KR20230041565A - Cellulose derivative composition for all-solid-state secondary battery binder - Google Patents

Cellulose derivative composition for all-solid-state secondary battery binder Download PDF

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이영기
최재철
강석훈
김주영
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Abstract

The present invention relates to a cellulose derivative composition for an all-solid-state secondary battery binder. The cellulose derivative composition for an all-solid-state secondary battery binder of the present invention includes a compound represented by chemical formula 1. The present invention can maintain high solubility in an aqueous phase. Therefore, the present invention can reduce the formation of microgel, thereby improving the electrical characteristics of an all-solid-state secondary battery.

Description

전고체 이차전지 바인더용 셀룰로오스 유도체 조성물 {Cellulose derivative composition for all-solid-state secondary battery binder}Cellulose derivative composition for all-solid-state secondary battery binder {Cellulose derivative composition for all-solid-state secondary battery binder}

본 발명은 전고체 이차전지 바인더용 셀룰로오스 유도체 조성물에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 금속 이온이 다중 치환된 셀룰로오스 유도체 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a cellulose derivative composition for an all-solid secondary battery binder, and more particularly, to a cellulose derivative composition in which metal ions are substituted in multiples.

리튬 이차전지는 에너지밀도가 다른 전지와 비교하여 높고 소형 경량화가 가능하기 때문에, 휴대용 전자기기 등의 전원으로서 활용 가능성이 높다. 커패시터(capacitor), 연료전지(fuel cell) 등의 타 에너지 저장 비해 높은 저장 용량, 우수한 충방전 특성과 높은 가공성 등을 보이고 있어, 웨어러블 소자(wearable device), 전기차 및 에너지 저장 시스템 (ESS: energy storage system) 등의 차세대 에너지 저장 소자로서 큰 주목을 받고 있다. Since the lithium secondary battery has a high energy density compared to other batteries and can be reduced in size and weight, it is highly likely to be used as a power source for portable electronic devices and the like. Compared to other energy storage devices such as capacitors and fuel cells, it exhibits high storage capacity, excellent charging and discharging characteristics, and high processability, making it suitable for use in wearable devices, electric vehicles, and energy storage systems (ESS: energy storage). system) is receiving great attention as a next-generation energy storage device.

리튬 이차전지는 양극, 음극, 및 전해질을 포함할 수 있다. 일반적으로, 액체 전해질로 리튬염(LiPF6)이 녹아 있는 카보네이트(Carbonate)계 용매가 널리 사용되고 있다. 액체 전해질은 리튬 이온의 이동도가 높아 우수한 전기화학적 특성을 나타내나, 높은 가연성, 휘발성, 및 누액으로 폭발로 인한 안전성에 문제가 있다.A lithium secondary battery may include a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte. In general, as a liquid electrolyte, a carbonate-based solvent in which lithium salt (LiPF 6 ) is dissolved is widely used. Liquid electrolytes exhibit excellent electrochemical properties due to high mobility of lithium ions, but have safety problems due to explosion due to high flammability, volatility, and leakage.

이에, 액체전해질 대신 고체 전해질을 이용한 전고체 이차전지(All-Solid-State Secondary Battery)에 대한 연구가 진행되고 있다. 전고체 이차전지는 안정성 및 기계적 강도를 확보할 수 있으므로, 전기자동차, 에너지 저장 시스템, 웨어러블 디바이스 등 고안전성이 요구되는 각종 응용 시스템에서 주목을 받고 있다.Accordingly, research on an all-solid-state secondary battery using a solid electrolyte instead of a liquid electrolyte is being conducted. Since all-solid-state secondary batteries can secure stability and mechanical strength, they are attracting attention in various application systems requiring high safety, such as electric vehicles, energy storage systems, and wearable devices.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수용액 상에서의 용해도와 리튬 이온의 전도 특성이 향상된 바인더를 제공하는 데 있다.An object to be solved by the present invention is to provide a binder having improved solubility in an aqueous solution and conductivity of lithium ions.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 개념에 따른 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전고체 이차전지 바인더용 셀룰로오스 유도체 조성물을 포함할 수 있다.A cellulose derivative composition for an all-solid secondary battery binder including a compound represented by Formula 1 according to the concept of the present invention may be included.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 화학식 1에서, R1, R1’, R2, R2’, R3, R3’는 서로 독립적으로 1가 금속이 치환된 카르복시메틸기, 황 치환기, 인 치환기 또는 수소 중 어느 하나이되,In Formula 1, R 1 , R 1 ', R 2 , R 2 ', R 3 , R 3 'are independently any one of a carboxymethyl group substituted with a monovalent metal, a sulfur substituent, a phosphorus substituent, or hydrogen,

R1, R2, R3에 해당하는 카르복시메틸기는 -CH2COOX로서, X는 소듐(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 또는 세슘(Cs) 중 어느 하나일 수 있다. R1’, R2’, R3’에 해당하는 카르복시메틸기는 -CH2COOY로서, Y는 리튬(Li)일 수 있다.A carboxymethyl group corresponding to R 1 , R 2 , and R 3 is -CH 2 COOX, and X may be sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), or cesium (Cs). A carboxymethyl group corresponding to R 1 ', R 2 ', and R 3 ' is -CH 2 COOY, and Y may be lithium (Li).

R1, R2, R3에 해당하는 황 치환기는 -SO3X로서, X는 소듐(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 중 세슘(Cs) 중 어느 하나일 수 있다. R1’, R2’, R3’에 해당하는 황 치환기는 -SO3Y로서, Y는 리튬(Li)일 수 있다.Sulfur substituents corresponding to R 1 , R 2 , and R 3 are —SO 3 X, and X may be any one of sodium (Na), potassium (K), and cesium (Cs) among rubidium (Rb). A sulfur substituent corresponding to R 1 ', R 2 ', and R 3 ' is -SO 3 Y, and Y may be lithium (Li).

R1, R2, R3에 해당하는 인 치환기는 -PO3X 또는 -PO3X2 로서, X는 소듐(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 중 세슘(Cs) 중 어느 하나일 수 있다. R1’, R2’, R3’에 해당하는 인 치환기는 -PO3Y 또는 -PO3Y2로서, Y는 리튬(Li)일 수 있다.The phosphorus substituent corresponding to R 1 , R 2 , R 3 is -PO 3 X or -PO 3 X 2 , where X is any one of sodium (Na), potassium (K), and cesium (Cs) among rubidium (Rb). can be A phosphorus substituent corresponding to R 1 ', R 2 ', and R 3 ' is -PO 3 Y or -PO 3 Y 2 , where Y may be lithium (Li).

본 발명에 따르면 1가 금속 이온들이 셀룰로오스 유도체 조성물 내에 치환됨으로써 셀룰로오스 고분자 사이의 인력으로 인한 소수성 특성을 억제하여 수용액 상에서 높은 용해도를 유지할 수 있다. 결과적으로, 마이크로겔의 형성을 감소시킬 수 있어 전고체 이차전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, since monovalent metal ions are substituted into the cellulose derivative composition, hydrophobic properties due to attraction between cellulose polymers can be suppressed and high solubility in an aqueous solution can be maintained. As a result, it is possible to reduce the formation of microgel and improve the electrical characteristics of the all-solid-state secondary battery.

또한, 본 발명에 따르면 셀룰로오스 유도체 조성물은 리튬 이온이 치환된 치환기를 포함할 수 있다. 이에 따라, 리튬 이온 전도 특성이 향상되어, 전극 내에 전해질 성분이 배제된 경우에도 바인더를 통한 리튬 이온 전달 경로가 제공되어 이차전지 내부의 계면 저항을 낮추고 빠른 리튬 이온 수송이 가능할 수 있다. 결과적으로, 전고체 이차전지의 전기적 특성이 향상될 수 있다. Also, according to the present invention, the cellulose derivative composition may include a substituent in which lithium ion is substituted. Accordingly, lithium ion conduction characteristics are improved, and even when an electrolyte component is excluded from the electrode, a lithium ion transfer path is provided through the binder, thereby lowering interfacial resistance inside the secondary battery and enabling rapid lithium ion transport. As a result, electrical characteristics of the all-solid-state secondary battery can be improved.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전고체 이차전지 바인더용 셀룰로오스 유도체 조성물을 포함하는 전고체 이차전지를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전고체 이차전지의 음극을 제조하는 방법을 설명한 흐름도이다.
도 3은 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에서의 바인더 용액의 마이크로겔 수를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예 4 내지 실시예 6 및 비교예 2에서의 음극의 충방전 용량을 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예 7 내지 실시예 9 및 비교예 3에서의 음극의 수명 특성을 나타내는 그래프이다.
1 is a cross-sectional view showing an all-solid-state secondary battery including a cellulose derivative composition for an all-solid-state secondary battery binder according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a negative electrode of an all-solid-state secondary battery according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the number of microgels in binder solutions in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
4 is a graph showing charge and discharge capacities of negative electrodes in Examples 4 to 6 and Comparative Example 2.
5 is a graph showing life characteristics of negative electrodes in Examples 7 to 9 and Comparative Example 3.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only the present embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and the common knowledge in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the holder of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numbers designate like elements throughout the specification.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. Terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. As used herein, 'comprises' and/or 'comprising' means that a stated component, step, operation, and/or element is the presence of one or more other components, steps, operations, and/or elements. or do not rule out additions.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.In addition, the embodiments described in this specification will be described with reference to cross-sectional views and/or plan views, which are ideal exemplary views of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content. Accordingly, the shape of the illustrative drawings may be modified due to manufacturing techniques and/or tolerances. Therefore, embodiments of the present invention are not limited to the specific shapes shown, but also include changes in shapes generated according to manufacturing processes. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have schematic properties, and the shapes of the regions illustrated in the drawings are intended to illustrate a specific shape of a region of a device and are not intended to limit the scope of the invention.

본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.Terms used in the embodiments of the present invention may be interpreted as meanings commonly known to those skilled in the art unless otherwise defined.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전고체 이차전지 바인더용 셀룰로오스 유도체 조성물을 포함하는 전고체 이차전지를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing an all-solid-state secondary battery including a cellulose derivative composition for an all-solid-state secondary battery binder according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전고체 이차전지(10)는 양극(100), 음극(200) 및 고체 전해질층(300)을 포함할 수 있다. 양극(100) 및 음극(200)은 고체 전해질층(300)을 사이에 두고, 서로 대향하여 배치될 수 있다.Referring to FIG. 1 , an all-solid-state secondary battery 10 according to an embodiment of the present invention may include a positive electrode 100, a negative electrode 200, and a solid electrolyte layer 300. The positive electrode 100 and the negative electrode 200 may be disposed to face each other with the solid electrolyte layer 300 interposed therebetween.

전고체 이차전지(10)는 일 예로, 리튬 이차전지일 수 있다. 양극(100)은 양극 활물질을 포함할 수 있다. 양극 활물질은 황, LiCoO2, LiNiO2, LiNixCoyMnzO2 (x+y+z=1), LiMn2O4, 및 LiFePO4 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The all-solid-state secondary battery 10 may be, for example, a lithium secondary battery. The cathode 100 may include a cathode active material. The cathode active material may include at least one of sulfur, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi x Co y Mn z O 2 (x+y+z=1), LiMn 2 O 4 , and LiFePO 4 .

양극(100)은 도전재를 더 포함할 수 있다. 도전재는 양극(100)의 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 도전재는 도전성 무정형 카본, 카본 나노튜브, 및 그래핀 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The positive electrode 100 may further include a conductive material. The conductive material may improve electrical conductivity of the positive electrode 100 . For example, the conductive material may include at least one of conductive amorphous carbon, carbon nanotubes, and graphene.

음극(200)은 음극 활물질을 포함할 수 있다. 음극 활물질은 흑연, 하드카본, 소프트카본, 탄소나노튜브, 그래핀, 산화환원그래핀, 카본섬유, 비정질탄소, 실리콘-탄소 복합체 (SiC), 탄소와 같은 전자 전도성층이 코팅된 고용량 음극소재(실리콘 또는 실리콘옥사이드(SiOX), 주석(Si), 코발트옥사이드(CoOX), 산화철(FeOX)) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The anode 200 may include an anode active material. The anode active material is a high-capacity anode material coated with an electronic conductive layer such as graphite, hard carbon, soft carbon, carbon nanotube, graphene, redox graphene, carbon fiber, amorphous carbon, silicon-carbon composite (SiC), or carbon ( At least one of silicon or silicon oxide (SiO X ), tin (Si), cobalt oxide (CoO X ), and iron oxide (FeO X )) may be included.

양극(100) 및 음극(200)은 전해질을 포함하지 않을 수 있다. 일반적으로, 전고체 이차전지(10)의 양극(100) 및 음극(200)에는 전해질이 첨가될 수 있다. 후술할 본 발명의 일 실시예에 따른 셀룰로오스 유도체 조성물이 혼합 바인더 조성물에 포함됨으로써 양극(100) 및 음극(200)에 전해질이 첨가되지 않아 전극 내 이온 전달 경로가 확보되지 않는 경우에도, 바인더를 통한 추가적인 리튬 이온 전달 경로가 제공되어 이차전지 내부의 계면 저항을 낮추고 빠른 리튬 이온 수송이 가능할 수 있다. The positive electrode 100 and the negative electrode 200 may not include an electrolyte. In general, an electrolyte may be added to the positive electrode 100 and the negative electrode 200 of the all-solid secondary battery 10 . Even when the electrolyte is not added to the positive electrode 100 and the negative electrode 200 by including the cellulose derivative composition according to an embodiment of the present invention according to an embodiment of the present invention described later is not secured, the binder through the binder An additional lithium ion transport path may be provided to lower interfacial resistance inside the secondary battery and enable fast lithium ion transport.

음극(200)은 혼합 바인더 조성물을 더 포함할 수 있다. 혼합 바인더 조성물은 셀룰로오스 유도체 조성물 및 스티렌부타디엔고무(Styrene-Butadiene Rubber, SBR) 에멀전을 포함할 수 있다. 이에 따라, 혼합 바인더 조성물은 혼합 수계 바인더일 수 있다. The negative electrode 200 may further include a mixed binder composition. The mixed binder composition may include a cellulose derivative composition and a styrene-butadiene rubber (SBR) emulsion. Accordingly, the mixed binder composition may be a mixed aqueous binder.

셀룰로오스 유도체 조성물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.The cellulose derivative composition may include a compound represented by Formula 1 below.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 화합물에서 고분자 구조 내 존재하는 R1, R1’, R2, R2’, R3, R3’는 반복 단위의 기능기로서, 서로 독립적으로 제1 1가 금속(X) 또는 제2 1가 금속(Y)이 치환된 카르복시메틸기, 황 치환기, 인 치환기 또는 수소 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다. In the compound, R 1 , R 1 ', R 2 , R 2 ', R 3 , and R 3 ', which are present in the polymer structure, are functional groups of repeating units, and are independently of the first monovalent metal (X) or second metal (X). The monovalent metal (Y) may have a structure of any one of a substituted carboxymethyl group, a sulfur substituent, a phosphorus substituent, or hydrogen.

R1, R2, R3에 해당하는 카르복시메틸기는 -CH2COOX로서, X는 소듐(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 또는 세슘(Cs) 중 어느 하나일 수 있다. R1’, R2’, R3’에 해당하는 카르복시메틸기는 -CH2COOY로서, Y는 리튬(Li)일 수 있다. A carboxymethyl group corresponding to R 1 , R 2 , and R 3 is -CH 2 COOX, and X may be sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), or cesium (Cs). A carboxymethyl group corresponding to R 1 ', R 2 ', and R 3 ' is -CH 2 COOY, and Y may be lithium (Li).

R1, R2, R3에 해당하는 황 치환기는 -SO3X로서, X는 소듐(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 중 세슘(Cs) 중 어느 하나일 수 있다. R1’, R2’, R3’에 해당하는 황 치환기는 -SO3Y로서, Y는 리튬(Li)일 수 있다.Sulfur substituents corresponding to R 1 , R 2 , and R 3 are —SO 3 X, and X may be any one of sodium (Na), potassium (K), and cesium (Cs) among rubidium (Rb). A sulfur substituent corresponding to R 1 ', R 2 ', and R 3 ' is -SO 3 Y, and Y may be lithium (Li).

R1, R2, R3에 해당하는 인 치환기는 -PO3X 또는 -PO3X2 로서, X는 소듐(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 중 세슘(Cs) 중 어느 하나일 수 있다. R1’, R2’, R3’에 해당하는 인 치환기는 -PO3Y 또는 -PO3Y2로서, Y는 리튬(Li)일 수 있다.The phosphorus substituent corresponding to R 1 , R 2 , R 3 is -PO 3 X or -PO 3 X 2 , where X is any one of sodium (Na), potassium (K), and cesium (Cs) among rubidium (Rb). can be A phosphorus substituent corresponding to R 1 ', R 2 ', and R 3 ' is -PO 3 Y or -PO 3 Y 2 , where Y may be lithium (Li).

R1, R2, R3에 해당하는 기능기는 제1 1가 금속을 포함할 수 있고, R1’, R2’, R3’에 해당하는 기능기는 제2 1가 금속을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 1가 금속은 소듐(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 중 세슘(Cs) 중 어느 하나이고, 제2 1가 금속은 리튬(Li)일 수 있다. 제1 1가 금속과 제2 1가 금속은 각각 알칼리 금속일 수 있다. 즉, 상기 셀룰로오스 유도체 조성물은 알칼리 금속 이온이 다중으로 치환된 조성물일 수 있다.Functional groups corresponding to R 1 , R 2 , and R 3 may include a first monovalent metal, and functional groups corresponding to R 1 ', R 2 ', and R 3 ' may include a second monovalent metal. . Here, the first monovalent metal may be any one of sodium (Na), potassium (K), and cesium (Cs) among rubidium (Rb), and the second monovalent metal may be lithium (Li). Each of the first monovalent metal and the second monovalent metal may be an alkali metal. That is, the cellulose derivative composition may be a composition in which alkali metal ions are substituted in multiple numbers.

종래의 바인더 조성물에서는 셀룰로오스 고분자의 강한 소수성 특성으로 인하여 수용액상에 충분히 용해되지 않고 응집한 마이크로겔이 다수 형성될 수 있다. 이러한 마이크로겔이 전극 슬러리 제조 시 여전히 남아있게 되면, 코팅 시 전극판 상에 긁힌 자국이 형성되거나, 마이크로겔 응집 부분에서 전극의 두께가 부분적으로 두꺼워져 단락이나 누설전류가 발생할 가능성이 높아지게 된다. 즉, 전고체 이차전지의 전기적 특성이 저하될 수 있다.In the conventional binder composition, due to the strong hydrophobicity of the cellulose polymer, a large number of aggregated microgels may be formed without being sufficiently dissolved in the aqueous solution. If these microgels still remain during the preparation of the electrode slurry, scratches are formed on the electrode plate during coating, or the thickness of the electrode is partially thickened in the microgel aggregation portion, thereby increasing the possibility of short circuit or leakage current. That is, electrical characteristics of the all-solid-state secondary battery may be deteriorated.

본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 1가 금속 이온들이 셀룰로오스 유도체 조성물 내에 치환됨으로써 셀룰로오스 고분자 사이의 강한 소수성 특성을 억제하여 수용액 상에서 높은 용해도를 유지할 수 있다. 결과적으로, 마이크로겔의 형성을 감소시킬 수 있어 상기 언급한 문제점들을 해결할 수 있다.According to embodiments of the present invention, by substituting the monovalent metal ions in the cellulose derivative composition, it is possible to maintain high solubility in an aqueous solution by suppressing strong hydrophobic properties between cellulose polymers. As a result, it is possible to reduce the formation of microgels, thereby solving the above-mentioned problems.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 셀룰로오스 유도체 조성물은 리튬 이온이 치환된 치환기를 포함할 수 있다. 이에 따라, 리튬 이온 전도 특성이 향상되어, 전극 내에 전해질 성분이 배제된 경우에도 바인더를 통한 리튬 이온 전달 경로가 제공되어 이차전지 내부의 계면 저항을 낮추고 빠른 리튬 이온 수송이 가능할 수 있다. 결과적으로, 전고체 이차전지 전극의 전기화학적 성능이 향상될 수 있다. In addition, the cellulose derivative composition according to embodiments of the present invention may include a substituent in which lithium ions are substituted. Accordingly, lithium ion conduction characteristics are improved, and even when an electrolyte component is excluded from the electrode, a lithium ion transfer path is provided through the binder, thereby lowering interfacial resistance inside the secondary battery and enabling rapid lithium ion transport. As a result, the electrochemical performance of the all-solid secondary battery electrode can be improved.

셀룰로오스 유도체 조성물은 셀룰로오스(cellulose), 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose), 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose), 부틸 셀룰로오스(butyl cellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose), 셀룰로오스 나이트레이트(cellulose nitrate), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate), 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트(cellulose acetate butyrate), 또는 카르복시메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose), Xanthan Gum, Pectin, Guar Gum, Dextran 중 적어도 어느 하나의 유도체를 포함할 수 있다. 셀룰로오스 유도체 조성물은 상기 셀룰로오스 유도체 구조 내에 카르복실산, 설폰산, 인산 등이 치환된 구조를 포함할 수 있다.The cellulose derivative composition includes cellulose, methyl cellulose, ethyl cellulose, butyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, cellulose nitrate, cellulose acetate ( cellulose acetate), cellulose acetate propionate, cellulose acetate butyrate, or carboxymethyl cellulose, including a derivative of at least one of Xanthan Gum, Pectin, Guar Gum, and Dextran can do. The cellulose derivative composition may include a structure in which carboxylic acid, sulfonic acid, phosphoric acid, or the like is substituted in the cellulose derivative structure.

음극(200)에서의 활물질 입자의 무게비는 80 wt% 내지 99 wt%일 수 있고, 바람직하게는 90 wt% 내지 99 wt%일 수 있다. 혼합 바인더 조성물에서 셀룰로오스 유도체와 SBR 에멀전 간의 무게비는 99:1에서 1:99일 수 있고, 바람직하게는 90:10에서 60:40 사이일 수 있다. 상기 셀룰로오스 유도체 조성물은 양극(100)에도 적용될 수 있다. The weight ratio of the active material particles in the negative electrode 200 may be 80 wt% to 99 wt%, preferably 90 wt% to 99 wt%. In the mixed binder composition, the weight ratio between the cellulose derivative and the SBR emulsion may be 99:1 to 1:99, preferably 90:10 to 60:40. The cellulose derivative composition may also be applied to the positive electrode 100 .

고체 전해질층(300)이 양극(100) 및 음극(200) 사이에 배치될 수 있다. 고체 전해질층(300)은 양극(100) 및 음극(200)에 이온을 전달하는 역할을 수행할 수 있다.A solid electrolyte layer 300 may be disposed between the anode 100 and the cathode 200 . The solid electrolyte layer 300 may serve to deliver ions to the positive electrode 100 and the negative electrode 200 .

고체 전해질층(300)은 산화물계, 인산염계, 황화물계, 고분자계 물질 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 무기계의 고체 전해질층(300)은 냉간 또는 고온 소결 공정을 통해 일정 두께(30~2000μm)의 막 형태로 형성될 수 있다. 고분자계 물질로 이루어지거나 무기계 고체 전해질과 혼합되어 복합 전해질로 이루어진 고체 전해질층(300)은 도포 방식을 통해 일정 두께(30~1000μm)의 막 형태로 형성될 수 있다. 일 예로, 고체 전해질층(300)은 고분자 바인더, 유기 스캐폴드 또는 무기 스캐폴드 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 고분자 바인더, 유기 스캐폴드 또는 무기 스캐폴드는 고체 전해질층(300)의 기계적 강도를 높일 수 있다. 상기 고분자 바인더는 예를 들어, 상기 고분자 바인더는 폴리테트라플루오로데틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose), 카복시메틸셀룰로오스 (Carboxymethyl cellulose), 스티렌-부타디엔(Styrene-butadiene), 및 나이트릴-부타디엔(Nitrile-butadiene rubber) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 예로, 고체 전해질층(300)은 고분자 바인더, 유기 스캐폴드 또는 무기 스캐폴드를 포함하지 않을 수 있다. The solid electrolyte layer 300 may include at least one of oxide-based, phosphate-based, sulfide-based, and polymer-based materials. The inorganic solid electrolyte layer 300 may be formed in the form of a film having a certain thickness (30 to 2000 μm) through a cold or high temperature sintering process. The solid electrolyte layer 300 made of a polymer-based material or made of a composite electrolyte mixed with an inorganic solid electrolyte may be formed in the form of a film having a certain thickness (30 to 1000 μm) through a coating method. For example, the solid electrolyte layer 300 may further include at least one of a polymer binder, an organic scaffold, and an inorganic scaffold. A polymer binder, an organic scaffold, or an inorganic scaffold may increase mechanical strength of the solid electrolyte layer 300 . The polymeric binder may include, for example, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, poly(ethylene oxide), polyacrylonitrile, It may include at least one of hydroxypropyl cellulose, carboxymethyl cellulose, styrene-butadiene, and nitrile-butadiene rubber. As another example, the solid electrolyte layer 300 may not include a polymer binder, an organic scaffold, or an inorganic scaffold.

일 예로, 고체 전해질층(300)의 산화물계 물질은 Li7-3x+y-zAxLa3-yByZr2-zCzO12 조성을 가지는 가넷형 구조의 물질을 포함할 수 있다. 여기서, A는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 중 어느 하나, B는 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 중 어느 하나, C는 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 안티모니(Sb), 비스무트(Bi) 중 어느 하나일 수 있다. 특히, Li7-xAxLa3Zr2O12 구조를 가지는 산화물계 물질의 경우, Li site에 알루미늄, 갈륨 등의 원소를 도핑원소로 (0~0.3 mol 비율), Zr site에는 니오븀, 탄탈륨 등의 원소를 도핑원소로 (0~0.3 mol 비율) 도핑한 물질이 사용될 수 있다. 다른 예로, 상기 산화물계 물질은 페로브스카이트(Perovskite) 구조의 물질로 Li3xLa(2/3)-x(1/3)-2xTiO3 (LLTO, 0<x<0.16, □ : vacancy)를 포함할 수 있다.For example, the oxide-based material of the solid electrolyte layer 300 may include a garnet-type material having a composition of Li 7-3x+yz A x La 3-y B y Zr 2-z C z O 12 . Here, A is any one of aluminum (Al) and gallium (Ga), B is any one of calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), C is tantalum (Ta), niobium (Nb), anti It may be any one of mony (Sb) and bismuth (Bi). In particular, in the case of an oxide-based material having a Li 7-x A x La 3 Zr 2 O 12 structure, elements such as aluminum and gallium are used as doping elements at the Li site (0-0.3 mol ratio), and niobium and tantalum are used at the Zr site. A material doped with an element such as a doping element (0 to 0.3 mol ratio) may be used. As another example, the oxide-based material is a perovskite structure material, and Li 3x La (2/3)-x(1/3)-2x TiO 3 (LLTO, 0<x<0.16, □ : vacancy) may be included.

고체 전해질층(300)의 인산염계 물질은 일 예로, Li1+xAlxTi2-x(PO4)3 (x=0~0.4)와 같은 나시콘(NAISICON) 구조의 물질을 포함할 수 있다.The phosphate-based material of the solid electrolyte layer 300 may include, for example, a material having a NAISICON structure such as Li 1+x Al x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (x=0 to 0.4). there is.

고체 전해질층(300)의 황화물계 물질은 일 예로, Li10±1MP2X12 (여기서 M은 게르마늄(Ge), 실리콘(Si), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 또는 인(P) 중 어느 하나, X는 황(S) 또는 셀레늄(Se) 중 어느 하나일 수 있다.) 조성의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, Li10SnP2S12, Li4-xSn1-xAsxS4(x=0~100) 등의 물질, thio―lithium superionic conductor(thio-LISICON) 군인 Li3.25Ge0.25P0.75S4, Li10GeP2S12 등의 물질, Li-argyrodite Li6PS5X (여기서 X는 염소(Cl), 브롬(Br) 또는 요오드(I) 중 어느 하나) 군인 Li6PS5Cl 등의 물질, 글래스-세라믹(glass-ceramic) 구조의 Li2S·P2S5 (xLi2S·(100-x)P2S5, x=0~100) 군에서 선택된 물질, 글래스 구조를 갖는 군인 Li2·P2S5, Li2S·SiS2·Li3N, Li2S·P2S5·LiI, Li2S·SiS2·LixMOy, Li2S·GeS2, Li2S·B2S3·LiI 등의 물질과 같이 기본적으로 칼코게나이드 원소와 리튬이 들어있는 화합물 군에서 선택된 어느 하나의 물질일 수 있다. The sulfide-based material of the solid electrolyte layer 300 is, for example, Li 10±1 MP 2 X 12 (where M is germanium (Ge), silicon (Si), tin (Sn), aluminum (Al) or phosphorus (P)). Any one of them, X may be any one of sulfur (S) or selenium (Se).) may include a material of the composition. For example, materials such as Li 10 SnP 2 S 12 , Li 4-x Sn 1-x As x S 4 (x=0~100), thio―lithium superionic conductor (thio-LISICON) group Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , Li 10 GeP 2 S 12 and other substances, Li-argyrodite Li 6 PS 5 X (where X is any one of chlorine (Cl), bromine (Br) or iodine (I)) group Li 6 PS 5 Cl materials such as glass-ceramic structures, materials selected from Li 2 S·P 2 S 5 (xLi 2 S·(100-x)P 2 S 5 , x=0~100) group, glass structure Groups with Li 2 P 2 S 5 , Li 2 S SiS 2 Li 3 N, Li 2 S P 2 S 5 LiI, Li 2 S SiS 2 Li x MO y , Li 2 S GeS 2 , Li 2 S·B 2 S 3 ·LiI, and the like, may be any one material selected from the group of compounds that basically contain a chalcogenide element and lithium.

고체 전해질층(300)의 고분자계 물질은 일 예로, polyethylene oxide (PEO), polyvinyl chloride (PVC), polyacrylonitrile (PAN), poly(methyl methacrylate) (PMMA), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (P(VDF-HFP)) copolymer 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이때 고분자계 물질 내 포함되는 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, (CF3SO2)2NLi, LiFSI, LiTFSI, LiBETI, LiBPB, LiCTFSI, LiTDI, LiPDI 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The polymer material of the solid electrolyte layer 300 is, for example, polyethylene oxide (PEO), polyvinyl chloride (PVC), polyacrylonitrile (PAN), poly(methyl methacrylate) (PMMA), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (P(VDF-HFP)) may include at least one of copolymers. At this time, the lithium salt included in the polymeric material is LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, LiSCN, LiC(CF 3 SO 2 ) 3 , (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, LiFSI, LiTFSI, LiBETI, LiBPB, LiCTFSI, LiTDI, and LiPDI. can

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전고체 이차전지의 음극을 제조하는 방법을 설명한 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a negative electrode of an all-solid-state secondary battery according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 이차전지(10)의 음극(200)을 제조하는 방법을 설명한다. 본 실시예에서는 음극(200)을 제조하는 방법에 대해 설명하지만, 후술하는 공정은 음극(200) 뿐만 아니라 양극(100)에도 적용될 수 있다.Referring to FIG. 2 , a method of manufacturing the negative electrode 200 of the all-solid-state secondary battery 10 according to an embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, a method of manufacturing the negative electrode 200 is described, but the process described below may be applied to the positive electrode 100 as well as the negative electrode 200 .

본 발명의 실시예에 따른 전고체 이차전지(10)의 음극(200)을 제조하는 방법은 양이온 치환반응을 통해 다중 금속이온이 치환된 셀룰로오스 유도체 조성물을 제조하는 것(S1), 다중 금속이온이 치환된 셀룰로오스 유도체 조성물을 포함한 바인더 용액을 제조하는 것(S2), 전극 활물질과 바인더 용액을 교반하여 1차 음극 슬러리를 제조하는 것(S3), 1차 음극 슬러리에 SBR 에멀전을 투입한 후 교반하여 최종 음극 슬러리를 제조하는 것(S4), 및 최종 음극 슬러리를 집전체 상에 코팅함으로써 이를 전고체 이차전지의 음극에 적용하는 것(S5)을 포함할 수 있다.The method for manufacturing the negative electrode 200 of the all-solid-state secondary battery 10 according to an embodiment of the present invention is to prepare a cellulose derivative composition in which multiple metal ions are substituted through a cation exchange reaction (S1), Preparing a binder solution including a substituted cellulose derivative composition (S2), preparing a primary negative electrode slurry by stirring the electrode active material and the binder solution (S3), adding SBR emulsion to the primary negative electrode slurry and then stirring It may include preparing a final negative electrode slurry (S4), and applying the final negative electrode slurry to a negative electrode of an all-solid-state secondary battery by coating it on a current collector (S5).

양이온 치환반응을 통해 다중 금속이온이 치환된 셀룰로오스 유도체 조성물을 제조할 수 있다(S1). 일 예로, Na-CMC(카르복시메틸 셀룰로오스) 바인더를 Lithium hydroxide monohydrate(LiOH·H2O)이 포함된 150ml의 에탄올/물(de-ionized water) 용액에 넣어 1시간 동안 반응시킴으로써 나트륨/리튬 양이온(Na+/Li+) 치환 반응을 유도시켜 금속이온이 치환된 셀룰로오스 유도체 조성물을 제조할 수 있다.A cellulose derivative composition in which multiple metal ions are substituted can be prepared through a cation substitution reaction (S1). For example, sodium/lithium cations ( A cellulose derivative composition in which metal ions are substituted can be prepared by inducing a Na+/Li+) substitution reaction.

다중 금속이온이 치환된 셀룰로오스 유도체 조성물을 포함하는 바인더 용액을 제조할 수 있다(S2). 일 예로, 나트륨/리튬 양이온(Na+/Li+) 치환 반응을 유도시켜 금속이온이 치환된 셀룰로오스 유도체 조성물에 대해 진공 필터링 및 진공 건조 공정을 이용하여 (Na+Li)-CMC 바인더를 합성시킬 수 있다. 상기 (Na+Li)-CMC 바인더를 용매(예를 들어, 물)에 용해시켜 바인더 용액을 제조할 수 있다.A binder solution containing a cellulose derivative composition substituted with multiple metal ions can be prepared (S2). For example, a (Na+Li)-CMC binder may be synthesized by inducing a sodium/lithium cation (Na+/Li+) substitution reaction and using a vacuum filtering and vacuum drying process for a cellulose derivative composition in which metal ions are substituted. A binder solution may be prepared by dissolving the (Na+Li)-CMC binder in a solvent (eg, water).

전극 활물질과 바인더 용액을 교반하여 1차 음극 슬러리를 제조할 수 있다(S3). 음극에 적용되는 상기 전극 활물질은 기계적 변형에 유리하고 전자 전도성이 높은 소재(2S/cm이상)로서, 흑연, 하드카본, 소프트카본, 탄소나노튜브, 그래핀, 산화환원그래핀, 카본섬유, 비정질탄소, 실리콘-탄소 복합체 (SiC), 탄소와 같은 전자 전도성층이 코팅된 고용량 음극 소재(실리콘 또는 실리콘옥사이드(SiOX), 주석(Si), 코발트옥사이드(CoOX), 산화철(FeOX)) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.A primary negative electrode slurry may be prepared by stirring the electrode active material and the binder solution (S3). The electrode active material applied to the negative electrode is a material that is advantageous to mechanical deformation and has high electronic conductivity (more than 2S / cm), such as graphite, hard carbon, soft carbon, carbon nanotube, graphene, redox graphene, carbon fiber, amorphous Carbon, silicon-carbon composite (SiC), high-capacity anode material coated with an electron conductive layer such as carbon (silicon or silicon oxide (SiO X ), tin (Si), cobalt oxide (CoO X ), iron oxide (FeO X ))) At least one of them may be included.

구체적으로, 상기 바인더 용액을 상기 전극 활물질과 균일하게 혼합시켜 1차 음극 슬러리를 형성할 수 있다. 여기서, 전극 활물질과 바인더 용액의 무게비는 80:20에서 99:1 사이일 수 있고, 바람직하게는 90:10에서 99:1 사이일 수 있다. Specifically, a primary negative electrode slurry may be formed by uniformly mixing the binder solution with the electrode active material. Here, the weight ratio of the electrode active material and the binder solution may be between 80:20 and 99:1, preferably between 90:10 and 99:1.

상기 1차 음극 슬러리에 SBR 에멀전을 투입한 후 교반하여 최종 음극 슬러리를 제조할 수 있다(S4). 구체적으로, 1차 음극 슬러리의 셀룰로오스 유도체 조성물과 SBR 에멀전 간의 무게비는 99:1에서 1:99일 수 있고, 바람직하게는 90:10에서 60:40 사이일 수 있다.A final anode slurry may be prepared by adding the SBR emulsion to the first anode slurry and then stirring it (S4). Specifically, the weight ratio between the cellulose derivative composition of the first anode slurry and the SBR emulsion may be 99:1 to 1:99, preferably 90:10 to 60:40.

최종 음극 슬러리를 집전체 상에 코팅함으로써 이를 전고체 이차전지의 음극에 적용할 수 있다(S5). 구체적으로, 상기 최종 음극 슬러리를 후막으로 집전체 상에 코팅한다. 슬러리 도포를 위해서는 그라비아 코터법, 소경 그라비아 코터법, 리버스 롤 코터법, 트랜스퍼 롤 코터법, 키스 코터법, 딥 코터법, 나이프 코터법, 에어 닥터블레이드 코터법, 블레이드 코터법, 바 코터법, 다이 코터법, 스크린 인쇄법, 및 스프레이 도포법 등의 후막화 공정이 적용될 수 있다. 도포 후 고온 건조 및 진공 건조 공정을 통해 최종 음극 슬러리의 용매 성분을 제거한다. 슬러리 도포 과정에서 음극(200)의 두께는 수 마이크로미터에서 수백 마이크로미터 사이로 조절될 수 있다. 건조 시 온도는 80~120℃ 사이에서 진행되며 10~20시간 정도 진공 상태에서 건조를 수행하여 수 ppm이하의 잔류 용매 함량을 만족시키도록 한다. 다음, 100~200MPa의 압력으로 압착 공정을 통해 코팅된 전극 활물질 입자 간의 접촉을 향상시킨다. 일 예로, 공극률을 줄이기 위해 100~300℃ 사이 온도에서의 hot-press 공정을 수행할 수 있다. 가압 후 전극의 공극 밀도는 약 10~20%, 바람직하게는 5% 이하이다. By coating the final negative electrode slurry on the current collector, it can be applied to the negative electrode of the all-solid-state secondary battery (S5). Specifically, the final anode slurry is coated on a current collector as a thick film. For slurry coating, gravure coater method, small diameter gravure coater method, reverse roll coater method, transfer roll coater method, kiss coater method, dip coater method, knife coater method, air doctor blade coater method, blade coater method, bar coater method, die Thickening processes such as a coater method, a screen printing method, and a spray coating method may be applied. After application, solvent components of the final anode slurry are removed through high-temperature drying and vacuum drying processes. In the process of applying the slurry, the thickness of the negative electrode 200 may be adjusted between several micrometers and hundreds of micrometers. During drying, the temperature is between 80 and 120 ° C, and drying is performed in a vacuum state for about 10 to 20 hours to satisfy the residual solvent content of several ppm or less. Next, contact between coated electrode active material particles is improved through a compression process at a pressure of 100 to 200 MPa. For example, a hot-press process may be performed at a temperature between 100 and 300° C. to reduce porosity. The pore density of the electrode after pressing is about 10 to 20%, preferably 5% or less.

전극 상에 고체 전해질층(300) 및 상대전극이 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 전극은 음극(200)이고, 상기 상대전극은 양극(100)일 수 있다. 상기 집전체는 리튬, 소듐, 마그네슘, 칼륨 등의 물질이 호일(foil) 또는 분말(powder)형으로 형성된 것일 수 있다. 양극(100) 및 음극(200)은 상기 집전체를 포함할 수 있다. 상기 전극 및 상기 상대전극은 앞서 설명한 S1~S5 내지의 공정을 거쳐 제조된 전극일 수 있다.A solid electrolyte layer 300 and a counter electrode may be formed on the electrode. For example, the electrode may be the cathode 200 and the counter electrode may be the anode 100 . The current collector may be formed of a material such as lithium, sodium, magnesium, or potassium in a foil or powder form. The positive electrode 100 and the negative electrode 200 may include the current collector. The electrode and the counter electrode may be electrodes manufactured through the processes of S1 to S5 described above.

최종적으로 전극/고체 전해질층/상대전극으로 구성된 전고체 이차전지를 50~100MPa의 압력으로 압착하여 완전히 접합된 전극/전해질 계면을 형성한다. 최종 압력 공정을 적용하지 않는 경우, 전극/전해질 간의 불안정한 접촉으로 인해 높은 계면 저항이 발생하여 전지의 특성에 저해될 수 있다. Finally, the all-solid secondary battery composed of the electrode/solid electrolyte layer/counter electrode is compressed at a pressure of 50 to 100 MPa to form a completely bonded electrode/electrolyte interface. If the final pressure process is not applied, high interfacial resistance may occur due to unstable contact between electrodes/electrolyte, which may hinder battery characteristics.

셀룰로오스 유도체 조성물의 수용액에서의 용해도를 평가하기 위해 바인더 용액(1~2wt% de-ionized water)을 제조하고 투명한 시트지에 닥터블레이드 방식으로 코팅하여 마이크로겔의 개수를 분석하였다(하기 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1). 바인더 용액 제조 시 믹서를 이용하여 1500~2000rpm으로 혼합 공정을 적용시켰고, 상기 혼합 공정의 시간은 30~60분 사이이다. 이때, 정확한 비교를 위해 셀룰로오스 유도체 조성물의 종류에 따른 마이크로겔의 개수 비교 시 같은 농도의 바인더 용액을 제조하고 같은 혼합 시간을 적용시키면서 같은 두께로 코팅하였다. 닥터블레이드 갭(gap)은 100~200μm 사이에서 조절하였다. In order to evaluate the solubility of the cellulose derivative composition in an aqueous solution, a binder solution (1-2 wt% de-ionized water) was prepared and coated on a transparent sheet with a doctor blade method to analyze the number of microgels (Examples 1 to 20 below). Example 3 and Comparative Example 1). When preparing the binder solution, a mixing process was applied at 1500 to 2000 rpm using a mixer, and the time of the mixing process was between 30 and 60 minutes. At this time, for accurate comparison, when comparing the number of microgels according to the type of cellulose derivative composition, a binder solution having the same concentration was prepared and coated with the same thickness while applying the same mixing time. The doctor blade gap was adjusted between 100 and 200 μm.

실시예 1Example 1

(Na+Li)-CMC 바인더를 sodium CMC(Na-CMC)로부터 합성하였다. Na-CMC 바인더를 7g의 Lithium hydroxide monohydrate(LiOH·H2O)이 포함된 150ml의 에탄올/물(de-ionized water) (90:10, 부피비) 혼합용액에 넣어 1시간 동안 반응시켜 나트륨/리튬 양이온 (Na+/Li+) 치환 반응을 유도했다. 이후 진공 필터링과 24시간 진공 건조공정을 통해 (Na+Li)-CMC 바인더를 합성시켰다. 마이크로겔 개수 측정을 위해 준비된 (Na+Li)-CMC 바인더를 이용하여 바인더 용액(1wt% in water)을 제조하였다. 이때 믹서를 사용하여 1500rpm으로 30분간 교반하여 바인더를 용매에 녹였고 100μm 의 갭으로 닥터블레이드 방식을 통해 바인더 용액을 투명한 시트지에 코팅하여 5×5cm2의 면적에서 육안으로 마이크로겔의 개수를 측정하였다.(Na+Li)-CMC binder was synthesized from sodium CMC (Na-CMC). Na-CMC binder was added to 150ml of ethanol/de-ionized water (90:10, volume ratio) mixture solution containing 7g of Lithium hydroxide monohydrate (LiOH H 2 O) and reacted for 1 hour to allow sodium/lithium A cation (Na+/Li+) substitution reaction was induced. Then, (Na+Li)-CMC binder was synthesized through vacuum filtering and vacuum drying process for 24 hours. A binder solution (1 wt% in water) was prepared using the (Na+Li)-CMC binder prepared for the measurement of the number of microgels. At this time, the binder was dissolved in the solvent by stirring at 1500 rpm for 30 minutes using a mixer, and the binder solution was coated on a transparent sheet through a doctor blade method with a gap of 100 μm. The number of microgels was measured with the naked eye in an area of 5 × 5 cm 2 .

실시예 2Example 2

Na-CMC를 염산/에탄올 (15:85, 부피비) 혼합 용액에 넣어 3시간 반응시켜 carboxylic acid (H-CMC)를 합성한 후 진공 필터링으로 이를 수거했다. 다음 7g Potassium hydroxide(KOH)이 포함된 150ml의 에탄올/물(de-ionized water) (90:10, 부피비) 혼합 용액에 넣어 1시간 동안 반응시켜 칼륨/리튬 양이온(K+/Li+) 치환 반응을 유도했다. 이후 진공 필터링과 24시간 진공 건조 공정을 통해 (K+Li)-CMC바인더를 합성시켰다. 마이크로겔의 개수 측정은 (K+Li)-CMC 바인더를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.Na-CMC was added to a mixed solution of hydrochloric acid/ethanol (15:85, volume ratio) and reacted for 3 hours to synthesize carboxylic acid (H-CMC), which was then collected by vacuum filtration. Next, add 150ml of ethanol/water (de-ionized water) (90:10, volume ratio) mixed solution containing 7g Potassium hydroxide (KOH) and react for 1 hour to induce potassium/lithium cation (K+/Li+) substitution reaction. did. Then, a (K+Li)-CMC binder was synthesized through vacuum filtering and vacuum drying for 24 hours. Measurement of the number of microgels was the same as in Example 1 except that the (K+Li)-CMC binder was used.

실시예 3Example 3

실시예 2에서 Potassium hydroxide(KOH) 수용액 대신에 Rubidium hydroxide monohydrate(RbOH·H2O) 수용액을 치환 용액으로 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 공정을 진행하여 (Rb+Li)-CMC 바인더를 합성시켰다. 마이크로겔의 개수 측정은 (Rb+Li)-CMC 바인더를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.(Rb+Li)-CMC binder was prepared in the same process as in Example 2, except that an aqueous solution of Rubidium hydroxide monohydrate (RbOH H 2 O) was used as a substitution solution instead of the aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) in Example 2. synthesized. Measurement of the number of microgels was the same as in Example 1 except that the (Rb+Li)-CMC binder was used.

비교예 1Comparative Example 1

실시예 1 내지 실시예 3의 다중 금속이온 치환 효과를 비교하기 위해 Na-CMC를 비교예로 선택하여 마이크로겔의 개수를 실시예 1과 같이 측정하였다.In order to compare the multiple metal ion substitution effects of Examples 1 to 3, Na-CMC was selected as a comparative example and the number of microgels was measured in the same manner as in Example 1.

도 3은 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에서 바인더 용액 (1wt% in de-ionized water)의 마이크로겔 수를 측정한 결과를 나타낸다. (Na+Li), (K+Li), (Rb+Li) 순으로 마이크로겔 수가 감소하는 것으로 관찰되었고 (Na+Li)경우 순수 Na과 유사하거나 이보다 더 많은 마이크로겔 수가 관찰되었다.Figure 3 shows the results of measuring the number of microgels in the binder solution (1 wt% in de-ionized water) in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. It was observed that the number of microgels decreased in the order of (Na + Li), (K + Li), and (Rb + Li), and in the case of (Na + Li), the number of microgels was similar to or greater than that of pure Na.

본 발명의 실시예에 따르면, 금속 이온이 셀룰로오스 유도체 조성물 내에 다중 치환됨으로써 마이크로겔의 형성을 감소시킬 수 있고, 리튬 이온이 치환된 치환기를 포함함으로써 리튬 이온 전도 특성이 향상될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, formation of microgel can be reduced by multiple substitution of metal ions in the cellulose derivative composition, and lithium ion conduction properties can be improved by including a substituent in which lithium ions are substituted.

도 4는 금속 이온이 다중 치환된 셀룰로오스 유도체 조성물의 종류에 따른 음극의 충방전 용량을 비교한 그래프를 나타낸다 (하기 실시예 4 내지 실시예 6 및 비교예 2). FIG. 4 shows a graph comparing charge and discharge capacities of negative electrodes according to types of cellulose derivative compositions in which metal ions are polysubstituted (Examples 4 to 6 and Comparative Example 2 below).

실시예 4Example 4

전극 활물질로는 천연 흑연을, 바인더로는 (Na+Li)-CMC와 Styrene-butadiene rubber(SBR)의 혼합 바인더를, 용매는 de-ionized water를 사용하여 슬러리 공정을 통해 전해액 성분이 배제된 전극을 제조하였다. 전극의 구성은 무게비로 천연 흑연:(Na+Li)-CMC:SBR=97:2:1이다. 슬러리를 정밀하게 혼합시키기 위해 planetary mixer를 이용하여 1000~2000rpm 범위에서 혼합시켰다. 전극 슬러리를 제조하기 위해서 먼저 천연 흑연과 (Na+Li)-CMC 바인더 용액(1.5wt% in deionized water)을 1500rpm에서 10분간 혼합시켰다. 다음, 추가적으로 SBR 에멀전 용액(40wt%)을 투입하고 다시 10분간 혼합시켰다. 전극은 니켈 호일 상에 닥터블레이드 방식으로 코팅하였다. 코팅 후 100℃에서 초기 건조하고, 90℃에서 진공 건조를 10~15시간 진행하였으며 압착 공정을 통해 전극의 밀도를 높혔다. 상대전극으로는 300μm 두께의 리튬 호일이 사용하여 흑연/리튬의 반전지를 구성하였다. 양 전극 사이의 고체 전해질층으로는 Li6PS5Cl(LPSCl)을 사용하였다. 전고체 이차전지를 제조하기 위해 먼저 LPSCl 고체 전해질층이 1000μm의 두께로 50Mpa 압력으로 사전 가압되었다. 다음 LPSCl의 한쪽 면에 (Na+Li)-CMC 바인더 기반의 흑연 전극을 접촉시킨 후 350MPa 압력으로 밀접한 계면을 형성시켰다. 다음 LPSCl의 반대쪽 면에 리튬 호일을 접촉시킨후 50Mpa압력을 가하여 전고체 이차전지를 완성하였다. Using natural graphite as the electrode active material, a mixed binder of (Na+Li)-CMC and Styrene-butadiene rubber (SBR) as the binder, and de-ionized water as the solvent, the electrode is free of electrolyte components through a slurry process. was manufactured. The composition of the electrode is natural graphite:(Na+Li)-CMC:SBR=97:2:1 by weight. In order to precisely mix the slurry, it was mixed in the range of 1000 to 2000 rpm using a planetary mixer. To prepare the electrode slurry, first, natural graphite and (Na+Li)-CMC binder solution (1.5 wt% in deionized water) were mixed at 1500 rpm for 10 minutes. Next, an additional SBR emulsion solution (40wt%) was added and mixed again for 10 minutes. Electrodes were coated on nickel foil in a doctor blade method. After coating, initial drying was performed at 100 ° C, vacuum drying was performed at 90 ° C for 10 to 15 hours, and the density of the electrode was increased through a compression process. As a counter electrode, a lithium foil with a thickness of 300 μm was used to construct a graphite/lithium half-cell. As a solid electrolyte layer between both electrodes, Li 6 PS 5 Cl (LPSCl) was used. In order to manufacture an all-solid-state secondary battery, first, the LPSCl solid electrolyte layer was pre-pressurized at a pressure of 50 Mpa to a thickness of 1000 μm. Next, a (Na+Li)-CMC binder-based graphite electrode was brought into contact with one side of LPSCl, and a close interface was formed at 350 MPa pressure. Then, after contacting lithium foil on the opposite side of LPSCl, a 50Mpa pressure was applied to complete an all-solid-state secondary battery.

CC-CV 모드 기반으로 0.01~2V 전압 구간에서 0.1C의 충전속도, cut-off 전류는 1/10로 설정 후 전고체 이차전지의 충방전 특성을 측정하였다. 또한 상대적으로 느린 전극 내의 이온 확산 속도 향상을 위해 모든 충방전 테스트는 60℃에서 측정하였다.Based on the CC-CV mode, the charging rate of 0.1C and the cut-off current were set to 1/10 in the voltage range of 0.01 to 2V, and then the charge and discharge characteristics of the all-solid-state secondary battery were measured. In addition, in order to improve the ion diffusion rate in the relatively slow electrode, all charge and discharge tests were measured at 60 °C.

실시예 5Example 5

본 실시예 2에서 합성된 (K+Li)-CMC 바인더를 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 공정을 적용하였다.The same process as in Example 4 was applied except for using the (K+Li)-CMC binder synthesized in Example 2.

실시예 6Example 6

본 실시예 3에서 합성된 (Rb+Li)-CMC 바인더를 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 공정을 적용하였다.The same process as in Example 4 was applied except for using the (Rb+Li)-CMC binder synthesized in Example 3.

비교예 2Comparative Example 2

비교예 2는 비이온 전도성 바인더인 Na-CMC를 이용하여 전고체 이차전지를 제조한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 공정을 적용하였다.In Comparative Example 2, the same process as in Example 4 was applied, except that an all-solid-state secondary battery was manufactured using Na-CMC, a non-ionic conductive binder.

도 4를 참조하면, 순수 Na이 포함된 경우보다 Li이 포함된 경우가 높은 용량을 보였으며, (Na+Li), (K+Li), (Rb+Li) 순으로 용량이 감소하였다.Referring to FIG. 4, the case where Li was included showed a higher capacity than the case where pure Na was included, and the capacity decreased in the order of (Na + Li), (K + Li), and (Rb + Li).

즉, 본 발명의 실시예에 따른 셀룰로오스 유도체 조성물에 의해 전고체 이차전지의 전기적 특성이 향상될 수 있다. 이는 도 3을 참조하여 설명한 것과 같이 마이크로겔의 형성이 감소하고 리튬 이온이 치환된 치환기가 포함됨으로써 리튬 이온 수송 특성이 향상되기 때문이다.That is, the electrical characteristics of the all-solid-state secondary battery can be improved by the cellulose derivative composition according to the embodiment of the present invention. This is because, as described with reference to FIG. 3 , formation of microgels is reduced and lithium ion transport properties are improved by including substituents in which lithium ions are substituted.

도 5는 금속이온이 다중 치환된 셀룰로오스 유도체 조성물의 종류에 따른 음극의 수명 특성을 비교한 그래프를 나타낸다 (하기 실시예 7 내지 실시예 9 및 비교예 3). 5 shows a graph comparing lifespan characteristics of negative electrodes according to types of cellulose derivative compositions in which metal ions are substituted multiple times (Examples 7 to 9 and Comparative Example 3 below).

실시예 7Example 7

(Na+Li)-CMC 바인더가 적용된 전고체 이차전지의 수명 특성을 분석하기 위해, CC-CV 모드 기반으로 0.01~2 V 전압구간에서 0.1C 충전속도, cut-off 전류는 1/10로 설정 후 50회 충방전 사이클을 진행하였다.In order to analyze the lifespan characteristics of an all-solid-state secondary battery to which (Na+Li)-CMC binder is applied, a charging rate of 0.1C and a cut-off current of 1/10 are set in the voltage range of 0.01 to 2 V based on the CC-CV mode. After that, 50 charge/discharge cycles were performed.

실시예 8Example 8

본 실시예 2에서 합성된 (K+Li)-CMC 바인더를 사용한 것을 제외하고 실시예 7와 동일한 공정을 적용하였다.The same process as in Example 7 was applied except for using the (K+Li)-CMC binder synthesized in Example 2.

실시예 9Example 9

본 실시예 3에서 합성된 (Rb+Li)-CMC 바인더를 사용한 것을 제외하고 실시예 7와 동일한 공정을 적용하였다.The same process as in Example 7 was applied except for using the (Rb+Li)-CMC binder synthesized in Example 3.

비교예 3Comparative Example 3

비교예 3은 비이온전도성 바인더인 Na-CMC를 이용하여 전고체 이차전지를 제조한 것을 제외하고는 실시예 7과 동일한 공정을 적용하였다.In Comparative Example 3, the same process as in Example 7 was applied, except that an all-solid-state secondary battery was manufactured using Na-CMC, a non-ion conductive binder.

도 5를 참조하면, 순수 Na이 포함된 경우보다 Li이 포함된 경우가 높은 수명 특성을 보였고 (Na+Li), (K+Li), (Rb+Li)순으로 높은 용량 유지 특성을 보였다.Referring to FIG. 5, the case in which Li was included showed higher lifespan characteristics than the case in which pure Na was included, and the capacity retention characteristics were higher in the order of (Na+Li), (K+Li), and (Rb+Li).

즉, 본 발명의 실시예에 따른 셀룰로오스 유도체 조성물에 의해 전고체 이차전지의 전기적 특성이 향상될 수 있다. 이는 도 3을 참조하여 설명한 것과 같이 마이크로겔의 형성이 감소하고 리튬 이온이 치환된 치환기가 포함됨으로써 리튬 이온 수송 특성이 향상되기 때문이다.That is, the electrical characteristics of the all-solid-state secondary battery can be improved by the cellulose derivative composition according to the embodiment of the present invention. This is because, as described with reference to FIG. 3 , formation of microgels is reduced and lithium ion transport properties are improved by including substituents in which lithium ions are substituted.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art can implement the present invention in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. You will understand that there is Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

10 : 전고체 이차전지
100 : 양극
200 : 음극
300 : 고체 전해질층
10: All-solid secondary battery
100: anode
200: cathode
300: solid electrolyte layer

Claims (1)

하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전고체 이차전지 바인더용 셀룰로오스 유도체 조성물:
[화학식 1]
Figure pat00003

상기 화학식 1에서, R1, R1’, R2, R2’, R3, R3’는 서로 독립적으로 1가 금속이 치환된 카르복시메틸기, 황 치환기, 인 치환기 또는 수소 중 어느 하나이되,
R1, R2, R3에 해당하는 카르복시메틸기는 -CH2COOX로서, X는 소듐(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 또는 세슘(Cs) 중 어느 하나일 수 있다. R1’, R2’, R3’에 해당하는 카르복시메틸기는 -CH2COOY로서, Y는 리튬(Li)일 수 있다.
R1, R2, R3에 해당하는 황 치환기는 -SO3X로서, X는 소듐(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 중 세슘(Cs) 중 어느 하나일 수 있다. R1’, R2’, R3’에 해당하는 황 치환기는 -SO3Y로서, Y는 리튬(Li)일 수 있다.
R1, R2, R3에 해당하는 인 치환기는 -PO3X 또는 -PO3X2 로서, X는 소듐(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 중 세슘(Cs) 중 어느 하나일 수 있다. R1’, R2’, R3’에 해당하는 인 치환기는 -PO3Y 또는 -PO3Y2로서, Y는 리튬(Li)일 수 있다.
A cellulose derivative composition for an all-solid secondary battery binder comprising a compound represented by Formula 1 below:
[Formula 1]
Figure pat00003

In Formula 1, R 1 , R 1 ', R 2 , R 2 ', R 3 , R 3 'are independently any one of a carboxymethyl group substituted with a monovalent metal, a sulfur substituent, a phosphorus substituent, or hydrogen,
A carboxymethyl group corresponding to R 1 , R 2 , and R 3 is -CH 2 COOX, and X may be sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), or cesium (Cs). A carboxymethyl group corresponding to R 1 ', R 2 ', and R 3 ' is -CH 2 COOY, and Y may be lithium (Li).
Sulfur substituents corresponding to R 1 , R 2 , and R 3 are —SO 3 X, and X may be any one of sodium (Na), potassium (K), and cesium (Cs) among rubidium (Rb). A sulfur substituent corresponding to R 1 ', R 2 ', and R 3 ' is -SO 3 Y, and Y may be lithium (Li).
The phosphorus substituent corresponding to R 1 , R 2 , R 3 is -PO 3 X or -PO 3 X 2 , where X is any one of sodium (Na), potassium (K), and cesium (Cs) among rubidium (Rb). can be A phosphorus substituent corresponding to R 1 ', R 2 ', and R 3 ' is -PO 3 Y or -PO 3 Y 2 , where Y may be lithium (Li).
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