KR20230049542A - 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지 - Google Patents

이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20230049542A
KR20230049542A KR1020220105081A KR20220105081A KR20230049542A KR 20230049542 A KR20230049542 A KR 20230049542A KR 1020220105081 A KR1020220105081 A KR 1020220105081A KR 20220105081 A KR20220105081 A KR 20220105081A KR 20230049542 A KR20230049542 A KR 20230049542A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
secondary battery
cathode
negative electrode
water
quantum dot
Prior art date
Application number
KR1020220105081A
Other languages
English (en)
Inventor
안희준
박창용
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
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 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Publication of KR20230049542A publication Critical patent/KR20230049542A/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
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • 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
    • 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
    • H01M4/134—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
    • H01M4/364—Composites as mixtures
    • 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
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386—Silicon or alloys based on silicon
    • 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
    • H01M4/621—Binders
    • 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
    • H01M2004/026—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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

본 발명은 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전지의 수명 및 성능을 향상시키는 음극 바인더를 포함하는 이차전지용 음극 및 이를 이용한 리튬이차전지에 관한 것이다.

Description

이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지{Negative electrode for secondary battery and lithium secondary battery including the same}
본 발명은 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전지의 수명 및 성능을 향상시키는 음극 바인더를 포함하는 이차전지용 음극 및 이를 이용한 리튬이차전지에 관한 것이다.
그린에너지 및 탄소중립 정책과 더불어 신재생 에너지로부터 생산되는 전력을 저장할 수 있는 에너지저장장치(ESS) 및 전기자동차(EV)의 보급이 증대되고 있다. 전기자동차의 1회 충전시 주행거리 향상 및 저장용량이 극대화된 에너지 저장장치를 위하여 리튬이온전지 음극의 고에너지 밀도화 연구 개발이 요구된다.
현재 관련 산업에서는 리튬이온전지 음극소재의 주물질로 흑연을 사용하고 있지만, 이론적 비용량(372mAh/g)의 한계로 셀의 에너지밀도를 증가시키는 데에 있어 한계점이 있다. 이에 에너지밀도 향상을 위해 이론적 비용량(~4200mAh/g)이 높은 실리콘 소재를 사용한 흑연/실리콘 혼합 음극의 제품화가 진행중이나, 실리콘의 본질적인 문제인 충전/방전 시 큰 부피팽창/수축으로 열악한 수명특성으로 인해 실리콘 함량이 10%를 넘지 못하고 있다. 따라서 고에너지 밀도를 확보하기 위해서는 음극소재의 주물질로 실리콘을 사용해야 한다.
기존 실리콘 전극의 문제점을 극복하고 안정적인 사이클 특성을 확보하기 위해 여러 가지 탄소와 복합하거나 미세화시키는 등의 시도가 있었으나 생산 및 제조 과정에서의 시간소모가 매우 크고 복잡하여 생산성이 매우 떨어졌다. 이에 고분자 바이더를 이용하여 전기화학적, 기계적인 안정성을 향상시킬 수 있었으나, 고분자 바인더는 합성이 복잡하고 전극의 전기전도도를 감소시키는 문제가 있었다. 따라서 실리콘 전극의 문제점을 극복함과 동시에 전극의 저항도 감소시켜 전지의 수명과 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 바인더가 필요하다.
대한민국 등록특허 제10-2154194호
본 발명은 리튬이온전지의 수명 및 성능을 향상시키기 위한 이차전지용 음극을 제공하기 위함이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기의 이차전지용 음극을 포함하는 리튬이온전지를 제공하기 위함이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 본 발명의 실시예들은 하나 이상의 제1 작용기를 포함하는 퀀텀닷; 하나 이상의 제2 작용기를 포함하는 수용성 바인더; 및 음극 활물질을 포함하고, 상기 퀀텀닷 및 상기 수용성 바인더는 빛 및 열 중 적어도 어느 하나에 의하여 화학결합하는, 이차전지용 음극을 포함할 수 있다.
상기 제1 작용기 또는 제2 작용기는 수용성 작용기인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1 작용기는 하이드록시기(-OH), 아미노기(-NH2) 및 카르복실기(-COOH) 중 적어도 어느 하나 이상이고, 상기 제2 작용기는 하이드록시기(-OH), 아미노기(-NH2), 카르복실기(-COOH), 아미드기(-NHCO-), 에폭시기(-O-), 및 치환 또는 비치환된 알케닐기(-R=R) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 퀀텀닷은 카본퀀텀닷인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 카본퀀텀닷의 크기는 1.0nm 내지 25nm인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 수용성 바인더는 폴리아크릴릭애시드(PAA), 폴리바이닐알코올(PVA), 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 폴리에틸렌글리콜(PEG)/폴리에틸렌옥사이드(PEO), 스타이렌 부타다이엔 러버(SBR), 카르복시 메틸 셀룰로오스(CMC), 알지네이트(Alg), PFFOMB(poly(9,9-diotylfluorene-co-fluorenone-co-methylbenzoic ester)), 검아라빅(GA), 구아검(GG), 키토산, 녹말, 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌이민, 젤라틴, 폴리(1-파이렌메틸 메타크릴레이트) (poly(pyrene-1-ylmethyl-methacrylate), 잔탄검(XG), 카라기난, 에폭시수지(epoxy resin), 및 폴리우레탄(PU) 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 수용성 바인더가 PAA인 경우 분자량(Mw)은 10,000 내지 900,000인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 음극 활물질은 Si, Li, SiOx, Sn, Ge, Mg, P, Al, Zn, Pb, Pn, 및 As 중 적어도 어느 하나이거나 또는 Si, Li, SiOx, Sn, Ge, Mg, P, Al, Zn, Pb, Pn, 및 As 중 적어도 어느 하나와 탄소재료의 복합체를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 탄소재료는 흑연, 그래핀, 탄소섬유 및 탄소나노튜브 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 음극 활물질이 Si인 경우 10nm 내지 50μm 크기인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 퀀텀닷과 상기 수용성 바인더는 2:98 내지 50:50의 중량비를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 퀀텀닷과 상기 수용성 바인더는 가교 결합을 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명은 일 실시예에 있어서, 하나 이상의 제1 작용기를 포함하는 퀀텀닷; 하나 이상의 제2 작용기를 포함하는 수용성 바인더; 및 음극 활물질을 포함하고, 여기에 도전재를 더 포함하고, 상기 퀀텀닷과 상기 수용성 바인더는 빛 또는 열에 의하여 축합중합되어 가교된 고분자(crosslinked polymer)인 바인더 복합체로 구비되고, 상기 바인더 복합체는 상기 음극 활물질 및 상기 도전재와 혼합되어 상기 음극 활물질을 바인딩하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 음극 활물질, 상기 바인더 복합체 및 상기 도전재는 50:25:25 내지 99:0.5:0.5의 중량비를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 빛은 극단파 백색광(IPL)인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 극단파 백색광은 1회 이상 조사되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 극단파 백색광의 조사 강도는 1.5J/cm2 내지 7.5J/cm2인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 이차전지용 음극의 전기 전도도는 상기 극단파 백색광을 가하는 경우, 상기 극단파 백색광을 가하지 않은 경우보다 5s/m 내지 30s/m 향상되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 있어, 상기와 같은 특징을 가지는 이차전지 음극 중 어느 하나를 포함하는 이차전지인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제조하고자 하는 이차전지용 음극은 리튬이온전지의 수명 및 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적인 상기의 이차전지용 음극을 포함하는 리튬이온전지는 기존의 리튬이온전지보다 더 긴 수명을 가지고 뛰어난 성능을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 이차전지용 음극에서 음극활물질, 퀀텀닷 및 바인더를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의해 카본퀀텀닷을 제조하는 과정을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 의해 전극물질(AHNS-rGO)을 제조 메커니즘 및 제조된 전극물질을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 일 실시예에 음극활물질인 Si/C를 제조하는 과정 및 제조된 물질의 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 의한 일 실시예에 의해 제조된 바인더 복합체, 음극 슬러리가 도포된 모습이다.
도 6은 본 발명에 의한 일 실시예에 제조된 카본퀀텀닷의 특성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 일 실시예의 바인더 복합체를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 의한 일 실시예의 바인더 복합체의 FT-IR 결과이다.
도 9는 본 발명에 의한 일 실시예의 물질들 사이에 열 전도도를 비교한 것이다.
도 10은 본 발명에 의한 일 실시예의 물질들 사이에 빛 흡수도를 비교한 것이다.
도 11은 본 발명에 의한 일 실시예의 카본퀀텀닷, PAA 및 실리콘 사이에 결합이 형성되는 것을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명에 의한 일 실시예의 음극에 극단파 백색광을 조사하기 전과 후를 비교한 것이다.
도 13은 본 발명에 의한 일 실시예의 전기적 특성을 비교한 것이다.
도 14는 본 발명에 의한 일 실시예의 이차전지 음극의 수명안정성을 측정한 결과이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 달리 명시되지 않는 한, 본 발명에 성분, 반응 조건, 성분의 함량을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다
또한, 본 발명에서 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들 뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 이차전지용 음극에서 음극활물질, 퀀텀닷 및 바인더의 작용을 모식적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 음극은 하나 이상의 제1 작용기를 포함하는 퀀텀닷, 하나 이상의 제2 작용기를 포함하는 수용성 바인더 및 음극 활물질을 포함하고, 상기 퀀텀닷 및 상기 수용성 바인더는 빛 및 열 중 적어도 어느 하나에 의하여 화학결합으로 연결되는, 이차전지용 음극일 수 있다.
상기 제1 작용기 또는 제2 작용기는 수용성 작용기일 수 있다.
상기 제1 작용기는 하이드록시기(-OH), 아미노기(-NH2) 및 카르복실기(-COOH) 중 적어도 어느 하나 이상일 수 있다. 구체적으로 상기 제1 작용기는 하이드록시기(-OH), 아미노기(-NH2) 및 카르복실기(-COOH) 중 한 종류 이상 포함될 수 있으며, 각각의 작용기가 하나 이상씩 포함될 수 있다.
상기 제2 작용기는 상기 제1 작용기와 화학결합, 예컨대 축합결합 등을 할 수 있는 작용기를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 작용기는 하이드록시기(-OH), 아미노기(-NH2), 카르복실기(-COOH), 아미드기(-NHCO-), 에폭시기(-O-), 및 치환 또는 비치환된 알케닐기(-R=R) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 퀀텀닷은 전기 전도성 및 열 전도성 중 하나 이상의 성질을 가지는 퀀텀닷일 수 있고, 바람직하게는 카본퀀텀닷일 수 있다. 상기 카본퀀텀닷은 방향족 탄화수소를 기본 골격으로 하고 있고 제1 작용기인 수용성 작용기를 가지고 있어 열을 전달할 수 있다. 따라서 열에 약한 고분자를 수용성 바인더로 사용하는 경우, 수용성 바인더에 결합되어 수용성 바인더의 열분해를 최소화할 수 있다.
상기 카본퀀텀닷은 1.0nm 내지 25nm의 크기일 수 있다. 또는 상기 카본퀀텀닷은 1.5nm 내지 20nm의 크기일 수 있다. 상기 카본퀀텀닷의 크기가 상기 범위보다 작으면 카본퀀텀닷의 제1 작용기 비율이 높아질 수 있다. 따라서 제조과정에서 동일한 양을 투여해도 더 많은 수의 카본퀀텀닷이 포함될 수 있고 카본퀀텀닷이 수용성 바인더와 축합중합되어 가교된 고분자(crosslinked polymer)인 바인더 복합체를 형성할 때 더 많은 수의 가교점을 형성할 수 있다. 가교점의 수가 많아지는 경우 바인더의 점도가 높아질 수 있고, 이는 전극제작 공정에 영향을 줄 수 있다. 또한 상기 카본퀀텀닷의 크기가 상기 범위보다 커지면 하나의 카본퀀텀닷과 하나의 바인더가 형성하는 가교점의 가교되는 면적이 넓어지나, 투여된 카본퀀텀닷의 개수가 적어 전체적으로 가교되는 지점이 적어져 바인더 복합체의 바인딩(binding) 특성이 떨어질 수 있다.
상기 카본퀀텀닷은 우레아 및 시트르산을 합성하여 제조될 수 있다. 따라서 상기 카본퀀텀닷은 하이드록시기(-OH), 아미노기(-NH2) 및 카르복실기(-COOH)와 같은 수용성 작용기를 가진 것일 수 있다. 또한 상기 카본퀀텀닷은 질소(N)가 도핑된 것일 수 있다. 상기 질소가 도핑되거나 아미노기를 포함하는 경우 전기 전도도가 더 향상될 수 있다.
상기 수용성 바인더는 음극활물질을 바인딩할 수 있고 수용성 작용기를 가진 폴리머 바인더일 수 있다. 상기 수용성 바인더는 하이드록시기(-OH), 아미노기(-NH2), 카르복실기(-COOH), 아미드기(-NHCO-), 에폭시기(-O-), 및 치환 또는 비치환된 알케닐기(-R=R) 중 어느 하나 이상의 작용기를 가질 수 있다. 상기 수용성 바인더는 예를 들어 폴리아크릴릭애시드(PAA), 폴리바이닐알코올(PVA), 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 폴리에틸렌글리콜(PEG)/폴리에틸렌옥사이드(PEO), 스타이렌 부타다이엔 러버(SBR), 카르복시 메틸 셀룰로오스(CMC), 알지네이트(Alg), 폴리(9,9-다이옥틸플루오렌-코-플루오레논-코-메틸벤조익 에스터)(PFFOMB, (poly(9,9-diotylfluorene-co-fluorenone-co-methylbenzoic ester)), 검아라빅(GA), 구아검(GG), 키토산, 녹말, 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌이민, 젤라틴, 폴리(1-파이렌메틸 메타크릴레이트)(poly(pyrene-1-ylmethyl-methacrylate), 잔탄검(XG), 카라기난, 에폭시수지(epoxy resin), 및 폴리우레탄(PU) 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 수용성 바인더로서 폴리아크릴릭애시드(PAA)를 사용하는 경우 분자량(Mw)은 음극 활물질을 충분히 바인딩할 수 있는 수치일 수 있으며, 10,000 내지 900,000의 분자량을 가질 수 있다.
상기 음극 활물질은 충전 또는 방전 시 부피가 변화하는 성질을 가지는 물질일 수 있다. 상기 음극 활물질의 충전 또는 방전 시 부피가 크게 변하는 경우 이차전지의 성능이나 수명에 영향을 미칠 수 있고, 이를 개선하기 위하여 앞서 기재한 바와 같은 수용성 바인더를 포함할 수 있다. 상기 수용성 바인더는 음극 활물질을 바인딩할 수 있고 전극의 기판에 고정시킬 수 있다. 따라서 상기 수용성 바인더에 의하여 전체적인 전기전도성이 향상될 수 있다.
상기 음극활물질은 Si, Li, SiOx, Sn, Ge, Mg, P, Al, Zn, Pb, Pn 및 As 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한 상기 음극 활물질은 Si, Li, SiOx, Sn, Ge, Mg, P, Al, Zn, Pb, Pn 및 As 중 적어도 어느 하나와 탄소재료의 복합체를 포함하는 것일 수 있다. 상기 탄소재료는 흑연, 그래핀, 탄소섬유 및 탄소나노튜브 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질에 실리콘(Si)를 사용하는 경우, 실리콘의 크기는 10nm 내지 50μm 크기일 수 있다.
상기 퀀텀닷과 상기 수용성 바인더는 2:98 내지 50:50의 중량비로 바인더 복합체를 형성할 수 있다. 상기 바인더 복합체에서 상기 퀀텀닷의 중량비가 상기 범위보다 적으면 바인더 사이의 가교 역할이 잘 수행되지 않을 수 있다. 따라서 상기 퀀텀닷의 중량비가 적으면 음극 활물질을 바인딩하고 전극의 기판에 고정시키는 기능이 저하되어 전극의 성능 및 수명이 저하될 수 있다. 상기 퀀텀닷의 크기를 매우 작게 제조한다면 상기 바인더 복합체에서 퀀텀닷의 중량비를 더 적게 포함시킬 수 있다. 또한 상기 바인더 복합체에서 상기 퀀텀닷의 중량비가 너무 많으면 바인더의 함량이 줄어들고, 이 역시 같은 이유로 전극의 성능 및 수명을 저하시킬 수 있다.
상기 퀀텀닷과 상기 수용성 바인더는 가교 결합을 하여 바인더 복합체를 형성할 수 있다. 상기 가교 결합은 상기 퀀텀닷의 제1 작용기와 상기 수용성 바인더의 제2 작용기의 화학 결합에 의하여 형성될 수 있고, 여기에서 화학 결합은 탈수 반응에 의한 축합중합 반응으로 형성될 수 있다.
상기 이차전지용 음극은 상기 퀀텀닷, 상기 수용성 바인더 및 상기 음극 활물질 외에 첨가제를 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 첨가제는 전기전도성 및 열 전도성 중 어느 하나 이상을 가질 수 있다. 상기 첨가제를 상기 이차전지용 음극을 제조하는 과정에서 빛 또는 열을 잘 흡수하고 전달함으로써, 구성물질들 사이의 결합이 잘 이루어지고 균일하게 이루어지도록 할 수 있다. 또한 상기 이차전지용 음극을 이용한 이차전지에서 전기전도성을 향상시킬 수 있다. 상기 첨가제는 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 카본 블랙, 그래핀 및 리듀스드 그래핀 옥사이드(rGO) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한 본 발명의 일 실시예에 있어서, 하나 이상의 제1 작용기를 포함하는 퀀텀닷, 하나 이상의 제2 작용기를 포함하는 수용성 바인더 및 음극 활물질을 포함하고, 여기에 도전재를 더 포함하고, 상기 퀀텀닷과 상기 수용성 바인더는 빛 또는 열에 의하여 축합중합되어 가교된 고분자(crosslinked polymer)인 바인더 복합체로 구비되고, 상기 바인더 복합체는 상기 음극 활물질 및 상기 도전재와 혼합되어 상기 음극 활물질을 바인딩하는 것일 수 있다.
상기 음극 활물질, 상기 바인더 복합체 및 상기 도전재는 50:25:25 내지 99:0.5:0.5의 중량비를 가질 수 있다.
상기 퀀텀닷, 상기 수용성 바인더 및 상기 바인더 복합체 중 어느 하나 이상은 빛 및 열 중 적어도 어느 하나를 가하여 상기 음극 활물질과 축합중합될 수 있다. 구체적으로 상기 퀀텀닷 및 상기 수용성 바인더는 빛 및 열 중 적어도 어느 하나를 가하여 각각 상기 음극 활물질과 축합중합된 후 상기 바인더 복합체를 형성할 수 있고, 빛 및 열 중 적어도 어느 하나를 가하여 상기 바인더 복합체를 형성한 후 상기 음극 활물질과 축합중합될 수 있다. 이들의 축합중합에 의해 상기 바인더 복합체는 상기 음극 활물질을 바인딩할 수 있고 기판에 고정시킬 수 있다.
상기 이차전지용 음극은 상기 퀀텀닷, 상기 수용성 바인더 및 상기 음극 활물질 외에 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 전기 전도성 및 열 전도성 중 어느 하나 이상을 가지는 것일 수 있다. 상기 첨가제는 상기 이차전지용 음극을 제조하는 과정에서 빛 또는 열을 잘 흡수하고 전달함으로써, 구성물질들 사이의 결합이 잘 이루어지고 균일하게 이루어지도록 할 수 있다. 특히 빛을 조사하여 상기 이차전지용 음극을 제조하는 경우, 상기 빛이 물질의 내부까지 전달되지 않을 수 있고, 이 경우 열 전달이 잘 이루어져야 축합중합이 잘 형성될 수 있다. 또한 상기 첨가제는 상기 이차전지용 음극을 이용한 이차전지에서 전기전도성을 향상시킬 수 있다. 상기 첨가제는 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 카본 블랙, 그래핀 및 리듀스드 그래핀 옥사이드(rGO) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 축합중합을 형성시키는 빛은 극단파 백색광(IPL, intense pulse light)일 수 있다. 상기 극단파 백색광은 상기 퀀텀닷, 상기 수용성 바인더 및 상기 음극 활물질 사이를 축합중합시켜 상기 퀀텀닷과 상기 수용성 바인더의 복합체인 바인더 복합체가 상기 음극 활물질을 바인딩하도록 할 수 있다.
상기 극단파 백색광은 1회 이상 조사될 수 있다. 상기 극단파 백색광은 상기 이차전지용 음극의 두께, 조성비에 따라 조사 횟수, 조사시간 등을 조절할 수 있다. 이때 조사시간을 짧게 할수록 온도 상승률이 높아질 수 있고, 조사 횟수를 증가시킬수록 열처리 조건이 강해질 수 있다. 상기 극단파 백색광을 2회 이상 조사하는 경우 오프타임(off time)을 조절하여 각 펄스 간 휴식 시간을 줄 수 있고, 오프타임이 짧을수록 온도 상승률이 높아질 수 있다.
구체적으로, 상기 극단파 백색광은 1회 내지 10회, 또는 1회 내지 8회, 또는 1회 내지 6회, 또는 1회 내지 4회, 1회 내지 2회, 또는 2회 내지 3회, 또는 2회 내지 5회, 또는 2회 내지 7회, 또는 2회 내지 9회로 수행될 수 있다.
상기 극단파 백색광의 조사 강도는 1.5J/cm2 내지 7.5J/cm2로 조사될 수 있다. 상기 극단파 백색광의 너무 약하게 조사되면 상기 퀀텀닷과 상기 수용성 바인더의 가교 반응이 잘 형성되지 않아 바인더 복합체가 형성되지 않거나 상기 음극 활물질과의 축합중합이 잘 형성되지 않을 수 있다. 또한 상기 극단파 백색광이 너무 강하게 조사되면 열에 약한 수용성 바인더를 사용하는 경우에 상기 수용성 바인더의 열분해가 일어날 수 있다.
상기 극단파 백색광의 1회당 조사 시간(on time)은 1ms 내지 1000ms일 수 있다. 상기 극단파 백색광은 조사 강도가 동일한 경우 조사 시간(on time)이 짧을 수록 에너지가 더 집중되어 노출되기 때문에 온도 상승률이 커질 수 있다. 반면 조사 시간(on time)이 길어질수록 에너지가 분산되어 열이 충분히 상승하지 않게 되고, 축합 중합이 충분히 일어나지 않을 수 있다. 다만 조사 시간이 짧을수록 열이 전극의 내부까지 충분히 전달되지 않을 수 있다. 결국 조사 시간이 1ms 미만인 경우 전극 전체에 열이 전달되지 않을 수 있고, 1000ms 초과인 경우 열처리가 충분히 되지 않고 조사 시간이 길어지게 되어 생산성이 떨어질 수 있다.
상기 극단파 백색광의 조사 시간이 1ms 미만인 경우, 전극 전체에 고르게 열처리가 불가능할 수 있다. 도한 상기 극단파 백색광의 조사 시간이 1000ms를 초과할 경우 충분한 열처리가 되지 않을 수 있고, 조사시간이 길어 생산성이 떨어질 수 있다.
상기 극단파 백색광의 1회당 휴식 시간(off time)은 1ms 내지 500ms일 수 있다. 휴식 시간(off time)이 길어질수록 극단파 백색광을 처리하는 시간이 길어지므로 공정 시간이 길어져 효율이 떨어질 수 있다.
상기 빛 및 열 중 적어도 어느 하나를 가하여 상기 이차전지용 음극을 제조함으로써 전지의 안정성 및 전기전도도가 더 향상될 수 있다. 구체적으로 상기 이차전지용 음극의 전기 전도도는 상기 극단파 백색광을 가하는 경우, 상기 극단파 백색광을 가하지 않은 경우보다 5 내지 10s/m 향상될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 앞서 설명한 바와 같은 특징을 가지는 이차전지용 음극 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
이 때 상기 이차전지는 Si, Li, SiOx, Sn, Ge, Mg, P, Al, Zn, Pb, Pn 및 As 중 적어도 어느 하나를 음극 활물질로 포함하는 음극을 포함할 수 있다. 또한 상기 이차전지는 Si, Li, SiOx, Sn, Ge, Mg, P, Al, Zn, Pb, Pn 및 As 중 적어도 어느 하나와 탄소재료의 복합체를 음극 활물질로 포함하는 음극을 포함할 수 있다. 상기 탄소재료는 흑연, 그래핀, 탄소섬유 및 탄소나노튜브 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나, 하기 실시예들은 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명의 권리 범위가 하기 실시예들에 의하여 제한되는 것은 아니다.
[실시예]
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지용 음극을 제조하였다.
1. 카본퀀텀닷 제조
본 실시예의 퀀텀닷으로서 카본퀀텀닷을 제조하였다. 도 2는 본 실시예의 카본퀀텀닷이 제조되는 과정을 나타낸 것이다. 우선 우레아와 시트르산을 혼합하고 160℃에서 4시간 동안 카보니제이션 시켜 카본퀀텀닷을 제조하였다. 제조 후 반응하지 않은 입자들은 투석(dialysis)하여 제거하고, 크기가 큰 카본퀀텀닷은 시린지 필터(syringe filter)를 사용하여 필터링하였다. 이렇게 얻어진 카본퀀텀닷은 동결건조(freeze-drying) 하였다. 여기에서 제조된 카본퀀텀닷을 질소가 도핑되고 하이드록시기, 아미노기 및 카르복실기의 수용성 작용기를 갖는 것이다.
2. 음극 활물질 제조
실리콘과 탄소재료를 혼합하여 음극 활물질을 제조하였다. 도 3 및 도 4는 음극 활물질은 제조하는 과정 및 사용된 물질들을 나타낸 것이다.
우선 그래핀 옥사이드(GO)에 6-아미노-4-하이드록시-2-나프탈렌설포닉애시드(AHNS, 6-amino-4-hydroxy-2-naphthalenesulfonic acid)를 첨가하고 70℃로 24시간 동안 가열하였다. 이에 의하여 그래핀 옥사이드와 AHNS이 반응하여 AHNS-GO를 형성하였다. 이 후 여기에 하이드라진 모노하이드레이트(hydrazine monohydrate)를 넣고 100℃로 20분 동안 가열하여 AHNS-기능화된 리듀스드 그래핀 옥사이드(AHNS-rGO)를 제조하였다. 도 3은 AHNS-rGO가 제조되는 메커니즘 및 여기에서 제조된 AHNS-rGO의 이미지를 나타낸 것이다.
앞서 제조한 AHNS-rGO를 에탄올에 현탁시키고 여기에 약 100nm크기의 실리콘 나노입자와 MWCNT를 첨가하여 혼합액을 제조하였다. 이 후 상기 혼합액을 초음파 처리하여 에탄올을 증발시키고 음극 활물질(Si/C)을 제조하였다. 도 4는 음극 활물질의 제조 과정을 모식적으로 나타내고, 여기에서 제조된 음극 활물질(Si/C)의 이미지를 나타낸 것이다.
3. 이차전지용 음극 제조
상기 1에서 제조된 카본퀀텀닷을 수용성 바인더와 10:90 중량비로 DI 워터에서 혼합하였다. 이 혼합액 이미지는 도 5a에 나타냈다. 상기 수용성 바인더는 폴리아크릴릭 애시드(PAA, polyacrylic acid)를 사용하였다.
상기 2에서 제조된 음극 활물질, Super P 및 상기 카본퀀텀닷과 바인더 혼합물을 80:10:10의 중량비로 혼합하여 슬러리를 제조하고 기판에 도포하였다(도 5b).
이 후 상기 슬러리에 극단파 백색광을 조사하여 각 입자들 사이에 가교를 형성하도록 하였다. 극단파 백색광은 4J/cm2의 강도로 10ms의 매우 짧은 시간 동안 1회 조사하였다.
[실험예]
1. 바인더 복합체 특성 확인
상기 실시예에서 제조된 바인더 복합체의 특성을 확인하였다.
1) 실시예에서 제조한 카본퀀텀닷을 특성을 확인하는 실험을 수행하였고, 도 6 내지 9에 도시하였다.
도 6a는 제조된 카본퀀텀닷을 UV 램프에 비춰본 이미지를 나타낸다. 카본퀀텀닷을 포함하는 용액이 UV 램프 아래에서 컨쥬게이션된 C=C 결합의 전자가 π-π* 전이된 것을 확인할 수 있었다.
도 6b는 카본퀀텀닷에 있는 작용기를 확인하기 위하여 FT-IR을 수행한 결과이다. 그래프에서 하이드록시기 및 아미노기의 피크를 확인하여 수용성 작용기를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
도 6c는 TEM 이미지를 이용하여 카본퀀텀닷의 크기를 측정한 것이고, 약 4~6nm 크기로 제조된 것을 확인할 수 있었다.
2) 카본퀀텀닷과 PAA가 결합하여 형성된 바인더 복합체의 특성을 분석하였다.
도 7은 PAA와 카본퀀텀닷이 가교 결합을 형성한 모습을 모식적으로 나타낸 도면이다. 이들의 가교 결합은 극단파 백색광을 조사함으로써 더 견고하게 형성될 수 있다. 도 8은 극단파 백색광을 조사하기 전과 후의 FT-IR 측정 결과이고, 극단파 백색광을 조사한 후에 피크가 이동하여 더 강한 결합이 형성되는 것을 보여준다.
따라서 바인더 복합체가 음극활물질을 더 견고하게 고정하고 음극활물질의 팽창을 억제하는 특성이 있는 것을 확인할 수 있다.
2. 이차전지용 음극의 특성 실험
실시예에서 상기 바인더 복합체를 이용하여 이차전지용 음극을 제조하고 그 특성을 분석하였다.
1) 재료별 특성 비교
도 9는 극단파 백색광을 조사하였을 때 열이 전달되는 메커니즘을 나타내는 모식도와 각 재료별 열전도도를 비교한 것이다. 도 9a의 모식도에서 극단파 백색광을 조사하면 빛 에너지와 열 에너지가 함께 적용되는 것을 볼 수 있다. 여기에서 빛 에너지는 표면에서 작용하고, 빛 에너지에서 전환된 열 에너지 및 극단파 백색광의 열 에너지가 전극의 내부까지 침투하여 가교 형성을 돕는 것을 나타낸다. 따라서 각 재료들의 열 전도도는 중요한 특성 중 하나이다. 다만 PAA는 고분자 재료로서 PAA를 통해 열전달이 일어나면 열분해가 일어날 수 있는 단점이 있다. 그러나 본 발명의 바인더 복합체는 카본퀀텀닷 및 PAA가 가교를 형성하여 바인더 복합체를 형성함으로써 열 에너지가 상대적으로 열 전도도가 좋은 카본퀀텀닷 및 다른 재료(실리콘, 그래핀 등)를 통해 전달되기 때문에, PAA의 열분해가 최소화되고 전극의 내부까지 열이 잘 전달될 수 있다. 각 물질간 열 전도는 주로 AHNS-rGO, MWCNTs 및 카본퀀텀닷을 통해 일어난다.
이러한 결과는 전극의 내부까지 재료들 간의 결합이 잘 형성되고, 이어서 전극의 특성 향상에 영향을 미친다.
도 10은 각 물질들의 빛 흡수량을 비교한 것이다.
도 10a는 슬러리에 극단파 백색광을 조사하는 것을 모식적으로 나타낸 것이다. 빛은 상층의 적은 영역에서만 흡수되지만, 열은 슬러리의 내부 깊은 영역까지 확산되는 것을 확인할 수 있다.
도 10b는 각 물질들의 물에 대한 분산(0.001wt.%) 이미지를 나타내고, PAA가 그 중에서 특히 투명한 것을 확인할 수 있다. 각 물질들은 빛에 의하여도 반응이 일어나기 때문에 빛 흡수량 역시 물질들의 중요한 특성 중 하나이다. 상대적으로 투명도가 적은 rGO, CNTs 등은 도 10c의 그래프에 나타난 바와 같이 빛 에너지를 효과적으로 흡수하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 PAA는 투명한 성질로 인하여 극단파 백색광 조사시 빛 흡수량이 거의 없다. 따라서 PAA가 빛 에너지에 의하여 분해되는 것을 최소화할 수 있고, 극단파 백색광 조사시에 바인더 복합체가 분해되지 않고 안정적으로 유지될 수 있다. 또한 다른 재료들은 더 많은 빛 에너지를 흡수할 수 있어 효과적으로 가교 결합을 형성할 수 있다.
도 10의 실험 결과에 따르면, 물질들의 흡수 강도(Absorption intensity)는 AHNS-rGO가 가장 크고 그 다음으로 MWCNTs와 SiNPs가 비슷한 크기를 가지며 그 다음으로 카본퀀텀닷이 크고 PAA가 가장 작은 흡수강도를 가진다.
도 11은 슬러리에 극단파 백색광이 조사된 후에 각 물질들 사이에 가교 결합을 형성하는 것을 모식적으로 나타낸 도면이다. 여기에서 카본퀀텀닷 및 PAA 사이에 가교 결합을 형성하여 바인더 복합체를 이루는 것을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라 바인더 복합체와 실리콘의 작용기 사이에도 축합 반응이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결합들에 의하여 바인더 복합체가 실리콘을 견고하게 고정하고, 실리콘이 팽창하는 것을 억제할 수 있다.
2) 음극의 특성 확인
실시예에서 제조된 이차전지용 음극의 특성을 분석하였다.
도 12는 실시예에서 제조된 이차전지용 음극에 극단파 백색광(IPL)을 조사하기 전과 후의 SEM 이미지를 나타낸다. 각 물질들은 극단파 백색광을 조사함으로써 결합을 형성할 수 있으나, 외부적으로는 조사 전과 후에 변화가 없을 것을 확인할 수 있다. 이는 내부적으로는 견고하고 안정적인 결합을 형성하지만, 외부적으로 입자의 응집이나 균열 등 전지의 특성을 저하시키는 요인이 발생하지 않는 것을 의미한다.
도 13은 실시예에 의한 이차전지용 음극의 전기적 특성을 분석한 것이다.
도 13a은 바인더로서 PAA만 이용한 경우와 카본퀀텀닷과 가교결합을 한 경우 Si/C-PAA-CQD 파우더의 전기 전도도를 비교한 결과를 나타낸다. 고분자인 PAA만 이용한 경우에 비하여 본 발명의 바인더 복합체를 이용한 경우의 전기 전도도가 더욱 향상된 것을 확인할 수 있다. 이는 카본퀀텀닷이 전자의 이동통로 역할을 하기 때문이다. 카본퀀텀닷은 PAA와 결합함으로서 바인더 역할을 함과 동시에 전자의 이동통로 역할도 하여 전지의 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한 카본퀀텀닷이 바인더 복합체에 포함됨으로써 음극활물질(여기에서 실리콘)의 사이와 표면에 분산되어 있기 때문에 이러한 특성들이 더욱 극대화될 수 있다.
도 13b는 실시예의 이차전지 음극 제조시에 극단파 백색광을 조사한 경우와 조사하지 않은 경우의 전기 전도도를 비교한 결과를 포함한다. 여기에서도 극단파 백색광을 조사한 경우에 전기 전도도가 더욱 향상된 것을 확인할 수 있다. 이는 각 물질들의 결합 및 탄소의 추가적인 환원이 일어나 전기전도도가 증가하는 것이다. 이는 극단파 백색광을 조사함으로써 카본퀀텀닷, PAA 및 음극활물질 상에 결합이 일어나고 이와 같은 결합이 전지의 특성을 향상시키는 것을 증명하는 것이다.
도 14는 실시예에 의한 이차전지 음극에 극단파 백색광(IPL)을 조사하기 전과 후의 수명안정성을 측정한 결과를 나타낸다. 본 실험에서 사용한 전지의 다른 구성들은 표 1과 같다.
전해질 1 M LiPF6(EC:DEC:VC:FEC 44.5:44.5:10:1 v/v ratio)
기준 전극 및상대 전극 Li 호일
분리막 Celgard 2400(pp 분리막)
집전 장치 Cu 호일
도 14에서 극단파 백색광이 조사된 경우에 전지의 용량 자체가 크게 증가한 것을 확인할 수 있다. 또한 사이클이 증가함에 따라 전지의 용량이 감소하지만 감소의 폭이 크지 않고, 100 사이클이 되어도 극단파 백색광을 조사하지 않을 경우에 비하여 전지의 용량이 매우 크게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 극단파 백색광을 조사함으로써 PAA 및 카본퀀텀닷의 가교 결합이 형성되고, 또한 실리콘과 바인더 복합체 사이의 결합이 형성됨으로써 전지의 저항이 감소하게 된다. 이로 인하여 전지의 안정성과 용량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 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 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 하나 이상의 제1 작용기를 포함하는 퀀텀닷;
    하나 이상의 제2 작용기를 포함하는 수용성 바인더; 및
    음극 활물질을 포함하고,
    상기 퀀텀닷 및 상기 수용성 바인더는 빛 및 열 중 적어도 어느 하나에 의하여 화학졀합으로 연결되는,
    이차전지용 음극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 작용기 또는 제2 작용기는 수용성 작용기인 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 작용기는 하이드록시기(-OH), 아미노기(-NH2) 및 카르복실기(-COOH) 중 적어도 어느 하나 이상이고,
    상기 제2 작용기는 하이드록시기(-OH), 아미노기(-NH2), 카르복실기(-COOH), 아미드기(-NHCO-), 에폭시기(-O-), 및 치환 또는 비치환된 알케닐기(-R=R) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 퀀텀닷은 카본퀀텀닷인 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 카본퀀텀닷의 크기는 1.0nm 내지 25nm인 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수용성 바인더는 폴리아크릴릭애시드(PAA), 폴리바이닐알코올(PVA), 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 폴리에틸렌글리콜(PEG)/폴리에틸렌옥사이드(PEO), 스타이렌 부타다이엔 러버(SBR), 카르복시 메틸 셀룰로오스(CMC), 알지네이트(Alg), PFFOMB(poly(9,9-diotylfluorene-co-fluorenone-co-methylbenzoic ester)), 검아라빅(GA), 구아검(GG), 키토산, 녹말(starch), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌이민, 젤라틴, 폴리(1-파이렌메틸 메타크릴레이트)(poly(pyrene-1-ylmethyl-methacrylate), 잔탄검(XG), 카라기난, 에폭시수지(epoxy resin), 및 폴리우레탄(PU) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수용성 바인더가 PAA인 경우 분자량(Mw)은 10,000 내지 900,000인 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 음극 활물질은,
    Si, Li, SiOx, Sn, Ge, Mg, P, Al, Zn, Pb, Pn, 및 As 중 적어도 어느 하나이거나; 또는
    Si, Li, SiOx, Sn, Ge, Mg, P, Al, Zn, Pb, Pn, 및 As 중 적어도 어느 하나와 탄소재료의 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탄소재료는 흑연, 그래핀, 탄소섬유 및 탄소나노튜브 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 음극 활물질이 Si인 경우 10nm 내지 50μm 크기인 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 퀀텀닷과 상기 수용성 바인더는 2:98 내지 50:50의 중량비를 가지는 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 퀀텀닷과 상기 수용성 바인더는 극단파 백색광을 조사함으로써 가교 결합을 하는 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 이차전지용 음극은 첨가제를 더 포함하고,
    상기 첨가제는 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 카본 블랙, 그래핀 및 리듀스드 그래핀 옥사이드(rGO) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  14. 제1항에 있어서,
    도전재를 더 포함하고,
    상기 퀀텀닷과 상기 수용성 바인더는 빛 및 열 중 적어도 어느 하나에 의하여 축합중합되어 가교된 고분자(crosslinked polymer)인 바인더 복합체로 구비되고,
    상기 바인더 복합체는 상기 음극 활물질 및 상기 도전제와 혼합되어 상기 음극 활물질을 바인딩(binding)하는 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 음극 활물질, 상기 바인더 복합체 및 상기 도전재는 50:25:25 내지 99:0.5:0.5의 중량비를 가지는 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 빛은 극단파 백색광(IPL)인 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 극단파 백색광은 1회 이상 조사되는 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 극단파 백색광의 조사 강도는 1.5J/cm2 내지 7.5J/cm2이고,
    상기 극단파 백색광의 1회당 조사 시간은 1ms 내지 1000ms인 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 이차전지용 음극의 전기 전도도는 상기 극단파 백색광을 가하는 경우, 상기 극단파 백색광을 가하지 않은 경우보다 5s/m 내지 30s/m 향상되는 것을 특징으로 하는,
    이차전지용 음극.
  20. 제1항 내지 19항 중 어느 하나의 이차전지용 음극을 포함하는 이차전지.

KR1020220105081A 2021-10-06 2022-08-22 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지 KR20230049542A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210132751 2021-10-06
KR20210132751 2021-10-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230049542A true KR20230049542A (ko) 2023-04-13

Family

ID=85978735

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220105081A KR20230049542A (ko) 2021-10-06 2022-08-22 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20230049542A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102154194B1 (ko) 2019-04-29 2020-09-09 인천대학교 산학협력단 그래프트 공중합체, 이의 제조방법, 이를 포함하는 실리콘 음극용 바인더, 상기 실리콘 음극용 바인더를 포함하는 실리콘 음극 및 상기 실리콘 음극을 포함하는 리튬이온전지

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102154194B1 (ko) 2019-04-29 2020-09-09 인천대학교 산학협력단 그래프트 공중합체, 이의 제조방법, 이를 포함하는 실리콘 음극용 바인더, 상기 실리콘 음극용 바인더를 포함하는 실리콘 음극 및 상기 실리콘 음극을 포함하는 리튬이온전지

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102124946B1 (ko) 리튬 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
JP4577024B2 (ja) 真性ポリマー電池用電極
US20160013481A1 (en) Anode active material for lithium secondary battery and method for preparing same
KR101458309B1 (ko) 부피 변화를 완화할 수 있는 Si-블록 공중합체 코어-쉘 나노 입자 및 이를 이용한 리튬 이차전지용 음극활물질
Zhang et al. Carbon nanomaterials used as conductive additives in lithium ion batteries
KR102454375B1 (ko) 음극 슬러리, 이를 포함하는 리튬 이차전지용 음극 및 리튬 이차전지
KR20160040227A (ko) 실리콘-계 음극을 위한 탄성 겔 고분자 바인더
KR102474174B1 (ko) 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR101895116B1 (ko) 음극 슬러리의 제조방법
KR20140093987A (ko) 비정질 탄소 입자의 제조 방법, 비정질 탄소 입자, 리튬 이온 이차 전지용 부극 재료 및 리튬 이온 이차 전지
KR101591712B1 (ko) 리튬이차전지 음극용 바인더
KR101519979B1 (ko) 리튬이온이차전지용 음극 조성물
KR20210044384A (ko) 리튬 이차전지
CN105428634B (zh) 一种锂离子电池负极材料及其硫化锂电池的制备方法
CN115117366B (zh) 一种涂碳铝箔及其制作工艺和锂离子电池
EP3930041A1 (en) Battery material
KR20230049542A (ko) 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지
CN113991077B (zh) 一种锂电池用石墨复合材料及其制备方法
CN112940643B (zh) 一种双聚合物凝胶材料及其制备方法和应用
KR20230018795A (ko) 리튬-황 전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬-황 전지
KR20220144605A (ko) 실리콘계 음극 및 이의 제조방법
KR20210088025A (ko) 리튬 이차전지
US20220384782A1 (en) Positive electrode for lithium secondary battery, preparation method thereof, and lithium secondary battery comprising the positive electrode
EP4340059A1 (en) Anode active material, method for preparing the same, and rechargeable lithium battery comprising the same
KR20240052661A (ko) 음극 및 이차전지