KR20230018583A - Structure of cathode material for lithium ion battery having nanoparticles and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 나노입자를 구비한 리튬 이온 전지용 양극재 구조와 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬 이온 전지용 양극재 집전체 위에 금속산화물 나노입자를 포함하고 양극재 슬러리가 균일하게 도포된 구조를 가지는 리튬 이온 전지용 양극재 구조와 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode material structure for a lithium ion battery having nanoparticles and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a structure including metal oxide nanoparticles and a cathode material slurry uniformly applied on a cathode material current collector for a lithium ion battery It relates to a cathode material structure for a lithium ion battery having and a manufacturing method thereof.
전자, 정보통신 산업은 전자기기의 휴대화, 소형화, 경량화 및 고성능화를 통하여 급속한 발전을 보이고 있고, 이들 전자기기의 전원으로서 고용량, 고성능을 구현할 수 있는 리튬 이온 전지에 대한 수요가 급증하고 있다. 나아가 전기자동차(Electric Vehicle, EV)나 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV)가 실용화되면서, 용량과 출력이 높고 안정성이 뛰어난 리튬 이온 전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.Electronic and information communication industries are showing rapid development through portability, miniaturization, light weight and high performance of electronic devices, and demand for lithium ion batteries capable of realizing high capacity and high performance as a power source for these electronic devices is rapidly increasing. Furthermore, as electric vehicles (EVs) or hybrid electric vehicles (HEVs) are put into practical use, research on lithium ion batteries with high capacity and output and excellent stability is being actively conducted.
리튬 이온 전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리(intercalation and disintercalation)가 가능한 물질을 음극 및 양극으로 사용하고, 음극과 양극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조하며, 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입 및 탈리될 때의 산화반응, 환원반응에 의하여 전기적 에너지를 생성한다. 리튬 이온 전지의 구성요소 중에서 양극재는 전지 내에서 전지의 용량 및 성능을 좌우하는데 중요한 역할을 한다.A lithium ion battery is manufactured by using a material capable of intercalation and disintercalation of lithium ions as a negative electrode and a positive electrode, and filling an organic electrolyte solution or a polymer electrolyte solution between the negative electrode and the positive electrode, and lithium ions are intercalated at the positive electrode and the negative electrode. And electrical energy is generated by an oxidation reaction and a reduction reaction when desorbed. Among the components of a lithium ion battery, a cathode material plays an important role in determining the capacity and performance of the battery within the battery.
일반적으로 리튬 이온 전지의 양극재 슬러리로는 리튬 소스인 활물질을 기반으로 바인더 및 도전재를 포함하고 있으며 양극재 집전체로는 알루미늄 금속을 호일의 형태로 사용하고 있다. 리튬 이온 전지를 충ㆍ방전 할 때, 양극과 음극의 에너지 레벨을 적절히 조절하면 리튬 이온 전지의 효율, 용량, 안정성을 개선시킬 수 있으며, 이를 위해 리튬이온전지와 관련해 특허공개 제10-2016-0024777호와 제10-2016-0083227호는 양극재 활물질에 관한 것으로, 양극재의 수명특성을 향상시키기 위한 것이다. 등록특허 제10-2097444호는 양극재 집전체에 관한 것이다. 이외에도 리튬 이온 전지와 관련된 공개 기술 및 문헌들이 존재하지만, 이들 역시 양극재 활물질과 양극재 집전체에 관한 것으로서, 재료에 대한 변경을 중점적으로 다루며 기존 재료에 구조적인 변화를 통한 문제점을 해결과 관련된 것은 아니다.In general, a cathode material slurry of a lithium ion battery includes a binder and a conductive material based on an active material that is a lithium source, and aluminum metal is used in the form of a foil as a cathode material current collector. When the lithium ion battery is charged and discharged, properly adjusting the energy levels of the positive and negative electrodes can improve the efficiency, capacity, and stability of the lithium ion battery. To this end, Patent Publication No. 10-2016-0024777 related to the lithium ion battery and No. 10-2016-0083227 relate to cathode material active materials, and are intended to improve the lifespan characteristics of cathode materials. Registered Patent No. 10-2097444 relates to a cathode material current collector. In addition, there are open technologies and literature related to lithium ion batteries, but these also relate to cathode material active materials and cathode material collectors, focusing on material changes and solving problems through structural changes to existing materials. no.
이와 같이, 종래 공개된 기술들은 양극재의 재료 자체의 개발과 성능향상에 관련된 것이고, 양극재 구조적인 관점의 리튬이온전지의 성능향상에 대해서는 고려하지 않고 있다. 즉, 양극재를 통해 리튬이온전지의 성능을 향상시킨다고 하더라도, 재료를 변경해야 하는 등의 문제점이 제시될 수 있다.As such, conventionally disclosed technologies are related to the development and performance improvement of the cathode material itself, and do not consider the performance improvement of the lithium ion battery from the structural point of view of the cathode material. That is, even if the performance of the lithium ion battery is improved through the cathode material, problems such as the need to change the material may be presented.
따라서, 본 발명의 목적은 양극재 집전체에 금속산화물 나노입자를 코팅하여 양극과 음극 사이의 일함수 차이를 조절하고 양극재 집전체(알루미늄금속)와 양극재 슬러리(활물질, 바인더, 도전재의 혼합체) 사이의 전자 이동을 개선할 수 있는, 금속산화물 나노 입자를 포함한 리튬 이온 전지용 양극재 구조와 그의 제조방법을 제공하는 것이다.Therefore, an object of the present invention is to coat the positive electrode current collector with metal oxide nanoparticles to adjust the difference in work function between the positive electrode and the negative electrode, and to obtain a positive electrode current collector (aluminum metal) and a positive electrode material slurry (mixture of active material, binder, and conductive material) ), to provide a cathode material structure for a lithium ion battery including metal oxide nanoparticles and a method for manufacturing the same, which can improve electron movement between
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 나노입자를 구비한 리튬 이온 전지용 양극재 구조에서, 리튬 이온 전지는 하부케이스와, 기준 음극용 전극과, 분리막과, 가스킷과, 기준 양극용 전극과, 스페이서 디스크와, 스프링과, 상부케이스로 구성되고, 상기 기준 양극용 전극은 양극재 슬러리와, 양극재 집전체와, 상기 양극재 슬러리와 양극재 집전체 사이에서 상기 양극재 집전체 상에 코팅되는 금속산화물 나노입자로 구성되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the object of the present invention, in the cathode material structure for a lithium ion battery having nanoparticles according to the present invention, the lithium ion battery includes a lower case, a reference negative electrode, a separator, a gasket, and a reference positive electrode. and a spacer disk, a spring, and an upper case, and the reference electrode for the positive electrode is formed on the positive electrode material current collector between the positive electrode material slurry, the positive electrode material current collector, and the positive electrode material slurry and the positive electrode material current collector It is characterized in that it consists of metal oxide nanoparticles to be coated.
나노입자를 구비한 리튬 이온 전지용 양극재 구조에서, 상기 양극재 집전체는 알루미늄 금속으로 구성된다.In the cathode material structure for a lithium ion battery having nanoparticles, the cathode material current collector is made of aluminum metal.
나노입자를 구비한 리튬 이온 전지용 양극재 구조에서, 상기 금속산화물 나노입자는 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 삼산화 텅스텐(WO3-x) 중 선택된 하나 혹은 이들의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 한다.In the cathode material structure for a lithium ion battery having nanoparticles, the metal oxide nanoparticles are zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), tungsten trioxide (WO 3-x ) Using one or a mixture thereof characterized by
하부케이스와, 기준 음극용 전극과, 분리막과, 가스킷과, 기준 양극용 전극과, 스페이서 디스크와, 스프링과, 상부케이스로 구성된 리튬 이온 전지의 금속산화물 나노입자를 포함한 리튬 이온 전지에서, 상기 기준 양극용 전극은 양극용 집전체와, 양극재 슬러리와, 상기 양극재 집전체 상에 도포되는 금속산화물 나노입자로 구성되는 양극재 구조의 제조방법은, 알루미늄 금속으로 구성되는 상기 양극재 집전체 상에 금속산화물 나노입자를 포함하는 용해액을 스핀코터를 사용하여 도포하는 단계와, 상기 용해액이 도포된 양극재 집전체를 건조기에서 건조시키는 단계와, 상기 나노입자가 도포된 양극재 집전체 상에 양극재 슬러리를 도포하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.In a lithium ion battery including metal oxide nanoparticles of a lithium ion battery composed of a lower case, a reference negative electrode, a separator, a gasket, a reference positive electrode, a spacer disk, a spring, and an upper case, the standard The method for manufacturing a cathode material structure in which the electrode for the cathode is composed of a current collector for the cathode, a cathode material slurry, and metal oxide nanoparticles applied on the cathode material current collector is a positive electrode material current collector composed of aluminum metal. A step of applying a solution containing metal oxide nanoparticles using a spin coater; drying the cathode material current collector coated with the solution in a dryer; and onto the cathode material current collector coated with the nanoparticles. It is characterized in that it consists of the step of applying a positive electrode material slurry to.
나노입자를 구비한 리튬 이온 전지용 양극재 구조의 제조방법에서, 상기 금속산화물 나노입자는 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 삼산화 텅스텐(WO3-x) 중 선택된 하나 혹은 이들의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 한다.In the manufacturing method of a cathode material structure for a lithium ion battery having nanoparticles, the metal oxide nanoparticles are selected from zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), and tungsten trioxide (WO 3-x ) or a mixture thereof It is characterized by using.
나노입자를 구비한 리튬 이온 전지용 양극재 구조의 제조방법에서, 상기 금속산화물 나노입자는 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 삼산화 텅스텐(WO3-x) 중 선택된 하나 혹은 이들의 혼합물을 사용하고 각 금속산화물 나노입자에 따른 적절한 용매를 선정한 후 금속산화물 나노입자와 용매의 혼합비율을 설정하여 적정농도를 선정하고, 용해되어 용액상태로 존재하는 금속산화물 나노입자를 양극재 집전체에 소정량으로 적하한 후 분당회전수와 회전시간을 설정하여 박막의 두께를 제어하는 스핀코터 등의 용액공정 기술을 사용하여 적정두께로 양극재 집전체에 코팅한 후 용매가 휘발하는 조건으로 건조하여 금속산화물 나노입자를 형성하는 것을 특징으로 한다.In the manufacturing method of a cathode material structure for a lithium ion battery having nanoparticles, the metal oxide nanoparticles are selected from zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), and tungsten trioxide (WO 3-x ) or a mixture thereof After selecting an appropriate solvent according to each metal oxide nanoparticle, the proper concentration is selected by setting the mixing ratio of the metal oxide nanoparticle and the solvent, and the metal oxide nanoparticles dissolved and existing in a solution state are applied to the positive electrode current collector After dripping in a predetermined amount, set the number of rotations per minute and rotation time to coat the cathode material current collector with an appropriate thickness using a solution process technology such as a spin coater, which controls the thickness of the thin film, and then dry it under conditions where the solvent volatilizes. It is characterized by forming metal oxide nanoparticles.
본 발명에 따른 나노입자를 구비한 리튬이온 전지에 따라, 전자이동의 활성화가 이루어져 양극 슬러리의 활물질에서 전자의 이동을 원활하게 하여 전류 효율을 증가시키는 효과가 있다.According to the lithium ion battery equipped with nanoparticles according to the present invention, the activation of electron transfer is made to facilitate the movement of electrons in the active material of the positive electrode slurry, thereby increasing the current efficiency.
도 1은 통상적인 리튬이온전지의 구조를 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 양극재의 구조를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 양극재 구조의 특성을 설명하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 양극재 구조의 에너지레벨 특성을 설명하는 도면.1 is a view schematically showing the structure of a conventional lithium ion battery.
2 is a view showing the structure of a cathode material according to the present invention.
3 is a view explaining the characteristics of the cathode material structure according to the present invention.
4 is a diagram explaining energy level characteristics of a cathode material structure according to the present invention.
이하에서는, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.Prior to the description of the present invention, the following specific structural or functional descriptions are only exemplified for the purpose of explaining embodiments according to the concept of the present invention, and embodiments according to the concept of the present invention may be implemented in various forms, , should not be construed as being limited to the embodiments described herein.
또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, .이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In addition, since embodiments according to the concept of the present invention can be made with various changes and can have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail herein. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to a specific form disclosed, and should be understood to include all modifications, equivalents or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
본 발명은, 양극 집전체 위에 금속 산화물 나노입자를 코팅 공정으로 분산 도포하여 다수의 금속 산화물 나노 입자 알갱이가 양극 집전체 상에 분산되어 배치시키고, 나노 입자가 도포된 양극 집전체 위에 슬러리를 균일하게 도포한 양극 표면에 나노 입자를 도포함으로써, 집전체 위의 나노입자에 의해 양극 집전체의 일함수를 제어할 수 있고, 또한, 나노 입자에 의해 등전위면이 왜곡되어, 나노입자 곡률반경에 따른 전하 밀도와 표면 전기전도도를 제어함으로써, 전류효율을 증가시킴으로써 이차전지의 성능을 향상시키는 나노 입자를 구비한 리튬 이온 전지의 전극에 관한 것이다.In the present invention, the metal oxide nanoparticles are dispersed and applied on the cathode current collector through a coating process so that a plurality of metal oxide nanoparticles are dispersed and placed on the cathode current collector, and the slurry is uniformly applied on the cathode current collector coated with the nanoparticles By applying nanoparticles to the surface of the coated anode, the work function of the cathode current collector can be controlled by the nanoparticles on the current collector, and the isoelectric surface is distorted by the nanoparticles, so that the electric charge according to the radius of curvature of the nanoparticles It relates to a lithium ion battery electrode having nanoparticles that improves the performance of a secondary battery by increasing current efficiency by controlling density and surface conductivity.
도 1은 리튬 이온전지의 구조와, 본 발명에 따른 양극재의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing the structure of a lithium ion battery and the structure of a cathode material according to the present invention.
도 1에 도시되어 있듯이, 본 발명에 따른 나노 입자를 구비한 리튬 이온 전지용 양극재를 사용하는 리튬 이온전지는 하부케이스(10)와, 기준 음극용 전극(20)과, 분리막(30)과, 가스킷(40)과, 기준 양극용 전극(50)과, 스페이서 디스크(60), 스프링(70)과, 상부케이스(80)를 포함하여 이루어진다.As shown in FIG. 1, a lithium ion battery using a positive electrode material for a lithium ion battery having nanoparticles according to the present invention includes a
상기 기준 음극용 전극(20)은 통상적으로 리튬금속으로 이루어진다. 또한, 상기 스프링(70)은 전지에 적정압력을 이용하여 고정한다. 상기 가스킷(40)은 전해액 누액을 방지하고 측벽들 사이의 틈을 완전히 밀폐될 수 있도록 한다.The
상기 분리막(30)은 PE(Polyethylene), PP/PE/PP(Polypropylene)와 같이 절연특성을 가진 재료로 리튬 전지에서 양극과 음극을 분리하여 전하가 직접적으로 흐르지 않게 하는 역할을 하며 내부 미세기공을 통하여 이온의 이동은 가능케 하는 재료로 형성된다.The
여기서, 전지 내부에는 전해액을 포함하며 리튬이온이 이동할 수 있는 매질 역할을 수행하며 염과 용매 및 첨가제를 기반으로 하여 전극재료에 따라 조성을 최적화하여 사용할 수 있다.Here, an electrolyte solution is included inside the battery and serves as a medium for lithium ions to move, and the composition can be optimized according to the electrode material based on salts, solvents, and additives.
이상에서 통상적인 리튬이온전지의 구성과 그 기능을 살펴보았으며, 본 발명의 특징적인 구성을 가지는 기준 양극용 전극(50)의 구성을 대해 상세히 기술한다.The structure and function of a conventional lithium ion battery have been reviewed above, and the structure of the
도 2는 기준 양극용 전극(50)의 구성을 도시한 도면으로서, 본 발명에 따른 기준 양극용 전극(50)은 양극재 슬러리층(51)과 양극재 집전체(52)와, 양극재 집전체의 표면 상에 배치되는 금속산화물 나노입자 분산층(53)으로 구성된다.2 is a diagram showing the configuration of an
상기 기준 양극용 전극(50)은 양극재 집전체 위에 금속산화물 나노입자를 코팅공정으로 분산하여 도포하고, 금속산화물 나노입자가 도포된 양극재 집전체 위에 양극재 슬러리를 균일하게 도포하여 제작된다. 이에 따라 금속산화물 나노입자에 의해 등전위면이 왜곡되어, 금속산화물 나노입자 곡률반경에 따른 전하밀도와 전기전도도를 제어하여 전류효율을 증가시킴으로써 전지의 성능을 향상시키게 된다.The
상기 양극재 슬러리층(51)은 양극재 활물질을 비롯하여 도전재 및 바인더를 포함하고, 또한 양극재 활물질은 용량과 출력 및 안정성이 있는 리튬 변이금속산화물을 사용하는 것이 바람직하다.The cathode
또한 양극재 슬러리층은 활물질을 기반으로 활물질 객체의 흩어짐을 방지하는 바인더와 바인더의 절연특성을 개선하는 도전재를 포함하며 혼합을 위해 안정성이 높고 바인더를 교반할 수 있는 용매와 각 재료의 조성을 최적화하여 사용하는 것이 바람직하다.In addition, the cathode material slurry layer contains a binder that prevents dispersal of active material objects and a conductive material that improves the insulating properties of the binder based on the active material, and optimizes the composition of each material and a solvent that has high stability for mixing and can agitate the binder. It is preferable to use
상기 금속산화물 나노입자 분산층(53)은 양극재 집전체에 적용할 때 기존 양극재 집전체의 일함수를 변경시킬 수 있으며, 또한, 상기 금속산화물 나노입자 분산층은, 양극재 집전체에 나노입자를 코팅 공정을 이용하여 분산 도포시켜 다수의 금속산화물 나노입자가 양극재 집전체 상에 분산되어 배치시켜 구상된다.The metal oxide
상기 양극재 집전체층은 우수한 열 안정성 및 전기전도도를 가진 재료로 구성되는 것이 바람직하고, 통상적으로 알루미늄 금속으로 구성된다.The positive electrode current collector layer is preferably made of a material having excellent thermal stability and electrical conductivity, and is typically made of aluminum metal.
상기 양극재 집전체층에 분산되어 배치되는 금속산화물 나노입자 분산층(53)의 금속산화물 나노입자는 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 삼산화 텅스텐(WO3-x) 혹은 이들의 혼합물 중 선택된 하나를 사용한다.The metal oxide nanoparticles of the metal oxide
상기 금속산화물 나노입자 분산층(53)에 상기 금속산화물 나노입자를 배치하는 방법을 설명하면 다음과 같다, 상기 방법은 상기 금속산화물 나노입자들을 용매에 분산시킨 다음, 반도체 공정에서 사용하는 스핀코팅방법 등의 용액공정을 사용한다.A method of disposing the metal oxide nanoparticles in the metal oxide
먼저 금속산화물 나노입자를 용매에 용해한다. 이때 금속산화물 나노입자별로 사용하는 용매는 상이하다. 삼산화 텅스텐의 경우에는 이소프로필 알콜(Isopropyl alcohol)을 용매로 사용하고, 산화아연인 경우 에탄올(Ethanol)을 용매로 사용하고, 산화주식의 경우에는 부탄올(Butanol)을 용매로 사용한다.First, metal oxide nanoparticles are dissolved in a solvent. At this time, the solvent used for each metal oxide nanoparticle is different. In the case of tungsten trioxide, isopropyl alcohol is used as a solvent, in the case of zinc oxide, ethanol is used as a solvent, and in the case of stock oxide, butanol is used as a solvent.
용매에 금속산화물 나노입자를 용해한 용해액은 4~10 cps의 점도에서 조건에 따라 용매로 희석하여 묽은 점도를 가지도록, 금속산화물 나노입자와 용매를 0.0005 g/ml ~0.0010 g/ml의 중량비로 혼합한다. 점도와 혼합비를 이에 국한되지 않고 필요에 따라 달리할 수 있다.The solution in which the metal oxide nanoparticles are dissolved in the solvent is diluted with the solvent according to conditions at a viscosity of 4 to 10 cps to have a dilute viscosity, and the metal oxide nanoparticles and the solvent are mixed at a weight ratio of 0.0005 g/ml to 0.0010 g/ml Mix. The viscosity and mixing ratio are not limited thereto and may be varied as needed.
이와 같은 제조된 용해액을 양극재 집전체 상에 소정량으로 적하한 후, 스핀코터에서 분당회전수와 회전시간을 설정한 후 회전시킨다. 그러면, 용해액이 양극재 집전체 상에 평탄하게 도포되게 된다. 그런 다음, 용매를 휘발시켜, 금속산화물 나노입자만을 양극재 집전체 상에 남기기 위해, 용해액이 도포된 양극재 집전체를 건조기에 넣고 소정 시간 동안 건조시키게 된다. 이때, 용매별로 건조 온도와 시간은 용매에 증발정도에 따라 상이하다. After dropping the prepared solution in a predetermined amount onto the positive electrode current collector, the spin coater rotates after setting the number of revolutions per minute and the rotation time. Then, the solution is evenly applied on the cathode material current collector. Then, in order to volatilize the solvent and leave only the metal oxide nanoparticles on the cathode material current collector, the cathode material current collector coated with the solution is placed in a dryer and dried for a predetermined time. At this time, the drying temperature and time for each solvent are different according to the degree of evaporation of the solvent.
상기와 같은 건조를 진행한 후에, 양극재 집전체 상에 도포되는 금속산화물 나노입자의 두께는 30 내지 50 nm정도가 된다.After drying as described above, the thickness of the metal oxide nanoparticles applied on the positive electrode current collector is about 30 to 50 nm.
한편, 점도를 조절하거나, 스핀코터의 회전속도를 조절함으로써 최종 금속산화물 나노입자의 두께를 변경시킬 수 있다. 이는 사용자의 상황에 따라 점도를 조절하고, 아니면 스핀코터의 회전속도를 조절하여 이룰 수 있다.Meanwhile, the thickness of the final metal oxide nanoparticles may be changed by adjusting the viscosity or the rotational speed of the spin coater. This can be achieved by adjusting the viscosity according to the user's situation, or by adjusting the rotational speed of the spin coater.
도 3은, 상기와 같이 양극재 집전체 상에 금속산화물 나노입자가 없는 종래 양극용 전극(50)과(a), 본 발명에 따라 금속산화물 나노입자가 있는 양극용 전극의 전기적 특성변화를 개략적으로 도시한(b) 도면이고, 도 4는 에너지레벨의 변화를 개략적으로 보여주는 도면이다.FIG. 3 schematically shows changes in electrical characteristics of a
도 3에서 알 수 있듯이, 종래의 양극용 전극에서 양극재 집전체와 양극재 슬러리는 수직방향으로만 전류를 흘리지만, 본 발명의 따른 양극용 전극에서는 양극재 집전체 상의, 금속산화물 나노입자를 통해 거의 180도 방향으로 등전위면이 왜곡되어 전류를 흘리게 되어 전기적 흐름이 향상됨을 알 수 있다. 이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 양극용 전극보다 본 발명에 따른 양극용 전극이 더 큰 에너지레벨을 가지게 되어 궁극적으로 에너지효율이 향상되게 된다.As can be seen in FIG. 3, in the conventional cathode electrode, the cathode material current collector and the cathode material slurry flow only in the vertical direction, but in the cathode electrode according to the present invention, the metal oxide nanoparticles on the cathode material current collector Through this, it can be seen that the equipotential surface is distorted in the direction of almost 180 degrees, so that the current flows, and the electrical flow is improved. Accordingly, as shown in FIG. 4, the anode electrode according to the present invention has a higher energy level than the conventional anode electrode, so that energy efficiency is ultimately improved.
표 1은 종래의 양극재 전극과 본 발명의 따른 금속산화물 나노입자별 half cell 특성을 평가한 것이다.Table 1 evaluates the half cell characteristics of the conventional cathode material electrode and the metal oxide nanoparticles according to the present invention.
표 1에서 알 수 있듯이, g당 용량과, 전류효율과, 에너지효율과, 전압효율에 있어서, 나노입자를 채용한 본 발명의 양극재 전극이 종래 양극재 전극보다 향상됨을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 나노입자들 중에서 삼산화 텅스텐이 그 효율이 뛰어남을 알 수 있다.As can be seen from Table 1, it can be seen that the cathode material electrode of the present invention employing nanoparticles is improved over the conventional cathode material electrode in terms of capacity per gram, current efficiency, energy efficiency, and voltage efficiency. In addition, it can be seen that among the nanoparticles according to the present invention, tungsten trioxide has excellent efficiency.
아래 표 2는 나노입자에 따른 일함수 특성을 나타낸 것이다.Table 2 below shows work function characteristics according to nanoparticles.
표 2에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 나노입자를 적용한 양극재 전극이 나노입자를 채용하지 않는 종래 양극재 전극보다 훨씬 더 뛰어남을 알 수 있다.As can be seen from Table 2, it can be seen that the cathode material electrode to which nanoparticles are applied according to the present invention is far superior to the conventional cathode material electrode which does not employ nanoparticles.
상기한 설명에 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나 이것은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서 발명은 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위에 균등한 것에 의하여 정하여져야 한다.Although many details are specifically described in the above description, this should be interpreted as an example of a preferred embodiment rather than limiting the scope of the invention. Therefore, the invention should not be defined according to the described examples, but should be defined according to the scope of the claims and the scope of the claims.
Claims (9)
상기 양극재 집전체는 알루미늄으로 구성되고, 상기 금속산화물 나노입자는 상기 양극재 집전체보다 큰 일함수를 가지는 것을 특징으로 하는, 나노 입자를 구비한 리튬 이온 전지용 양극재 구조.According to claim 1,
The cathode material structure for a lithium ion battery having nanoparticles, characterized in that the cathode material current collector is composed of aluminum, and the metal oxide nanoparticles have a larger work function than the cathode material current collector.
상기 금속산화물 나노입자는 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 삼산화 텅스텐(WO3-x) 중 선택된 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는, 나노 입자를 구비한 리튬 이온 전지용 양극재 구조.According to claim 2,
The metal oxide nanoparticles are characterized by using one selected from zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), and tungsten trioxide (WO 3-x ).
알루미늄으로 구성되는 상기 양극용 집전체 상에 금속산화물 나노입자를 포함하는 용해액을 스핀코터를 사용하여 도포하는 단계와;
상기 용해액이 도포된 양극용 집전체를 건조기에서 건조시키는 단계와;
상기 나노입자가 도포된 집전체 상에 양극재 슬러리를 도포하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는, 나노 입자를 구비한 리튬 이온 전지용 양극재 구조의 제조방법.In a lithium ion battery having nanoparticles of a lithium ion battery composed of a lower case, a reference negative electrode, a separator, a gasket, a reference positive electrode, a spacer disk, a spring, and an upper case, the reference positive electrode In the method for manufacturing a cathode material structure in which the electrode is composed of a current collector for a cathode, a cathode material slurry, and metal oxide nanoparticles applied on the current collector,
coating a solution containing metal oxide nanoparticles on the positive electrode current collector made of aluminum using a spin coater;
drying the positive electrode current collector coated with the solution in a dryer;
A method of manufacturing a cathode material structure for a lithium ion battery having nanoparticles, characterized in that it consists of applying a cathode material slurry on the current collector coated with the nanoparticles.
상기 금속산화물 나노입자는 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 삼산화 텅스텐(WO3-x) 중 선택된 하나 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는, 나노 입자를 구비한 리튬 이온 전지용 양극재 구조의 제조방법.According to claim 4,
The metal oxide nanoparticles are zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), tungsten trioxide (WO 3-x ) Characterized in that one or a mixture thereof is used, for a lithium ion battery having nanoparticles Manufacturing method of cathode material structure.
상기 금속산화물 나노입자는 삼산화 텅스텐이고, 사용하는 용매는 이소프로필 알콜이며, 용매가 증발하는 일정온도와 시간으로 건조시키는 것을 특징으로 하는, 나노입자를 구비한 리튬 이온 전지용 양극재 구조의 제조방법.According to claim 5,
The metal oxide nanoparticles are tungsten trioxide, the solvent used is isopropyl alcohol, and dried at a constant temperature and time for evaporation of the solvent.
상기 금속산화물 나노입자는 산화아연이고, 사용하는 용매는 에탄올이며, 용매가 증발하는 일정온도와 시간으로 건조시키는 것을 특징으로 하는, 나노입자를 구비한 리튬 이온 전지용 양극재 구조의 제조방법.According to claim 5,
The metal oxide nanoparticles are zinc oxide, the solvent used is ethanol, and drying is performed at a constant temperature and time at which the solvent evaporates.
상기 금속산화물 나노입자는 산화주석이고, 사용하는 용매는 부탄올이며, 용매가 증발하는 일정온도와 시간으로 건조시키는 것을 특징으로 하는, 나노입자를 구비한 리튬 이온 전지용 양극재 구조의 제조방법.According to claim 5,
The metal oxide nanoparticles are tin oxide, the solvent used is butanol, and drying at a constant temperature and time for evaporation of the solvent.
상기 스핀코터를 이용하는 분당 회전수와 회전시간을 설정하여 코팅하는 것을 특징으로 하는, 나노입자를 구비한 리튬 이온 전지용 양극재 구조의 제조방법.
According to any one of claims 6 to 8,
A method of manufacturing a cathode material structure for a lithium ion battery having nanoparticles, characterized in that the coating is performed by setting the number of rotations per minute and the rotation time using the spin coater.
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