 제조 방법 KR20220144097A (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210050337A KR20220144097A (ko) 2021-04-19 2021-04-19 리튬 이차 전지용 음극, 이를 포함하는 이차 전지 및 이의 제조 방법
DE102022109468.5A DE102022109468A1 (de) 2021-04-19 2022-04-19 Anode für eine lithium-sekundärbatterie, lithium-sekundärbatterie umfassend derselben und verfahren zur herstellung derselben
US17/723,796 US20220336810A1 (en) 2021-04-19 2022-04-19 Anode for Lithium Secondary Battery, Lithium Secondary Battery Including the Same and Method of Fabricating the Same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210050337A KR20220144097A (ko) 2021-04-19 2021-04-19 리튬 이차 전지용 음극, 이를 포함하는 이차 전지 및 이의 제조 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220144097A true KR20220144097A (ko) 2022-10-26

Family

ID=83447518

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210050337A KR20220144097A (ko) 2021-04-19 2021-04-19 리튬 이차 전지용 음극, 이를 포함하는 이차 전지 및 이의 제조 방법

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20220336810A1 (ko)
KR (1) KR20220144097A (ko)
DE (1) DE102022109468A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102627427B1 (ko) * 2023-05-16 2024-01-19 에스케이온 주식회사 리튬 이차전지용 음극 활물질 조성물 및 이를 포함하는 음극 및 리튬 이차전지

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101249349B1 (ko) 2009-10-20 2013-04-01 주식회사 엘지화학 리튬 이차 전지용 음극활물질 및 이를 이용한 리튬 이차 전지

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210050337A (ko) 2019-10-28 2021-05-07 현대자동차주식회사 차량용 스티어링 시스템 및 그 제어방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101249349B1 (ko) 2009-10-20 2013-04-01 주식회사 엘지화학 리튬 이차 전지용 음극활물질 및 이를 이용한 리튬 이차 전지

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102627427B1 (ko) * 2023-05-16 2024-01-19 에스케이온 주식회사 리튬 이차전지용 음극 활물질 조성물 및 이를 포함하는 음극 및 리튬 이차전지

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022109468A1 (de) 2022-10-20
US20220336810A1 (en) 2022-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102564982B1 (ko) 리튬 이차 전지용 음극 및 리튬 이차 전지
KR102495992B1 (ko) 양극 활물질 전구체 및 이를 활용한 리튬 이차 전지
KR102321261B1 (ko) 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
US11217783B2 (en) Negative electrode active material for lithium secondary battery, negative electrode including the same, and lithium secondary battery including the negative electrode
KR102293034B1 (ko) 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR102539669B1 (ko) 리튬 이차 전지
KR102293046B1 (ko) 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
US20220336810A1 (en) Anode for Lithium Secondary Battery, Lithium Secondary Battery Including the Same and Method of Fabricating the Same
KR20220040889A (ko) 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이의 제조 방법
KR20220017748A (ko) 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR20230063562A (ko) 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이의 제조 방법
KR20220133512A (ko) 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR102477833B1 (ko) 양극활물질 조성물, 이로부터 제조된 양극 및 이를 채용한 이차전지
US20240105944A1 (en) Anode for Lithium Secondary Battery and Lithium Secondary Battery Including the Same
KR102660852B1 (ko) 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
EP4250420A1 (en) Cathode composition for lithium secondary battery and lithium secondary battery manufactured using the same
US20230063421A1 (en) Anode for secondary battery and secondary battery including the same
US20230378445A1 (en) Anode active material for secondary battery and lithium secondary battery including the same
US11894548B2 (en) Negative electrode active material, method of preparing the negative electrode active material, negative electrode, and secondary battery including the negative electrode
KR20220099681A (ko) 리튬 이차 전지
KR20230119480A (ko) 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR20230156993A (ko) 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR20230087005A (ko) 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 및 리튬 이차 전지
KR20220099688A (ko) 리튬 이차 전지
KR20230090829A (ko) 이차전지용 음극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination